FR3123694A1 - ELECTROMAGNETIC PUMP FOR TURBOMACHINE - Google Patents

ELECTROMAGNETIC PUMP FOR TURBOMACHINE Download PDF

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David Simon Serge TAIEB
Jean-Marie André Robert GIGON
Franck Albert Robert DUPEU
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Safran Helicopter Engines SAS
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Abstract

L’invention concerne une pompe électromagnétique (100) pour turbomachine comprenant un corps rotatif comportant un arbre moteur, la pompe étant découplée mécaniquement de l’arbre moteur et comprenant au moins : un stator (110) délimitant un volume interne annulaire, un rotor (120) agencé dans le volume interne et apte à entraîner un fluide,une pluralité d’aimants (130) répartis de manière annulaire sur le rotor, une pluralité de bobines (140) réparties de manière annulaire à l’intérieur du stator, les bobines étant agencées en vis-à-vis de la pluralité d’aimants (130),une paire d’aimants (1241, 1242) de polarités opposées agencée sur le rotor, et dans laquelle le stator comporte deux aimants (1116, 1126) (A) chacun adapté pour coopérer avec un des aimants de la paire d’aimants, la paire d’aimants et les aimants des flasques sont chacun agencés de manière coaxiale avec l’axe de rotation (A) du rotor. Figure pour l'abrégé : Figure 2The invention relates to an electromagnetic pump (100) for a turbomachine comprising a rotating body comprising a motor shaft, the pump being mechanically decoupled from the motor shaft and comprising at least: a stator (110) delimiting an annular internal volume, a rotor ( 120) arranged in the internal volume and capable of driving a fluid,a plurality of magnets (130) distributed in an annular manner on the rotor, a plurality of coils (140) distributed in an annular manner inside the stator, the coils being arranged opposite the plurality of magnets (130),a pair of magnets (1241, 1242) of opposite polarities arranged on the rotor, and in which the stator comprises two magnets (1116, 1126) ( A) each adapted to cooperate with one of the magnets of the pair of magnets, the pair of magnets and the magnets of the flanges are each arranged coaxially with the axis of rotation (A) of the rotor. Figure for abstract: Figure 2

Description

POMPE ELECTROMAGNÉTIQUE POUR TURBOMACHINEELECTROMAGNETIC PUMP FOR TURBOMACHINE

La présente invention concerne le domaine des turbomachines du type comprenant un corps rotatif comprenant un arbre moteur délivrant une puissance mécanique. L’invention concerne une pompe électromagnétique pour une telle turbomachine.
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 ».The present invention relates to the field of turbomachines of the type comprising a rotating body comprising a motor shaft delivering mechanical power. The invention relates to an electromagnetic pump for such a turbomachine.
The invention applies to all types of turbomachines, in particular those used in aircraft such as turbojets, turboprops, and unducted fan turbomachines, also known by the Anglo-Saxon term “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 conventional turbomachine comprises, in known manner, one or more rotating bodies. Each rotating body comprises a compressor, a turbine and a motor shaft connecting the turbine to the compressor to drive the compressor in rotation. Part of the power generated by the turbomachine is used to drive various accessories (or auxiliary machines), necessary for the operation of the turbojet or the aircraft, such as for example a lubrication pump or a fuel pump.

A cet effet, la turbomachine comprend généralement une boîte d'engrenage d'accessoires (également connue « Accessory Gear Box » en anglais) reliant l’arbre moteur aux pompes. Lorsque l'arbre moteur est entraîné en rotation, la boîte d'engrenage d'accessoires 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.For this purpose, the turbomachine generally comprises an accessory gear box (also known as "Accessory Gear Box") connecting the motor shaft to the pumps. When the motor shaft is rotated, the accessory gearbox transmits the rotational movement to the various accessories. In other words, the mechanical energy produced by the motor shaft is transmitted to the pumps through the accessory gearbox.

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,However, this technical solution has the following drawbacks:
- part of the mechanical power delivered by the rotating body is taken off to drive the pump(s),
- the speed of rotation of the pump(s) is dependent on the speed of rotation of the motor shaft, the pump(s) then not being able to be controlled according to an independent engine speed,

- la liaison mécanique entre l’arbre moteur et la ou les pompes nécessite des étanchéités dynamiques qui sont difficiles à réaliser et s’usent au cours du temps,
- la ou les pompes comportent un arbre de rotation supporté par des paliers mécaniques soumis aux usures mécaniques liées aux frottements qui diminuent fortement le rendement de la ou des pompes.
- la liaison mécanique entre l’arbre moteur et la ou les pompes requiert 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 et la soumet à des contraintes thermiques.- the mechanical connection between the motor shaft and the pump(s) requires dynamic seals which are difficult to achieve and wear out over time,
- The pump or pumps comprise a rotating shaft supported by mechanical bearings subject to mechanical wear associated with friction which greatly reduces the efficiency of the pump or pumps.
the mechanical connection between the motor shaft and the pump(s) requires placing the pump(s) in the vicinity of the accessory gearbox, which greatly limits the possibilities of installing the pump(s) in a turbomachine and subjects it to thermal stresses.

La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de proposer une pompe électromagnétique découplée mécaniquement de l’arbre moteur et dans laquelle les contacts physiques entre le rotor de la pompe et le reste de la pompe sont éliminés.The object of the present invention is to remedy these drawbacks and to propose an electromagnetic pump mechanically decoupled from the motor shaft and in which the physical contacts between the rotor of the pump and the rest of the pump are eliminated.

À cet effet, l’invention concerne une pompe électromagnétique pour turbomachine comprenant un corps rotatif comportant un arbre moteur délivrant une puissance mécanique, la pompe étant découplée mécaniquement de l’arbre moteur et comprenant au moins :
- un stator délimitant un volume interne annulaire et comportant deux flasques,
- un rotor agencé dans le volume interne entre les deux flasques et apte à entraîner un fluide, le rotor étant mobile en rotation autour d’un axe de rotation,
- une pluralité d’aimants répartis de manière annulaire sur le rotor,
- une pluralité de bobines réparties de manière annulaire à l’intérieur du stator, les bobines de la pluralité de bobines étant agencées en vis-à-vis des aimants de la pluralité d’aimants,
- une paire d’aimants de polarités opposées agencée sur le rotor de manière coaxiale avec l’axe de rotation, et
dans laquelle les flasques comportent chacun un aimant agencé de manière coaxiale avec l’axe de rotation et adapté pour coopérer avec un des aimants de la paire d’aimants.To this end, the invention relates to an electromagnetic pump for a turbomachine comprising a rotating body comprising a motor shaft delivering mechanical power, the pump being mechanically decoupled from the motor shaft and comprising at least:
- a stator delimiting an annular internal volume and comprising two flanges,
- a rotor arranged in the internal volume between the two flanges and capable of driving a fluid, the rotor being able to rotate around an axis of rotation,
- a plurality of magnets distributed in an annular manner on the rotor,
- a plurality of coils distributed in an annular manner inside the stator, the coils of the plurality of coils being arranged opposite the magnets of the plurality of magnets,
- a pair of magnets of opposite polarity arranged on the rotor coaxially with the axis of rotation, and
wherein the flanges each comprise a magnet arranged coaxially with the axis of rotation and adapted to cooperate with one of the magnets of the pair of magnets.

Une telle pompe équipant une turbomachine est ainsi découplée mécaniquement de l’arbre moteur de la turbomachine et peut avantageusement être pilotée 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 effet, la pompe est entrainée en rotation par un entrainement magnétique à flux radial au lieu d’un arbre mécanique.
En outre, les paliers mécaniques de l’art antérieur sont remplacés par un palier « magnétique » formé par les aimants agencés sur le rotor et le stator coaxialement avec l’axe de rotation du rotor, éliminant ainsi les contacts physiques entre le rotor et le reste de la pompe.
Ainsi, les aimants de la pompe permettent à la fois de réaliser l’entraînement en rotation du rotor de la pompe et de réaliser un calage du rotor dans la pompe tant axial que radial magnétiquement.
Avantageusement, les aimants de la paire d’aimants agencée sur le rotor et les aimants des flasques sont des aimants permanents. Ainsi, les aimants ont la double fonction de garantir un guidage en rotation de manière passive et un entrainement en rotation du rotor par la coopération des bobines électriques et des aimants répartis annulairement sur le rotor de la même manière que pour un moteur.Such a pump fitted to a turbomachine is thus mechanically decoupled from the motor shaft of the turbomachine and can advantageously be controlled independently of the engine speed. It is thus possible to have a greater freedom on the choice of the speed of rotation of the pump and on the possibilities of implantation of the pump or pumps in the turbomachine.
Indeed, the pump is driven in rotation by a radial flux magnetic drive instead of a mechanical shaft.
Furthermore, the mechanical bearings of the prior art are replaced by a "magnetic" bearing formed by the magnets arranged on the rotor and the stator coaxially with the axis of rotation of the rotor, thus eliminating the physical contacts between the rotor and the rest of the pump.
Thus, the magnets of the pump make it possible both to drive the rotor of the pump in rotation and to lock the rotor in the pump both axially and radially magnetically.
Advantageously, the magnets of the pair of magnets arranged on the rotor and the magnets of the flanges are permanent magnets. Thus, the magnets have the dual function of guaranteeing passive rotational guidance and rotational driving of the rotor by the cooperation of the electric coils and the magnets distributed annularly on the rotor in the same way as for a motor.

L’invention s’applique notamment, mais pas exclusivement, aux pompes du type à anneau liquide, à canal latéral ou régénérative et gérotor.The invention applies in particular, but not exclusively, to pumps of the liquid ring, side channel or regenerative and gerotor type.

Selon un mode de réalisation, les bobines de la pluralité de bobines sont agencées en vis-à-vis des aimants de la pluralité d’aimants suivant une direction radiale permettant d’optimiser grandement l’encombrement axial de la pompe. Un telle pompe est avantageusement très compacte.According to one embodiment, the coils of the plurality of coils are arranged opposite the magnets of the plurality of magnets in a radial direction making it possible to greatly optimize the axial size of the pump. Such a pump is advantageously very compact.

De préférence, le rotor comprend une roue munie d’une pluralité d’aubes, les aimants de la pluralité d’aimants sont maintenus au niveau des extrémités radialement externes des aubes de la roue.Preferably, the rotor comprises an impeller provided with a plurality of blades, the magnets of the plurality of magnets are held at the radially outer ends of the blades of the impeller.

Selon un autre mode de réalisation, les bobines de la pluralité de bobines étant en vis-à-vis des aimants suivant une direction axiale permettant d’optimiser grandement l’encombrement radial de la pompe. Un telle pompe est également avantageusement très compacte.According to another embodiment, the coils of the plurality of coils being opposite the magnets in an axial direction making it possible to greatly optimize the radial size of the pump. Such a pump is also advantageously very compact.

De préférence, les aimants de la pluralité d’aimants sont maintenus au niveau de la périphérie externe de la roue d’aubes du rotor.Preferably, the plurality of magnets are held at the outer periphery of the rotor blade wheel.

L’invention a encore pour objet une turbomachine comprenant un corps rotatif comportant un arbre moteur délivrant une puissance mécanique, et au moins une pompe électromagnétique selon l’invention.Another subject of the invention is a turbomachine comprising a rotating body comprising a motor shaft delivering mechanical power, and at least one electromagnetic pump according to the invention.

Selon une autre caractéristique particulière, au moins une des pompes est agencée et configurée pour alimenter la turbomachine en carburant ou en lubrifiant.According to another particular characteristic, at least one of the pumps is arranged and configured to supply the turbomachine with fuel or lubricant.

L’invention a encore pour objet un aéronef comprenant au moins un turbopropulseur ou un turboréacteur comprenant une turbomachine selon l’invention.Another subject of the invention is an aircraft comprising at least one turboprop engine or a turbojet engine comprising a turbomachine according to the invention.

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 :The present invention will be better understood and other details, characteristics and advantages of the present invention will appear more clearly on reading the description of a non-limiting example which follows, with reference to the appended drawings in which:

La est une vue schématique en perspective éclatée d’une pompe électromagnétique conformément à un mode de réalisation de l’invention, The is a schematic exploded perspective view of an electromagnetic pump according to one embodiment of the invention,

La est une vue schématique en coupe selon l’axe longitudinal de la pompe électromagnétique de la , The is a schematic sectional view along the longitudinal axis of the electromagnetic pump of the ,

La est une vue schématique en perspective d’une partie de la pompe électromagnétique des figures 1 et 2, The is a schematic perspective view of part of the electromagnetic pump of Figures 1 and 2,

La est une vue schématique en perspective éclatée d’une pompe électromagnétique conformément à un autre mode de réalisation de l’invention, The is a schematic exploded perspective view of an electromagnetic pump according to another embodiment of the invention,

La est une représentation schématique d’une turbomachine selon l’invention. The is a schematic representation of a turbomachine according to the invention.

Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différentes mises en œuvre ont les mêmes références dans les figures.The elements having the same functions in the different implementations have the same references in the figures.

Claims (10)

Pompe électromagnétique (100) pour turbomachine comprenant un corps rotatif comportant un arbre moteur délivrant une puissance mécanique, la pompe étant découplée mécaniquement de l’arbre moteur et comprenant au moins :
- un stator (110) délimitant un volume interne annulaire et comportant deux flasques (1110, 1120),
- un rotor (120) agencé dans le volume interne entre les deux flasques et apte à entraîner un fluide, le rotor étant mobile en rotation autour d’un axe de rotation (A),
- une pluralité d’aimants (130) répartis de manière annulaire sur le rotor,
- une pluralité de bobines (140) réparties de manière annulaire à l’intérieur du stator, les bobines de la pluralité de bobines (140) étant agencées en vis-à-vis des aimants de la pluralité d’aimants (130),
- une paire d’aimants (1241, 1242) de polarités opposées agencée sur le rotor de manière coaxiale avec l’axe de rotation, et
dans laquelle les flasques comportent chacun un aimant (1116, 1126) agencé de manière coaxiale avec l’axe de rotation (A) et adapté pour coopérer avec un des aimants (1241, 1242) de la paire d’aimants.Electromagnetic pump (100) for a turbomachine comprising a rotating body comprising a motor shaft delivering mechanical power, the pump being mechanically decoupled from the motor shaft and comprising at least:
- a stator (110) delimiting an annular internal volume and comprising two flanges (1110, 1120),
- a rotor (120) arranged in the internal volume between the two flanges and capable of driving a fluid, the rotor being able to rotate around an axis of rotation (A),
- a plurality of magnets (130) distributed in an annular manner on the rotor,
- a plurality of coils (140) distributed in an annular manner inside the stator, the coils of the plurality of coils (140) being arranged opposite the magnets of the plurality of magnets (130),
- a pair of magnets (1241, 1242) of opposite polarities arranged on the rotor coaxially with the axis of rotation, and
in which the flanges each comprise a magnet (1116, 1126) arranged coaxially with the axis of rotation (A) and adapted to cooperate with one of the magnets (1241, 1242) of the pair of magnets. Pompe électromagnétique selon la revendication 1, dans laquelle les aimants (1241, 1242) de la paire d’aimants agencée sur le rotor et les aimants (1116, 1126) des flasques sont des aimants permanents.Electromagnetic pump according to claim 1, wherein the magnets (1241, 1242) of the pair of magnets arranged on the rotor and the magnets (1116, 1126) of the flanges are permanent magnets. Pompe électromagnétique selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les bobines (130) de la pluralité de bobines sont agencées en vis-à-vis des aimants (140) de la pluralité d’aimants suivant une direction radiale (DR).An electromagnetic pump according to claim 1 or 2, wherein the coils (130) of the plurality of coils are arranged opposite the magnets (140) of the plurality of magnets in a radial direction (D R ). Pompe électromagnétique selon la revendication 3, dans laquelle le rotor (120) comprend une roue (121) munie d’une pluralité d’aubes (122), les aimants (130) de la pluralité d’aimants étant maintenus au niveau des extrémités radialement externes des aubes de la roue.An electromagnetic pump according to claim 3, wherein the rotor (120) comprises an impeller (121) provided with a plurality of vanes (122), the magnets (130) of the plurality of magnets being held at the ends radially outer blades of the impeller. Pompe électromagnétique selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les bobines (240) de la pluralité de bobines sont agencées en vis-à-vis des aimants (230) de la pluralité d’aimants suivant une direction axiale (DA).An electromagnetic pump according to claim 1 or 2, wherein the coils (240) of the plurality of coils are arranged opposite the magnets (230) of the plurality of magnets along an axial direction (D A ). Pompe électromagnétique selon la revendication 5, dans laquelle le rotor (220) comprend une roue (221) munie d’une pluralité d’aubes (222), les aimants (230) de la pluralité d’aimants étant maintenus au niveau de la périphérie externe de la roue.An electromagnetic pump according to claim 5, wherein the rotor (220) comprises an impeller (221) provided with a plurality of vanes (222), the magnets (230) of the plurality of magnets being held at the periphery outside of the wheel. Pompe électromagnétique selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la pompe est du type à anneau liquide, à canal latéral, gérotor ou centrifuge.An electromagnetic pump according to any of claims 1 to 6, wherein the pump is of the liquid ring, side channel, gerotor or centrifugal type. Turbomachine comprenant un corps rotatif comportant un arbre moteur délivrant une puissance mécanique, et au moins une pompe électromagnétique selon l’une quelconque des revendications précédentes.Turbomachine comprising a rotating body comprising a motor shaft delivering mechanical power, and at least one electromagnetic pump according to any one of the preceding claims. Turbomachine selon la revendication 8, dans laquelle au moins une des pompes est agencée pour alimenter la turbomachine en carburant ou en lubrifiant.Turbomachine according to claim 8, in which at least one of the pumps is arranged to supply the turbomachine with fuel or lubricant. Aéronef comportant au moins une turbomachine selon l’une des revendications 8 ou 9.Aircraft comprising at least one turbomachine according to one of claims 8 or 9.
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