EP4627204A1 - Turbopropulseur hybride amélioré pour aéronef - Google Patents

Turbopropulseur hybride amélioré pour aéronef

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Publication number
EP4627204A1
EP4627204A1 EP23821722.8A EP23821722A EP4627204A1 EP 4627204 A1 EP4627204 A1 EP 4627204A1 EP 23821722 A EP23821722 A EP 23821722A EP 4627204 A1 EP4627204 A1 EP 4627204A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electric machine
main rotor
coupling
shaft
turboprop
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.)
Pending
Application number
EP23821722.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Lucie Stéphanie APOSTIN
Loïs Pierre Denis VIVE
Christian Omer Henri SARRAT
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
Safran Helicopter Engines SAS
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 Safran Helicopter Engines SAS filed Critical Safran Helicopter Engines SAS
Publication of EP4627204A1 publication Critical patent/EP4627204A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • F02C7/06—Arrangements of bearings; Lubricating
    • 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
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
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    • F02C6/20—Adaptations of gas-turbine plants for driving vehicles
    • F02C6/206—Adaptations of gas-turbine plants for driving vehicles the vehicles being airscrew driven
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    • 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
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    • 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
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    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to the field of hybrid aircraft, comprising a turboprop engine for a propeller aircraft.
  • the invention relates to a hybridized turboprop engine for an aircraft, and a hybridized aircraft comprising such a turboprop engine.
  • an aircraft turboprop comprises a gas turbine having a gas generator and a free turbine driven in rotation by the gas flow generated by the gas generator.
  • the turboprop generally includes an electric machine coupled to the propeller, so as to ensure fully electric (i.e. 100% electric) or hybrid operation.
  • the power source driving the propulsive propeller can be the turbine engine, the electric motor(s), or a combination of the two depending on the modes of operation. desired operation.
  • the gas generator comprises at least one compressor and a turbine coupled in rotation.
  • the operating principle is as follows: fresh air entering the gas turbine is compressed by the rotation of the compressor before being sent to a combustion chamber where it is mixed with a fuel. The gases burned due to combustion are then evacuated at high speed. A first expansion then occurs in the gas generator turbine, during which the latter extracts the energy necessary to drive the compressor. The gas generator turbine does not absorb all the kinetic energy of the burned gases and the excess kinetic energy corresponds to the gas flow generated by the gas generator. The latter therefore supplies kinetic energy to the free turbine so that a second expansion occurs in the free turbine which transforms this kinetic energy into mechanical energy in order to drive a receiving organ, such as a turboprop propeller.
  • the main rotor may comprise a propeller of the aircraft, in particular an airplane, allowing its propulsion, the propeller then being arranged at one end of the turboprop, preferably at the front end of the turboprop when one direction is considered. normal movement of the aircraft.
  • the main rotor is thus movable around an axis of rotation, which can correspond to the main axis of the turboprop, or be offset radially relative to the latter.
  • the oil pump making it possible to circulate the lubricating oil intended to lubricate the various bearings of the turboprop, is engaged with the transmission box, and can therefore be selectively driven by the the turbine shaft in the case of 100% thermal or hybrid operation, or by the electric machine in the case of 100% electric or hybrid operation.
  • This architecture therefore allows the use of a single oil pump capable of lubricating the bearings of the transmission box, and also the bearings of the accessory box engaged with the generator shaft.
  • the fact of being able to select the source (electric machine and/or the turbine shaft) making it possible to drive the single oil pump depending on the operating mode makes it possible to optimize the organs dedicated to lubrication, thus limiting the mass of the assembly and improving the reliability of the device.
  • the second free wheel allows the main rotor, in particular the propeller, to be driven by the electric machine, but vice versa.
  • a free wheel (the first and second free wheel) is located between each power source (free turbine and electric machine) and the main rotor, which is the only receiver. It is therefore possible to choose the power source (thermal and/or electric) independently of each other.
  • the electric machine is able to be engaged with the main rotor via a reversible coupling means movable between a coupling position in which the electric machine can drive the main rotor when operating in motor mode or being driven by the main rotor or the free turbine when operating in generator mode, and a decoupling position in which the electric machine is decoupled from the main rotor.
  • This configuration makes it possible to increase the number of functional modes achievable by this architecture.
  • the reversible electric machine in addition to the 100% electric or hybrid operating modes when the reversible electric machine operates in motor mode, the reversible electric machine can be driven by the main rotor or the free turbine during operation in generator mode, so to produce electricity to supply it to various equipment on the aircraft, or to recharge the high voltage battery.
  • This generation can take place in flight or on the ground.
  • the electric machine is then driven by the free turbine, in other words by the heat engine which also drives the main rotor.
  • electrical generation can also be carried out during a so-called “wind” operating mode, in which the main rotor, for example the propeller, is rotated by the advancement of the aircraft and drives the machine. electric.
  • the reversible coupling means is a clutch.
  • a clutch has the advantage of being controllable remotely, for example example via a control unit, and can in particular move from the coupling position to the decoupling position at any time in flight.
  • the turboprop engine may include a synchronization device making it possible to achieve this transition from the coupling position to the decoupling position.
  • the turboprop comprises a coupling shaft having a first end engaged with the transmission box, and a second end engaged with the generator shaft.
  • the second end may be engaged with the generator shaft via gears in an accessory housing.
  • the coupling shaft makes it possible to physically link the generator shaft with the transmission box, and therefore with the transmission shaft. turbine via the transmission box.
  • the coupling shaft is preferably flexible to compensate for possible shifts in the alignment of these different members.
  • this configuration allows the electric machine to drive the generator shaft, and therefore the gas generator, via the coupling shaft. It is thus possible to use the reversible electric machine to start the gas generator.
  • This configuration eliminates the need for a starter, usually necessary for the start-up phases of the gas generator.
  • the turboprop comprises a single electrical machine, which makes it possible to lighten and simplify the device.
  • This reversible electric machine is a high-power electric machine, which can therefore be used in motor mode to drive the main rotor, and also for starting the gas generator.
  • the electric machine By “high power”, we understand that to ensure these functions, the electric machine must be sized at a power much greater than that of the generators/starters usually used, typically one or several hundred kilowatts, instead of around ten kilowatts.
  • the coupling shaft comprises a free coupling wheel oriented such that the gas generator cannot drive the electric machine.
  • the present presentation also relates to an aircraft comprising a hybrid turboprop according to any of the preceding embodiments, the aircraft being a propeller aircraft.
  • Figure 1 represents a sectional view of a turboprop for a hybrid aircraft according to the invention
  • Figure 2 schematically represents the turboprop of Figure 1 according to a first embodiment
  • FIG. 3 Figure 3 schematically represents the turboprop of Figure 1 according to a second embodiment
  • FIG. 4 Figure 4 schematically represents the turboprop of Figure 1 according to a third embodiment
  • FIG. 5 Figure 5 schematically represents a detailed view of the turboprop according to the third embodiment
  • Figure 6 schematically represents the turboprop of Figure 1 according to a fourth embodiment
  • FIG. 7 Figure 7 schematically represents the turboprop of Figure 1 according to a fifth embodiment
  • FIG. 10A-10B Figures 10A and 10B schematically represent the turboprop of Figure 1 according to a third mode of operation of the third and fourth embodiment respectively,
  • the gas generator 12 comprises a rotating generator shaft 14 on which are mounted at least one centrifugal compressor 15 and at least one turbine 16, as well as a combustion chamber 17 arranged axially between the compressor 15 and the turbine 16 since we consider the gas generator 12 in the axial direction of the generator shaft 14.
  • the gas turbine 10 has a casing 18 provided with an air inlet 19 through which the fresh air enters the gas generator 12. After its admission into the enclosure of the gas generator 12, the fresh air is compressed by the compressor 15 which delivers it towards the inlet of the combustion chamber 17 in which it is mixed with fuel .
  • the combustion which takes place in the combustion chamber 17 causes the burnt gases to be evacuated at high speed towards the turbine 16, which has the effect of rotating the shaft 14 of the gas generator 12 and, therefore, therefore, the compressor 15.
  • the rotation speed of the shaft 14 of the gas generator 12 is determined by the flow of fuel entering the combustion chamber 17.
  • a reversible electric machine 30 (hereinafter simply called “electric machine 30") is engaged with the transmission box 50, and comprises an electric motor capable of operating reversibly as an electric generator.
  • the electric machine 30 can thus, according to the embodiments described below, provide power to the main rotor 60 by operating in motor mode, or take mechanical power from the main rotor 60 by operating in generator mode.
  • the electric machine 30 is a high-power electric machine (one to several hundred kilowatts).
  • the rear part of the turboprop 100 in other words the upstream part including the air inlet 19, comprises an accessories box 20, known by the acronym “AGB” (for “Accessory GearBox” in English), engaged with the generator shaft 14.
  • This accessory box 20 includes different equipment, depending on the chosen application.
  • the turboprop 100 further comprises a single oil pump 40 engaged with the transmission box 50, the oil pump 40 thus being able to be driven by the turbine shaft 13 and/or the electric machine 30.
  • Figure 2 represents an architecture according to a first embodiment, in which the turbine shaft 13 is engaged with the main rotor 60 via a first free wheel 51 of the transmission box 50.
  • the first freewheel 51 is mounted in such a way that the rotation of the turbine shaft 13 can cause the main rotor 60 to rotate when the turboprop operates in 100% thermal or hybrid mode (first freewheel 51 activated) but that on the contrary, the rotation of the main rotor 60 cannot cause the turbine shaft 13 to rotate (first freewheel 51 deactivated).
  • the first freewheel 51 can only transfer a rotational torque in the direction of the turbine shaft 13 towards the main rotor 60, and not the other way around.
  • the electric machine 30 is engaged with the main rotor 60 via a second free wheel 52 of the transmission box 50.
  • the second free wheel 52 is mounted in such a way that the rotation of the electric machine 30 can cause the main rotor 60 to rotate when the reversible electric machine 30 operates as an electric motor (second wheel free wheel 52 activated) but that on the contrary, the rotation of the main rotor 60 cannot cause the electric machine 30 to rotate (second free wheel 52 deactivated).
  • the second free wheel 52 can only transfer a rotational torque in the direction of the electric machine 30 towards the main rotor 60, and not the other way around.
  • the rotation of the electric machine 30 is able to rotate the rotor axis 61 of the main rotor 60 when the turboprop 100 operates in 100% electric or hybrid mode.
  • the turboprop 100 when the turboprop 100 operates in 100% electric mode in which only the electric machine 30 supplies power to the main rotor 60 via the transmission box 50 (gas generator 12 and free turbine 11 stopped), the electric machine 30 also drives the single oil pump 40 via the transmission box 50.
  • the turboprop 100 when the turboprop 100 operates in 100% thermal mode in which only the free turbine 11 (driven by the gas generator 12) supplies power to the main rotor 60 via the transmission box 50 (electric machine 30 stopped), the free turbine 11 also drives the single oil pump 40 via the transmission box 50.
  • the clutch 54 allows, when closed, that is to say in the coupling position, to mechanically link the electrical machine 30 and the main rotor 60, so that the electric machine 30 can drive the main rotor 60, and vice versa. Furthermore, during 100% thermal operation, the clutch 54 in the decoupling position makes it possible to prevent the electric machine 30 from being driven by the free turbine 11.
  • the coupling shaft 70 may comprise a free coupling wheel 72 oriented such that the gas generator 12 cannot drive the transmission box 50, nor the electric machine 30, via the coupling shaft 70.
  • the free coupling wheel 72 is mounted in such a way that the rotation of the electric machine 30 can rotate the gas generator 12 via the transmission box 50 and the shaft. casting 70 when the reversible electric machine 30 operates in electric motor mode (coupling freewheel 72 activated) towards the gas generator 12, but on the contrary, the rotation of the gas generator 12 cannot cause the electric machine 30 to rotate (coupling freewheel 72 deactivated). In other words, the free coupling wheel 72 can only transfer a rotational torque in the direction of the electric machine 30 towards the gas generator 12, and not the reverse.
  • the free coupling wheel 72 could be absent.
  • This architecture would allow a mode of operation in which the main rotor 60 is blocked, the gas generator 12 operating alone to drive the accessories of the accessory box 20, the electric machine 30 being stopped elsewhere.
  • the coupling shaft 70 in engagement with the transmission box 50 makes it possible to drive the oil pump 40 in engagement with the transmission box 50, without requiring the use of a second oil pump linked to the generator gas 12.
  • the electric machine 30 can drive the generator shaft 14, and therefore the gas generator 12, via the coupling shaft 70. It is thus possible to use the electric machine 30 to start the gas generator 12.
  • the turboprop 100 comprises a single electric machine, which is the high-power reversible electric machine 30, which can therefore be used in engine mode to drive the main rotor 60, and also for the starting the gas generator 12.
  • the electric machine 30 can therefore ensure its function of driving the main rotor 60 in the event of an engine failure, including when the failure leads to a blockage of the generator.
  • Figure 6 represents an architecture according to a fourth embodiment, which differs from the third embodiment in that the clutch 54 is replaced by a second free wheel 52 similar to the first embodiment.
  • the second free wheel 52 and the coupling free wheel 72 are mounted in opposition to each other.
  • the reversible electric machine 30 is able to rotate in a first direction of rotation (by convention, a positive direction) in which it is mechanically coupled to the main rotor 60 via the second free wheel 52, and in a second direction of rotation (by convention, a negative direction), opposite to the first direction of rotation, in which it is mechanically coupled to the gas generator 12 via the free coupling wheel 72 of the coupling shaft 70.
  • the element represented by “-1” in Figure 6 and the following figures represents gears, for example pinions, allowing the reversal of the direction of rotation. It will thus be understood that when the electric machine 30 rotates in the positive direction, the second free wheel 52 is activated, and the coupling free wheel 72 is deactivated, and when the electric machine 30 rotates in the negative direction, the second freewheel 52 is deactivated, and the coupling freewheel 72 is activated. In this embodiment, the section to be broken 24 is not necessary.
  • Figure 7 represents an architecture according to a fifth embodiment, which differs from the third embodiment in that the coupling freewheel 72 is replaced by a second clutch 74, similar to the first clutch 54.
  • the first and second clutches 54, 74 can be controlled remotely via a control unit for example, depending on the operating phases of the turboprop 100.
  • the first clutch 54 In the start-up phase for example, the first clutch 54 is placed in position decoupling and the second clutch 74 is placed in the coupling position.
  • the electric machine 30 can thus drive the gas generator 12 without driving the main rotor 60.
  • the first clutch 54 Conversely, during 100% electric or hybrid operation, the first clutch 54 is placed in the coupling position and the second clutch 74 is placed in the uncoupling position.
  • the electric machine 30 can thus drive the main rotor 60 without driving the gas generator 12.
  • turboprop architectures allow the realization of a high number of functions, while meeting safety needs in an optimal manner, and also optimizing the arrangement of the organs dedicated to lubrication and mass of the whole.
  • Figures 8A to 13 represent schematically and in a functional and simplified manner the different modes of operation of the device, without representing all the details of the elements constituting the turboprop and the different organs. power transmission. In particular, the pinions and possible gear ratios speed are not shown. Furthermore, it will be noted that in Figures 8A to 13 described below, the arrows indicate a direction of power transfer from one organ to another, and the arrows crossed out with a cross represent a blockage of the power transfer in the direction indicated by these arrows (when a clutch is open for example).
  • Figures 8A and 8B represent an operating mode allowing the start-up of the turboprop 100, based on the architectures corresponding to the third embodiment ( Figure 4) and the fourth embodiment ( Figure 6) respectively.
  • the clutch 54 is placed in the decoupling position, preventing the transfer of power from the electric machine 30 to the main rotor 60, this power then being transferred to the gas generator 12 via the coupling freewheel 72.
  • the gas generator 12 becomes autonomous (approximately 50% of its nominal speed)
  • the coupling freewheel 72 disengages, the electric machine 30 stops and the free turbine 11 drives the propeller 62.
  • the free turbine 11 also drives the oil pump 40 during start-up.
  • the electric machine 30 when starting, the electric machine 30 is controlled, for example by a control unit (not shown), so as to rotate in the negative direction. .
  • a control unit not shown
  • the electric machine 30 drives the gas generator 12 via the coupling freewheel 72 which is activated, allowing the gas generator 12 to start.
  • the second freewheel 52 is then deactivated.
  • the hot gases drive the free turbine 11.
  • the latter connected to the main rotor 60 via the first freewheel 51, drives the main rotor 60 and in particular the propeller 62.
  • the free coupling wheel 72 disengages, the electric machine 30 stops, the free turbine 11 thus driving the propeller 62 autonomously.
  • Figures 9A-9B represent an operating mode allowing 100% thermal operation of the turboprop 100, based on the architectures corresponding to the third embodiment ( Figure 4) and the fourth embodiment ( Figure 6) respectively.
  • the clutch 54 is placed in the decoupling position, preventing the transfer of power from the main rotor 60 to the electric machine 30, which is stopped. Only the gas generator 12 transfers power to the free turbine 11 and consequently to the main rotor 60. This power cannot be transferred to the electric machine 30 given the orientation of the coupling freewheel 72. The free turbine 11 also drives the oil pump 40 during this operation.
  • Figures 10A-10B represent an operating mode allowing 100% electric operation of the turboprop 100, based on the architectures corresponding to the third embodiment ( Figure 4) and the fourth embodiment ( Figure 6) respectively.
  • the clutch 54 is placed in the coupling position, allowing the transfer of power from the electric machine 30 to the rotor main rotor 60. Only the electric machine 30 transfers power to the main rotor 60. In the event of blockage of the gas generator 12, the transfer of power from the electric machine 30 to the gas generator 12 can be prevented by breaking the section to break 24. In addition, the transfer of power of the main rotor 60 towards the free turbine 11 is prevented thanks to the orientation of the first free wheel 51. The electric machine 30 drives the oil pump 40 during this operation.
  • the electric machine 30 is controlled so as to rotate in the positive direction.
  • it drives the main rotor 60 via the second freewheel 52 which is activated, allowing the rotation of the propeller 62.
  • the coupling freewheel 72 is then deactivated.
  • the transfer of power from the main rotor 60 to the free turbine 11 is prevented thanks to the orientation of the first free wheel 51, and the electric machine 30 drives the oil pump 40 during this operation.
  • Figures 11A-11B represent an operating mode allowing hybrid operation of the turboprop 100, based on the architectures corresponding to the third embodiment ( Figure 4) and the fourth embodiment ( Figure 6) respectively.
  • the clutch 54 is placed in the coupling position, allowing the transfer of power from the electric machine 30 to the main rotor 60
  • the electric machine 30 and the free turbine 11 both transfer power to the main rotor 60.
  • the power cannot be transferred from the gas generator 12 to the electric machine 30 given the orientation of the free wheel. coupling 72.
  • the gas generator 12 also transfers power to the main rotor 60, the electric machine 30 rotates at a lower speed than the free turbine 11 and the gas generator 12.
  • the electric machine 30 cannot therefore not drive the gas generator 12 via the free coupling wheel 72.
  • the electric machine 30 is dimensioned such that the maximum rotational speed of the electric machine 30 in motor mode remains lower at the minimum rotation speed in flight operation of the gas generator 12 (excluding the start-up phase or stop).
  • the oil pump 40 can be driven by the electric machine 30 and/or the free turbine 11 during this operation.
  • the electric machine 30 is controlled so as to rotate in the positive direction.
  • it drives the main rotor 60 via the second freewheel 52 which is activated, allowing the rotation of the propeller 62.
  • the coupling freewheel 72 is then deactivated.
  • the electric machine 30 and the free turbine 11 both transfer power to the main rotor 60.
  • the oil pump 40 can be driven by the electric machine 30 and/or the free turbine 11 during this operation .
  • Figure 12 represents a mode of operation allowing electrical generation by the electrical machine 30, based on the architecture corresponding to the third embodiment ( Figure 4).
  • the clutch 54 is placed in the coupling position, allowing the transfer of power from the main rotor 60 to the electric machine 30. Only the gas generator 12 transfers power to the free turbine 11 and therefore to the main rotor 60. The main rotor 60 itself transfers power to the reversible electric machine 30 which operates in generator mode, and which can thus supply electricity to different equipment, to recharge batteries for example.
  • the power cannot be transferred from the gas generator 12 to the electric machine 30 given the orientation of the free coupling wheel 72.
  • the electric machine 30 is dimensioned such that the maximum rotation speed of the electric machine 30 in generator mode remains lower than the minimum rotation speed in flight operation of the gas generator 12 (excluding the start or stop phase), such that the rotation of the electric machine 30 cannot drive the gas generator 12 via the free coupling wheel 72.
  • the free turbine 11 also drives the oil pump 40 during this operation.
  • Figure 13 represents, on the basis of the architecture corresponding to the third embodiment ( Figure 4), a so-called “wind” operating mode allowing electrical generation, in which the propeller 62 is driven in rotation by the advancement of the aircraft, the main rotor 60 thus driving the electrical machine 30.
  • the clutch 54 is placed in the coupling position, allowing the transfer of power from the main rotor 60 to the electric machine 30.
  • the gas generator 12 and the free turbine 11 operate at idle in flight, and do not transfer power to the main rotor 60 if the rotation speed of the propeller 62 caused by the advancement of the aircraft is greater than the speed rotation of the free turbine 11.
  • the propeller 62 does not recover sufficient power from the advancement of the aircraft, it can be driven by the free turbine 11 operating at idle.
  • the power cannot be transferred from the gas generator 12 to the electric machine 30 taking into account the orientation of the free coupling wheel 72.
  • the electric machine 30 does not drive the gas generator 12, the free coupling wheel 72 not being engaged.

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Abstract

Turbopropulseur (100) hybride pour aéronef, comprenant un générateur de gaz (12) porté par un arbre de générateur (14), une turbine libre (11) portée par un arbre de turbine (13) et entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz (12), l'arbre de turbine (13) étant en prise avec un rotor principal (60) via une boîte de transmission (50) comprenant une première roue libre (51) orientée de telle sorte que le rotor principal (60) ne peut pas entraîner la turbine libre (11), une machine électrique réversible (30) en prise avec le rotor principal via la boîte de transmission (50) pour entrainer le rotor principal (60) lors d'un fonctionnement électrique ou hybride, le turbopropulseur comprenant une unique pompe à huile (40) en prise avec la boîte de transmission (50) pour être entrainée sélectivement par l'arbre de turbine (13) ou par la machine électrique (30) selon le mode de fonctionnement.

Description

Description
Titre de l'invention : Turbopropulseur hybride amélioré pour aéronef
Domaine Technique
[0001 ] La présente invention concerne le domaine des aéronefs hybridés, comprenant un turbopropulseur pour un avion à hélices. En particulier, l’invention concerne un turbopropulseur hybridé pour aéronef, et un aéronef hybridé comprenant un tel turbopropulseur.
Technique antérieure
[0002] De manière connue, un turbopropulseur pour avion comporte une turbine à gaz ayant un générateur de gaz et une turbine libre entraînée en rotation par le flux de gaz généré par le générateur de gaz. En outre, dans un aéronef hybridé, le turbopropulseur comprend généralement une machine électrique couplée à l’hélice, de manière à assurer un fonctionnement entièrement électrique (c’est-à- dire 100% électrique) ou hybride. Par « hybride » ou « hybride parallèle », on comprend notamment que la source de puissance entraînant l’hélice propulsive peut être le turbomoteur, le ou les moteur(s) électrique(s), ou une combinaison des deux en fonction des modes de fonctionnement souhaités.
[0003] Traditionnellement, le générateur de gaz comporte au moins un compresseur et une turbine couplés en rotation. Le principe de fonctionnement est le suivant : l'air frais entrant dans la turbine à gaz est comprimé du fait de la rotation du compresseur avant d'être envoyé vers une chambre de combustion où il est mélangé à un carburant. Les gaz brûlés du fait de la combustion sont ensuite évacués à grande vitesse. Il se produit alors une première détente dans la turbine du générateur de gaz, durant laquelle cette dernière extrait l'énergie nécessaire à l'entraînement du compresseur. La turbine du générateur de gaz n'absorbe pas toute l'énergie cinétique des gaz brûlés et l'excédent d'énergie cinétique correspond au flux de gaz généré par le générateur de gaz. Ce dernier fournit donc de l'énergie cinétique à la turbine libre de sorte qu'il se produit une seconde détente dans la turbine libre qui transforme cette énergie cinétique en énergie mécanique afin d'entraîner un organe récepteur, tel qu’une hélice de turbopropulseur.
[0004] En outre, dans un turbopropulseur traditionnel, on utilise généralement des boites de transmissions séparées, notamment un boîtier de transmission de puissance, connu sous l’acronyme « PGB » (pour « Power GearBox » en anglais) permettant les transmissions de puissance de la turbine libre vers l’hélice, et un boîtier d’accessoires, connu sous l’acronyme « AGB » (pour « Accessory GearBox » en anglais) permettant les transmissions de puissance du générateur de gaz vers les accessoires.
[0005] Ces architectures dans lesquelles les axes « turbine libre » et « générateur de gaz » sont distincts et non en prise l’un avec l’autre ne permettent pas de réaliser une propulsion électrique, thermique ou hybride, tout en répondant aux besoins de sécurité de manière optimale, et ne permettent pas de tirer le plein potentiel de l’introduction de fortes puissances d’hybridation, d’un point de vue fonctionnel. En outre, dans ces architectures de turbopropulseur, l’agencement des organes dédiés à la lubrification et la masse de l’ensemble ne sont pas optimaux.
[0006] Il existe donc un besoin pour une architecture améliorée répondant au moins en partie aux inconvénients précités.
Exposé de l'invention
[0007] Le présent exposé concerne un turbopropulseur hybride pour aéronef, comprenant un générateur de gaz porté par un arbre de générateur, une turbine libre portée par un arbre de turbine et entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz, l'arbre de turbine étant en prise avec un rotor principal par l'intermédiaire d'une boîte de transmission comprenant une première roue libre orientée de telle sorte que le rotor principal ne peut pas entraîner la turbine libre, une machine électrique réversible apte à être en prise avec le rotor principal par l'intermédiaire de la boîte de transmission pour entrainer le rotor principal lors d'un mode de fonctionnement électrique ou hybride, le turbopropulseur comprenant une unique pompe à huile en prise avec la boîte de transmission de manière à être entraînée sélectivement par l'arbre de turbine ou par la machine électrique selon le mode de fonctionnement du turbopropulseur.
[0008] Dans le présent exposé, on entend par « roue libre » un dispositif comprenant un moyeu et une couronne périphérique montée rotative sur le moyeu. Le moyeu peut entraîner en rotation la couronne périphérique mais pas l’inverse. Aussi, le moyeu ne peut entraîner la couronne que lorsque le moyeu tourne dans un sens prédéterminé, que l’on appellera « sens d’engagement ». Dans le cas contraire, le moyeu et la couronne périphérique tournent librement l’un par rapport à l’autre. En l’espèce, les roues libres sont activées lorsque le moyeu de la roue libre entraîne en rotation la couronne périphérique, et, à l’inverse, les roues libres sont désactivées lorsque le moyeu de la roue libre n’entraîne pas en rotation la couronne périphérique. Un intérêt de la roue libre est qu’elle ne nécessite pas d’être commandée électroniquement ou mécaniquement par un opérateur extérieur.
[0009] Le rotor principal peut comprendre une hélice l’aéronef, notamment d’avion, permettant sa propulsion, l’hélice étant alors disposée à une extrémité du turbopropulseur, préférentiellement à l’extrémité avant du turbopropulseur lorsque l’on considère un sens de déplacement normal de l’aéronef. Le rotor principal est ainsi mobile autour d’un axe de rotation, pouvant correspondre à l’axe principal du turbopropulseur, ou être décalé radialement par rapport à ce dernier.
[0010] Par ailleurs, par « en prise avec », on comprend qu’un organe est lié mécaniquement à un autre organe, directement ou indirectement. Dans le présent exposé notamment, l’extrémité de l’arbre de turbine est liée mécaniquement au rotor principal indirectement par l’intermédiaire de la boîte de transmission.
[0011 ] La machine électrique réversible permet, en fonctionnant en mode moteur, de fournir l’énergie propulsive au rotor principal. En particulier, cette architecture permet un fonctionnement entièrement thermique (100% thermique), dans lequel la turbine libre entraîne le rotor principal via la boîte de transmission, entièrement électrique (100% électrique) au sol ou en vol, dans lequel la machine électrique réversible entraîne le rotor principal via la boîte de transmission, et un fonctionnement hybride dans lequel le rotor principal est entraîné à la fois par la machine électrique réversible et par la turbine libre.
[0012] Par ailleurs, selon cette architecture, la pompe à huile permettant de mettre en circulation l'huile de lubrification destinée à lubrifier les différents roulements du turbopropulseur, est en prise avec la boîte de transmission, et peut donc être entraînée sélectivement par l'arbre de turbine dans le cas d'un fonctionnement 100% thermique ou hybride, ou par la machine électrique dans le cas d'un fonctionnement 100% électrique ou hybride.
[0013] Cette architecture permet donc l'emploi d'une unique pompe à huile pouvant lubrifier les roulements de la boîte de transmission, et également les roulements du boîtier d'accessoires en prise avec l'arbre de générateur. En d'autres termes, le fait de pouvoir sélectionner la source (machine électrique et/ou l'arbre de turbine) permettant d'entrainer l'unique pompe à huile en fonction du mode de fonctionnement, permet d'optimiser les organes dédiés à la lubrification, limitant ainsi la masse de l'ensemble et d'améliorer la fiabilité du dispositif.
[0014] Dans certains modes de réalisation, la machine électrique est en prise avec le rotor principal par l'intermédiaire d'une deuxième roue libre de la boîte de transmission, la deuxième roue libre étant orientée de telle sorte que le rotor principal ne peut pas entraîner la machine électrique.
[0015] En d'autres termes, la deuxième roue libre permet l'entraînement du rotor principal, notamment de l'hélice, par la machine électrique, mais par l'inverse. Ainsi, selon cette configuration, une roue libre (la première et la deuxième roue libre) est située entre chaque source de puissance (turbine libre et machine électrique) et le rotor principal, qui est l'unique récepteur. Il est donc possible de choisir la source de puissance (thermique et/ou électrique) indépendamment l'une de l'autre. [0016] Dans certains modes de réalisation, la machine électrique est apte à être en prise avec le rotor principal par l'intermédiaire d'un moyen de couplage réversible mobile entre une position de couplage dans laquelle la machine électrique peut entraîner le rotor principal lors d'un fonctionnement en mode moteur ou être entraînée par le rotor principal ou la turbine libre lors d'un fonctionnement en mode générateur, et une position de découplage dans laquelle la machine électrique est découplée du rotor principal.
[0017] Contrairement à la roue libre, qui n'autorise un transfert de puissance que dans le sens de la machine électrique vers le rotor principal, le moyen de couplage permet, lorsqu'il est activé, c'est-à-dire dans la position de couplage, de lier mécaniquement la machine électrique et le rotor principal par l'intermédiaire de la boîte de transmission, de telle sorte que la machine électrique peut entraîner le rotor principal, et inversement. Par ailleurs, lors d'un fonctionnement 100% thermique, le moyen de couplage en position de découplage permet d'empêcher l'entrainement de la machine électrique par la turbine libre.
[0018] Cette configuration permet d'augmenter le nombre de modes fonctionnels réalisables par cette architecture. En particulier, en plus des modes de fonctionnement 100% électrique ou hybride lorsque la machine électrique réversible fonctionne en mode moteur, la machine électrique réversible peut être entraînée par le rotor principal ou la turbine libre lors d'un fonctionnement en mode générateur, de manière à produire de l'électricité pour la fournir à différents équipements de l'aéronef, ou pour recharger la batterie haute tension.
[0019] Cette génération peut avoir lieu en vol ou au sol. La machine électrique est alors entraînée par la turbine libre, en d'autres termes par le moteur thermique qui entraîne également le rotor principal. En outre, la génération électrique peut également être réalisée lors d'un mode de fonctionnement dit « éolien », dans lequel le rotor principal, par exemple l'hélice, est entraînée en rotation par l'avancement de l'aéronef et entraîne la machine électrique.
[0020] Dans certains modes de réalisation, le moyen de couplage réversible est un embrayage. Un embrayage présente l'avantage d'être pilotable à distance, par exemple par l'intermédiaire d'une unité de contrôle, et peut notamment passer de la position de couplage à la position de découplage à n'importe quel moment en vol. Le turbopropulseur peut comprendre un dispositif de synchronisation permettant de réaliser ce passage de la position de couplage à la position de découplage.
[0021] Dans certains modes de réalisation, le turbopropulseur comprend un arbre de couplage ayant une première extrémité en prise avec la boîte de transmission, et une deuxième extrémité en prise avec l'arbre de générateur. La deuxième extrémité peut être en prise avec l'arbre de générateur via les engrenages d'un boîtier d'accessoires.
[0022] Contrairement aux configurations habituelles des turbopropulseurs, dans lesquelles la turbine libre et le générateur de gaz sont séparés, l'arbre de couplage permet de lier physiquement l'arbre de générateur avec la boîte de transmission, et donc avec l'arbre de turbine par l'intermédiaire de la boîte de transmission. On notera que l'arbre de couplage est de préférence souple pour compenser les éventuels décalages dans l'alignement de ces différents organes.
[0023] On comprend donc que cette configuration permet à la machine électrique d'entraîner l'arbre de générateur, et donc le générateur de gaz, par l'intermédiaire de l'arbre de couplage. Il est ainsi possible d'utiliser la machine électrique réversible pour démarrer le générateur de gaz. Cette configuration permet de s'affranchir de l'utilisation d'un démarreur, habituellement nécessaire pour les phases de démarrage du générateur de gaz. En d'autres termes, selon ce mode de réalisation, le turbopropulseur comprend une unique machine électrique, ce qui permet d'alléger et de simplifier le dispositif. Cette machine électrique réversible est une machine électrique de forte puissance, pouvant donc être utilisée en mode moteur pour entraîner le rotor principal, et également pour le démarrage du générateur de gaz.
[0024] Par « forte puissance », on comprend que pour assurer ces fonctions, la machine électrique doit être dimensionnée à une puissance très supérieure à celle des génératrices/démarreurs habituellement utilisés, typiquement une ou plusieurs centaines de kilowatts, au lieu d'une dizaine de kilowatts.
[0025] En outre, cette architecture permet un mode de fonctionnement dans lequel le rotor principal est bloqué, le générateur de gaz fonctionnant seul pour entraîner les accessoires qui lui sont liés. En effet, l'arbre de couplage en prise avec la machine électrique et la boîte de transmission permet d'entraîner la pompe à huile en prise avec la boîte de transmission, sans nécessité l'emploi d'une deuxième pompe à huile liée au générateur de gaz, ce qui permet donc d'optimiser les organes dédiés à la lubrification, et de limiter la masse du dispositif.
[0026] Dans certains modes de réalisation, l'arbre de couplage comprend une roue libre de couplage orientée de telle sorte que le générateur de gaz ne peut pas entraîner la machine électrique.
[0027] Bien que la présence de la roue libre de couplage sur l'arbre de couplage ne permette pas la réalisation du mode fonctionnel dans lequel le rotor principal est bloqué et le générateur de gaz entraîne seul les accessoires qui lui sont liés (le générateur de gaz ne peut pas entraîner la pompe à huile du fait de la présence de la roue libre), cette roue libre de couplage permet d'empêcher le générateur de gaz d'entraîner la machine électrique lorsque cela n'est pas souhaité, notamment après la phase de démarrage ou lors d'un fonctionnement 100% thermique ou hybride.
[0028] En particulier, lors d'une phase de démarrage utilisant la machine électrique réversible, lorsque le générateur de gaz devient autonome (environ 50% de sa vitesse nominale), sa vitesse de rotation devenant supérieure à celle de la machine électrique, la roue libre empêche l'entraînement de la machine électrique par l'arbre de générateur. On notera en outre que pendant la phase de démarrage par la machine électrique, le moyen de couplage réversible, par exemple l'embrayage, est en position de découplage de telle sorte que la machine électrique est utilisée entièrement pour le démarrage du générateur de gaz. La pompe à huile est alors entraînée par l'arbre de turbine durant le démarrage.
[0029] Dans certains modes de réalisation, la deuxième extrémité de l'arbre de couplage est en prise avec l'arbre de générateur par l'intermédiaire d'un moyen de déconnexion de sécurité configuré pour permettre une déconnexion de l'arbre de couplage avec l'arbre de générateur en cas de blocage partiel ou total du générateur de gaz.
[0030] Le moyen de déconnexion de sécurité, disposé entre la roue libre de couplage et le générateur de gaz, permet d'éviter, en déconnectant l'arbre de couplage et l'arbre de générateur, une situation dans laquelle la rotation de la machine électrique fonctionnant en mode moteur pour entraîner le rotor principal est entravée par la résistance engendrée par le générateur de gaz bloqué partiellement ou totalement. La machine électrique peut donc assurer sa fonction d'entraînement du rotor principal en cas de panne moteur, ce qui permet d'améliorer la sécurité du dispositif. Le moyen de déconnexion de sécurité peut être un système actif ou passif, comme par exemple une section à casser.
[0031] Dans certains modes de réalisation, le turbopropulseur comprend un arbre de couplage ayant une première extrémité en prise avec la boîte de transmission, et une deuxième extrémité en prise avec l'arbre de générateur, l'arbre de couplage comprenant une roue libre de couplage orientée de telle sorte que le générateur de gaz ne peut pas entraîner la machine électrique, la deuxième roue libre étant configurée pour être activée lorsque la machine électrique tourne dans un premier sens de rotation, et la roue libre de couplage étant configurée pour être activée lorsque la machine électrique tourne dans un deuxième sens de rotation opposé au premier sens de rotation.
[0032] Selon ce mode de réalisation, la machine électrique réversible est en prise avec la boîte de transmission par l'intermédiaire de la deuxième roue libre, et avec le générateur de gaz par l'intermédiaire de la roue libre de couplage. On comprend que la deuxième roue libre et la roue libre de couplage sont montées en opposition. Par « montées en opposition », on comprend que la deuxième roue libre peut transmettre un couple de rotation provenant de la machine électrique vers le rotor principal, mais pas l'inverse, alors que la roue libre de couplage peut transmettre un couple de rotation de la machine électrique vers le générateur de gaz, mais pas l'inverse.
[0033] En outre, selon ce mode de réalisation, la machine électrique réversible peut être utilisée dans un sens de rotation (sens horaire par exemple) pour être couplée mécaniquement au générateur de gaz (la machine électrique étant alors découplée du rotor principal), et dans l'autre sens de rotation (sens antihoraire par exemple) pour être couplée mécaniquement au rotor principal (la machine électrique étant alors découplée du générateur de gaz).
[0034] En particulier, la machine électrique tournant dans le deuxième sens de rotation permet le couplage avec le générateur de gaz afin de démarrer ce dernier au sol. En outre, la machine électrique tournant dans le premier sens de rotation permet un fonctionnement en mode moteur 100% électrique ou hybride.
[0035] Cette configuration permet de s'affranchir de l'utilisation de moyen de couplage réversible tel qu'un embrayage qui est un dispositif complexe. A l'inverse, les roues libres présentent l'avantage de ne pas nécessiter d’être commandées électroniquement ou mécaniquement par un opérateur extérieur. La roue libre présente en outre une fiabilité importante. Bien que cette configuration ne permette pas l'utilisation de la machine électrique en mode génératrice, elle permet néanmoins d'améliorer la simplicité et la fiabilité du dispositif, l'utilisation d'un moyen de déconnexion de sécurité tel que décrit plus haut, comme par exemple une section à casser, n'étant en outre plus nécessaire.
[0036] Dans certains modes de réalisation, le moyen de couplage réversible est un premier moyen de couplage réversible, la deuxième extrémité de l'arbre de couplage étant en prise avec l'arbre de générateur par l'intermédiaire d'un deuxième moyen de couplage réversible mobile entre une position de couplage dans laquelle la machine électrique et le générateur de gaz sont couplés, et une position de découplage dans laquelle la machine électrique et le générateur de gaz sont découplés.
[0037] Le premier et le deuxième moyen de couplage réversible peuvent être des embrayages pilotables à distance via une unité de contrôle par exemple. Il est ainsi possible de piloter les positions des embrayages en fonction des phases de fonctionnement du turbopropulseur. En phase de démarrage par exemple, le premier moyen de couplage (premier embrayage) est placé en position de découplage et le deuxième moyen de couplage (deuxième embrayage) est placé en position de couplage. A l'inverse, lors d'un fonctionnement 100% électrique ou hybride, le premier embrayage est placé en position de couplage et le deuxième embrayage est placé en position de découplage.
[0038] Cette configuration permet de réaliser un nombre élevé de fonctions, telles la génération d'électricité par la machine électrique en plaçant le premier embrayage en position de couplage, ou l'entrainement de la pompe à huile par le générateur de gaz via l'arbre de couplage, en plaçant la roue libre de couplage en position de couplage.
[0039] Dans certains modes de réalisation, l'arbre de générateur est en prise avec un boîtier d'accessoires distinct de la boîte de transmission, la deuxième extrémité de l'arbre de couplage étant en prise avec le boîtier d'accessoires.
[0040] Le présent exposé concerne également un aéronef comprenant un turbopropulseur hybride selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents, l'aéronef étant un avion à hélices.
Brève description des dessins
[0041] L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles :
[0042] [Fig. 1] La figure 1 représente une vue en coupe d'un turbopropulseur pour aéronef hybridé selon l'invention, [0043] [Fig. 2] La figure 2 représente schématiquement le turbopropulseur de la figure 1 selon un premier mode de réalisation,
[0044] [Fig. 3] La figure 3 représente schématiquement le turbopropulseur de la figure 1 selon un deuxième mode de réalisation,
[0045] [Fig. 4] La figure 4 représente schématiquement le turbopropulseur de la figure 1 selon un troisième mode de réalisation,
[0046] [Fig. 5] La figure 5 représente schématiquement une vue détaillée du turbopropulseur selon le troisième mode de réalisation,
[0047] [Fig. 6] La figure 6 représente schématiquement le turbopropulseur de la figure 1 selon un quatrième mode de réalisation,
[0048] [Fig. 7] La figure 7 représente schématiquement le turbopropulseur de la figure 1 selon un cinquième mode de réalisation,
[0049] [Fig. 8A-8B] Les figures 8A et 8B représentent schématiquement le turbopropulseur de la figure 1 selon un premier mode de fonctionnement du troisième et du quatrième mode de réalisation respectivement,
[0050] [Fig. 9A-9B] Les figures 9A et 9B représentent schématiquement le turbopropulseur de la figure 1 selon un deuxième mode de fonctionnement du troisième et du quatrième mode de réalisation respectivement,
[0051] [Fig. 10A-10B] Les figures 10A et 10B représentent schématiquement le turbopropulseur de la figure 1 selon un troisième mode de fonctionnement du troisième et du quatrième mode de réalisation respectivement,
[0052] [Fig. 11A-11B] Les figures 11A et 11B représentent schématiquement le turbopropulseur de la figure 1 selon un quatrième mode de fonctionnement du troisième et du quatrième mode de réalisation respectivement,
[0053] [Fig. 12] La figure 12 représente schématiquement le turbopropulseur de la figure 1 selon un cinquième mode de fonctionnement du troisième mode de réalisation, [0054] [Fig. 13] La figure 13 représente schématiquement le turbopropulseur de la figure 1 selon un sixième mode de fonctionnement du troisième mode de réalisation.
Description des modes de réalisation
[0055] Une architecture d'un turbopropulseur 100 selon différents modes de réalisation de l'invention va être décrite dans la suite de la description, en référence aux figures 1 à 13.
[0056] La figure 1 représente de façon schématique un turbopropulseur 100 d'un aéronef, entraînant en rotation le rotor principal 60 d’un avion comprenant un axe de rotor 61 portant une hélice 62. Le turbopropulseur 100 comprend une turbine à gaz 10 ayant un générateur de gaz 12 et une turbine libre 11 apte à être entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz 12.
[0057] La turbine libre 11 est montée sur un arbre de turbine 13 qui transmet le mouvement de rotation au rotor principal 60 par l'intermédiaire d'une boîte de transmission 50. Une extrémité de l'arbre de turbine 13 est en prise avec la boîte de transmission 50, l'autre extrémité étant en vis-à-vis de l'arbre de générateur 14 décrit ci-après, en étant dételé de ce dernier.
[0058] Le générateur de gaz 12 comporte un arbre de générateur 14 rotatif sur lequel sont montés au moins un compresseur centrifuge 15 et au moins une turbine 16, ainsi qu’une chambre de combustion 17 disposée axialement entre le compresseur 15 et la turbine 16 dès lors que l’on considère le générateur de gaz 12 selon la direction axiale de l’arbre de générateur 14. La turbine à gaz 10 présente un carter 18 muni d’une entrée d’air 19 par laquelle l’air frais entre dans le générateur de gaz 12. Après son admission dans l’enceinte du générateur de gaz 12, l’air frais est comprimé par le compresseur 15 qui le refoule vers l’entrée de la chambre de combustion 17 dans laquelle il est mélangé avec du carburant. La combustion qui a lieu dans la chambre de combustion 17 provoque l’évacuation à grande vitesse des gaz brûlés vers la turbine 16, ce qui a pour effet d’entraîner en rotation l’arbre 14 du générateur de gaz 12 et, par conséquent, le compresseur 15. La vitesse de rotation de l'arbre 14 du générateur de gaz 12 est déterminée par le débit de carburant entrant dans la chambre de combustion 17.
[0059] Malgré l'extraction d'énergie cinétique par la turbine 16, le flux de gaz sortant du générateur de gaz 12 présente une énergie cinétique significative. Comme on le comprend à l'aide de la figure 1, le flux de gaz F est dirigé vers la turbine libre 11 ce qui a pour effet de provoquer une détente dans la turbine libre 11 conduisant à la mise en rotation de la roue de turbine et de l'arbre de turbine 13.
[0060] Une machine électrique réversible 30 (ci-après nommée simplement « machine électrique 30 ») est en prise avec la boîte de transmission 50, et comporte un moteur électrique apte à fonctionner de manière réversible en génératrice électrique. La machine électrique 30 peut ainsi, selon les modes de réalisation décrits ci-après, apporter de la puissance au rotor principal 60 en fonctionnant en mode moteur, ou bien prélever de la puissance mécanique au rotor principal 60 en fonctionnant en mode génératrice. La machine électrique 30 est une machine électrique de forte puissance (une à plusieurs centaines de kilowatts).
[0061] La partie arrière du turbopropulseur 100, autrement dit la partie amont comprenant l'entrée d'air 19, comprend un boîtier d'accessoires 20, connu sous l'acronyme « AGB » (pour « Accessory GearBox » en anglais), en prise avec l'arbre de générateur 14. Ce boîtier d'accessoires 20 comprend différents équipements, selon l'application choisie.
[0062] Le turbopropulseur 100 comprend en outre une unique pompe à huile 40 en prise avec la boîte de transmission 50, la pompe à huile 40 pouvant ainsi être entraînée par l'arbre de turbine 13 et/ou la machine électrique 30.
[0063] On notera que dans l'exemple représenté sur la figure 1, l'ensemble des équipements, notamment le générateur de gaz 12, la turbine libre 11, la boîte de transmission 50 et le rotor principal 60, sont tous coaxiaux et centrés sur un même axe principal X. Cette disposition n'est cependant pas limitative, l'invention s'appliquant à des configurations dans lesquelles l'axe de rotor 61 est décalé radialement par rapport à l'axe principal X du turbopropulseur, comme illustré sur la figure 5 décrite plus loin dans la description.
[0064] Différents mode de réalisation sont décrits ci-dessous en référence aux figures 2 à 13.
[0065] On notera de manière générale que, par souci de clarté, les figures suivantes représentent schématiquement et de manière fonctionnelle et simplifiée les différents modes de fonctionnement du dispositif, sans représenter tous les détails des éléments constituant le turbopropulseur 100 et les différents organes de transmission de puissance. En particulier, les pignons et éventuels rapports de vitesse ne sont pas représentés.
[0066] La figure 2 représente une architecture selon un premier mode de réalisation, dans lequel l'arbre de turbine 13 est en prise avec le rotor principal 60 par l'intermédiaire d'une première roue libre 51 de la boîte de transmission 50.
[0067] La première roue libre 51 est montée de telle sorte que la rotation de l'arbre de turbine 13 peut entraîner en rotation le rotor principal 60 lorsque le turbopropulseur fonctionne en mode 100% thermique ou hybride (première roue libre 51 activée)mais qu’au contraire, la rotation du rotor principal 60 ne peut pas entraîner en rotation l'arbre de turbine 13 (première roue libre 51 désactivée). Autrement dit, la première roue libre 51 ne peut transférer un couple de rotation que dans le sens de l'arbre de turbine 13 vers le rotor principal 60, et pas l’inverse.
[0068] Par ailleurs, selon ce mode de réalisation, la machine électrique 30 est en prise avec le rotor principal 60 par l'intermédiaire d'une deuxième roue libre 52 de la boîte de transmission 50.
[0069] La deuxième roue libre 52 est montée de telle sorte que la rotation de la machine électrique 30 peut entraîner en rotation le rotor principal 60 lorsque la machine électrique réversible 30 fonctionne en moteur électrique (deuxième roue libre 52 activée) mais qu'au contraire, la rotation du rotor principal 60 ne peut pas entraîner en rotation la machine électrique 30 (deuxième roue libre 52 désactivée). Autrement dit, la deuxième roue libre 52 ne peut transférer un couple de rotation que dans le sens de la machine électrique 30 vers le rotor principal 60, et pas l'inverse.
[0070] Ainsi, la rotation de la machine électrique 30 est apte à entraîner en rotation l'axe de rotor 61 du rotor principal 60 lorsque le turbopropulseur 100 fonctionne en mode 100% électrique ou hybride.
[0071] Par ailleurs, lorsque le turbopropulseur 100 fonctionne en mode 100% électrique dans lequel seule la machine électrique 30 fournie de la puissance au rotor principal 60 par l'intermédiaire de la boîte de transmission 50 (générateur de gaz 12 et turbine libre 11 arrêtés), la machine électrique 30 entraîne également l'unique pompe à huile 40 par l'intermédiaire de la boîte de transmission 50.
[0072] De même, lorsque le turbopropulseur 100 fonctionne en mode 100% thermique dans lequel seul la turbine libre 11 (entraînée par le générateur de gaz 12) fournie de la puissance au rotor principal 60 par l'intermédiaire de la boîte de transmission 50 (machine électrique 30 arrêtée), la turbine libre 11 entraîne également l'unique pompe à huile 40 par l'intermédiaire de la boîte de transmission 50.
[0073] Lorsque le turbopropulseur 100 fonctionne en mode hybride (thermique et électrique) dans lequel le rotor principal 60 est entraîné à la fois par la turbine libre 11 et par la machine électrique 30, la pompe à huile 40 est entraînée par la turbine libre 11 et/ou la machine électrique 30.
[0074] On notera que selon ce mode de réalisation une machine électrique de type démarreur, de plus faible puissance que la machine électrique 30, est nécessaire pour les phases de démarrage du générateur de gaz 12.
[0075] La figure 3 représente une architecture selon un deuxième mode de réalisation, qui diffère du premier mode de réalisation en ce que la deuxième roue libre 52 de la boîte de transmission 50 est remplacée par un moyen de couplage réversible. Dans cet exemple, le moyen de couplage réversible est un premier embrayage 54. Cet exemple n'est pas limitatif, le moyen de couplage réversible pouvant être un connecteur amovible manuellement, moins complexe techniquement que l'embrayage. L'embrayage 54 présente toutefois l'avantage de pouvoir être piloté à distance, par l'intermédiaire d'une unité de commande par exemple (non représentée), y compris en vol.
[0076] L'embrayage 54 est mobile entre une position de couplage (ou
« embrayage fermé », ou « position d'embrayage ») dans laquelle la machine électrique 30 est liée mécaniquement à l'axe de rotor 61 par l'intermédiaire de la boîte de transmission 50 et peut entraîner le rotor principal 60 lors d'un fonctionnement en mode moteur, ou être entraînée par le rotor principal 60 ou la turbine libre 11 lors d'un fonctionnement en mode générateur, et une position de découplage (ou « embrayage ouvert », ou « position de débrayage ») qui est la position représentée sur la figure 3, dans laquelle la machine électrique 30 est découplée du rotor principal 60.
[0077] Contrairement au premier mode de réalisation comprenant la deuxième roue libre 52, l'embrayage 54 permet, lorsqu'il est fermé, c'est-à-dire dans la position de couplage, de lier mécaniquement la machine électrique 30 et le rotor principal 60, de telle sorte que la machine électrique 30 peut entraîner le rotor principal 60, et inversement. Par ailleurs, lors d'un fonctionnement 100% thermique, l'embrayage 54 en position de découplage permet d'empêcher l'entrainement de la machine électrique 30 par la turbine libre 11.
[0078] Cette configuration permet à la machine électrique 30, en plus du mode moteur lors des fonctionnement 100% électrique ou hybride décrits précédemment, de fonctionner en mode générateur en étant entraînée par le rotor principal 60, de manière à produire de l'électricité, au sol ou en vol, pour fournir cette électricité à différents équipements de l'aéronef, ou pour recharger la batterie haute tension. [0079] Les figures 4 et 5 représentent une architecture selon un troisième mode de réalisation, qui diffère du deuxième mode de réalisation en ce que le turbopropulseur 100 comprend un arbre de couplage 70 ayant une première extrémité en prise avec la boîte de transmission 50, et une deuxième extrémité en prise avec le boîtier d'accessoires 20 et par conséquent avec l'arbre de générateur 14. En d'autres termes, selon ce mode de réalisation, la boîte de transmission 50 et le boîtier d'accessoires 20 sont liés physiquement l'un avec l'autre. L'arbre de couplage 70 est de préférence souple pour compenser les éventuels décalages dans l'alignement entre la boîte de transmission 50 et le boîtier d'accessoires 20.
[0080] La figure 5 représente un vue détaillée du turbopropulseur 100 selon le troisième mode de réalisation, certains équipements étant masqués par ailleurs, tels que la turbine libre 11, le rotor principal 60, la pompe à huile 40 ou les éventuelles roues libres. En particulier, la figure 5 représente de manière détaillée le train de roulements comprenant les différentes roues 51, 52, éventuellement roues libres, en prise les unes avec les autres, que comporte la boîte de transmission 50. On notera que dans cet exemple, l'axe de rotation Y du rotor principal 60, en d'autres termes l'axe de rotor 61, est décalé radialement par rapport à l'axe principal X du turbopropulseur 100, ce dernier étant représenté schématiquement et de manière simplifiée. Cet agencement permet de faciliter la liaison physique entre la boîte de transmission 50 et le boîtier d'accessoires 20 par l'intermédiaire de l'arbre de couplage 70.
[0081] Selon ce mode de réalisation, l'arbre de couplage 70 peut comprendre une roue libre de couplage 72 orientée de telle sorte que le générateur de gaz 12 ne peut pas entraîner la boîte de transmission 50, ni la machine électrique 30, via l'arbre de couplage 70.
[0082] Plus précisément, la roue libre de couplage 72 est montée de telle sorte que la rotation de la machine électrique 30 peut entraîner en rotation le générateur de gaz 12 par l'intermédiaire de la boîte de transmission 50 et de l'arbre de coulage 70 lorsque la machine électrique réversible 30 fonctionne en mode moteur électrique (roue libre de couplage 72 activée) vers le générateur de gaz 12, mais qu'au contraire, la rotation du générateur de gaz 12 ne peut pas entraîner en rotation la machine électrique 30 (roue libre de couplage 72 désactivée). Autrement dit, la roue libre de couplage 72 ne peut transférer un couple de rotation que dans le sens de la machine électrique 30 vers le générateur de gaz 12, et pas l'inverse.
[0083] Selon un exemple modifié de ce mode de réalisation, la roue libre de couplage 72 pourrait être absente. Cette architecture permettrait un mode de fonctionnement dans lequel le rotor principal 60 est bloqué, le générateur de gaz 12 fonctionnant seul pour entraîner les accessoires du boîtier d'accessoires 20, la machine électrique 30 étant arrêtée par ailleurs. En effet, l'arbre de couplage 70 en prise avec la boîte de transmission 50 permet d'entraîner la pompe à huile 40 en prise avec la boîte de transmission 50, sans nécessité l'emploi d'une deuxième pompe à huile liée au générateur de gaz 12.
[0084] Selon ce troisième mode de réalisation, la machine électrique 30 peut entraîner l'arbre de générateur 14, et donc le générateur de gaz 12, par l'intermédiaire de l'arbre de couplage 70. Il est ainsi possible d'utiliser la machine électrique 30 pour démarrer le générateur de gaz 12. Ainsi, contrairement au premier et deuxième mode de réalisation, l'utilisation d'un démarreur n'est pas nécessaire. En d'autres termes, selon ce mode de réalisation, le turbopropulseur 100 comprend une unique machine électrique, qui est la machine électrique réversible 30 de forte puissance, pouvant donc être utilisée en mode moteur pour entraîner le rotor principal 60, et également pour le démarrage du générateur de gaz 12.
[0085] Par ailleurs, la deuxième extrémité de l'arbre de couplage 70 est en prise avec l'arbre de générateur 14 par l'intermédiaire d'un moyen de déconnexion de sécurité, dans cet exemple une section à casser 24, configurée pour permettre une déconnexion de l'arbre de couplage 70 avec l'arbre de générateur 14 en cas de blocage du générateur de gaz 12, par exemple lors d'un arrêt accidentel ou d'une panne de celui-ci. [0086] En effet, en conditions de vol et en cas de panne du moteur entraînant l'arrêt voir le blocage du générateur de gaz 12, il est possible de conserver une partie de la poussée et d'améliorer la pilotabilité de l'appareil en entraînant le rotor principal 60 électriquement par la machine électrique 60, après avoir passé l'embrayage 54 en position de couplage. Cependant, avec cette architecture comprenant l'arbre de couplage 70, la machine électrique 30 entraînerait alors le générateur de gaz 12 en même temps que le rotor principal 60, ce qui pourrait représenter une charge résistante importante.
[0087] La section à casser 24, disposée entre la roue libre de couplage 72 et le générateur de gaz 12, permet d'éviter cette situation en déconnectant l'arbre de couplage 70 et l'arbre de générateur 14. La machine électrique 30 peut donc assurer sa fonction d'entraînement du rotor principal 60 en cas de panne moteur, y compris lorsque la panne conduit à un blocage du générateur.
[0088] La figure 6 représente une architecture selon un quatrième mode de réalisation, qui diffère du troisième mode de réalisation en ce que l'embrayage 54 est remplacé par une deuxième roue libre 52 similaire au premier mode de réalisation. La deuxième roue libre 52 et la roue libre de couplage 72 sont montées en opposition l'une de l'autre.
[0089] La machine électrique réversible 30 est apte à tourner dans un premier sens de rotation (par convention, un sens positif) dans lequel elle est couplée mécaniquement au rotor principal 60 par l'intermédiaire de la deuxième roue libre 52, et dans un deuxième sens de rotation (par convention, un sens négatif), opposé au premier sens de rotation, dans lequel elle est couplée mécaniquement au générateur de gaz 12 par l'intermédiaire de la roue libre de couplage 72 de l'arbre de couplage 70.
[0090] En particulier, l'élément représenté par « -1 » sur la figure 6 et les figures suivantes représente des engrenages, par exemple des pignons, permettant l'inversion du sens de rotation. On comprendra ainsi que lorsque la machine électrique 30 tourne dans le sens positif, la deuxième roue libre 52 est activée, et la roue libre de couplage 72 est désactivée, et lorsque la machine électrique 30 tourne dans le sens négatif, la deuxième roue libre 52 est désactivée, et la roue libre de couplage 72 est activée. Dans ce mode de réalisation, la section à casser 24 n'est pas nécessaire.
[0091] La figure 7 représente une architecture selon un cinquième mode de réalisation, qui diffère du troisième mode de réalisation en ce que la roue libre de couplage 72 est remplacée par un deuxième embrayage 74, similaire au premier embrayage 54.
[0092] Le premier et le deuxième embrayages 54, 74 peuvent être pilotables à distance via une unité de contrôle par exemple, en fonction des phases de fonctionnement du turbopropulseur 100. En phase de démarrage par exemple, le premier embrayage 54 est placé en position de découplage et le deuxième embrayage 74 est placé en position de couplage. La machine électrique 30 peut ainsi entraîner le générateur de gaz 12 sans entraîner le rotor principal 60. A l'inverse, lors d'un fonctionnement 100% électrique ou hybride, le premier embrayage 54 est placé en position de couplage et le deuxième embrayage 74 est placé en position de découplage. La machine électrique 30 peut ainsi entraîner le rotor principal 60 sans entraîner le générateur de gaz 12.
[0093] Les architectures de turbopropulseur selon ces différents modes de réalisation permettent la réalisation d'un nombre élevé de fonctions, tout en répondant aux besoins de sécurité de manière optimale, et en optimisant également l'agencement des organes dédiés à la lubrification et la masse de l'ensemble. Ces différentes fonctions sont décrites ci-dessous en référence aux figures 8A à 13, sur la base des architectures correspondant aux troisième et quatrième modes de réalisation décrits précédemment.
[0094] On notera de manière générale que, par souci de clarté, les figures 8A à 13 représentent schématiquement et de manière fonctionnelle et simplifiée les différents modes de fonctionnement du dispositif, sans représenter tous les détails des éléments constituant le turbopropulseur et les différents organes de transmission de puissance. En particulier, les pignons et éventuels rapports de vitesse ne sont pas représentés. Par ailleurs, on notera que dans les figures 8A à 13 décrites ci-dessous, les flèches indiquent un sens de transfert de puissance d'un organe à un autre, et les flèches barrées d'une croix représentent un blocage du transfert de puissance dans le sens indiqué par ces flèches (lorsqu'un embrayage est ouvert par exemple).
[0095] Les figures 8A et 8B représentent un mode de fonctionnement permettant le démarrage du turbopropulseur 100, sur la base des architectures correspondant au troisième mode de réalisation (figure 4) et au quatrième mode de réalisation (figure 6) respectivement.
[0096] Dans le troisième mode de réalisation (schéma 8A des figures 8A-8B), lors du démarrage, l'embrayage 54 est placé en position de découplage, empêchant le transfert de puissance de la machine électrique 30 vers le rotor principal 60, cette puissance étant alors transférée vers le générateur de gaz 12 par l'intermédiaire de la roue libre de couplage 72. Lorsque le générateur de gaz 12 devient autonome (environ 50% de sa vitesse nominale), la roue libre de couplage 72 débraye, la machine électrique 30 s'arrête et la turbine libre 11 entraîne l'hélice 62. La turbine libre 11 entraîne également la pompe à huile 40 durant le démarrage.
[0097] Dans le quatrième mode de réalisation (schéma 8B des figures 8A-8B), lors du démarrage, la machine électrique 30 est pilotée, par exemple par une unité de contrôle (non représentée), de manière à tourner dans le sens négatif. Ainsi, elle entraîne le générateur de gaz 12 par l'intermédiaire de la roue libre de couplage 72 qui est activée, permettant le démarrage du générateur de gaz 12. La deuxième roue libre 52 est alors désactivée. Lors du démarrage, les gaz chauds entraînent la turbine libre 11. Cette dernière, reliée au rotor principal 60 via la première roue-libre 51, entraîne le rotor principal 60 et notamment l'hélice 62. De même, lorsque le générateur de gaz 12 devient autonome, la roue libre de couplage 72 débraye, la machine électrique 30 s'arrête, la turbine libre 11 entraînant ainsi l'hélice 62 de manière autonome. La turbine libre 11 entraîne également la pompe à huile 40 durant le démarrage. [0098] Les figures 9A-9B représentent un mode de fonctionnement permettant un fonctionnement 100% thermique du turbopropulseur 100, sur la base des architectures correspondant au troisième mode de réalisation (figure 4) et au quatrième mode de réalisation (figure 6) respectivement.
[0099] Dans le troisième mode de réalisation (schéma 9A des figures 9A-9B), lors du fonctionnement 100% thermique, l'embrayage 54 est placé en position de découplage, empêchant le transfert de puissance du rotor principal 60 vers la machine électrique 30, qui est arrêtée. Seul le générateur de gaz 12 transfert de la puissance vers la turbine libre 11 et par conséquent vers le rotor principal 60. Cette puissance ne peut pas être transférée vers la machine électrique 30 compte tenu de l'orientation de la roue libre de couplage 72. La turbine libre 11 entraîne également la pompe à huile 40 durant ce fonctionnement.
[0100] Dans le quatrième mode de réalisation (schéma 9B des figures 9A-9B), lors du fonctionnement 100% thermique, la machine électrique 30 est arrêtée et la deuxième roue libre 52 et la roue libre de couplage 72 sont toutes les deux désactivées. Ainsi, seul le générateur de gaz 12 transfert de la puissance vers la turbine libre 11 et par conséquent vers le rotor principal 60. La turbine libre 11 entraîne également la pompe à huile 40 durant ce fonctionnement.
[0101] Les figures 10A-10B représentent un mode de fonctionnement permettant un fonctionnement 100% électrique du turbopropulseur 100, sur la base des architectures correspondant au troisième mode de réalisation (figure 4) et au quatrième mode de réalisation (figure 6) respectivement.
[0102] Dans le troisième mode de réalisation (schéma 10A des figures 10A-10B), lors du fonctionnement 100% électrique, l'embrayage 54 est placé en position de couplage, permettant le transfert de puissance de la machine électrique 30 vers le rotor principal 60. Seule la machine électrique 30 transfert de la puissance vers le rotor principal 60. En cas de blocage du générateur de gaz 12, le transfert de puissance de la machine électrique 30 vers le générateur gaz 12 peut être empêché par cassage de la section à casser 24. En outre, le transfert de puissance du rotor principal 60 vers la turbine libre 11 est empêché grâce à l'orientation de la première roue libre 51. La machine électrique 30 entraîne la pompe à huile 40 durant ce fonctionnement.
[0103] Dans le quatrième mode de réalisation (schéma 10B des figures 10A- 10B), la machine électrique 30 est pilotée de manière à tourner dans le sens positif. Ainsi, elle entraîne le rotor principal 60 par l'intermédiaire de la deuxième roue libre 52 qui est activée, permettant la rotation de l'hélice 62. La roue libre de couplage 72 est alors désactivée. De même, le transfert de puissance du rotor principal 60 vers la turbine libre 11 est empêché grâce à l'orientation de la première roue libre 51, et la machine électrique 30 entraîne la pompe à huile 40 durant ce fonctionnement.
[0104] Les figures 11A-11B représentent un mode de fonctionnement permettant un fonctionnement hybride du turbopropulseur 100, sur la base des architectures correspondant au troisième mode de réalisation (figure 4) et au quatrième mode de réalisation (figure 6) respectivement.
[0105] Dans le troisième mode de réalisation (schéma 11A des figures 11A-11B), lors du fonctionnement hybride, l'embrayage 54 est placé en position de couplage, permettant le transfert de puissance de la machine électrique 30 vers le rotor principal 60. La machine électrique 30 et la turbine libre 11 transfèrent toutes les deux de la puissance vers le rotor principal 60. La puissance ne peut pas être transférer du générateur de gaz 12 vers la machine électrique 30 compte tenu de l'orientation de la roue libre de couplage 72.
[0106] De plus, le générateur de gaz 12 transférant également de la puissance au rotor principal 60, la machine électrique 30 tourne à une vitesse plus faible que la turbine libre 11 et le générateur de gaz 12. La machine électrique 30 ne peut donc pas entraîner le générateur de gaz 12 par l'intermédiaire de la roue libre de couplage 72. En particulier, de préférence, la machine électrique 30 est dimensionnée de telle sorte que la vitesse de rotation maximale de la machine électrique 30 en mode moteur reste inférieure à la vitesse de rotation minimale en fonctionnement en vol du générateur de gaz 12 (hors phase de démarrage ou d'arrêt). Par ailleurs, la pompe à huile 40 peut être entraînée par la machine électrique 30 et/ou la turbine libre 11 durant ce fonctionnement.
[0107] Dans le quatrième mode de réalisation (schéma 11B des figures 11A- 11B), la machine électrique 30 est pilotée de manière à tourner dans le sens positif. Ainsi, elle entraîne le rotor principal 60 par l'intermédiaire de la deuxième roue libre 52 qui est activée, permettant la rotation de l'hélice 62. La roue libre de couplage 72 est alors désactivée. Ainsi, la machine électrique 30 et la turbine libre 11 transfèrent toutes les deux de la puissance vers le rotor principal 60. De même, la pompe à huile 40 peut être entraînée par la machine électrique 30 et/ou la turbine libre 11 durant ce fonctionnement.
[0108] La figure 12 représente un mode de fonctionnement permettant une génération électrique par la machine électrique 30, sur la base de l'architecture correspondant au troisième mode de réalisation (figure 4).
[0109] Dans le troisième mode de réalisation (figure 12), lors d'une génération électrique par la machine électrique 30, l'embrayage 54 est placé en position de couplage, permettant le transfert de puissance du rotor principal 60 vers la machine électrique 30. Seul le générateur de gaz 12 transfert de la puissance vers la turbine libre 11 et par conséquent vers le rotor principal 60. Le rotor principal 60 lui-même transfert de la puissance vers la machine électrique réversible 30 qui fonctionne en mode génératrice, et qui peut ainsi fournir de l'électricité à différents équipements, pour recharger des batteries par exemple.
[0110] La puissance ne peut pas être transférée du générateur de gaz 12 vers la machine électrique 30 compte tenu de l'orientation de la roue libre de couplage 72. En outre, de préférence, la machine électrique 30 est dimensionnée de telle sorte que la vitesse de rotation maximale de la machine électrique 30 en mode génératrice reste inférieure à la vitesse de rotation minimale en fonctionnement en vol du générateur de gaz 12 (hors phase de démarrage ou de d'arrêt), de telle sorte que la rotation da la machine électrique 30 ne peut pas entraîner le générateur de gaz 12 par l'intermédiaire de la roue libre de couplage 72. Par ailleurs, la turbine libre 11 entraîne également la pompe à huile 40 durant ce fonctionnement.
[OUI] On notera par ailleurs que l'architecture correspondant au quatrième mode de réalisation (figure 6) ne permet pas un mode de fonctionnement permettant une génération électrique par la machine électrique 30, compte tenu de l'orientation de la deuxième roue libre 52.
[0112] La figure 13 représente, sur la base de l'architecture correspondant au troisième mode de réalisation (figure 4), un mode de fonctionnement dit « éolien » permettant une génération électrique, dans lequel l'hélice 62 est entraînée en rotation par l'avancement de l'aéronef, le rotor principal 60 entraînant ainsi la machine électrique 30.
[0113] Dans le troisième mode de réalisation (figure 13), lors du mode de fonctionnement dit « éolien », l'embrayage 54 est placé en position de couplage, permettant le transfert de puissance du rotor principal 60 vers la machine électrique 30. Le générateur de gaz 12 et la turbine libre 11 fonctionne au ralenti en vol, et ne transfèrent pas de puissance au rotor principal 60 si la vitesse de rotation de l'hélice 62 provoquée par l'avancement de l'aéronef est supérieure à la vitesse de rotation de la turbine libre 11. A l'inverse, si l'hélice 62 ne récupère pas suffisamment de puissance de l'avancement de l'aéronef, elle peut être entraînée par la turbine libre 11 fonctionnant au ralenti. La puissance ne peut pas être transférée du générateur de gaz 12 vers la machine électrique 30 compte tenu de l'orientation de la roue libre de couplage 72. De plus, tant que la vitesse de rotation de la machine électrique 30 reste inférieure à celle du générateur de gaz 12, la machine électrique 30 n'entraîne pas le générateur de gaz 12, la roue libre de couplage 72 n'étant pas embrayée.
[0114] Par ailleurs, le transfert de puissance du rotor principal 60 vers la turbine libre 11 est empêché grâce à l'orientation de la première roue libre 51. Ainsi, même lorsque le générateur de gaz 12 et la turbine libre 11 fonctionne au ralenti en vol, la rotation de l'hélice 62 engendrée par l'avancée de l'aéronef permet l'actionnement du rotor principal 60, lui-même transférant ainsi de la puissance vers la machine électrique réversible 30 qui fonctionne en mode génératrice. Le rotor principal 60 entraîne également la pompe à huile 40 durant ce fonctionnement.
[0115] On notera par ailleurs que l'architecture correspondant au quatrième mode de réalisation (figure 6) ne permet pas un mode de fonctionnement dit « éolien » permettant une génération électrique par la machine électrique 30, compte tenu de l'orientation de la deuxième roue libre 52.
[0116] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l’invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

Revendications
[Revendication l] Turbopropulseur (100) hybride pour aéronef, comprenant un générateur de gaz (12) porté par un arbre de générateur (14), une turbine libre (11) portée par un arbre de turbine (13) et entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz (12), l'arbre de turbine (13) étant en prise avec un rotor principal (60) par l'intermédiaire d'une boîte de transmission (50) comprenant une première roue libre (51) orientée de telle sorte que le rotor principal (60) ne peut pas entraîner la turbine libre (11), une machine électrique réversible (30) apte à être en prise avec le rotor principal (60) par l'intermédiaire de la boîte de transmission (50) pour entrainer le rotor principal (60) lors d'un mode de fonctionnement électrique ou hybride, le turbopropulseur (100) comprenant une unique pompe à huile (40) en prise avec la boîte de transmission (50) de manière à être entraînée sélectivement par l'arbre de turbine (13) ou par la machine électrique (30) selon le mode de fonctionnement du turbopropulseur (100).
[Revendication 2] Turbopropulseur (100) hybride selon la revendication 1, dans lequel la machine électrique (30) est en prise avec le rotor principal (60) par l'intermédiaire d'une deuxième roue libre (52) de la boîte de transmission (50), la deuxième roue libre (52) étant orientée de telle sorte que le rotor principal (60) ne peut pas entraîner la machine électrique (30).
[Revendication 3] Turbopropulseur (100) hybride selon la revendication 1, dans lequel la machine électrique (30) est apte à être en prise avec le rotor principal (60) par l'intermédiaire d'un moyen de couplage réversible (54) mobile entre une position de couplage dans laquelle la machine électrique (30) peut entraîner le rotor principal (60) lors d'un fonctionnement en mode moteur ou être entraînée par le rotor principal (60) ou la turbine libre (11) lors d'un fonctionnement en mode générateur, et une position de découplage dans laquelle la machine électrique (30) est découplée du rotor principal (60).
[Revendication 4] Turbopropulseur (100) hybride selon la revendication 3, dans lequel le moyen de couplage réversible (54) est un embrayage.
[Revendication 5] Turbopropulseur (100) hybride selon la revendication 3 ou 4, comprenant un arbre de couplage (70) ayant une première extrémité en prise avec la boîte de transmission (50), et une deuxième extrémité en prise avec l'arbre de générateur (14).
[Revendication 6] Turbopropulseur (100) hybride selon la revendication 5, dans lequel l'arbre de couplage (70) comprend une roue libre de couplage (72) orientée de telle sorte que le générateur de gaz (12) ne peut pas entraîner la machine électrique (30).
[Revendication 7] Turbopropulseur (100) hybride selon la revendication 5 ou 6, dans lequel la deuxième extrémité de l'arbre de couplage (70) est en prise avec l'arbre de générateur (14) par l'intermédiaire d'un moyen de déconnexion de sécurité (24) configuré pour permettre une déconnexion de l'arbre de couplage (70) avec l'arbre de générateur (14) en cas de blocage partiel ou total du générateur de gaz (12).
[Revendication 8] Turbopropulseur (100) hybride selon la revendication 2, comprenant un arbre de couplage (70) ayant une première extrémité en prise avec la boîte de transmission (50), et une deuxième extrémité en prise avec l'arbre de générateur (14), l'arbre de couplage (70) comprenant une roue libre de couplage (72) orientée de telle sorte que le générateur de gaz (12) ne peut pas entraîner la machine électrique (30), la deuxième roue libre (52) étant configurée pour être activée lorsque la machine électrique (30) tourne dans un premier sens de rotation, et la roue libre de couplage (72) étant configurée pour être activée lorsque la machine électrique (30) tourne dans un deuxième sens de rotation opposé au premier sens de rotation.
[Revendication 9] Turbopropulseur (100) hybride selon la revendication 5, dans lequel le moyen de couplage réversible (54) est un premier moyen de couplage réversible, la deuxième extrémité de l'arbre de couplage (70) étant en prise avec l'arbre de générateur (14) par l'intermédiaire d'un deuxième moyen de couplage réversible (74) mobile entre une position de couplage dans laquelle la machine électrique (30) et le générateur de gaz (12) sont couplés, et une position de découplage dans laquelle la machine électrique (30) et le générateur de gaz (12) sont découplés.
[Revendication 10] Turbopropulseur (100) hybride selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, dans lequel l'arbre de générateur (14) est en prise avec un boîtier d'accessoires (20) distinct de la boîte de transmission (50), la deuxième extrémité de l'arbre de couplage (70) étant en prise avec le boîtier d'accessoires (20).
[Revendication 11] Aéronef comprenant un turbopropulseur (100) hybride selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'aéronef étant un avion à hélices.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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GB0903423D0 (en) * 2009-03-02 2009-04-08 Rolls Royce Plc Variable drive gas turbine engine
FR3029172B1 (fr) * 2014-11-27 2018-05-25 Safran Helicopter Engines Groupe propulseur a moyens d'accouplement selectif
FR3081150B1 (fr) * 2018-05-18 2020-06-12 Safran Helicopter Engines Architecture de puissance d'un aeronef
FR3116303B1 (fr) * 2020-11-16 2022-10-14 Safran Helicopter Engines Turbomachine à propulsion hybride et aéronef comportant une telle turbomachine

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