FR2994707A1 - Turbomachine hybride a helices contrarotatives - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une turbomachine (1) d'aéronef à deux rangées d'aubes amont (3) et aval (4) contrarotatives destinées à être mises en rotation autour d'un axe longitudinal (X) de la turbomachine (1), la rangée d'aubes amont (3) étant apte à être entraînée en rotation par une turbine à gaz (5) de la turbomachine (1) via un arbre de transmission (6), la turbomachine (1) comportant en outre un générateur électrique (7), caractérisée en ce qu'elle comporte : - au moins un moteur électrique (8) adapté pour entraîner en rotation la rangée d'aubes aval (4), - des moyens de transfert de l'énergie électrique du générateur électrique (7) audit au moins un moteur électrique (8).

Description

TURBOMACHINE HYBRIDE A HELICES CONTRAROTATIVES DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION Le domaine technique de l'invention est celui des turbomachines d'aéronef, et plus particulièrement celui de la rotation des hélices des turbomachines à hélices contrarotatives. La présente invention concerne une turbomachine hybride à hélices contrarotatives.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION L'invention s'applique aux turbomachines pour aéronef à hélices contrarotatives, et en particulier aux turbomachines dites à « open rotor ».
Actuellement, une unique source d'énergie, la turbine à gaz de la turbomachine, entraîne en rotation les hélices contrarotatives, par l'intermédiaire d'arbres de transmission concentriques. Ce système de transmission est mécaniquement et cinématiquement complexe, notamment en ce qui concerne la lubrification des arbres concentriques, et l'indépendance des vitesses de rotation des hélices. En effet, la lubrification impose des contraintes d'étanchéité, et l'indépendance des vitesses de rotation des hélices, actuellement gérée par un boitier d'engrenage, est fortement limitée par les contraintes mécaniques. En pratique, la puissance est globalement répartie équitablement entre les hélices. Il est ainsi peu pratique d'adapter les vitesses de rotation aux phases de vol, par exemple pour moduler le régime de bruit émis. De plus, un tel système est lourd, s'use relativement rapidement, et est complexe à entretenir et réparer.
DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION L'objet de l'invention propose une turbomachine à double rangées d'aubes contrarotatives permettant de s'affranchir du système de transmission à arbres concentriques contrarotatifs et offrant une souplesse de gestion des vitesses de rotation des deux rangées d'aubes.
Selon un premier aspect, l'invention concerne essentiellement une turbomachine d'aéronef à deux rangées d'aubes amont et aval contrarotatives destinées à être mises en rotation autour d'un axe longitudinal de la turbomachine, la rangée d'aubes amont étant apte à être entraînée en rotation par une turbine à gaz de la turbomachine via un arbre de transmission, la turbomachine comportant : - un générateur électrique, - au moins un moteur électrique adapté pour entraîner en rotation la rangée d'aubes aval, - des moyens de transfert de l'énergie électrique du générateur électrique audit au moins un moteur électrique. Les termes « amont » et « aval » sont à considérer par rapport à une direction générale d'écoulement de fluides à travers la turbomachine, allant de l'amont vers l'aval.
Une turbomachine comporte classiquement un arbre perpendiculaire à l'arbre moteur qui utilise la puissance motrice pour faire tourner différent accessoires passés sur un support d'accessoire mais peut aussi plus récemment comporter un générateur électrique utilisé pour alimenter directement ces accessoires.
Selon l'invention, ledit générateur électrique est mis à contribution pour alimenter le moteur électrique de puissance, entraînant la rangée d'aubes aval, dite aussi deuxième rangée d'aube, en rotation. Ainsi, seule la rangée d'aubes amont, dite aussi première rangée d'aubes, est entraînée en rotation par la turbine via un arbre de transmission simple. Les problèmes liés à un système à arbres concentriques contrarotatifs (contrainte mécanique sur arbre de faible épaisseur, boîtier d'engrenage, lubrification, poids, difficultés d'entretien...) sont ainsi supprimés. Les rotations des deux rangées d'aubes étant gérées indépendamment l'une de l'autre, leurs vitesses sont totalement indépendantes. Ainsi, la rangée d'aubes aval peut n'être utilisée que lors de phases de vol nécessitant une forte puissance, et être inactive en phases de croisière. De plus, la vitesse de rotation de la rangée d'aubes aval est facile à gérer en fonction des phases de vol et de l'angle de calage des aubes. Outre les caractéristiques principales qui viennent d'être mentionnées dans le paragraphe précédent, la turbomachine selon l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon les combinaisons techniquement possibles. Selon un mode de réalisation préférentiel, le moteur électrique est un moteur grand diamètre situé au niveau de la rangée d'aubes aval. Les technologies actuelles de moteurs électriques à très grand rotor permettent en effet d'envisager un placement aisé tant en longueur qu'en diamètre dudit moteur. De plus, le grand diamètre du moteur électrique le place à proximité de la veine de flux secondaire froid, ce qui le maintient dans de bonnes conditions de température. On note que le moteur électrique peut utiliser l'arbre moteur comme axe de rotation, et que les bobines sont fixes par rapport au carter externe de la turbomachine. Selon un autre mode de réalisation, la turbomachine comporte une pluralité de moteurs électriques installés sur une couronne portant les aubes de la rangée d'aubes aval. La couronne est ainsi entraînée en rotation par cette pluralité de moteurs électriques déportés de l'axe moteur. On note que ces moteurs sont également à proximité de la veine secondaire de flux froid, ce qui les maintient dans de bonnes conditions de température.
Selon un mode de réalisation non limitatif, le moteur électrique est un moteur sans balais, dont la partie alimenté (bobinée) est fixe, radialement plus proche du centre que le rotor qui présente une forme de cloche. Le rotor est constitué du disque aubagé, équipé intérieurement d'aimants de forte puissance. Ces moteurs présentent de nombreux avantages, bien connus de l'homme du métier. Selon un mode de réalisation non limitatif, la turbomachine comporte un dispositif électrique de calage des aubes amont et aval, et des moyens de récupération de l'énergie électrique du moteur électrique pour alimenter ledit dispositif de calage. Ainsi, l'énergie électrique du générateur est mise à contribution à la fois pour mettre en rotation la rangée d'aubes aval, et pour alimenter le dispositif de calage. L'énergie électrique est donc avantageusement utilisée. De plus, l'énergie électrique nécessaire pour alimenter le dispositif de calage se trouve à proximité dudit dispositif, ce qui est avantageux en termes de transmission d'énergie. Selon un mode de réalisation non limitatif, le dispositif de calage évoqué dans le paragraphe précédent comporte une pluralité de deuxièmes moteurs électriques installés au pied de chaque aube, et aptes à modifier leurs angles de calage. Il y a possibilité d'un moteur ou deux et d'un système des cames de calage des aubes. Les cames ou autre mécanismes sont reliées par un anneau de commande. Selon un mode de réalisation non limitatif, le générateur est installé au niveau de l'extrémité aval de l'arbre de transmission. Ainsi, le générateur est en dehors de la zone lubrifiée de la turbomachine. Selon un mode de réalisation non limitatif, le générateur est installé sur l'arbre de transmission, au niveau de la rangée d'aubes aval. Le générateur est ainsi à proximité du ou des moteurs électriques. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un aéronef comportant une turbomachine telle que décrite précédemment.
BREVE DESCRIPTION DE LA FIGURE D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence à la figure annexée, qui illustre une représentation schématique d'une turbomachine d'aéronef hybride à double rangées d'aubes contrarotatives, selon un mode de réalisation non limitatif de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION La figure 1 représente schématiquement des éléments d'une turbomachine 1 selon un mode de réalisation non limitatif de l'invention. La turbomachine 1 s'étend le long d'un axe longitudinal X, appelé aussi axe moteur, et comporte : - un cône avant 2 de soufflante, - une rangée d'aubes amont 3, - une rangée d'aubes aval 4, - un ensemble 5 comportant un compresseur, une chambre de compression, et une turbine à gaz, - un arbre de transmission 6, - un générateur électrique 7, - un moteur électrique 8. La rangée d'aubes amont 3 et la rangée d'aubes aval 4 sont destinées à tourner de manière contrarotative. La rangée d'aubes amont 3 est apte à être entraînée en rotation par la turbine à gaz 5, par l'intermédiaire de l'arbre de transmission 6.
II s'agit d'un fonctionnement classique de turbomachine fonctionnant par réactions thermodynamiques. La rangée d'aubes aval 4 est apte à être entraînée en rotation par le moteur électrique 8. Ledit moteur électrique 8 est, dans le mode de réalisation décrit, installé au niveau de la rangée d'aubes aval 4. Le moteur électrique 8 est un moteur sans balai, aussi appelé « brushless », de grand diamètre : son diamètre est le plus grand possible, dans la limite imposée par la présence des aubes aval 4. Les technologies actuelles de moteurs électriques à très grand rotor permettent en effet d'envisager un placement aisé tant en longueur qu'en diamètre du moteur électrique 8. De plus, le grand diamètre du moteur électrique 8 le place à proximité de la veine de flux secondaire froid, ce qui le maintient dans de bonnes conditions de température. Les moteurs brushless 8 sont bien connus de l'homme du métier : ils comportent un stator 10 fixe qui porte des bobines entourant les pôles ferromagnétiques, et un rotor 11 mobile sur lequel des aimants permanents sont fixés. Les avantages des moteurs brushless sont nombreux. Pour commencer, tous les soucis liés aux frottements des charbons sur le collecteur disparaissent : plus de parasites, plus d'échauffement du collecteur et de pertes dues à l'étincelage, plus d'usure mécanique (si ce n'est celle des roulements). Le rendement est également bien supérieur à celui d'un moteur ferrite, de même que légèrement supérieur aux meilleurs moteurs samarium-cobalt et néodyme. Mais l'avantage majeur incontournable est l'énorme gain de masse. A puissance développée équivalente, un moteur brushless pèse deux à trois fois moins lourd qu'un moteur classique. Les moteurs brushless se déclinent en deux familles, les inrunners lorsque le rotor comportant les aimants au centre du moteur et les bobines fixes sont à la périphérie, et les outrunner comme dans la présente invention où le rotor mobile, en forme de cloche, est équipé d'aimants permanents. On comprend aisément que cette deuxième configuration est particulièrement propice à assurer la fonction de disque aubagé. Elle permet d'obtenir un diamètre effectif maximum.
Le générateur électrique 7, classiquement utilisé pour alimenter des accessoires de la turbomachine 1, est, selon l'invention, adapté pour fournir de l'énergie électrique au moteur électrique 8. Le générateur 7 est, dans le mode de réalisation décrit, installé au niveau de l'extrémité aval de l'arbre de transmission 6, près de la turbine 5. Ainsi, le générateur 7 est protégé car il est éloigné des circuits d'huile de lubrification ou de refroidissement de la turbomachine 1.
La turbomachine 1 selon l'invention est ainsi à motorisation hybride. La rangée d'aubes amont 3 et la rangée d'aubes aval 4 étant contrôlées en rotation de manière indépendante, il est possible de n'utiliser la rangée d'aubes aval 4 que lors de phases nécessitant une forte puissance, par exemple le décollage ou l'atterrissage. En phase de croisière, la rangée d'aubes amont 3 peut fonctionner seule, la rangée d'aubes aval 4 ne devenant génératrice qu'en complément et étant alors placée en position dite de « drapeau » avec un calage nul. Il est également possible de régler de manière souple et précise la vitesse de rotation de la rangée d'aubes aval 4, puisqu'elle est contrôlée électriquement.
La turbomachine 1 selon l'invention permet en outre de s'affranchir d'un système de transmission à deux arbres concentriques contrarotatifs, lourd et complexe à mettre en oeuvre et à entretenir. Elle permet également de s'affranchir d'un boîtier d'engrenage, puisqu'il n'y a plus besoin de ralentir la rangée d'aubes aval 3 par rapport à la rangée d'aubes amont 4, les deux rangées étant indépendantes. Dans un mode de réalisation, la turbomachine 1 comporte en outre un dispositif électrique 9 de calage des aubes amont et aval. Le dispositif de calage 9 des aubes permet de faire varier l'angle de pénétration de l'air sur celles-ci en fonction de la puissance disponible (régime moteur), et ainsi, à vitesse constante, la quantité d'air déplacée. Ledit dispositif 9 comporte une pluralité de deuxièmes petits moteurs électriques installés au pied de chaque aube, aptes à modifier les angles de calage des aubes. Le dispositif 9 est adapté pour contrôler de manière indépendante les calages des aubes amont 3 et les calages des aubes aval 4. On peut ainsi éventuellement replier les aubes aval 4 sans préjudice pour les aubes amont 3, en supposant que la turbomachine 1 comporte des aubes à repliement, ou les mettre en position dite de drapeau. La turbomachine 1 comporte également des moyens de récupération de l'énergie électrique du moteur électrique 8 pour alimenter le dispositif de calage 9. Ainsi, l'énergie électrique du générateur 7 est mise à contribution à la fois pour mettre en rotation la rangée d'aubes aval 4, et pour alimenter le dispositif de calage 9. De plus, l'énergie électrique nécessaire pour alimenter le dispositif de calage 9 est prélevée à proximité dudit dispositif 9, ce qui simplifie les transmissions d'énergie.
Un autre avantage à disposer d'une motorisation électrique de puissance indépendante pour la turbomachine, est la possibilité pour l'avion de se déplacer, avant ou après atterrissage, en n'utilisant que l'énergie électrique de la seconde rangée d'aubes.
Dans un autre mode de réalisation non représenté, la turbomachine 1 ne comporte non pas un unique moteur électrique 8 de grand diamètre, mais plusieurs petits moteurs électriques disposés sur une couronne portant les aubes de la rangée d'aubes aval 4. La couronne est ainsi entraînée en rotation par cette pluralité de moteurs électriques déportés de l'axe moteur, qui sont donc faciles d'accès. On note que ces moteurs sont également à proximité de la veine secondaire de flux froid, ce qui les maintient dans de bonnes conditions de température. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le générateur 7 est installé sur l'arbre de transmission 6, légèrement en aval de la rangée d'aubes aval 4. Le générateur 7 est ainsi à proximité du moteur électrique de grand diamètre 8 ou de la pluralité de petits moteurs électriques tels que suggérés dans le paragraphe précédent.
On note que chacune des deux positions possibles du générateur 7 peut être combinée avec chacune des deux positions possibles du ou des moteurs électriques 8, selon les avantages recherchés.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS1 - Turbomachine (1) d'aéronef à deux rangées d'aubes amont (3) et aval (4) contrarotatives destinées à être mises en rotation autour d'un axe longitudinal (X) de la turbomachine (1), la rangée d'aubes amont (3) étant apte à être entraînée en rotation par une turbine à gaz (5) de la turbomachine (1) via un arbre de transmission (6), la turbomachine (1) comportant en outre un générateur électrique (7), caractérisé en ce qu'elle comporte : - au moins un moteur électrique (8) adapté pour entraîner en rotation la rangée d'aubes aval (4), - des moyens de transfert de l'énergie électrique du générateur électrique (7) audit au moins un moteur électrique (8).
  2. 2 - Turbomachine (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le moteur électrique (8) est un moteur grand diamètre situé sur l'arbre moteur utiliser comme support de rotation (6) au niveau de la rangée d'aubes aval (4).
  3. 3 - Turbomachine (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle comporte une pluralité de moteurs électriques installés sur une couronne portant les aubes de la rangée d'aubes aval (4).
  4. 4 - Turbomachine (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur électrique (8) est un moteur sans balais, dit « brushless », dont les pôles bobinés sont fixes au centre et le rotor en forme de cloche est situé à l'extérieur sous les pieds de pale.
  5. 5 - Turbomachine (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif électrique de calage (9) des aubes amont (3) et aval (4), et des moyens de récupération de l'énergie électrique du moteur électrique (8) pour alimenter ledit dispositif de calage (9).
  6. 6 - Turbomachine (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif de calage (9) comporte une pluralité de deuxièmes moteurs électriques installés au pied de chaque aube (3, 4), et aptes à modifier leurs angles de calage.
  7. 7 - Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le générateur électrique (7) est installé sur l'arbre de transmission (6), au niveau de la turbine à gaz (7).
  8. 8 - Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le générateur électrique (7) est installé sur l'arbre de transmission (6), légèrement en aval de la rangée d'aubes aval (4).
  9. 9 - Aéronef comportant une turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
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