FR2941493A1 - Turbomachine a turbine libre entrainant un generateur electrique de puissance - Google Patents
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Abstract
La présente invention se rapporte à une turbomachine (1) pour aéronef comprenant un générateur de gaz (14), un récepteur (30) entraîné par turbine de puissance (34, 38), ainsi qu'un générateur électrique de puissance (60), et comprenant en outre une turbine libre (62) interposée entre le générateur de gaz (14) et la turbine de puissance, le rotor du générateur électrique de puissance (60) étant entraîné en rotation par la turbine libre (62).
Description
1 TURBOMACHINE A TURBINE LIBRE ENTRAINANT UN GENERATEUR ELECTRIQUE DE PUISSANCE
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte de façon générale au domaine des turbomachines pour aéronef à générateur électrique de puissance.
L'invention concerne tout type de turbomachine dont le récepteur est entraîné par une ou plusieurs turbines de puissance, libres ou liées. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE De l'art antérieur, il est connu d'implanter un générateur électrique sur une turbomachine, dans le but d'alimenter électriquement des équipements à l'aide de la puissance produite. Ces équipements connus peuvent être des équipements électriques de la turbomachine et/ou de l'aéronef. Habituellement, la puissance mecanique nécessaire à la mise en rotation du rotor du générateur électrique est prélevée sur le corps haute pression, et plus précisément sur un arbre radial du compresseur haute pression. Néanmoins, les besoins en puissance électrique devenant de plus en plus conséquents, en particulier en raison de l'électrification des aéronefs et de leurs turbomachines, la puissance mécanique à prélever sur le compresseur haute pression peut devenir 30 critique, car trop importante. En effet, un prélèvement 25 2 excessif de puissance mécanique sur le compresseur haute pression peut affecter l'opérabilité de la turbomachine, les marges de pompage pouvant ne plus être satisfaisantes dans certaines conditions de vol, notamment dans les phases de ralenti de la turbomachine. Cet inconvénient est d'ailleurs encore plus fort lorsque le compresseur est de petit diamètre, ce qui est en particulier le cas sur les turbomachines dites à open rotor (à rotor non caréné).
EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a donc pour but de remédier au moins partiellement à l'inconvénient mentionné ci-dessus, relatif aux réalisations de l'art antérieur_. Pour ce faire, l'invention a pour objet une turbomachine pour aéronef comprenant un générateur de gaz, un récepteur entraîné par turbine de puissance, ainsi qu'un générateur électrique de puissance. Selon l'invention, la turbomachine comprend en outre une turbine libre interposée entre le générateur de gaz et la turbine de puissance, le rotor dudit générateur électrique de puissance étant entraîné en rotation par ladite turbine libre. Ainsi, l'invention est remarquable en ce que le prélèvement de puissance mécanique s'effectue sur la turbine libre, qui est mécaniquement indépendante du générateur de gaz. Par conséquent, le fait de prélever de l'énergie sur cette turbine libre pour alimenter mécaniquement le générateur de puissance n'engendre aucun déséquilibre thermodynamique au niveau du générateur de gaz. Effectivement, une augmentation de la puissance totale disponible en sortie du 3 générateur de gaz, correspondant à la puissance dédiée au générateur électrique et à la puissance dédiée à la poussée, entraîne simplement une augmentation globale des caractéristiques de température et de pression demandées au générateur de gaz. En particulier, les marges de pompage restent satisfaisantes dans toutes les conditions de vol, même dans le cas où le générateur de gaz comprend des composants de petits diamètres, tel que cela est le cas sur les turbomachines dites à open rotor constituant une application préférée de la présente invention. De préférence, le récepteur comprend une première hélice entraînée par une première turbine de puissance, ainsi qu'une seconde hélice entraînée par une seconde turbine de puissance, lesdites première et seconde hélices étant contrarotatives et lesdites première et seconde turbines de puissance étant libres. Alternativement, les deux hélices pourraient être entraînées dans le même sens de rotation, sans sortir du cadre de l'invention. De préférence, chacune des première et seconde hélices est entraînée par sa turbine de puissance associée, directement ou par l'intermédiaire d'un réducteur, ou de tout autre système mécanique de transmission. Ledit générateur électrique de puissance peut indifféremment être du type à flux axial ou radial, ce dernier cas étant préférentiellement retenu pour les rotors de générateur de plus petits diamètres.
De préférence, ledit générateur de gaz est à double corps, et comprend un compresseur haute 4 pression équipé d'un arbre radial entraînant le rotor d'un générateur électrique de puissance additionnel. Par conséquent, la puissance électrique requise est avantageusement produite par au moins deux générateurs distincts, limitant ainsi la puissance totale que chacun d'eux doit fournir. En particulier, le générateur additionnel ne produit de préférence qu'une partie de la puissance électrique requise, de sorte que son implantation n'affecte pas l'opérabilité de la turbomachine. Sa taille peut donc être réduite par rapport à celle des générateurs de l'art antérieur prévus au même emplacement. Alternativement, le générateur de gaz comprend un compresseur haute pression équipé d'un arbre radial entraînant également en rotation ledit rotor dudit générateur électrique de puissance, qui est par ailleurs toujours entraîné par ladite turbine libre de puissance, préférentiellement par l'intermédiaire d'un mécanisme de transmission mécanique, tel qu'un mécanisme de renvoi d'angle. Par conséquent, le même générateur électrique est ici alimenté par deux sources d'énergies distinctes, ce qui limite avantageusement la quantité d'énergie à prélever au niveau du compresseur haute pression.
Chacune de ces deux solutions est préférentiellement mise en oeuvre avec ladite turbine libre équipée d'un arbre radial assurant l'entraînement en rotation du rotor dudit générateur électrique de puissance.
Dans une autre configuration, ladite turbine libre est équipée d'un arbre axial assurant l'entraînement en rotation du rotor dudit générateur électrique de puissance. Enfin, ledit récepteur se situe de préférence en aval du générateur de gaz, donc à 5 l'arrière de la turbomachine, comme cela est généralement rencontré sur les turbomachines à open rotor . D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ; la figure 1 représente une vue schématique en demi-coupe longitudinale d'une turbomachine pour aéronef, selon un premier mode de réalisation préféré de la présente invention ; - la figure 2 représente une vue schématique en demi-coupe longitudinale d'une turbomachine pour aéronef, selon un second mode de réalisation préféré de la présente invention ; et - la figure 3 représente une vue schématique en demi-coupe longitudinale d'une turbomachine pour aéronef, selon un troisième mode de réalisation préféré de la présente invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS En référence à la figure 1, on peut apercevoir une turbomachine 1 du type à open rotor , selon un premier mode de réalisation préféré de la présente invention. 6 Sur les figures, la direction A correspond à la direction longitudinale ou direction axiale, parallèle à l'axe longitudinal 2 de la turbomachine. La direction B correspond quant à elle à la direction radiale de la turbomachine. De plus, la flèche 4 schématise la direction d'avancement de l'aéronef sous l'action de la poussée de la turbomachine 1, cette direction d'avancement étant contraire au sens principal d'écoulement des gaz au sein de la turbomachine. Les termes avant , amont , arrière , aval utilisés dans la suite de la description sont à considérer par rapport à ladite direction d'avancement 4. En partie avant, la turbomachine présente une entrée d'air 6 se poursuivant vers l'arrière par une nacelle 8, celle-ci comportant globalement une peau extérieure 10 et une peau intérieure 12, toutes les deux centrées sur l'axe 2 et décalées radialement l'une de l'autre.
La peau intérieure 12 forme carter radial externe pour un générateur de gaz 14, comprenant de façon classique, de l'avant vers l'arrière, un compresseur basse pression 16, un compresseur haute pression 18, une chambre de combustion 20, une turbine haute pression 22, et une turbine de pression intermédiaire 24. Le compresseur 16 et la turbine 24 sont reliées mécaniquement par un arbre 26, formant ainsi un corps de faible pression, tandis que le compresseur 18 et la turbine 22 sont reliées mécaniquement par un arbre 28, formant un corps de pression plus élevée. Par conséquent, le générateur de 7 gaz 14 présente de préférence une conception classique, dite à double corps. En aval de la turbomachine se trouve un récepteur 30 entraîné par turbine libre de puissance.
Plus précisément, dans le mode de réalisation préféré décrit, le récepteur comprend deux hélices contrarotatives, la première hélice 32, la plus en amont, étant solidaire en rotation d'une première turbine libre de puissance 34, et la seconde hélice 36 étant solidaire en rotation d'une seconde turbine libre de puissance 38. Si la solution d'un couplage direct a été retenue entre les turbines libres et leurs hélices respectives, conception dite Direct Drive , une solution alternative dans laquelle un réducteur serait interposé entre chaque turbine libre et son hélice associée pourrait être envisagée, sans sortir du cadre de l'invention. En outre, il pourrait être prévu une seule turbine libre entraînant les deux hélices au travers d'un réducteur différentiel.
De même, une solution à une seule hélice est également envisageable. Toujours en référence à la figure 1, on peut apercevoir que la première turbine de puissance 34, disposée en aval de la turbine de pression intermédiaire 24, présente un carter extérieur 40 qui se situe dans le prolongement arrière d'un carter extérieur fixe 42, lui-même agencé dans le prolongement arrière du carter radial externe 12 du générateur de gaz 14. D'ailleurs, les carter 12 et 42 peuvent être réalisés d'une seule pièce. 8 Un flasque ou une pluralité de bras 44 permet de déporter radialement l'hélice 32 vers l'extérieur, le flasque 44 présentant une extrémité radiale interne solidaire du carter extérieur 40 de turbine, et une extrémité radiale externe solidaire d'un carter extérieur d'hélice 46. Les pales 48 font saillie radialement vers l'extérieur à partir de ce carter 46, dont l'une des particularités est de se trouver dans la continuité aérodynamique arrière de la peau extérieure 10 de nacelle. Par ailleurs, la seconde turbine de puissance 38, également disposée en aval de la turbine de pression intermédiaire 24, présente un carter extérieur 50 qui se situe dans le prolongement arrière du carter extérieur 40 de la première turbine. Dans le mode de réalisation préféré représenté, les deux turbines sont en fait imbriquées l'une dans l'autre, les étages de la première turbine étant agencés en alternance avec les étages de la seconde turbine, dans la direction A. Ainsi, les carters intérieurs des deux turbines libres 34, 38 se trouvent également dans le prolongement l'un de l'autre. Un flasque ou une pluralité de bras 52 permet de déporter radialement l'hélice 36 vers l'extérieur, le flasque 52 présentant une extrémité radiale interne solidaire du carter extérieur 50 de turbine, et une extrémité radiale externe solidaire d'un carter extérieur d'hélice 54. Les pales 56 font saillie radialement vers l'extérieur à partir de ce carter 54, qui se trouve dans la continuité aérodynamique arrière du carter extérieur 46 de la 9 première hélice 32. Cette configuration est typique d'une turbomachine à open rotor . A titre indicatif, il est rappelé que les turbines libres 34, 38 ne disposent d'aucun lien mécanique direct avec les composants tournants du générateur de gaz, à savoir qu'elles n'entraînent ni ne sont entraînées par les éléments 16, 18, 22, 24. Seuls les gaz s'échappant du générateur de gaz 14 assurent donc la mise en rotation de ces turbines libres 34, 38, montées rotatives sur un arbre fixe 57 de la turbomachine, prolongeant des bras radiaux de carter 43 agencés en amont du récepteur. Ces bras fixes 43, portant le carter extérieur fixe 42, forment ensemble un carter dit inter-turbines.
L'une des particularités de la présente invention réside dans l'implantation d'un générateur électrique de puissance 60, alimenté en énergie mécanique par une turbine libre 62 interposée entre le générateur de gaz 14 et la turbine libre de puissance 34. Ce générateur 60, de conception classique et connue, présente donc un rotor (non représenté) qui a lui la particularité d'être entraîné en rotation par un arbre radial 63 solidaire de la turbine libre 62, cet entraînement s'effectuant directement ou par l'intermédiaire d'une boite de vitesse ou réducteur 64. Dans ce mode de réalisation préféré, la turbine libre 62 est interposée entre les bras de carter fixes 43 et la turbine libre de puissance 34, et l'arbre rotatif radial 63 traverse les bras de carter fixes 43, comme visible sur la figure 1. Néanmoins, la turbine libre 62 pourraient être placée en aval de la 10 turbine 24 et en amont des bras de carter fixes 43, sans sortir du cadre de l'invention. Ce générateur 60, placé radialement extérieurement par rapport aux carters fixes 12, 42, est prévu pour alimenter électriquement des équipements de turbomachine et/ou d'aéronef tels que par exemple des systèmes de lubrification et de carburant, ou tout autre système classique, hydraulique ou électrique. L'avantage lié à cette configuration réside dans la non-perturbation de l'équilibre thermodynamique du générateur de gaz 14. A ce titre, il peut néanmoins être prévu, comme cela est connu de l'art antérieur, un générateur électrique de puissance additionnel 70, dont le rotor (non représenté) est entraîné en rotation par un arbre radial 72 solidaire du compresseur haute pression 18, directement ou par l'intermédiaire d'une boite de vitesse ou réducteur 74. Ainsi, la puissance électrique requise peut être prélevée à l'un et/ou l'autre des deux générateurs 60, 70.
Enfin, il est noté qu'un ou plusieurs autres générateurs électriques de puissance peuvent être implantés sur la turbomachine, par exemple au niveau de la seconde turbine libre 38. En référence à présent à la figure 2, on peut apercevoir une turbomachine 1 similaire à celle de la figure 1, et se présentant sous la forme d'un second mode de réalisation préféré de la présente invention. Sur les figures, les éléments portant les mêmes références numériques correspondent à des éléments identiques ou similaires. Par conséquent, on peut apercevoir que cette turbomachine diffère de celle 11 de la figure 1 par le fait que le générateur électrique de puissance 60 est alimenté en énergie mécanique non seulement par la turbine libre 62 via l'arbre radial 63, mais également par le corps haute pression du générateur de gaz via l'arbre radial 72 précité. Ainsi, la présence du générateur électrique additionnel, décrit en référence à la figure 1, n'est plus requise. Si le générateur électrique de puissance est placé à proximité de l'arbre radial 72 comme montré sur la figure 2, alors un mécanisme de transmission mécanique, tel qu'un mécanisme de renvoi d'angle 65, peut être interposé entre l'arbre radial 63 solidaire en rotation de la turbine libre 62, et la boite de vitesse ou réducteur 64 équipant ce générateur 60.
Dans le troisième mode de réalisation préféré représenté sur la figure 3, le générateur électrique additionnel 70 est conservé, et le générateur électrique de puissance 60 est déplacé dans une partie aval de la turbomachine, de préférence au niveau de son cône d'éjection des gaz (non représenté), également dénommé Centerbody . Ici, la turbine libre 62 est placée en aval de la turbine 24 et en amont des bras de carter fixes 43, en étant équipée d'un arbre axial 63' qui lui est solidaire en rotation, et qui entraîne le rotor du générateur 60. Pour ce faire, l'arbre axial 63' chemine préférentiellement vers l'aval en étant centré sur l'axe 2, et disposé à l'intérieur de l'arbre fixe 57 le guidant en rotation, comme schématisé sur la figure 3.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à 12 l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs.5
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Turbomachine (1) pour aéronef comprenant un générateur de gaz (14), un récepteur (30) entraîné par turbine de puissance (34, 38), ainsi qu'un générateur électrique de puissance (60), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une turbine libre (62) interposée entre le générateur de gaz (14) et la turbine de puissance, le rotor dudit générateur électrique de puissance (60) étant entraîné en rotation par ladite turbine libre (62).
- 2. Turbomachine (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit récepteur (30) comprend une première hélice (32) entraînée par une première turbine de puissance (34), ainsi qu'une seconde hélice (36) entraînée par une seconde turbine de puissance (38), lesdites première et seconde hélices étant contrarotatives et lesdites première et seconde turbines de puissance étant libres.
- 3. Turbomachine (1) selon la revendication 2, caractérisée en ce que chacune des première et seconde hélices (32, 36) est entraînée par sa turbine de puissance associée (34, 38), directement ou par l'intermédiaire d'un réducteur.
- 4. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que 14 ledit générateur électrique de puissance (60) est à flux axial ou radial.
- 5. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le générateur de gaz (14) comprend un compresseur haute pression (18) équipé d'un arbre radial (72) entraînant le rotor d'un générateur électrique de puissance additionnel (70).
- 6. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le générateur de gaz (14) comprend un compresseur haute pression (18) équipé d'un arbre radial (72) entraînant également en rotation ledit rotor dudit générateur électrique de puissance (60).
- 7. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite turbine libre (62) est équipée d'un arbre radial (63) assurant l'entraînement en rotation du rotor dudit générateur électrique de puissance (60).
- 8. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite turbine libre (62) est équipée d'un arbre axial (63') assurant l'entraînement en rotation du rotor dudit générateur électrique de puissance (60).
- 9. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que 515 ledit récepteur (30) se situe en aval du générateur de gaz (14).
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