EP2710245A1 - Procédé de rationalisation de chaine de composants électriques d'un aéronef, architecture de mise en oeuvre et aéronef correspondant - Google Patents

Procédé de rationalisation de chaine de composants électriques d'un aéronef, architecture de mise en oeuvre et aéronef correspondant

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Publication number
EP2710245A1
EP2710245A1 EP12728693.8A EP12728693A EP2710245A1 EP 2710245 A1 EP2710245 A1 EP 2710245A1 EP 12728693 A EP12728693 A EP 12728693A EP 2710245 A1 EP2710245 A1 EP 2710245A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gap
power
shaft
transformer
energy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12728693.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Michel Haillot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Helicopter Engines SAS
Original Assignee
Turbomeca SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Turbomeca SA filed Critical Turbomeca SA
Publication of EP2710245A1 publication Critical patent/EP2710245A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R16/00—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for
    • B60R16/02—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements
    • B60R16/03—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for supply of electrical power to vehicle subsystems or for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/32—Arrangement, mounting, or driving, of auxiliaries
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/36—Power transmission arrangements between the different shafts of the gas turbine plant, or between the gas-turbine plant and the power user
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/50—Application for auxiliary power units (APU's)
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a method of streamlining of components of electrical energy transmission components of an aircraft.
  • the invention also relates to an electromechanical architecture capable of implementing such a method and an aircraft comprising electrical energy components arranged according to this architecture.
  • the aircraft generally comprise at least one auxiliary power unit on board, also called APU (initials of "Auxiliary Power Unit” in English terminology) or GAP (Auxiliary Power Group initials).
  • a GAP is a small turbojet engine, associated with an electric power generator, capable of supplying electrical energy to an electric motor dedicated to moving the aircraft on the ground.
  • GAPs thus usually equip aircraft to power various energy-consuming equipment (electric, pneumatic and hydraulic power, air conditioning) on the ground, and to start the main engines.
  • a GAP may possibly be restarted and used in flight in case of failure of the air conditioning control system or the electrical distribution.
  • a GAP 10 is conventionally composed of a gas generator - comprising an air compressor 1 A1, a combustion chamber 2 of the air mixture A1 and fuel K1, and two turbines 3 and 4 - as well as at least one drive shaft and power 5.
  • the second turbine 4 is typically a linked turbine, the most powerful GAP being equipped with a free turbine.
  • the stages 3 and 4 of G1 gas expansion provide power to the compressor 1 via the drive shaft 5.
  • This shaft 5 is also a power shaft: residual power is indeed available on the shaft 5 to drive equipment when the GAP is operational, for example on the ground or during certain phases of flight, especially at takeoff, landing or in case of potential engine failure. In the case where the turbine 4 is free, the available power is transmitted to the equipment on a drive shaft collinear with the shaft 5.
  • a charge compressor 6 is driven by the available power supplied by the shaft 5 to compress incoming air A0.
  • This compressor 6 is coupled, for example, to an air conditioning system or a pneumatic pressure system (not shown).
  • the shaft 5 is coupled to two alternators 7a and 7b connected in parallel via the pinions P1 to P3 of a relay transmission housing of power 8.
  • a mechanical fuse Fa On each drive shaft 9a and 9b of each alternator 7a and 7b, is disposed a mechanical fuse Fa, respectively Fb, for cutting overwires in case of failure of an alternator.
  • These fuses may be, for example, toothed jaw or sections to break.
  • the electrical current generation means consisting of at least one alternator, is doubled here because the technological security provides functional redundancy and have at best two independent electrical circuits. In general, the equipment is classically doubled and remains independent.
  • the start of a GAP is conventionally performed by an electric launcher (not shown) and the starting of the main engines by a pneumatic starter powered by the charge compressor 6 mounted on the drive shaft 5 of the GAP.
  • a digital control unit U1 also called FADEC (initials of "Full Authority Digital Engine Control” in English terminology) regulates gear speeds of the 8 transmission power transmission.
  • the regulation is carried out by injecting the appropriate amount of fuel K1 into the combustion chamber 2 via a metering device D1.
  • This quantity is calculated and applied by the unit U1 as a function of the difference between the speed of the gearbox 8 provided by a speed sensor Cv, and transmitted to the unit U1, and a setpoint value.
  • the unit U1 and the power electronics EP1, EP2 are in cable connections or radio LA with the control center of the aircraft, in order to coordinate and anticipate the power controls with the flight conditions. [0013]
  • a significant increase in electrical equipment tends to favor the concept of "all electric”.
  • the multiplication of equipment involves the use of motors and / or generators superabundant to electrically coordinate equipment, and a multiplication of electromechanical connection systems in relay boxes.
  • the architecture becomes complex and energy efficient. In particular, congestion, mass and costs are increased while reliability is decreased.
  • the GAP is an addition of significant power source whose use, limited to certain flight phases, results in highly complex real-time circuit switches. in the electric core, in particular to ensure the different functions in case of failure.
  • the energy recovered by recycling for example during deceleration on the ground by the landing gear motors (function called "green taxiing" in English terminology, that is to say in green recovery of taxing) or by heat exchangers in suitable locations, can not be used by GAPs in flight phases where they are not operational, start-up and charging authorization times are too long: an additional energy absorption system must be installed.
  • the invention aims to overcome these drawbacks and, in particular, to achieve an architecture capable of rationalizing the electrical distribution between different components of an aircraft to reduce the number of components, bulk, mass and costs, while ensuring good reliability.
  • the invention proposes to optimize the energy supply by a suitable operation in reversibility of electrical supply systems GAP.
  • This operation allows adaptation, in case of failure of the GAP or the pneumatic or hydraulic energy supply system.
  • the subject of the present invention is a process for rationalizing the chain of electrical energy transmission components of an aircraft comprising an auxiliary power unit GAP, main engines and end-user equipment for electrical energy. , pneumatic and / or hydraulic controlled by dedicated control systems.
  • the GAP provides power delivered on a drive shaft by connecting to at least one energy transforming group via a power transmission housing.
  • Each transformer group has only one convertible starter / generator electromechanical component and an associated energy transformer.
  • the transmission of power is carried out from the each transformation group by direct connection on the one hand to the transmission box and on the other hand to the dedicated final equipment.
  • This method thus eliminates the intermediates (motors, generators, converters, etc.) of electromechanical transformation and reduce the power capacity necessary for the supply of energy to the dedicated final equipment, for example the control systems. air conditioning.
  • connection between the transformer unit and the GAP is formed in the housing by coupling the drive shaft of the GAP on the starter / generator DG shaft via a directional power communication operating in a single direction. from the drive shaft of the GAP to the shaft of the DG, the transmission being free or without drive communication in the other direction.
  • the method may provide that:
  • the DG or one of the DGs is configured to operate in motor mode during the start phase of the GAP, and then drive the GAP via a directional power communication ranging from the group to the GAP;
  • the DG then operating in motor mode is advantageously movably connected to the drive shaft of the GAP so that the associated energy transformer is not driven during the starting phase of the GAP;
  • an energy recovery turbine by heat exchange at the outlet of hot gases at the outlet of pneumatic equipment and / or main engines, at least partially drives a transformer group by coupling in the power transmission box via at least one minus directional power communication from the recovery turbine to the transformer group;
  • the one or one of the transformer groups is dedicated to taxing by supplying electrical energy in coupling with a landing gear motorization of the aircraft and the other group to the supply of energy according to the needs of the aircraft, the group dedicated to taxing being configured to operate in generator mode in connection with the drive shaft of the GAP according to the demand in traction of said engine, and in drive mode of the associated compressor when the train operator is converted into generator mode during the braking phases;
  • an additional DG is dedicated to taxing and coupled to the shaft of the GAP in the housing to be driven by this shaft and operate in generator mode according to the traction demand of the train operator, and to operate in engine mode. drive of the GAP shaft itself in engine mode when the train operator is converted into generator mode during the braking phases.
  • the invention also relates to an electromechanical architecture comprising electrical energy transmission components in an aircraft, capable of implementing the above method.
  • Such an architecture comprises a GAP, a control unit in connection with at least one power electronics, a power transmission case by gear means between, on the one hand, the shafts of at least one transformer unit, integrating by a single DG convertible by the control unit and, on the other hand, a power transmitting GAP drive shaft, as well as direct electrical power links to a final equipment.
  • Each transformation group is directly connected, on the one hand, to the power transmission box and, on the other hand, to the dedicated final equipment.
  • the transformation unit comprises respectively a compressor, a hydraulic pump or an alternator as an example of an associated energy transformer.
  • the power transmission is performed in the transmission housing by coupling the drive shaft of the GAP on the rotation shafts of the starters / generators DG via means of directional power communication mounted on the GAP drive shaft and on the rotation shafts of the DGs.
  • the directional power communication means are selected from a freewheel, a decoupling sleeve and a centrifugal or electromechanical clutch;
  • control unit is capable of configuring, during the GAP startup phase, the DG of a transformer group in motor mode and driving the GAP tree by coupling to this GAP tree via at least one communication means of directional power;
  • the drive of the GAP shaft is made by a mobile coupling means between the DG and the GAP shaft via at least one directional communication means, this coupling means simultaneously performing a disconnection between the DG and the associated power transformer;
  • An energy recovery turbine from heat exchangers at the outlet of pneumatic equipment and / or main engines, is coupled to at least one transformer unit in the transmission housing to drive it, in addition to the drive operated by the GAP shaft, via at least one directional power communication means from the recovery turbine to the transformer unit;
  • one of the transformer groups dedicated to the taxing by a coupling means on at least one drive shaft of the landing gear engines of the aircraft, another group being dedicated to the supply of energy according to the needs of the aircraft, is configured by the control unit in generator mode in addition to the drive operated by the GAP shaft according to the traction demand of said train engines, and in the drive motor mode of the transformer. energy of this group when the train engines are converted into generator mode by the control unit during the braking phases;
  • an additional DG dedicated to taxing, is driven by the GAP shaft by coupling in the transmission box and converted by the transmission unit.
  • FIG. 1 a basic diagram of energy distribution architecture comprising two motor compressors in connection with a GAP (already commented);
  • FIG. 2 an exemplary architecture diagram according to the invention comprising directional power communication means on the main trees;
  • FIG. 3 the architecture diagram according to FIG. 2 applied to the start of the GAP and to the taxing
  • FIG. 6 the diagram of a variant of FIG. 3 applied to the taxing with a third DG coupled directly to the GAP;
  • FIG. 7 an energy absorption architecture diagram comprising a recovery turbine.
  • the illustrated architecture 10 comprises an APU of the type of FIG. 1 with, in the present example, a power turbine 4 of the free turbine drive type of the drive shaft. power 5a.
  • the elements identical to those of FIG. 1 are designated by the same references in Figures 2 to 7 (unless expressly indicated).
  • the pooling of the functions of the architecture related to the GAP 10 according to the invention is rationalized by bidirectional links L1 and L2 between the control unit U1 and each of the power electronics EP1, EP2 which manages the starter transformation.
  • generator or DG of alternators 13a, 13b during different phases: start of the GAP or main engines, energy absorption or taxing.
  • the power electronics EP1, EP2 transmit to the unit U1 information on the power level that the alternators must provide to anticipate GAP power supply transients or for a speed optimization search.
  • the power electronics EP1, EP2 receive from unit U1 the confirmation signal of the power that can be supplied by the GAP.
  • the gas generator consists of the compressor 1, the combustion chamber 2 and a turbine HP (high pressure) 3.
  • the latter provides the drive power to the compressor 1 via the shaft
  • the speed of the drive shaft 5 is measured by a Cv sensor and the information is transmitted to the control unit U1.
  • the gas generator also comprises a free power turbine 4.
  • the residual energy leaving the turbine 3 is then transferred to the power turbine 4, a free turbine in the example, which provides mechanical power on the power shaft 5a.
  • This power is available to drive equipment, via the transmission housing 8, able to convert this power into pneumatic power, electrical or hydraulic.
  • the GAP 10 thus provides pneumatic power by driving charge compressors 1 1a and 1 1b and the electrical power by driving alternators 13a and 13b.
  • Other equipment shown in dotted lines may be driven, including a hydraulic pump and / or an alternator and / or a starter / generator DG dedicated to taxing (see below with reference to Figure 5).
  • the shaft 5a transmits the power to the pinion P1 through a freewheel RL1.
  • the arrow F1 indicates the active communication direction of the power transmitted by the freewheel RL1.
  • the power transmission thus passes from the shaft 5a to the pinion P1, without being transmitted in the opposite direction, that is to say, pinion P1 to the shaft 5a.
  • the engagement E1 of the freewheel RL1 being active, by construction, only in one direction of rotation corresponding to the direction of transmission of the arrow F1, no catch is engaged in the opposite direction and therefore no transmission pinion P1 to the shaft 5a is possible.
  • the arrows F2 and F3 indicate the direction of active power communication imposed by the freewheels RL2 and RL3, that is to say respectively of the pinion P2 to the pinion P4 and the pinion P3 to the pinion P6.
  • the compressors 1 1a and 1 1b which produce the pneumatic energy, are respectively driven by shafts 15a and 15b of pinions P5 and P7, via fusible shafts AF3 and AF4, the pinions. P5 and P7 are respectively geared by the pinions P4 and P6 alternators 13a and 13b.
  • Each alternator 13a, 13b respectively drives a compressor 1 1a, 1 1b: each pair consisting of an alternator 13a, 13b and the corresponding compressor 1 1a, 1 1b form a motor-compressor MC1, MC2.
  • the free wheel RL1 is a redundancy of the uncoupling function exerted by the freewheels RL2 and RL3. It can possibly be suppressed, in particular in case of additional redundancy of alternators and / or compressors.
  • a decoupling sleeve may be introduced on the shaft 5a. Such a sleeve is described in the patent document FR 2,887,945 incorporated by reference.
  • the architecture of the invention allows pooling equipment and start functions of the GAP and recovery or energy absorption.
  • FIG. 3 repeats and completes the architecture of FIG. 2 to illustrate the implementation of a starting solution of the GAP by one or other of the alternators, for example the alternator 13b.
  • the alternator 13b converted into a starter, by calling this function by the associated power electronics EP2, drives the shaft 5 via the series of pinions P6, P7, P8 and P9: the pinion P6 mounted on the shaft 15b of the alternator 13b meshes with the pinion P7 which drives the compressor 1 1b and a freewheel RL4.
  • the arrow F4 indicates the direction of the freewheel RL4, that is to say a power communication is transmitted to the pinion P8.
  • the latter meshes with the P9 pinion geared on the shaft 5 of the GAP 10.
  • the power between the pinions P7 and P8 is transmitted via a decoupling sleeve MD1.
  • This fuse can be that of the technology used to drive the air motor starters. They are able to transmit strong torque through a fuse calibrated accordingly in the direction of the arrow F5 (P7 pinion to the pinion P8) but, conversely, it behaves weak fuse if the transmission of power is in the opposite direction. This device avoids driving the gas generator in case of failure of the freewheel RL4.
  • Figure 4 illustrates a variant for performing the start function without driving the compressor 1 1b during the start phase of the GAP, and therefore reduce the power to be supplied during this phase.
  • a movable pinion P10 of shaft 12b carrying the decoupler sleeve MD1 is inserted between the pinions P6 and P7.
  • the pinion P6 drives, by a wide toothing, the pinion P10, which does not mesh the pinion P7 with teeth that is appreciably narrower than that of the pinion P6.
  • the decoupler sleeve MD1 the power is transmitted to the pinion P8 which drives the pinion P9.
  • the pinion P8 is also mobile along its tree coincident with the tree 12b of the pinion 10, so that all of the two pinions P8-P10 constitutes a directionally movable gear train in translation.
  • FIG. 5 shows the same solution after the start-up phase, that is to say in power supply configuration by the GAP 10.
  • the gear train P10 and P8 connected by the decoupler sleeve MD1 is translated so that it is no longer in mesh with the pinion P9 of the GAP shaft.
  • the GAP transmits power via its shaft 5a in the basic configuration illustrated in FIG.
  • This solution may advantageously include synchromes (not shown) of angle measurement for a restart of the GAP in residual rotation, for example, an autorotation by "reel effect” or end of start sequence then that the free turbine 4 is accelerated at low speed.
  • the functional pooling of the equipment according to the invention in particular by the shared management of the generators 13a and / or 13b and the compressors 11a and / or 11b by the power electronics EP1 / EP2 in bidirectional link L1 / L2 with FADEC U1 - allows the rational implementation of power absorption recovery.
  • This recovery comes for example braking phases of the landing wheels, during the phases of taxing and / or landing, or, for example, an associated recovery turbine.
  • the alternators 13a and 13b of Figures 2 to 5 are advantageously converted into engines - starter function through power electronics EP1 and EP2 - to absorb the powers supplied by the engines of the wheels of the main gear converted into generators.
  • the alternator 13a which is not dedicated to starting the GAP (as well as to the supply of power after starting), can be dedicated to this absorption function. power.
  • the energy required for the displacement of the aircraft is provided by the generator 13a.
  • the electric motors of the train are converted into alternators and supply electrical power to the alternator 13a as a motor (starter function) transmitted through additional pinions Ps.
  • This power is transmitted through the pinions P4 and P5 to the compressor 1 1a to recover the energy in pneumatic form.
  • the additional energy that may be required to drive the compressor 11a is provided by the power turbine 4 of the GAP 10.
  • the shaft 5a is no longer driven and therefore no longer drives the pinion P1.
  • the alternator 13a converted into a motor provides the mechanical power necessary to drive the charge compressor 1 1 a and other equipment if necessary.
  • the alternator 13b can be converted into a motor to provide the mechanical power needed to drive the charge compressor 11b and other equipment.
  • the two sets of alternators and compressors, 13a / 1 1a and 13b / 1 1b, which form two independent sets equivalent to two motor-compressors, MC1 and MC2, can be used in case of failure GAP. This avoids the addition of two other systems in relief. The reliability of the pinion coupling system is sufficient to meet safety requirements.
  • the GAP fails in flight - or to ensure the continuity of supply of compressed air during the start phase of the GAP - it is advantageous to use the motor-compressor systems MC1 or MC2 without starting the GAP 10.
  • the MC1 motor-compressor system is operational, and the second MC2 motor-compressor ensures the launch of the GAP for its start-up.
  • FIG. 6 illustrates, as a power absorption architecture variant during the taxing and / or landing operations, the installation of a convertible alternator or additional DG 13c dedicated to this function.
  • the reduction by a gear train on the transmission shaft 14c of the DG 13c, between the DG 13c and the shaft 5a of the GAP 10, is not shown in the diagram to avoid overloading the figure.
  • the AF5 mechanical fuse protects the shafts against the presence of possible overcouples.
  • the energy required for the movement of the aircraft is provided by the DG 13c generator mode (alternator) driven by the GAP 10. This energy is then transmitted to the electric motors of the wheels of the train.
  • the electric motors of the wheels are transformed into alternators. They then supply electrical energy (transmitted through known electrical power devices) to DG 13c converted to motor mode. This energy is transmitted through the fuse AF5 to the shaft 5a. The power supply requirement of the power turbine 4 is thereby reduced.
  • FIG. 7 Another example of power absorption is illustrated by the diagram of Figure 7.
  • the configuration shows a GAP 10 in connection with a recovery turbine 16a.
  • the recovered power is transmitted on a power shaft 17 through a decoupling sleeve MD2 in the direction of the arrow F6, that is to say from the turbine 16a to a gear pinion P12 of the transmission housing 8 .
  • This decoupler sleeve MD2 avoids driving the turbine 16a in case of non-production of power during different phases of use of the aircraft (eg open door).
  • a freewheel RL5 transmits the power of the turbine shaft 17 to the pinion P12 which meshes with the pinions P5 and P4 of the motor-compressor MC1.
  • the decoupler sleeve MD2 then makes it possible to avoid driving the turbine 16a in the event of failure of the free transmission wheel RL5.
  • the freewheel RL2 makes it possible not to drive the power turbine 4 by the motor-compressor unit MC1 or MC2.
  • the two recovery turbines 16a and 16b are symmetrically coupled to the two motor-compressor systems MC1 / MC2 in the housing 8: shafts 17/18, fuses MD2 / MD3, RL5 / RL6 freewheels, P12-P5-P4 / P13-P7-P6 sprockets.
  • the arrangement of the box 8 is adaptable by the number of gears and reduction ratios.
  • the gearbox can be broken down into several parts: a main box with a series of power take-offs by motor-compressor unit, and a box by motor-compressor group, with or without recovery turbine.
  • the convertible alternators and the compressors of the motor-compressors may be on the same shaft line, or, the compressor and the recovery turbine being on two lines, the alternator is integrated into the gearbox in the form of a removable cartridge. .
  • the position of the freewheels and fuses can also be adapted. Suitable clutches, for example centrifugal or electromechanical clutches, can replace the sleeves or freewheels.
  • the power turbine is a linked turbine, the two traversing shafts 5a and drive 5 are inherently linked
  • the architecture may have only one convertible alternator and only one charge compressor, that is to say a single motor-compressor.
  • the compressed air supply system on aircraft can be provided by other means than those described. The redundancy of this main system can be ensured by an additional motor-compressor system, in order to meet the safety objectives.

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Abstract

L'invention vise à réaliser une architecture apte à rationaliser la chaîne des composants électriques d'un aéronef. La chaîne de composants de transmission d'énergie électrique d'un aéronef comporte un groupe auxiliaire de puissance GAP (10), des moteurs principaux et des équipements consommateurs finaux (ECS) via des réseaux de puissance (R1, R2; LP1, LP2) et des liaisons électroniques (EP1, EP2) commandées par une unité (U1 ). Le GAP (10) fournit de la puissance sur un arbre (5a, 5) par liaison (P1 -P7; 14a, 15a; 14b, 15b; AF1 -AF4) à au moins un groupe de transformation énergétique (MC1, MC2), via un boîtier de transmission (8), chaque groupe de transformation ne comportant qu'un composant électromécanique convertible (13a, 13b). La transmission de puissance est réalisée par liaison directe, d'une part, au boîtier (8) et, d'autre part, à l'équipement final (ECS). La liaison entre un groupe transformateur (MC1, 1 1 a, 13a; MC2, 1 1 b, 13b) et le GAP (10) est réalisé par couplage de l'arbre (5a, 5) du GAP (10) sur l'arbre (14a, 14b) du démarreur/générateur (13a, 13b) via une communication de puissance directionnelle (RL1 -RL2-RL3) fonctionnant dans un seul sens (F1, F2, F3) de l'arbre du GAP (10) à l'arbre (14a, 14b) du DG (13a, 13b).

Description

PROCÉDÉ DE RATIONALISATION DE CHAINE DE COMPOSANTS ELECTRIQUES D'UN AERONEF, ARCHITECTURE DE MISE EN OEUVRE
ET AERONEF CORRESPONDANT
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
[0001] L'invention se rapporte à un procédé de rationalisation de chaîne de composants de transmission d'énergie électrique d'un aéronef. L'invention concerne également une architecture électromécanique apte à mettre en œuvre un tel procédé et un aéronef comportant des composants d'énergie électrique agencés selon cette architecture.
[0002] Les aéronefs comportent en général au moins une unité auxiliaire de puissance embarquée, encore appelée APU (initiales de « Auxiliary Power Unit » en terminologie anglaise) ou GAP (initiales de Groupe Auxiliaire de Puissance). Un GAP est un petit turboréacteur qui, associé à un générateur de courant électrique, est apte à fournir de l'énergie électrique à un moteur électrique dédié au déplacement de l'aéronef au sol.
[0003] Les GAP équipent ainsi habituellement les aéronefs pour alimenter au sol différents équipements consommateurs d'énergie (puissances électrique, pneumatique et hydraulique, conditionnement d'air), et démarrer les moteurs principaux. Un GAP peut éventuellement être redémarré et utilisé en vol en cas de panne du système de commande d'air conditionné ou de la distribution électrique. Suffisamment sécurisé pour être certifié, par exemple en classe moteur, Il peut alors se subsister, dans certaines phases de vol, aux moteurs principaux pour fournir de l'énergie aux équipements consommateurs.
[0004] Comme illustré sur le schéma de la figure 1 , un GAP 10 se compose classiquement d'un générateur de gaz - comprenant un compresseur 1 d'air A1 , une chambre de combustion 2 du mélange air A1 et carburant K1 , et de deux turbines 3 et 4 - ainsi que d'au moins un arbre d'entraînement et de puissance 5. La deuxième turbine 4 est classiquement une turbine liée, les GAP les plus puissants étant équipés d'une turbine libre.
[0005] Les étages 3 et 4 de détente des gaz G1 fournissent de la puissance au compresseur 1 via l'arbre d'entraînement 5. Cet arbre 5 est aussi un arbre de puissance : de la puissance résiduelle reste en effet disponible sur l'arbre 5 pour entraîner des équipements lorsque le GAP est opérationnel, par exemple au sol ou pendant certaines phases de vol, en particulier au décollage, à l'atterrissage ou en cas de panne potentielle de moteur. Dans le cas où la turbine 4 est libre, la puissance disponible est transmise aux équipements sur un arbre d'entraînement colinéaire à l'arbre 5.
[0006] Pour assurer le besoin en air comprimé Ac, par exemple en roulage au sol, un compresseur de charge 6 est entraîné par la puissance disponible fournie par l'arbre 5 pour comprimer de l'air entrant A0. Ce compresseur 6 est couplé, par exemple, à un système de conditionnement d'air ou à un système de pression pneumatique (non représenté).
[0007] Pour fournir de la puissance électriques aux équipements, en particulier pour le démarrage des moteurs principaux, l'arbre 5 est couplé à deux alternateurs 7a et 7b montées en parallèle via les pignons P1 à P3 d'un boîtier relais de tramission de puissance 8. Sur chaque arbre d'entraînement 9a et 9b de chaque alternateur 7a et 7b, est disposé un fusible mécanique Fa, respectivement Fb, permettant de couper les surcouples en cas de panne d'un alternateur. Ces fusibles peuvent être, par exemple, des crabots dentés ou des sections à casser.
[0008] Le moyen générateur de courant électrique, constitué par au moins un alternateur, est ici doublé car la sécurité technologique prévoit une redondance fonctionnelle et disposer au mieux de deux circuits électriques indépendants. De manière générale, les équipements sont classiquement doublés et restent indépendants.
[0009] Le démarrage d'un GAP est classiquement réalisé par un lanceur électrique (non représenté) et le démarrage des moteurs principaux par un démarreur pneumatique alimenté par le compresseur de charge 6 monté sur l'arbre d'entraînement 5 du GAP.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
[0010] L'arrivée récente des démarreurs/générateurs électriques, DG en abrégé, a permis de supprimer l'utilisation d'un démarreur pneumatique 6 des moteurs principaux et celle du lanceur électrique de GAP. En utilisant des électroniques de puissance EP1 et EP2, les alternateurs 7a et 7b fonctionnant en DG sont transformés, par des liaisons de puissance LP1 et LP2, en moteur (démarreur) en phase de démarrage du GAP puis convertis en générateur en phase de fourniture de courant électrique (alternateur). Les électroniques de puissance régulent la puissance électrique fournie par les DG 7a et 7b à partir des réseaux électriques R1 et R2 de l'aéronef ou transmises à ces réseaux. Cette transmission permet de fournir de la puissance aux équipements de l'aéronef, en particulier aux moto-compresseurs des systèmes de conditionnement d'air. [0011] Lors du démarrage du GAP, initié à partir des batteries de l'aéronef, le courant continu est converti par les électroniques EP1 et EP2 en courant alternatif selon une fréquence variable permettant une adaptation, en vitesse et/ou en couple, du pilotage en phase de démarrage du GAP.
[0012] Par ailleurs une unité de contrôle numérique U1 , appelée aussi FADEC (initiales de « Full Authority Digital Engine Control » en terminologie anglaise) régule les vitesses des engrenages du boîtier 8 de transmission de puissance. La régulation est effectuée en injectant la quantité de carburant K1 appropriée dans la chambre de combustion 2 via un doseur D1 . Cette quantité est calculée et appliquée par l'unité U1 en fonction de l'écart entre la vitesse des engrenages du boîtier 8 fournie par un capteur de vitesse Cv, et transmise à l'unité U1 , et une valeur de consigne. L'unité U1 et les électroniques de puissance EP1 , EP2 sont en liaisons câblées ou radio LA avec le centre de pilotage de l'aéronef, afin de coordonner et d'anticiper les commandes de puissance avec les conditions de vol. [0013] De nos jours, une augmentation importante d'équipements électriques tend à favoriser le concept du « tout électrique ». L'utilisation d'une architecture de fourniture d'énergie sur la base décrite ci-dessus est inadaptée pour entraîner ces équipements. [0014] Il est connu par exemple de dédier une électronique de puissance au pilotage des moteurs des compresseurs de charge, ou moto-compresseurs, pour le besoin en air comprimé. En général, quatre moto-compresseurs sont utilisés dans les réseaux R1 , R2 pour alimenter deux systèmes d'air conditionné ou ECS (initiales de « Environment Control System » en terminologie anglaise). Ce type de pilotage nécessite l'utilisation de moto-compresseurs et d'un alternateur de grande capacité, par exemple d'une puissance de 200 kVA, pour générer les besoins en électricité du moteur de chaque moto-compresseur et les besoins en électricité de l'aéronef, en particulier lors du démarrage du GAP.
[0015]Ainsi, la multiplication des équipements entraîne l'utilisation de moteurs et/ou générateurs surabondants pour coordonner électriquement les équipements, ainsi qu'une multiplication des systèmes de liaison électromécanique dans les boîtiers relais. L'architecture devient alors complexe et peu économe en énergie. En particulier, l'encombrement, la masse et les coûts sont augmentés alors que la fiabilité est diminuée. [0016] De plus, dans le réseau alternatif distribué d'un aéronef, le GAP constitue un rajout de source de puissance importante dont l'utilisation, limitée à certaines phases de vol, se traduit par des commutations de circuits en temps réel fortement complexes dans le cœur électrique, en particulier pour assurer les différentes fonctions en cas de panne. [0017] L'énergie récupérée par recyclage, par exemple lors de la décélération au sol par les moteurs du train d'atterrissage (fonction dite « green taxiing » en terminologie anglaise, c'est-à-dire en récupération verte du taxiage) ou par des échangeurs de chaleur disposés en des emplacements appropriés, n'est pas utilisable par les GAP dans les phases de vol où ils ne sont pas opérationnels, les temps de démarrage et d'autorisation de mise en charge sont trop longs : un système d'absorption d'énergie supplémentaire doit être installé.
[0018] La redondance technologique d'un GAP peut être assurée par les moteurs principaux. Cependant, cette solution nécessite le raccordement de ces moteurs au système pneumatique. Alternativement, des systèmes indépendants, tels que des moto-compresseurs, peuvent être envisagés pour assurer la redondance. Mais ces solutions ajoutent des dispositifs supplémentaires, ce qui participe à la complexification de l'ensemble. EXPOSÉ DE L'INVENTION
[0019] L'invention vise à s'affranchir de ces inconvénients et, en particulier, à réaliser une architecture apte à rationaliser la distribution électrique entre différents composants d'un aéronef afin de diminuer le nombre de composants, l'encombrement, la masse et les coûts, tout en garantissant une bonne fiabilité.
[0020] Pour ce faire, l'invention propose d'optimiser l'offre énergétique par un fonctionnement adapté en réversibilité de systèmes de fourniture électrique des GAP. Ce fonctionnement permet une adaptation, en cas de panne du GAP ou du système de fourniture d'énergie pneumatique ou hydraulique. [0021] Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé de rationalisation de chaîne de composants de transmission d'énergie électrique d'un aéronef comportant un groupe auxiliaire de puissance GAP, des moteurs principaux et des équipements consommateurs finaux d'énergie électrique, pneumatique et/ou hydraulique gérés par des systèmes de commande dédiés. Le GAP fournit de la puissance délivrée sur un arbre d'entraînement par liaison à au moins un groupe de transformation énergétique via un boîtier de transmission de puissance. Chaque groupe de transformation n'a qu'un composant électromécanique convertible démarreur/générateur et un transformateur d'énergie associé. La transmission de puissance est réalisée à partir du ou de chaque groupe de transformation par liaison directe, d'une part, au boîtier de transmission et, d'autre part, à l'équipement final dédié.
[0022] Ce procédé permet ainsi de supprimer les intermédiaires (moteurs, générateurs, convertisseurs, etc.) de transformation électromécaniques et de diminuer les capacités de puissance nécessaires pour la fourniture d'énergie à l'équipement final dédié, par exemple aux systèmes de conditionnement d'air.
[0023] Ce procédé également la rationalisation d'absorption d'énergie récupérée par d'autres systèmes de l'aéronef, tels que des moteurs de roues du train d'atterrissage pendant le freinage ou une turbine de récupération de l'énergie en liaison avec un échangeur thermique.
[0024]Avantageusement, la liaison entre le groupe transformateur et le GAP est réalisé dans le boîtier par couplage de l'arbre d'entraînement du GAP sur l'arbre du démarreur/générateur DG via une communication de puissance directionnelle fonctionnant dans un seul sens allant de l'arbre d'entraînement du GAP à l'arbre du DG, la transmission étant libre ou sans communication d'entraînement dans l'autre sens.
[0025] Selon des modes particuliers, le procédé peut prévoir que:
- le ou un des DG est configuré pour fonctionner en mode moteur pendant la phase de démarrage du GAP, et entraîner alors le GAP via une communication de puissance directionnelle allant du groupe au GAP;
- le DG fonctionnant alors en mode moteur est avantageusement connecté de manière mobile à l'arbre d'entraînement du GAP de sorte que le transformateur d'énergie associé ne soit pas entraîné pendant la phase de démarrage du GAP;
- une turbine de récupération d'énergie, par échange thermique à l'échappement de gaz chauds en sortie d'équipements pneumatiques et/ou des moteurs principaux, entraîne au moins partiellement un groupe transformateur par couplage dans le boîtier de transmission de puissance via au moins une communication de puissance directionnelle allant de la turbine de récupération au groupe transformateur ;
- le ou un des groupes transformateurs est dédié au taxiage par fourniture d'énergie électrique en couplage avec une motorisation de train d'atterrissage de l'aéronef et l'autre groupe à la fourniture d'énergie selon les besoins de l'aéronef, le groupe dédié au taxiage étant configuré pour fonctionner en mode générateur en liaison avec l'arbre d'entraînement du GAP selon la demande en traction de ladite motorisation, et en mode moteur d'entraînement du compresseur associé lorsque la motorisation de train est convertie en mode générateur pendant les phases de freinage ;
- alternativement, un DG supplémentaire est dédié au taxiage et couplé à l'arbre du GAP dans le boîtier pour être entraîné par cet arbre et fonctionner en mode générateur selon la demande en traction de la motorisation de train, et pour fonctionner en mode moteur d'entraînement de l'arbre du GAP lui-même en mode moteur lorsque la motorisation de train est convertie en mode générateur pendant les phases de freinage.
[0026] L'invention se rapporte également à une architecture électromécanique comportant des composants de transmission d'énergie électrique dans un aéronef, apte à mettre en œuvre le procédé ci-dessus. Un telle architecture comporte un GAP, une unité de contrôle en liaison avec au moins une électronique de puissance, un boîtier de transmission de puissance par des moyens d'engrenage entre d'une part les arbres d'au moins un groupe transformateur, intégrant par groupe un seul DG convertible par l'unité de contrôle et, d'autre part, un arbre d'entraînement du GAP transmetteur de puissance, ainsi que des liaisons de puissance électrique directes à un équipement final. Chaque groupe de transformation est relié directement, d'une part, au boîtier de transmission de puissance et, d'autre part, à l'équipement final dédié.
[0027] Selon que l'équipement final dédié est un système de conditionnement d'air, un circuit hydraulique ou un réseau électrique, le groupe de transformation comporte respectivement un compresseur, une pompe hydraulique ou un alternateur comme exemple de transformateur d'énergie associé.
[0028]Avantageusement, la transmission de puissance est réalisée dans le boîtier de transmission par couplage de l'arbre d'entraînement du GAP sur les arbres de rotation des démarreurs/générateurs DG via des moyens de communication de puissance directionnel montés sur l'arbre d'entraînement du GAP et sur les arbres de rotation des DG.
[0029] Selon certains modes de réalisation préférés :
- les moyens de communication de puissance directionnels sont choisis parmi une roue libre, un manchon découpleur et un embrayage centrifuge ou électromécanique ;
- l'unité de contrôle est apte à configurer, pendant la phase de démarrage du GAP, le DG d'un groupe transformateur en mode moteur et entraîner l'arbre du GAP par couplage à cet arbre GAP via au moins un moyen de communication de puissance directionnel;
- avantageusement, pendant la phase de démarrage du GAP, l'entraînement de l'arbre du GAP est réalisé par un moyen de couplage mobile entre le DG et l'arbre du GAP via au moins un moyen de communication directionnel, ce moyen de couplage réalisant simultanément un désaccouplage entre le DG et le transformateur d'énergie associé ;
- une turbine de récupération d'énergie, à partir d'échangeurs de chaleur en sortie d'équipements pneumatiques et/ou des moteurs principaux, est couplé à au moins un groupe transformateur dans le boîtier de transmission pour l'entraîner, en complément de l'entraînement opéré par l'arbre du GAP, via au moins un moyen de communication de puissance directionnel allant de la turbine de récupération au groupe transformateur ;
- l'un des groupes transformateurs, dédié au taxiage par un moyen de couplage sur au moins un arbre d'entraînement des moteurs de train d'atterrissage de l'aéronef, un autre groupe étant dédié à la fourniture d'énergie selon les besoins de l'aéronef, est configuré par l'unité de contrôle en mode générateur en complément de l'entraînement opéré par l'arbre du GAP selon la demande en traction desdits moteurs de train, et en mode moteur d'entraînement du transformateur d'énergie de ce groupe lorsque les moteurs de train sont convertis en mode générateur par l'unité de contrôle pendant les phases de freinage ;
- un DG supplémentaire, dédié au taxiage, est entraîné par l'arbre du GAP par couplage dans le boîtier de transmission et converti par l'unité de contrôle en mode générateur pour satisfaire la demande en traction de la motorisation de train, et en mode moteur d'entraînement de l'arbre du GAP lorsque l'unité de contrôle convertit les moteurs de train en mode générateur pendant les phases de freinage ;
- des fusibles mécaniques sont insérés sur les arbres d'entraînement des compresseurs et des DG de chaque moto-compresseur.
PRÉSENTATION DES FIGURES
[0030] D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement :
- la figure 1 , un schéma de base d'architecture de distribution d'énergie comportant deux moto-compresseurs en liaison avec un GAP (déjà commenté) ;
la figure 2, un schéma d'exemple d'architecture selon l'invention comportant des moyens de communication de puissance directionnels sur les principaux arbres ;
- la figure 3, le schéma d'architecture selon la figure 2 appliqué au démarrage du GAP et au taxiage,
- les figures 4 et 5, des schémas d'une variante de la figure 3 pour réaliser, en deux phases, la fonction démarrage de l'architecture sans faire intervenir de compresseur ;
- la figure 6, le schéma d'une variante de la figure 3 appliquée au taxiage avec un troisième DG couplé directement au GAP ; et
- la figure 7, un schéma d'architecture d'absorption d'énergie comportant une turbine de récupération.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
[0031] En référence au schéma de la figure 2, l'architecture 10 illustrée comporte un APU du type de la figure 1 avec, dans le présent exemple, une turbine de puissance 4 de type turbine libre d'entraînement de l'arbre de puissance 5a. Les éléments identiques à ceux de la figure 1 (réseaux R1 , R2, électroniques de puissance EP1 , EP2, liaisons de puissance LP1 , LP2, unité de contrôle U1 , capteur de vitesse Cv, liaisons aéronef LA) sont désignés par les mêmes références dans les figures 2 à 7 (sauf indication expresse).
[0032] La mutualisation des fonctions de l'architecture liée au GAP 10 selon l'invention est rationalisée par des liaisons bidirectionnelles L1 et L2 entre l'unité de contrôle U1 et chacune des électroniques de puissance EP1 , EP2 qui gère la transformation démarreur/générateur ou DG des alternateurs 13a, 13b, lors de différentes phases : démarrage du GAP ou des moteurs principaux, absorption d'énergie ou taxiage. Ainsi, les électroniques de puissance EP1 , EP2 transmettent à l'unité U1 des informations sur le niveau de puissance que les alternateurs devront fournir afin d'anticiper les transitoires de fourniture de puissance du GAP ou pour une recherche d'optimisation de vitesse. Dans l'autres sens, les électroniques de puissance EP1 , EP2 reçoivent de l'unité U1 le signal de confirmation de la puissance apte à être fournie par le GAP.
[0033] Le générateur de gaz est constitué du compresseur 1 , de la chambre de combustion 2 et d'une turbine HP (haute pression) 3. Cette dernière fournit la puissance d'entraînement au compresseur 1 par l'intermédiaire de l'arbre d'entraînement 5. La vitesse de l'arbre d'entraînement 5 est mesurée par un capteur Cv et l'information est transmise à l'unité de contrôle U1 .
[0034] Le générateur de gaz comprend aussi une turbine de puissance libre 4. L'énergie résiduelle sortant de la turbine 3 est alors transférée sur la turbine de puissance 4, une turbine libre dans l'exemple, qui fournit de la puissance mécanique sur l'arbre de puissance 5a. Cette puissance est disponible pour entraîner des équipements, via le boîtier de transmission 8, aptes à transformer cette puissance en puissance pneumatique, électrique ou hydraulique.
[0035] Dans l'exemple, le GAP 10 fournit ainsi de la puissance pneumatique par entraînement de compresseurs de charge 1 1 a et 1 1 b et de la puissance électrique par entraînement d'alternateurs 13a et 13b. D'autres équipements représentés en pointillés peuvent être entraînés, notamment une pompe hydraulique et/ou un alternateur et/ou un démarreur /générateur DG dédié au taxiage (voir ci-dessous en référence à la figure 5).
[0036]Tous ces équipements sont entraînés par l'arbre de puissance 5a via des pignons P1 à P7 assemblés dans le boîtier 8. Des pignons supplémentaires Ps, indiqués en traits pointillés, peuvent entraîner les autres équipements évoqués ci-dessus.
[0037] De manière plus précise, l'arbre 5a transmet la puissance au pignon P1 au travers d'une roue libre RL1 . La flèche F1 indique le sens de communication active de la puissance transmise par la roue libre RL1 . La transmission de puissance passe ainsi de l'arbre 5a vers le pignon P1 , sans pouvoir être transmise en sens inverse, c'est-à-dire du pignon P1 à l'arbre 5a. En effet, l'engrènement E1 de la roue libre RL1 n'étant actif, par construction, que dans un seul sens de rotation correspondant au sens de transmission de la flèche F1 , aucune prise n'est engrenée dans le sens inverse et donc aucune transmission du pignon P1 à l'arbre 5a n'est possible.
[0038] Les pignons P2 et P3, engrenés par le pignon P1 , entraînent respectivement en parallèle des roues libres RL2 et RL3. Sur ces roues libres, sont montés les arbres 14a et 14b des pignons P4 et P6 d'entraînement des alternateurs 13a et 13b via des arbres fusibles AF1 et AF2. Les flèches F2 et F3 indiquent le sens de communication de puissance active imposé par les roues libres RL2 et RL3, c'est-à-dire respectivement du pignon P2 vers le pignon P4 et du pignon P3 vers le pignon P6.
[0039] Par ailleurs, les compresseurs 1 1 a et 1 1 b, qui permettent de produire l'énergie pneumatique, sont entraînés respectivement par des arbres 15a et 15b de pignons P5 et P7, via des arbres fusibles AF3 et AF4, les pignons P5 et P7 étant respectivement engrenés par les pignons P4 et P6 des alternateurs 13a et 13b. Chaque alternateur 13a, 13b entraîne respectivement un compresseur 1 1 a, 1 1 b : chaque couple constitué d'un alternateur 13a, 13b et du compresseur correspondant 1 1 a, 1 1 b forment un moto-compresseur MC1 , MC2.
[0040] Dans cette architecture, la roue libre RL1 est une redondance de la fonction de désaccouplement exercée par les roues libres RL2 et RL3. Elle peut éventuellement être supprimée, en particulier en cas de redondance supplémentaire des alternateurs et/ou des compresseurs. En variante de la roue libre RL1 , un manchon découpleur peut être est introduit sur l'arbre 5a. Un tel manchon est décrit dans le document de brevet FR 2 887 945 incorporé par référence. [0041] L'architecture selon l'invention permet de mutualiser les équipements et les fonctions de démarrage du GAP ainsi que de récupération ou absorption d'énergie. A ce titre, la figure 3 reprend et complète l'architecture de la figure 2 pour illustrer la mise en œuvre d'une solution de démarrage du GAP par l'un ou l'autre des alternateurs, par exemple l'alternateur 13b.
[0042] L'alternateur 13b transformé en démarreur, par appel de cette fonction par l'électronique de puissance associée EP2, entraîne l'arbre 5 via la série de pignons P6, P7, P8 et P9 : le pignon P6 monté sur l'arbre 15b de l'alternateur 13b engrène le pignon P7 qui entraine le compresseur 1 1 b et une roue libre RL4. La flèche F4 indique le sens de la roue libre RL4, c'est-à-dire une communication de puissance est transmise vers le pignon P8. Ce dernier engrène avec le pignon P9 axé sur l'arbre 5 du GAP 10.
[0043]Avantageusement, la puissance entre les pignons P7 et P8 est transmise via un manchon découpleur MD1 . Ce fusible peut être celui de la technologie utilisée pour l'entraînement des démarreurs à air sur moteur. Ils sont capables de transmettre de forts couples au travers d'un fusible calibré en conséquence dans le sens de la flèche F5 (du pignon P7 vers le pignon P8) mais, à l'inverse, il se comporte en faible fusible si la transmission de puissance est dans le sens opposé. Ce dispositif permet d'éviter d'entraîner le générateur de gaz en cas de panne de la roue libre RL4.
[0044] Pour des questions de redondance, il est directement réalisable de transposer le même principe, de manière alternative ou cumulée, à l'autre alternateur 13a converti en démarreur.
[0045] Alternativement, la figure 4 illustre une variante pour réaliser la fonction démarrage sans entraîner le compresseur 1 1 b lors de la phase de démarrage du GAP, et donc de réduire la puissance à fournir durant cette phase. Dans cette variante, un pignon mobile P10 d'arbre 12b porteur du manchon découpleur MD1 est inséré entre les pignons P6 et P7. Le pignon P6 entraîne par une denture large le pignon P10, qui n'engrène pas le pignon P7 de denture sensiblement moins large que celle du pignon P6. Au travers du manchon découpleur MD1 , la puissance est transmise au pignon P8 qui entraine le pignon P9. Le pignon P8 est également mobile le long de son arbre confondu avec l'arbre 12b du pignon 10, de sorte que l'ensemble des deux pignons P8-P10 constitue un train de pignons directionnel mobile en translation.
[0046] Le schéma de la figure 5 montre cette même solution après la phase de démarrage, c'est-à-dire en configuration de fourniture de puissance par le GAP 10. Dans cette configuration, le train de pignons P10 et P8 relié par le manchon découpleur MD1 est translaté de sorte qu'il ne soit plus engrené avec le pignon P9 de l'arbre du 5 du GAP. Dans ces conditions, le GAP transmet de la puissance via son arbre 5a dans la configuration de base illustré sur la figure 2.
[0047] Cette solution peut comprendre avantageusement des synchros (non représentées) de mesure d'angle pour un redémarrage du GAP en rotation résiduelle, du fait par exemple, d'une autorotation par « effet moulinet » ou en fin de séquence de démarrage alors que la turbine libre 4 est accélérée à faible vitesse.
[0048] Par ailleurs, la mutualisation fonctionnelle des équipements selon l'invention - en particulier par la gestion mutualisée des alternateurs 13a et/ou 13b et des compresseurs 1 1 a et/ou 1 1 b par les électroniques de puissance EP1 /EP2 en liaison bidirectionnelle L1/L2 avec le FADEC U1 - permet la mise en œuvre rationalisée de la récupération par absorption de puissance. Cette récupération provient par exemple des phases de freinage des roues d'atterrissage, lors des phases de taxiage et/ou d'atterrissage, ou, autre exemple, d'une turbine de récupération associée.
[0049] Par exemple pendant la phase de taxiage et/ou d'atterrissage, les alternateurs 13a et 13b des figures 2 à 5, sont avantageusement convertis en moteurs - fonction démarreur au travers des électroniques de puissance EP1 et EP2 - pour absorber les puissances fournies par les moteurs des roues du train principal transformés en générateurs.
[0050] En particulier, en se reportant à la figure 3, l'alternateur 13a qui n'est pas dédié au démarrage du GAP (ainsi qu'à la fourniture de puissance après démarrage), peut être dédié à cette fonction d'absorption de puissance.
[0051]Ainsi, pendant la phase de taxiage, toute la puissance électrique pour les besoins aéronefs est fournie par l'autre alternateur convertible 13b, c'est- à-dire fonctionnant en modes DG, démarreur ou générateur. L'électronique de puissance concernée EP2 gère alors les besoins via les deux réseaux aéronef R1 et R2 couplés pendant cette phase.
[0052] En mode normal de demande de traction des moteurs du train d'atterrissage, l'énergie nécessaire au déplacement de l'aéronef est fournie par le générateur 13a. En mode freinage, les moteurs électriques du train sont transformés en alternateurs et fournissent de la puissance électrique à l'alternateur 13a en tant que moteur (fonction démarreur) transmise au travers de pignons supplémentaires Ps. Cette puissance est transmise au travers des pignons P4 et P5 au compresseur 1 1 a pour récupérer l'énergie sous forme pneumatique. Le complément d'énergie qui peut être nécessaire pour entraîner le compresseur 1 1 a est fourni par la turbine de puissance 4 du GAP 10.
[0053] La mutualisation des électroniques de puissance EP1 et EP2 dédiées à chacun des alternateurs 13a et 13b convertissables en DG, permettent également de gérer les pannes du GAP par l'utilisation de ces alternateurs en tant que moteurs (fonction démarreur).
[0054] Ainsi, en cas de panne du GAP 10, l'arbre 5a n'est plus entraîné et donc n'entraine plus le pignon P1 . L'alternateur 13a transformé en moteur fournit la puissance mécanique nécessaire à l'entraînement du compresseur de charge 1 1 a et des autres équipements le cas échéant. De manière similaire, l'alternateur 13b peut se transforme en moteur pour fournir la puissance mécanique nécessaire à l'entraînement du compresseur de charge 1 1 b et autres équipements.
[0055] Dans ces conditions, les deux ensembles d'alternateurs et compresseurs, 13a/1 1 a et 13b/1 1 b, qui forment deux ensembles indépendants équivalents à deux moto-compresseurs, MC1 et MC2, peuvent servir en cas de panne du GAP. Ceci évite le rajout de deux autres systèmes en secours. La fiabilité du système d'accouplement par pignon est suffisante pour satisfaire les exigences de sécurité.
[0056] Par extension et de la même manière, si le GAP est défaillant en vol - ou pour assurer la continuité de fourniture d'air comprimé pendant la phase de démarrage du GAP - il est avantageux de se servir des systèmes moto- compresseurs MC1 ou MC2 sans démarrer le GAP 10. En référence à la figure 3, le système moto-compresseur MC1 est opérant, et le deuxième moto- compresseur MC2 assure le lancement du GAP pour son démarrage.
[0057] Il est ainsi possible d'absorber de la puissance électrique pendant certaines phases de vol. Même si le GAP 10 est opérationnel, une puissance additionnelle à celle fournie par la turbine de puissance 4 est avantageusement fournie par l'intermédiaire des alternateurs 13 et/ou 13b transformés en mode moteur (fonction démarreur). La régulation du GAP permet de gérer ce type de délestage de puissance à fournir par la turbine 4.
[0058] Le schéma de la figure 6 illustre, en variante d'architecture d'absorption de puissance pendant les opérations de taxiage et/ou d'atterrissage, l'installation d'un alternateur convertible ou DG supplémentaire 13c dédié à cette fonction. La réduction par un train de pignons sur l'arbre de transmission 14c du DG 13c, entre le DG 13c et l'arbre 5a du GAP 10, ne figure pas sur le schéma pour ne pas surcharger la figure. Le fusible mécanique AF5 protège les arbres contre la présence de surcouples éventuels.
[0059] En mode normal de demande de traction de la motorisation du train, l'énergie nécessaire au déplacement de l'aéronef est fournie par le DG 13c en mode générateur (alternateur) entraîné par le GAP 10. Cette énergie est ensuite transmise aux moteurs électriques des roues du train.
[0060] En mode freinage, les moteurs électriques des roues sont transformés en alternateurs. Ils fournissent alors de l'énergie électrique (transmise au travers de dispositifs de puissance électrique connus) au DG 13c converti en mode moteur. Cette énergie est transmise au travers du fusible AF5 à l'arbre 5a. Le besoin en fourniture d'énergie de la turbine de puissance 4 en est d'autant diminué.
[0061] Un autre exemple d'absorption de puissance est illustré par le schéma de la figure 7. Dans cet exemple, la configuration montre un GAP 10 en liaison avec une turbine de récupération 16a. La puissance récupérée est transmise sur un arbre de puissance 17 au travers d'un manchon découpleur MD2 dans le sens de la flèche F6, c'est-à-dire de la turbine 16a vers un pignon d'engrenage P12 du boîtier de transmission 8. [0062] Ce manchon découpleur MD2 permet d'éviter d'entraîner la turbine 16a en cas de non production de puissance lors de différentes phases d'utilisation de l'aéronef (par exemple en porte ouverte). De plus, une roue libre RL5 transmet la puissance de l'arbre de turbine 17 vers le pignon P12 qui engrène sur les pignons P5 et P4 du moto-compresseur MC1 . Le manchon découpleur MD2 permet alors d'éviter l'entraînement de la turbine 16a en cas de panne de la roue libre de transmission RL5. De plus, en cas de panne du GAP 10, la roue libre RL2 permet de ne pas entraîner la turbine de puissance 4 par le groupe moto- compresseur MC1 ou MC2.
[0063] Si pour des raisons de sécurité, une deuxième turbine de récupération 16b est demandée, les deux turbines de récupération 16a et 16b sont symétriquement accouplées aux deux systèmes moto-compresseurs MC1 /MC2 dans le boîtier 8 : arbres 17/18, fusibles MD2/MD3, roues libres RL5/RL6, pignons P12-P5-P4/P13-P7-P6.
[0064] L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés.
Ainsi, l'agencement de la boite 8 est adaptable par le nombre de pignons et les rapports de réduction.
[0065] La boîte de transmission peut être décomposée en plusieurs parties : une boîte principale avec une série de prises de mouvement par groupe moto-compresseur, et une boîte par groupe moto-compresseur, avec ou sans turbine de récupération. Les alternateurs convertibles et les compresseurs des moto-compresseurs peuvent être sur la même ligne d'arbre, ou bien, le compresseur et la turbine de récupération étant sur deux lignes, l'alternateur est intégré à la boîte de transmission sous forme de cartouche amovible.
[0066] La position des roues libres et des fusibles peut également être adaptée. Des embrayages appropriés, par exemple des embrayages centrifuges ou électromécaniques, peuvent remplacés les manchons ou les roues libres. Lorsque la turbine de puissance est une turbine liée, les deux arbres traversant de puissance 5a et d'entraînement 5 sont par nature liés
[0067] L'architecture peut ne comporter qu'un seul alternateur convertible et qu'un seul compresseur de charge, c'est-à-dire un seul moto-compresseur. [0068] Le système de fourniture d'air comprimé sur aéronef peut être assuré par d'autres moyens que ceux décrits. La redondance de ce système principal peut être assurée par un système supplémentaire moto-compresseur, afin de tenir les objectifs de sécurité.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de rationalisation de chaîne de composants de transmission d'énergie électrique d'u aéronef comportant un groupe auxiliaire de puissance GAP (10), des moteurs principaux et des équipements consommateurs finaux d'énergie électrique, pneumatique (ECS) ou hydraulique, caractérisé en ce que le GAP (10) fournit de la puissance délivrée sur un arbre de puissance (5a, 5) par liaison à au moins un groupe de transformation énergétique (MC1 , MC2), via un boîtier de transmission de puissance (8), chaque groupe de transformation (MC1 , MC2) ne comportant qu'un composant électromécanique convertible démarreur/générateur DG (13a, 13b) et un transformateur d'énergie associé (1 1 a, 1 1 b), et en ce que la transmission de puissance est réalisée à partir du ou de chaque groupe de transformation (MC1 , MC2) par liaison directe, d'une part, au boîtier de transmission (8) et, d'autre part, à l'équipement final dédié (ECS).
2. Procédé de rationalisation selon la revendication 1 , dans lequel la liaison entre le groupe transformateur (MC1 , MC2) et le GAP (10) est réalisé par couplage de l'arbre de puissance (5a, 5) du GAP (10) sur l'arbre (14a, 14b) du démarreur/générateur DG (13a, 13b) via une communication de puissance directionnelle (RL1 , RL2, RL3) fonctionnant dans un seul sens (F1 , F2, F3) allant de l'arbre de puissance (5a) du GAP (10) à l'arbre du DG (14a, 14b), la transmission étant libre ou sans communication d'entraînement dans l'autre sens.
3. Procédé de rationalisation selon la revendication 1 , dans lequel le ou un des DG (13b) est configuré pour fonctionner en mode moteur pendant la phase de démarrage du GAP (10), et entraîner alors le GAP (10) via une communication de puissance directionnelle (MD1 ) allant (F4) du DG (13b) au GAP (10).
4. Procédé de rationalisation selon la revendication précédente, dans lequel le DG (13b) fonctionnant alors en mode moteur est connecté de manière amovible (P10) à l'arbre de puissance (5a, 5) du GAP (10) de sorte que le transformateur d'énergie associé (1 1 b) ne soit pas entraîné pendant la phase de démarrage du GAP.
5. Procédé de rationalisation selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel une turbine de récupération d'énergie (16a, 16b), par échange thermique à l'échappement de gaz chauds en sortie d'équipements pneumatiques et/ou des moteurs principaux, entraîne au moins partiellement un groupe transformateur (MC1 , MC2) par couplage dans le boîtier de transmission de puissance (8) via au moins une communication de puissance directionnelle (MD2, RL5) allant de la turbine de récupération au groupe transformateur (MC1 , MC2).
6. Procédé de rationalisation selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le ou un des groupes transformateurs (MC1 , MC2) est dédié au taxiage par fourniture d'énergie électrique en couplage avec une motorisation de train d'atterrissage de l'aéronef et l'autre groupe (MC2, MC1 ) à la fourniture d'énergie selon les besoins de l'aéronef, le groupe dédié au taxiage étant configuré pour fonctionner en mode générateur en liaison avec l'arbre de puissance du GAP selon la demande en traction de ladite motorisation, et en mode moteur d'entraînement du transformateur d'énergie (1 1 a, 1 1 b) associé lorsque la motorisation de train est convertie en mode générateur pendant les phases de freinage.
7. Procédé de rationalisation selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel un DG supplémentaire (13c) est dédié au taxiage et couplé à l'arbre (5a, 5) du GAP (10) dans le boîtier (8) pour être entraîné par cet arbre et fonctionner en mode générateur selon la demande en traction de la motorisation de train, et pour fonctionner en mode moteur d'entraînement de l'arbre (5a, 5) du GAP lui-même en mode moteur lorsque la motorisation de train est convertie en mode générateur pendant les phases de freinage.
8. Architecture électromécanique comportant des composants de transmission d'énergie électrique dans un aéronef, apte à mettre en œuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'elle comporte un GAP (10), une unité de contrôle (U1 ) en liaison avec au moins une électronique de puissance (EP1 , EP2), un boîtier de transmission de puissance (8) par des moyens d'engrenage entre ,d'une part, les arbres (14a, 15a ; 14b, 15b) d'au moins un groupe transformateur (MC1 , MC2) intégrant par groupe transformateur un seul DG (13a, 13b) convertible par l'unité de contrôle (U1 ) et, d'autre part, un arbre de puissance (5a, 5) du GAP (10) transmetteur de puissance, ainsi que des liaisons de puissance électrique directes (LP1 , LP2 ; R1 , R2) à un équipement final (ECS), chaque groupe transformateur (MC1 , MC2) étant relié directement, d'une part, au boîtier de transmission de puissance (8) et, d'autre part, à l'équipement final dédié (ECS).
9. Architecture électromécanique selon la revendication précédente, dans laquelle la transmission de puissance est réalisée dans le boîtier de transmission (8) par couplage de l'arbre de puissance (5a, 5) du GAP (10) sur les arbres de rotation (14a, 14b) des démarreurs/générateurs DG (13a, 13b) via des moyens de communication de puissance directionnel (RL1 , RL2, RL3) montés sur l'arbre de puissance (5a, 5) du GAP (10) et sur les arbres de rotation (14a, 14b) des DG (13a, 13b).
10. Architecture électromécanique selon la revendication précédente, dans laquelle les moyens de communication de puissance directionnels sont choisis parmi une roue libre, un manchon découpleur et un embrayage centrifuge ou électromécanique.
1 1 . Architecture électromécanique selon l'une des revendications 8 à 10, dans laquelle l'unité de contrôle (U1 ) est apte à configurer, pendant la phase de démarrage du GAP (10), le DG (13b) d'un groupe transformateur (MC2) en mode moteur et entraîner l'arbre (5a, 5) du GAP (10) par couplage à cet arbre via au moins un moyen de communication de puissance directionnel (MD1 ).
12. Architecture électromécanique selon la revendication précédente, dans laquelle, pendant la phase de démarrage du GAP, l'entraînement de l'arbre (5a, 5) du GAP (10) est réalisé par un moyen de couplage (P10-P8) mobile entre le DG (13b) et l'arbre du GAP via au moins un moyen de communication directionnel (MD1 ), ce moyen de couplage (P10-P8) étant apte à réaliser simultanément un désaccouplage entre le DG (13b) et le transformateur d'énergie associé.
13. Architecture électromécanique selon l'une des revendications 8 à 12, dans laquelle une turbine de récupération d'énergie (16a, 16b), à partir d'échangeurs de chaleur en sortie d'équipements pneumatiques et/ou des moteurs principaux, est couplé à au moins un groupe transformateur (MC1 , MC2) dans le boîtier de transmission pour l'entraîner, en complément de l'entraînement opéré par l'arbre du GAP, via au moins un moyen de communication de puissance directionnel (MD2, RL5 ; MD3, RL6), allant de la turbine de récupération (16a, 16b) au groupe transformateur (MC1 , MC2).
14. Architecture électromécanique selon l'une des revendications 8 à
13, dans laquelle l'un des groupes transformateurs (MC1 ), dédié au taxiage par un moyen de couplage (Ps) sur au moins un arbre d'entraînement des moteurs de train d'atterrissage de l'aéronef, un autre groupe (MC2) étant dédié à la fourniture d'énergie selon les besoins de l'aéronef, est configuré par l'unité de contrôle (U1 ) en mode générateur en complément de l'entraînement opéré par l'arbre (5a, 5) du GAP (10) selon la demande en traction desdits moteurs de train, et en mode moteur d'entraînement du transformateur d'énergie (1 1 a) de ce groupe lorsque les moteurs de train sont convertis en mode générateur par l'unité de contrôle (U1 ) pendant les phases de freinage.
15. Architecture électromécanique selon l'une des revendications 8 à
14, dans laquelle un DG supplémentaire (13c), dédié au taxiage, est entraîné par l'arbre (5a, 5) du GAP (10) par couplage dans le boîtier de transmission (8) et converti par l'unité de contrôle (U1 ) en mode générateur pour satisfaire la demande en traction de la motorisation de train, et en mode moteur d'entraînement de l'arbre (5a, 5) du GAP (10) lorsque l'unité de contrôle (U1 ) convertit les moteurs de train en mode générateur pendant les phases de freinage.
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