FR3103011A1 - Turboreacteur hybride - Google Patents

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Abstract

L'invention porte sur un turboréacteur (13) comportant: - un premier moteur électrique (17) relié mécaniquement à la première sortie (11.1) du réducteur à train épicycloïdal (10), - un deuxième moteur électrique (18) relié mécaniquement à la deuxième sortie (11.2) du réducteur à train épicycloïdal (10), ladite deuxième sortie (11.2) étant reliée mécaniquement à un premier élément tournant (20) du turboréacteur, - un deuxième élément tournant (21) du turboréacteur relié mécaniquement à la troisième sortie (11.3) du réducteur à train épicycloïdal (10), et - un système (14) de contrôle et de répartition d'énergie électrique muni d'au moins une batterie (15), - ledit système (14) de contrôle et de répartition d'énergie électrique étant configuré pour adapter une vitesse de rotation du premier moteur électrique (17) de façon à pouvoir contrôler de façon continue un rapport de réduction du réducteur à train épicycloïdal (10). Figure pou r abrégé : Figure 2

Description

TURBOREACTEUR HYBRIDE
La présente invention porte sur un turboréacteur hybride.
De façon connue en soi, les moteurs d’avions sont conçus de sorte à être opérés pour toutes les phases de vol de l’avion (décollage, croisière, atterrissage etc …). Or, la phase de décollage est souvent la phase la plus sévère du point de vue du moteur, dans la mesure où il s'agit de la phase durant laquelle la poussée est la plus importante.
Par conséquent, la phase de décollage est la plus contraignante pour le dimensionnement de la majeure partie du moteur. Il en résulte une architecture de propulsion qui n’optimise pas nécessairement la performance du moteur pendant la phase de croisière qui est pourtant la phase la plus longue du vol d'un avion.
Des moteurs hybrides intègrent un moteur électrique apte à fournir une puissance supplémentaire pendant la phase de décollage pour assurer une poussée suffisante au décollage et ainsi permettre une optimisation du moteur pendant la phase de croisière. Ces nouvelles architectures hybrides permettent un gain significatif en termes de consommation de carburant.
Par ailleurs, certaines architectures de moteurs introduisent un réducteur qui permet de réduire la vitesse de la soufflante par rapport à celle de la turbine. En effet, plus les soufflantes des moteurs sont grandes et à faible vitesse de rotation et plus les turbines tournent vite, plus la performance du moteur est élevée.
Toutefois, les architectures existantes mettent en œuvre un réducteur à rapport constant. En effet, le réducteur utilisé est généralement un réducteur à train épicycloïdal ayant une de ses sorties immobile de façon à avoir une relation linéaire entre les vitesses de rotation des deux autres sorties auxquelles sont reliées respectivement la soufflante et la turbine du turboréacteur. Cette relation figée entre les vitesses de rotation des éléments tournants ne permet pas d'optimiser le rendement du turboréacteur dans toutes les phases de vol.
L’invention vise à remédier efficacement à cet inconvénient en proposant un turboréacteur comportant:
- un réducteur à train épicycloïdal ayant une première sortie, une deuxième sortie, et une troisième sortie,
- un premier moteur électrique relié mécaniquement à la première sortie du réducteur à train épicycloïdal,
- un deuxième moteur électrique relié mécaniquement à la deuxième sortie du réducteur à train épicycloïdal, ladite deuxième sortie étant également reliée mécaniquement à un premier élément tournant du turboréacteur,
- un deuxième élément tournant du turboréacteur relié mécaniquement à la troisième sortie du réducteur à train épicycloïdal, et
- un système de contrôle et de répartition d'énergie électrique muni d'au moins une batterie reliée électriquement au premier moteur électrique et au deuxième moteur électrique,
- ledit système de contrôle et de répartition d'énergie électrique étant configuré pour adapter une vitesse de rotation du premier moteur électrique de façon à pouvoir contrôler de façon continue un rapport de réduction du réducteur à train épicycloïdal.
L'invention permet ainsi, grâce au rapport de réduction adaptable de façon continue, d'optimiser un rendement des éléments tournants et de minimiser la consommation en carburant du turboréacteur.
Selon une réalisation, ledit système de contrôle et de répartition d'énergie électrique est apte à contrôler de façon continue le rapport de réduction du réducteur à train épicycloïdal sur toute plage de vol.
Selon une réalisation, le système de contrôle et de répartition d'énergie est configuré pour gérer une répartition entre une part d'énergie électrique délivrée par la batterie au premier moteur électrique et/ou au deuxième moteur électrique et une part d'énergie propulsive générée par un réacteur à combustion du turboréacteur.
Selon une réalisation, le système de contrôle et de répartition d'énergie électrique est configuré pour fournir de l'énergie électrique au premier moteur électrique et/ou au deuxième moteur électrique lors d'une phase de décollage.
Selon une réalisation, le système de contrôle et de répartition d'énergie électrique est configuré pour stocker dans la batterie de l'énergie électrique issue du premier moteur électrique et/ou du deuxième moteur électrique fonctionnant dans un mode générateur lors d'une phase de croisière.
Selon une réalisation, le système de contrôle et de répartition d'énergie électrique comporte un système de régulation de puissance électrique.
Selon une réalisation, le premier élément tournant est constitué par une turbine du turboréacteur.
Selon une réalisation, le deuxième élément tournant est constitué par une soufflante du turboréacteur.
Selon une réalisation, le premier moteur électrique et le deuxième moteur électrique sont reliés électriquement à une même batterie.
Selon une réalisation, le premier moteur électrique et le deuxième moteur électrique sont reliés électriquement chacun à une batterie correspondante.
Selon une réalisation, la première sortie du réducteur à train épicycloïdal est un planétaire.
Selon une réalisation, la deuxième sortie du réducteur à train épicycloïdal est un porte-satellites.
Selon une réalisation, la troisième sortie du réducteur à train épicycloïdal est une couronne.
L'invention a également pour objet un avion comportant une architecture de propulsion hybride de turboréacteur telle que définie selon l'une quelconque des revendications précédentes.
La présente invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques et avantages apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation donnés à titre illustratif en référence avec les figures annexées, présentés à titre d’exemples non limitatifs, qui pourront servir à compléter la compréhension de la présente invention et l’exposé de sa réalisation et, le cas échéant, contribuer à sa définition, sur lesquelles:
La figure 1 est une représentation schématique d'un réducteur à train épicycloïdal utilisé dans un turboréacteur hybride selon l'invention;
La figure 2 est représentation schématique d'un turboréacteur hybride selon la présente invention.
Il est à noter que, sur les figures, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différents modes de réalisation peuvent présenter les mêmes références. Ainsi, sauf mention contraire, de tels éléments disposent de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.
La figure 1 montre un réducteur à train épicycloïdal 10 ayant une première sortie 11.1, une deuxième sortie 11.2, et une troisième sortie 11.3. La première sortie 11.1 est par exemple constituée par un planétaire. La deuxième sortie 11.2 est par exemple constituée par un porte-satellites. La troisième sortie 11.3 est par exemple constituée par une couronne du train épicycloïdal. Le porte-satellites 11.2 comporte de façon connue en soi des satellites engrenant d'une part avec le planétaire 11.1 et d'autre part avec la couronne 11.3.
En variante, les sorties 11.1, 11.2, 11.3 auxquelles il est fait référence ci-après pourraient correspondre à d'autres éléments du réducteur à train épicycloïdal 10. En effet, la première sortie 11.1 pourrait correspondre au porte-satellites ou à la couronne, la deuxième sortie 11.2 pourrait correspondre au planétaire ou à la couronne, et la troisième sortie 11.3 pourrait correspondre au planétaire ou au porte-satellites. La seule contrainte est que les trois sorties 11.1, 11.2, 11.3 doivent être associées à trois éléments distincts du train épicycloïdal. Par ailleurs, on précise qu'une sortie 11.1, 11.2, 11.3 du train épicycloïdal peut correspondre indifféremment à un élément du train entraînant ou entraîné en rotation.
Comme cela est illustré par la figure 2, le réducteur 10 de la figure 1 est intégré dans un turboréacteur hybride 13 comportant un système 14 de contrôle et de répartition d'énergie électrique muni d'au moins une batterie 15 reliée électriquement à un premier moteur électrique 17 et à un deuxième moteur électrique 18. Le premier moteur électrique 17 et le deuxième moteur électrique 18 pourront être reliés électriquement à la même batterie 15 ou être reliés électriquement chacun à une batterie 15 correspondante. Le système 14 de contrôle et de répartition d'énergie électrique comporte de préférence un système de régulation de puissance électrique.
Le premier moteur électrique 17 est relié mécaniquement à la première sortie 11.1 du réducteur à train épicycloïdal 10. Le système 14 de contrôle et de répartition d'énergie électrique est apte à adapter une vitesse de rotation du premier moteur électrique 17 de façon à pouvoir contrôler de façon continue un rapport de réduction du réducteur 10. On dispose ainsi d'une transmission à rapport continu ou CVT (pour "Continuously Variable Transmission" en anglais). Le contrôle du rapport de réduction du réducteur 10 est effectué de préférence sur toute plage de vol (décollage, croisière, atterrissage, etc…).
En fonction de la phase de vol, le premier moteur électrique 17 pourra prélever de l'énergie électrique à la batterie 15 pour la transformer en énergie mécanique transmise au réducteur 10, par exemple lors d'une phase de décollage (cf. flèches F1 et F2 qui indiquent le trajet de l'énergie). Le premier moteur électrique 17 pourra également fonctionner dans un mode générateur de façon à prélever de l'énergie mécanique au réducteur 10 et la transformer en une énergie électrique permettant de recharger la batterie 15 (cf. flèches F3 et F4).
Le deuxième moteur électrique 18 est relié mécaniquement à la deuxième sortie 11.2 du réducteur à train épicycloïdal 10. La deuxième sortie 11.2 est également reliée mécaniquement, notamment directement, à un premier élément tournant 20 du turboréacteur. Le premier élément tournant 20 est constitué par exemple par une turbine du turboréacteur, notamment la turbine basse-pression.
Lorsque le deuxième moteur électrique 18 fonctionne en mode alternateur, le deuxième moteur électrique 18 pourra récupérer en partie une énergie propulsive générée par détente des gaz dans la chambre de combustion afin de la transformer en une énergie électrique permettant de recharger la batterie 15 (cf. flèches F5, F6, et F7). Le deuxième moteur électrique 18 pourra également prélever de l'énergie électrique à la batterie 15 pour la transformer en énergie mécanique transmise au réducteur 10 (cf. flèches F8 et F9).
Un deuxième élément tournant 21 du turbocompresseur est relié mécaniquement à la troisième sortie 11.3 du train épicycloïdal. Le deuxième élément tournant 21 entraîné en rotation par le réducteur 10 est par exemple constitué par la soufflante du turbocompresseur. Le deuxième élément tournant 21 prélève de l'énergie mécanique au réducteur 10 (cf. flèche F10).
Le système 14 de contrôle et de répartition d'énergie permet de gérer une répartition entre une part d'énergie délivrée par la batterie 15 au premier moteur électrique 17 et/ou au deuxième moteur électrique 18 et une part d'énergie propulsive générée par le réacteur à combustion.
Le système 14 de contrôle et de répartition d'énergie électrique est avantageusement configuré pour fournir de l'énergie électrique au premier moteur électrique 17 et/ou au deuxième moteur électrique 18 lors d'une phase de décollage.
Le système 14 de contrôle et de répartition d'énergie électrique est avantageusement configuré pour stocker dans la batterie 15 de l'énergie électrique issue du premier moteur électrique 17 et/ou du deuxième moteur électrique 18 fonctionnant dans un mode générateur, notamment lors d'une phase de croisière.
L'invention a également pour objet un avion comportant un turboréacteur hybride 13 tel que précédemment défini.
Bien évidemment, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple. Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de fonctionnement décrits précédemment, pouvant être pris séparément ou en association.

Claims (11)

  1. Turboréacteur (13) caractérisé en ce qu'il comporte:
    - un réducteur à train épicycloïdal (10) ayant une première sortie (11.1), une deuxième sortie (11.2), et une troisième sortie (11.3),
    - un premier moteur électrique (17) relié mécaniquement à la première sortie (11.1) du réducteur à train épicycloïdal (10),
    - un deuxième moteur électrique (18) relié mécaniquement à la deuxième sortie (11.2) du réducteur à train épicycloïdal (10), ladite deuxième sortie (11.2) étant également reliée mécaniquement à un premier élément tournant (20) du turboréacteur,
    - un deuxième élément tournant (21) du turboréacteur relié mécaniquement à la troisième sortie (11.3) du réducteur à train épicycloïdal (10), et
    - un système (14) de contrôle et de répartition d'énergie électrique muni d'au moins une batterie (15) reliée électriquement au premier moteur électrique (17) et au deuxième moteur électrique (18),
    - ledit système (14) de contrôle et de répartition d'énergie électrique étant configuré pour adapter une vitesse de rotation du premier moteur électrique (17) de façon à pouvoir contrôler de façon continue un rapport de réduction du réducteur à train épicycloïdal (10).
  2. Turboréacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit système (14) de contrôle et de répartition d'énergie électrique est apte à contrôler de façon continue le rapport de réduction du réducteur à train épicycloïdal (10) sur toute plage de vol.
  3. Turboréacteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système (14) de contrôle et de répartition d'énergie est configuré pour gérer une répartition entre une part d'énergie électrique délivrée par la batterie (15) au premier moteur électrique (17) et/ou au deuxième moteur électrique (18) et une part d'énergie propulsive générée par un réacteur à combustion du turboréacteur.
  4. Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le système (14) de contrôle et de répartition d'énergie électrique est configuré pour fournir de l'énergie électrique au premier moteur électrique (17) et/ou au deuxième moteur électrique (18) lors d'une phase de décollage.
  5. Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le système (14) de contrôle et de répartition d'énergie électrique est configuré pour stocker dans la batterie (15) de l'énergie électrique issue du premier moteur électrique (17) et/ou du deuxième moteur électrique (18) fonctionnant dans un mode générateur lors d'une phase de croisière.
  6. Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le système (14) de contrôle et de répartition d'énergie électrique comporte un système de régulation de puissance électrique.
  7. Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le premier élément tournant (20) est constitué par une turbine du turboréacteur.
  8. Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le deuxième élément tournant (21) est constitué par une soufflante du turboréacteur.
  9. Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le premier moteur électrique (17) et le deuxième moteur électrique (18) sont reliés électriquement à une même batterie (15).
  10. Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le premier moteur électrique (17) et le deuxième moteur électrique (18) sont reliés électriquement chacun à une batterie (15) correspondante.
  11. Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que
    - la première sortie (11.1) du réducteur à train épicycloïdal (10) est un planétaire,
    - la deuxième sortie (11.2) du réducteur à train épicycloïdal (10) est un porte-satellites, et
    - la troisième sortie (11.3) du réducteur à train épicycloïdal (10) est une couronne.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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FR3051842A1 (fr) * 2016-05-24 2017-12-01 Turbomeca Turbomachine d'aeronef a reducteur epicycloidal
FR3078551A1 (fr) * 2018-03-05 2019-09-06 Safran Aircraft Engines Commande anticipative d'un circuit d'alimentation en carburant d'une turbomachine

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