FR3102509A1 - Turbomachine munie d’une pompe électromagnétique à flux magnétique radial - Google Patents

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Abstract

Turbomachine munie d’une pompe électromagnétique à flux magnétique radial Une turbomachine comprend un corps rotatif comprenant un arbre moteur délivrant une puissance mécanique. La turbomachine comprend moins une pompe électromagnétique (100) découplée mécaniquement de l’arbre moteur. La pompe électromagnétique (100) comprend au moins un stator (100) délimitant un volume interne annulaire dans lequel est présent un rotor (120) apte à entraîner un fluide, une pluralité d’aimants (130) répartis de manière annulaire sur le rotor et au moins une pluralité de bobines (140) réparties de manière annulaire à l’intérieur du stator. Les bobines de la pluralité de bobines (140) sont en vis-à-vis des aimants de la pluralité d’aimants (130) suivant une direction radiale (DR). Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Turbomachine munie d’une pompe électromagnétique à flux magnétique radial
La présente invention concerne le domaine des turbomachines du type comprenant un corps rotatif comprenant un arbre moteur délivrant une puissance mécanique.
L'invention s'applique à tout type de turbomachines, en particulier celles utilisées dans les aéronefs comme les turboréacteurs, turbopropulseurs, et turbomachines à soufflantes non carénées, aussi connues sous le vocable anglo-saxon de « Open Rotor ».
Une turbomachine conventionnelle comporte de manière connue un ou plusieurs corps rotatifs. Chaque corps rotatif comprend un compresseur, une turbine et un arbre moteur reliant la turbine au compresseur pour entraîner le compresseur en rotation. Une partie de la puissance générée par la turbomachine est utilisée pour entraîner différents accessoires (ou machines auxiliaires), nécessaires au fonctionnement du turboréacteur ou de l'aéronef, tels que par exemple une pompe de lubrification ou une pompe à carburant.
A cet effet, la turbomachine comprend généralement une boîte d'engrenage d'accessoires (Accessory Gear Box) reliant l’arbre moteur aux pompes. Lorsque l'arbre moteur est entraîné en rotation, la boîte d'engrenage d'accessoire transmet le mouvement de rotation aux différents accessoires. En d’autres termes, l’énergie mécanique produite par l’arbre moteur est transmise aux pompes par la boîte d’engrenage d’accessoires.
Cette solution technique présente toutefois les inconvénients suivants :
- une partie de la puissance mécanique délivrée par le corps rotatif est prélevée pour entraîner la ou les pompes,
- la vitesse de rotation de la ou des pompes est dépendante de la vitesse de rotation de l’arbre moteur, la ou les pompes ne pouvant alors pas être pilotées selon un régime moteur indépendant,
- la liaison mécanique entre l’arbre moteur et la ou les pompes nécessite des étanchéités dynamiques qui sont difficiles à réaliser,
- la liaison mécanique entre l’arbre moteur et la ou les pompes requière de placer la ou les pompes au voisinage de la boîte d’engrenage d’accessoires, ce qui limite grandement les possibilités d’implantation de la ou des pompes dans une turbomachine.
L'invention a notamment pour but de fournir une turbomachine ne présentant pas les inconvénients précités.
Ce but est atteint grâce à une turbomachine comprenant un corps rotatif comprenant un arbre moteur délivrant une puissance mécanique, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins une pompe électromagnétique découplée mécaniquement de l’arbre moteur, chaque pompe électromagnétique comprenant au moins un stator délimitant un volume interne annulaire dans lequel est présent un rotor apte à entraîner un fluide, une pluralité d’aimants répartis de manière annulaire sur le rotor et au moins une pluralité de bobines réparties de manière annulaire à l’intérieur du stator, les bobines de la pluralité de bobines étant en vis-à-vis des aimants de la pluralités d’aimants permanents suivant une direction radiale.
La turbomachine selon l’invention est ainsi équipée d’une ou plusieurs pompes qui sont découplées mécaniquement de l’arbre moteur et qui sont pilotées indépendamment du régime moteur. Il est ainsi possible d’avoir une plus grande liberté sur le choix de la vitesse de rotation de la pompe et sur les possibilités d’implantation de la ou les pompes dans la turbomachine.
En outre, en plaçant la pluralité d’aimants permanents et la pluralité de bobines en vis-à-vis suivant la direction radiale, on optimise grandement l’encombrement axial de la pompe. On obtient ainsi une pompe très compacte.
Selon une caractéristique particulière de la turbomachine de l’invention, le rotor comprend une roue munie d’une pluralité d’aubes, les aimants de la pluralité d’aimants étant maintenus au niveau des extrémités radialement externes des aubes de la roue.
Selon une autre caractéristique particulière de la turbomachine de l’invention, le rotor comprend un pignon intérieur coopérant avec une couronne extérieure à denture intérieure, les aimants de la pluralité d’aimants étant maintenus au niveau de la périphérie externe de la couronne extérieure.
Selon une autre caractéristique particulière de la turbomachine de l’invention, les aimants de la pluralité d’aimants sont disposés de manière annulaire selon une structure de Halbach. Cette disposition particulière permet d'augmenter le champ magnétique du côté externe du rotor tandis que le champ magnétique du côté interne du rotor est sensiblement annulé. On réduit ainsi la déperdition du champ magnétique, ce qui améliore le pilotage du rotor par les bobines.
L’invention a encore pour objet un aéronef comprenant au moins un turbopropulseur ou un turboréacteur comprenant une turbomachine selon l’invention.
La figure 1 est une vue schématique en perspective éclatée d’une pompe électromagnétique conformément à un premier mode de réalisation de l’invention,
La figure 2 est une autre vue schématique en perspective éclatée d’une pompe électromagnétique conformément au premier mode de réalisation de l’invention,
La figure 3 est une vue schématique en perspective d’une partie de la pompe électromagnétique des figures 1 et 2,
La figure 4 est une vue schématiques en perspective éclatée d’une pompe électromagnétique conformément à un deuxième mode de réalisation de l’invention,
La figure 5 est une vue schématique en perspective d’une partie de la pompe électromagnétique de la figure 4,
La figure 6 représente une disposition annulaire d’aimants permanents suivant une structure d’Halbach,
La figure 7 est une représentation schématique d’une turbomachine selon l’invention.
L'invention s'applique d'une manière générale à toute turbomachine équipée d’au moins une pompe pilotée indépendamment du régime moteur de la turbomachine. Elle s’applique notamment, mais pas exclusivement, aux pompes du type à anneau liquide, à canal latéral ou régénérative et gérotor.
Les figures 1 et 2 illustrent une pompe électromagnétique 100 conformément à un mode de réalisation de l’invention. Dans l’exemple décrit ici, la pompe électromagnétique 100 est une pompe du type à anneau liquide comprenant un corps de pompe fixe ou stator 110 constitué de demi-carter 111 et 112. Le demi-carter 111 et, respectivement 112, comporte une partie centrale cylindrique pleine 1110, respectivement 1120, munie d’un port d’aspiration/refoulement 1111, respectivement 1121, et une paroi externe circulaire 1112, respectivement 1122, s’étendant concentriquement autour de la partie centrale 1110, respectivement 1120. Un logement annulaire 1113, respectivement 1123, est délimité entre la partie centrale 1110, respectivement 1120, et la paroi externe 1112, respectivement 1122.
La pompe électromagnétique 100 comprend également une roue à aubes ou rotor 120 comprenant une roue 121 muni d’une pluralité d’aubes 122 s’étendant depuis la roue suivant une direction radiale DR. La roue à aubes 120 comporte un arbre de rotation 124 s’étendant suivant une direction axiale DAet destiné à être supporté par des paliers 1114 et 1124 présents respectivement sur le demi-carter 111 et le demi-carter 112. De manière connue dans les pompes de type à anneau liquide, l’arbre est placé de façon excentrique sur la roue à aube 120 par exemple au moyen d’une entretoise (non représentée sur les figures 1 et 2) de manière à créer des variations de volume inter-aubes (ou inter-pales) qui permettent d’aspirer le fluide pompé, par exemple par le port 1111 puis de l’évacuer sous pression, par exemple par le port 1121. La pompe 100 peut être également une pompe à canal latéral, encore appelée pompe régénérative. Dans ce cas et de façon connue, un canal latéral 1125, 1126 (en pointillés sur les figures 1 et 2) présent ici sur les demi-carters 111 et 112 s’étend entre les ports 1111 et 1121. L’évolution des variations de volume inter-aubes (ou inter-pales), associée au champ de vitesse (vortex) présent dans le canal latéral 1125, permet d’aspirer le fluide, par exemple par le port 1111, puis de l’évacuer sous pression, par exemple par le port 1121. La pompe électromagnétique 100 comprend encore une pluralité d’aimants permanents 130 répartis de manière annulaire sur la roue à aube ou rotor 120 et une pluralité de bobines 140 réparties de manière annulaire à l’intérieur du corps de pompe fixe ou stator 110. Plus précisément, dans l’exemple décrit ici, les aimants permanents 130 sont maintenus sur les extrémités radialement externes des aubes 122 tandis que les bobines 140 sont maintenues sur la surface interne d’un anneau de support 141, l’ensemble bobines et anneau de support étant présents à la fois dans le logement annulaire 1113 du demi-carter 111 et dans le logement annulaire 1123 du demi-carter 112.
Une fois tous les éléments constitutifs de la pompe 100 assemblés, les aimants permanents 130 se trouvent en vis-à-vis des bobines 140 suivant une direction radiale DRcomme illustré sur la figure 3. De façon connue, le pilotage de la pompe électromagnétique 100 (couple et vitesse de rotation) est réalisé par contrôle du courant circulant dans les bobines.
En fixant les aimants permanents directement 130 sur la roue à aube 120, on intègre une partie des moyens d’entraînement de la pompe directement au sein des éléments en mouvement, ce qui permet d’obtenir un haut niveau d’intégration des moyens d’entraînement et donc un encombrement réduit pour la pompe.
En outre, en plaçant la pluralité d’aimants permanents et la pluralité de bobines en vis-à-vis suivant la direction radiale, on optimise grandement l’encombrement radial de la pompe. On obtient ainsi une pompe très compacte qui peut être pilotée de manière indépendante par rapport au régime moteur de la turbomachine avec laquelle elle est associée.
La figure 4 montre une pompe électromagnétique 200 conformément à un autre mode de réalisation de l’invention. Dans ce mode de réalisation, la pompe 200 est une pompe du type gérotor comprenant un corps de pompe fixe ou stator 210 constitué d’un carter 211 et d’un flasque 212. Le carter 211 comporte un logement interne 2113 délimité par une paroi externe 2112. Le flasque 212 comporte un port d’aspiration 2120 et un port de refoulement 2121.
La pompe électromagnétique 200 comprend également un rotor 220 comprenant un pignon intérieur 221 et une couronne extérieure 222. Le pignon intérieur 221 comprend une denture extérieure constituée ici de six dents 2210 tandis que la couronne extérieure 222 comprend une denture interne constituée ici de 7 dents 2220. Le pignon intérieur 221 comporte un arbre de rotation 224 s’étendant suivant une direction axiale DAet destiné à être supporté par des paliers 2114 et 2124 présents respectivement sur le carter 211 et le flasque 212. De manière connue dans les pompes de type gérotor, un fluide est aspiré depuis le port 2120 et refoulé via le port 2121 par des capsules crées entre les dents 2210 et 2220 respectivement du pignon intérieur 221 et de la couronne extérieure 222 lors de la rotation de ces deux éléments.
La pompe électromagnétique 200 comprend encore une pluralité d’aimants permanents 230 répartis de manière annulaire sur la périphérie externe de la couronne extérieure 222 et une pluralité de bobines 240 réparties de manière annulaire à l’intérieur du corps de pompe fixe ou stator 210. Plus précisément, les bobines 240 sont maintenues sur la surface interne d’un anneau de support 241, l’ensemble bobines et anneau de support étant présents dans le logement interne 2113 du carter 211.
Une fois tous les éléments constitutifs de la pompe 200 assemblés, les aimants permanents 230 se trouvent en vis-à-vis des bobines 240 suivant une direction radiale DRcomme illustré sur la figure 5. De façon connue, le pilotage de la pompe électromagnétique 200 (couple et vitesse de rotation) est réalisé par contrôle du courant circulant dans les bobines.
En fixant les aimants permanents directement 230 sur le pignon interne 221, on intègre une partie des moyens d’entraînement de la pompe directement au sein des éléments en mouvement, ce qui permet d’obtenir un haut niveau d’intégration des moyens d’entraînement et donc un encombrement réduit pour la pompe.
En outre, en plaçant la pluralité d’aimants permanents et la pluralité de bobines en vis-à-vis suivant la direction radiale, on optimise grandement l’encombrement radial de la pompe. On obtient ainsi une pompe très compacte qui peut être pilotée de manière indépendante par rapport au régime moteur de la turbomachine avec laquelle elle est associée.
Selon une caractéristique additionnelle de l’invention, les aimants permanents présents sur les extrémités radialement externes des aubes de la roue à aube pour les modes de réalisation décrits ci-avant en relation avec les figures 1 à 3, ou sur la couronne extérieure pour les modes de réalisation décrits ci-avant en relation avec les figures 4 et 5, peuvent être disposés suivant une structure de Halbach. La figure 6 illustre un exemple de disposition des aimants permanents suivant une structure de Halbach. Dans cet exemple, des aimants permanents 10 sont répartis de manière annulaire comme dans les rotors décrits précédemment en inversant la polarité des aimants dans le sens radial et dans le sens circonférentiel comme représenté par les flèches indiquées sur la figure 11. Cette disposition particulière permet d'augmenter le champ magnétique 20 du côté externe du rotor tandis que le champ magnétique du côté interne du rotor est sensiblement annulé. On réduit ainsi la déperdition du champ magnétique, ce qui améliore le pilotage du rotor par les bobines.
La pompe électromagnétique selon l’invention peut être notamment utilisée pour alimenter en carburant ou en lubrifiant la turbomachine.
La figure 7 illustre un exemple de turbomachine qui comporte une ligne d’alimentation en carburant composée ici d’un réservoir de carburant 10, d’une pompe basse pression 11, d’un filtre 12, d’une pompe haute pression 13, d’un dispositif de dosage 14 et d’un échangeur de chaleur huile/carburant 15. La turbomachine comprend également une boîte d’accessoires 17 (« gear box ») à laquelle est relié un arbre moteur 18 destiné à délivrer une puissance mécanique dans la turbomachine. Conformément à l’invention, la pompe basse pression 11 et la pompe haute pression 13 sont constituées d’une pompe électromagnétique, par exemple du type à anneau liquide ou du type à canal latéral ou régénérative. La pompe basse pression 11 et la pompe haute pression 13 sont découplées mécaniquement de l’arbre moteur 18 et sont pilotées chacune de manière indépendante, par exemple le calculateur numérique 16 intégré au dispositif de pilotage de la turbomachine.
Concernant le circuit d’alimentation en huile d’une turbomachine, les pompes d’alimentation basse et/ou haute pression peuvent être également remplacées en partie ou en totalité par des pompes électromagnétiques pilotées indépendamment du régime moteur. Dans ce cas, on utilise de préférence mais non exclusivement des pompes de type gérotor.

Claims (4)

  1. Turbomachine comprenant un corps rotatif comprenant un arbre moteur délivrant une puissance mécanique, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins une pompe électromagnétique (100) découplée mécaniquement de l’arbre moteur, chaque pompe électromagnétique (100) comprenant au moins un stator (100) délimitant un volume interne annulaire dans lequel est présent un rotor (120) apte à entraîner un fluide, une pluralité d’aimants (130) répartis de manière annulaire sur le rotor et au moins une pluralité de bobines (140) réparties de manière annulaire à l’intérieur du stator, les bobines de la pluralité de bobines (140) étant en vis-à-vis des aimants de la pluralité d’aimants (130) suivant une direction radiale (DR).
  2. Turbomachine selon la revendication 1, dans laquelle le rotor (120) comprend une roue (121) munie d’une pluralité d’aubes (122), les aimants de la pluralité d’aimants (130) étant maintenus au niveau des extrémités radialement externes des aubes de la roue.
  3. Turbomachine selon la revendication 1, dans laquelle le rotor (220) comprend un pignon intérieur (221) coopérant avec une couronne extérieure (222) à denture intérieure, les aimants de la pluralité d’aimants (230) étant maintenus au niveau de la périphérie externe de la couronne extérieure (222).
  4. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle les aimants de la pluralité d’aimants (130 ; 230) sont disposés de manière annulaire selon une structure de Halbach.
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