FR3062972A1 - Dispositif de generation d'energie electrique auxiliaire et turbomachine comportant un tel dispositif - Google Patents
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Abstract
Un dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire (20) destiné à être couplé à un arbre moteur (2) d'une turbomachine (1) dotée d'une veine primaire (11) et d'une veine secondaire (12), le dispositif (20) comprenant un arbre radial de transmission (23) apte à être couplé à l'arbre moteur (2) de ladite turbomachine (1), une boîte de transmission (24) mécaniquement couplée en entrée à l'arbre radial (23), un générateur électrique (21) entraîné par un arbre d'entraînement (25) mécaniquement couplé en sortie de la boîte de transmission (24). Le dispositif comprend un compresseur (22) configuré pour refroidir le générateur électrique (21) à l'aide d'un flux d'air de refroidissement en prélevant et compressant une portion du flux d'air circulant dans la veine secondaire (12) de ladite turbomachine (1) dans laquelle le dispositif (20) est destiné à être monté.
Description
® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication : 3 062 972 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)
©) N° d’enregistrement national : 17 51130
COURBEVOIE
©) IntCI8 : H 02 K 7/18 (2017.01), H 02 K9/12, B 64 D 41/00
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
| ©) Date de dépôt : 10.02.17. | © Demandeur(s) : SAFRAN AIRCRAFT ENGINES — |
| (30) Priorité : | FR. |
| ©) Inventeur(s) : SAUVE MICHAEL ALAIN ERIC et | |
| BOUTALEB MOHAMED-LAMINE. | |
| (43) Date de mise à la disposition du public de la | |
| demande : 17.08.18 Bulletin 18/33. | |
| (56) Liste des documents cités dans le rapport de | |
| recherche préliminaire : Se reporter à la fin du | |
| présent fascicule | |
| (© Références à d’autres documents nationaux | ©) Titulaire(s) : SAFRAN AIRCRAFT ENGINES. |
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| ©) Demande(s) d’extension : | @) Mandataire(s) : CABINET BEAU DE LOMENIE. |
DISPOSITIF DE GENERATION D'ENERGIE ELECTRIQUE AUXILIAIRE ET TURBOMACHINE COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF.
FR 3 062 972 - A1
167) Un dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire (20) destiné à être couplé à un arbre moteur (2) d'une turbomachine (1) dotée d'une veine primaire (11) et d'une veine secondaire (12), le dispositif (20) comprenant un arbre radial de transmission (23) apte à être couplé à l'arbre moteur (2) de ladite turbomachine (1), une boîte de transmission (24) mécaniquement couplée en entrée à l'arbre radial (23), un générateur électrique (21) entraîné par un arbre d'entraînement (25) mécaniquement couplé en sortie de la boîte de transmission (24).
Le dispositif comprend un compresseur (22) configuré pour refroidir le générateur électrique (21) à l'aide d'un flux d'air de refroidissement en prélevant et compressant une portion du flux d'air circulant dans la veine secondaire (12) de ladite turbomachine (1 ) dans laquelle le dispositif (20) est destiné à être monté.
Arrière-plan de l'invention
L'invention concerne la génération d'énergie électrique auxiliaire dans une turbomachine d'un aéronef, et plus particulièrement une turbomachine dans laquelle est monté un dispositif comportant un générateur électrique.
Le besoin en énergie électrique des avions est de plus en plus important, et les avionneurs exigent des performances moteur (fourniture électrique, puissance moteur, consommation ...) de plus en plus élevées.
Pour pouvoir assurer l'alimentation en électricité de l'avion, certains avions possèdent des moteurs sur lesquels ont été ajoutés un ou plusieurs générateurs. La puissance électrique générée par ces générateurs peut servir par exemple à dégivrer les ailes de l'avion.
L'intégration de ces générateurs sur le moteur doit être réalisée en minimisant les impacts sur les performances du moteur, c'est-à-dire de la turbomachine.
A ce jour, plusieurs technologies de génératrice ont été étudiées, cependant l'intégration d'un tel générateur électrique pose des problèmes de refroidissement. Les générateurs de nouvelle génération sont plus petits et génèrent plus de réjections thermiques, ce qui entraîne une augmentation du besoin en dissipation de puissance thermique.
Plusieurs solutions de refroidissement existent. On peut citer notamment le refroidissement à l'huile et le refroidissement à l'air qui sont les solutions les plus communément utilisées.
Le refroidissement à l'air n'est pas très efficace pour les parties chaudes qui se trouvent à l'intérieur du générateur. De plus, le prélèvement en air effectué dans le corps du moteur réduit les performances du moteur, d'autant plus que ce prélèvement n'est utilisé pour aucune autre fonction du moteur notamment propulsive.
Le refroidissement à l'huile est plus efficace et permet d'absorber la totalité de l'énergie rejetée par le générateur. Pour refroidir à l'huile, on peut soit avoir un système d'huile dédié au générateur, soit intégrer le générateur dans le système d'huile du moteur.
Dans le premier cas, le besoin en huile étant important, le réservoir d'huile est dimensionné en conséquence et il faut ajouter une pompe et un échangeur thermique. Le type d'échangeur thermique utilisé dans ce cas est un échangeur air/huile, également connu sous l'acronyme ACOC pour « Air Cooled Oïl Cooler » en anglais. Aux vues des températures élevées, l'échangeur thermique utilisé est volumineux, et son installation dans la veine secondaire de la turbomachine entraîne une perte de performance de la turbomachine.
Dans le deuxième cas où un seul circuit d'huile commun est utilisé à la fois pour le générateur et pour le moteur, le besoin en huile est le même que dans le premier cas. Il faut donc dimensionner le réservoir et la pompe du circuit commun en conséquence.
Mais le comportement hydraulique du générateur peut s'avérer être un problème pour la répartition des débits d'huile, ce qui rend cette solution compliquée à mettre en place. En effet, dans les phases de haut régime, certains générateurs se comportent comme des pompes centrifuges, et consomment le débit qui devait servir à refroidir les enceintes moteurs.
Il est connu un générateur électrique entraîné par un boîtier d'accessoires couplé à une turbine qui s'alimente en air via une vanne de type « bleed vane » en sortie du compresseur haute pression et qui permet un entraînement en sens inverse d'une seconde partie du générateur électrique qui est également couplé à l'arbre moteur de la turbomachine. L'air comprimé en sortie de la turbine alimente un système de conditionnement d'air de type ECS (« Environmental Control System » en anglais) et un dispositif de dégivrage,
Il est également connu une méthode de refroidissement d'un générateur électrique couplé à une turbine à air, le générateur étant utilisé pour le démarrage du moteur et éventuellement pour donner un surplus d'énergie au moteur. La turbine est alimentée en air par une vanne de prélèvement au niveau du compresseur haute pression du turbofan. Cet air est ensuite refroidi par un échangeur thermique situé dans une veine secondaire de la turbomachine avant de venir refroidir le générateur électrique.
Cependant dans ces deux solutions de l'art antérieur un prélèvement d'air est réalisé au niveau du compresseur haute pression, dans un cas pour fournir un couple mécanique au générateur et dans un autre cas pour refroidir le générateur. Ce prélèvement oblige non seulement l'utilisation d'un certain nombre de vannes mais également à l'utilisation d'au moins un échangeur thermique pour réduire la température de l'air prélevé avant de le délivrer au générateur pour refroidir ce dernier.
De plus, le prélèvement d'air en sortie du compresseur haute pression dégrade les performances du moteur et peut générer des risques de perte de marge au pompage, et de pompage, et exceptionnellement des pompages et dans les pires cas un arrêt moteur, suite à une défaillance du système de décharge dénommé BAS pour « Bleed Air System » en anglais.
Objet et résumé de l’invention
L'invention vise à fournir un dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire recevant une puissance suffisante pour générer du courant électrique, et dont un compresseur est alimenté en air en minimisant l'impact des prélèvements sur le moteur tout en conservant une solution Less Bleed, c'est-à-dire sans prélèvement d'air dans le compresseur haute pression, avec une architecture moteur conventionnelle.
Dans un premier objet de l'invention, il est proposé un dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire destiné à être couplé à un arbre moteur d'une turbomachine dotée d'une veine primaire et d'une veine secondaire, le dispositif comprenant un arbre radial de transmission apte à être couplé à l'arbre moteur de ladite turbomachine, une boîte de transmission mécaniquement couplée en entrée à l'arbre radial, un générateur électrique entraîné par un arbre d'entraînement mécaniquement couplé en sortie de la boîte de transmission. L'arbre radial de transmission est radial par rapport à l'axe moteur c'est-à-dire par rapport à l'axe de rotation de l'arbre moteur.
Selon une caractéristique générale de l'objet, le dispositif comprend un compresseur configuré pour refroidir le générateur électrique à l'aide d'un flux d'air de refroidissement compressé généré à partir d'une portion du flux d'air circulant dans la veine secondaire de ladite turbomachine dans laquelle le dispositif est destiné à être monté.
L'ajout du compresseur configuré pour refroidir le dit générateur, et par exemple fournir en outre de l'air réchauffé pour un dégivrage air supplémentaire et/ou l'air cabine, permet de s'affranchir d'un prélèvement d'air dans le compresseur haute pression d'un moteur conventionnelle. Cela permet ainsi de conserver une solution less bleed, c'est-à-dire sans prélèvement d'air.
Le flux d'air compressé délivré par le compresseur peut être soufflé sur le générateur lui-même ou sur un élément en échange thermique avec le générateur pour permettre le refroidissement de ce dernier d'une part mais également pour permettre d'utiliser le générateur comme source de chaleur pour la portion d'air du flux secondaire comprimée par le compresseur, c'est-à-dire pour le flux d'air compressé délivré par le compresseur. Il sera ainsi possible de refroidir une partie du générateur électrique et d'augmenter la température de la portion d'air du flux secondaire prélevée pour obtenir un flux d'air compressé présentant une température supérieure à la température du flux d'air secondaire.
Le dispositif permet en outre d'assurer un fonctionnement hybride du dégivrage en combinant un dégivrage électrique alimenté par le générateur électrique avec un dégivrage réalisé avec une partie du flux d'air compressé délivré par le dispositif après qu'il a été réchauffé par les réjections thermiques du générateur du dispositif, le flux d'air compressé ainsi réchauffé étant prélevé en aval du générateur et acheminé jusqu'à la partie à dégivrer.
Le dispositif permet encore de fournir de l'air réchauffé sous pression à la cabine de l'avion pour réaliser une pressurisation de celle-ci. Les systèmes connus de prélèvement d'air d'une turbomachine utilisent généralement un prélèvement d'air dans le compresseur haute pression, notamment pour l'air de conditionnement cabine, et peut provoquer des risques d'arrêt du moteur en vol, aussi connu sous l'appellation IFSD pour « In flight shut down » en anglais. Les risque d'IFSD sont liés à des pannes du système en aval du prélèvement (vannes etc) qui peuvent provoquer des pertes d'opérabilité moteur et de pompage allant jusqu'à l'IFSD.
Le dispositif proposé selon l'invention n'étant pas branché sur le compresseur haute pression et supprimant le prélèvement sur le compresseur haute pression, ne provoque pas de pompage et/ou d'IFSD en cas de défaillance ou de panne contrairement au système précédent.
L'ajout d'un compresseur en amont du générateur n'a pas d'impact négatif sur la fiabilité opérationnelle du moteur par rapport aux solutions de l'état de la technique. La fiabilité opérationnelle est représentée par l'indicateur qui est la probabilité d'occurrence d'un IFSD (indicateur de fiabilité utilisé par les compagnies).
Une éventuelle défaillance entraînerait uniquement un événement de type D&C (« Delay and Cancellation » en anglais - qui correspond à un retard ou une annulation d'un vol ). Un événement de type D&C est moins pénalisant qu'un événement de type IFSD puisque le problème peut être corrigé en effectuant une réparation sous aile, c'est-àdire sans avoir à démonter le moteur, ce qui permet de minimiser le temps d'immobilisation de l'aéronef et du moteur et sans impact sur la sécurité. En effet, dans le dispositif selon l'invention, l'ensemble des équipements (générateur électrique, compresseur, etc.) sont des équipements directement remplaçable sous aile et peuvent être des équipements dit LRU (Line replaceable Unit - remplaçable sous aile). Ainsi, une défaillance du système provoquera uniquement du D&C.
De plus, l'ajout d'un compresseur permet de s'affranchir d'un certain nombre de vannes par rapport à une architecture de prélèvement conventionnelle dans le compresseur haute pression. Ceci permet de réduire les risques de pompage pouvant conduire à un arrêt du moteur, suite à une défaillance du système BAS. S'affranchir d'un prélèvement dans le compresseur haute pression pour du dégivrage et de l'alimentation en air de la cabine permet de supprimer des problèmes d'opérabilité et de perte de poussée liés au pilotage des différentes vannes.
Ainsi le dispositif proposé dans le premier objet permet d'optimiser la disponibilité et la fiabilité globale du moteur tout en répondant au besoin de diminution des prélèvements d'air (Bleed Less) qui s'inscrit dans l'optique de respect des exigences de performances du moteur.
Selon un premier mode de réalisation du dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire, le dispositif peut comprendre en outre un circuit d'huile commun entre le compresseur et le générateur électrique pour la lubrification des roulements et le refroidissement du compresseur et du générateur, ledit circuit d'huile étant indépendant du circuit d'huile moteur de la turbomachine dans laquelle le dispositif est destiné à être monté.
Partager l'huile de refroidissement entre le générateur et le compresseur permet de gagner en volume d'échangeur thermique par rapport à une solution adoptant deux circuits d'huile distincts.
Le dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire présente ainsi un refroidissement « hybride » utilisant à la fois le flux d'air compressé délivré par le compresseur monté en amont du générateur par rapport au sens du flux d'air délivré par le compresseur et le circuit d'huile intégré au générateur électrique.
De plus, l'intégration d'un circuit d'huile au générateur permet de réduire le besoin de refroidissement de l'huile.
Par ailleurs, l'indépendance du circuit d'huile par rapport au circuit d'huile moteur de la turbomachine dans laquelle le dispositif est destiné à être monté permet de s'affranchir des contraintes de panne du dispositif qui pourrait avoir un impact important sur la fiabilité opérationnelle de la turbomachine si le circuit d'huile était partagé.
De plus, l'utilisation d'un circuit d'huile séparé du circuit d'huile utilisé pour le moteur de la turbomachine permet de s'affranchir du comportement hydraulique du générateur qui peut s'avérer être un problème pour la répartition des débits d'huile. En effet, les circuits d'huile découplés permettent de répondre aux problématiques de comportement hydraulique du générateur dues à un « effet pompe centrifuge » de ce dernier et de refroidissement par huile du générateur.
En outre, dans le dispositif ainsi proposé, c'est le compresseur du dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire qui refroidit l'huile du circuit d'huile du dispositif, et ainsi le générateur puisqu'une partie du circuit d'huile du dispositif est montée sur le générateur, grâce au flux d'air émis par le compresseur sur le réservoir d'huile du générateur électrique placé dans le flux du compresseur. Ainsi, le dispositif ne nécessite pas l'ajout d'un échangeur thermique ou un surdimensionnement de l'échangeur thermique du moteur.
En effet, l'utilisation d'un circuit d'huile commun entre le moteur de la turbomachine et le générateur électrique, utilisé pour le refroidissement, imposerait une contrainte supplémentaire sur le dimensionnement de l'échangeur thermique air/huile de la turbomachine, et présenterait donc un impact sur la masse et les performances du moteur.
L'utilisation de deux circuits d'huile distincts pour le moteur et pour le dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire permet d'améliorer la fiabilité opérationnelle et notamment les risques d'arrêt moteur (IFSD) qui pourraient être lié à une panne du générateur électrique, notamment en cas de perte d'huile.
De plus, dans le cas d'un circuit d'huile de refroidissement commun entre la turbomachine et le dispositif, le comportement hydraulique du générateur peut, dans certaines phases de vol, impacter le refroidissement des enceintes moteur, notamment entraîner une montée en température de ces enceintes qui générerait le déclenchement d'une alarme de température au pilote, l'obligeant à couper le moteur.
A cette contrainte s'ajoutent les risques de pollution du circuit d'huile moteur par des débris pouvant provenir du générateur, par exemple par usure des paliers du générateur, et qui peuvent venir colmater le filtre moteur et entraîner un arrêt moteur voir dans le cas d'un contournement du filtre, notamment au décollage, venir détériorer les paliers du moteur.
Dans ce premier mode de réalisation, le dispositif peut également comprendre un échangeur air/huile monté sur le circuit d'huile commun entre le compresseur et le générateur pour refroidir l'huile à partir de l'air délivré par le compresseur.
L'échangeur thermique utilise ainsi l'air comprimé par le compresseur pour refroidir l'huile pendant que l'huile réchauffe l'air comprimé.
Selon un deuxième mode de réalisation du dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire, le dispositif peut comprendre un réservoir d'huile monté sur le circuit d'huile commun au compresseur et au générateur, la circulation de l'huile étant assurée par le générateur agissant comme une pompe centrifuge.
L'huile froide alimente les roulements du compresseur et est pompée par l'effet de rotation du générateur électrique, le compresseur étant un compresseur offrant un fonctionnement centrifuge. L'huile pompée est aspirée axialement dans le générateur lorsque celui-ci a un fonctionnement avec un effet de pompe centrifuge, puis accélérée radialement, et enfin refoulée tangentiellement dans le réservoir d'huile dédié. Le réservoir est ensuite refroidi grâce à l'écoulement d'air fourni par le compresseur et circulant à proximité du réservoir.
Le générateur fonctionnant comme une pompe centrifuge, il est possible de ne pas mettre de pompe dans le système d'huile dédié, ce qui permet un gain de masse important.
En outre, selon les configurations du dispositif, le compresseur peut être disposé en amont du générateur, ou en amont du réservoir du circuit d'huile, ou en amont du générateur et du réservoir pour refroidir respectivement le générateur, ou le réservoir, ou encore à la fois le réservoir et le générateur.
Le réservoir et l'échangeur air/huile du circuit d'huile commun entre le compresseur et le générateur peuvent être confondus en un seul élément. Ainsi, le réservoir du générateur électrique fait office d'échangeur surfacique air/huile.
Dans ce deuxième mode de réalisation, le réservoir peut comprendre en outre des ailettes pour augmenter la surface de contact thermique.
Selon un troisième mode de réalisation du dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire, le dispositif peut comprendre un circuit d'huile de lubrification des roulements du compresseur et du générateur, ledit circuit d'huile étant configuré pour être couplé au circuit d'huile moteur de la turbomachine dans laquelle le dispositif est destiné à être monté, le refroidissement du générateur étant réalisé uniquement par le débit d'air fourni par le compresseur.
Cette alternative permet, d'une part, de diminuer le nombre de pompes nécessaires pour le circuit d'huile, et, d'autre part, de s'affranchir d'un échangeur, ce qui permet de réaliser des gains de masse et de performance du moteur.
Selon un quatrième mode de réalisation du dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire, la boîte de transmission peut être un boîtier d'accessoires, le compresseur étant entraîné par ledit boîtier d'accessoires via un arbre distinct de l'arbre d'entraînement couplé au générateur électrique.
Selon un cinquième mode de réalisation du dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire, l'arbre d'entraînement entraînant le générateur électrique peut également être mécaniquement couplé au compresseur.
Selon un sixième mode de réalisation du dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire, le compresseur peut être entraîné électriquement par le générateur électrique.
Selon un septième mode de réalisation du dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire, le compresseur peut être un compresseur du système de conditionnement de l'air de la turbomachine dans laquelle le dispositif est destiné à être monté.
Ainsi, outre le fait que l'objet de l'invention permet d'offrir un générateur d'énergie électrique auxiliaire répondant aux problématiques de refroidissement du générateur, il permet également d'ajouter au générateur une fonction relative au chauffage d'une portion d'air destinée à l'alimentation en air de la cabine, au conditionnement de l'air cabine de l'avion, et éventuellement au dégivrage hybride pour l'avion .
En effet, la fourniture de l'air cabine par l'ECS pour « Environmental Control System » en anglais, ou système de conditionnement d'air en français, est habituellement réalisée par un prélèvement dans le compresseur haute pression du moteur ce qui induit une perte de performance. En outre, ce prélèvement d'air chaud sous pression nécessite généralement d'être refroidi par un « Precooler », c'està-dire un échangeur thermique, pour correspondre aux spécifications avion.
En utilisant comme compresseur du dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire un compresseur du système de conditionnement de l'air de la turbomachine, en d'autres termes en plaçant le compresseur ECS dans le flux de la veine secondaire et en l'orientant pour délivrer de l'air comprimé sur le générateur chaud, il est possible d'utiliser les pertes énergétiques par effet Joule du générateur pour chauffer de l'air issu du flux secondaire et comprimé par le compresseur ECS, et utiliser cet air comprimé ainsi chauffé pour pressuriser et chauffer la cabine en l'utilisant comme flux d'air pour le système de conditionnement d'air de la cabine. Le système de conditionnement d'air est ainsi simplifié et allégé puisqu'il peut se passer de l'utilisation d'un échangeur thermique, « Precooler », thermique car la température d'air fourni par le compresseur du dispositif est nettement moins importante qu'en cas de prélèvement d'air dans le compresseur haute pression de la turbomachine. Ceci permet d'améliorer les performances du moteur liées au système de conditionnement d'air par rapport à l'état de la technique.
Selon un huitième mode de réalisation du dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire, le dispositif comprend en outre une manche disposée entre la veine secondaire et ledit compresseur pour prélever ladite portion d'air du flux secondaire dans la veine secondaire.
En utilisant une manche pour prélever la portion d'air dans le flux secondaire, on évite ainsi de placer le dispositif directement dans le flux secondaire. Ce positionnement hors veine secondaire du dispositif permet ainsi de réduire les pertes de charge.
En variante, le compresseur peut être monté directement dans la veine secondaire pour prélever directement la portion de flux d'air secondaire à compresser.
Dans un autre objet de l'invention, il est proposé une turbomachine comprenant une veine primaire apte à acheminer un flux d'air primaire, une veine secondaire apte à acheminer un flux d'air secondaire dont la température est inférieure à celle du flux d'air primaire, une soufflante et un arbre moteur mécaniquement raccordé aux éléments rotatifs de propulsion de la turbomachine, la turbomachine comprenant en outre un dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire tel que défini ci-dessus dont l'arbre radial est couplé à l'arbre moteur de la turbomachine et le compresseur du dispositif est monté en regard de la soufflante.
Dans encore un autre objet, il est proposé un aéronef comprenant au moins une turbomachine telle que définie ci-dessus.
Brève description des dessins.
L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d'une turbomachine dotée d'un dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire selon un mode de réalisation de l’invention,
- la figure 2 présente un schéma de principe du parcours du flux d'air utilisé par le dispositif de la figure 1 ;
- la figure 3 présente un schéma de principe du circuit d'huile du dispositif de la figure 1.
Description détaillée de modes de réalisation
Sur la figure 1 est présenté schématiquement une turbomachine 1, destinée à équiper un aéronef, dotée d'un dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire selon un mode de réalisation de l’invention.
La turbomachine 1 comprend un arbre moteur 2 sur lequel sont montés successivement une soufflante 3, un compresseur basse pression 4, un compresseur haute pression 5, une turbine haute pression 6 séparée du compresseur haute pression 6 par une chambre de combustion 7, puis une turbine basse pression 8.
La turbomachine 1 comprend également un carter interne 9 et un carter externe 10. Le carter interne 9 est disposé sur la périphérie du compresseur basse pression 4, du compresseur haute pression 5, de la chambre de combustion 7, de la turbine haute pression 6 et de la turbine haute pression 9. Le volume à l'intérieur du carter interne 9 définit une veine primaire 11. Le carter externe 10 est emmanché sur le carter interne 9 et possède des dimensions permettant d'incorporer à l'intérieur, au niveau de l'entrée du carter externe 10, la soufflante 2 et de définir une veine secondaire 12. La veine secondaire 12 est définie par le volume compris entre le carter interne 9 et le carter externe 10.
La turbomachine 1 comprend en outre un dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire 20 et un compartiment auxiliaire 30 dans lequel est logé le dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire 20.
La turbomachine 1 comprend un carter intermédiaire 31 emmanché autour du carter interne 9 entre le carter interne 9 et le carter externe 10. Le compartiment auxiliaire 30 est défini par l'espace s'étendant entre le carter intermédiaire 31 et le carter 9. Le compartiment auxiliaire 30 comprend une entrée d'air 32 ouverte sur la veine secondaire 12 en aval de la soufflante 2 pour prélever une portion d'air issue de la veine secondaire 12 et alimenter le dispositif 20 en air.
Le dispositif de génération d'énergie auxiliaire 20 comprend un générateur électrique 21 et un compresseur 22, dit compresseur ECS, destiné à délivrer un flux d'air compressé à un système de conditionnement de l'air cabine pour l'aéronef.
Le dispositif de génération d'énergie auxiliaire 20 comprend en outre un arbre radial de transmission 23 couplé à l'arbre moteur 2 de la turbomachine 1, une boîte de transmission 24 mécaniquement couplée en entrée à l'arbre radial 23 et couplée en sortie à un arbre d'entraînement
25. L'arbre d'entraînement 25 est configuré mécaniquement pour entraîner le générateur 21 et le compresseur ECS 22.
Le dispositif de génération d'énergie auxiliaire 20 est monté dans la veine secondaire 12 de la turbomachine 1, et plus particulièrement dans le compartiment auxiliaire 30, seul l'axe radial de transmission 23 traversant la veine primaire 11 pour permettre le couplage mécanique de la boîte de transmission 24 du dispositif de génération 20 avec l'arbre moteur 2 de la turbomachine 1. Ainsi, le compresseur ECS 22 prélève une portion du flux d'air secondaire délivré par la soufflante 3 dans la veine secondaire 12 pour le compresser et alimenter le générateur 21 avec un flux d'air compressé de refroidissement. La portion du flux d'air secondaire prélevée correspond à celle prélevée par le compartiment auxiliaire 30.
Le flux d'air ainsi compressé permet en effet de refroidir le générateur 21 lors de son fonctionnement. Réciproquement, le générateur 21 réchauffe le flux d'air compressé par le compresseur ECS 22. Le flux d'air compressé ainsi réchauffé par le générateur 21 est ensuite récupéré par le système de conditionnement d'air qui utilise ce flux d'air pour alimenter l'habitacle de l'aéronef avec de l'air réchauffé sans avoir recours à un échangeur de chaleur pour augmenter la température de l'air.
Le dispositif de génération d'énergie auxiliaire 20 permet ainsi de fournir une source électrique auxiliaire et d'optimiser la disponibilité et la fiabilité globale du moteur tout en répondant au besoin de diminution des prélèvements d'air (Bleed Less).
Sur la figure 2 est présenté un schéma de principe du parcours du flux d'air utilisé par le dispositif 20 de la figure 1.
Un flux d'air secondaire est délivré par la soufflante 3 dans la veine secondaire 12. Ce flux d'air secondaire présente une première température Ti qui peut être par exemple de l'ordre de 60°C. Une portion du flux d'air secondaire est alors prélevée dans la veine secondaire 12 par le compresseur ECS 22 en sortie de la soufflante 3. Le flux d'air compressé par le compresseur ECS 22 présente une deuxième température T2 supérieure à la première température Ti, l'élévation de température étant due à la compression mécanique du flux d'air par le compresseur 22. La deuxième température T2 peut par exemple être de l'ordre de 100°C.
Le flux d'air compressé délivré par le compresseur 22 est dirigé sur le générateur 21, d'une part, pour refroidir ce dernier, et, d'autre part, pour que le générateur 21 chauffe le flux d'air compressé. Ainsi, en aval du générateur 21 par rapport au sens de circulation du flux d'air compressé, le flux d'air compressé présente une troisième température T3 plus élevée encore que la deuxième température T2, par exemple de l'ordre de 140°C. Ce flux d'air compressé chauffé est alors dirigé vers le système de conditionnement de l'air dit système ECS pour être utilisé comme source d'air chaud pour l'habitacle de l'aéronef.
Comme cela est illustré sur la figure 1, le dispositif de génération d'énergie auxiliaire 20 comprend en outre un circuit d'huile 26 commun entre le compresseur 22 et le générateur électrique 21 pour la lubrification des roulements du compresseur et du générateur, et le refroidissement de ces deux éléments.
Le circuit d'huile 26 est configuré pour être indépendant du circuit d'huile moteur de la turbomachine 1. Le dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire 20 présente ainsi un refroidissement « hybride » utilisant à la fois le flux d'air compressé délivré par le compresseur 22 monté en amont du générateur par rapport au sens de circulation du flux d'air délivré par le compresseur 22 et le circuit d'huile 26 intégré au générateur électrique 21 et commun avec le compresseur
22.
En variante, le compresseur peut être monté en amont du réservoir du circuit d'huile, ou en amont du générateur et du réservoir.
Sur la figure 3 est présenté de façon plus détaillée le circuit d'huile 26 commun.
Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 3, le circuit d'huile 26 comprend un réservoir 27 et un échangeur thermique 28 montés sur le générateur électrique 21. Plus précisément, l'échangeur thermique 28 est disposé en regard du compresseur 22 et le réservoir d'huile 27 est monté directement en échange thermique avec l'échangeur thermique 28 en aval de celui-ci par rapport au flux d'air compressé, c'està-dire entre l'échangeur thermique 28 et le générateur 21.
L'échangeur thermique 28 utilise ainsi l'air comprimé par le compresseur 22 pour refroidir l'huile dans le réservoir 27, et, réciproquement, l'huile pour réchauffer l'air comprimé. De plus, l'huile réchauffe aussi l'air comprimé circulant autour du réservoir 27 et du circuit d'huile 26.
En outre, pour augmenter la surface de contact thermique, le réservoir comprend des ailettes disposés sur au moins une partie de sa surface extérieure.
L'huile froide alimente les roulements du compresseur et est pompée par l'effet de rotation du générateur électrique 21. L'huile pompée est aspirée axialement dans le générateur 21, puis accélérée radialement, et enfin refoulée tangentieliement dans le réservoir d'huile 27. Aucune pompe n'est donc requise pour générer le flux d'huile dans le circuit. Le réservoir 27 est ensuite refroidi, via l'échangeur thermique 28 notamment, grâce à l'écoulement d'air fourni par le compresseur 22.
Dans une variante non illustrée, pour diminuer le nombre de pompes nécessaires pour le circuit d'huile et s'affranchir d'un échangeur, et ainsi réaliser des gains de masse et de performance du moteur, le circuit d'huile 26 peut être configuré pour comprendre un couplage au circuit d'huile moteur de la turbomachine 1 dans laquelle le dispositif 20 est monté, le refroidissement du générateur étant réalisé uniquement par le débit d'air fourni par le compresseur.
L'invention permet ainsi de fournir un dispositif d'énergie électrique auxiliaire 20 intégrant un générateur électrique 21 couplé à un compresseur ECS 22 dans le cadre d'un moteur « Less bleed » et de répondre aux contraintes :
- de comportement centrifuge de certains générateurs électriques,
- de refroidissement du générateur électrique (masse, fiabilité),
- de répondre aux contraintes du Bleed Air System (température notamment), et
- de maximiser la disponibilité/fiabilité moteur.
En outre, le dispositif peut permettre d'assurer un fonctionnement hybride du dégivrage avion, notamment du moteur, en combinant un dégivrage électrique alimenté par le générateur électrique avec un dégivrage réalisé avec une partie de l'air comprimé par le compresseur du dispositif après qu'il a été réchauffé par les réjections thermiques du générateur du dispositif, le flux d'air réchauffé étant prélevé en aval du générateur et acheminé jusqu'à la partie à dégivrer.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire (20) destiné à être couplé à un arbre moteur (2) d'une turbomachine (1) dotée d'une veine primaire (11) et d'une veine secondaire (12), le dispositif (20) comprenant un arbre radial de transmission (23) apte à être couplé à l'arbre moteur (2) de ladite turbomachine (1), une boîte de transmission (24) mécaniquement couplée en entrée à l'arbre radial (23), un générateur électrique (21) entraîné par un arbre d'entraînement (25) mécaniquement couplé en sortie de la boîte de transmission (24), caractérisé en ce qu'il comprend un compresseur (22) configuré pour refroidir le générateur électrique (21) à l'aide d'un flux d'air de refroidissement compressé généré à partir d'une portion du flux d'air circulant dans la veine secondaire (12) de ladite turbomachine (1) dans laquelle le dispositif (20) est destiné à être monté.
- 2. Dispositif (20) selon la revendication 1, comprenant en outre un circuit d'huile (26) commun entre le compresseur (22) et le générateur électrique (21) pour la lubrification des roulements et le refroidissement du compresseur (22) et du générateur (21), ledit circuit d'huile (26) étant indépendant d'un circuit d'huile moteur de la turbomachine (1) dans laquelle le dispositif (20) est destiné à être monté.
- 3. Dispositif (20) selon la revendication 2, comprenant un échangeur air/huile (28) monté sur le circuit d'huile (26) commun pour refroidir l'huile à partir de l'air délivré par le compresseur (22).
- 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le réservoir comprend en outre des ailettes pour augmenter la surface de contact thermique.
- 5. Dispositif (20) selon l'une des revendications 2 à 4, comprenant un réservoir d'huile (27) monté sur le circuit d'huile (26) commun, la circulation de l'huile étant assurée par le générateur agissant comme une pompe centrifuge.
- 6. Dispositif (20) selon la revendication 1, comprenant un circuit d'huile de lubrification des roulements du compresseur (22) et du générateur (21), ledit circuit d'huile étant configuré pour être couplé au circuit d'huile moteur de la turbomachine (1) dans laquelle le dispositif (20) est destiné à être monté, le refroidissement du générateur (21) étant réalisé uniquement par le débit d'air fourni par le compresseur (22).
- 7. Dispositif (20) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la boîte de transmission est un boîtier d'accessoires, le compresseur (22) étant entraîné par ledit boîtier d'accessoires via un arbre distinct de l'arbre d'entraînement (25) couplé au générateur électrique (21).
- 8. Dispositif (20) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'arbre d'entraînement (25) entraînant le générateur électrique (21) est également mécaniquement couplé au compresseur (22).
- 9. Dispositif (20) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le compresseur (22) est entraîné électriquement par le générateur électrique (21).
- 10. Dispositif (20) selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le compresseur (22) est un compresseur du système de conditionnement de l'air de la turbomachine (1) dans laquelle le dispositif (20) est destiné à être monté.
- 11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, comprenant en outre une manche disposée entre la veine secondaire (12) et ledit compresseur (22) pour prélever ladite portion d'air du flux secondaire dans la veine secondaire (12).
- 12. Turbomachine (1) comprenant une veine primaire (11) apte à acheminer un flux d'air primaire, une veine secondaire (12) apte à acheminer un flux d'air secondaire dont la température (Ti) est inférieure à celle du flux d'air primaire, une soufflante (3) et un arbre moteur (2) mécaniquement raccordé à au moins une partie des éléments rotatifs de propulsion de la turbomachine (1), caractérisé en ce qu'elle comprend un dispositif de génération d'énergie électrique auxiliaire (20) selon l'une des revendications 1 à 10 dont l'arbre radial (23) est couplé à l'arbre moteur (2) de la turbomachine (1) et dont le compresseur (22) est monté en regard de la soufflante (3).
- 13. Aéronef comprenant au moins une turbomachine (1) selon la revendication 12.1/1
Flux secondaire 22 Flux compressé 21 Flux compressé chauffé Τι T2 T3
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- 2017-02-10 FR FR1751130A patent/FR3062972B1/fr active Active
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