WO2023152108A1 - Ensemble propulsif pour aéronef comprenant une turbomachine à gaz et une machine électrique avec un système de refroidissement comprenant un organe de multiplication et procédé d'utilisation associé - Google Patents

Ensemble propulsif pour aéronef comprenant une turbomachine à gaz et une machine électrique avec un système de refroidissement comprenant un organe de multiplication et procédé d'utilisation associé Download PDF

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WO2023152108A1
WO2023152108A1 PCT/EP2023/052931 EP2023052931W WO2023152108A1 WO 2023152108 A1 WO2023152108 A1 WO 2023152108A1 EP 2023052931 W EP2023052931 W EP 2023052931W WO 2023152108 A1 WO2023152108 A1 WO 2023152108A1
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WO
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shaft
ventilation
electric machine
rotation
propulsion
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/052931
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English (en)
Inventor
Guillaume François Daniel BIDAN
Pierre-Alain Jean Philippe REIGNER
Adrien Pierre Jean PERTAT
Emmanuel Fabrice Marie BARET
Philippe Delbosc
Original Assignee
Safran
Safran Aircraft Engines
Safran Electrical & Power
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/32—Arrangement, mounting, or driving, of auxiliaries
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/12—Cooling of plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K1/00—Plants characterised by the form or arrangement of the jet pipe or nozzle; Jet pipes or nozzles peculiar thereto
    • F02K1/04—Mounting of an exhaust cone in the jet pipe
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/14—Arrangements for cooling or ventilating wherein gaseous cooling medium circulates between the machine casing and a surrounding mantle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/70—Application in combination with
    • F05D2220/76—Application in combination with an electrical generator

Definitions

  • the present invention relates to the field of propulsion assemblies for aircraft, in particular, a propulsion assembly comprising a gas turbine engine associated with an electric machine that can operate as a motor to provide electric propulsion or as a generator to supply, for example, an electric battery or a network. aircraft electrical.
  • a propulsion assembly 100 comprising a gas turbine engine T driving a propulsion member 10 to ensure the propulsion of an aircraft.
  • the gas turbine engine T extends axially along an axis X and is dual-flow.
  • the gas turbine engine T comprises a primary stream V1 in which circulates a primary stream F1 from the combustion chamber (not shown) and a secondary stream V2 in which circulates a secondary stream F2 which has been accelerated without circulating by the combustion chamber.
  • the gas turbine engine T comprises a low pressure body LP, comprising a low pressure compressor 11 and a low pressure turbine 14, and a high pressure body HP, comprising a high pressure compressor 12 and a high pressure turbine 13.
  • the propulsion assembly 100 also comprises an electric machine M, mounted downstream of the gas turbine engine T, comprising a shaft, connected to the low pressure body LP or to the high pressure body HP of the gas turbine engine T.
  • An electric machine M contains electrical components that must be cooled during use. Cooling is particularly critical given that the electrical machine M is positioned close to the primary stream V1, the primary stream F1 of which, coming from the combustion chamber, has a high temperature.
  • the flow rate of the cooling air flow FR depends on the flow rate of the secondary flow F2 which itself depends on the speed of the gas turbine engine T. In fact, this has a disadvantage given that the cooling needs of the electric machine M are decorrelated from the speed of the gas turbomachine T.
  • the cooling of an M electrical machine must be carried out in a homogeneous manner in order to avoid the appearance of hot spots.
  • the zones of the electric machine M which are far from the cooling air flow inlet FR in the enclosure 101 are insufficiently cooled, which affects the overall efficiency of the electric machine M or its range of use.
  • the invention thus aims to eliminate at least some of these drawbacks by proposing a propulsion assembly allowing optimal cooling of an electric machine for any operating speed of the turbomachine.
  • Patent applications US2019/316486A1 and US2006/137355A1 are known in the prior art.
  • the invention it is possible to ventilate in a forced manner and with a sufficient air flow the electrical machine and/or its very enclosure, and this, even when the speed of rotation of the shaft is low.
  • the flow of cooling air directly depends on the speed of the gas turbine engine. As a result, the cooling air flow is not always in line with the cooling needs. Thanks to the multiplication device, it is possible to provide sufficient ventilation air flow for cooling needs.
  • the multiplication member has a multiplication coefficient greater than 1 so as to accelerate the ventilation member and obtain improved ventilation performance. This is particularly relevant when the shaft is driven at a low speed.
  • the cooling system comprises at least one main coupling member configured, according to a coupling position, to couple the shaft and the ventilation member in order to drive it in rotation and, according to a decoupling position, to uncouple the shaft and the ventilation unit so as not to cause it to rotate.
  • the electric machine can be used as a motor to rotate the ventilation member and cool the enclosure.
  • the ventilation can be decoupled during certain operating phases of the turbomachine, in particular, at very high speed and at low speed. Thanks to the main coupling device, it is possible to decouple the ventilation device to drive it at a rotation speed corresponding to the cooling needs.
  • the multiplication member is mounted between the main coupling member and the ventilation member. According to another aspect, the multiplication member is mounted between the shaft and the main coupling member.
  • the main coupling member is configured to switch to the decoupling position when the rotational speed is greater than a predetermined high threshold. This protects the ventilation unit which is likely to be damaged at very high speed. This makes it possible to avoid having to use a heavy and bulky ventilation device that can be driven at high speed.
  • the main coupling member is configured to switch to the decoupling position when the rotational speed is below a predetermined low threshold. At low shaft speed, forced ventilation is insufficient.
  • the main coupling device enables decoupling to allow independent drive from that of the shaft of the electrical machine.
  • the main coupling member is chosen from the set comprising: a powder viscous coupling, a mechanical disc clutch, a centrifugal coupler, a freewheel, a magnetic coupler, a splined shaft coupled to an actuator longitudinal.
  • a main coupling member makes it possible to switch position precisely and automatically for a predetermined speed range.
  • the cooling system comprises an auxiliary power source configured to drive the ventilation member in rotation independently of the shaft.
  • the ventilation member can be rotated at a predefined speed and controlled by the auxiliary source when the shaft is rotated at a low speed that is potentially insufficient to ensure the optimal cooling functions.
  • the auxiliary power source is connected to the multiplication unit.
  • the auxiliary power source and the multiplication unit advantageously act synergistically.
  • a so-called differential assembly allows the ventilation unit to be driven at speeds independent of the shaft speeds (variable multiplication rate) and to ensure optimum ventilation at all points of the operating range.
  • the cooling system comprises an auxiliary coupling member, mounted between the auxiliary power source and said ventilation member, configured, according to a coupling position, to couple the auxiliary power source and said multiplication member in order to drive in rotation and, according to a decoupling position, to decouple the auxiliary power source and said multiplication member so as not to drive it in rotation.
  • the main coupling member and the auxiliary coupling member make it possible to ensure that the multiplication member is only driven by one driving source at a time, which limits the risk of damage.
  • the assembly comprises at least one overall coupling member, mounted between the shaft and the gas turbine engine, configured, according to a coupling position, to couple the gas turbine engine to the shaft to secure them in rotation and , according to a decoupling position, to decouple the gas turbine engine from the shaft.
  • a global coupling member makes it possible to couple/decouple the electric machine from the gas turbine engine as needed. This is particularly advantageous to avoid taking mechanical power from the gas turbine engine in certain operating modes.
  • the cooling system comprises at least one ventilation member mounted downstream of the electric machine. This advantageously allows the cooling airflow to be sucked in while maximizing the use of available space in the "plug" enclosure.
  • the electric machine can thus be mounted as close as possible to the gas turbine engine with more advantageous aerodynamic lines.
  • the cooling system comprises at least one first ventilation member mounted upstream of the electric machine and at least one second ventilation member mounted downstream of the electric machine.
  • a "tandem" arrangement maximizes the space available in the enclosure while allowing optimal circulation of the cooling airflow.
  • This also makes it possible to define two compression stages in order to limit the compression ratio per stage in order to avoid operating the stages under degraded operating conditions which can lead to suboptimal cooling.
  • the enclosure comprises a peripheral separation wall defining at least one inner sub-enclosure, in which the electrical machine is mounted, and an outer sub-enclosure. At least one first ventilation member is mounted in the outer sub-enclosure and at least one second ventilation member is mounted in the inner sub-enclosure so as to optimally cool each sub-enclosure.
  • the outer sub-enclosure advantageously fulfills a thermal barrier function by protecting the inner sub-enclosure in which the electrical machine is mounted against the heat coming from the primary stream.
  • the invention also relates to a method of using a propulsion unit for an aircraft as presented above, the method comprising a step consisting in driving the ventilation member by the shaft via the multiplication member.
  • the invention also relates to a method for using a propulsion assembly for an aircraft as presented above, the shaft being coupled to the ventilation member in order to drive it in rotation, the method comprising a step consisting in decoupling the shaft ventilation member so as not to cause it to rotate.
  • the ventilation unit can be decoupled to avoid any risk of damage or to improve ventilation.
  • the auxiliary power source takes over from the shaft to ensure satisfactory ventilation.
  • the invention relates to a propulsion assembly for an aircraft, the aircraft being able to comprise one or more propulsion assemblies to allow its propulsion.
  • the propulsion unit 1 comprises a propulsion member 10 configured to participate in the propulsion of the aircraft by acceleration of an air flow F circulating along a longitudinal axis X from upstream to downstream.
  • the propulsion member 10 is in the form of a fan which is faired, but it goes without saying that the invention also applies to an unducted propeller.
  • the gas turbine engine T is configured to drive the propulsion member 10 in rotation.
  • the gas turbine engine T comprises a low pressure body LP, a high pressure body HP and a combustion chamber (not shown).
  • the low pressure spool LP includes a low pressure compressor 11 and a low pressure turbine 13 while the high pressure spool HP includes a high pressure compressor 12 and a high pressure turbine 14.
  • the gas turbomachine T is dual-flow and comprises a primary stream V1, in which circulates a primary flow F1 coming from the combustion chamber, and a secondary stream V2 in which circulates a secondary flow F2 bypassing the combustion chamber, in particular accelerated by the propulsion member 10.
  • Such a gas turbomachine T is known to those skilled in the art and will not be presented in more detail.
  • the propulsion assembly 1 comprises an electric machine M, mounted downstream of the gas turbine engine T, comprising a shaft M1 integral in rotation with the gas turbine engine T, in particular with the low pressure body LP or of the HP high pressure body.
  • the electric machine M is configured to operate, on the one hand, in generator mode in order to generate electrical energy from a mechanical torque received on its shaft M1 and, on the other hand, in motor mode to drive the shaft M1 from an electrical source (battery, electrical network, etc.).
  • an electric machine M operating only according to a generator mode or a motor mode.
  • the general structure of an electric machine M is known to those skilled in the art and will not be presented in more detail.
  • the electric machine M comprises a mobile rotor part, secured to the shaft M1, and a fixed stator part (not shown). Subsequently, the shaft M1 of the electric machine M has a speed of rotation VM.
  • the electric machine M is mounted in an enclosure 2 supplied with a flow of cooling air FR coming from the secondary stream V2, that is to say, coming from the secondary flow F2 which is, by nature, colder than the primary flow F1.
  • the enclosure 2 preferably has a conical shape but it goes without saying that it could be different.
  • the cooling air flow FR is injected at an upstream part of the enclosure 2 via a cooling pipe (not shown) connected to the secondary stream V2.
  • the cooling line could take various forms.
  • the propulsion assembly 1 comprises a system for cooling the electric machine M, mounted in the enclosure 2, which comprises several ventilation members 3 configured to be driven in rotation in enclosure 2 by shaft M1.
  • the cooling air flow FR is accelerated directly in the enclosure 2, which makes it possible, on the one hand, to promote the capture of calories and, on the other hand, to allow homogeneous cooling of the electrical machine. M independently of the position of injection of the cooling air flow FR into enclosure 2.
  • the ventilation members 3 are configured to accelerate the flow of cooling air FR peripherally in order to cool the outer surface of the electrical machine M evenly.
  • the calories generated by the electric machine M are thus captured in a practical manner.
  • the ventilation member 3 can take the form of a fan, a bladed wheel or a pump.
  • the propulsion assembly 1 comprises a multiplication member 6, mounted between the shaft M1 and the ventilation member 3, configured to drive in rotation of said ventilation member 3 at a speed different from that of the speed of said shaft M1, preferably higher. A lower speed might also be possible.
  • a multiplication member 6 advantageously makes it possible to increase the flow rate of the cooling air flow FR while using the rotation of the shaft M1 adapted to the motor/generator operating mode of the electric machine M. This is particularly advantageous when the speed of the shaft M1 is too low compared to the cooling needs.
  • the multiplication member 6 can take various forms, in particular an epicyclic train.
  • a multiplication unit 6 is associated with a multiplication coefficient which is preferably greater than 1. This multiplication coefficient can be fixed or variable.
  • the multiplication member 6 is mounted between the main coupling member 4 and the ventilation member 3. This configuration makes it possible to use coupling members operating at low speed. It also makes it possible to isolate the multiplier if its reliability can impact the overall reliability of the system.
  • the multiplication member 6 is mounted between the shaft M1 and the main coupling member 4. This configuration makes it possible to implement coupling members preferably operating at high speed.
  • Such a main coupling member 4 is advantageous given that it makes it possible to provide cooling in coupling mode when the speed of rotation VM of the electric machine M is adapted. As soon as this speed of rotation VM is no longer suitable, the main coupling member 4 makes it possible to perform a decoupling making it possible either to completely stop the rotation of the ventilation member 3, or to drive the ventilation member 3 at a speed of rotation different from that of the shaft M1 and more suited to the cooling needs of the electric machine M as will be presented subsequently.
  • the ventilation can be stopped during certain operating phases of the gas turbine engine, in particular, during phases where the speed of the main shaft M1 is too high or too low.
  • the main coupling member 4 is preferably configured to couple/uncouple automatically according to the speed of the member which drives it, in particular the shaft M1.
  • the coupling/decoupling steps can be conveniently associated with speed ranges for which the cooling air flow requirements FR are different.
  • the main coupling member 4 is chosen from the set comprising: a powder viscous coupling, a mechanical disc clutch, a centrifugal coupler, a freewheel, a magnetic coupler.
  • the main coupling member 4 is configured to switch to the decoupling position P2 when the speed of rotation VM is greater than a predetermined high threshold S2, preferably between 500 revolutions/min and 30,000 revolutions/min.
  • a predetermined high threshold S2 preferably between 500 revolutions/min and 30,000 revolutions/min.
  • the main coupling member 4 is configured to switch to the decoupling position P2 when the speed of rotation VM is lower than a predetermined low threshold S1, preferably between 0 revolutions/min and 20,000 revolutions/min.
  • a predetermined low threshold S1 preferably between 0 revolutions/min and 20,000 revolutions/min.
  • the combined use of a multiplication member 6 and a main coupling member 4 is advantageous given that it makes it possible to modify the speed of rotation to achieve automatic coupling/decoupling by adapting the switching speed in a practical manner. , which optimizes cooling.
  • the cooling system comprises an auxiliary power source 5 configured to drive the ventilation member 3 in rotation via the multiplication member 6 independently of the shaft M1.
  • the use of an auxiliary power source 5 makes it possible to avoid drawing power from the shaft M1.
  • the use of an auxiliary power source 5 with a multiplication unit 6 makes it possible to use an auxiliary power source 5 of reduced power.
  • the use of an auxiliary power source 5 makes it possible to drive the ventilation member when the power on the shaft M1 is non-existent or insufficient, such as for example at low speed or when the turbomachine is off.
  • the cooling system comprises a main coupling member 4 as well as an auxiliary coupling member 4', mounted between the auxiliary power source 5 and said multiplication member 6, configured, according to a coupling position, to couple the source auxiliary power source 5 and said multiplication member 6 in order to drive ventilation member 3 in rotation and, according to a decoupling position, to decouple auxiliary power source 5 and said multiplication member 6 so as not to cause rotation of the ventilation unit 3.
  • the main coupling member 4 and the auxiliary coupling member 4′ synergistically allow the ventilation member 3 to be driven entirely independently, the multiplication member 6 makes it possible to obtain a speed suitable rotation in any situation.
  • the main coupling member 4 when driven by the shaft M1, the main coupling member 4 is in the coupling position while the auxiliary coupling member 4' is in the decoupling position ( ).
  • the main coupling member 4 when driven by the auxiliary source 5, the main coupling member 4 is in the decoupling position while the auxiliary coupling member 4' is in the coupling position ( ).
  • the auxiliary coupling member 4' is of the same nature as the main coupling member 4 presented above.
  • the auxiliary coupling member 4' and the main coupling member 4 are configured not to be in coupling mode simultaneously.
  • the speed ranges associated with the coupling modes of the coupling members 4, 4′ are chosen appropriately.
  • An auxiliary power source 5 is of great interest when the main coupling member 4 is in the decoupling position P2, the ventilation member 3 being able to be driven at a speed different from that of the shaft M1, in particular, at a speed of rotation determined by the auxiliary power source 5 in combination with the multiplication unit 6.
  • the auxiliary power source 5 can take various forms, in particular a low-power electric machine.
  • the propulsion assembly 1 comprises an overall coupling member 7, mounted between the shaft M1 and the gas turbine engine T, configured, according to a coupling position, to couple the gas turbine engine T to the shaft M1 to secure them in rotation and, according to a decoupling position, to decouple the gas turbine engine T from the shaft M1.
  • the overall coupling member 7 makes it possible to transmit mechanical power between the shaft M1 and the gas turbine engine T, in particular, with the low pressure body LP or the high pressure body HP.
  • the overall coupling member 7 is of the same nature as the main coupling member 4 presented previously.
  • the overall coupling member 7 is in the coupling position.
  • the global coupling member 7 can be in the coupling position if the electric machine M wishes to contribute to the propulsion or be in the decoupling position if the electric machine M wishes to supply a non-propulsive torque , in particular, for ventilation as will be presented later.
  • the shaft M1 extends only upstream so as to allow the ventilation members 3 to extend upstream of the electric machine M to cool it optimally.
  • the shaft M1 also extends downstream and the ventilation members 3 extend downstream of the electric machine M to allow air to be sucked in and bring the electric machine M closer as close as possible to the T gas turbomachine to gain in compactness.
  • space constraints are available which are less downstream to allow the installation of a larger and more efficient ventilation member 3. This finally makes it possible to optimize the use of the “plug” space of the turbomachine in order to maintain advantageous aerodynamic lines for the turbomachine.
  • ventilation members 3 are positioned upstream and downstream (tandem position) of the electric machine M to improve cooling and optimize the available space while bringing the electric machine M closer to the gas turbine engine T.
  • This also makes it possible to form two compression stages and to optimize the circulation of the flow of cooling air FR.
  • Such a configuration makes it possible to reduce the compression ratio per ventilation stage and to avoid entering into degraded ventilation modes which can generate suboptimal cooling.
  • a multiplication member 6 associated with each ventilation member 3 but it goes without saying that a single ventilation member 3 could be associated with a multiplication member 6.
  • the enclosure 2 comprises a peripheral separating wall 8 defining at least one inner sub-enclosure 21, in which the electric machine M is mounted, and an outer sub-enclosure 22.
  • At least one ventilation member 3 is rotatably mounted in each sub-enclosure 21, 22 so as to provide separate cooling by separate cooling air flows FR1, FR2.
  • the outer sub-enclosure 22 advantageously makes it possible to form a thermal barrier, between the primary stream V1 and the electrical machine M, which can be cooled independently.
  • the peripheral partition wall 8 comprises an upstream part 8a and a downstream part 8b which are separated by a slot 80 in which extends the ventilation member 3 which is mounted in the outer sub-enclosure 22 in order to ventilate it.
  • Multiplication ratios can be the same or different.
  • the ventilation member 3 associated with the outer sub-enclosure 22 is mounted on an upstream portion of the shaft M1 of the electric machine M and the ventilation member 3 associated with the inner sub-enclosure 21 is mounted on a downstream portion of the shaft M1 of the electric machine M in order to optimize size and compactness. Nevertheless, it goes without saying that the ventilation members 3 could be positioned all upstream or all downstream.
  • the main coupling member 4 is in the coupling position then switched to the decoupling position.
  • the auxiliary coupling member 4' is in the decoupling position then switched to the coupling position. Thanks to this example of implementation, the cooling is improved even when the rotational speed VM is low, for example, when the aircraft is in the taxi phase or is moving at low speed.
  • the multiplication member 6 makes it possible to obtain an air flow suitable for cooling with low speeds of the shaft M1 or of the auxiliary source 5, which reduces the size and the cost.

Abstract

Un ensemble propulsif (1) pour aéronef comportant au moins un organe propulsif (10), une turbomachine à gaz (T) configurée pour entrainer en rotation l'organe propulsif (10), une machine électrique (M), montée, en aval de la turbomachine à gaz (T), comportant un arbre (Ml) solidaire en rotation de la turbomachine à gaz (T), la machine électrique (M) étant montée dans une enceinte (2) alimentée par un flux d'air de refroidissement (FR) issu de la veine secondaire (V2), et au moins un système de refroidissement de la machine électrique (M), monté dans l'enceinte (2), comprenant au moins un organe de ventilation (3) configuré pour être entraîné en rotation dans l'enceinte (2) par l'arbre (Ml), au moins un organe de multiplication (6), monté entre l'arbre (Ml) et l'organe de ventilation (3), configuré pour entrainer en rotation ledit organe de ventilation (3) à une vitesse différente de celle de la vitesse dudit arbre (Ml).

Description

Ensemble propulsif pour aéronef comprenant une turbomachine à gaz et une machine électrique avec un système de refroidissement comprenant un organe de multiplication et procédé d’utilisation associé
La présente invention concerne le domaine des ensembles propulsifs pour aéronef, en particulier, un ensemble propulsif comprenant une turbomachine à gaz associée à une machine électrique pouvant fonctionner en moteur pour assurer la propulsion électrique ou en générateur pour alimenter par exemple une batterie électrique ou un réseau électrique de l’aéronef.
De manière connue, en référence à la , on connaît un ensemble propulsif 100 comprenant une turbomachine à gaz T entrainant un organe propulsif 10 pour assurer la propulsion d’un aéronef. La turbomachine à gaz T s’étend axialement selon un axe X et est à double flux. A cet effet, la turbomachine à gaz T comprend une veine primaire V1 dans laquelle circule un flux primaire F1 issu de la chambre de combustion (non représentée) et une veine secondaire V2 dans laquelle circule un flux secondaire F2 qui a été accéléré sans circuler par la chambre de combustion. La turbomachine à gaz T comprend un corps basse pression BP, comportant un compresseur basse pression 11 et une turbine basse pression 14, et un corps haute pression HP, comportant un compresseur haute pression 12 et une turbine haute pression 13.
L’ensemble propulsif 100 comprend également une machine électrique M, montée, en aval de la turbomachine à gaz T, comportant un arbre, relié au corps basse pression BP ou au corps haute pression HP de la turbomachine à gaz T. Une machine électrique M comporte des composants électriques qui doivent être refroidis au cours de son utilisation. Le refroidissement est particulièrement critique étant donné que la machine électrique M est positionnée à proximité de la veine primaire V1 dont le flux primaire F1, issu de la chambre de combustion, possède une température élevée.
A cet effet, il a été proposé de monter la machine électrique M dans une enceinte, 101 par exemple de forme conique appelée « plug », et de l’alimenter par un flux d’air de refroidissement FR issu de la veine secondaire V2, c’est-à-dire, issu du flux secondaire F2 dont la température est plus faible que celle du flux primaire F1.
En pratique, le débit du flux d’air de refroidissement FR dépend du débit du flux secondaire F2 qui dépend lui-même du régime de la turbomachine à gaz T. Dans les faits, cela présente un inconvénient étant donné que les besoins en refroidissement de la machine électrique M sont décorrélés du régime de la turbomachine à gaz T.
En outre, le refroidissement d’une machine électrique M doit être réalisé de manière homogène afin d’éviter l’apparition de points chauds. En pratique, les zones de la machine électrique M qui sont éloignées de l’entrée de flux d’air de refroidissement FR dans l’enceinte 101 sont insuffisamment refroidies, ce qui affecte le rendement global de la machine électrique M ou sa plage d’utilisation.
L’invention vise ainsi à éliminer au moins certains de ces inconvénients en proposant un ensemble propulsif permettant un refroidissement optimal d’une machine électrique pour tout régime de fonctionnement de la turbomachine.
On connaît dans l’art antérieur les demandes de brevet US2019/316486A1 et US2006/137355A1.
 PRESENTATION DE L’INVENTION
L’invention concerne un ensemble propulsif pour aéronef comportant :
  • Au moins un organe propulsif configuré pour participer à la propulsion de l’aéronef par accélération d’un flux d’air circulant selon un axe longitudinal d’amont vers l’aval,
  • Une turbomachine à gaz configurée pour entrainer en rotation l’organe propulsif, la turbomachine à gaz comprenant un corps basse pression, un corps haute pression et une chambre de combustion, la turbomachine à gaz étant à double flux et comprenant une veine primaire dans laquelle circule un flux primaire issu de la chambre de combustion, et une veine secondaire dans laquelle circule un flux secondaire contournant la chambre de combustion,
  • Une machine électrique, montée, en aval de la turbomachine à gaz, comportant un arbre solidaire en rotation de la turbomachine à gaz, la machine électrique étant montée dans une enceinte alimentée par un flux d’air de refroidissement issu de la veine secondaire, et
  • Au moins un système de refroidissement de la machine électrique, monté dans l’enceinte, comprenant :
    • au moins un organe de ventilation configuré pour être entrainé en rotation dans l’enceinte par l’arbre,
    • au moins un organe de multiplication, monté entre l’arbre et l’organe de ventilation, configuré pour entrainer en rotation ledit organe de ventilation à une vitesse différente de celle de la vitesse dudit arbre.
Grâce à l’invention, on peut ventiler de manière forcée et avec un débit d’air suffisant la machine électrique et/ou son enceinte même et, ce, même lorsque la vitesse de rotation de l’arbre est faible. Dans l’art antérieur, le flux d’air de refroidissement dépend directement du régime de la turbomachine à gaz. Il en résulte que le débit d’air de refroidissement n’est pas toujours en adéquation avec les besoins de refroidissement. Grâce à l’organe de multiplication, il est possible de fournir un débit d’air de ventilation suffisant pour les besoins de refroidissement.
De manière préférée, l’organe de multiplication possède un coefficient de multiplication supérieur à 1 de manière à accélérer l’organe de ventilation et obtenir des performances de ventilation améliorées. Cela est particulièrement pertinent lorsque l’arbre est entrainé à une vitesse qui est faible.
De préférence, le système de refroidissement comprend au moins un organe de couplage principal configuré, selon une position de couplage, pour coupler l’arbre et l’organe de ventilation afin de l’entrainer en rotation et, selon une position de découplage, pour découpler l’arbre et l’organe de ventilation afin de ne pas l’entrainer en rotation.
De manière avantageuse, même lorsque la turbomachine à gaz est éteinte, la machine électrique peut être utilisée comme moteur pour mettre en rotation l’organe de ventilation et refroidir l’enceinte. En outre, grâce à l’organe de couplage principal, la ventilation peut être découplée lors de certaines phases de fonctionnement de la turbomachine, en particulier, à très haute vitesse et à basse vitesse. Grâce à l’organe de couplage principal, il est possible de découpler l’organe de ventilation pour l’entrainer à une vitesse de rotation correspondant aux besoins de refroidissement.
Selon un aspect, l’organe de multiplication est monté entre l’organe de couplage principal et l’organe de ventilation. Selon un autre aspect, l’organe de multiplication est monté entre l’arbre et l’organe de couplage principal.
De manière préférée, l’arbre ayant une vitesse de rotation, l’organe de couplage principal est configuré pour commuter en position de découplage lorsque la vitesse de rotation est supérieure à un seuil haut prédéterminé. Cela permet de protéger l’organe de ventilation qui est susceptible de s’endommager à très haute vitesse. Cela permet d’éviter de recourir à un organe de ventilation lourd et volumineux pouvant être entrainé à haute vitesse.
De préférence, l’arbre ayant une vitesse de rotation, l’organe de couplage principal est configuré pour commuter en position de découplage lorsque la vitesse de rotation est inférieure à un seuil bas prédéterminé. A une faible vitesse de l’arbre, la ventilation forcée est insuffisante. L’organe de couplage principal permet de réaliser un découplage afin de permettre un entrainement indépendant de celui de l’arbre de la machine électrique.
De manière préférée, l’organe de couplage principal est choisi parmi l’ensemble comprenant : un visco-coupleur à poudre, un embrayage mécanique à disque, un coupleur centrifuge, une roue libre, un coupleur magnétique, un arbre cannelé couplé à un actionneur longitudinal. Un tel organe de couplage principal permet de commuter de position de manière précise et automatique pour une plage de vitesse prédéterminée.
Selon un aspect préféré, le système de refroidissement comporte une source de puissance auxiliaire configurée pour entrainer en rotation l’organe de ventilation de manière indépendante de l’arbre. Ainsi, de manière avantageuse, l’organe de ventilation peut être entrainé en rotation à une vitesse prédéfinie et pilotée par la source auxiliaire lorsque l’arbre est entrainé en rotation à basse vitesse potentiellement insuffisante pour assurer les fonctions optimales de refroidissement.
De manière préférée, la source de puissance auxiliaire est reliée à l’organe de multiplication. Ainsi, cela permet d’utiliser une source de puissance auxiliaire ayant une faible vitesse de rotation et donc un coût et un encombrement moindres. La source de puissance auxiliaire et l’organe de multiplication agissent avantageusement de manière synergique. Dans cette configuration, un montage dit différentiel permet d’entrainer l’organe de ventilation à des régimes indépendants des régimes de l’arbre (taux de multiplication variable) et d’assurer une ventilation optimale en tous points du domaine de fonctionnement.
De préférence, le système de refroidissement comporte un organe de couplage auxiliaire, monté entre la source de puissance auxiliaire et ledit organe de ventilation, configuré, selon une position de couplage, pour coupler la source de puissance auxiliaire et ledit organe de multiplication afin de l’entrainer en rotation et, selon une position de découplage, pour découpler la source de puissance auxiliaire et ledit organe de multiplication afin de ne pas l’entrainer en rotation. Ainsi, l’organe de couplage principal et l’organe de couplage auxiliaire permettent de s’assurer que l’organe de multiplication n’est entrainé que par une source motrice à la fois, ce qui limite le risque d’endommagement.
De préférence, l’ensemble comprend au moins un organe de couplage global, monté entre l’arbre et la turbomachine à gaz, configuré, selon une position de couplage, pour coupler la turbomachine à gaz à l’arbre pour les solidariser en rotation et, selon une position de découplage, pour découpler la turbomachine à gaz de l’arbre. Un tel organe de couplage global permet de coupler/découpler la machine électrique de la turbomachine à gaz en fonction des besoins. Cela est particulièrement avantageux pour éviter de prélever de la puissance mécanique sur la turbomachine à gaz dans certains modes de fonctionnement.
De préférence, le système de refroidissement comprend au moins un organe de ventilation monté en aval de la machine électrique. Cela permet avantageusement d’engendrer une aspiration du flux d’air de refroidissement tout en maximisant l’utilisation de l’espace disponible dans l’enceinte « plug ». La machine électrique peut ainsi être montée au plus près de la turbomachine à gaz avec des lignes aérodynamiques plus avantageuses.
De préférence, le système de refroidissement comprend au moins un premier organe de ventilation monté en amont de la machine électrique et au moins un deuxième organe de ventilation monté en aval de la machine électrique. Un tel montage en « tandem » permet d’optimiser l’espace disponible dans l’enceinte tout en permettant une circulation optimale du flux d’air de refroidissement. Cela permet en outre de définir deux étages de compression afin de limiter le taux de compression par étage afin d’éviter de faire fonctionner les étages dans des conditions de fonctionnement dégradées pouvant entrainer un refroidissement suboptimal.
Selon un aspect de l’invention, l’enceinte comprend une paroi de séparation périphérique définissant au moins une sous-enceinte intérieure, dans laquelle est montée la machine électrique, et une sous-enceinte extérieure. Au moins un premier organe de ventilation est monté dans la sous-enceinte extérieure et au moins un deuxième organe de ventilation est monté dans la sous-enceinte intérieure de manière à refroidir de manière optimale chaque sous-enceinte. La sous-enceinte extérieure remplit avantageusement une fonction de barrière thermique en protégeant la sous-enceinte intérieure dans laquelle est montée la machine électrique contre la chaleur issue de la veine primaire.
L’invention concerne également un procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif pour aéronef tel que présenté précédemment, le procédé comprenant une étape consistant à entraîner l’organe de ventilation par l’arbre via l’organe de multiplication.
L’invention concerne également un procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif pour aéronef tel que présenté précédemment, l’arbre étant couplé à l’organe de ventilation afin de l’entrainer en rotation, le procédé comprenant une étape consistant à découpler l’organe de ventilation de l’arbre afin de ne pas l’entrainer en rotation. Ainsi, pour certains modes de fonctionnement de l’ensemble propulsif, l’organe de ventilation peut être découplé pour éviter tout risque d’endommagement ou améliorer la ventilation.
L’invention concerne en outre un procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif pour aéronef tel que présenté précédemment, l’arbre étant couplé à l’organe de ventilation afin de l’entrainer en rotation, le procédé comprenant des étapes consistant à :
  • découpler l’organe de ventilation de l’arbre lorsque la vitesse de rotation de l’arbre est inférieure à un seuil bas prédéterminé
  • entrainer en rotation l’organe de ventilation par une source de puissance auxiliaire de manière indépendante de l’arbre.
Ainsi, à basse vitesse, la source de puissance auxiliaire prend le relais de l’arbre pour assurer une ventilation satisfaisante.
 PRESENTATION DES FIGURES
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple, et se référant aux figures suivantes, données à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquelles des références identiques sont données à des objets semblables.
La est une représentation schématique d’un ensemble propulsif selon l’art antérieur.
La est une représentation schématique d’un ensemble propulsif selon une première forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique rapprochée de la machine électrique de la .
La est une représentation schématique d’un ensemble propulsif selon une deuxième forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique d’une variante de la deuxième forme de réalisation de l’invention de la .
La est une représentation schématique des positions de couplage/découplage en fonction de la vitesse de l’arbre de la machine électrique.
La est une représentation schématique d’un ensemble propulsif selon une troisième forme de réalisation de l’invention selon une première variante.
La est une représentation schématique d’un ensemble propulsif selon la troisième forme de réalisation de l’invention selon une deuxième variante.
La est une représentation schématique d’un ensemble propulsif selon une quatrième forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique d’un ensemble propulsif selon une cinquième forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique d’un ensemble propulsif selon une première variante de la cinquième forme de réalisation de l’invention.
La est une représentation schématique d’un ensemble propulsif selon une deuxième variante de la cinquième forme de réalisation de l’invention.
La et la sont des représentations schématiques de l’ensemble propulsif selon la deuxième forme de réalisation de l’invention lors d’un couplage/découplage de l’organe de couplage principal.
Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
L’invention concerne un ensemble propulsif pour un aéronef, l’aéronef pouvant comprendre un ou plusieurs ensembles propulsifs pour permettre sa propulsion.
En référence à la , il est représenté selon une vue en coupe longitudinale un ensemble propulsif 1 selon une première forme de réalisation de l’invention. L’ensemble propulsif 1 comprend un organe propulsif 10 configuré pour participer à la propulsion de l’aéronef par accélération d’un flux d’air F circulant selon un axe longitudinal X d’amont vers l’aval. Dans cet exemple, l’organe propulsif 10 se présente sous la forme d’une soufflante qui est carénée mais il va de soi que l’invention s’applique également à une hélice non carénée.
En référence à la , la turbomachine à gaz T est configurée pour entrainer en rotation l’organe propulsif 10. La turbomachine à gaz T comprend un corps basse pression BP, un corps haute pression HP et une chambre de combustion (non représentée). En particulier, le corps basse pression BP comporte un compresseur basse pression 11 et une turbine basse pression 13 tandis que le corps haute pression HP comporte un compresseur haute pression 12 et une turbine haute pression 14. La turbomachine à gaz T est à double flux et comprend une veine primaire V1, dans laquelle circule un flux primaire F1 issu de la chambre de combustion, et une veine secondaire V2 dans laquelle circule un flux secondaire F2 contournant la chambre de combustion, en particulier, accéléré par l’organe propulsif 10.
Une telle turbomachine à gaz T est connue de l’homme du métier et ne sera pas présentée plus en détails.
Selon l’invention, l’ensemble propulsif 1 comprend une machine électrique M, montée, en aval de la turbomachine à gaz T, comportant un arbre M1 solidaire en rotation de la turbomachine à gaz T, en particulier, du corps basse pression BP ou du corps haute pression HP. La machine électrique M est configurée pour fonctionner, d’une part, en mode générateur afin de générer de l’énergie électrique à partir d’un couple mécanique reçu sur son arbre M1 et, d’autre part, en mode moteur pour entrainer l’arbre M1 à partir d’une source électrique (batterie, réseau électrique, etc.). Il va néanmoins de soi que l’invention s’applique à une machine électrique M fonctionnant uniquement selon un mode générateur ou un mode moteur. La structure générale d’une machine électrique M est connue de l’homme du métier et ne sera pas présentée plus en détails. Dans cet exemple, la machine électrique M comporte une partie rotorique mobile, solidaire de l’arbre M1, et une partie statorique fixe (non représentées). Par la suite, l’arbre M1 de la machine électrique M possède une vitesse de rotation VM.
En référence à la , la machine électrique M est montée dans une enceinte 2 alimentée par un flux d’air de refroidissement FR issu de la veine secondaire V2, c’est-à-dire, issu du flux secondaire F2 qui est, par nature, plus froid que le flux primaire F1. L’enceinte 2 possède de préférence une forme conique mais il va de soi qu’elle pourrait être différente.
De même, il est représenté à la une enceinte 2 qui est ouverte à son extrémité aval pour l’évacuation du flux d’air de refroidissement FR mais il va de soi que l’évacuation pourrait être réalisé de manière différente.
Dans cet exemple, le flux d’air de refroidissement FR est injecté au niveau d’une partie amont de l’enceinte 2 via une conduite de refroidissement (non représentée) connectée à la veine secondaire V2. La conduite de refroidissement pourrait se présenter sous diverses formes.
Selon l’invention, en référence aux figures 2 et 3, l’ensemble propulsif 1 comprend un système de refroidissement de la machine électrique M, monté dans l’enceinte 2, qui comprend plusieurs organes de ventilation 3 configurés pour être entrainés en rotation dans l’enceinte 2 par l’arbre M1. Ainsi, le flux d’air de refroidissement FR est accéléré directement dans l’enceinte 2, ce qui permet, d’une part, de favoriser la captation de calories et, d’autre part, de permettre un refroidissement homogène de la machine électrique M indépendamment de la position d’injection du flux d’air de refroidissement FR dans l’enceinte 2.
De manière préférée, les organes de ventilation 3 sont configurés pour accélérer le flux d’air de refroidissement FR de manière périphérique afin de refroidir la surface extérieure de la machine électrique M de manière homogène. Les calories générées par la machine électrique M sont ainsi captées de manière pratique.
L’organe de ventilation 3 peut se présenter sous la forme d’un ventilateur, d’une roue aubagée ou d’une pompe.
Selon l’invention, en référence aux figures 2 et 3, selon une première forme de réalisation, l’ensemble propulsif 1 comprend un organe de multiplication 6, monté entre l’arbre M1 et l’organe de ventilation 3, configuré pour entrainer en rotation ledit organe de ventilation 3 à une vitesse différente de celle de la vitesse dudit arbre M1, de préférence, supérieure. Une vitesse inférieure pourrait également être possible. Un tel organe de multiplication 6 permet de manière avantageuse d’augmenter le débit du flux d’air de refroidissement FR tout en utilisant la rotation de l’arbre M1 adaptée au mode de fonctionnement moteur/générateur de la machine électrique M. Cela est particulièrement avantageux lorsque la vitesse de l’arbre M1 est trop faible par rapport aux besoins de refroidissement.
L’organe de multiplication 6 peut se présenter sous diverses formes, en particulier, un train épicycloïdal. Un organe de multiplication 6 est associé à un coefficient de multiplication qui est de préférence supérieur à 1. Ce coefficient de multiplication peut être fixe ou variable.
Selon une deuxième forme de réalisation, en référence aux figures 4 et 5, le système de refroidissement comprend un organe de couplage principal 4 configuré :
  • selon une position de couplage P1, pour coupler l’arbre M1 et l’organe de ventilation 3 afin de l’entrainer en rotation et,
  • selon une position de découplage P2, pour découpler l’arbre M1 et l’organe de ventilation 3 afin de ne pas l’entrainer en rotation.
Selon un premier aspect, en référence à la , l’organe de multiplication 6 est monté entre l’organe de couplage principal 4 et l’organe de ventilation 3. Cette configuration permet de faire appel à des organes de couplage fonctionnant à basse vitesse. Elle permet aussi d’isoler le multiplicateur si la fiabilité de celui-ci peut impacter la fiabilité globale du système.
Selon un deuxième aspect, en référence à la , l’organe de multiplication 6 est monté entre l’arbre M1 et l’organe de couplage principal 4. Cette configuration permet de mettre en œuvre des organes de couplage fonctionnant préférablement à haute vitesse.
Un tel organe de couplage principal 4 est avantageux étant donné qu’il permet d’assurer un refroidissement en mode couplage lorsque la vitesse de rotation VM de la machine électrique M est adaptée. Dès que cette vitesse de rotation VM n’est plus adaptée, l’organe de couplage principal 4 permet de réaliser un découplage permettant soit de stopper complètement la rotation de l’organe de ventilation 3, soit d’entrainer l’organe de ventilation 3 à une vitesse de rotation différente de celle de l’arbre M1 et plus adaptée aux besoins de refroidissement de la machine électrique M comme cela sera présenté par la suite.
Grâce à l’organe de couplage principal 4, la ventilation peut être stoppée lors de certaines phases de fonctionnement de la turbomachine à gaz, en particulier, lors de phases où le régime de l’arbre principal M1 est trop important ou trop faible.
L’organe de couplage principal 4 est de préférence configuré pour se coupler/découpler automatiquement en fonction de la vitesse de l’organe qui l’entraine, en particulier, de l’arbre M1. Ainsi, les étapes de couplage/découplage peuvent être associées de manière pratique à des plages de vitesse pour lesquelles les besoins en flux d’air de refroidissement FR sont différents. De manière préférée, l’organe de couplage principal 4 est choisi parmi l’ensemble comprenant : un visco-coupleur à poudre, un embrayage mécanique à disque, un coupleur centrifuge, une roue libre, un coupleur magnétique.
Comme illustré à la , l’organe de couplage principal 4 est configuré pour commuter en position de découplage P2 lorsque la vitesse de rotation VM est supérieure à un seuil haut prédéterminé S2, de préférence, compris entre 500 tours/min et 30000 tours/min. De manière avantageuse, un découplage à haute vitesse permet d’éviter de faire tourner l’organe de ventilation 3 à des vitesses excessives susceptibles de l’endommager.
Toujours en référence à la , l’organe de couplage principal 4 est configuré pour commuter en position de découplage P2 lorsque la vitesse de rotation VM est inférieure à un seuil bas prédéterminé S1, de préférence, compris entre 0 tours/min et 20000 tours/min. De manière avantageuse, un découplage à basse vitesse permet d’entrainer l’organe de ventilation 3 par une autre source à une vitesse supérieure pour assurer un refroidissement optimal comme cela sera présenté par la suite.
L’utilisation combinée d’un organe de multiplication 6 et d’un organe de couplage principal 4 est avantageuse étant donné qu’elle permet de modifier la vitesse de rotation pour réaliser un couplage/découplage automatique en adaptant la vitesse de commutation de manière pratique, ce qui optimise le refroidissement.
Selon une troisième forme de réalisation, en référence à la , le système de refroidissement comporte une source de puissance auxiliaire 5 configurée pour entrainer en rotation l’organe de ventilation 3 via l’organe de multiplication 6 de manière indépendante de l’arbre M1. L’utilisation d’une source de puissance auxiliaire 5 permet d’éviter de prélever de la puissance sur l’arbre M1. L’utilisation d’une source de puissance auxiliaire 5 avec un organe de multiplication 6 permet d’utiliser une source de puissance auxiliaire 5 de puissance réduite. L’utilisation d’une source de puissance auxiliaire 5 permet d’entrainer l’organe de ventilation lorsque la puissance sur l’arbre M1 est inexistante ou insuffisante, comme par exemple à bas régime ou lorsque la turbomachine est éteinte.
Selon une variante, en référence à la , le système de refroidissement comporte un organe de couplage principal 4 ainsi qu’un organe de couplage auxiliaire 4’, monté entre la source de puissance auxiliaire 5 et ledit organe de multiplication 6, configuré, selon une position de couplage, pour coupler la source de puissance auxiliaire 5 et ledit organe de multiplication 6 afin d’entrainer en rotation l’organe de ventilation 3 et, selon une position de découplage, pour découpler la source de puissance auxiliaire 5 et ledit organe de multiplication 6 afin de ne pas entrainer en rotation l’organe de ventilation 3.
De manière avantageuse, l’organe de couplage principal 4 et l’organe de couplage auxiliaire 4’ permettent de manière synergique d’entrainer l’organe de ventilation 3 de manière entièrement indépendante, l’organe de multiplication 6 permet d’obtenir une vitesse de rotation adaptée dans toute situation. De préférence, lors d’un entrainement par l’arbre M1, l’organe de couplage principal 4 est en position de couplage tandis que l’organe de couplage auxiliaire 4’ est en position de découplage ( ). A l’inverse, lors d’un entrainement par la source auxiliaire 5, l’organe de couplage principal 4 est en position de découplage tandis que l’organe de couplage auxiliaire 4’ est en position de couplage ( ).
De manière préférée, l’organe de couplage auxiliaire 4’ est de même nature que l’organe de couplage principal 4 présenté précédemment. De manière préférée, l’organe de couplage auxiliaire 4’ et l’organe de couplage principal 4 sont configurés pour ne pas être en mode de couplage de manière simultanée. A cet effet, les plages de vitesses associées aux modes de couplage des organes de couplage 4, 4’ sont choisies de manière adaptée.
Une source de puissance auxiliaire 5 présente un grand intérêt lorsque l’organe de couplage principal 4 est en position de découplage P2, l’organe de ventilation 3 pouvant être entrainé à une vitesse différente de celle de l’arbre M1, en particulier, à une vitesse de rotation déterminée par la source de puissance auxiliaire 5 en combinaison avec l’organe de multiplication 6. La source de puissance auxiliaire 5 peut se présenter sous diverses formes, en particulier, une machine électrique de faible puissance.
En référence à la , selon une quatrième forme de réalisation, l’ensemble propulsif 1 comprend un organe de couplage global 7, monté entre l’arbre M1 et la turbomachine à gaz T, configuré, selon une position de couplage, pour coupler la turbomachine à gaz T à l’arbre M1 pour les solidariser en rotation et, selon une position de découplage, pour découpler la turbomachine à gaz T de l’arbre M1. Ainsi, l’organe de couplage global 7 permet de transmettre de la puissance mécanique entre l’arbre M1 et la turbomachine à gaz T, en particulier, avec le corps basse pression BP ou le corps haute pression HP. De manière préférée, l’organe de couplage global 7 est de même nature que l’organe de couplage principal 4 présenté précédemment.
De manière préférée, lorsque la machine électrique M est en mode générateur, l’organe de couplage global 7 est en position de couplage. Lorsque la machine électrique M est en mode moteur, l’organe de couplage global 7 peut être en position de couplage si la machine électrique M souhaite contribuer à la propulsion ou être en position de découplage si la machine électrique M souhaite fournir un couple non propulsif, en particulier, pour la ventilation comme cela sera présenté par la suite.
Dans les formes de réalisation précédente, l’arbre M1 s’étend uniquement vers l’amont de manière à permettre aux organes de ventilation 3 de s’étendre en amont de la machine électrique M pour la refroidir de manière optimale.
De manière alternative, en référence à la , selon une cinquième forme de réalisation, l’arbre M1 s’étend également vers l’aval et les organes de ventilation 3 s’étendent en aval de la machine électrique M pour permettre d’aspirer l’air et rapprocher la machine électrique M au plus près de la turbomachine à gaz T pour gagner en compacité. En outre, on dispose de contraintes d’encombrement qui sont moindres en aval pour permettre la mise en place d’un organe de ventilation 3 plus volumineux et plus performant. Cela permet enfin d’optimiser l’utilisation de l’espace « plug » de la turbomachine afin de conserver des lignes aérodynamiques avantageuses pour la turbomachine
Selon une première variante, en référence à la , des organes de ventilation 3 sont positionnés en amont et en aval (position en tandem) de la machine électrique M pour améliorer le refroidissement et optimiser l’espace disponible tout en rapprochant la machine électrique M au plus près de la turbomachine à gaz T. Cela permet en outre de former deux étages de compression et optimiser la circulation du flux d’air de refroidissement FR. Une telle configuration permet de réduire le taux de compression par étage de ventilation et d’éviter d’entrer dans des modes dégradés de ventilation pouvant engendrer un refroidissement suboptimal. Sur la , il est représenté un organe de multiplication 6 associé à chaque organe de ventilation 3 mais il va de soi qu’un seul organe de ventilation 3 pourrait être associé à un organe de multiplication 6.
Selon une deuxième variante, en référence à la , l’enceinte 2 comporte une paroi de séparation périphérique 8 définissant au moins une sous-enceinte intérieure 21, dans laquelle est montée la machine électrique M, et une sous-enceinte extérieure 22. Au moins un organe de ventilation 3 est monté en rotation dans chaque sous-enceinte 21, 22 de manière à assurer un refroidissement distinct par des flux d’air de refroidissement FR1, FR2 distincts. La sous-enceinte extérieure 22 permet avantageusement de former une barrière thermique, entre la veine primaire V1 et la machine électrique M, qui peut être refroidie de manière indépendante.
Dans cet exemple, la paroi de séparation périphérique 8 comporte une partie amont 8a et une partie aval 8b qui sont séparées par une fente 80 dans laquelle s’étend l’organe de ventilation 3 qui est monté dans la sous-enceinte extérieure 22 afin de la ventiler.
Sur la , par souci de clarté, il n’est pas représenté d’organe de multiplication 6 associé à chaque organe de ventilation 3 mais il va de soi qu’un tel organe de multiplication 6 pourrait être associé à un, plusieurs ou chaque organe de ventilation 3. Les rapports de multiplication peuvent être identiques ou différents.
De manière préférée, l’organe de ventilation 3 associé à la sous-enceinte extérieure 22 est monté sur une portion amont de l’arbre M1 de la machine électrique M et l’organe de ventilation 3 associé à la sous-enceinte intérieure 21 est monté sur une portion aval de l’arbre M1 de la machine électrique M afin d’optimiser l’encombrement et la compacité. Néanmoins, il va de soi que les organes de ventilation 3 pourraient être positionnés tous en amont ou tous en aval.
Un exemple de mise en œuvre d’un procédé d’utilisation selon l’invention va être dorénavant présenté en référence aux figures 13 et 14. En référence à la , l’arbre M1 est couplé à l’organe de ventilation 3 afin de l’entrainer en rotation via l’organe de multiplication 6. Le procédé comprend une étape consistant à :
  • découpler l’organe de ventilation 3 de l’arbre M1 afin de ne pas l’entrainer en rotation, en particulier, en commutant l’organe de couplage principal 4 en mode de découplage, lorsque la vitesse de rotation VM de l’arbre M1 est inférieure au seuil bas prédéterminé S1,
  • entrainer en rotation l’organe de ventilation 3 par une source de puissance auxiliaire 5 via l’organe de multiplication 6 de manière indépendante de l’arbre M1 comme illustré à la .
Cela permet avantageusement d’apporter un flux d’air de refroidissement FR plus important avec la source de puissance auxiliaire 5 lorsque la vitesse de rotation VM de l’arbre M1 est faible. De manière préférée, l’organe de couplage principal 4 est en position de couplage puis commuté en position de découplage. A l’inverse, l’organe de couplage auxiliaire 4’ est en position de découplage puis commuté en position de couplage. Grâce à cet exemple de mise en œuvre, on améliore le refroidissement même lorsque la vitesse de rotation VM est faible, par exemple, lorsque l’aéronef est en phase de taxi ou se déplace à faible vitesse. L’organe de multiplication 6 permet d’obtenir un débit d’air adapté pour le refroidissement avec des vitesses peu élevées de l’arbre M1 ou de la source auxiliaire 5, ce qui réduit l’encombrement et le coût.

Claims (14)

  1. Ensemble propulsif (1) pour aéronef comportant :
    • Au moins un organe propulsif (10) configuré pour participer à la propulsion de l’aéronef par accélération d’un flux d’air (F) circulant selon un axe longitudinal (X) d’amont vers l’aval,
    • Une turbomachine à gaz (T) configurée pour entrainer en rotation l’organe propulsif (10), la turbomachine à gaz (T) comprenant un corps basse pression (BP), un corps haute pression (HP) et une chambre de combustion, la turbomachine à gaz (T) étant à double flux et comprenant une veine primaire (V1) dans laquelle circule un flux primaire (F1) issu de la chambre de combustion, et une veine secondaire (V2) dans laquelle circule un flux secondaire (F2) contournant la chambre de combustion,
    • Une machine électrique (M), montée, en aval de la turbomachine à gaz (T), comportant un arbre (M1) solidaire en rotation de la turbomachine à gaz (T), la machine électrique (M) étant montée dans une enceinte (2) alimentée par un flux d’air de refroidissement (FR) issu de la veine secondaire (V2), et
    • Au moins un système de refroidissement de la machine électrique (M), monté dans l’enceinte (2), comprenant :
      • au moins un organe de ventilation (3) configuré pour être entrainé en rotation dans l’enceinte (2) par l’arbre (M1),
      • au moins un organe de multiplication (6), monté entre l’arbre (M1) et l’organe de ventilation (3), configuré pour entrainer en rotation ledit organe de ventilation (3) à une vitesse différente de celle de la vitesse dudit arbre (M1).
  2. Ensemble propulsif (1) selon la revendication 1, dans lequel, le système de refroidissement comprend au moins un organe de couplage principal (4) configuré, selon une position de couplage (P1), pour coupler l’arbre (M1) et l’organe de ventilation (3) afin de l’entrainer en rotation et, selon une position de découplage (P2), pour découpler l’arbre (M1) et l’organe de ventilation (3) afin de ne pas l’entrainer en rotation.
  3. Ensemble propulsif (1) selon la revendication 2, dans lequel l’organe de multiplication (6) est monté entre l’organe de couplage principal (4) et l’organe de ventilation (3).
  4. Ensemble propulsif (1) selon la revendication 2, dans lequel l’organe de multiplication (6) est monté entre l’arbre (M1) et l’organe de couplage principal (4).
  5. Ensemble propulsif (1) selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel, l’arbre (M1) ayant une vitesse de rotation (VM), l’organe de couplage principal (4) est configuré pour commuter en position de découplage (P2) lorsque la vitesse de rotation (VM) est supérieure à un seuil haut prédéterminé (S2).
  6. Ensemble propulsif (1) selon l’une des revendications 2 à 5, dans lequel, l’arbre (M1) ayant une vitesse de rotation (VM), l’organe de couplage principal (4) est configuré pour commuter en position de découplage (P2) lorsque la vitesse de rotation (VM) est inférieure à un seuil bas prédéterminé (S1).
  7. Ensemble propulsif (1) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel, le système de refroidissement comprend une source de puissance auxiliaire (5) configurée pour entrainer en rotation l’organe de ventilation (3) de manière indépendante de l’arbre (M1).
  8. Ensemble propulsif (1) selon la revendication 7, dans lequel, la source de puissance auxiliaire (5) est reliée à l’organe de multiplication (6).
  9. Ensemble propulsif (1) selon l’une des revendications 7 à 8, dans lequel, le système de refroidissement comprend un organe de couplage auxiliaire (4’), monté entre la source de puissance auxiliaire (5) et ledit organe de multiplication (6), configuré, selon une position de couplage, pour coupler la source de puissance auxiliaire (5) et ledit organe de multiplication (6) afin de l’entrainer en rotation et, selon une position de découplage, pour découpler la source de puissance auxiliaire (5) et ledit organe de multiplication (6) afin de ne pas l’entrainer en rotation.
  10. Ensemble propulsif (1) selon l’une des revendications 1 à 9, comprenant au moins un organe de couplage global (7), monté entre l’arbre (M1) et la turbomachine à gaz (T), configuré, selon une position de couplage, pour coupler la turbomachine à gaz (T) à l’arbre (M1) pour les solidariser en rotation et, selon une position de découplage, pour découpler la turbomachine à gaz (T) de l’arbre (M1).
  11. Ensemble propulsif (1) selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel, le système de refroidissement comprend au moins un organe de ventilation (3) monté en aval de la machine électrique (M).
  12. Ensemble propulsif (1) selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel, le système de refroidissement comprend au moins un premier organe de ventilation (3) monté en amont de la machine électrique (M) et au moins un deuxième organe de ventilation (3) monté en aval de la machine électrique (M).
  13. Ensemble propulsif (1) selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel, l’enceinte (2) comprenant une paroi de séparation périphérique (8) définissant au moins une sous-enceinte intérieure (21), dans laquelle est montée la machine électrique (M), et une sous-enceinte extérieure (22), au moins un premier organe de ventilation (3) est monté dans la sous-enceinte extérieure (22) et au moins un deuxième organe de ventilation (3) est monté dans la sous-enceinte intérieure (21).
  14. Procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif (1) pour aéronef selon l’une des revendications 1 à 13, comprenant une étape consistant à entraîner l’organe de ventilation (3) par l’arbre (M1) via l’organe de multiplication (6).
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