FR3099202A1 - Dispositif à répartition de puissance entre un démarreur électrique et une machine électrique vers un arbre d’une turbomachine - Google Patents

Dispositif à répartition de puissance entre un démarreur électrique et une machine électrique vers un arbre d’une turbomachine Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un dispositif à répartition de puissance (40) entre un démarreur électrique (42) d’une turbomachine et une machine électrique (46) vers un arbre de la turbomachine, comportant : le démarreur électrique, la machine électrique (46), des moyens de commande de ladite machine électrique, un réducteur à train épicycloïdal (50) comprenant un premier élément destiné à être couplé à l’arbre, un deuxième élément couplé au démarreur électrique, un troisième élément destiné à être entrainé en rotation par la machine électrique, dans lequel les moyens de commande sont configurés pour entrainer en rotation le troisième desdits trois éléments de manière à obtenir deux paliers de rapports de réduction des vitesses entre le premier desdits trois éléments et le deuxième desdits trois éléments, et dans lequel les moyens de commande sont configurés pour piloter le couple du troisième desdits trois éléments en fonction d’un couple de sortie déterminé. Figure pour l'abrégé : Figure 6a

Description

DISPOSITIF À RÉPARTITION DE PUISSANCE ENTRE UN DÉMARREUR ÉLECTRIQUE ET UNE MACHINE ÉLECTRIQUE VERS UN ARBRE D’UNE TURBOMACHINE
Domaine technique de l'invention
L’invention se rapporte au domaine des turbomachines, et plus précisément à un dispositif à répartition de puissance entre un démarreur électrique et une machine électrique vers un arbre de la turbomachine. L’invention concerne également un procédé de régulation de la vitesse du démarreur électrique du dispositif à répartition de puissance.
Arrière-plan technique
Les turbomachines d’aéronef, et notamment les turboréacteurs, sont généralement équipés d’un démarreur (connu sous le nom de « starter » en terminologie anglaise).
Le démarreur peut être un démarreur hydraulique. Toutefois, à l’heure actuelle, le taux de panne des démarreurs hydrauliques est inférieur à 10-4. Ce taux de défaillance élevé est conditionné essentiellement par l’absence de robustesse du système de débrayage.
Le démarreur peut être un démarreur pneumatique. Un démarreur pneumatique permet de délivrer un couple important lors de la phase de démarrage au sol et lors de la phase d’assistance de la turbomachine en vol.
La figure 1 représente un démarreur pneumatique d’une turbomachine. Le démarreur pneumatique 10 est constitué d’une turbine 12 alimentée en air sous pression, représenté par la flèche A1, par un groupe auxiliaire de puissance (APU, de l’expression anglaise « Auxiliary Power Unit ») de la turbomachine, ou par un moteur, ou par un dispositif extérieur à l’aéronef. La turbine 12 éjecte l’air, représenté par la flèche A2, à la pression ambiante. Le démarreur pneumatique 10 comporte également un réducteur 14 permettant à l’arbre du démarreur de tourner à une vitesse inférieure à celle de la turbine 12, et un embrayage 16 permettant de désolidariser l’arbre 18 du démarreur du moteur au-delà d’un certain régime haute pression.
Le démarreur pneumatique 10 est relié à l’arbre haute pression 20 du moteur 26 par l’intermédiaire du boîtier de relais d’accessoires 22 (AGB, acronyme de l’expression anglaise « Accessory Gear Box »), et notamment par l’intermédiaire d’engrenages 24 du boîtier de relais d’accessoires 22, avec un rapport de réduction spécifique.
La caractéristique d’un démarreur pneumatique entre son couple et sa vitesse est une droite linéaire décroissante de faible pente, dont le couple à vitesse nulle peut atteindre une valeur importante.
Le couple du démarreur sert à vaincre la valeur globale des couples à l’arbre haute pression provenant à la fois de la turbomachine, noté Cmot, et de tous les accessoires entraînés au travers d’une transmission mécanique par la turbomachine, noté Caccess, pendant la phase de démarrage où seul le démarreur fournit le couple, et à partir de l’allumage moteur où le démarreur et le moteur fournissent tous deux un couple moteur.
La puissance apportée par le démarreur contribue à raccourcir le temps de démarrage, qui doit respecter un temps maximal spécifié par l’avionneur.
Ce couple démarreur, noté Cdém, permet de respecter un profil temporel de vitesse, notée N, avec une inertie globale, notée I, ramenée à l’axe de la turbomachine. La majorité des couples résistifs, tels que des couples de frottement ou des couples visqueux, sont évolutifs en fonction de la vitesse. De ce fait, il est important de maîtriser l’évolution de ces courbes résistives pour les cas de fonctionnement les plus critiques en température et en altitude.
La figure 2 représente un graphique illustrant la vitesse de l’arbre haute pression de la turbomachine, notée NHP, en fonction du temps, noté t. Sur ce graphique, la courbe m représente une courbe modèle, c’est-à-dire une courbe souhaitée pour la vitesse de l’arbre haute pression en fonction du temps ; et la courbe r représente une courbe réelle, également appelée une courbe d’essai, pour la vitesse de l’arbre haute pression en fonction du temps.
Les couples de la turbomachine sont liés par la relation suivante :
avec Cdém le couple du démarreur, Cmot le couple de la turbomachine, Caccess le couple des accessoires de la turbomachine, I l’inertie globale ramenée à l’axe de la turbomachine et dN/dt la dérivée de la vitesse de l’axe de la turbomachine.
La somme des couples Cmot et Caccess correspond au couple à vaincre à l’arbre haute pression.
Lorsque la turbine 12 est à l’arrêt, le couple moteur est purement résistif. À environ 20 % de la vitesse de l’arbre haute pression 20, la turbine 12 est allumée et en en fonctionnement. Sur la figure 2, la zone A correspond à la période de temps où seul le démarreur est en fonctionnement. Cette zone A s’étend entre une vitesse de l’arbre haute pression nulle à une vitesse d’allumage du moteur, notée N_allumage La turbomachine est autonome lorsque la valeur globale des couples Cmot et Caccess devient nulle et que l’accélération est uniquement produite par le couple du démarreur.
La zone B correspond à la période de temps où le démarreur et le moteur fonctionnent en même temps. Cette zone B s’étend entre la vitesse N_allumage et la vitesse du moteur en régime ralenti, notée N_ralenti. La figure 3 représente un graphique du couple sur l’arbre haute pression, noté CHP, en fonction de la vitesse de l’arbre haute pression, notée v, au cours d’un démarrage. Sur ce graphique, la courbe a représente le couple fourni par le moteur ; la courbe b représente le couple fourni par le démarreur ; et la courbe c représente le déséquilibre du couple, c’est-à-dire I*dN/dt. Sur ce graphique, le point P1 indique l’allumage du moteur, le point P2 indique l’autonomie de la turbomachine, le point P3 indique la coupure du démarreur et le point P4 indique le régime de ralenti du moteur.
Pour des démarrages à froid, au début de la phase de démarrage, la courbe a résistive atteint des valeurs élevées liées aux frottements visqueux, ce qui implique un besoin de couple de démarrage élevé à basse vitesse. Un démarreur pneumatique a une caractéristique qui permet d’atteindre des couples élevés à basse vitesse, mais une telle allure de caractéristique est préjudiciable en termes de masse pour un démarreur électrique.
Comme la masse d’un démarreur est proportionnelle au couple maximum, il serait intéressant aux bas régimes de la turbomachine d’entrainer le démarreur à une vitesse la plus élevée possible. Par contre, cette vitesse élevée aux bas régimes est limitée si on tient compte de la vitesse maximale que le démarreur peut accepter aux hauts régimes de la turbomachine. En effet, la plage de variation de vitesse de la turbomachine est trop étendue.
Il existe donc un besoin d’un dispositif permettant d’atteindre un rapport de réduction de vitesse variable élevé à basse vitesse et plus faible aux hauts régimes afin de ne pas dépasser la vitesse maximale du démarreur. Le dispositif propose donc un rapport différent à haute et basse vitesse sans aucune consommation supplémentaire de puissance. Au rendement près, la puissance d’entrée correspond à la puissance de sortie.
En outre, dans les turbomachines, le phénomène de « rotor incliné » (connu sous les termes « bowed rotor » en terminologie anglaise) peut apparaitre. Ce type de phénomène est lié au gradient thermique important présent après une extinction du moteur de la turbomachine au sol.
Les figures 10a et 10b illustrent le phénomène du rotor incliné. Ces figures représentent un moteur d’une turbomachine, comprenant une chambre de combustion 3, un corps basse pression ayant un compresseur basse pression 1 et une turbine basse pression 5, et un corps haute pression ayant un compresseur haute pression 2 et une turbine haute pression 4. Le compresseur haute pression 2 et la turbine haute pression 4 sont entrainés en rotation par un arbre haute pression 6, qui est maintenu en position par des paliers 7a, 7b agencés à chaque extrémité de ce dernier. Sur les figures 10a et 10b, le moteur de la turbomachine est à l’arrêt. La partie haute 8a du moteur est plus chaude que la partie basse 8b du moteur, ce qui amène l’arbre haute pression 6 à s’arquer du fait des différences de dilatation entre la partie haute 8a du moteur et la partie basse 8b du moteur. La figure 10b représente l’arbre haute pression 6 arqué entre les paliers 7a, 7b.
Les impacts du phénomène du rotor incliné sont néfastes pour la durée de vie du rotor de l’arbre haute pression. En effet, ce phénomène cause des frottements, des vibrations, et peut même cause un blocage de l’arbre haute pression.
Actuellement, ce phénomène impose des temps d’attente assez long entre deux redémarrages de turbomachine, ainsi que des procédures de ventilation sèche forcée.
Pour contrer ce type de phénomène, il a été proposé d’entraîner à très basse vitesse le rotor de l’arbre haute pression après l’arrêt du moteur de la turbomachine, pendant une durée pouvant être supérieure à 1 heure selon la température, de manière à répartir le gradient de température de façon homogène sur l’ensemble du rotor et ainsi éviter la problématique de déformation. Pour ce type de besoin, une régulation longue durée et basse vitesse doit être implémentée pour assurer la répartition homogène.
Toutefois, ceci ne peut être assuré au moyen d’un démarreur pneumatique qui assure sa mission sur une durée très limitée et sans contrôle de la vitesse.
Il est possible de remplacer le démarreur pneumatique par un démarreur électrique. En effet, la fonction d’entraînement peut être effectuée au moyen du démarreur électrique, qui est une machine électrique asservie en couple/vitesse.
Toutefois, un démarreur électrique est dimensionné pour fonctionner sur une période de temps très limitée et pour ne transmettre un couple élevé, dit couple d’arrachement, que sur un temps ponctuel. Le démarreur électrique n’est donc pas compatible avec des contraintes de longues durées, de couple élevé, et de basse vitesse imposées par la fonction contre le phénomène de rotor incliné.
Il existe donc un besoin d’une solution permettant de réduire le couple à transmettre au rotor de l’arbre haute pression via le démarreur électrique.
En outre, dans une turbomachine, il existe un besoin d’entraîner le rotor de l’arbre haute pression à une vitesse suffisamment élevée pour mettre sous pression le circuit hydraulique du système de régulation de la turbomachine, tout en contrant le couple induit par l’injection d’eau au sein du moteur. Cet aspect est plus connu sous le nom de « lavage du moteur ». Ceci est essentiel pour les aspects de durée de vie du moteur.
Il existe également un besoin de réaliser un entraînement à basse vitesse avec un couple élevé sur une longue durée, au moyen du démarreur électrique.
L’invention a pour objectif de proposer une solution permettant de répondre aux besoins énoncés ci-dessus et de remédier à au moins certains des inconvénients énoncés ci-dessus.
En particulier, la présente invention propose une solution sans puissance additionnelle intégrant une transmission à deux modes de fonctionnement afin d’obtenir un rapport de réduction entre la vitesse de la turbomachine et la vitesse d’entrée du démarreur totalement différent aux bas régimes (rapport de réduction élevé constant) et aux hauts régimes de la turbomachine (rapport de réduction plus faible constant ou variable décroissant). La puissance d’entrée de ce dispositif correspond à la puissance de sortie. Ce dispositif intègre un différentiel avec pour première entrée un démarreur électrique, pour deuxième entrée une machine électrique et pour sortie la turbomachine. Ce dispositif fonctionne dans un premier mode comme un réducteur à rapport de vitesse fixe avec sur une entrée le démarreur électrique et sur une sortie la turbomachine, la deuxième entrée étant bloquée. La puissance d’entrée du démarreur est entièrement transmise à l’arbre de la turbomachine. Dans un second mode, ce dispositif fonctionne comme un différentiel à répartition de puissance avec modulation de la vitesse du démarreur par le pilotage de la vitesse de la machine électrique. Lors de l’augmentation de la vitesse de la turbomachine, le rapport de vitesse entre le démarreur et la turbomachine est réduit en augmentant la vitesse de la machine électrique afin de limiter la vitesse maximale du démarreur électrique. Dans un différentiel, pour une vitesse de sortie de la turbomachine, la vitesse d’entrée du démarreur peut être contrôlée en modulant la vitesse de la machine électrique. Par contre, pour un couple de sortie de la turbomachine, le couple d’entrée du démarreur ne peut être contrôlé, car il existe une relation invariante entre les couples d’entrée et le couple de sortie de la machine électrique. Pour atteindre le couple de sortie au niveau de la turbomachine, la répartition de couple entre le démarreur et la machine électrique est donc définie par les lois invariantes du différentiel. Avec ces lois de couple et le pilotage de la vitesse du démarreur, la répartition de la puissance d’entrée entre le démarreur et la machine électrique est déterminée. La somme des puissances d’entrée sera restituée en puissance de sortie.
À cet effet, l’invention concerne un dispositif à répartition de puissance entre un démarreur électrique d’une turbomachine et une machine électrique vers un arbre de la turbomachine, comportant :
  • le démarreur électrique,
  • la machine électrique,
  • des moyens de commande en vitesse de ladite machine électrique,
  • un réducteur à train épicycloïdal comprenant trois éléments, un planétaire central, une couronne externe et un porte-satellites dont les satellites s’engrènent avec ledit planétaire et ladite couronne, lesdits trois éléments étant mobiles en rotation autour d’un axe du réducteur, un premier desdits trois éléments étant destiné à être couplé à l’arbre de la turbomachine, un deuxième desdits trois éléments étant couplé au démarreur électrique, un troisième desdits trois éléments étant destiné à être entrainé en rotation par la machine électrique
dans lequel les moyens de commande sont configurés pour entrainer en rotation le troisième desdits trois éléments de manière à obtenir deux paliers de rapports de réduction des vitesses entre le premier desdits trois éléments et le deuxième desdits trois éléments,
et dans lequel les moyens de commande sont configurés pour piloter le couple du troisième desdits trois éléments en fonction du couple de sortie déterminé.
Le couple du démarreur se déduit à partir du couple de sortie et de la loi invariante des couples du différentiel. Le couple de sortie déterminé est le couple de sortie à atteindre.
Grâce à ce dispositif le couple du démarreur est maintenu à une faible valeur à bas régime de la turbomachine tout en ne dépassant pas la vitesse maximale admissible du démarreur à hauts régimes de la turbomachine.
Ce dispositif ne requiert aucune puissance additionnelle, car la somme des puissances d’entrées est égale à la puissance de sortie.
La large plage de variation de couple et de vitesse imposée par le domaine de fonctionnement, et surtout les couples élevés à faible vitesse, conduisent à des démarreurs électriques de tailles significatives.
La taille d’une machine électrique est conditionnée principalement par le couple maximal, noté Cdmax, à délivrer. La réduction du couple maximal implique un rapport de réduction élevé entre l’arbre de sortie de la turbomachine et le démarreur électrique. Comme la coupure du démarreur électrique ne s’effectue en général qu’à environ 50 % de la vitesse maximale de la turbomachine, soit environ 10000 tours/min, un rapport de réduction élevé se traduit par une vitesse maximale du démarreur électrique supérieure aux limites technologiques. Il est donc important de conserver ce rapport de couple aux basses vitesses et d’atteindre un rapport de vitesse plus faible aux hauts régimes pour réduire la vitesse maximale du démarreur.
Avec cette contrainte de vitesse maximale du démarreur électrique et une masse, notée M, contrainte par le volume disponible, le couple maximal, noté Cmax, du boîtier de relais d’accessoires délivré ne dépasse pas un certain seuil.
Avantageusement, le dispositif selon l’invention permet de régler deux rapports de réduction entre la vitesse du démarreur électrique et la vitesse au niveau de la turbomachine. Ainsi, un rapport élevé à bas régime et un rapport faible à haut régime peut être atteint, en ne dépassant pas une puissance électrique d’entrée donnée.
Selon l’invention, le réducteur accouple le démarreur électrique à l’arbre de sortie de la turbomachine. Le réducteur à deux entrées est également accouplé à la machine électrique. La puissance d’entrée constante est répartie entre le démarreur électrique et la machine électrique en fonction des points de vol afin de développer un profil de couple au niveau de l’arbre de la turbomachine plus important aux bas régimes. Une augmentation du couple à bas régime permet de garantir un potentiel d’accélération à l’allumage et de conserver cette accélération le plus longtemps possible.
Avantageusement, selon l’invention, il n’y a pas besoin de système de désaccouplement, de système d’embrayage ou de frein, contrairement à l’art antérieur. L’augmentation du couple de l’ordre de 40 % à bas régime est obtenue sans augmentation de la masse du démarreur électrique, et sans prélèvement supplémentaire de la puissance électrique d’entrée.
Selon l’invention, la machine électrique ajoutée par rapport aux dispositifs selon l’art antérieur est de taille réduite, du fait de sa faible puissance électrique de l’ordre de 15 % de la puissance globale de la turbomachine.
Le réducteur à train épicycloïdal selon l’invention comporte deux entrées et une sortie. Ce réducteur permet de combiner les puissances des deux entrées et de transmettre ces puissances à la sortie. Ce réducteur permet également d’augmenter le couple et de faire varier la vitesse de la sortie.
La répartition de la puissance d’entrée constante entre les deux entrées du réducteur à train épicycloïdal permet de régler deux rapports de réduction de vitesse entre le démarreur électrique et l’arbre de la turbomachine d’une manière discontinue en maintenant le rapport de couple entre le démarreur électrique et l’arbre de la turbomachine.
Pour chaque point de fonctionnement, la variation du rapport de réduction de la vitesse est obtenue par deux modes de fonctionnement du différentiel : l’un fonctionnant comme un réducteur avec une couronne fixe sans entrainement de la machine électrique et l’autre avec un entrainement de la machine électrique. Dans ces deux modes de fonctionnement le pilotage de la vitesse de la machine électrique est requis, ainsi que le pilotage de son couple.
Il est important de noter qu’un différentiel permet de moduler la vitesse de sortie en fonction d’une vitesse d’entrée à partir du pilotage de la vitesse du troisième organe, soit de la machine électrique. Par contre, un différentiel ne permet pas de moduler le rapport de couple entre l’axe de sortie et l’axe d’entrée, qui est fixe quelle que soit la valeur de la vitesse pilotée par la machine électrique.
Dans le premier mode de fonctionnement, comme la couronne est fixe, le rapport de vitesse entre l’entrée et la sortie correspond au rapport de couple entre l’entrée et la sortie.
Dans le deuxième mode de fonctionnement, malgré un rapport fixe de couple entre l’entrée et la sortie, le rapport de vitesse entre l’entrée et la sortie est modulé par la vitesse de la machine électrique.
Pour atteindre le couple de sortie au niveau de la turbomachine, le pilotage du couple de la machine électrique est à assurer en fonction du rapport de couple de sortie.
Avec le pilotage de la vitesse du démarreur, la répartition de la puissance d’entrée entre le démarreur et la machine électrique est déterminée.
Ce réducteur peut être utilisé au sein d’une turbomachine ayant un moteur thermique et un moteur électrique, c’est-à-dire une turbomachine hybride.
Le dispositif à répartition de puissance selon l’invention permet également de résoudre les problématiques liées au phénomène de rotor incliné et de lavage du moteur, qui sont des limitations significatives au niveau turbomachine.
En effet, l’arbre haute pression de la turbomachine est entraîné en continu à basse vitesse, ce qui permet de garantir une exposition homogène au gradient thermique, et donc de contrer la tendance de l’arbre haute pression à s’arquer. Le dispositif à répartition de puissance selon l’invention permet ainsi de réduire le temps d’indisponibilité au sol de la turbomachine de l’aéronef.
De plus, l’entrainement continu à basse vitesse de l’arbre haute pression avec un couple élevé peut être effectué pendant une phase d’ingestion de l’eau lors d’une procédure de lavage du moteur. Le dispositif à répartition de puissance selon l’invention permet ainsi d’augmenter la durée de vie du moteur de la turbomachine.
En outre, un dispositif à répartition de puissance selon l’invention intègre un démarreur électrique, contrairement aux dispositifs selon l’art antérieur qui intègrent un démarreur pneumatique, ce qui permet d’améliorer la précision sur la régulation de la vitesse.
Avantageusement, le dispositif selon l’invention permet une réduction significative de la taille du démarreur électrique.
De plus, il est possible d’intégrer ce dispositif dans une architecture de démarreur-générateur avec différentiel et transfert de puissance électrique.
Il est également possible d’utiliser la machine électrique pour d’autres fonctionnalités lors de la phase de démarrage ou après la phase de démarrage.
En outre, ce dispositif permet de supprimer une vanne de démarrage et tout le circuit pneumatique qui alimente la turbine à air, présents dans les dispositifs selon l’art antérieur.
Le dispositif selon l’invention utilise avantageusement le réducteur à train épicycloïdal de la turbine à air du démarreur électrique selon l’art antérieur. Il n’y a donc pas d’ajout d’un différentiel dans le dispositif selon l’invention.
La machine électrique peut être un moteur électrique. Un moteur électrique est un dispositif configuré pour transformer une énergie électrique en énergie mécanique.
Le dispositif selon l’invention peut comprendre au moins un onduleur agencé en amont du démarreur électrique et de la machine électrique. Un onduleur est un dispositif configuré pour générer un courant alternatif à partir d'un courant continu.
Selon un premier mode de réalisation, le premier desdits trois éléments est le porte-satellites, le deuxième desdits trois éléments est le planétaire, et le troisième desdits trois éléments est la couronne.
Selon un deuxième mode de réalisation, le premier desdits trois éléments est le porte-satellites, le deuxième desdits trois éléments est la couronne, et le troisième desdits trois éléments est le planétaire.
L’invention concerne également une turbomachine d’aéronef comportant un arbre et un dispositif selon l’invention, et dans laquelle le premier desdits trois éléments est couplé à l’arbre.
L’arbre peut être un arbre haute pression.
L’invention concerne également un procédé de régulation de la vitesse d’une machine électrique d’un dispositif à répartition de puissance selon l’invention dans une turbomachine d’un aéronef, comprenant une étape de modification de la vitesse du troisième des trois éléments en pilotant la machine électrique au moyen des moyens de commande de manière à obtenir deux paliers de rapports de réduction des vitesses entre le premier desdits trois éléments et le deuxième desdits trois éléments, et une étape de pilotage du couple du troisième desdits trois éléments en fonction d’un couple de sortie déterminé.
Brève description des figures
La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d’un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 représente très schématiquement un démarreur pneumatique d’une turbomachine selon l’art antérieur ;
la figure 2 représente un graphique de la vitesse d’un arbre haute pression d’une turbomachine en fonction du temps pour une turbomachine selon l’art antérieur ;
la figure 3 représente un graphique des couples sur un arbre haute pression en fonction de la vitesse de rotation de l’arbre haute pression au cours d’un démarrage pour une turbomachine selon l’art antérieur ;
la figure 4 représente très schématiquement une partie d’une turbomachine comportant un dispositif à répartition de puissance selon l’invention ;
les figures 5a, 5b et 5c représentent des vues en éclaté et un schéma d’un réducteur à train épicycloïdal d’un dispositif à répartition de puissance selon l’invention ;
les figures 6a et 6b représentent très schématiquement un dispositif à répartition de puissance selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
la figure 7 représente très schématiquement un dispositif à répartition de puissance selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ;
la figure 8 représente un graphique des couples sur un arbre haute pression d’une turbomachine en fonction de la vitesse pour une turbomachine selon l’art antérieur ;
la figure 9 représente un graphique des couples sur un arbre haute pression d’une turbomachine en fonction de la vitesse pour une turbomachine selon l’invention ; et
les figures 10a et 10b représentent très schématiquement une turbomachine d’aéronef dans laquelle le phénomène de rotor incliné apparait.
Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différentes mises en œuvre ont les mêmes références dans les figures.
Description détaillée de l'invention
La figure 4 représente un dispositif une partie d’une turbomachine 30 comportant un dispositif à répartition de puissance 40.
La turbomachine 30 comporte un boîtier de relais d’accessoires 32 qui est configuré pour être entraîné par un axe moteur. Le boîtier de relais d’accessoires 32 peut comporter plusieurs trains d’engrenages reliés à des arbres de sortie pour entraîner divers équipements.
La turbomachine 30 comporte également un moteur 36 ayant un arbre haute pression 34.
Le dispositif à répartition de puissance 40 comporte un démarreur électrique 42. Un démarreur électrique est un dispositif destiné à aider au démarrage de la turbomachine. Le démarreur électrique permet de fournir de l’énergie électrique pour entraîner la turbomachine lors des phases de démarrage. Le fonctionnement d’un démarreur électrique est auto-entretenu, mais le démarreur électrique ne peut généralement se lancer lui-même, contrairement à un moteur électrique.
Le démarreur électrique 42 a une masse, notée M, et est caractérisé par un couple maximal, noté Cmax.
L’arbre 44 du démarreur électrique 42 est relié à l’arbre haute pression 34 du moteur 36 de la turbomachine 30 par l’intermédiaire du boîtier de relais d’accessoires 32, et notamment par l’intermédiaire d’engrenages 38 du boîtier de relais d’accessoires 32. Le démarreur électrique 42 comporte un embrayage 45 configuré pour désolidariser l’arbre 44 du démarreur du moteur 36 de la turbomachine 30 au-delà d’un certain régime haute pression.
Le boîtier de relais d’accessoires 32 fait généralement le lien entre l’axe moteur et le démarreur électrique 42, qui peut être utilisé pour entraîner la turbomachine lors des phases de démarrage ou générer un courant électrique lorsque la turbomachine est allumée.
La turbomachine 30 comporte également une machine électrique 46. La machine électrique 46 peut être un moteur électrique. Un moteur électrique est un dispositif permettant de transformer une énergie électrique en énergie mécanique. La machine électrique 46 peut être de faible puissance.
La puissance d’entrée, représentée par la flèche P, est répartie entre la machine électrique 46 et le démarreur 42.
La turbomachine 30 peut comporter au moins un élément d’électronique de puissance, par exemple un onduleur, agencé en amont du démarreur électrique 42 et de la machine électrique 46. Par exemple, sur la figure 4, un onduleur 48a reçoit une partie de la puissance d’entrée P et le transfert à la machine électrique 46, et un onduleur 48b reçoit l’autre partie de la puissance d’entrée P et la transfert au démarreur électrique 42.
La turbomachine 30 peut comporter une source électrique 60 configurée pour alimenter l’élément d’électronique de puissance, par exemple les onduleurs 48a, 48b, et donc la machine électrique 46 et le démarreur électrique 42. La source électrique 60 peut être le réseau de l’aéronef ou une batterie dédiée.
La turbomachine 30 comporte également des moyens de commande en vitesse de la machine électrique.
La turbomachine 30 comporte également un réducteur à train épicycloïdal 50. Les propriétés du réducteur à train épicycloïdal 50 sont utilisées pour adapter le couple entre le démarreur 42 et l’arbre haute pression 34.
Les figures 5a, 5b et 5c représentent un réducteur à train épicycloïdal 50.
Le réducteur à train épicycloïdal 50 comporte un planétaire central 52A, également appelé planétaire intérieur, agencé pour pouvoir tourner autour de l’axe du réducteur à une vitesse de rotation, notée ωA, et un porte-satellites 52U agencé pour pouvoir tourner autour de l’axe du réducteur à une vitesse de rotation, notée ωU.
Le réducteur à train épicycloïdal 50 comporte également des satellites 52S qui s’engrènent avec le planétaire central 52A et qui sont portés par un porte-satellites 52U.
Le réducteur à train épicycloïdal 50 comporte également une couronne 52B externe, également appelée planétaire extérieur, agencée pour pouvoir tourner autour de l’axe du réducteur à une vitesse de rotation, notée ωB, et avec laquelle les satellites 52S s’engrènent également.
Dans le réducteur à train épicycloïdal 50, les trois éléments, à savoir le planétaire central 52A, le porte-satellites 52U et la couronne 52B, sont mobiles en rotation autour de l’axe du réducteur. Par exemple, la couronne 52B est libre de tourner à l’intérieur d’un carter fixe 52C qui est configuré pour protéger le réducteur 50.
Le fonctionnement du réducteur à train épicycloïdal 50 est régi par la formule de Willis. Il s’agit d’un mécanisme à deux degrés de liberté, dans lequel la connaissance des vitesses de rotation de deux éléments parmi le planétaire central 52A, le porte-satellites 52U et la couronne 52B, permet le calcul de la vitesse de rotation du troisième élément.
La formule de Willis s’exprime par les équations suivantes :
avec ωA la vitesse de rotation du planétaire central 52A, ωU la vitesse de rotation du porte-satellites 52U, ωB la vitesse de rotation de la couronne 52B, et le facteur k, également appelé raison, une constante déterminée par la géométrie des engrenages.
Pour le réducteur de la figure 5, le facteur k respecte l’équation suivante :
avec p le nombre de contacts extérieurs avec les engrenages, ПiZile produit du nombre de dents des roues qui mènent, ПjZjle produit du nombre de dents des roues qui sont menées, Zile nombre de dents des roues qui mènent et Zjle nombre de dents des roues qui sont menée. Le facteur k est donc négatif avec un module inférieur à 1.
L’arbre haute pression 34 est couplé à l’un des trois éléments du réducteur 50, le démarreur 42 est couplé à un deuxième élément du réducteur 50, et la machine électrique 46 est couplée au troisième élément du réducteur 50 pour piloter la vitesse de rotation de ce dernier.
Le boîtier de relais d’accessoires 12 peut être couplé au premier des trois éléments du réducteur 50, le boîtier de relais d’accessoires 12 étant relié à l’arbre haute pression 34.
Afin d’obtenir une variation de la vitesse de rotation du rapport de réduction du couple entre le démarreur et l’arbre haute pression, pour une puissance d’entrée constante entre le démarreur et la machine électrique, il est possible de faire varier la vitesse de rotation du troisième élément du réducteur 50.
Selon l’invention, les moyens de commande sont configurés pour entrainer en rotation le troisième desdits trois éléments de manière à modifier le rapport de réduction en vitesse entre le premier desdits trois éléments et le deuxième desdits trois éléments, c’est-à-dire à obtenir deux paliers de rapport de réduction des vitesses entre le premier desdits trois éléments et le deuxième desdits trois éléments.
Autrement dit, les moyens de commande sont configurés pour piloter la machine électrique 46 de manière à obtenir deux paliers de rapport de réduction des vitesses entre le démarreur 42 et l’arbre haute pression 34.
Par exemple, les moyens de commande peuvent être configurés pour piloter la machine électrique 46 de manière à obtenir deux paliers de rapport de réduction des vitesses entre le démarreur 42 et le boîtier de relais d’accessoires 12, ce dernier étant relié à l’arbre haute pression 34.
Six combinaisons cinématiques sont possibles pour positionner les trois équipements, à savoir l’arbre haute pression 34, la machine électrique 46 et le démarreur 42, par rapport aux trois éléments du réducteur à train épicycloïdal 50.
Les combinaisons sont répertoriées dans le tableau ci-dessous. Ce tableau indique également la raison k du train en fonction des vitesses de rotation ωA, ωB, ωU des éléments correspondants du réducteur à train épicycloïdal 50 dans la configuration.
Les couples délivrés par l’arbre haute pression 34, la machine électrique 46 et le démarreur 42 sont reliés par une expression d’équilibre du train.
En particulier, une étude du réducteur 50 permet d’obtenir la relation d’équilibre du train et la relation d’équilibre de puissance suivantes :
avec CA le couple s’exerçant sur le planétaire 52A, CB le couple s’exerçant sur la couronne 52B, CU le couple s’exerçant sur le porte-satellites 52U, ωA la vitesse de rotation du planétaire central 52A, ωB la vitesse de rotation de la couronne 52B et ωU la vitesse de rotation du porte-satellites 52U.
Les figures 6a et 6b illustrent la configuration 3A dans laquelle l’arbre haute pression 34, et donc le boîtier de relais d’accessoires 32, est relié au porte-satellites 52U, le démarreur électrique 42 est relié au planétaire 52A, et la machine électrique 46 est reliée à la couronne 52B.
La figure 7 illustre la configuration 2B dans laquelle l’arbre haute pression 34 est relié au porte-satellites 52U, le démarreur électrique 42 est relié à la couronne 52B, et la machine électrique est reliée au planétaire 52A.
La configuration 3A permet de minimiser le couple maximal de la machine électrique 46, mais nécessite un fonctionnement de la machine électrique 46 à une vitesse maximale plus importante qu’avec la configuration 2B.
Selon l’art antérieur, c’est-à-dire sans dispositif à répartition de puissance, avec un rapport de réduction K, par exemple égal à 2,8, entre le démarreur et l’arbre haute pression de la turbomachine, un démarreur de masse M et de couple Cdmax avec une puissance d’entrée, notée Pmax, est capable de développer au niveau de l’arbre haute pression de la turbomachine un couple maximal, noté Co, égal à Cdmax * K, avec le profil de couple en fonction de la vitesse illustré par la figure 8.
La figure 8 représente un graphique des couples sur un arbre haute pression, noté CHP, d’une turbomachine en fonction de la vitesse de l’arbre haute pression, notée v. Sur ce graphique, les courbes a et e représentent le couple résistif, c’est-à-dire la somme des couples Cmot et Caccess, respectivement à température ambiante, par exemple à 20 °C, et à basse température, par exemple à -40 °C ; la courbe c représente le couple inertiel, c’est-à-dire le déséquilibre du couple ; les courbes b et d représentent le couple à fournir par le démarreur, respectivement à température ambiante et à basse température. Sur ce graphique, le point P1 indique l’allumage du moteur, le point P2 indique l’autonomie de la turbomachine, le point P3 indique la coupure du démarreur et le point P4 indique le régime de ralenti du moteur. Sur la figure 8, la zone A correspond à la période de temps où seul le démarreur est en fonctionnement ; et la zone B correspond à la période de temps où le démarreur et le moteur fonctionnent en même temps.
Avec ce profil, la puissance d’entrée, représentée par la courbe b, est croissante et devient constante à partir de l’allumage, c’est-à-dire après le point P1. Ce profil correspond aux besoins de la turbomachine à température ambiante. Le profil de couple à basse température, représenté par la courbe d, nécessite au début du démarrage un couple maximal plus élevé valant Cdmax * K * 1,45 jusqu’à environ 10 % de la vitesse maximale de la turbomachine.
Avec le dispositif à répartition de puissance selon l’invention, pour chaque vitesse de l’arbre de sortie de la turbomachine, la puissance électrique est répartie entre le démarreur électrique et la machine électrique afin de développer le couple maximal au niveau de l’axe de la turbomachine.
La figure 8 représente un graphique du couple sur l’arbre haute pression, noté CHP, de la turbomachine en fonction de la vitesse de l’arbre haute pression, notée v. Sur ce graphique, la courbe d représente le couple à fournir par le démarreur à basse température ; la courbe f représente la puissance du moteur ; la courbe g représente la puissance du démarreur ; la courbe h représente la courbe de puissance résultante ; la courbe i représente la courbe du couple résultant ; et les lignes j1 et j2 représentent le rapport de réduction K entre l’arbre haute pression et le démarreur. Sur la figure 9, la zone C correspond à une phase où le démarreur est actif et où le moteur est passif avec une puissance égale à 0 kW. La zone D correspond à une phase où le démarreur est actif avec une puissance inférieure à 62 kW et où le moteur est actif avec une puissance inférieure à 10 kW. La zone E correspond à une phase où le démarreur est actif avec une puissance inférieure à 50 kW et où le moteur est actif avec une puissance inférieure à 15 kW à 20 kW. Sur ce graphique la puissance maximale Pmax est égale à 72 kW.
Le rapport de couple passe d’une valeur K1 égale à 2,8 (ligne j1) à haute vitesse à une valeur K2 égale à 4 (ligne j2) à basse vitesse à partir de l’allumage, soit à 20 % de la vitesse maximale de la turbomachine.
Cette augmentation du rapport de couple K2 / K1 de 1,4 en bas régime permet d’atteindre le couple maximal requis à basse température en début de démarrage. Ce couple maximal peut être maintenu jusqu’à environ 15 % de la vitesse maximale de la turbomachine. La puissance maximale est donc prélevée à partir de 15 % de la vitesse maximale de la turbomachine. Cette puissance maximale est ensuite répartie entre le démarreur et la machine électrique depuis cette vitesse de 15 % jusqu’à 100 % de la vitesse de la turbomachine afin de maintenir le rapport de réduction K1 pour ne pas dépasser la vitesse maximale du démarreur.
Sur la figure 9, il y a une phase au rapport K2 avec une puissance électrique nulle vers la machine électrique à vitesse nulle et une puissance électrique alimentant le démarreur ; et une phase au rapport K1 avec une puissance maximale répartie entre le démarreur et la machine électrique.
Pour le dispositif de la figure 6, à 10 % de la vitesse, soit à 2000 tours/min, avec un couple de 248 Nm, la puissance d’entrée est de 52 kW. Le rapport de réduction K2 est égal à 4.
La puissance reçue par la machine électrique 46 est de 0 kW. Le couple transmis par la machine électrique 46 est de 27 Nm, et sa vitesse de rotation est donc de 0 tour/min.
La puissance transmise par la couronne 52B est de 0 kW. Le rapport de réduction KB de la couronne 52B est égal à 7. Le couple transmis par la couronne 52B est de 187 Nm, et sa vitesse de rotation est donc de 0 tour/min.
La puissance reçue par le démarreur électrique 42 est de 52 kW. Le couple transmis par le démarreur électrique 42 est de 62 Nm, et sa vitesse de rotation est de 8000 tours/min.
La puissance transmise à l’arbre haute pression 34 est de 52 kW. Le couple transmis à l’arbre haute pression 34 est de 248 Nm, et sa vitesse de rotation est de 2000 tours/min.
Pour le dispositif de la figure 6, à 35 % de la vitesse, soit à 7000 tours/min, avec un couple de 98 Nm, la puissance d’entrée est de 72 kW. Le rapport de réduction K2 est égal à 2,8.
La puissance reçue par la machine électrique 46 est de 8 kW. Le couple transmis par la machine électrique 46 est de 10 Nm, et sa vitesse de rotation est de 7000 tours/min.
La puissance transmise par la couronne 52B est de 8 kW. Le rapport de réduction KB de la couronne 52B est égal à 7. Le couple transmis par la couronne 52B est de 74 Nm, et sa vitesse de rotation est de 1000 tours/min.
La puissance reçue par le démarreur électrique 42 est de 64 kW. Le couple transmis par le démarreur électrique 42 est de 24 Nm, et sa vitesse de rotation est de 25000 tours/min.
La puissance transmise à l’arbre haute pression 34 est de 72 kW. Le couple transmis à l’arbre haute pression 34 est de 98 Nm, et sa vitesse de rotation est de 7000 tours/min.
Pour le dispositif de la figure 7, à 10 % de la vitesse, soit à 2000 tours/min, avec un couple de 241 Nm, la puissance d’entrée est de 50 kW. Le rapport de réduction K1 est égal à 2,2 et le rapport de réduction K2 est égal à 2,8.
La puissance reçue par la machine électrique 46 est de 0 kW. Le couple transmis par la machine électrique 46 est de 31 Nm, et sa vitesse de rotation est donc de 0 tour/min.
La puissance transmise par le planétaire 52A est de 0 kW. Le couple transmis par le planétaire 52A est de 68 Nm, et sa vitesse de rotation est donc de 0 tour/min.
La puissance reçue par le démarreur électrique 42 est de 50 kW. Le couple transmis par le démarreur électrique 42 est de 62 Nm, et sa vitesse de rotation est de 7753 tours/min.
La puissance transmise par la couronne 52B est de 50 kW. Le couple transmis par la couronne 52B est de 173 Nm, et sa vitesse de rotation est de 2770 tour/min.
La puissance transmise à l’arbre haute pression 34 est de 50 kW. Le couple transmis à l’arbre haute pression 34 est de 241 Nm, et sa vitesse de rotation est de 2000 tours/min.
L’invention concerne également un procédé de régulation de la vitesse d’une machine électrique 46 d’une turbomachine 30 telle que décrite précédemment.
Le procédé comprend une étape de modification de la vitesse du troisième des trois éléments en pilotant la machine électrique 46 au moyen des moyens de commande de manière à moduler le rapport de réduction de la vitesse entre le premier desdits trois éléments et le deuxième desdits trois éléments d’une manière discontinue. Plus précisément, le procédé comprend une étape de modification de la vitesse du troisième des trois éléments en pilotant la machine électrique 46 au moyen des moyens de commande de manière à obtenir deux paliers de rapports de réduction des vitesses entre le premier desdits trois éléments et le deuxième desdits trois éléments.
En particulier, la vitesse de la machine électrique 46 est adaptée pour que le rapport de réduction de vitesse entre le démarreur 42 et l’arbre haute pression 34 varie d’une manière discontinue. De préférence, la vitesse de la machine électrique 46 est adaptée pour que le rapport de réduction de vitesse entre le démarreur 42 et l’arbre haute pression 34 soit élevé à bas régime et soit faible à haut régime de la turbomachine 30.
Le procédé comprend une étape de pilotage du couple du troisième desdits trois éléments en fonction d’un couple de sortie déterminé, c’est-à-dire du couple de sortie à atteindre.

Claims (7)

  1. Dispositif à répartition de puissance (40) entre un démarreur électrique (42) d’une turbomachine et une machine électrique (46) vers un arbre (34) de la turbomachine (30), comportant :
    • le démarreur électrique (42),
    • la machine électrique (46),
    • des moyens de commande en vitesse de ladite machine électrique (46),
    • un réducteur à train épicycloïdal (50) comprenant trois éléments, un planétaire (52A) central, une couronne (52B) externe et un porte-satellites (52U) dont les satellites (52S) s’engrènent avec ledit planétaire (52A) et ladite couronne (52B), lesdits trois éléments étant mobiles en rotation autour d’un axe du réducteur (50), un premier desdits trois éléments étant destiné à être couplé à l’arbre (34), un deuxième desdits trois éléments étant couplé au démarreur électrique (42), un troisième desdits trois éléments étant destiné à être entrainé en rotation par la machine électrique (46),
    dans lequel les moyens de commande sont configurés pour entrainer en rotation le troisième desdits trois éléments de manière à obtenir deux paliers de rapports de réduction des vitesses entre le premier desdits trois éléments et le deuxième desdits trois éléments,
    et dans lequel les moyens de commande sont configurés pour piloter le couple du troisième desdits trois éléments en fonction d’un couple de sortie déterminé.
  2. Dispositif à répartition de puissance (40) selon la revendication précédente, comprenant au moins un onduleur (48a, 48b) agencé en amont du démarreur électrique (42) et de la machine électrique (46).
  3. Dispositif à répartition de puissance (40) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier desdits trois éléments est le porte-satellites (52U), le deuxième desdits trois éléments est le planétaire (52A), et le troisième desdits trois éléments est la couronne (52B).
  4. Dispositif à répartition de puissance (40) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le premier desdits trois éléments est le porte-satellites (52U), le deuxième desdits trois éléments est la couronne (52B), et le troisième desdits trois éléments est le planétaire (52A).
  5. Turbomachine (30) d’aéronef comportant un arbre (34) et un dispositif à répartition de puissance (40) selon l’une des revendications précédentes, et dans laquelle le premier desdits trois éléments est couplé à l’arbre (34).
  6. Turbomachine (30) selon la revendication précédente, dans laquelle l’arbre (34) est un arbre haute pression.
  7. Procédé de régulation de la vitesse d’une machine électrique (46) d’un dispositif à répartition de puissance (40) selon l’une des revendications 1 à 4 dans une turbomachine (30) d’un aéronef, comprenant une étape de modification de la vitesse du troisième des trois éléments en pilotant la machine électrique (46) au moyen des moyens de commande de manière à obtenir deux paliers de rapports de réduction des vitesses entre le premier desdits trois éléments et le deuxième desdits trois éléments, et une étape de pilotage du couple du troisième desdits trois éléments en fonction d’un couple de sortie déterminé.
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