FR3123093A1

FR3123093A1 - Procédé d’inversion de poussée pour soufflante aéronautique

Info

Publication number: FR3123093A1
Application number: FR2105165A
Authority: FR
Inventors: Ioannis STASINOPOULOS; Sara ROGGIA; William Henri Joseph RIERA
Original assignee: Safran SA
Current assignee: Safran SA
Priority date: 2021-05-18
Filing date: 2021-05-18
Publication date: 2022-11-25
Anticipated expiration: 2041-05-18
Also published as: FR3123093B1

Abstract

Procédé d’inversion de poussée pour soufflante aéronautique Procédé d’inversion de poussée pour soufflante aéronautique, ainsi qu’un ensemble de propulsion et une turbomachine comprenant une telle soufflante, dans lequel la soufflante est entraînée par un moteur électrique, dans lequel le couple résistif appliqué sur l’axe du moteur électrique est réglable, comprenant une première phase de décélération du moteur durant laquelle le couple résistif (Cr) est progressivement augmenté tandis que la tension de fonctionnement (v’) est progressivement diminuée en valeur absolue, etcomprenant une deuxième phase d’inversion du sens de rotation et d’accélération du moteur. Fig. 4

Description

Procédé d’inversion de poussée pour soufflante aéronautique

Le présent exposé concerne un procédé d’inversion de poussée pour soufflante aéronautique, ainsi qu’un ensemble de propulsion et une turbomachine comprenant une telle soufflante. Il concerne tout particulièrement les soufflantes entraînées par un moteur électrique et destinées à propulser un aéronef. Il peut s’appliquer tout aussi bien aux soufflantes intégrées dans une turbomachine ou aux soufflantes indépendantes, délocalisées de leur source d’énergie.

Sur un aéronef, il est nécessaire de mettre en place une solution d’inversion de poussée afin de permettre un freinage suffisant de l’aéronef au moment de son atterrissage. Classiquement, pour les turboréacteurs munis d’une soufflante, cette inversion de poussée est obtenue par un mécanisme d’obstruction situé dans la nacelle et redirigeant vers l’avant une partie du flux d’air entraîné par la soufflante. En ce qui concerne les turbopropulseurs, le calage des pales de l’hélice peut être inversé de manière à entraîner le flux d’air vers l’avant plutôt que vers l’arrière.

De manière plus originale, d’autres solutions ont été développées plus récemment pour les propulsions utilisant une soufflante : ainsi, par exemple, il est envisageable d’inverser le sens de rotation de la soufflante à l’aide d’une boîte de vitesse : de telles solutions sont par exemple décrites dans les brevets US 6 148 605 et US 4 005 575.

D’autres solutions de propulsion utilisent une soufflante entraînée par un moteur électrique. Dans un tel cas, il est également théoriquement possible d’inverser le sens de rotation de la soufflante en inversant le sens de rotation du moteur électrique. Toutefois, en pratique, une telle inversion soulève plusieurs difficultés techniques.

En effet, la puissance nécessaire pour inverser le sens de rotation d’une telle soufflante est très importante, et cela d’autant plus que la tendance actuelle des développements de futurs moteurs est à l’augmentation du diamètre des soufflantes, ce qui augmente mécaniquement l’inertie de ces dernières. De plus, une telle inversion doit se faire le plus rapidement possible afin d’obtenir rapidement le freinage escompté, ce qui augmente d’autant plus la puissance nécessaire pour effectuer l’inversion de poussée. Enfin, un tel changement soudain du flux d’air entraîne un couple résistif sur l’arbre du moteur particulièrement élevé qui, d’une part, peut dépasser le couple maximal du moteur électrique, entraînant dès lors une perte de contrôle du moteur, et même, d’autre part, potentiellement dépasser la résistance mécanique des pales, de l’arbre ou du moteur, risquant dès lors d’endommager le système.

Il existe donc un réel besoin pour un procédé d’inversion de poussée pour soufflante aéronautique, ainsi qu’un ensemble de propulsion et une turbomachine comprenant une telle soufflante, qui soient dépourvus, au moins en partie, des inconvénients inhérents aux méthodes connues précitées.

Le présent exposé concerne un procédé d’inversion de poussée pour soufflante aéronautique, dans lequel la soufflante est entraînée par un moteur électrique commandable en courant, dans lequel le couple résistif appliqué sur l’axe du moteur électrique est réglable, comprenant une première phase de décélération du moteur durant laquelle le couple résistif est progressivement augmenté tandis que la tension de fonctionnement est progressivement diminuée en valeur absolue, et comprenant une deuxième phase d’inversion du sens de rotation et d’accélération du moteur.

Comme cela a été expliqué plus haut, inverser soudainement le sens de rotation du moteur demande une puissance très importante et, surtout, provoque une résistance violente du flux d’air traversant la soufflante, ce qui génère un couple résistif sur l’arbre du moteur dépassant la limite admissible par le système. Les inventeurs proposent alors de ne pas inverser immédiatement le sens de rotation du moteur mais de passer par une phase préalable de décélération du moteur en réduisant la tension de fonctionnement du moteur. De cette manière, on évite de se heurter trop violemment à la résistance de l’air.

Toutefois, les inventeurs ont déterminé que se contenter de diminuer la tension de fonctionnement du moteur, sans inverser son signe, ne permet pas de décélérer suffisamment rapidement la soufflante, et donc d’obtenir l’inversion de poussée désirée suffisamment rapidement pour freiner l’aéronef dans un délai admissible. En effet, le point de fonctionnement du moteur dans l’espace {vitesse de rotation ; couple électromagnétique} dépend de la tension de fonctionnement du moteur et du couple résistif appliqué sur l’axe du moteur : la transition d’un point de fonctionnement à un autre est alors d’autant plus rapide que l’écart entre le couple résistif imposé et le couple électromagnétique actuel est important.

Dès lors, sur la base de ces déterminations, les inventeurs proposent d’augmenter délibérément le couple résistif appliqué sur l’axe du moteur tandis que la tension de fonctionnement est diminuée afin de dissiper plus rapidement l’inertie du système et, ainsi, décélérer plus rapidement le moteur.

De cette manière, on parvient à annuler la vitesse du moteur plus rapidement, ce qui permet d’inverser le sens de rotation plus rapidement sans être confronté à une résistance trop violente du flux d’air.

Dans certains modes de réalisation, le moteur est contrôlé par un dispositif de contrôle configuré pour contrôler le moteur sur la base du couple appliqué. Le couple appliqué au moteur détermine le courant demandé par le moteur : le dispositif de contrôle détermine sur cette base la tension de commande alimentant le moteur, ce qui détermine dès lors son régime. Le dispositif de contrôle permet de réguler automatiquement le régime du moteur sur la base de la consigne et des valeurs réelles, mesurées ou calculées, des paramètres du moteur, notamment son couple électromagnétique et sa vitesse de rotation. Ce dispositif de contrôle peut notamment être un régulateur du type PI (proportionnel-intégral).

Dans certains modes de réalisation, le dispositif de contrôle est commandé par un dispositif de supervision. Ce dispositif de contrôle est configuré en particulier pour imposer la tension de fonctionnement. Il peut s’agir d’un module du FADEC (Full Authority Digital Engine Control) de l’aéronef.

Dans certains modes de réalisation, le moteur est alimenté en électricité par une source d’énergie électrique embarquée.

Dans certains modes de réalisation, la source d’énergie électrique est une turbomachine. Toutefois, il pourrait également s’agir d’une ou plusieurs batteries, d’une pile à combustible ou bien encore d’une centrale de production électrique d’un autre type.

Dans certains modes de réalisation, la soufflante est intégrée dans la turbomachine. Elle peut notamment former l’étage le plus amont de la turbomachine et former ainsi un premier étage de compression pour la veine du générateur de gaz.

Dans certains modes de réalisation, la soufflante est délocalisée par rapport à la source d’énergie électrique. Il est notamment possible de prévoir plusieurs soufflantes à différents endroits de l’aéronef et de centraliser la production d’énergie électrique à un autre endroit.

Dans certains modes de réalisation, la soufflante est située à l’arrière du fuselage de l’aéronef. Elle peut notamment être enterrée et/ou être conçue pour ingérer une couche limite du fuselage. La soufflante peut également être montée sur une aile de l’aéronef.

Dans certains modes de réalisation, les pales de la soufflante sont à calage variable. L’orientation des pales autour de leur axe radial, c’est-à-dire l’angle de calage formé entre le plan radial et la corde moyenne de la pale, peut ainsi être modifié.

Dans certains modes de réalisation, le calage des pales de la soufflante est ajusté en continu à l’aide d’au moins un actionneur commandé par le dispositif de supervision. Cet actionneur peut notamment être électrique, pneumatique ou hydraulique. Chaque pale peut posséder un actionneur dédié ou bien un actionneur unique permet de régler le calage de toutes les pales de la soufflante de manière centralisée.

Dans certains modes de réalisation, le calage des pales de la soufflante n’est pas inversé, de préférence n’est pas inversable, durant le procédé d’inversion de poussée. Contrairement au cas de l’inversion de poussée sur un turbopropulseur, le présent procédé ne requiert pas d’inverser le calage des pales, c’est-à-dire de d’inverser le signe de l’angle de calage de telle sorte que le bord d’attaque des pales soit dirigé vers le demi-espace aval de la soufflante.

Dans certains modes de réalisation, le couple résistif appliqué sur l’axe du moteur est réglé par le dispositif de supervision en modifiant le calage des pales de la soufflante. En modifiant l’angle de calage de la pale afin de s’éloigner du cas où l’écoulement incident est aligné avec le bord d’attaque de la pale, on augmente la résistance de l’air sur la soufflante, ce qui augmente le couple résistif. De plus, on obtient de cette manière un premier effet de freinage du flux d’air dès la phase de décélération du moteur.

Dans certains modes de réalisation, un générateur électrique est accouplé sur l’axe du moteur. Un tel générateur électrique permet notamment de récupérer une partie de l’énergie de freinage du moteur.

Dans certains modes de réalisation, le couple résistif appliqué sur l’axe du moteur est réglé par le dispositif de supervision en modifiant la puissance mécanique prélevée sur l’axe du moteur par le générateur électrique. Une telle option est compatible et cumulable avec une augmentation du couple résistif via une modification du calage des pales de la soufflante.

Dans certains modes de réalisation, la valeur de la vitesse de rotation et/ou du couple résistif et/ou du couple électromagnétique du moteur est transmise au dispositif de contrôle et/ou au dispositif de supervision. Un ou plusieurs capteurs de vitesse et de couple peuvent notamment être prévus sur l’axe du moteur.

Dans certains modes de réalisation, la valeur de la température du moteur est transmise au dispositif de contrôle et/ou au dispositif de supervision. Le moteur peut en effet être équipé d’un capteur de température. Une telle donnée permet d’améliorer le contrôle du moteur.

Dans certains modes de réalisation, la valeur de la vitesse linéaire de l’air au sein de la soufflante est transmise au dispositif de supervision. Un anémomètre peut notamment être prévu dans la veine traversant la soufflante. Cette donnée permet d’affiner le calcul du couple résistif.

Dans certains modes de réalisation, la valeur de la vitesse d’avancement de l’aéronef est transmise au dispositif de supervision. Grâce à cette donnée, il est possible de calculer la vitesse linéaire de l’air au sein de la soufflante en l’absence d’anémomètre ou de débitmètre. La vitesse linéaire de l’aéronef par rapport au sol peut également être utilisée.

Dans certains modes de réalisation, la valeur de l’angle de calage des pales de la soufflante est transmise au dispositif de supervision. Un capteur peut notamment être prévu pour mesurer cette valeur en temps réel.

Dans certains modes de réalisation, au cours de la première phase de décélération du moteur, la vitesse de rotation du moteur est réduite progressivement en réalisant des cycles successifs de décélération, chaque cycle de décélération comprenant une augmentation du couple résistif et une diminution de la tension de fonctionnement. Procéder de la sorte permet d’éviter d’atteindre des niveaux de couple résistif trop importants et potentiellement dangereux pour le système.

Dans certains modes de réalisation, au cours de chaque cycle de décélération, le couple résistif est augmenté d’un certain incrément puis, une fois l’équilibre atteint entre le couple électromagnétique et le couple résistif, la tension de fonctionnement est diminuée de sorte à atteindre un nouveau point d’équilibre cible.

Dans certains modes de réalisation, au cours de la deuxième phase d’inversion du sens de rotation et d’accélération du moteur, la tension de fonctionnement est progressivement augmentée en valeur absolue tandis que le couple résistif est progressivement diminué. De manière analogue à la première phase de décélération, ceci permet de réduire le temps nécessaire à la montée en vitesse du moteur. Il est à noter qu’il serait également possible de ne pas atteindre l’inversion de rotation tout en gardant le contrôle du couple maximal.

Dans certains modes de réalisation, au cours de la deuxième phase d’inversion du sens de rotation et d’accélération du moteur, la vitesse de rotation du moteur est augmentée progressivement en réalisant des cycles successifs d’accélération, chaque cycle d’accélération comprenant une augmentation de la tension de fonctionnement et une diminution du couple résistif.

Dans certains modes de réalisation, au cours de chaque cycle d’accélération, la tension de fonctionnement est augmentée d’un certain incrément puis, une fois l’équilibre atteint entre le couple électromagnétique et le couple résistif, le couple résistif est diminué de sorte à atteindre un nouveau point d’équilibre cible.

Dans certains modes de réalisation, au cours de la deuxième phase d’inversion du sens de rotation et d’accélération du moteur, le moteur est accéléré jusqu’à ce que la vitesse de rotation de la soufflante atteigne une vitesse prédéterminée et cette vitesse de rotation est maintenue. Elle peut notamment être maintenue jusqu’à ce que la vitesse d’avancement de l’aéronef passe en dessous d’un seuil prédéterminé ou jusqu’à ce que le pilote de l’aéronef commande l’arrêt de l’inversion de poussée.

Dans certains modes de réalisation, le procédé comprend, à l’issue de la deuxième phase d’inversion du sens de rotation et d’accélération du moteur, une troisième phase de décélération du moteur. Cette troisième phase peut se dérouler de manière tout à fait analogue à la première phase. Une fois la vitesse de rotation du moteur annulée, on peut soit arrêter le moteur, soit inverser à nouveau le sens de rotation et l’accélérer à nouveau afin de propulser à nouveau l’aéronef, à basse vitesse en cas de déplacement au sol, ou à haute vitesse en cas de redécollage d’urgence.

Dans certains modes de réalisation, le dispositif de supervision détermine un couple résistif maximal au-delà duquel l’intégrité et/ou le contrôle du système, notamment du moteur et/ou de la soufflante, n’est plus assuré. Ce couple résistif maximal peut être déterminé en permanence en fonction des paramètres du système, notamment en fonction de la vitesse de rotation du moteur et de la vitesse linéaire de l’air au sein de la soufflante. Il peut être déterminé grâce à des abaques ou bien par calcul.

Dans certains modes de réalisation, le couple électromagnétique maximal est toujours supérieur ou égal au couple résistif maximal.

Dans certains modes de réalisation, au cours de la première phase de décélération du moteur, la vitesse de rotation de la soufflante atteint 0 en moins de 30 s, de préférence en moins de 15 s, de préférence encore en moins de 5 s.

Le présent exposé concerne également un ensemble de propulsion comprenant un moteur électrique, une soufflante, entraînée par le moteur électrique, une unité de commande, dans lequel le couple résistif appliqué sur l’axe du moteur électrique est réglable, dans lequel l’unité de commande est configurée, dans un premier mode de commande, pour décélérer le moteur en augmentant progressivement le coupe résistif et en diminuant progressivement en valeur absolue la tension de fonctionnement du moteur, et dans lequel l’unité de commande est configurée, dans un deuxième mode de commande, pour inverser le sens de rotation et accélérer le moteur.

Cet ensemble de propulsion permet donc d’obtenir tous les avantages mentionnés ci-dessus au sujet du procédé. En particulier, toutes les caractéristiques facultatives du procédé, et tous les avantages qui y sont associés, peuvent être transposés directement à l’ensemble de propulsion. L’unité de commande peut notamment comprendre le dispositif de contrôle et/ou le dispositif de supervision.

Dans certains modes de réalisation, l’ensemble de propulsion comprend plusieurs soufflantes. Plusieurs soufflantes peuvent notamment être empilées et entraînées par un même moteur électrique ; elles peuvent éventuellement former des couples entraînées de manière contrarotative. Ces soufflantes peuvent également être réparties en plusieurs endroits de l’aéronef, par exemple le long des ailes ou bien enterrées en pointe arrière du fuselage.

Le présent exposé concerne également une turbomachine, comprenant une turbine à gaz, un générateur électrique connecté à un arbre de la turbine à gaz, et un ensemble propulsif selon l’une quelconque des modes de réalisation précédents, le moteur électrique étant alimenté en électricité au moins à partir du générateur électrique.

Dans le présent exposé, les termes « axial », « radial », « tangentiel », « intérieur », « extérieur » et leurs dérivés sont définis par rapport à l’axe de rotation de la soufflante ; on entend par « plan axial » un plan passant par l’axe de rotation de la soufflante et par « plan radial » un plan perpendiculaire à cet axe de rotation ; enfin, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation de l’air à travers la soufflante, lors d’une phase de propulsion, c’est-à-dire en dehors d’une phase d’inversion de poussée.

Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation du procédé et de l’ensemble propulsif proposés. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.

Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé.

Sur ces dessins, d’une figure à l’autre, des éléments (ou parties d’élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence. En outre, des éléments (ou parties d'élément) appartenant à des exemples de réalisation différents mais ayant une fonction analogue sont repérés sur les figures par des références numériques incrémentées de 100, 200, etc.

La est une vue de l’arrière d’un aéronef équipé de soufflantes.

La est un schéma de principe d’un premier exemple d’ensemble propulsif.

La est un graphe permettant d’expliquer le régime de fonctionnement du moteur électrique.

La est un graphe permettant d’expliquer la phase de décélération du moteur.

La est un schéma de principe d’un deuxième exemple d’ensemble propulsif.

Afin de rendre plus concret l’exposé, un exemple de procédé d’inversion de poussée et d’ensemble propulsif est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à ces exemples.

La représente l’arrière d’un aéronef 1. Le fuselage 2 de cet aéronef 1 présente à son extrémité arrière deux pointes 3 s’effilant vers l’arrière (seules deux sont visibles sur cette vue de côté). Chaque pointe 3 est munie d’un ensemble propulsif 10 comprenant une soufflante 20 entourée par un carter 25. L’aéronef 1 possède également un empennage 4, comprenant un plan fixe vertical de dérive 4a et deux plans horizontaux stabilisateurs 4b montés chacun sur les pointes 3 du fuselage 2 et les carters 25 des soufflantes 20.

La représente de manière schématique un ensemble propulsif 10. Cet ensemble propulsif 10 comprend tout d’abord une soufflante 20, munie de plusieurs pales 21 montées sur un moyeu 22. La soufflante 20 possède également un dispositif de calage de pas 23 comprenant un ou plusieurs actionneurs permettant de modifier l’angle de calage de chaque pale 21, c’est-à-dire l’angle s’étendant entre le plan radial, dans lequel tournent les pales 21, et la corde moyenne de la pale 21. La soufflante 20 comprend également au moins un capteur de pas 24 permettant de mesurer à tout moment l’angle de calage θ des pales 21.

La soufflante 20 est entourée par un carter 25 délimitant une veine d’air 26 traversant la soufflante 20. Un capteur 27, de type débitmètre, est prévu dans la veine 26 afin de mesurer la vitesse linéaire de l’air Vair au sein de la veine d’air 26. Bien qu’un carter 25 soit présent dans cet exemple, la soufflante 20 pourrait dans d’autres exemples être non carrenée.

L’ensemble propulsif 10 comprend également un moteur électrique 30 prévu pour entraîner la soufflante 20 en rotation, de préférence par l’intermédiaire d’un réducteur 31, par exemple du type épicycloïdal. Un capteur de couple 32 et un capteur de vitesse de rotation 33 sont montés sur l’axe 34 du moteur 30 afin de mesurer, respectivement, le couple électromagnétique Ce fourni par le moteur 30 et la vitesse de rotation ω du moteur 30. Le moteur électrique 30 comprend également au moins un capteur de température 35 permettant de mesure la température du moteur 30. D’autres capteurs peuvent être prévus, notamment des capteurs mesurant la température et la pression de l’air entrant dans la soufflante. La donnée de l’altitude de l’aéronef peut également être utilisée.

L’ensemble propulsif 10 comprend également un dispositif de contrôle 40 permettant de contrôler le moteur 30 et de réguler son fonctionnement. En particulier, le dispositif de contrôle 40 reçoit une puissance électrique provenant d’une source électrique 5 de l’aéronef 1 et conditionne cette dernière, sur la base d’une consigne transmise par un dispositif de supervision 50, avant de la transmettre au moteur 30 pour entraîner et réguler sa rotation.

Ce dispositif de supervision 50 est également configuré pour commander le dispositif de calage de pas 23 afin de modifier, en opération, l’angle de calage θ des pales 21 de la soufflante 20.

Afin d’assurer le commande du dispositif de contrôle 40 et du dispositif de calage de pas 23, le dispositif de supervision 50 reçoit l’ensemble des signaux issus des différents capteurs de l’ensemble propulsif, en particulier des capteurs 23, 27, 32, 33 et 35, ainsi que, le cas échéant, des signaux provenant de l’aéronef 1, par exemple la vitesse d’avancement ou l’altitude de l’aéronef. Les données de température et de pression de l’air entrant dans la soufflante peuvent aussi être utiles.

Avant de décrire un exemple de procédé d’inversion de poussée, il est utile d’expliquer le fonctionnement du moteur électrique 30 à l’aide du graphe de la .

Ce graphe représente le couple électromagnétique du moteur Ce en fonction de sa vitesse de rotation ω. Pour une tension de fonctionnement donnée v’, la caractéristique statique 61 du moteur 30, c’est-à-dire l’ensemble des paires (Ce, ω) possibles en régime permanent, est une droite décroissante présentant un couple électromagnétique maximal Ce₀lorsque la vitesse de rotation ω est nulle et une vitesse de rotation maximale ω₀lorsque le couple électromagnétique Ce est nul.

Dès lors, en pratique, le point de fonctionnement P du moteur 30, c’est à dire sa paire (Ce, ω) d’équilibre est automatiquement sélectionné pour équilibrer le couple électromagnétique Ce avec le couple résistif Cr appliqué sur l’axe 34 du moteur de manière à avoir Ce = Cr.

Ce couple résistif Cr comprend plusieurs composantes. L’une d’entre elle est le couple d’inertie du système, c’est-à-dire de l’ensemble des pièces tournantes et notamment de la soufflante 20, du réducteur 31, du rotor du moteur 30 et des arbres les connectant. Une autre composante du couple résistif Cr est celle de la résistance du flux d’air sur les pales 21 de la soufflante 20. On pourra, pour simplifier l’exposé, considérer que le couple résistif Cr s’appliquant sur l’axe 34 du moteur correspond à ce couple résistif de l’air sur la soufflante 20.

Ainsi, comme cela est illustré sur la , le point du fonctionnement P du moteur 30 se situera à l’intersection entre la caractéristique statique 61 du moteur 30 et la courbe 71 du couple résistif Cr en fonction de la vitesse de rotation ω du moteur 30. Il est rappelé à cette occasion que cette est un schéma de principe : elle est volontairement simplifiée, notamment en ce qui concerne le tracé de la courbe du couple résistif Cr.

En conséquence, il est possible de déplacer le point de fonctionnement P du moteur 30 en modifiant sa tension de fonctionnement v’ et/ou le couple résistif Cr appliqué sur son axe 34. En particulier, dans le présent exemple, il est proposé de modifier ce couple résistif Cr en modifiant l’angle de calage θ des pales 21 de la soufflante 20. En effet, lorsque l’angle de calage θ est proche de l’angle d’incidence de l’air sur les pales 21, cet angle d’incidence étant fonction de la vitesse de l’air entrant dans la soufflante et de la vitesse de rotation de la soufflante, les pales sont alignées avec le flux d’air et le couple résistif Cr est faible ; à l’inverse, à mesure que l’angle de calage θ s’éloigne de l’angle d’incidence de l’air sur les pales 21, les pales s’interposent plus dans le flux d’air et le couple résistif Cr augmente.

La permet alors d’expliquer un exemple de procédé d’inversion de poussée. Ce procédé débute au moment où le pilote de l’aéronef déclenche la commande d’inversion de poussée, c’est-à-dire peu de temps après que l’aéronef touche le sol au moment de l’atterrissage. A cet instant, le moteur 30 se trouve dans un point de fonctionnement A, à l’intersection de la caractéristique statique 62 du moteur 30 pour une tension de fonctionnement v’A et de la courbe 72 du couple résistif CrA pour un angle de calage θA : sa vitesse de rotation est alors ωA.

Au cours d’une première phase, la vitesse de rotation ω du moteur 30 va être réduite en diminuant la tension de fonctionnement v’ du moteur 30 tout en augmentant le couple résistif Cr. Cette décélération s’effectue par cycles successifs de décélération.

A tout moment, le dispositif de supervision 50 détermine une couple résistif maximal Cmax au-delà duquel l’intégrité et/ou le contrôle du système, et notamment du moteur 30, n’est plus assuré. Ce couple résistif maximal Cmax forme une frontière 79 dans le graphe de la que le point de fonctionnement du moteur 30 ne doit pas franchir. Dans le présent exemple, à fins de simplification, il est considéré que le couple résistif maximal Cmax est une constante. Toutefois, en réalité, ce couple résistif maximal Cmax peut dépendre de la vitesse de rotation ω du moteur : dans un tel cas, le dispositif de supervision 50 est capable de déterminer ce couple résistif maximal Cmax(ω) quelle que soit la vitesse de rotation ω.

Au cours de chaque cycle de décélération, le couple résistif Cr dû au calage des pales augmente d’un certain incrément, de CrA a CrB par exemple dans la . Cette modification de l’angle de calage θ des pales 21 de la soufflante 20 est réalisé par le dispositif de supervision 50 de sorte à augmenter le couple résistif de Cr, déplaçant sa courbe de la courbe 72 à la courbe 73. On peut également noter à cette occasion que la modification de l’angle de calage θ des pales 21 permet déjà de commencer à freiner le flux d’air dans la veine 26 et donc à freiner l’aéronef 1.

Le processus d’équilibration entre le couple résistif et le couple électromagnétique est décrit par le mouvement du point de fonctionnement du moteur A qui se déplace le long de la caractéristique statique 62 pour rejoindre l’équilibre au point A’. À cette occasion, il est important de noter que ce point de fonctionnement A’ a été calculé par le dispositif de supervision 50 de manière à rester en dessous de la frontière 79, c’est-à-dire à un niveau de couple inférieur au couple résistif maximal Cmax pour la vitesse de rotation ω correspondante.

Une fois que les couples Ce et Cr sont équilibrés, la tension de fonctionnement du moteur v’ est réduite d’un certain incrément, de v’A vers v’B par exemple dans la , ce qui abaisse la caractéristique du moteur 30 de la courbe 62 à la courbe 63 en restant sur la courbe CrB. Le point de fonctionnement du moteur 30 se déplace alors vers le nouveau point d’équilibre B, intersection du couple résistif CrB avec la nouvelle caractéristique statique 63 : on atteint alors une nouvelle vitesse de rotation ωB inferieure à la vitesse de rotation initiale ωA.

On peut noter à cette occasion que la surface du triangle AA’B correspond à la puissance dissipée et donc, essentiellement, à la puissance de freinage. On comprend donc que le but est de maximiser la surface de ce triangle AA’B sans dépasser la frontière 79 du couple résistif maximal Cmax.

Le premier cycle de décélération étant achevé, le dispositif de supervision 50 peut entamer un nouveau cycle de décélération. Le dispositif de supervision 50 commande alors le dispositif de calage de pas 23 pour modifier à nouveau l’angle de calage θ des pales 21 de la soufflante 20 de sorte à augmenter le couple résistif de Cr, déplaçant sa courbe de la courbe 73 à la courbe 74. On atteint ainsi le nouveau point d’équilibre B’, toujours situé en dessous de la frontière 79, c’est-à-dire à un niveau de couple inférieur au couple résistif maximal Cmax pour la vitesse de rotation ω correspondante.

Une fois que le moteur a atteint ce point d’équilibre B’, la tension de fonctionnement v’ est à nouveau réduite d’un certain incrément, de v’^Bvers v’^C, ce qui abaisse la caractéristique du moteur 30 de la courbe 63 à la courbe 64. Le point de fonctionnement du moteur 30 se déplace alors vers le nouveau point d’équilibre C. On atteint alors la vitesse de rotation ω^C, encore inférieure à la vitesse de rotation ω^B.

Dans le présent exemple, à fins de simplification, les points de fonctionnements A, B, C entre chaque cycle de décélération présentent toujours la même valeur de couple électromagnétique cible Ce*. Toutefois, le module de supervision 50 peut également ajuster cette valeur en fonction de la situation, notamment en fonction de la vitesse de rotation ω et/ou du couple résistif maximal Cmax. En tout état de cause, les cycles de décélération sont calculés de sorte que le point de fonctionnement du moteur ne dépasse jamais la frontière 79.

Le dispositif de supervision 50 enchaîne ainsi des cycles de décélération jusqu’à ce que la vitesse de rotation ω atteigne 0.

On entre alors dans une deuxième phase au cours de laquelle le dispositif de supervision 50 inverse le sens de rotation du moteur, en inversant par exemple le signe de la tension de fonctionnement v’. De manière tout à fait symétrique à la première phase de décélération, le dispositif de supervision 50 augmente alors progressivement la vitesse de rotation ω du moteur 30, en valeur absolue, en effectuant des cycles successifs d’augmentation de la tension de fonctionnement v’, en valeur absolue, et de diminution du couple résistif Cr jusqu’à atteindre une vitesse de rotation prédéterminée.

Durant cette seconde phase, la soufflante est entrainée en sens inverse par rapport à son sens de rotation normal, ce qui inverse le sens du flux d’air dans la veine 26 et permet donc de freiner fortement l’aéronef. Cette vitesse de rotation est maintenue jusqu’à ce que le pilote commande l’arrêt de l’inversion de poussée, en pratique lorsque la vitesse de déplacement de l’aéronef passe en dessous d’une valeur prédéterminée.

On entre alors dans une troisième phase de décélération du moteur 30, tout à fait analogue à la première phase, jusqu’à ce que la vitesse de rotation ω atteigne à nouveau 0.

Le moteur 30 peut alors être arrêté ou bien être accéléré à nouveau dans une nouvelle phase de propulsion conventionnelle.

Comme cela a été indiqué plus haut, le présent exemple a été volontairement simplifié afin de faciliter la compréhension de l’exposé. En particulier, le couple résistif maximal Cmax et le couple électromagnétique cible Ce* peuvent varier en fonction de la vitesse de rotation ω du moteur 30. De plus, dans le présent exemple, on a considéré que le couple résistif Cr était uniquement fonction de la vitesse de rotation ω du moteur 30. Toutefois, en réalité, il est également fonction de la vitesse linéaire de l’air Vair au sein de la veine 26 : en effet, plus le flux d’air ralentit, moins il oppose de résistance à la rotation de la soufflante 20 et donc moins le couple résistif Cr est élevé. Néanmoins, à cet égard, il suffit de préciser que le dispositif de supervision 50 est capable de déterminer le couple résistif de la soufflante 20 et le couple résistif maximal Cmax en fonction de la vitesse de rotation ω et de la vitesse linéaire du flux d’air Vair grâce aux capteurs dédiés 27 et 33. Il suffit ainsi d’ajouter aux graphes des figures 3 et 4 une dimension supplémentaire relative à la vitesse linéaire du flux d’air Vair, les courbes Cr et la frontière Cmax devenant alors des surfaces déterminables par le dispositif de supervision 50. Le dispositif de supervision 50 est alors capable, de manière tout à fait analogue à l’exemple décrit, de calculer des points de fonctionnement et des cycles de décélération ou d’accélération dans cet espace tridimensionnel.

La représente de manière schématique un deuxième exemple d’ensemble propulsif 110. Cet ensemble propulsif 110 est tout à fait identique au premier exemple si ce n’est qu’il comprend en outre un générateur électrique 139 accouplé sur l’axe 134 du moteur 130.

Dans ce deuxième exemple, le dispositif de supervision 150 peut commander le générateur électrique 139 afin de prélever de la puissance mécanique sur l’axe 134 du moteur 130 et convertir cette dernière en puissance électrique. Ce prélèvement de puissance mécanique aboutit à augmenter le couple résistif C_r appliqué sur l’axe 134 du moteur 130. En modulant la quantité de puissance mécanique prélevée par le générateur électrique 139, le dispositif de supervision est ainsi capable de modifier le couple résistif C_rappliqué sur l’axe 134 du moteur 130.

Dès lors, dans ce deuxième exemple, les cycles de décélération et d’accélération de la soufflante peuvent être menés en agissant sur le calage de pas et/ou sur le prélèvement de puissance mécanique par le générateur électrique 139.

Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé.

Claims

Procédé d’inversion de poussée pour soufflante aéronautique,
dans lequel la soufflante (20) est entraînée par un moteur électrique (30),
dans lequel le couple résistif (Cr) appliqué sur l’axe (34) du moteur électrique (30) est réglable,
comprenant une première phase de décélération du moteur (30) durant laquelle le couple résistif (Cr) est progressivement augmenté tandis que la tension de fonctionnement (v’) est progressivement diminuée en valeur absolue, et
comprenant une deuxième phase d’inversion du sens de rotation et d’accélération du moteur (30).
Procédé selon la revendication 1, dans lequel le moteur (30) est contrôlé par un dispositif de contrôle (40) configuré pour contrôler le moteur (30) sur la base du couple appliqué, etdans lequel le dispositif de contrôle (40) est commandé par un dispositif de supervision (50).
Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le moteur (30) est alimenté en électricité par une source d’énergie électrique embarquée (5), et
dans lequel la soufflante (20) est délocalisée par rapport à la source d’énergie électrique (5).
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les pales (21) de la soufflante (20) sont à calage variable, et
dans lequel le couple résistif (Cr) appliqué sur l’axe (34) du moteur (30) est réglé par le dispositif de supervision (50) en modifiant le calage des pales (21) de la soufflante (20).
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel un générateur électrique est accouplé sur l’axe (34) du moteur (30), et
dans lequel le couple résistif (Cr) appliqué sur l’axe du moteur (30) est réglé par le dispositif de supervision (50) en modifiant la puissance mécanique prélevée sur l’axe (34) du moteur (30) par le générateur électrique.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel, au cours de la première phase de décélération du moteur (30), la vitesse de rotation (ω) du moteur (30) est réduite progressivement en réalisant des cycles successifs de décélération, chaque cycle de décélération comprenant une augmentation du couple résistif (Cr) et une diminution de la tension de fonctionnement (v’), et
dans lequel, au cours de chaque cycle de décélération, le couple résistif est augmenté d’un certain incrément puis, une fois l’équilibre atteint entre le couple électromagnétique et le couple résistif, la tension de fonctionnement (v’) est diminuée de sorte à atteindre un nouveau point d’équilibre cible.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel, au cours de la deuxième phase d’inversion du sens de rotation et d’accélération du moteur (30), la vitesse de rotation (ω) du moteur (30) est augmentée progressivement en réalisant des cycles successifs d’accélération, chaque cycle d’accélération comprenant une augmentation de la tension de fonctionnement (v’) et une diminution du couple résistif (Cr), et
dans lequel, au cours de chaque cycle d’accélération, la tension de fonctionnement (v’) est augmentée d’un certain incrément puis, une fois l’équilibre atteint entre le couple électromagnétique et le couple résistif, le couple résistif (Cr) est diminué de sorte à atteindre un nouveau point d’équilibre cible.
Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le dispositif de supervision (50) détermine un couple résistif maximal (Cmax) au-delà duquel l’intégrité du système, notamment du moteur (30) et/ou de la soufflante (20), n’est plus assurée, et
dans lequel le couple électromagnétique (Ce)est toujours inférieur ou égal au couple résistif maximal (Cmax).
Ensemble de propulsion comprenant
un moteur électrique (30),
une soufflante (20), entraînée par le moteur électrique (30), et
une unité de commande (40, 50),
dans lequel le couple résistif (Cr) appliqué sur l’axe (34) du moteur électrique (30) est réglable,
dans lequel l’unité de commande (40, 50) est configurée, dans un premier mode de commande, pour décélérer le moteur (30) en augmentant progressivement le coupe résistif (Cr) et en diminuant progressivement en valeur absolue la tension de fonctionnement (v’) du moteur (30), et
dans lequel l’unité de commande (40, 50) est configurée, dans un deuxième mode de commande, pour inverser le sens de rotation et accélérer le moteur (30).
Turbomachine, comprenant
une turbine à gaz,
un générateur électrique connecté à un arbre de la turbine à gaz, et
un ensemble propulsif (10) selon la revendication 9, le moteur électrique (30) étant alimenté en électricité au moins à partir du générateur électrique.
Aéronef comprenant une turbomachine selon la revendication 10.