WO2023175254A1 - Turbomachine amelioree pour aeronef hybride - Google Patents

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WO2023175254A1
WO2023175254A1 PCT/FR2023/050300 FR2023050300W WO2023175254A1 WO 2023175254 A1 WO2023175254 A1 WO 2023175254A1 FR 2023050300 W FR2023050300 W FR 2023050300W WO 2023175254 A1 WO2023175254 A1 WO 2023175254A1
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WO
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electric machine
turbine
shaft
turbomachine
generator
Prior art date
Application number
PCT/FR2023/050300
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English (en)
Inventor
Benjamin Nicolas FULLERINGER
Original Assignee
Safran Helicopter Engines
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Publication date
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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
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
    • F02C3/10—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor with another turbine driving an output shaft but not driving the compressor
    • F02C3/103—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor with another turbine driving an output shaft but not driving the compressor the compressor being of the centrifugal type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/14—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid characterised by the arrangement of the combustion chamber in the plant
    • F02C3/145—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid characterised by the arrangement of the combustion chamber in the plant the combustion chamber being in the reverse flow-type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F02C7/26—Starting; Ignition
    • F02C7/268—Starting drives for the rotor, acting directly on the rotor of the gas turbine to be started
    • F02C7/275—Mechanical drives
    • 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 hybrid aircraft, comprising at least one turbomachine for flying machines, such as a turboprop for an airplane or a turbine engine for a helicopter.
  • the invention relates to a turbomachine for a hybridized aircraft, and a hybridized aircraft comprising such a turbomachine.
  • a turbomachine for example a turboshaft or a turboprop, for a helicopter or for an airplane, comprises a gas turbine having a gas generator and a free turbine driven in rotation by the flow of gas generated by the gas generator.
  • the free turbine is completely independent of the gas generator, comprising one or two compressors (high and low pressure) and one or two turbines (high and low pressure).
  • the shaft of the free turbine and the shaft of the gas generator (carrying the compressor(s) and the turbine(s)) are not linked.
  • the free turbine is therefore distinct from the turbine(s) (high and low pressure) carried by the gas generator shaft, which are linked to the compressor.
  • an aircraft generally comprises, in addition to this turbomachine, a reversible electric machine coupled to the gas generator, so as to rotate the gas generator during a start-up phase of the turbomachine, or in flight in such a manner. to ensure the non-propulsion electrical needs of the aircraft.
  • the gas generator comprises at least one compressor and a turbine coupled in rotation. The operating principle is as follows: fresh air entering the gas turbine is compressed by the rotation of the compressor before being sent to a combustion chamber where it is mixed with a fuel. The gases burned due to combustion are then evacuated at high speed.
  • the gas generator turbine does not absorb all the kinetic energy of the burned gases and the excess kinetic energy corresponds to the gas flow generated by the gas generator. The latter therefore supplies kinetic energy to the free turbine so that a second expansion occurs in the free turbine which transforms this kinetic energy into mechanical energy in order to drive a receiving member, such as a turboprop propeller. .
  • turbomachines include electrical equipment which must be supplied with electrical energy.
  • the reversible electric machine is used to supply electricity to these electrical appliances.
  • the electric machine operating this time as an electric generator is rotated by the gas generator, the mechanical energy on the gas generator being transformed into electrical energy by said machine.
  • the electric machine can be used to carry out internal hybridization, for example by providing additional power on the propeller shaft or the motor shaft, or by generating power by taking from the free turbine shaft without affecting the performance of the gas generator.
  • the electrical machine(s) must be sized at a power much higher than that of the generators/starters usually used, typically one or several hundred kilowatts, instead of around ten kilowatts. It is therefore desirable to pool the two types of electrical machines (the turbine generator/starter and the electrical machine connected to the rotor).
  • turboprop architectures are characterized by a rear intake at the level of the free turbines and the hot gas ejection nozzles, to drive the reduction gear and the propeller of the turboprop, and by an accessories box in the cold part at opposite the motor to drive the equipment.
  • the present presentation concerns a turbomachine for a hybrid aircraft, comprising a gas generator carried by a generator shaft, at least one free turbine carried by a turbine shaft and driven in rotation by a gas flow generated by the generator. gas, a main rotor, and at least one reversible electric machine, the turbine shaft being through and extending axially between a first end engaged with the electric machine, and a second end engaged with the main rotor.
  • the turbomachine can be a turboshaft engine or a turboprop engine.
  • the main rotor can be a propeller of the aircraft, in particular an airplane, allowing its propulsion, the propeller then being arranged at one end of the turboprop, preferably at the front end of the turboprop when considering a normal direction of movement. of the aircraft.
  • the main rotor is thus movable around an axis of rotation, preferably corresponding to the main axis of the turboprop.
  • the turbine shaft extends axially along the main axis of the turboprop, on either side of the latter.
  • the turbine shaft thus passes through the high pressure turbine, the combustion chamber and the compressor on one side, and on the other side the outlet nozzle.
  • the turbine shaft thus passes through the thermally cold part comprising the air inlet and the compressor, and the thermally hot part, in other words where the temperatures are higher than in the cold part, and comprising the combustion chamber and the nozzle.
  • the rotors of this turboprop are notably configured to be crossed by the turbine shaft.
  • the generator shaft and the turbine shaft are concentric, the turbine shaft passing through the gas generator passing inside the generator shaft. It is thus understood that the turbine shaft is completely independent of the generator shaft and the compressor(s) that it carries.
  • the first end of the turbine shaft is mechanically linked to the electrical machine, directly or indirectly.
  • the reversible electric machine can rotate the turbine shaft, and can conversely be driven by the turbine shaft to generate electricity.
  • the second end of the turbine shaft is mechanically linked to the main rotor, for example to the propeller, directly or via a mechanical reduction gear.
  • this architecture comprising a through turbine shaft allows the electric machine, engaged with the turbine shaft, to draw energy from the latter, and thus limit the impact on the performance of the gas turbine and on the consumption of the engine.
  • the gas generator comprises a compressor and an air inlet configured to supply the compressor with fresh air, the first end of the turbine shaft engaging with the electric machine being arranged so adjacent to the air inlet.
  • the electric machine is placed in the thermally cold part of the turboprop engine. It is thus possible to facilitate the integration of the electric machine into the turboprop and to improve its maintainability, unlike in hotter thermal environments such as under the hot gas ejection nozzle, on the turbine side.
  • the second end of the turbine shaft is engaged with the main rotor via a mechanical reduction gear placed between the free turbine and the main rotor.
  • the mechanical reduction gear and the electrical machine are here arranged at opposite ends of the turbine shaft.
  • the electric machine is arranged at the first end of the turbine shaft, preferably in the cold part, while the mechanical gearbox can be arranged at the second end of the turbine shaft, in the hot part.
  • the turbomachine comprises a combustion chamber, the second end of the turbine shaft being engaged with the main rotor downstream of the combustion chamber.
  • upstream and downstream are defined in relation to the normal direction of gas flow in the turbomachine.
  • connection between the second end of the turbine shaft and the main rotor is located in the thermally hot part of the turbomachine, after the passage of the gases into the combustion chamber.
  • the second end of the turbine shaft engages with the main rotor in the vicinity of the combustion chamber. combustion and a hot gas ejection nozzle.
  • the connection between the second end of the turbine shaft and the main rotor is located opposite the ejection nozzle.
  • the electric machine is in direct contact with the first end of the turbine shaft, so as to rotate at the same speed as the turbine shaft.
  • the electric machine for example with high power density, tends to rotate at speeds comparable to free turbines, and can for example be fixed directly to the first end of the turbine shaft. This makes it possible to limit the number of assembly parts required, and thus to simplify the architecture of the turboprop.
  • the electric machine is engaged with the first end of the turbine shaft via a speed adaptation reducer.
  • the speed adaptation reducer makes it possible to adapt the rotation speed of the electric machine to that of the free turbine. This makes it possible to dissociate the optimum sizing of the free turbine and that of the electric machine.
  • the electric machine is capable of being coupled to the generator shaft so as to rotate the gas generator during a start-up phase of the turbomachine, and is capable of being coupled to the turbine shaft after the start-up phase in order to generate electrical power.
  • This configuration makes it possible to start the gas turbine by injecting power into the gas generator using the electric machine, then, when the speed of the gas generator exceeds a predetermined threshold, the turbine shaft then drives the electric machine so that it generates electrical power. It is thus possible to achieve high power generation by taking from the turbine shaft without penalizing the performance of the gas turbine.
  • This configuration is particularly advantageous for non-hybridized applications requiring high electrical generation, such as applications using drones for example.
  • the electric machine is coupled to the generator shaft via a first freewheel configured to transmit a rotational torque coming from the electric machine, and is coupled to the shaft turbine via a second free wheel configured to transmit a rotational torque to the electric machine.
  • the first free wheel and the second free wheel are mounted in opposition.
  • mounted in opposition we understand that the first free wheel can transmit a rotational torque coming from the electric machine, but not vice versa, while the second freewheel can transmit a rotational torque towards the electric machine, but not the opposite.
  • the electric machine is coupled to the generator shaft via the first freewheel and a first speed adaptation reducer, and is coupled to the turbine shaft via the second freewheel and a second speed adaptation reducer, the reduction ratios of the first and second speed adaptation reducers being determined such that after starting the gas generator, the first freewheel is desynchronized and the second freewheel is synchronized.
  • Freewheels have the advantage of not needing to be controlled electronically or mechanically by an external operator.
  • the freewheel also has significant reliability.
  • Such a freewheel generally consists of a hub and a peripheral crown rotatably mounted on the hub.
  • the hub can generally rotate the peripheral ring gear but not vice versa.
  • the freewheel is arranged in such a way that the peripheral crown can cause the hub to rotate, but not vice versa, without calling into question the principle of the present invention.
  • the hub can only drive the crown when the hub rotates in a predetermined direction relative to the crown, which we will call “sense of commitment”. Otherwise, the hub and the peripheral ring gear rotate freely relative to each other.
  • the electric machine is a first reversible electric machine
  • the turbomachine further comprising a second reversible electric machine engaged with the generator shaft, and capable of exchanging electrical power with the first machine reversible electric.
  • the first electrical machine engaged with the first end of the turbine shaft is then preferably a high-power electrical machine, of the order of one or several hundred kilowatts, while the second electrical machine is preferably of low power, of the order of 10kW, such as a generator/starter usually used.
  • the first electric machine can be used with the generator/starter to carry out internal hybridization, that is to say say an exchange of power between the electrical machines to limit the aging of the gas turbine, by exchanging power between the body of the gas generator and the free turbine.
  • This configuration also makes it possible to carry out all the desired functions, in particular assistance by power transfer to the turbine shaft or the generator shaft in certain transient phases, assistance to the gas turbine during takeoff, or generating electricity in flight to recharge the batteries.
  • the first electrical machine is configured to operate in generator mode, in which it is capable of being rotated by the turbine shaft so as to generate electrical power, or in motor mode in which it is capable of providing power to the turbine shaft.
  • the first electric machine in engine mode is capable of providing power to the propeller in the case of a turboprop, or to the power take-off in the case of a turboshaft.
  • the first electrical machine can thus generate electrical power without taking energy. power on the gas generator, which makes it possible to improve the specific consumption of the gas turbine.
  • the engine mode allows power to be supplied to the turbine shaft, in certain flight phases requiring it, such as takeoff, transient phases or maneuvers.
  • the second electrical machine is capable of being coupled to the generator shaft via a first deactivatable coupling means, and of being coupled to the turbine shaft by the intermediate a second deactivatable coupling means.
  • At least one of the first and second deactivatable coupling means is a free wheel, preferably lockable, the first deactivatable coupling means being configured to be activated when the second electric machine rotates in a first direction of rotation, and the second deactivatable coupling means being configured to be activated when the second electric machine rotates in a second direction of rotation opposite to the first direction of rotation.
  • deactivatable coupling means it is meant that the coupling means can be in an activated position in which the members connected to said coupling means are coupled, or in a deactivated position in which said members are decoupled, it being understood that by “organ” we mean the electrical machines, the main rotor, the gas generator and the free turbine.
  • the deactivatable coupling means may in particular comprise a freewheel.
  • the second electrical machine can ensure sampling from the free turbine, for example by blocking the second deactivatable coupling means, so as not to affect the performance of the gas generator, or the injection of power onto the shaft. turbine, and therefore on the main rotor so as to assist it in certain operating phases.
  • the second electrical machine can be used in one direction of rotation to be mechanically coupled to the gas generator, and in the other direction of rotation to be mechanically coupled to the turbine shaft and therefore to the main rotor. .
  • the second electric machine rotating in the first direction of rotation allows coupling with the gas generator in order to start the latter on the ground, but also in order to supplement the thermodynamic power in certain phases of flight, for assistance in the phases transients or modification of the motor operating point for example.
  • the second electrical machine rotating in the first direction of rotation also makes it possible to restart the gas generator in flight, for example following a breakdown thereof, without requiring the activation of another mechanical member such as a clutch. Furthermore, the second electric machine rotating in the second direction of rotation makes it possible to drive the main rotor in certain flight phases requiring additional power.
  • the architecture according to the present presentation has the advantage of being simple by limiting the number of components and connections, while allowing a high number of functions to be carried out, in particular internal hybridization, and thus improving the reliability of the device.
  • the turbomachine comprises a rotor brake, movable between a braking position, preventing rotation of the main rotor, and a free position allowing rotation of the main rotor, the rotor brake being arranged upstream of the generator gas.
  • the propeller braking system is located not on the propeller gearbox side, but opposite the turbomachine, in the cold part thereof.
  • the rotor brake function can be provided by a lockable freewheel.
  • hybridized aircraft comprising a turbomachine according to any of the preceding embodiments.
  • the hybridized aircraft may be an airplane, and the turbomachine may be a turboprop.
  • hybridized aircraft is meant an aircraft comprising a heat engine making it possible to rotate a main rotor, and at least one electric machine making it possible to provide power to the heat engine.
  • Figure 1 represents a sectional view of a turboprop for a hybrid aircraft according to the invention
  • Figure 2 schematically represents the turboprop of Figure 1 according to a first embodiment
  • Figure 3 represents the propulsion assembly of Figure 1, according to a second embodiment
  • Figure 4 represents the propulsion assembly of Figure 1, according to a first mode of operation of the second embodiment
  • Figure 5 represents the propulsion assembly of Figure 1, according to a second mode of operation of the second embodiment
  • Figure 6 represents the propulsion assembly of Figure 1, according to a third embodiment
  • Figure 7 represents the propulsion assembly of Figure 1, according to a fourth embodiment
  • Figure 8 represents the propulsion assembly of Figure 1, according to a fifth embodiment.
  • FIG. 1 schematically represents a turboprop 100 of an aircraft, rotating the main rotor 60 of an aircraft comprising a rotor axis 61 carrying a propeller 62.
  • the turboprop 100 is of the free turbine type, and in this regard comprises a gas turbine 10 having a gas generator 12 and a free turbine 11 capable of being rotated by a flow of gas generated by the generator gas 12.
  • the free turbine 11 is mounted on a turbine shaft 13 which transmits the rotational movement to the main rotor 60 via a mechanical reduction gear 50.
  • the turbine shaft 13 is through, and extends between a first end, called by convention the rear end (on the left in Figure 1), and a second end, called by convention the front end (on the right in Figure 1), crossing the gas generator 12 and the free turbine 1 1.
  • the first end of the turbine shaft 13 is engaged with a reversible electric machine 30, and the second end of the turbine shaft 13 is engaged with the mechanical gearbox 50.
  • the gas turbine 10 is of the type with both front and rear power take-off.
  • the gas generator 12 comprises a rotating generator shaft 14 on which are mounted at least one centrifugal compressor 15 and at least one turbine 16, as well as a combustion chamber 17 arranged axially between the compressor 15 and the turbine 16 since we consider the gas generator 12 in the axial direction of the generator shaft 14.
  • the gas turbine 10 has a casing 18 provided with an air inlet 19 through which the fresh air enters the gas generator 12. After its admission into the enclosure of the gas generator 12, the fresh air is compressed by the compressor 15 which delivers it towards the inlet of the combustion chamber 17 in which it is mixed with fuel .
  • the combustion which takes place in the combustion chamber 17 causes the burnt gases to be evacuated at high speed towards the turbine 16, which has the effect of rotating the shaft 14 of the gas generator 12 and, consequently, the compressor 15.
  • the rotation speed of the shaft 14 of the gas generator 12 is determined by the flow of fuel entering the combustion chamber 17.
  • the turboprop 100 being of the free turbine type, it will therefore be understood that the generator shaft 14 is independent of the turbine shaft 13.
  • the free turbine 11 and the turbine shaft 13 are completely independent of the generator shaft 14 and the compressor 15, unlike the turbine 16 which is linked to the compressor 15.
  • the reversible electric machine 30, comprising an electric motor capable of operating reversibly as an electric generator, is arranged at the end of the shaft, in engagement with the first end of the turbine shaft 13, such that it can provide power to the turbine shaft 13 by operating in engine mode, or take mechanical power from the turbine shaft 13 by operating in generator mode.
  • the electric machine 30, arranged at the rear end of the turboprop 100 is thus located in a thermally cold part thereof, in particular adjacent to the fresh air inlet 19 of the gas generator 12.
  • thermally cold part of the turboprop 100 corresponds to the upstream part thereof according to the direction of flow of the gas flow F, in particular upstream of the combustion chamber 17, and the thermally hot part of the turboprop 100 corresponds to the downstream part thereof, in particular at the level of the combustion chamber 17 and the hot gas ejection nozzle F.
  • This arrangement of the electric machine 30 is advantageous taking into account the significant space required by the high-power electric machine 30 (one to several hundred kilowatts), and also taking into account the difficulties of integrating such equipment linked to thermal constraints in the hot part of the turboprop 100. [0066] Furthermore, taking into account this architecture, all of the equipment, in particular the electrical machine 30, the gas generator 12, the free turbine 11, the mechanical gearbox 50 and the main rotor 60, are all coaxial and centered on the same main axis These different functions are described below with reference to Figures 2 to 8.
  • Figures 2 to 8 represent schematically and in a functional and simplified manner the different modes of operation of the device, without representing all the details of the elements constituting the turboprop and the different organs. power transmission. In particular, the pinions and possible speed ratios are not shown.
  • FIG. 2 schematically represents the turboprop 100 of Figure 1, in a reverse orientation, the propeller 62 being oriented towards the left in this figure.
  • the rear part of the turboprop 100 in other words the thermally cold part, includes an accessory box 20, known by the acronym “AGB” (for “Accessory GearBox” in English).
  • AGB for “Accessory GearBox” in English.
  • This box includes in particular the reversible electric machine 30, and different equipment, depending on the chosen application.
  • Figure 2 represents an operating mode allowing switching between the gas generator 12 and the free turbine 11. More precisely, the reversible electric machine 30 is mechanically coupled to the generator shaft 14 of the gas generator 12 by first deactivatable coupling means, comprising a first free wheel 31 and, preferably, a first speed adaptation reducer 33 arranged between the electric machine 30 and the first free wheel 31.
  • first deactivatable coupling means comprising a first free wheel 31 and, preferably, a first speed adaptation reducer 33 arranged between the electric machine 30 and the first free wheel 31.
  • the first free wheel 31 is mounted in such a way that the rotation of the reversible electric machine 30 can cause the generator shaft 14 to rotate when the reversible electric machine 30 operates as an electric motor (first coupling means activated) but that on the contrary, the rotation of the shaft generator 14 cannot rotate the reversible electric machine 30 (first coupling means deactivated).
  • the first free wheel 31 can only transfer a rotational torque in the direction of the reversible electric machine 30 towards the gas generator 12, and not the other way around.
  • the rotation of the reversible electric machine 30 is capable of rotating the shaft 14 of the gas generator 12 in order to start the latter. When the gas generator 12 has started, the reversible electric machine 30 no longer rotates the gas generator 12.
  • the reversible electric machine 30 is also capable of being coupled to the turbine shaft 13 of the free turbine 11, advantageously by means of second coupling means, in such a way that said electric machine reversible 30, operating as an electric generator, or capable of being rotated by the free turbine 11 in order to provide electricity.
  • the second coupling means comprise a second free wheel 32, similar to the first free wheel 31, and a second speed adaptation reducer 34 disposed between the second free wheel 32 and the electric machine 30.
  • This second speed adaptation reducer speed 34 has a reduction coefficient chosen in such a way that the speed of the reversible electric machine 30 is adapted to the speed range required to allow the supply of electricity.
  • the second free wheel 32 is in fact mounted in such a way that it can transmit a rotational torque only from the shaft 13 of the free turbine 11 to the electric machine 30.
  • the reversible electric machine 30 can be driven by the free turbine 11 (second coupling means activated) but cannot cause the latter to rotate (second coupling means deactivated).
  • the free turbine 11 rotates the reversible electric machine 30, the latter functions as an electric generator and produces electricity.
  • the first and second free wheels 31, 32 are mounted in opposition. In this case, they present opposite meanings of commitment.
  • the reversible electric machine 30, operating as a motor rotates the shaft 14 of the gas generator 12 (first free wheel 31 engaged, ie first coupling means activated)
  • the second free wheel 32 does not transmit the rotational torque of the reversible electric machine 30 to the shaft 13 of the turbine free 11 (second coupling means deactivated).
  • the housing 20 comprises the reversible electric machine 30, the free wheels 31, 32 and the speed adaptation reducers 33, 34. It will be noted that a similar function is detailed in document FR2929324 applied to a turboshaft engine, in which the electric machine and the mechanical gearbox are arranged on the same side of the turboshaft engine, unlike the present invention where the electric machine 30 and the mechanical gearbox 50 are arranged at opposite ends of the turboprop engine 100.
  • Figure 3 represents a mode of operation in which two reversible electric machines are used, replacing the free wheels 31 and 32.
  • the housing 20 comprises the reversible electric machine 30, which is a first machine electric, and further comprises a second reversible electric machine 40 coupled to the generator shaft 14.
  • the first electric machine 30 is a high-power electric machine, in particular several hundred kilowatts
  • the second electric machine 40 can be a starter usually used, with a power of around 10kW.
  • Figure 4 represents for example a mode of assistance of the gas generator 12 towards the turbine shaft 13.
  • the first electric machine 30 operates in motor mode by providing power to the turbine shaft 13, for example to assist the gas turbine during takeoff
  • the second electrical machine 40 operates in generator mode by taking power from the generator shaft 14, and by transferring electrical power to the first electrical machine 30 via an electrical connection 90, so as to assist the first electrical machine 30.
  • the “generator” mode is represented by a small lightning bolt in Figure 4 and Figure 5.
  • Figure 5 conversely represents a mode of assistance of the turbine shaft 13 towards the gas generator 12.
  • the second electric machine 40 operates in motor mode by providing power to the generator shaft 14
  • the first electric machine 30 operates in generator mode by drawing power from the turbine shaft 13, and transferring electric power to the second electric machine 40 via the electrical connection 90 , so as to modify the operating point of the gas generator for example.
  • the second electric machine 40 can have a higher power, for example equivalent to that of the first electric machine 30.
  • This mode of operation is shown in Figure 6, in which the second electric machine 40 is mechanically coupled to the shaft 14 of the gas generator 12 via a first deactivatable coupling means, and is mechanically coupled to the turbine shaft 13 via a second deactivatable coupling means.
  • the first deactivatable coupling means may in particular comprise a first free wheel 41 mounted such that the rotation of the second reversible electric machine 40 can cause the shaft 14 of the gas generator 12 to rotate when the second electric machine is operating. in electric motor mode, but on the contrary, the rotation of the shaft 14 of the gas generator 12 cannot drive the second reversible electric machine 40, if the first free wheel 41 is not blocked.
  • the first free wheel 41 can only transfer a rotational torque in the direction of the second electric machine 40 towards the gas generator 12, but not vice versa.
  • the first free wheel 41 is a lockable wheel, blocking this wheel then allows the generator shaft 14 to drive the second electrical machine 40 so that it operates in generator mode for modes “AP U” stopped rotor for example, the “AP U” mode (acronym for “Auxiliary Power Unit” in English) being an operating mode where the gas turbine drives an electric generator without driving the main rotor, to allow ensure power to electrical devices on the ground, such as batteries, flight equipment, heating or air conditioning.
  • the second deactivatable coupling means may in particular comprise a second free wheel 42, such that the second electric machine 40, operating in motor mode, is capable of rotating the turbine shaft 13.
  • the second reversible electric machine 40 is capable of rotating in a first direction of rotation (by convention, a positive direction) in which it is mechanically coupled to the shaft 14 of the gas generator 12 via the first free wheel 41, and in a second direction of rotation (by convention, a negative direction), opposite to the first direction of rotation, in which it is mechanically coupled to the turbine shaft 13 via the second free wheel 42.
  • the element represented by “-1” in Figure 6 and the following figures represents gears, for example pinions, allowing the reversal of the direction of rotation.
  • the second reversible electric machine 40 consists in this case of an electric motor capable of operating reversibly as an electric generator. To do this, one or the other of the first free wheel 41 or the second free wheel 42 can be blocked, by means of a blocking means, so as to be able to be driven in rotation by the rotor main 60 or by the gas generator 12, and thus generate electrical power. This electrical power generated by the second electrical machine 40 can then be transferred to other elements of the turboprop 100, for example to a “battery pack” (not shown) or can be exchanged between the electrical machines 30, 40 to achieve performance. internal hybridization.
  • the second electrical machine 40 can be used to perform a rapid start of the gas turbine 10 by rotating in the positive direction, and also to inject power onto the turbine shaft 13 by rotating in the negative direction, particularly in the rise phase, so as to supplement the power provided by the first electric machine 30.
  • the first electric machine 30 can operate in electric generator mode by being driven by the turbine shaft 13
  • the electrical power as well generated by the first electrical machine 30 can be used to power the on-board electrical accessories or charge the battery.
  • the first electric machine 30 and the second electric machine 40 can also provide power to the main rotor 60 by both operating in electric motor mode.
  • the second electric machine 40 then turns in the negative direction. This configuration can be useful in certain phases of flight requiring additional power, for example during takeoff.
  • the first electric machine 30 and the second electric machine 40 thus make it possible to supplement the power supplied to the main rotor 60 by the free turbine 11.
  • the first electric machine 30 can operate in electric generator mode and allow power to be supplied to the gas generator 12 via the second electric machine 40 then rotating in the positive direction.
  • This configuration can be useful in certain phases of flight, for example to assist the gas generator during rapid accelerations, or to modify the engine operating point in “high altitude – hot weather” flight conditions. .
  • a restart of the gas turbine 10 in flight, in the event of its stopping, is also possible.
  • the first electric machine 30 operates in electric motor mode to provide emergency power to the main rotor 60.
  • the speed of the gas generator 12 then decreases to an ignition window , allowing the turboprop to restart.
  • the second electric machine 40 can advantageously be rotated in the positive direction at a speed slightly lower than the restart speed. This saves time and facilitates the resynchronization of the second freewheel 42.
  • the second electric machine 40 rotating in the positive direction then drives the gas generator 12 via the first free wheel 41, making it possible to restart the gas turbine 10.
  • This architecture is particularly advantageous in that it allows, with only two electric machines, to supply power to the main rotor 60 at the same time, by the first electric machine 30 and the second electric machine 40, all in all by allowing the restart of the gas turbine 10 by the second electric machine 40 in certain operating phases and internal hybridization for high and hot flights for example. It should also be noted that the different steps described above can be carried out by a control unit (not shown), making it possible to detect the stopping of the engine, the rotation speed of the gas generator shafts and the free turbine, and control electrical machines.
  • Figure 7 represents an alternative example of architecture according to the invention, in which the housing 20 comprises a single reversible electric machine 30, rotating the generator shaft 14 via a first free wheel 31 when it rotates in the positive direction, and driving the turbine shaft 13 via a second freewheel 32 when it rotates in the negative direction.
  • This configuration makes it possible to perform most of the functions described above, apart from internal hybridization.
  • at least one of the two free wheels 31, 32 is lockable to enable the electrical generation function.
  • Figure 8 represents an example of architecture similar to the example of Figure 7, in which a rotor brake 70 is arranged between the electric machine 30 and the second free wheel 32.
  • the rotor brake 70 is movable between a braking position, preventing the rotation of the propeller 62 and the free turbine 11, and a free position allowing the rotation of the propeller 62 and the free turbine 11.
  • the rotor brake 70 therefore makes it possible to block the free turbine 11, and therefore the main rotor 60, particularly in the event of starting in strong winds.
  • the presence of the through turbine shaft 13 makes it possible to position this rotor brake 70 in a thermally cold zone, on the side of the first end of the turbine shaft 13, at the rear of the turboprop 100.

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Abstract

Turbomachine (100) pour aéronef hybridé, comprenant un générateur de gaz (12) porté par un arbre de générateur (14), au moins une turbine libre (11) portée par un arbre de turbine (13) et entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz (12), un rotor principal (60), et au moins une machine électrique réversible (30), l'arbre de turbine (13) étant traversant et s'étendant axialement entre une première extrémité en prise avec la machine électrique (30), et une deuxième extrémité en prise avec le rotor principal (60).

Description

Description
Titre de l'invention : TURBOMACHINE AMELIOREE POUR AERONEF HYBRIDE
Domaine Technique
[0001] La présente invention concerne le domaine des aéronefs hybridés, comprenant au moins une turbomachine pour des engins volants, telle qu’un turbopropulseur pour un avion ou un turbomoteur pour un hélicoptère. En particulier, l’invention concerne une turbomachine pour aéronef hybridé, et un aéronef hybridé comprenant une telle turbomachine.
Technique antérieure
[0002] De manière connue, une turbomachine, par exemple un turbomoteur ou un turbopropulseur, pour un hélicoptère ou pour un avion, comporte une turbine à gaz ayant un générateur de gaz et une turbine libre entraînée en rotation par le flux de gaz généré par le générateur de gaz. De manière connue en soi, la turbine libre est complètement indépendante du générateur de gaz, comprenant un ou deux compresseurs (haute et basse pression) et une ou deux turbines (haute et basse pression). En particulier, l’arbre de la turbine libre et l’arbre du générateur de gaz (portant le ou les compresseur(s) et la ou les turbine(s)) ne sont pas liés. La turbine libre est donc distincte de la ou des turbine(s) (haute et basse pression) portées par l’arbre du générateur de gaz, qui sont liées quant à elles au compresseur. Ainsi, la particularité d’un turbopropulseur à turbine libre réside dans la séparation des éléments « moteur » (générateur de gaz) et « turbine de puissance » (ou turbine libre). En outre, un aéronef comprend généralement, en plus de cette turbomachine, une machine électrique réversible couplée au générateur de gaz, de manière à mettre en rotation le générateur de gaz lors d'une phase de démarrage de la turbomachine, ou en vol de manière à assurer les besoins électriques non propulsifs de l’aéronef. [0003] Traditionnellement, le générateur de gaz comporte au moins un compresseur et une turbine couplés en rotation. Le principe de fonctionnement est le suivant : l'air frais entrant dans la turbine à gaz est comprimé du fait de la rotation du compresseur avant d'être envoyé vers une chambre de combustion où il est mélangé à un carburant. Les gaz brûlés du fait de la combustion sont ensuite évacués à grande vitesse. Il se produit alors une première détente dans la turbine du générateur de gaz, durant laquelle cette dernière extrait l'énergie nécessaire à l'entraînement du compresseur. La turbine du générateur de gaz n'absorbe pas toute l'énergie cinétique des gaz brûlés et l'excédent d'énergie cinétique correspond au flux de gaz généré par le générateur de gaz. Ce dernier fournit donc de l'énergie cinétique à la turbine libre de sorte qu'il se produit une seconde détente dans la turbine libre qui transforme cette énergie cinétique en énergie mécanique afin d'entraîner un organe récepteur, tel qu’une hélice de turbopropulseur.
[0004] Lors de la phase de démarrage de la turbomachine, il est nécessaire d'entraîner en rotation le générateur de gaz, c'est-à-dire entraîner en rotation le compresseur couplé à la turbine. Comme mentionné ci-dessus, c'est précisément l'un des rôles de la machine électrique réversible, connue par ailleurs, qui est le plus souvent un moteur électrique apte à fonctionner de manière réversible en génératrice électrique.
[0005] En effet, les aéronefs, dans lesquels de telles turbomachines sont notamment destinées à être intégrées, comportent des appareillages électriques qu'il est nécessaire d'alimenter par de l'énergie électrique. La machine électrique réversible est utilisée pour fournir de l'électricité à ces appareillages électriques. Pour ce faire, la machine électrique fonctionnant cette fois-ci en génératrice électrique est entraînée en rotation par le générateur de gaz, l'énergie mécanique sur le générateur de gaz étant transformée en énergie électrique par ladite machine. Par ailleurs, la machine électrique peut être utilisée pour réaliser de l’hybridation interne, en apportant par exemple une puissance supplémentaire sur l'arbre hélice ou l'arbre moteur, ou en générant de la puissance en prélevant sur l'arbre de turbine libre sans affecter la performance du générateur de gaz. [0006] Pour assurer ces fonctions, la ou les machines électriques doivent être dimensionnées à une puissance très supérieure à celle des génératrices/démarreurs habituellement utilisés, typiquement une ou plusieurs centaines de kilowatts, au lieu d’une dizaine de kilowatts. Il est donc souhaitable de mutualiser les deux types de machines électriques (la génératrice/démarreur de la turbine et la machine électrique connectée au rotor).
[0007] Toutefois, les architectures existantes ne permettent pas la réalisation de certaines fonctions par les machines électriques. Par ailleurs, ces machines électriques de forte puissance impliquent des difficultés en termes d’encombrement. Par exemple, certaines architectures de turbopropulseur sont caractérisées par une prise arrière au niveau des turbines libres et des tuyères d’éjection des gaz chauds, pour entrainer le réducteur et l'hélice du turbopropulseur, et par une boite d’accessoires en partie froide à l'opposé du moteur pour entrainer les équipements.
[0008] Il est néanmoins difficile d'intégrer une machine électrique de forte puissance nécessairement encombrante sur une telle architecture. En effet, l'installation en partie chaude, sous la tuyère, d'une machine électrique entraînée à grande vitesse par les turbines présenterait des difficultés en terme d'intégration, de maintenabilité et d'environnement thermique. L'unique solution envisageable est donc d'entrainer la machine électrique en partie froide, notamment au niveau de la boite d’accessoires, et donc d'impacter les performances de la turbine à gaz lors du prélèvement sur le générateur de gaz. Ceci contribue à augmenter de manière importante la consommation du moteur. Par ailleurs, cette consommation accrue impacte l'endurance de l'appareil, pourtant importante dans une application de type drone par exemple.
[0009] D’autres types d’architectures existent, notamment lorsque la boite d’accessoires et le réducteur mécanique de l'hélice sont tous deux du même côté du moteur, en plaçant la machine électrique en zone froide à proximité du cône d’hélice. Ces architectures impliquent toutefois d’augmenter la section frontale de la turbomachine, en décalant (en d’autres termes en créant un « offset ») l’axe de l’hélice par rapport à l’axe principal du moteur via un réducteur mécanique, et/ou compacter son centrage, et limitent les possibilités de mutualisation des fonctions entre la génératrice/démarreur de la turbine et la machine électrique de forte puissance.
[0010] Il existe donc un besoin pour une architecture répondant au moins en partie aux inconvénients précités.
Exposé de l’invention
[0011 ] Le présent exposé concerne une turbomachine pour aéronef hybridé, comprenant un générateur de gaz porté par un arbre de générateur, au moins une turbine libre portée par un arbre de turbine et entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz, un rotor principal, et au moins une machine électrique réversible, l’arbre de turbine étant traversant et s’étendant axialement entre une première extrémité en prise avec la machine électrique, et une deuxième extrémité en prise avec le rotor principal.
[0012] La turbomachine peut être un turbomoteur ou un turbopropulseur. Dans la suite de la description, on se référera préférentiellement à un turbopropulseur. Le rotor principal peut être une hélice l’aéronef, notamment d’avion, permettant sa propulsion, l’hélice étant alors disposée à une extrémité du turbopropulseur, préférentiellement à l’extrémité avant du turbopropulseur lorsque l’on considère un sens de déplacement normal de l’aéronef. Le rotor principal est ainsi mobile autour d’un axe de rotation, correspondant préférentiellement à l’axe principal du turbopropulseur.
[0013] Par « traversant », on comprend que l’arbre de turbine s’étend axialement le long de l’axe principal du turbopropulseur, de part et d’autre de ce dernier. L’arbre de turbine traverse ainsi la turbine haute pression, la chambre de combustion et le compresseur d'un côté, et de l'autre côté la tuyère de sortie. L’arbre de turbine traverse ainsi la partie thermiquement froide comprenant l’entrée d’air et le compresseur, et la partie thermiquement chaude, autrement dit où les températures sont plus élevées que dans la partie froide, et comprenant la chambre de combustion et la tuyère. Les rotors de ce turbopropulseur sont notamment configurés pour être traversés par l’arbre de turbine. En outre, de préférence, l’arbre de générateur et l’arbre de turbine sont concentriques, l’arbre de turbine traversant le générateur de gaz en passant à l’intérieur de l’arbre de générateur. On comprend ainsi que l’arbre de turbine est complètement indépendant de l’arbre de générateur et du ou des compresseur(s) qu’il porte.
[0014] Par ailleurs, par « en prise avec », on comprend que la première extrémité de l’arbre de turbine est liée mécaniquement à la machine électrique, directement ou indirectement. Ainsi, la machine électrique réversible peut entrainer en rotation l’arbre de turbine, et peut inversement être entraînée par l’arbre de turbine pour générer de l’électricité. De même, on comprend que la deuxième extrémité de l’arbre de turbine est liée mécaniquement au rotor principal, par exemple à l’hélice, directement ou par l’intermédiaire d’un réducteur mécanique.
[0015] Contrairement aux configurations dans lesquelles la machine électrique est disposée au niveau de la boite d’accessoires dans la partie froide, en prélevant de l’énergie sur l’arbre de générateur, cette architecture comprenant un arbre de turbine traversant permet à la machine électrique, en prise avec l’arbre de turbine, de prélever de l’énergie sur ce dernier, et ainsi de limiter l’impact sur les performances de la turbine à gaz et sur la consommation du moteur.
[0016] Par ailleurs, selon cette architecture dans laquelle l’arbre de turbine traversant est en prise à ses deux extrémités, notamment à sa première extrémité avec la machine électrique et à sa deuxième extrémité avec le rotor principal, il est possible de réaliser un nombre élevé de fonctions, tout en conservant de manière préférentielle une disposition alignée selon un même axe des différents composants du turbopropulseur, et en limitant ainsi la section frontale du turbopropulseur. Cette configuration permet notamment de réduire la trainée du turbopropulseur.
[0017] Dans certains modes de réalisation, le générateur de gaz comprend un compresseur et une entrée d’air configurée pour alimenter le compresseur en air frais, la première extrémité de l’arbre de turbine en prise avec la machine électrique étant disposée de manière adjacente à l’entrée d’air. [0018] En d’autres termes, la machine électrique est disposée dans la partie thermiquement froide du turbopropulseur. Il est ainsi possible de faciliter l’intégration de la machine électrique dans le turbopropulseur et d’améliorer sa maintenabilité, contrairement à des environnements thermiques plus chauds tels que sous la tuyère d’éjection des gaz chauds, du côté de la turbine.
[0019] Dans certains modes de réalisation, la deuxième extrémité de l’arbre de turbine est en prise avec le rotor principal par l’intermédiaire d’un réducteur mécanique disposé entre la turbine libre et le rotor principal.
[0020] Contrairement à une application sur turbomoteur d’hélicoptère, dans laquelle le réducteur mécanique et la machine électrique sont chacun disposés du même côté du générateur de gaz, le réducteur mécanique et la machine électrique sont ici disposés à des extrémités opposées de l’arbre de turbine. Ainsi, la machine électrique est disposée au niveau de la première extrémité de l’arbre de turbine, de préférence en partie froide, alors que le réducteur mécanique peut être disposé au niveau de la deuxième extrémité de l’arbre de turbine, en partie chaude. Cela permet de maintenir la machine électrique dans un environnement thermique froid afin d'en améliorer la fiabilité, d'améliorer la modularité pour la maintenance, de limiter la section frontale de la turbomachine hybridée pour améliorer l'aérodynamisme de l'appareil, et de limiter l'impact du centrage de la machine électrique.
[0021] Dans certains modes de réalisation, la turbomachine comprend une chambre de combustion, la deuxième extrémité de l’arbre de turbine étant en prise avec le rotor principal en aval de la chambre de combustion.
[0022] On comprend que les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens normal d’écoulement des gaz dans la turbomachine. En d’autres termes, la prise entre la deuxième extrémité de l’arbre de turbine et le rotor principal est située dans la partie thermiquement chaude de la turbomachine, après le passage des gaz dans la chambre de combustion.
[0023] Dans certains modes de réalisation, la deuxième extrémité de l’arbre de turbine est en prise avec le rotor principal au voisinage de la chambre de combustion et d’une tuyère d’éjection des gaz chauds. De préférence, la prise entre la deuxième extrémité de l’arbre de turbine et le rotor principal est située en regard de la tuyère d’éjection.
[0024] Dans certains modes de réalisation, la machine électrique est en prise directe avec la première extrémité de l’arbre de turbine, de manière à tourner à la même vitesse que l’arbre de turbine.
[0025] La machine électrique, par exemple à haute densité de puissance, tend à tourner à des vitesses comparables aux turbines libres, et peut par exemple être fixée directement à la première extrémité de l’arbre de turbine. Cela permet de limiter le nombre de pièces d’assemblage nécessaires, et ainsi de simplifier l’architecture du turbopropulseur.
[0026] Dans certains modes de réalisation, la machine électrique est en prise avec la première extrémité de l’arbre de turbine par l’intermédiaire d’un réducteur d’adaptation de vitesse.
[0027] Lorsque la turbine libre ne permet pas un entrainement en prise directe de la machine électrique, en fonction du dimensionnement de cette dernière, le réducteur d’adaptation de vitesse permet d’adapter la vitesse de rotation de la machine électrique à celle de la turbine libre. Cela permet de dissocier l'optimum de dimensionnement de la turbine libre et celui de la machine électrique.
[0028] Dans certains modes de réalisation, la machine électrique est apte à être couplée à l’arbre de générateur de manière à mettre en rotation le générateur de gaz lors d’une phase de démarrage de la turbomachine, et est apte à être couplée à l’arbre de turbine après la phase de démarrage afin de générer de la puissance électrique.
[0029] Cette configuration permet de démarrer la turbine à gaz en injectant de la puissance sur le générateur de gaz grâce à la machine électrique, puis, lorsque la vitesse du générateur de gaz dépasse un seuil prédéterminé, l’arbre de turbine entraine alors la machine électrique pour que cette dernière génère de la puissance électrique. Il est ainsi possible de réaliser une forte génération de puissance en prélevant sur l’arbre de turbine sans pénaliser la performance de la turbine à gaz. Cette configuration est particulièrement avantageuse pour les applications non hybridées demandant une forte génération éléctrique, comme sur les applications utilisant des drones par exemple.
[0030] Dans certains modes de réalisation, la machine électrique est couplée à l’arbre de générateur par l’intermédiaire d’une première roue libre configurée pour transmettre un couple de rotation provenant de la machine électrique, et est couplée à l’arbre de turbine par l’intermédiaire d’une deuxième roue libre configurée pour transmettre un couple de rotation à la machine électrique.
[0031] On comprend que la première roue libre et la deuxième roue libre sont montées en opposition. Par « montées en opposition », on comprend que la première roue libre peut transmettre un couple de rotation provenant de la machine électrique, mais pas l’inverse, alors que la deuxième roue libre peut transmettre un couple de rotation vers la machine électrique, mais pas l’inverse. De préférence, la machine électrique est couplée à l’arbre de générateur par l’intermédiaire de la première roue libre et d’un premier réducteur d’adaptation de vitesse, et est couplée à l’arbre de turbine par l’intermédiaire de la deuxième roue libre et d’un deuxième réducteur d’adaptation de vitesse, les rapports de réduction du premier et du deuxième réducteur d’adaptation de vitesse étant déterminés de telle sorte qu'après le démarrage du générateur de gaz, la première roue libre soit désynchronisée et la deuxième roue libre soit synchronisée.
[0032] Les roues libres présentent l’avantage de ne pas nécessiter d'être commandées électroniquement ou mécaniquement par un opérateur extérieur. La roue libre présente en outre une fiabilité importante. Une telle roue libre est généralement constituée d'un moyeu et d'une couronne périphérique montée rotative sur le moyeu. Le moyeu pouvant généralement entraîner en rotation la couronne périphérique mais pas l'inverse. Il est à noter que dans certains cas, la roue libre est disposée de telle sorte que la couronne périphérique peut entrainer en rotation le moyeu, mais pas l'inverse, sans remettre en cause le principe de la présente invention. Aussi, le moyeu ne peut entraîner la couronne que lorsque le moyeu tourne dans un sens prédéterminé par rapport à la couronne, que l'on appellera « sens d'engagement ». Dans le cas contraire, le moyeu et la couronne périphérique tournent librement l'un par rapport à l'autre.
[0033] Dans certains modes de réalisation, la machine électrique est une première machine électrique réversible, la turbomachine comprenant en outre une deuxième machine électrique réversible en prise avec l’arbre de générateur, et apte à échanger de la puissance électrique avec la première machine électrique réversible.
[0034] La première machine électrique en prise avec la première extrémité de l’arbre de turbine est alors de préférence une machine électrique de forte puissance, de l’ordre d’une ou plusieurs centaines de kilowatts, alors que la deuxième machine électrique est de préférence de faible puissance, de l’ordre de 10kW, telle qu’une génératrice/démarreur habituellement utilisée.
[0035] Selon cette configuration, alors que la deuxième machine électrique est utilisée pour le démarrage de la turbine à gaz, la première machine électrique peut être utilisée avec la génératrice/démarreur pour réaliser de l’hybridation interne, c’est-à-dire un échange de puissance entre les machines électriques pour limiter le vieillissement de la turbine à gaz, en échangeant de la puissance entre le corps du générateur de gaz et la turbine libre. Cette configuration permet en outre de réaliser l’ensemble des fonctions souhaitées, notamment de l’assistance par transfert de puissance à l’arbre de turbine ou à l’arbre de générateur dans certaines phases transitoires, de l’assistance à la turbine à gaz au décollage, ou de la génération d’électricité en vol pour recharger les batteries.
[0036] Dans certains modes de réalisation, la première machine électrique est configurée pour fonctionner en mode génératrice, dans lequel elle est apte à être entraînée en rotation par l’arbre de turbine de manière à générer de la puissance électrique, ou en mode moteur dans lequel elle est apte à apporter de la puissance à l’arbre de turbine.
[0037] En d’autres termes, en mode moteur la première machine électrique est apte à apporter de la puissance à l'hélice dans le cas d’un turbopropulseur, ou à la prise de mouvement dans le cas d’un turbomoteur. La première machine électrique peut ainsi générer de la puissance électrique sans prélever de la puissance sur le générateur de gaz, ce qui permet d’améliorer la consommation spécifique de la turbine à gaz. De plus, le mode moteur permet un apport de puissance à l’arbre de turbine, dans certaines phases de vol le nécessitant, comme le décollage, les phases transitoires ou les manoeuvres.
[0038] Dans certains modes de réalisation, la deuxième machine électrique est apte à être couplée à l’arbre de générateur par l’intermédiaire d’un premier moyen de couplage désactivable, et à être couplée à l’arbre de turbine par l’intermédiaire d’un deuxième moyen de couplage désactivable.
[0039] Dans certains modes de réalisation, au moins l’un du premier et du deuxième moyen de couplage désactivable est une roue libre, de préférence blocable, le premier moyen de couplage désactivable étant configuré pour être activé lorsque la deuxième machine électrique tourne dans un premier sens de rotation, et le deuxième moyen de couplage désactivable étant configuré pour être activé lorsque la deuxième machine électrique tourne dans un deuxième sens de rotation opposé au premier sens de rotation.
[0040] Par « moyens de couplage désactivables », on entend que les moyens de couplage peuvent être dans une position activée dans laquelle les organes reliés auxdits moyens de couplage sont couplés, ou dans une position désactivée dans laquelle lesdits organes sont découplés, étant entendu que par "organe" on entend les machines électriques, le rotor principal, le générateur de gaz et la turbine libre. Les moyens de couplage désactivables peuvent notamment comprendre une roue libre.
[0041] Compte tenu de cette configuration, il est possible de réaliser un nombre élevé de fonction, et notamment de l’hybridation interne. Plus précisément, la deuxième machine électrique peut assurer le prélèvement sur la turbine libre, par exemple en bloquant le deuxième moyen de couplage désactivable, de manière à ne pas affecter la performance du générateur de gaz, ou l'injection de puissance sur l’arbre de turbine, et donc sur le rotor principal de manière à assister celui-ci dans certaines phases de fonctionnement. [0042] En outre, la deuxième machine électrique peut être utilisée dans un sens de rotation pour être couplée mécaniquement au générateur de gaz, et dans l’autre sens de rotation pour être couplée mécaniquement à l’arbre de turbine et donc au rotor principal. En particulier, la deuxième machine électrique tournant dans le premier sens de rotation permet le couplage avec le générateur de gaz afin de démarrer ce dernier au sol, mais également afin de compléter la puissance thermodynamique dans certaines phases de vol, pour l'assistance aux phases transitoires ou la modification du point de fonctionnement moteur par exemple.
[0043] La deuxième machine électrique tournant dans le premier sens de rotation permet également de redémarrer le générateur de gaz en vol, par exemple suite à une panne de celui-ci, sans nécessiter l’activation d’un autre organe mécanique tel qu’un embrayage. Par ailleurs, la deuxième machine électrique tournant dans le deuxième sens de rotation permet d’entrainer le rotor principal dans certaines phases de vol nécessitant un apport supplémentaire de puissance.
[0044] Par conséquent, l’architecture selon le présent exposé présente l’avantage d’être simple en limitant le nombre de composants et de connexions, tout en permettant de réaliser un nombre élevé de fonctions, notamment de l’hybridation interne, et ainsi d’améliorer la fiabilité du dispositif.
[0045] Dans certains modes de réalisation, la turbomachine comprend un frein rotor, mobile entre une position de freinage, empêchant la rotation du rotor principal, et une position libre permettant la rotation du rotor principal, le frein rotor étant disposé en amont du générateur de gaz. En d’autres termes, le système de freinage de l'hélice est disposé non pas du côté du réducteur d'hélice, mais à l'opposé de la turbomachine, dans la partie froide de celle-ci. On notera que la fonction de frein rotor peut être assurée par une roue libre blocable.
[0046] Le présent exposé concerne également un aéronef hybridé comprenant une turbomachine selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents. L’aéronef hybridé peut être un avion, et la turbomachine peut être un turbopropulseur. [0047] On comprend par « aéronef hybridé », un aéronef comprenant un moteur thermique permettant d’entrainer en rotation un rotor principal, et au moins une machine électrique permettant d’apporter de la puissance au moteur thermique.
Brève description des dessins
[0048] L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles :
[0049] [Fig. 1] La figure 1 représente une vue en coupe d’un turbopropulseur pour aéronef hybridé selon l’invention,
[0050] [Fig. 2] La figure 2 représente schématiquement le turbopropulseur de la figure 1 selon un premier mode de réalisation,
[0051] [Fig. 3] La figure 3 représente l’ensemble propulsif de la figure 1 , selon un deuxième mode de réalisation,
[0052] [Fig. 4] La figure 4 représente l’ensemble propulsif de la figure 1 , selon un premier mode de fonctionnement du deuxième mode de réalisation,
[0053] [Fig. 5] La figure 5 représente l’ensemble propulsif de la figure 1 , selon un deuxième mode de fonctionnement du deuxième mode de réalisation,
[0054] [Fig. 6] La figure 6 représente l’ensemble propulsif de la figure 1 , selon un troisième mode de réalisation,
[0055] [Fig. 7] La figure 7 représente l’ensemble propulsif de la figure 1 , selon un quatrième mode de réalisation,
[0056] [Fig. 8] La figure 8 représente l’ensemble propulsif de la figure 1 , selon un cinquième mode de réalisation.
Description des modes de réalisation
[0057] Une architecture d’une turbomachine, dans cet exemple d’un turbopropulseur 100 selon différents modes de réalisation de l’invention va être décrite dans la suite de la description, en référence aux figures 1 à 8. [0058] La figure 1 représente de façon schématique un turbopropulseur 100 d’un aéronef, entraînant en rotation le rotor principal 60 d'un avion comprenant un axe de rotor 61 portant une hélice 62.
[0059] Le turbopropulseur 100 est de type à turbine libre, et comprend à cet égard une turbine à gaz 10 ayant un générateur de gaz 12 et une turbine libre 1 1 apte à être entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz 12. La turbine libre 1 1 est montée sur un arbre de turbine 13 qui transmet le mouvement de rotation au rotor principal 60 par l’intermédiaire d’un réducteur mécanique 50. Ainsi, l’arbre de turbine 13 est traversant, et s’étend entre une première extrémité, nommée par convention extrémité arrière (à gauche sur la figure 1 ), et une deuxième extrémité, nommée par convention extrémité avant (à droite sur la figure 1 ), en traversant le générateur de gaz 12 et la turbine libre 1 1 .
[0060] La première extrémité de l’arbre de turbine 13 est en prise avec une machine électrique réversible 30, et la deuxième extrémité de l’arbre de turbine 13 est en prise avec le réducteur mécanique 50. Ainsi, selon l’invention, la turbine à gaz 10 est du type à prise de mouvement à la fois avant et arrière.
[0061 ] Le générateur de gaz 12 comporte un arbre de générateur 14 rotatif sur lequel sont montés au moins un compresseur centrifuge 15 et au moins une turbine 16, ainsi qu'une chambre de combustion 17 disposée axialement entre le compresseur 15 et la turbine 16 dès lors que l'on considère le générateur de gaz 12 selon la direction axiale de l'arbre de générateur 14. La turbine à gaz 10 présente un carter 18 muni d'une entrée d'air 19 par laquelle l'air frais entre dans le générateur de gaz 12. Après son admission dans l'enceinte du générateur de gaz 12, l'air frais est comprimé par le compresseur 15 qui le refoule vers l'entrée de la chambre de combustion 17 dans laquelle il est mélangé avec du carburant. La combustion qui a lieu dans la chambre de combustion 17 provoque l'évacuation à grande vitesse des gaz brûlés vers la turbine 16, ce qui a pour effet d'entraîner en rotation l'arbre 14 du générateur de gaz 12 et, par conséquent, le compresseur 15. La vitesse de rotation de l'arbre 14 du générateur de gaz 12 est déterminée par le débit de carburant entrant dans la chambre de combustion 17. Le turbopropulseur 100 étant de type à turbine libre, on comprendra donc que l’arbre de générateur 14 est indépendant de l’arbre de turbine 13. En d’autres termes, la turbine libre 11 et l’arbre de turbine 13 sont totalement indépendants de l’arbre de générateur 14 et du compresseur 15, contrairement à la turbine 16 qui est liée au compresseur 15.
[0062] Malgré l'extraction d'énergie cinétique par la turbine 16, le flux de gaz sortant du générateur de gaz présente une énergie cinétique significative. Comme on le comprend à l'aide de la figure 1 , le flux de gaz F est dirigé vers la turbine libre 11 ce qui a pour effet de provoquer une détente dans la turbine libre 11 conduisant à la mise en rotation de la roue de turbine et de l'arbre de turbine 13.
[0063] La machine électrique réversible 30, comportant un moteur électrique apte à fonctionner de manière réversible en génératrice électrique, est disposée en bout d’arbre, en prise avec la première extrémité de l’arbre de turbine 13, de telle sorte qu’elle peut apporter de la puissance à l’arbre de turbine 13 en fonctionnant en mode moteur, ou bien prélever de la puissance mécanique sur l’arbre de turbine 13 en fonctionnant en mode génératrice. De plus, la machine électrique 30, disposée à l’extrémité arrière du turbopropulseur 100, est ainsi située dans une partie thermiquement froide de celui-ci, notamment de manière adjacente de l’entrée d'air frais 19 du générateur de gaz 12.
[0064] On comprend que la partie thermiquement froide du turbopropulseur 100 correspond à la partie amont de celui-ci selon le sens d’écoulement du flux de gaz F, notamment en amont de la chambre de combustion 17, et la partie thermiquement chaude du turbopropulseur 100 correspond à la partie aval de celui-ci, notamment au niveau de la chambre de combustion 17 et de la tuyère d’éjection des gaz chaud F.
[0065] Cette disposition de la machine électrique 30 est avantageuse compte tenu de l’encombrement important impliqué par la machine électrique 30 de forte puissance (une à plusieurs centaines de kilowatts), et compte tenu également des difficultés d’intégration d’un tel équipement liées aux contraintes thermiques dans la partie chaude du turbopropulseur 100. [0066] Par ailleurs, compte tenu de cette architecture, l’ensemble des équipements, notamment la machine électrique 30, le générateur de gaz 12, la turbine libre 11 , le réducteur mécanique 50 et le rotor principal 60, sont tous coaxiaux et centrés sur un même axe principal X. Cette architecture permet de limiter la section frontale du turbopropulseur 100, tout en permettant la réalisation d’un nombre élevé de fonctions, selon les applications envisagées. Ces différentes fonctions sont décrites ci-dessous en référence aux figures 2 à 8.
[0067] On notera de manière générale que, par souci de clarté, les figures 2 à 8 représentent schématiquement et de manière fonctionnelle et simplifiée les différents modes de fonctionnement du dispositif, sans représenter tous les détails des éléments constituant le turbopropulseur et les différents organes de transmission de puissance. En particulier, les pignons et éventuels rapports de vitesse ne sont pas représentés.
[0068] La figure 2 représente schématiquement le turbopropulseur 100 de la figure 1 , dans une orientation inversée, l’hélice 62 étant orientée vers la gauche sur cette figure. La partie arrière du turbopropulseur 100, autrement dit la partie thermiquement froide, comprend un boîtier 20 d’accessoires, connu sous l’acronyme « AGB » (pour « Accessory GearBox » en anglais). Ce boîtier comprend notamment la machine électrique réversible 30, et différents équipements, selon l’application choisie.
[0069] En particulier, la figure 2 représente un mode de fonctionnement permettant la commutation entre le générateur de gaz 12 et la turbine libre 11 . Plus précisément, la machine électrique réversible 30 est couplée mécaniquement à l'arbre de générateur 14 du générateur de gaz 12 par des premiers moyens de couplage désactivables, comprenant une première roue libre 31 et, de préférence, un premier réducteur d’adaptation de vitesse 33 disposé entre la machine électrique 30 et la première roue libre 31 .
[0070] La première roue libre 31 est montée de telle sorte que la rotation de la machine électrique réversible 30 peut entraîner en rotation l'arbre de générateur 14 lorsque la machine électrique réversible 30 fonctionne en moteur électrique (premiers moyens de couplage activés) mais qu'au contraire, la rotation de l'arbre de générateur 14 ne peut pas entraîner en rotation la machine électrique réversible 30 (premiers moyens de couplage désactivés). Autrement dit, la première roue libre 31 ne peut transférer un couple de rotation que dans le sens de la machine électrique réversible 30 vers le générateur de gaz 12, et pas l'inverse. Ainsi, la rotation de la machine électrique réversible 30 est apte à entraîner en rotation l'arbre 14 du générateur de gaz 12 afin de démarrer ce dernier. Lorsque le générateur de gaz 12 a démarré, la machine électrique réversible 30 n'entraîne plus en rotation le générateur de gaz 12.
[0071] Conformément à l'invention, la machine électrique réversible 30 est également apte à être couplée à l’arbre de turbine 13 de la turbine libre 11 , avantageusement par le biais de deuxièmes moyens de couplage, de telle manière que ladite machine électrique réversible 30, fonctionnant en génératrice électrique, soit apte à être entraînée en rotation par la turbine libre 11 afin de fournir de l'électricité. Les deuxièmes moyens de couplage comprennent une deuxième roue libre 32, similaire à la première roue libre 31 , et un deuxième réducteur d’adaptation de vitesse 34 disposé entre la deuxième roue libre 32 et la machine électrique 30. Ce deuxième réducteur d’adaptation de vitesse 34 a un coefficient de réduction choisi de telle manière que la vitesse de la machine électrique réversible 30 soit adaptée à la plage de vitesse requise pour permettre la fourniture d'électricité. La deuxième roue libre 32 est en effet montée de telle sorte qu'elle peut transmettre un couple de rotation uniquement de l'arbre 13 de la turbine libre 11 vers la machine électrique 30.
[0072] Autrement dit, grâce à la deuxième roue libre 32, la machine électrique réversible 30 peut être entraînée par la turbine libre 11 (deuxièmes moyens de couplage activés) mais ne peut pas entraîner en rotation cette dernière (deuxièmes moyens de couplage désactivés). Lorsque la turbine libre 11 entraîne en rotation la machine électrique réversible 30, cette dernière fonctionne en génératrice électrique et produit de l'électricité.
[0073] Les première et deuxième roues libres 31 , 32 sont montées en opposition. En l'espèce, elles présentent des sens d'engagement opposés. Ainsi, lorsque la machine électrique réversible 30, fonctionnant en moteur, entraîne en rotation l'arbre 14 du générateur de gaz 12 (première roue libre 31 engagée, i.e. premiers moyens de couplage activés), la deuxième roue libre 32 ne transmet pas le couple de rotation de la machine électrique réversible 30 vers l'arbre 13 de la turbine libre 11 (deuxièmes moyens de couplage désactivés). Inversement, lorsque l'arbre 13 de la turbine libre 11 entraîne en rotation la machine électrique réversible 30 fonctionnant en génératrice électrique (deuxième roue libre 32 engagée, i.e. deuxième moyens de couplage activés), la première roue libre 31 ne transmet pas le couple de rotation de la machine électrique réversible 30 vers l'arbre 14 du générateur de gaz 12 (premiers moyens de couplage désactivés).
[0074] Dans ce cas de figure, le boîtier 20 comprend la machine électrique réversible 30, les roues libres 31 , 32 et les réducteurs d’adaptation de vitesse 33, 34. On notera qu’une fonction similaire est détaillée dans le document FR2929324 appliquée à un turbomoteur, dans lequel la machine électrique et le réducteur mécanique sont disposés du même côté du turbomoteur, à l’inverse de la présente invention où la machine électrique 30 et le réducteur mécanique 50 sont disposés à des extrémités opposées du turbopropulseur 100.
[0075] La figure 3 représente un mode de fonctionnement dans lequel deux machines électriques réversibles sont utilisées, en remplacement des roues libres 31 et 32. Dans ce cas de figure, le boîtier 20 comprend la machine électrique réversible 30, qui est une première machine électrique, et comprend en outre une deuxième machine électrique réversible 40 couplée à l’arbre de générateur 14. Alors que la première machine électrique 30 est une machine électrique de forte puissance, notamment plusieurs centaines de kilowatts, la deuxième machine électrique 40 peut être un démarreur habituellement utilisé, d’une puissance de l’ordre de 10kW.
[0076] Cette configuration permet de réaliser un nombre élevé de fonctions, notamment de l’assistance par transfert de puissance à l’arbre de turbine 13 ou à l’arbre de générateur 14 dans certaines phases transitoires ou de l’assistance à la turbine à gaz 10 au décollage en prélevant la puissance sur un pack de batteries, ou de la génération d’électricité en vol pour recharger les batteries. Par ailleurs, le transfert de puissance entre les deux machines électriques permet également de changer le point fonctionnement de la turbomachine de manière avantageuse par l'hybridation interne. Les figures 4 et 5 illustrent des exemples de ces fonctions.
[0077] Sur les figures 4 et 5, les flèches en traits interrompus représentent un sens de transmission de puissance mécanique ou électrique entre deux éléments. Sur la figure 4 par exemple, une puissance mécanique est transmise de la première machine électrique 30 vers l’arbre de turbine 13, et de l’arbre de générateur 14 vers la deuxième machine électrique 40, et une puissance électrique est transmise de la deuxième machine électrique 40 vers la première machine électrique 30.
[0078] La figure 4 représente par exemple un mode d’assistance du générateur de gaz 12 vers l’arbre de turbine 13. Dans ce cas de figure, alors que la première machine électrique 30 fonctionne en mode moteur en apportant de la puissance à l’arbre de turbine 13, par exemple pour assister la turbine à gaz lors du décollage, la deuxième machine électrique 40 fonctionne en mode génératrice en prélevant de la puissance sur l’arbre de générateur 14, et en transférant de la puissance électrique vers la première machine électrique 30 via une connexion électrique 90, de manière à assister la première machine électrique 30. Le mode « génératrice » est représenté par un petit éclair sur la figure 4 et la figure 5.
[0079] La figure 5 représente à l’inverse un mode d’assistance de l’arbre de turbine 13 vers le générateur de gaz 12. Dans ce cas de figure, alors que la deuxième machine électrique 40 fonctionne en mode moteur en apportant de la puissance à l’arbre de générateur 14, la première machine électrique 30 fonctionne en mode génératrice en prélevant de la puissance sur l’arbre de turbine 13, et en transférant de la puissance électrique vers la deuxième machine électrique 40 via la connexion électrique 90, de manière à modifier le point de fonctionnement du générateur de gaz par exemple.
[0080] De manière alternative, la deuxième machine électrique 40 peut présenter une puissance plus élevée, par exemple équivalente à celle de la première machine électrique 30. Ce mode de fonctionnement est représenté sur la figure 6, dans laquelle la deuxième machine électrique 40 est couplée mécaniquement à l'arbre 14 du générateur de gaz 12 par l’intermédiaire d’un premier moyen de couplage désactivable, et est couplée mécaniquement à l’arbre de turbine 13 par l’intermédiaire d’un deuxième moyen de couplage désactivable.
[0081] Le premier moyen de couplage désactivable peut notamment comprendre une première roue libre 41 montée de telle sorte que la rotation de la deuxième machine électrique réversible 40 peut entraîner en rotation l’arbre 14 du générateur de gaz 12 lorsque la deuxième machine électrique fonctionne en mode moteur électrique, mais qu’au contraire, la rotation de l’arbre 14 du générateur de gaz 12 ne peut pas entraîner la deuxième machine électrique réversible 40, si la première roue libre 41 n’est pas bloquée. Autrement dit, la première roue libre 41 ne peut transférer un couple de rotation que dans le sens de la deuxième machine électrique 40 vers le générateur de gaz 12, mais pas l’inverse.
[0082] Cependant, si la première roue libre 41 est une roue blocable, le blocage de cette roue permet alors à l’arbre de générateur 14 d’entrainer la deuxième machine électrique 40 pour que celle-ci fonctionne en mode génératrice pour des modes « AP U » rotor arrêté par exemple, le mode « AP U » (acronyme de « Auxiliary Power Unit » en anglais) étant un mode de fonctionnement où la turbine à gaz entraine une génératrice électrique sans entrainer le rotor principal, pour permettre d’assurer l’alimentation des dispositifs électriques au sol, tels que des batteries, équipements de vol, chauffage ou climatisation.
[0083] Le deuxième moyen de couplage désactivable peut notamment comprendre une deuxième roue libre 42, de telle manière que la deuxième machine électrique 40, fonctionnant en mode moteur soit apte à entraîner en rotation l’arbre de turbine 13.
[0084] La deuxième machine électrique réversible 40 est apte à tourner dans un premier sens de rotation (par convention, un sens positif) dans lequel elle est couplée mécaniquement à l’arbre 14 du générateur de gaz 12 par l’intermédiaire de la première roue libre 41 , et dans un deuxième sens de rotation (par convention, un sens négatif), opposé au premier sens de rotation, dans lequel elle est couplée mécaniquement à l’arbre de turbine 13 par l’intermédiaire de la deuxième roue libre 42.
[0085] En particulier, l’élément représenté par « -1 » sur la figure 6 et les figures suivantes représente des engrenages, par exemple des pignons, permettant l’inversion du sens de rotation. On comprendra ainsi que lorsque la deuxième machine électrique 40 tourne dans le sens positif, le premier moyen de couplage désactivable est activé, et le deuxième moyen de couplage est désactivé, et lorsque la deuxième machine électrique 40 tourne dans le sens négatif, le premier moyen de couplage désactivable est désactivé, et le deuxième moyen de couplage est activé.
[0086] La deuxième machine électrique réversible 40 est constituée en l'espèce d'un moteur électrique apte à fonctionner de manière réversible en génératrice électrique. Pour ce faire, l’une ou l’autre de la première roue libre 41 ou de la deuxième roue libre 42 peut être bloquée, par l’intermédiaire d’un moyen de blocage, de manière à pouvoir être entraînée en rotation par le rotor principal 60 ou par le générateur de gaz 12, et ainsi générer de la puissance électrique. Cette puissance électrique générée par la deuxième machine électrique 40 peut alors être transférée vers d’autres éléments du turbopropulseur 100, par exemple vers un « pack batterie » (non représenté) ou peut être échangée entre les machines électriques 30, 40 pour réaliser de l’hybridation interne.
[0087] En particulier, selon cette configuration, il est possible de réaliser un certain nombre de fonctions. Par exemple, la deuxième machine électrique 40 peut être utilisée pour effectuer un démarrage rapide de la turbine à gaz 10 en tournant dans le sens positif, et également pour injecter de la puissance sur l’arbre de turbine 13 en tournant dans le sens négatif, notamment en phase de montée, de manière à compléter la puissance apportée par la première machine électrique 30.
[0088] En outre, lorsque le générateur de gaz 12 fonctionne de manière autonome et n’est plus entraîné par la deuxième machine électrique 40, la première machine électrique 30 peut fonctionner en mode génératrice électrique en étant entraînée par l’arbre de turbine 13. La puissance électrique ainsi générée par la première machine électrique 30 peut être utilisée pour alimenter les accessoires électriques de bord ou charger la batterie.
[0089] La première machine électrique 30 et la deuxième machine électrique 40 peuvent également apporter de la puissance au rotor principal 60 en fonctionnant toutes les deux en mode moteur électrique. La deuxième machine électrique 40 tourne alors dans le sens négatif. Cette configuration peut être utile dans certaines phases de vol nécessitant un apport de puissance supplémentaire, par exemple au décollage. La première machine électrique 30 et la deuxième machine électrique 40 permettent ainsi de compléter la puissance apportée au rotor principal 60 par la turbine libre 11 .
[0090] Par ailleurs, la première machine électrique 30 peut fonctionner en mode génératrice électrique et permettre un apport de puissance au générateur de gaz 12 via la deuxième machine électrique 40 tournant alors dans le sens positif. Cette configuration peut être utile dans certaines phases de vol, par exemple pour l'assistance au générateur de gaz lors d'accélérations rapides, ou pour modifier le point de fonctionnement moteur dans des conditions d’utilisation en vol « haute altitude - temps chaud ».
[0091 ] Il est également possible d’apporter de la puissance à la fois au rotor principal 60 par la première machine électrique 30, et au générateur de gaz 12 par la deuxième machine électrique 40, chacune fonctionnant en mode moteur électrique. La deuxième machine électrique 40 tourne alors dans le sens positif. Ceci permet notamment une assistance aux transitoires rapides, dans laquelle la première machine électrique 30 assiste le rotor principal 60 pour limiter la chute de tour, tandis que la deuxième machine électrique 40 assiste le générateur de gaz 12 pour améliorer le temps de disponibilité de la puissance sur la turbine libre 11 .
[0092] Un redémarrage de la turbine à gaz 10 en vol, en cas d’arrêt de celle-ci, est également possible. Immédiatement après la détection de l’arrêt du turbopropulseur, la première machine électrique 30 fonctionne en mode moteur électrique pour fournir une puissance d’urgence au rotor principal 60. La vitesse du générateur de gaz 12 diminue alors jusqu’à une fenêtre d’allumage, permettant le redémarrage du turbopropulseur. Pendant ce temps, la deuxième machine électrique 40 peut avantageusement être mise en rotation dans le sens positif à une vitesse légèrement inférieure à la vitesse de rallumage. Cela permet de gagner du temps et de faciliter la resynchronisation de la deuxième roue libre 42. Lorsque la fenêtre d’allumage est atteinte, la deuxième machine électrique 40 tournant dans le sens positif entraîne alors le générateur de gaz 12 par l’intermédiaire de la première roue libre 41 , permettant de redémarrer la turbine à gaz 10.
[0093] Cette architecture est particulièrement avantageuse en ce qu’elle permet, avec seulement deux machines électriques, de fournir à la fois de la puissance au rotor principal 60, par la première machine électrique 30 et la seconde machine électrique 40, tout en tout en permettant le redémarrage de la turbine à gaz 10 par la deuxième machine électrique 40 dans certaines phases de fonctionnement et une hybridation interne pour les vols hauts et chauds par exemple. On notera en outre que les différentes étapes décrites ci-dessus peuvent être réalisées par une unité de contrôle (non représentée), permettant de détecter l’arrêt du moteur, la vitesse de rotation des arbres du générateur de gaz et de la turbine libre, et de contrôler les machines électriques.
[0094] La figure 7 représente un exemple alternatif d’architecture conforme à l’invention, dans laquelle le boitier 20 comprend une unique machine électrique réversible 30, entraînant en rotation l’arbre de générateur 14 via une première roue libre 31 lorsqu’elle tourne dans le sens positif, et entraînant l’arbre de turbine 13 via une deuxième roue libre 32 lorsqu’elle tourne dans le sens négatif. Cette configuration permet de réaliser la plupart des fonctions décrites ci-dessus, hormis l’hybridation interne. Dans cette configuration, au moins une des deux roues libres 31 , 32 est blocable pour permettre la fonction de génération électrique.
[0095] La figure 8 représente un exemple d’architecture similaire à l’exemple de la figure 7, dans lequel est disposé un frein rotor 70 entre la machine électrique 30 et la deuxième roue libre 32. Le frein rotor 70 est mobile entre une position de freinage, empêchant la rotation de l’hélice 62 et de la turbine libre 11 , et une position libre permettant la rotation de l’hélice 62 et de la turbine libre 11 . Le frein rotor 70 permet donc de bloquer la turbine libre 11 , et donc le rotor principal 60, notamment en cas de démarrage par vent fort. La présence de l’arbre de turbine 13 traversant permet de positionner ce frein rotor 70 en zone thermiquement froide, du côté de la première extrémité de l’arbre de turbine 13, à l’arrière du turbopropulseur 100.
[0096] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, l'utilisation des roues libres blocables ou non peut être remplacée par tout moyen actif d'accouplement tels des crabots ou embrayages. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Turbomachine (100) pour aéronef hybridé, comprenant un générateur de gaz (12) porté par un arbre de générateur (14), au moins une turbine libre (11) portée par un arbre de turbine (13) et entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz (12), un rotor principal (60) comprenant une hélice (62), et au moins une machine électrique réversible (30), l'arbre de turbine (13) étant traversant en s'étendant axialement entre une première extrémité en prise avec la machine électrique (30) en amont du générateur de gaz (12), et une deuxième extrémité en prise avec le rotor principal (60) en aval du générateur de gaz (12).
[Revendication 2] Turbomachine (100) selon la revendication 1, dans laquelle le générateur de gaz (12) comprend un compresseur (15) et une entrée d'air (19) configurée pour alimenter le compresseur (15) en air frais, la première extrémité de l'arbre de turbine (13) en prise avec la machine électrique (30) étant disposée de manière adjacente à l'entrée d'air (19).
[Revendication 3] Turbopropulseur (100) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la deuxième extrémité de l'arbre de turbine (13) est en prise avec le rotor principal (60) par l'intermédiaire d'un réducteur mécanique (50) disposé entre la turbine libre (11) et le rotor principal (60).
[Revendication 4] Turbomachine (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une chambre de combustion (17), la deuxième extrémité de l'arbre de turbine (13) étant en prise avec le rotor principal (60) en aval de la chambre de combustion (17).
[Revendication 5] Turbomachine (100) selon l'une quelconque des revendications
1 à 4, dans laquelle la machine électrique (30) est en prise directe avec la première extrémité de l'arbre de turbine (13), de manière à tourner à la même vitesse que l'arbre de turbine (13).
[Revendication 6] Turbomachine (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la machine électrique (30) est en prise avec la première extrémité de l'arbre de turbine (13) par l'intermédiaire d'un réducteur d'adaptation de vitesse (33, 34).
[Revendication 7] Turbomachine (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la machine électrique (30) est apte à être couplée à l'arbre de générateur (14) de manière à mettre en rotation le générateur de gaz (12) lors d'une phase de démarrage du turbopropulseur (100), et est apte à être couplée à l'arbre de turbine (13) après la phase de démarrage afin de générer de la puissance électrique.
[Revendication 8] Turbomachine (100) selon la revendication 7, dans laquelle la machine électrique (30) est couplée à l'arbre de générateur (14) par l'intermédiaire d'une première roue libre (31) configurée pour transmettre un couple de rotation provenant de la machine électrique (30), et est couplée à l'arbre de turbine (13) par l'intermédiaire d'une deuxième roue libre (32) configurée pour transmettre un couple de rotation à la machine électrique (30).
[Revendication 9] Turbomachine (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la machine électrique (30) est une première machine électrique réversible, le turbopropulseur (100) comprenant en outre une deuxième machine électrique réversible (40) en prise avec l'arbre de générateur (14), et apte à échanger de la puissance électrique avec la première machine électrique réversible (30).
[Revendication 10] Turbomachine (100) selon la revendication 9, dans laquelle la première machine électrique (30) est configurée pour fonctionner en mode génératrice, dans lequel elle est apte à être entraînée en rotation par l'arbre de turbine (13) de manière à générer de la puissance électrique, ou en mode moteur dans lequel elle est apte à apporter de la puissance à l'arbre de turbine (13).
[Revendication 11] Turbomachine (100) selon la revendication 9 ou 10, dans laquelle la deuxième machine électrique (40) est apte à être couplée à l'arbre de générateur (14) par l'intermédiaire d'un premier moyen de couplage désactivable (41), et à être couplée à l'arbre de turbine (13) par l'intermédiaire d'un deuxième moyen de couplage désactivable (42).
[Revendication 12] Turbomachine (100) selon la revendication 11, dans laquelle au moins l'un du premier et du deuxième moyen de couplage désactivable (41, 42) est une roue libre, le premier moyen de couplage désactivable (41) étant configuré pour être activé lorsque la deuxième machine électrique (40) tourne dans un premier sens de rotation, et le deuxième moyen de couplage désactivable (42) étant configuré pour être activé lorsque la deuxième machine électrique (40) tourne dans un deuxième sens de rotation opposé au premier sens de rotation.
[Revendication 13] Turbomachine (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, comprenant un frein rotor (70) mobile entre une position de freinage, empêchant la rotation du rotor principal (60), et une position libre permettant la rotation du rotor principal (60), le frein rotor étant disposé en amont du générateur de gaz (12).
[Revendication 14] Aéronef hybridé comprenant une turbomachine (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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