WO2015092201A2 - Dispositif pour la transmission indépendante de multiples puissances électriques sur un rotor de turbomachine - Google Patents
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Definitions
- a turbomachine rotor comprises a rotary shaft carrying compressor blades (axial or centrifugal, open or closed, for compressible fluid or incompressible fluid) and / or turbine (axial or centrifugal, open or closed, for compressible fluid or for fluid incompressible). It is already known to equip a turbomachine rotor, and in particular the blades of such a rotor, with different electrical and / or electronic systems, for example for de-icing the blades, the detection of shocks or vibrations ( WO 03102599, WO 03104821, WO 9957435) or the like.
- each of the aforementioned filters may be formed of a passive filter of the RLC type.
- filters for example active filters with operational amplifier, where appropriate in the form of integrated circuits, for example as regards the filters carried by the stator.
- At least one electrical coupling device called rotor coupling device, between each secondary conductor of the rotor and at least one main conductor of the rotor, said mixed conductor of the rotor, the rotor coupling device being adapted to feed each secondary conductor of the rotor selectively in secondary power delivered by each mixed conductor of the rotor,
- each electrical coupling device comprises an isolation transformer forming an induction coupling.
- each stator coupling device comprises a transformer, called a stator isolation transformer, forming an induction coupling between the mixed conductor of the stator and each secondary conductor of the stator,
- the impedance of the parallel capacitance forming the stator loopback filter is lower, especially at least 10 times smaller than the impedance of the main source
- the invention also relates to a device for the independent transmission of multiple electrical powers on a turbomachine rotor -particularly a device for supplying electrical power to at least one secondary electrical load on board a turbomachine rotor, a turbomachine, an aircraft and a wind turbines characterized in combination by all or some of the features mentioned above or hereafter.
- FIG. 6 is a block diagram of a turbomachine and a third embodiment of a device according to the invention in which it constitutes a device for monitoring the proper functioning of the secondary circuit and / or at least one part of the main circuit,
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Abstract
L'invention concerne un dispositif d'alimentation électrique d'au moins une charge électrique secondaire embarquée sur un rotor (12) de turbomachine comprenant un circuit principal de transmission de puissance électrique principale à au moins une charge (16) électrique principale embarquée, comportant un dispositif (15) de liaison électrique rotative entre le stator et le rotor, et au moins un circuit secondaire de transmission d'une puissance électrique secondaire comprenant au moins un conducteur (28) secondaire du stator relié à une source de puissance électrique secondaire adaptée pour délivrer une puissance secondaire sous forme d'un signal de puissance à une fréquence secondaire choisie pour permettre une transmission sélective et sans interférences de la puissance secondaire par l'intermédiaire du dispositif (15) de liaison électrique rotative indépendamment de la transmission de puissance principale.
Description
DISPOSITIF POUR LA TRANSMISSION INDÉPENDANTE DE MULTIPLES PUISSANCES ÉLECTRIQUES SUR UN ROTOR DE TURBOMACHINE
L'invention concerne un dispositif pour la transmission indépendante de multiples puissances électriques sur un rotor de turbomachine monté rotatif par rapport à un stator de la turbomachine. Elle s'étend à une turbomachine -notamment une turbomachine à hélice(s) telle qu'un turbopropulseur d'aéronef, une voilure tournante d'aéronef (hélicoptères, autogyres, drones...), ou une hélice d'éolienne ; ou un compresseur axial ou une turbine axiale...- équipée d'un tel dispositif de transmission indépendante de multiples puissances électriques, et en particulier à un aéronef comprenant au moins une telle turbomachine, et à une éolienne comprenant au moins une telle turbomachine.
Dans tout le texte, l'expression « transmission de puissance électrique » désigne l'établissement d'un courant électrique continu ou alternatif sous une tension électrique continue ou alternative, de caractéristiques prédéterminées qui restent constantes dans le temps, par opposition à des signaux électriques de commande ou de communication qui sont, par nature, régulièrement interrompus et/ou de caractéristiques variables dans le temps de façon à transmettre des informations.
Un rotor de turbomachine comprend un arbre rotatif portant des pales de compresseur (axial ou centrifuge ; ouvert ou fermé ; pour fluide compressible ou pour fluide incompressible) et/ou de turbine (axiale ou centrifuge ; ouverte ou fermée ; pour fluide compressible ou pour fluide incompressible). On connaît déjà l'intérêt d'équiper un rotor de turbomachine, et en particulier les pales d'un tel rotor, avec différents systèmes électriques et/ou électroniques, par exemple pour le dégivrage des pales, la détection de chocs ou de vibrations (WO 03102599, WO 03104821, WO 9957435) ou autres.
Un des problèmes qui se posent néanmoins dans ce contexte est celui de l'alimentation électrique de ces différentes charges électriques embarquées sur le rotor. En effet, WO 03102599 et WO 03104821 prévoient par exemple l'utilisation d'une pile. Cette solution n'est pas satisfaisante et n'est pas
exploitée en pratique. En effet, elle impose une limitation importante des performances du système électrique embarqué du fait qu'elle ne permet pas de fournir une quantité d'énergie importante et/ou une autonomie suffisante, ou nécessite des opérations de maintenance régulière coûteuses. En outre, elle ne présente pas une fiabilité suffisante (le fonctionnement de la pile pouvant être affecté par les accélérations ou vibrations importantes subies sur un rotor de turbomachine ; et le fonctionnement et l'autonomie de la pile ne pouvant pas être contrôlés en temps réel par un système solidaire du stator). Par ailleurs, elle pose des problèmes d'intégration de la pile compte tenu de sa masse (entraînant un balourd) et de son encombrement.
WO 9957435 préconise dans le cas d'une éolienne d'utiliser comme source d'énergie électrique une batterie rechargée par un chargeur exploitant la rotation du rotor, ou des panneaux solaires, ou une petite turbine portée par les pales, ou encore la puissance électrique de la génératrice entraînée par l'éolienne. Toutes ces solutions présentent des inconvénients qui les rendent difficilement exploitables en pratique. Par exemple, l'utilisation d'un collecteur tournant dédié spécifiquement à l'alimentation électrique d'un système électrique embarqué de surveillance est théoriquement possible, mais constituerait en pratique une solution lourde, encombrante, et très onéreuse.
Par ailleurs, on connaît des turbomachines comprenant un circuit principal de transmission de puissance entre un stator et un rotor, par exemple pour l'alimentation de systèmes de dégivrage électrique des pales, et il a été proposé (cf. par exemple US 6851929, US 7355302, US 7602081, EP 2664545...) d'utiliser ce circuit principal de transmission de puissance pour transmettre des signaux de commande entre stator et rotor, vers une unité électronique embarquée de contrôle du système de dégivrage. L'alimentation électrique de cette unité électronique embarquée est réalisée à partir du circuit principal, et peut ne pas être active en l'absence de puissance transmise par le circuit principal vers le système de dégivrage, sauf à prévoir des accumulateurs portés par le rotor, avec les mêmes inconvénients que ceux mentionnés ci-dessus.
L'invention vise donc à pallier l'ensemble de ces inconvénients en proposant un dispositif pour la transmission indépendante de multiples puissances électriques sur un rotor de turbomachine monté rotatif par rapport à un stator de la turbomachine.
L'invention vise aussi à proposer un dispositif pour la transmission indépendante de multiples puissances électriques sur un rotor de turbomachine qui présente une fiabilité compatible avec les contraintes de fonctionnement de la turbomachine, dont l'intégration dans la turbomachine n'affecte pas sensiblement les performances ni le fonctionnement de cette dernière ou de ses différents composants, et qui soit de faible coût d'installation et d'utilisation.
L'invention vise également à proposer un tel dispositif qui soit compatible avec son intégration sur une turbomachine, et en particulier sur une turbomachine d'aéronef. À ce titre, l'invention vise plus particulièrement à proposer un tel dispositif qui soit léger, peu encombrant, simple, fiable, de grande durée de vie, qui puisse faire l'objet de certifications et soit compatible avec les contraintes d'intégration à bord des aéronefs ou des éoliennes.
L'invention vise en particulier à proposer un tel dispositif permettant d'une part l'alimentation électrique d'au moins une charge électrique principale embarquée sur un rotor de turbomachine, et d'autre part, l'alimentation électrique indépendante d'au moins une charge électrique secondaire embarquée sur ce rotor. L'invention vise en particulier à proposer un tel dispositif d'alimentation électrique permettant un ajustement des caractéristiques de l'alimentation électrique de chaque charge électrique secondaire embarquée en fonction des besoins spécifiques de cette charge électrique secondaire (sans imposer une limitation des performances de chaque charge électrique secondaire), qui ne soit pas limité en autonomie, et qui assure une alimentation électrique de chaque charge électrique secondaire indépendamment de l'alimentation électrique de chaque charge électrique principale embarquée sur le rotor.
L'invention vise ainsi en particulier à proposer un dispositif pour la transmission indépendante de multiples puissances électriques sur un rotor de turbomachine permettant l'alimentation électrique d'au moins une charge électrique secondaire embarquée qui soit indépendant de l'alimentation électrique d'autres charges électriques embarquées telles que les systèmes de dégivrage électrique (c'est-à-dire qui assure l'alimentation d'au moins une charge électrique secondaire embarquée même lorsque l'alimentation d'autres charges électriques embarquées est absente). L'invention vise également en particulier à proposer un tel dispositif d'alimentation qui permette d'éviter l'intégration de piles ou accumulateurs embarqués sur le rotor, et donc qui soit exempt de piles ou d'accumulateurs embarqués sur le rotor.
L'invention vise également à proposer un tel dispositif pour la transmission indépendante de multiples puissances électriques sur un rotor de turbomachine qui permette l'alimentation sélective de chaque charge électrique secondaire embarquée, sans interférer avec d'autres composants électriques embarqués qui sont alimentés par un autre dispositif d'alimentation.
L'invention vise aussi en particulier à proposer un dispositif pour la transmission indépendante de multiples puissances électriques sur un rotor de turbomachine permettant la surveillance d'au moins une partie d'un circuit de transmission de puissance entre le stator et le rotor de la turbomachine.
L'invention vise également à proposer une turbomachine présentant les mêmes avantages, c'est-à-dire comprenant un dispositif pour la transmission indépendante de multiples puissances électriques sur le rotor de la turbomachine présentant les avantages susmentionnés.
L'invention vise également à proposer en particulier une turbomachine dont le rotor puisse être équipé d'au moins une charge électrique principale embarquée et d'au moins une charge électrique secondaire embarquée dont l'alimentation électrique est assurée indépendamment de l'alimentation électrique de chaque charge électrique principale, par un dispositif pour la
transmission indépendante de multiples puissances électriques sur le rotor de la turbomachine présentant les avantages susmentionnés.
L'invention vise plus particulièrement à proposer une turbomachine axiale à air ouverte (hélice ou soufflante de turbopropulseur ou de moteur à pistons d'aéronef, hélice d'éolienne...).
L'invention vise également à proposer un aéronef comprenant au moins une telle turbomachine. L'invention vise également à proposer une éolienne comprenant au moins une telle turbomachine.
Pour ce faire, l'invention concerne un dispositif pour la transmission indépendante de multiples puissances électriques sur un rotor de turbomachine monté rotatif par rapport à un stator, comprenant :
- un circuit, dit circuit principal, de transmission de puissance électrique comportant :
o des conducteurs électriques, dits conducteurs principaux du stator, solidaires du stator, reliés à au moins une source de puissance électrique, dite source principale, adaptée pour délivrer une puissance électrique, dite puissance principale,
o des conducteurs électriques, dits conducteurs principaux du rotor, solidaires du rotor, reliés à au moins une charge électrique principale portée par le rotor pour l'alimenter en puissance principale,
o un dispositif de liaison électrique rotative entre les conducteurs principaux du stator et les conducteurs principaux du rotor apte à assurer entre eux une transmission de puissance électrique,
- au moins un circuit, dit circuit secondaire, de transmission d'une puissance électrique, dite puissance secondaire, comportant :
o au moins un conducteur électrique, dit conducteur secondaire du stator, solidaire du stator, et relié à une source de puissance électrique, dite source secondaire, distincte de chaque source principale et adaptée pour délivrer la puissance secondaire sous forme d'un signal de puissance à une fréquence prédéterminée, dite fréquence secondaire, choisie pour permettre une transmission
sélective et sans interférences de la puissance secondaire sur les conducteurs principaux du stator et du rotor et par le dispositif de liaison électrique rotative, indépendamment de la transmission de puissance principale à chaque charge électrique principale,
o au moins un dispositif de couplage électrique, dit dispositif de couplage de stator, entre chaque conducteur secondaire du stator et au moins un conducteur principal du stator, dit conducteur mixte du stator, le dispositif de couplage de stator étant adapté pour alimenter chaque conducteur mixte du stator en puissance secondaire délivrée par chaque conducteur secondaire du stator.
L'invention propose ainsi un dispositif permettant la transmission indépendante de multiples puissances électriques sur un rotor de turbomachine, via un même dispositif de liaison électrique rotative. Chaque puissance électrique ainsi transmise sur le rotor peut présenter toutes caractéristiques appropriées, et notamment en tension et intensité. L'une des puissances électriques peut être, au passage du dispositif de liaison électrique rotative, du type à courant continu. Au moins une puissance électrique peut être du type à courant alternatif (monophasé ou triphasé).
De la sorte, il est possible d'alimenter électriquement indépendamment de multiples charges électriques portées par le rotor et/ou d'effectuer également une surveillance permanente du fonctionnement et/ou de la qualité d'un (ou plusieurs) circuit(s) électrique(s) de transmission de puissance électrique sur le rotor.
Le dispositif de liaison électrique rotative peut être formé de toute structure connue en elle-même permettant d'assurer une liaison électrique entre deux pièces rotatives l'une par rapport à l'autre. Ce dispositif peut être un dispositif de liaison électrique par contacts rotatifs, par exemple un collecteur à balais, ou un dispositif de liaison électrique rotative sans contact.
Dans un dispositif selon l'invention, chaque source secondaire n'est pas portée par le rotor. Elle est solidaire du stator ou d'un système extérieur à la turbomachine (par exemple porté par le châssis d'un aéronef ou le mât d'une
éolienne). La source secondaire délivre la puissance secondaire selon les caractéristiques requises, et est elle-même alimentée à partir d'une source d'énergie quelconque, qui peut être la source principale, par exemple un réseau électrique de l'aéronef portant la turbomachine ou un réseau électrique terrestre dans le cas d'une éolienne. Chaque source de puissance électrique, et en particulier chaque source secondaire, peut être choisie dans le groupe constitué des sources de puissance, des sources de tension et des sources de courant. Il s'agit avantageusement d'une alimentation stabilisée.
La fréquence secondaire est choisie de façon à séparer la transmission de la puissance secondaire dans les conducteurs principaux de toute autre transmission de puissance électrique ou de signaux via ces conducteurs principaux. La fréquence secondaire est différente de la fréquence principale. En particulier, avantageusement et selon l'invention la fréquence principale et la fréquence secondaire sont dans un rapport multiplicatif au moins supérieur à 2, notamment supérieur à 10. De préférence, la fréquence secondaire est supérieure à la fréquence principale. Rien n'empêche en variante de prévoir au contraire que la fréquence secondaire soit inférieure à la fréquence principale.
Dans certains modes de réalisation, avantageusement et selon l'invention, ledit circuit secondaire comporte :
- au moins un filtre de bouclage du stator,
- au moins un filtre de bouclage du rotor,
- ces filtres de bouclage étant choisis et agencés pour former dans le circuit principal au moins une boucle de transmission de puissance secondaire comprenant ledit dispositif de liaison électrique rotative et au moins un dispositif de couplage de stator et permettant une circulation de ladite puissance secondaire.
Les filtres de bouclage sont adaptés en fonction des caractéristiques de la puissance secondaire et de la puissance électrique susceptible d'être transmise par le circuit principal indépendamment de la puissance secondaire.
En particulier, avantageusement et selon l'invention la puissance principale étant transmise dans le circuit principal à une fréquence, dite
fréquence principale, la fréquence secondaire est différente de la fréquence principale. Par ailleurs, chaque filtre de bouclage est un filtre adapté pour transmettre sélectivement la puissance secondaire à la fréquence secondaire en filtrant la puissance électrique à la fréquence principale.
En outre, avantageusement et selon l'invention, chaque dispositif de couplage de stator comprend un filtre isolant chaque source secondaire de la puissance principale. De la sorte, chaque source secondaire est protégée de la puissance principale.
Avantageusement et selon l'invention, chacun des filtres susmentionnés peut être formé d'un filtre passif du type RLC. Rien n'empêche cependant d'utiliser des filtres plus sophistiqués, par exemple des filtres actifs à amplificateur opérationnel, le cas échéant sous forme de circuits intégrés, par exemple en ce qui concerne les filtres portés par le stator.
Dans certains modes de réalisation, avantageusement et selon l'invention, la fréquence secondaire est supérieure (au moins deux fois supérieure) à la fréquence principale, chaque filtre de bouclage est un filtre passe-haut de transmission sélective de la fréquence secondaire, et le dispositif de couplage de stator comprend un filtre passe-haut isolant ladite source secondaire de la puissance principale. Par ailleurs, dans ces modes de réalisation, avantageusement et selon l'invention, chaque filtre de bouclage est une capacité parallèle interposée entre deux conducteurs principaux pour former une boucle dans le circuit principal. En effet, une simple capacité parallèle est suffisante pour faire office de filtre passe- haut.
Le choix de la fréquence secondaire est aussi adapté au contexte général de l'application de l'invention. Avantageusement et selon l'invention, la fréquence secondaire est supérieure à 10 kHz. Par ailleurs, en général, la fréquence principale est inférieure à 1 kHz, notamment dans le cas d'un aéronef.
Le dispositif selon l'invention permet en particulier l'alimentation électrique indépendante via une partie du circuit principal, et notamment via ledit dispositif de liaison électrique rotative, d'au moins une charge
électrique secondaire embarquée sur le rotor, par une puissance électrique secondaire totalement indépendante d'une puissance électrique qui peut être transmise par le circuit principal pour l'alimentation d'au moins une autre charge électrique également embarquée sur le rotor (par exemple une puissance électrique pour l'alimentation de systèmes de dégivrage). À ce titre, le dispositif selon l'invention est donc un dispositif d'alimentation électrique d'une pluralité de charges électriques embarquées sur le rotor indépendamment les unes des autres via un même dispositif de liaison électrique rotative, et en particulier un dispositif d'alimentation électrique d'au moins une charge électrique secondaire portée par le rotor.
Ainsi selon un aspect, l'invention concerne un dispositif pour la transmission indépendante de multiples puissances électriques sur un rotor de turbomachine, caractérisé en outre par le fait que ledit circuit secondaire comporte :
- au moins un conducteur électrique, dit conducteur secondaire du rotor, solidaire du rotor,
- au moins un dispositif de couplage électrique, dit dispositif de couplage de rotor, entre chaque conducteur secondaire du rotor et au moins un conducteur principal du rotor, dit conducteur mixte du rotor, le dispositif de couplage de rotor étant adapté pour alimenter chaque conducteur secondaire du rotor sélectivement en puissance secondaire délivrée par chaque conducteur mixte du rotor,
et en ce que au moins un conducteur secondaire du rotor est relié à au moins une charge électrique secondaire embarquée sur le rotor ainsi alimentée en puissance électrique par la puissance secondaire (délivrée par ledit circuit secondaire) par l'intermédiaire du dispositif de liaison électrique rotative.
Ainsi, le dispositif selon l'invention permet d'alimenter en puissance électrique indépendamment et sélectivement au moins une charge principale embarquée sur le rotor à partir d'au moins une source principale via le circuit principal comprenant ledit dispositif de liaison électrique rotative, et au moins une charge électrique secondaire embarquée sur le rotor à partir d'au moins
une source secondaire distincte de chaque source principale, via un circuit secondaire incorporant une partie du circuit principal, et notamment ledit dispositif de liaison électrique rotative, et par au moins un conducteur secondaire de rotor distinct de chaque conducteur principal de rotor et relié à ce dernier par un dispositif de couplage de rotor.
Dans certains modes de réalisation, avantageusement et selon l'invention, le circuit principal comprend au moins un commutateur entre la source principale et les conducteurs principaux du stator, et chaque dispositif de couplage de stator est associé à un conducteur principal du stator directement relié au dispositif de liaison électrique rotative, c'est-à-dire notamment sans commutateur interposé entre chaque dispositif de couplage de stator et le dispositif de liaison électrique rotative. Autrement dit, chaque dispositif de couplage de stator est interposé entre ledit au moins un commutateur (c'est-à-dire tout commutateur de puissance principale) et le dispositif de liaison électrique rotative. De la sorte, il est possible de transmettre la puissance secondaire même lorsque la puissance principale n'est pas transmise, la source principale étant isolée des conducteurs principaux du stator par un module de commutation en position ouverte.
La puissance électrique secondaire est délivrée via le circuit secondaire à chaque charge électrique secondaire embarquée de façon à alimenter électriquement cette charge électrique secondaire embarquée. En particulier, dans certains modes de réalisation, avantageusement et selon l'invention au moins une charge électrique secondaire embarquée comprend un circuit d'alimentation électrique comportant un redresseur de la puissance secondaire pour délivrer une tension continue d'alimentation.
Par ailleurs, dans certains modes de réalisation avantageusement et selon l'invention, chaque charge électrique secondaire embarquée alimentée en puissance secondaire par ledit circuit secondaire est alimentée électriquement uniquement à partir de ladite puissance secondaire en provenance de ladite source secondaire. Rien n'empêche cependant en variante de prévoir qu'une même charge électrique secondaire embarquée soit alimentée
électriquement non seulement par ladite puissance secondaire délivrée par un circuit secondaire, mais également pour partie par un autre circuit secondaire distinct et/ou à partir d'une autre alimentation électrique délivrant une puissance électrique ne transitant pas par l'intermédiaire du dispositif de liaison électrique rotative.
Selon un autre aspect (qui peut ou non être combiné au précédent), l'invention concerne un dispositif pour la transmission indépendante de multiples puissances électriques sur un rotor de turbomachine caractérisé en ce qu'il comprend au moins un détecteur agencé pour délivrer un signal représentatif d'au moins un paramètre d'un courant électrique circulant dans le circuit secondaire -notamment du courant électrique circulant dans ladite boucle de transmission de puissance secondaire et/ou du courant électrique circulant dans un conducteur secondaire de stator et/ou du courant électrique délivré par une source secondaire-, de façon à permettre une surveillance de ce paramètre. Le dispositif selon l'invention est donc alors un dispositif de surveillance du bon fonctionnement du circuit secondaire et/ou d'au moins une partie du circuit principal, et notamment du bon fonctionnement dudit dispositif de liaison électrique rotative.
Avantageusement et selon l'invention, un tel détecteur est choisi dans le groupe formé des détecteurs ampérométriques et des détecteurs voltmétriques. D'autres variantes sont possibles (détecteur de fréquence, détecteur de phase, détecteur de puissance ... ).
Dans certains modes de réalisation avantageux un dispositif selon l'invention comprend un détecteur ampérométrique agencé pour délivrer un signal représentatif de l'intensité du courant électrique circulant dans le circuit secondaire. Avantageusement et selon l'invention, un tel détecteur ampérométrique est porté par le stator et délivre un signal représentatif de l'intensité de ce courant électrique, signal qui peut être transmis à un système central pour son traitement et/ou son exploitation, notamment à titre de surveillance de l'existence et/ou de la valeur et/ou de l'évolution de l'intensité de ce courant électrique. Un dispositif selon l'invention peut comporter un seul circuit secondaire comportant une seule source de puissance secondaire, un seul conducteur secondaire du stator et un seul
conducteur secondaire du rotor. Un dispositif selon l'invention peut en variante comporter une pluralité de circuits secondaires (les différents circuits secondaires permettant d'alimenter différentes charges électriques embarquées indépendamment les unes des autres) et/ou une pluralité de sources de puissance secondaire et/ou une pluralité de conducteurs secondaires du stator et/ou une pluralité de conducteurs secondaires du rotor et/ou une pluralité de dispositifs de couplage du stator et/ou une pluralité de dispositifs de couplage du rotor. En particulier, un circuit secondaire peut être formé sur chacune des phases du circuit principal. Également, un même circuit secondaire peut alimenter plusieurs composants électriques embarqués. En variante, il peut être prévu plusieurs circuits secondaires, chaque circuit secondaire alimentant respectivement chacun l'un des composants électriques embarqués, les différents composants électriques embarqués étant ainsi alimentés indépendamment les uns des autres.
Les dispositifs de couplage entre chaque conducteur secondaire et au moins un conducteur principal ont pour fonction de réaliser, au niveau du stator, l'injection du courant de la puissance secondaire dans le conducteur principal, et, au niveau du rotor, l'extraction du courant de la puissance secondaire à partir du conducteur principal. Compte tenu du fait qu'en général le circuit principal peut véhiculer un courant électrique de caractéristiques très différentes de celles du courant de la puissance secondaire, il est préférable de prévoir des dispositifs de couplage par induction procurant un isolement entre les conducteurs secondaires et les conducteurs principaux.
Ainsi, avantageusement et selon l'invention, chaque dispositif de couplage électrique comprend un transformateur d'isolement formant un couplage par induction. Plus particulièrement, dans les modes de réalisation dans lesquels le dispositif selon l'invention est un dispositif d'alimentation indépendante d'au moins une charge électrique secondaire embarquée, avantageusement et selon l'invention :
- chaque dispositif de couplage de stator comprend un transformateur, dit transformateur d'isolement de stator, formant un couplage par induction entre le conducteur mixte du stator et chaque conducteur secondaire du stator,
- chaque dispositif de couplage de rotor comprend un transformateur, dit transformateur d'isolement du rotor, formant un couplage par induction entre le conducteur mixte du rotor et chaque conducteur secondaire du rotor.
Par ailleurs, chaque circuit secondaire est avantageusement adapté pour éviter toute interférence entre circuit principal et circuit secondaire, c'est-à-dire toute injection de courant parasite entre le circuit principal et le circuit secondaire ou réciproquement. Pour ce faire, avantageusement et selon l'invention :
- chaque dispositif de couplage de stator comprend un filtre de bouclage relié audit conducteur mixte du stator, notamment en amont du transformateur d'isolement de stator,
- chaque dispositif de couplage de rotor comprend un filtre de bouclage relié audit conducteur mixte du rotor, notamment en aval du transformateur d'isolement du rotor,
- ces filtres de bouclage étant adaptés pour former une boucle de transmission de puissance secondaire dans le circuit principal entre un dispositif de couplage de stator et un dispositif de couplage de rotor, de façon à transmettre sélectivement ladite puissance secondaire à chaque charge électrique secondaire embarquée.
Les dispositifs de couplage électrique de stator et de rotor permettent ainsi de protéger les conducteurs secondaires de stator et, respectivement de rotor, de la puissance électrique circulant dans le circuit principal. Ils permettent également de protéger les différents composants reliés au circuit principal de la puissance secondaire. Avantageusement et selon l'invention, chaque dispositif de couplage de rotor comprend un filtre isolant chaque charge électrique secondaire embarquée de la puissance principale.
Par ailleurs, avantageusement et selon l'invention, dans les modes de réalisation où la fréquence secondaire est supérieure à la fréquence
principale, le dispositif de couplage de rotor comprend un filtre passe-haut isolant chaque charge électrique secondaire embarquée de la puissance principale.
Du côté du rotor, pour éviter toute injection de puissance secondaire dans la charge principale, il suffit de prévoir que :
- pour la fréquence secondaire, l'impédance de la capacité parallèle formant le filtre de bouclage du rotor soit inférieure -notamment au moins 10 fois inférieure- à l'impédance de la charge principale,
- pour la valeur maximum de la fréquence principale, l'impédance de la capacité parallèle formant le filtre de bouclage du rotor soit supérieure -notamment au moins 10 fois supérieure- à l'impédance de la charge principale.
Du côté du stator, pour éviter toute injection de puissance secondaire vers la source principale, il suffit de prévoir que :
- pour la fréquence secondaire, l'impédance de la capacité parallèle formant le filtre de bouclage du stator soit inférieure -notamment au moins 10 fois inférieure- à l'impédance de la source principale,
- pour la valeur maximum de la fréquence principale, l'impédance de la capacité parallèle formant le filtre de bouclage du stator soit plus supérieure - notamment au moins 10 fois supérieure- à l'impédance de source principale.
Par ailleurs, dans certains modes de réalisation d'un dispositif selon l'invention, la puissance secondaire est plus faible que la puissance principale, par exemple de l'ordre de 5 % à 10 % de la puissance principale. Néanmoins, l'invention s'applique aussi bien avec une puissance secondaire supérieure à la puissance principale.
Dans certains modes de réalisation, avantageusement et selon l'invention, ledit rotor comprenant au moins une pale, au moins une charge électrique secondaire embarquée comprend un circuit, dit circuit tertiaire, comprenant :
- au moins un dispositif de couplage électrique entre le dispositif de couplage de rotor et un conducteur électrique, dit conducteur tertiaire du rotor,
adapté pour alimenter le conducteur tertiaire du rotor en courant électrique délivré par le dispositif de couplage de rotor,
- au moins un dispositif de couplage électrique entre le conducteur tertiaire du rotor et un circuit électrique en boucle porté par une pale du rotor,
- au moins un dispositif de couplage électrique entre ledit circuit électrique en boucle et une unité d'alimentation électrique d'au moins une charge électrique, dite charge électrique tertiaire, portée par ladite pale du rotor. Cette charge électrique tertiaire est par exemple un circuit électrique tertiaire porté par une pale de la turbomachine, une pluralité de circuits électriques tertiaires étant ainsi alimentés en parallèle à partir d'un seul et même circuit secondaire.
Là encore, de préférence, ces dispositifs de couplage électrique sont de préférence des dispositifs de couplage à transformateur d'isolement réalisant un couplage par induction, et comprenant des filtres de bouclage appropriés.
Rien n'empêche de surcroît de prévoir d'imbriquer une multiplicité de circuits de transmission de puissance liés les uns aux autres par des dispositifs de couplage électrique, de préférence du type à transformateur d'isolement permettant de réaliser un couplage par induction.
L'invention s'étend à une turbomachine comprenant un rotor monté rotatif par rapport à un stator, au moins une charge électrique principale embarquée sur le rotor et au moins une charge électrique secondaire embarquée sur le rotor, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif pour la transmission indépendante de multiples puissances électriques sur le rotor selon l'invention.
Avantageusement une turbomachine selon l'invention est aussi caractérisée en ce que le rotor comprend au moins une hélice présentant une pluralité de pales montées solidaires en rotation du rotor, et, à titre de charge électrique principale, un dispositif de dégivrage d'au moins une pale de l'hélice. Il peut s'agir en particulier d'une hélice d'aéronef (compresseur axial ouvert à air : soufflante ou hélice de propulsion ou de sustentation (c'est-à-dire y compris voilure tournante)), ou d'une hélice d'éolienne (turbine axiale ouverte à air).
Par ailleurs, avantageusement et selon l'invention au moins une charge électrique secondaire embarquée est choisie dans le groupe des transducteurs électriques et des actionneur s électriques.
Un transducteur électrique peut être en particulier un détecteur comprenant au moins un élément sensible apte à délivrer un signal électrique de mesure, et au moins un circuit électrique associé à chaque élément sensible pour l'alimenter et/ou traiter le signal de mesure délivré par ce dernier. La puissance secondaire alimente un circuit électrique (d'alimentation et/ou de traitement du signal) et/ou un élément sensible d'un tel transducteur électrique. À titre d'exemple non limitatif, il peut s'agir de microsystèmes électroniques, implantés dans la pale et/ou sur l'arbre du rotor pour mesurer une vitesse (ou détecter un dépassement d'une vitesse seuil prédéterminée) et/ou pour détecter les chocs et/ou mesurer des vibrations et/ou compter le nombre de tours effectués par une hélice et/ou mesurer la température (ou détecter un dépassement d'une température seuil prédéterminée) et/ou mesurer une pression ou une contrainte (ou détecter un dépassement d'une pression seuil prédéterminée ou d'une contrainte seuil prédéterminée)...
En particulier, avantageusement et selon l'invention au moins une charge électrique secondaire embarquée comprend au moins un transducteur électrique comprenant au moins un élément sensible choisi dans le groupe des accéléromètres, des capteurs piézoélectriques, des capteurs de vibrations, des capteurs de température, des jauges de contraintes, des capteurs de pression, des capteurs acoustiques, des capteurs de courant, des capteurs de tension, des capteurs d'humidité, des capteurs d'ozone, des capteurs de fumée, des capteurs de cendres, des capteurs de déformations, des capteurs de givre, des capteurs de glace. D'autres exemples sont possibles.
En variante ou en combinaison, avantageusement et selon l'invention, au moins une charge électrique secondaire embarquée comprend au moins un actionneur électrique alimenté en puissance secondaire, par exemple une électro vanne, un frein, une servo valve, etc.
L'invention s'étend également à un aéronef comprenant au moins une turbomachine selon l'invention. Elle s'étend également à une éolienne comprenant au moins une turbomachine selon l'invention.
L'invention concerne également un dispositif pour la transmission indépendante de multiples puissances électriques sur un rotor de turbomachine -notamment un dispositif d'alimentation électrique d'au moins une charge électrique secondaire embarquée sur un rotor de turbomachine, une turbomachine, un aéronef et une éolienne caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles :
- la figure 1 est un schéma synoptique d'une turbomachine et d'un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention pour la transmission indépendante de multiples puissances électriques sur un rotor de turbomachine, dans lequel il constitue un dispositif d'alimentation électrique d'une pluralité de charges électriques embarquées indépendamment les unes des autres,
- la figure 2 est un schéma synoptique d'une turbomachine et d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention dans lequel il constitue un dispositif d'alimentation électrique d'une pluralité de charges électriques embarquées indépendamment les unes des autres,
- la figure 3 est un schéma illustrant plus en détail un mode de réalisation d'un dispositif de couplage de stator d'un dispositif selon l'invention pour la transmission indépendante de multiples puissances électriques sur un rotor de turbomachine,
- la figure 4 est un schéma illustrant plus en détail une première variante de réalisation d'un dispositif de couplage de rotor d'un dispositif d'alimentation électrique selon l'invention,
- la figure 5 est un schéma illustrant plus en détail une deuxième variante de réalisation d'un dispositif de couplage de rotor d'un dispositif d'alimentation électrique selon l'invention,
- la figure 6 est un schéma synoptique d'une turbomachine et d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention dans lequel il constitue un dispositif de surveillance du bon fonctionnement du circuit secondaire et/ou d'au moins une partie du circuit principal,
- la figure 7 est un schéma synoptique d'une turbomachine et d'un quatrième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention dans lequel il constitue simultanément un dispositif d'alimentation électrique d'une pluralité de charges électriques embarquées indépendamment les unes des autres conforme à la figure 1, et un dispositif de surveillance du bon fonctionnement du circuit secondaire et/ou d'au moins une partie du circuit principal,
- la figure 8 est un schéma synoptique d'une turbomachine et d'un cinquième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention dans lequel il constitue un dispositif de surveillance du bon fonctionnement du circuit secondaire et/ou d'au moins une partie du circuit principal,
- la figure 9 est un schéma synoptique d'une turbomachine et d'un sixième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention dans lequel il constitue un dispositif de surveillance du bon fonctionnement du circuit secondaire et/ou d'au moins une partie du circuit principal.
Une turbomachine comprend un stator 11 et un rotor 12 monté rotatif par rapport au stator 11. Sur les figures les caractéristiques générales mécaniques et thermodynamiques de la turbomachine ne sont pas détaillées, l'invention s'appliquant à tout type de turbomachine du point de vue de ces caractéristiques mécaniques et thermodynamiques, qu'il s'agisse d'une turbomachine axiale ou centrifuge, ouverte ou fermée, pour fluide compressible (par exemple l'air) ou pour fluide incompressible (par exemple l'eau), d'un compresseur (y compris ventilateur, soufflante, hélice ou pompe) et/ou d'une turbine... Dans tous les cas, le rotor 12 comprend un arbre 25 principal guidé en rotation par rapport au stator 11 et
au moins une pale 24 montée solidaire en rotation de cet arbre, en général une pluralité de pales uniformément réparties autour de l'arbre 25.
La turbomachine est équipée d'un circuit principal d'alimentation électrique permettant de transmettre de la puissance électrique entre un équipement électrique solidaire du stator et un équipement électrique embarqué solidaire du rotor. Ce circuit principal d'alimentation électrique comprend un dispositif 15 de liaison électrique rotative entre des conducteurs électriques, dits conducteurs 13 principaux du stator, solidaires du stator, et des conducteurs électriques, dits conducteurs 14 principaux du rotor, solidaires du rotor. Ce dispositif 15 de liaison électrique rotative permet d'assurer une transmission de puissance électrique entre les conducteurs 13, 14 principaux tandis que le rotor 12 est entraîné en rotation par rapport au stator 11. Là encore, un tel dispositif 15 de liaison électrique rotative peut faire l'objet de différentes variantes de réalisation qui n'importent pas dans le cadre de l'invention dans la mesure où il suffit qu'il soit apte à assurer la transmission de puissance électrique entre les conducteurs 13 principaux du stator et les conducteurs 14 principaux du rotor. Il peut s'agir par exemple de contacts tournants à bagues glissantes et/ou à balais et/ou à cils (c'est-à-dire fils ou brins cylindriques électriquement conducteurs et élastiques en flexion élastique) et/ou à plots rappelés axialement élastiquement... Ce dispositif 15 de liaison électrique rotative est un collecteur tournant présentant au moins une voie (le retour du courant pouvant se faire par la masse). Le dispositif 15 de liaison électrique rotative peut comporter ainsi une seule voie pour la transmission d'une phase, le retour du courant se faisant par la masse ; au moins deux voies pour la transmission d'au moins une phase et un neutre ou d'au moins deux phases, avec, ou non, un retour de courant par la masse. Toutes les configurations, notamment en monophasé ou en triphasé, sont possibles.
Par exemple, le dispositif 15 de liaison électrique rotative permet la transmission d'une puissance électrique, dite puissance principale, permettant l'alimentation de résistances 16 de dégivrage électrique par effet Joule des pales du rotor.
Cette puissance principale est transmise par le circuit principal de transmission de puissance électrique comprenant les conducteurs 13 principaux du stator, les conducteurs 14 principaux du rotor, le dispositif 15 de liaison électrique rotative, une source 17 principale d'énergie électrique qui peut être par exemple l'un des réseaux électriques de l'aéronef ou un réseau électrique terrestre, et un module 18 de commutation commandé par un module 19 de gestion de l'alimentation électrique de façon à permettre l'alimentation sélectivement de chacun des différents conducteurs 13 principaux du stator en puissance principale.
Dans le mode de réalisation représenté figure 1, le module 18 de commutation et le module 19 de gestion de l'alimentation électrique sont portés par le stator 11. Le module 19 de gestion de l'alimentation électrique est lui-même relié à un système central 20 de traitement de données numériques et de commande, qui peut être un système informatique de bord d'aéronef ou un poste de contrôle d'éolienne ou autre.
Dans l'exemple représenté, la source 17 principale délivre un courant alternatif monophasé sur une phase 21 et un neutre 22 alimentant d'une part le module 19 de gestion de l'alimentation électrique, d'autre part les conducteurs 13 principaux du stator par l'intermédiaire de commutateurs 23 commandés par le module 19 de gestion de l'alimentation électrique. La phase est reliée sur N (N=2 dans l'exemple représenté) conducteurs 13 principaux du stator, en parallèle, de sorte que le circuit principal comprend N+l conducteurs 13 principaux du stator, N+l conducteurs 14 principaux du rotor, le dispositif 15 de liaison électrique rotative permettant la liaison électrique sur N+l voies : N phases reliées respectivement à N résistances 16 de dégivrage, et un neutre. Chaque conducteur 14 principal du rotor formant une phase est relié en série à une borne de l'une des résistances 16 de dégivrage, l'autre borne de la résistance 16 de dégivrage étant reliée au conducteur 14 principal formant le neutre. Typiquement, chaque pale 24 du rotor 12 comprend l'une des résistances 16 dégivrage, le module 19 de gestion de l'alimentation électrique est adapté pour gérer l'alimentation cyclique des différentes résistances 16 des différentes pales 24 de façon appropriée et bien connue en soi.
Le module 19 de gestion de l'alimentation électrique forme par ailleurs une source, dite source secondaire, de puissance électrique, dite puissance secondaire, adaptée pour l'alimentation électrique de M composants électriques 30 embarqués sur le rotor 12 et constituant des charges électriques secondaires embarquées. La puissance secondaire est différente de la puissance principale, les composants électriques 30 embarqués étant différents des résistances de dégivrage constituant la charge principale alimentée en puissance principale. Cette puissance secondaire est délivrée par le module 19 de gestion de l'alimentation électrique sur un conducteur, dit conducteur 27 d'alimentation secondaire, relié à M conducteurs 28 secondaires du stator connectés en parallèle à ce conducteur 27 d'alimentation secondaire. Dans l'exemple représenté figure 1, M=N=2, mais il est bien entendu que le nombre M de composants électriques 30 embarqués peut être différent du nombre N de systèmes alimentés en puissance principale, ces deux nombres étant en général différents de 2 et pouvant correspondre, ou non, au nombre de pales 24 du rotor.
Chaque conducteur 28 secondaire du stator alimente respectivement un bobinage de M transformateurs 29 d'isolement de stator, les deux bornes de ce bobinage étant reliées au module 19 de gestion de l'alimentation électrique. Un autre bobinage de chaque transformateur 29 d'isolement de stator est formé par l'un des conducteurs 13 principaux du stator. Les deux bobinages de chaque transformateur 29 d'isolement de stator sont couplés par induction électromagnétique de sorte que la puissance secondaire délivrée par le conducteur 28 secondaire du stator est transmise au bobinage de transformateur 29 formé par un conducteur 13 principal du stator.
Chaque transformateur 29 d'isolement de stator réalise ainsi un couplage électrique par induction entre un conducteur 28 secondaire délivrant la puissance secondaire et l'un des conducteurs 13 principaux du stator, pour injecter ladite puissance secondaire dans ce conducteur 13 principal du stator, qui constitue ainsi un conducteur mixte du stator permettant de transmettre d'une part la puissance principale, d'autre part la puissance secondaire. Chaque transformateur 29
d'isolement de stator permet cependant d'isoler par ailleurs le circuit principal de chaque circuit secondaire ainsi formé. Chaque transformateur 29 d'isolement de stator est disposé à l'aval du module 18 de commutation, c'est-à-dire est associé à un conducteur 13 principal du stator qui est directement relié au dispositif 15 de liaison électrique rotative, sans commutateur interposé. De la sorte, la puissance secondaire est transmise à ce dispositif 15 de liaison électrique rotative indépendamment de la position des commutateurs du module 18 de commutation gérant la puissance principale.
Par ailleurs, le module 18 de commutation et la source principale sont isolés de la puissance secondaire par M filtres 31 de bouclage du stator, chaque filtre 31 de bouclage étant relié à l'un des conducteurs 13 mixtes du stator. Dans le mode de réalisation de la figure 1, chaque filtre 31 de bouclage est formé d'une capacité parallèle interposée entre le conducteur 13 mixte du stator et le neutre 22.
La puissance secondaire injectée dans le circuit principal est transmise par le dispositif 15 de liaison électrique rotative aux M conducteurs 14 principaux du rotor, dits conducteurs mixtes du rotor, correspondant aux M conducteurs 13 mixtes du stator.
Chaque résistance 16 de dégivrage reliée à un conducteur 14 mixte du rotor est isolée de la puissance secondaire grâce à un filtre 32 de bouclage du rotor qui, dans l'exemple représenté, est une capacité parallèle reliée aux deux bornes de la résistance 16. L'un des conducteurs 14 mixtes du rotor relié à la résistance 16 (à savoir celui qui est relié au neutre dans l'exemple représenté) forme un bobinage 35 d'un transformateur 33 d'isolement du rotor. Un autre bobinage 36 du transformateur 33 d'isolement du rotor est relié à des conducteurs, dits conducteurs 34 secondaires du rotor, eux-mêmes reliés à l'un des M composants électriques 30 embarqués. Les bobinages 35, 36 du transformateur 33 d'isolement sont couplés par induction électromagnétique de sorte que la puissance secondaire circulant dans le bobinage 35 est transmise dans le bobinage 36 et permet d'alimenter électriquement un composant électrique 30 embarqué (qui constitue une
charge électrique secondaire embarquée) en puissance secondaire issue du module 19 de gestion de l'alimentation électrique, via le dispositif 15 de liaison électrique rotative mais indépendamment de la puissance électrique principale transmise via ce dispositif 15 de liaison électrique rotative pour l'alimentation des résistances de dégivrage 16 (qui constituent des charges électriques principales).
Il est à noter que si dans l'exemple représenté il est prévu autant de transformateurs 29, 33 d'isolement qu'il y a de composants électriques 30 embarqués (à savoir un par pale), rien n'empêche au contraire de prévoir un seul transformateur 33 d'isolement de stator et un seul transformateur 29 d'isolement du rotor, la distribution de la puissance secondaire étant réalisée au niveau des différents composants électriques 30 embarqués et, le cas échéant des différentes pales, par un circuit secondaire unique adapté à cet effet. En pratique, le nombre de transformateurs 33 d'isolement du rotor est de préférence choisi en fonction des différentes puissances secondaires nécessaires pour les différents composants électriques 30 embarqués du rotor 12. Ainsi, si tous les composants électriques 30 embarqués du rotor 12 nécessitent une alimentation électrique de même nature, un seul transformateur 33 d'isolement du rotor est suffisant. Si au contraire des alimentations électriques de différentes natures sont utiles, il peut être avantageux de prévoir autant de circuits secondaires et autant de transformateurs 33 d'isolement du rotor qu'il y a de caractéristiques d'alimentation électrique à fournir. Dans cette dernière hypothèse, le module 19 de gestion de l'alimentation électrique alimente indépendamment les uns des autres les différents transformateurs 29 d'isolement de stator, contrairement à ce qui est prévu dans l'exemple représenté.
Le deuxième mode de réalisation représenté figure 2 diffère du précédent par le fait que le dispositif 15 de liaison électrique rotative ne présente que deux voies, pour la transmission de la phase et du neutre, la commutation de la puissance principale entre les différents systèmes 16 de dégivrage étant réalisée par un module 38 de commutation embarqué sur le rotor 12. Ce module 38 de commutation est commandé par des signaux de commandes qui peuvent être transmis sur les conducteurs 13, 14 principaux par courants porteurs ou par
modulation, de façon bien connue en soi. Le module 38 de commutation alimente sélectivement une pluralité de N boucles 39 d'alimentation électrique de résistances 16 de dégivrage. Ce module 38 de commutation comprend, pour chaque boucle 39 d'alimentation électrique, c'est-à-dire pour chaque résistance 16 de dégivrage, un commutateur 68 permettant d'alimenter sélectivement cette boucle 39 d'alimentation électrique, et la résistance 16 de dégivrage correspondante, en puissance principale.
Un seul transformateur 29 d'isolement de stator est alimenté par le module 19 de gestion de l'alimentation électrique. Un filtre 31 de bouclage du stator est interposé entre ce transformateur 29 d'isolement de stator et les commutateurs 23 de la phase et du neutre commandés par le module 19 de gestion de l'alimentation électrique. Dans l'exemple représenté, ce filtre 31 de bouclage du stator est une capacité parallèle reliée entre les deux conducteurs 13 principaux du stator, c'est-à-dire entre la phase et le neutre. Le transformateur 29 d'isolement de stator est associé à l'un des conducteurs 13 principaux du stator, à savoir au neutre 22 dans l'exemple représenté, qui forme l'un de ses bobinages, un autre bobinage de ce transformateur 29 d'isolement de stator étant alimenté par des conducteurs 28 secondaires de stator reliés au module 19 de gestion de l'alimentation électrique.
Un seul transformateur 33 d'isolement de rotor est associé à l'un des conducteurs 14 principaux du rotor, à savoir au conducteur 14 principal du rotor qui reçoit le neutre dans l'exemple représenté, qui forme l'un des bobinages de ce transformateur 33 d'isolement de rotor. Ce transformateur 33 d'isolement de rotor est interposé entre le dispositif 15 de liaison électrique rotative et le module 38 de commutation du rotor, par l'intermédiaire d'un filtre 32 de bouclage du rotor interposé entre ce transformateur 33 d'isolement de rotor et le module 38 de commutation du rotor. Dans l'exemple représenté, ce filtre 32 de bouclage du rotor est une capacité parallèle reliée entre les deux conducteurs 14 principaux du rotor, c'est-à-dire entre la phase et le neutre. Un autre bobinage du transformateur 33 d'isolement de rotor est relié à un conducteur 34 secondaire de rotor, de façon à alimenter ce conducteur 34 secondaire de rotor en puissance secondaire.
Le conducteur 34 secondaire du rotor permet d'alimenter en parallèle M composants 30 électriques embarqués du rotor 12. Chaque charge électrique secondaire embarquée comprend un circuit tertiaire comprenant un conducteur tertiaire 40 du rotor relié au conducteur 34 secondaire et à un bobinage d'un transformateur 41 d'isolement de pied de pale. Un autre bobinage de ce transformateur 41 d'isolement de pied de pale est formé par l'un des conducteurs de l'une des boucles 39 reliées au module 38 de commutation. Un filtre 42 de bouclage est interposé entre ce transformateur 41 d'isolement de pied de pale et le module 38 de commutation. Dans l'exemple représenté, ce filtre 42 de bouclage est une capacité parallèle interposée entre les deux conducteurs de la boucle 39 reliés aux deux bornes de la même résistance 16 de dégivrage.
À proximité du composant électrique 30 embarqué à alimenter (constituant une charge électrique tertiaire portée par chaque pale du rotor), un transformateur 43 d'isolement, dit transformateur 43 d'isolement et d'alimentation, est également associé à la boucle 39 alimentant la résistance 16, dont l'un des conducteurs forme un bobinage de ce transformateur 43 d'isolement et d'alimentation. Un autre bobinage de ce transformateur 43 d'isolement et d'alimentation est relié au composant électrique 30 embarqué pour son alimentation électrique en puissance secondaire via le dispositif 15 de liaison électrique rotative, le transformateur 33 d'isolement du rotor, le transformateur 41 d'isolement de pied pale et le transformateur 43 d'isolement et d'alimentation. Un filtre 44 de bouclage est interposé entre la résistance 16 de dégivrage et le transformateur 43 d'isolement et d'alimentation. Dans l'exemple représenté, ce filtre 44 de bouclage est une capacité parallèle reliant les deux bornes de la résistance 16 de dégivrage.
La figure 3 est un exemple de schéma de réalisation du module 19 de gestion de l'alimentation électrique (incorporant la source secondaire) et du transformateur 29 d'isolement de stator pour l'injection de la puissance secondaire dans le circuit principal. Une horloge 50 délivre un signal 51 d'horloge à une fréquence prédéterminée correspondant à la fréquence secondaire de la puissance secondaire. Ce signal 51 d'horloge est fourni à la base d'un transistor 52
n-p-n dont l'émetteur est à la masse et dont le collecteur est relié à un filtre 53 passe-bande par l'intermédiaire d'une diode Zenner 54 parallèle qui protège le transistor 52 des impulsions parasites de tension qui pourraient provenir du circuit principal.
Le filtre 53 passe-bande permet de transmettre la puissance à la fréquence secondaire en éliminant d'une part les harmoniques élevées générées par le découpage, d'autre part les composantes basses fréquences pouvant provenir notamment du circuit principal, et les composantes continues susceptibles de saturer le transformateur 29 d'isolement. La sortie du filtre 53 passe-bande (sortie du filtre LC série) forme un conducteur 28 secondaire de stator enroulé en un bobinage de plusieurs spires autour d'une armature torique 60. Le bobinage ainsi formé présente une borne opposée reliée à une source 61 de tension continue +V. Le filtre 53 passe-bande comprend, dans l'exemple représenté, une capacité 55 série filtrant les composantes continues, un filtre LC parallèle comprenant une inductance 56 et une capacité 57, et un filtre LC série comprenant une inductance 58 (qui s'ajoute à l'inductance du bobinage formé par le conducteur 28 secondaire de stator) et une capacité 59.
Le conducteur 13 principal de stator est enroulé en une (ou plusieurs) spire(s) autour de l'armature torique 60. En général, le nombre de spires du bobinage formé par ce conducteur 13 principal de stator, qui est de plus gros diamètre, est plus faible que le nombre de spires du bobinage formé par le conducteur 28 secondaire de stator.
La fréquence secondaire déterminée par le signal d'horloge 51 est choisie de façon à permettre la transmission de la puissance secondaire sur le circuit principal sans interférences et indépendamment de la puissance principale. En particulier, il est à noter que la puissance secondaire est transmise par le circuit principal via le dispositif 15 de liaison électrique rotative même lorsque la puissance principale n'est pas transmise, c'est-à-dire par exemple lorsque les commutateurs 23 sont ouverts. La puissance secondaire est cependant également transmise par le circuit principal simultanément à la puissance principale. Les
réseaux électriques à bord d'un aéronef fournissent une puissance principale qui est en général à une fréquence inférieure à 1 kHz, et qui est typiquement au maximum égale à 650 Hz. De même, les réseaux électriques terrestres fournissent en général un courant alternatif à une fréquence inférieure à 100 Hz. La fréquence secondaire doit donc être suffisamment importante pour se distinguer de la fréquence principale, et est de préférence supérieure à 10 kHz, par exemple choisie entre 100 kHz et 500 kHz. Elle est aussi avantageusement choisie de façon à permettre la transmission d'autres signaux tels que des signaux de commande ou des signaux de mesure à des fréquences différentes sur le même circuit principal, par exemple par courants porteurs.
La figure 4 est un exemple de schéma de réalisation du transformateur 33 d'isolement du rotor et d'un circuit d'alimentation électrique inclus dans le composant électrique 30 embarqué permettant d'extraire une tension continue d'alimentation +V à partir de la puissance secondaire. Le conducteur 14 principal de rotor est enroulé en une ou plusieurs spires autour d'une armature torique 70 du transformateur 33 d'isolement du rotor. Le conducteur 34 secondaire de rotor est enroulé en plusieurs spires autour de cette armature torique 70, et les deux bornes du bobinage ainsi formé sont reliées à deux bornes d'entrées d'un circuit 71 d'alimentation électrique qui comprend un filtre 73 passe-bande qui, dans l'exemple représenté, est formé d'un filtre LC série comprenant une inductance 74 série et une capacité 75 série, et d'un filtre LC parallèle comprenant une inductance 76 parallèle et une capacité 77 parallèle. Ce filtre 73 passe-bande permet d'éliminer les composantes basses fréquences de la puissance principale et les composantes à très haute fréquence transmises dans le circuit principal, par exemple pour la transmission de signaux de commande de mesure. Il est adapté pour transmettre sélectivement la fréquence secondaire de la puissance secondaire.
Les deux bornes de sortie de ce filtre 73 passe-bande sont reliées à un pont de diodes 78 redresseur dont les deux sorties forment les bornes de sortie du circuit 71 d'alimentation électrique, par l'intermédiaire d'une capacité 79 parallèle filtrant les composantes non continues. L'une des bornes de sortie est reliée
à la masse, tandis que l'autre borne 72 de sortie délivre la tension continue +V permettant d'alimenter le composant 30 électrique embarqué. De préférence, les diodes du pont 78 redresseur sont choisies pour présenter le meilleur rendement possible, par exemple des diodes Schottky à très faible seuil.
La figure 5 représente un autre mode de réalisation du circuit
71 d'alimentation électrique. Dans ce mode de réalisation, le circuit comprend un contrôleur 80, par exemple LT®4321 (cf. www.linear.com) associé à un pont 81 de transistors à effet de champ MOSFET canal N à faible perte, qui peuvent être des transistors PSMN075-100MSE (cf. www.nxp.com). Le pont 81 reçoit sur ses deux entrées 83 directement les deux bornes du bobinage formé par le conducteur 34 secondaire de rotor, et délivre la tension continue +V sur sa borne de sortie 82.
Les capacités parallèles 31, 32 formant les filtres de bouclage du stator et du rotor, et les composants des différents filtres sont adaptés en fonction de la valeur de la fréquence secondaire fs. Le tableau ci-après donne des exemples de choix de la valeur Cl des capacités parallèles 31, 32, dont l'impédance doit avantageusement être de l'ordre de 1 Ω à la fréquence secondaire et supérieure à 200 Ω pour la fréquence fp de la puissance principale.
Par ailleurs, pour une fréquence secondaire de l'ordre de 110 kHz, on peut choisir par exemple une valeur de l'ordre de 47nF pour les capacités 57 et 59 du filtre 53 passe-bande, et une valeur de l'ordre de 47μΗ pour l'inductance 58 série (y compris l'inductance du bobinage formé par le conducteur 28 secondaire) et pour l'inductance parallèle 56 du filtre 53 passe-bande. Les mêmes valeurs peuvent être utilisées pour le filtre 73 passe-bande du circuit d'alimentation du composant électrique 30 embarqué.
Dans une variante de l'invention, il est possible d'utiliser un signal sinusoïdal à la fréquence secondaire au lieu du simple signal 51 d'horloge, pour améliorer le transfert de puissance et réduire les émissions parasites.
Les composants 30 électriques embarqués pouvant être alimentés en puissance secondaire par un dispositif selon l'invention peuvent être quelconques et peuvent être avantageusement choisis dans le groupe des transducteurs électriques et des actionneurs électriques. En particulier il peut s'agir de détecteurs électriques comprenant au moins un élément sensible choisi dans le groupe formé des accéléromètres, des capteurs piézoélectriques, des capteurs de vibrations, des capteurs de température, des jauges de contraintes, des capteurs de pression, des capteurs acoustiques, des capteurs de courant, des capteurs de tension, des capteurs d'humidité, des capteurs d'ozone, des capteurs de fumée, des capteurs de cendres, des capteurs de déformations, des capteurs de givre, des capteurs de glace. D'autres exemples sont possibles. En variante ou en combinaison, avantageusement et selon l'invention, au moins une charge électrique secondaire embarquée comprend au moins un actionneur électrique alimenté en puissance secondaire, par exemple une électrovanne, un frein, une servovalve, etc..
II est à noter que le circuit secondaire peut aussi être adapté pour transmettre des signaux -notamment des signaux de commande et/ou de communication et/ou de mesure- entre le stator et rotor, dans un sens ou dans l'autre. En particulier, il peut être adapté pour transmettre des signaux de mesure délivrés par des détecteurs embarqués -notamment des détecteurs électriques des composants 30 électriques embarqués alimentés en puissance secondaire par le circuit secondaire-, au système informatique central 20 pour leur exploitation. Pour ce faire, ces signaux peuvent par exemple être transmis par une modulation de la puissance secondaire, cette dernière étant alors utilisée à titre de porteuse. Par exemple, ces signaux peuvent être transmis par une modulation de fréquence par rapport à la fréquence secondaire fs. Rien n'empêche, en variante ou en combinaison, de prévoir une modulation de phase et/ou d'amplitude.
Dans le troisième mode de réalisation de la figure 6, le dispositif selon l'invention est similaire au deuxième mode de réalisation de la figure 2 en ce qui concerne la transmission de puissance multiple sur le rotor, mais constitue uniquement un dispositif de surveillance du bon fonctionnement de la
partie du circuit principal comprenant le dispositif 15 de liaison électrique rotative. Pour ce faire, un ampèremètre 65 est interposé en série sur le conducteur 28 secondaire de stator, et délivre un signal 66 de mesure du courant électrique circulant dans ce conducteur 28 secondaire de stator, transmis au module 19 de gestion d'alimentation, puis au système central 20 pour son traitement et son exploitation. Le système central 20 peut en particulier être adapté pour surveiller que l'intensité du courant électrique traversant le conducteur 28 secondaire de stator est supérieure à une valeur seuil prédéterminée permettant de détecter d'éventuelles anomalies dans les contacts électriques établis à travers le dispositif 15 de liaison électrique rotative. Les filtres 31, 32 de bouclage et le filtre 53 passe-bande sont là encore adaptés pour éviter toute injection de puissance principale vers la source secondaire et toute injection de puissance secondaire vers les résistances 16 de dégivrage et vers la source principale 17.
Le quatrième mode de réalisation représenté figure 7 est similaire au premier mode de réalisation de la figure 1, et n'en diffère que par le fait qu'il constitue non seulement un dispositif d'alimentation électrique de plusieurs charges électriques distinctes indépendamment les unes aux autres, mais également un dispositif de surveillance du bon fonctionnement de la partie du circuit principal comprenant le dispositif 15 de liaison électrique rotative, et de chaque circuit secondaire permettant l'alimentation des charges secondaires 30. Pour ce faire, un ampèremètre 65 est interposé en série sur chaque conducteur 28 secondaire de stator, alimentant un bobinage d'un transformateur 29 d'isolement de stator. Chaque ampèremètre 65 délivre au module 19 de gestion de l'alimentation un signal 66 représentatif de l'intensité du courant circulant dans le conducteur 28 secondaire du stator correspondant. Chaque ampèremètre 65 permet de détecter d'éventuelles anomalies non seulement dans les contacts électriques établis à travers le dispositif 15 de liaison électrique rotative, mais également éventuellement dans le circuit secondaire d'alimentation correspondant. En variante (non représentée) ou en combinaison, rien n'empêche de prévoir un ampèremètre interposé en série dans le conducteur 27 d'alimentation secondaire reliée aux différents conducteurs 28
secondaire du stator, afin de de surveiller le courant électrique total correspondant à la puissance secondaire totale délivrée sur le rotor.
Le cinquième mode de réalisation représenté figure 8 est similaire au troisième mode de réalisation de la figure 6, à l'exception du fait que le rotor 12 comporte un module 38 de commutation embarqué comme dans le deuxième mode de réalisation de la figure 2. Ce module 38 de commutation est commandé par des signaux de commande qui peuvent être transmis sur les conducteurs 13, 14 principaux par courants porteurs ou par modulation, de façon bien connue en soi. Le module 38 de commutation alimente sélectivement une pluralité de N boucles 39 d'alimentation électrique de résistances 16 de dégivrage. Dans ce mode de réalisation, les filtres 31, 32 de bouclage sont adaptés pour empêcher toute injection de puissance secondaire dans les boucles 39 d'alimentation électrique des résistances 16 de dégivrage, mais doivent permettre la transmission de la puissance principale et des signaux de commande à destination du module 38 de commutation. Si nécessaire, des filtres plus complexes que de simples capacités peuvent être prévus pour séparer ces puissances et signaux en fréquence de façon appropriée. Dans ce cinquième mode de réalisation, le dispositif selon l'invention comprend également un ampèremètre 65 interposé en série sur le conducteur 28 secondaire du stator, délivrant un signal 66 représentatif de l'intensité du courant circulant dans ce circuit 28 secondaire du stator. La puissance secondaire circule uniquement dans la boucle délimitée par les deux filtres 31, 32 de bouclage, de sorte que le dispositif selon l'invention est uniquement un dispositif de surveillance du bon fonctionnement du dispositif 15 de liaison électrique rotative.
Le sixième mode de réalisation représenté figure 9 diffère du cinquième mode de réalisation représenté figure 8 par le fait que des capacités 67 sont reliées en parallèle entre les bornes de chaque commutateur 68 du module 38 de commutation embarqué, permettant sélectivement la circulation de la puissance secondaire dans chacune des boucles 39 d'alimentation électrique des résistances 16 de dégivrage, même lorsque ces commutateurs sont ouverts, l'ampèremètre 65 du stator permettant de surveiller la continuité électrique dans l'ensemble des différents
circuits de dégivrage (y compris le dispositif 15 de liaison électrique rotative) en permanence. Ces capacités 67 sont choisies de façon à ne pas transmettre la puissance principale et remplacent le filtre 32 de bouclage du rotor du cinquième mode de réalisation et du deuxième mode de réalisation.
L'invention peut faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation par rapport aux seuls exemples représentés sur les figures et décrits ci-dessus. En particulier, les dispositifs de couplage peuvent être réalisés de façon autre que par des transformateurs d'isolement (par exemple à l'aide de capacités de couplage), les transformateurs d'isolement peuvent être réalisés autrement que par des transformateurs toriques, les caractéristiques de chaque source secondaire ou de chaque module 19 de gestion de l'alimentation peuvent varier... Par ailleurs, la puissance principale n'est pas nécessairement une puissance destinée à alimenter des systèmes de dégivrage, l'invention s'étendant à d'autres utilisations ou applications dans lesquelles deux puissances électriques de caractéristiques distinctes doivent être transmises entre un stator et un rotor de turbomachine.
Claims
REVENDICATIONS
1/ - Dispositif pour la transmission indépendante de multiples puissances électriques sur un rotor de turbomachine monté rotatif par rapport à un stator, comprenant :
- un circuit, dit circuit principal, de transmission de puissance électrique comportant :
o des conducteurs électriques, dits conducteurs (13) principaux du stator, solidaires du stator, reliés à au moins une source de puissance électrique, dite source principale, adaptée pour délivrer une puissance électrique, dite puissance principale,
o des conducteurs électriques, dits conducteurs (14) principaux du rotor, solidaires du rotor, reliés à au moins une charge (16) électrique principale portée par le rotor pour l'alimenter en puissance principale,
o un dispositif (15) de liaison électrique rotative entre les conducteurs principaux du stator et les conducteurs principaux du rotor apte à assurer entre eux une transmission de puissance électrique,
- au moins un circuit, dit circuit secondaire, de transmission d'une puissance électrique, dite puissance secondaire, comportant :
o au moins un conducteur électrique, dit conducteur (28) secondaire du stator, solidaire du stator, et relié à une source de puissance électrique, dite source secondaire, distincte de chaque source principale et adaptée pour délivrer la puissance secondaire sous forme d'un signal de puissance à une fréquence prédéterminée, dite fréquence secondaire, choisie pour permettre une transmission sélective sans interférences de la puissance secondaire sur les conducteurs principaux du stator et du rotor et par le dispositif (15) de liaison électrique rotative, indépendamment de la transmission de puissance principale à chaque charge électrique principale,
o au moins un dispositif de couplage électrique, dit dispositif de couplage de stator, entre chaque conducteur (28) secondaire du stator et au moins un conducteur principal du stator, dit conducteur mixte du stator, le dispositif de
couplage de stator étant adapté pour alimenter chaque conducteur mixte du stator en puissance secondaire délivrée par chaque conducteur (28) secondaire du stator.
21 - Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit circuit secondaire comporte :
- au moins un filtre (31) de bouclage du stator,
- au moins un filtre (32) de bouclage du rotor,
- ces filtres de bouclage étant choisis et agencés pour former dans le circuit principal au moins une boucle de transmission de puissance secondaire comprenant ledit dispositif (15) de liaison électrique rotative et au moins un dispositif de couplage de stator et permettant une circulation de ladite puissance secondaire.
3/ - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la puissance principale étant transmise dans le circuit principal à une fréquence, dite fréquence principale, la fréquence secondaire est différente de la fréquence principale, en ce que chaque filtre (31, 32) de bouclage est un filtre adapté pour transmettre sélectivement la puissance secondaire à la fréquence secondaire en filtrant la puissance électrique à la fréquence principale.
4/ - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque dispositif de couplage de stator comprend un filtre isolant chaque source secondaire de la puissance principale.
5/ - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit circuit secondaire comporte :
- au moins un conducteur électrique, dit conducteur (34) secondaire du rotor, solidaire du rotor,
- au moins un dispositif de couplage électrique, dit dispositif de couplage de rotor, entre chaque conducteur (34) secondaire du rotor et au moins un conducteur principal du rotor, dit conducteur mixte du rotor, le dispositif de couplage de rotor étant adapté pour alimenter chaque conducteur (34) secondaire du rotor sélectivement en puissance secondaire délivrée par chaque conducteur mixte du rotor,
- au moins un conducteur (34) secondaire du rotor étant relié à au moins une charge électrique secondaire embarquée ainsi alimentée en puissance électrique par la puissance secondaire par l'intermédiaire du dispositif (15) de liaison électrique rotative.
6/ - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque dispositif de couplage de rotor comprend un filtre isolant chaque charge électrique secondaire embarquée de la puissance principale.
Il - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'au moins une charge électrique secondaire embarquée comprend un circuit (71) d'alimentation électrique comportant un redresseur de la puissance secondaire pour délivrer une tension continue d'alimentation.
8/ - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un détecteur agencé pour délivrer un signal représentatif d'au moins un paramètre d'un courant électrique circulant dans le circuit secondaire, de façon à permettre une surveillance de ce paramètre.
91 - Dispositif selon l'une quelconques des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que chaque dispositif de couplage électrique comprend un transformateur d'isolement formant un couplage par induction.
10/ - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit rotor (12) comprenant au moins une pale (24), au moins une charge électrique secondaire embarquée comprend un circuit, dit circuit tertiaire, comprenant :
- au moins un dispositif de couplage électrique entre le dispositif de couplage de rotor et un conducteur électrique, dit conducteur (40) tertiaire du rotor, adapté pour alimenter le conducteur tertiaire du rotor en courant électrique délivré par le dispositif de couplage de rotor,
- au moins un dispositif de couplage électrique entre le conducteur (40) tertiaire du rotor et un circuit électrique en boucle porté par une pale (24) du rotor,
- au moins un dispositif de couplage électrique entre le circuit électrique en boucle et une unité d'alimentation électrique d'au moins une charge électrique, dite charge électrique tertiaire, portée par ladite pale du rotor.
11/ - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le circuit principal comprenant au moins un commutateur entre la source principale et les conducteurs principaux du stator, chaque dispositif de couplage de stator est associé à un conducteur principal du stator directement relié au dispositif de liaison électrique rotative, sans commutateur interposé.
12/ - Turbomachine comprenant un rotor (12) monté rotatif par rapport à un stator (11) au moins une charge électrique principale embarquée sur le rotor et au moins une charge électrique secondaire embarquée sur le rotor, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif pour la transmission indépendante de multiples puissances électriques sur le rotor selon l'une des revendications 1 à 11.
13/ - Turbomachine selon la revendication 12, caractérisée en ce que le rotor (12) comprend au moins une hélice présentant une pluralité de pales (24) montées solidaires en rotation du rotor, et, à titre de charge électrique principale, un dispositif (16) de dégivrage d'au moins une pale de l'hélice, et en ce qu'au moins une charge électrique secondaire embarquée est choisie dans le groupe des transducteurs électriques et des actionneurs électriques.
14/ - Aéronef comprenant au moins une turbomachine selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13.
15/ - Éolienne comprenant au moins une turbomachine selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13.
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