WO2024018137A1 - Systeme propulsif hybride pour un aeronef - Google Patents

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WO2024018137A1
WO2024018137A1 PCT/FR2023/051064 FR2023051064W WO2024018137A1 WO 2024018137 A1 WO2024018137 A1 WO 2024018137A1 FR 2023051064 W FR2023051064 W FR 2023051064W WO 2024018137 A1 WO2024018137 A1 WO 2024018137A1
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WO
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propulsion system
electric machine
high pressure
low pressure
power
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Application number
PCT/FR2023/051064
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Romain Jean Gilbert THIRIET
Camel SERGHINE
Thomas DROUIN
Original Assignee
Safran Helicopter Engines
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/26—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
    • B64D27/026—
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
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    • F02C7/36—Power transmission arrangements between the different shafts of the gas turbine plant, or between the gas-turbine plant and the power user
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
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    • B64C27/04—Helicopters
    • B64C27/12—Rotor drives
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • 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 a hybrid propulsion system for an aircraft.
  • the hybrid electric propulsion of an aircraft is one of the solutions to significantly reduce the carbon footprint of air transport.
  • Such propulsion combines for example a thermal turbomachine and one or more electrical machines capable of supplementing or supplementing the turbomachine.
  • Application FR-B1 -3062882 in the name of the applicant describes a hybrid propulsion system for a helicopter comprising a main turbine engine and an electric machine which is used in an emergency situation (for example during a breakdown of the main turbine engine), in order to to temporarily provide power to the helicopter for certain maneuvers.
  • a propulsion system can be improved, with engine manufacturers studying the different possibilities for best integrating one or more electrical machines, in particular so as to optimize the overall size of the propulsion system, to minimize modifications, and to facilitate the maintenance of the propulsion system(s). electric machine.
  • the objective of the present invention is therefore to propose a simple, effective and economical solution making it possible to respond to the aforementioned problems.
  • Prior art also includes documents US2020/386188A1, US2020/182158A1 and GB2589193A.
  • the invention thus proposes a hybrid propulsion system for an aircraft comprising:
  • a turbine engine comprising a high pressure body and a low pressure body movable in rotation, the high pressure body comprising a compressor and an expansion turbine mechanically connected to each other by a high pressure shaft, the low pressure body comprising a power turbine which rotates a power take-off via a reduction gear, the reduction gear forming part of a transmission housing which is arranged axially at a front end of the propulsion system;
  • first and second electrical machines mechanically connected and respectively to the high pressure and low pressure bodies, the electrical machines being configured to operate in so-called motor and generator modes, the first and second electrical machines being fixed on the transmission box;
  • control system which is configured to allow power transfer between the high pressure and low pressure bodies via the first and second electrical machines.
  • Such positioning of the electrical machines not only makes it possible to optimize the overall size of the propulsion system, but also to minimize the modifications caused by the integration of the electrical machines, and finally to facilitate maintenance operations, the electrical machines being accessible and arranged in an open environment.
  • the transmission box ensures, for each electric machine, the transmission of the rotational movement between the body and the electric machine while offering the possibility of modifying the parameters associated with the movement (speed, torque, etc.), so as to operate the body and the electrical machine within the desired operating ranges.
  • the transfer of power between the high pressure and low pressure bodies via the electrical machines makes it possible to optimize the performance of the propulsion system over all of its operating regimes.
  • the propulsion system according to the invention may comprise one or more of the following characteristics and/or steps, taken in isolation from each other or in combination with each other:
  • the first and second electrical machines are fixed on a front face of the transmission box;
  • the first electrical machine is connected to the high pressure body via a first transmission mechanism disposed in the transmission housing, the first transmission mechanism preferably being a gear mechanism;
  • the second electric machine is connected to the low pressure body via a second transmission mechanism disposed in the transmission housing, the second transmission mechanism preferably being a gear mechanism;
  • the power turbine and the reducer are mechanically connected to each other by a low pressure shaft, the low pressure and high pressure shafts being coaxial, the low pressure shaft passing internally through the high pressure shaft;
  • the power take-off is capable of driving a main transmission box of the aircraft
  • the first and second electrical machines are high voltage electrical machines which are connected to a high voltage electrical network of the control system;
  • the first electric machine is configured to start the turbine engine
  • the propulsion system is configured to operate in one of the following operating modes:
  • the present invention also relates to an aircraft comprising a hybrid propulsion system as described above.
  • Figure 1 is a schematic view of an aircraft comprising a hybrid propulsion system according to the invention
  • Figure 2 is a detailed front and perspective view of the propulsion system illustrated in Figure 1;
  • FIG. 1 is schematically represented a helicopter 1 comprising a hybrid propulsion system 2.
  • the hybrid propulsion system 2 could be used to power for example an airplane, a drone or any other rotorcraft such as a gyro.
  • the hybrid propulsion system 2 comprises:
  • a turbine engine 3 comprising a high pressure body 4 and a low body pressure 5 movable in rotation, the high pressure body 4 comprising a compressor 6 and an expansion turbine 7 mechanically connected to each other by a high pressure shaft 8, the low pressure body 5 comprising a power turbine 9 which drives in rotation a power take-off 10 via a reduction gear 11, the reduction gear 11 forming part of a transmission housing 12 which is arranged axially at a front end 13 of the propulsion system 2;
  • first and second electrical machines 14, 15 mechanically connected and respectively to the high pressure and low pressure bodies 4, 5, the electrical machines 14, 15 being configured to operate in so-called motor and generator modes, the first and second electrical machines 14 , 15 being fixed on the transmission housing 12;
  • control system 16 which is configured to allow power transfer between the high pressure and low pressure bodies 4, 5 via the first and second electrical machines 14, 15.
  • the transmission box ensures, for each electric machine, the transmission of the rotational movement between the body and the electric machine while offering the possibility of modifying the parameters associated with the movement (speed, torque, etc.), so as to operate the body and the electrical machine within the desired operating ranges.
  • the propulsion system 2 drives a main rotor 17 provided with a rotating wing via a main transmission box 18 (known by the acronym BTP), and a rear tail rotor 19 (also known by the acronym RAC for “anti-torque rotor”) via a rear transmission box 20 (known by the acronym BTA).
  • BTP main transmission box 18
  • RAC rear tail rotor 19
  • BTA rear transmission box 20
  • the main transmission box 18 is mechanically connected to the power take-off 10 of the turbine engine 3 via an upper transmission shaft 21.
  • the rear transmission box 20 is mechanically connected to the main transmission box 18 via a lower transmission shaft 22.
  • the lower transmission shaft 22 is located vertically below the upper transmission shaft 21.
  • the high pressure body 4 is part of a gas generator of the turbine engine 3 which includes the compressor 6, a combustion chamber 23 and the expansion turbine 7.
  • the compressor 6 is supplied with air via an air inlet 24 and comprises one or more compression stages, each stage being able to be axial or centrifugal.
  • the air inlet 24 is here arranged axially between the transmission housing 12 and the compressor 6.
  • the combustion chamber 23 is supplied with compressed air via the compressor 6 and with fuel via one or more injectors.
  • the air/fuel mixture is burned under the action of one or more ignition devices.
  • the exhaust gases coming from the combustion chamber 23 are expanded in the expansion turbine 7.
  • the expansion turbine 7 comprises one or more expansion stages, each stage being able to be axial or centripetal.
  • the expansion turbine 7 drives the compressor 6 via the high pressure shaft 8 which is movable around an axis X.
  • the exhaust gases from the turbine engine 3 are evacuated via an exhaust nozzle 25 which is arranged axially at a rear end 26 of the propulsion system 2.
  • the power turbine 9 is driven by the exhaust gases generated by the gas generator.
  • the power turbine 9 is thus located axially at the rear of the gas generator.
  • the power turbine 9 rotates the power take-off 10 via the reducer 11.
  • the reducer 11 makes it possible to reduce the rotational speed of the power take-off 10 relative to that of the power turbine 9.
  • the power turbine 9 and the reducer 11 are mechanically connected to each other by a low shaft pressure 27.
  • the low pressure and high pressure shafts 27, 8 are coaxial, and movable around the axis which is arranged axially at the front end 13 of the propulsion system 2.
  • the reducer 11 is a gear reducer.
  • the transmission box 12 carries the first and second electrical machines 14, 15 but also various other accessories such as oil/fuel easements, an air/oil separator, etc.
  • the transmission box 12 thus achieves the desired power transfers between the accessories and the mobile bodies 4, 5 of the turbine engine 3.
  • front and rear define the axial positions of the elements of the propulsion system 2, knowing that the transmission housing 12 is arranged axially at a front end 13 of the propulsion system 2, and the exhaust nozzle 25 is arranged axially at a rear end 26 of the propulsion system 2.
  • the first electrical machine 14 is mechanically connected to the high pressure body 4 of the turbine engine 3, and is fixed on the transmission housing 12.
  • the first electric machine 14 is fixed on a front face 28 of the transmission housing 12.
  • the first electric machine 14 is arranged next to the second electric machine 15.
  • the first electric machine 14 is located vertically above the second electric machine 15.
  • the first electric machine 14 is here fixed on the transmission box 12 via a flange 29 fitted with screws, but it could be fixed for example via a collar.
  • the first electrical machine 14 is connected to the high pressure body 4 via a first transmission mechanism 30 arranged in the transmission housing 12.
  • the first transmission mechanism 30 can have a fixed or variable transmission ratio, this transmission ratio being able to be equal to 1, less than 1 (reducer) or greater than 1 (multiplier).
  • the first transmission mechanism 30 is a gear mechanism.
  • the transmission housing 12 then contains one or more gears of the first transmission mechanism 30.
  • the first transmission mechanism 30 is common to or distinct from the gear transmission device(s) associated with the other accessories. In addition, the first transmission mechanism 30 is common or distinct from the gear transmission device of the reducer 11.
  • the first electric machine 14 is configured to operate in so-called motor and generator modes, and in other words the first electric machine 14 is reversible.
  • engine mode the first electrical machine 14 introduces mechanical power onto the high pressure body 4 of the turbine engine 3.
  • generator mode the first electrical machine 14 draws mechanical power from the high pressure body 4 of the turbine engine 3.
  • the first electrical machine 14 is a high voltage electrical machine, in particular so as to be able to transfer significant powers.
  • the first electric machine 14 can be a direct current electric machine or an alternating current electric machine.
  • the first electric machine 14 is also configured to start the turbine engine 3.
  • the second electrical machine 15 is mechanically connected to the low pressure body 5 of the turbine engine 3, and is fixed on the transmission housing 12.
  • the second electric machine 15 is fixed on a front face 28 of the transmission housing 12.
  • the second electric machine 15 is arranged next to the first electric machine 14.
  • the second electric machine 15 is located vertically below the first electric machine 14.
  • the second electric machine 15 is here fixed to the transmission box 12 via a flange 29 fitted with screws, but it could be fixed for example via a collar.
  • the second electric machine 15 is connected to the low pressure body 5 via a second transmission mechanism 31 arranged in the transmission housing 12.
  • the second transmission mechanism 31 can have a fixed or variable transmission ratio, this transmission ratio being able to be equal to 1, less than 1 (reducer) or greater than 1 (multiplier).
  • the second transmission mechanism 31 is a gear mechanism.
  • the transmission housing 12 then contains one or more gears of the second transmission mechanism 31.
  • the second transmission mechanism 31 is common to or distinct from the gear transmission device(s) associated with the other accessories. In addition, the second transmission mechanism 31 is common or distinct from the gear transmission device of the reducer 11. Finally, the second transmission mechanism 31 is common or distinct from the first transmission mechanism 30.
  • the second electric machine 15 is configured to operate in so-called motor and generator modes, and in other words the second electric machine 15 is reversible.
  • engine mode the second electrical machine 15 introduces mechanical power onto the low pressure body 5 of the turbine engine 3.
  • generator mode the second electrical machine 15 draws mechanical power from the low pressure body 5 of the turbine engine 3.
  • the second electrical machine 15 is a high voltage electrical machine, in particular so as to be able to transfer significant powers.
  • the second electric machine 15 can be a direct current electric machine or an alternating current electric machine.
  • the transmission housing 12 is arranged axially at a front end 13 of the propulsion system 2.
  • the transmission housing 12 is formed of two parts 32 bearing against each other along a plane of transverse joint (plane perpendicular to the X axis) and held in position via fixing means such as screws.
  • the transmission box 12 contains the first and second transmission mechanisms 30, 31 associated with the first and second electrical machines 14, 15, the transmission devices associated with the other accessories and the gear transmission device of the reducer 11.
  • the control system 16 of the propulsion system 2 comprises a turbine engine computer called FADEC, a low voltage electrical network 33 and a high voltage electrical network 34, these networks 33, 34 being able to be connected to each other or independent. one from the other.
  • the high voltage electrical network 33 is used in particular to transfer significant electrical powers between the first and second electrical machines 14, 15, this network 33 being for this reason commonly called "internal hybridization electrical network".
  • the first and second electrical machines 14, 15 are high voltage electrical machines which are connected to the high voltage electrical network 33.
  • the low-voltage electrical network 34 is used in particular to power the various accessories of the propulsion system 2 and the helicopter 1.
  • the control system 16 imposes a mode of operation on the propulsion system 2, depending in particular on the different flight phases of helicopter 1 (take-off, cruise, landing, search, obstacle, standby, emergency (turbomotor broken down for example)).
  • the control system 16 can in particular impose a thermal operating mode in which the mechanical propulsive energy necessary for driving the rotors 17, 19 is only provided by the turbine engine 3.
  • the control system 16 can also impose hybrid operating modes in which the propulsive mechanical energy necessary for driving the rotors 17, 19 is provided both by the turbine engine 3 but also by the first electrical machine 14 and/or by the second electric machine 15 operating in motor mode.
  • control system 16 is configured to allow power transfer between the high pressure and low pressure bodies 4, 5 via the first and second electrical machines 14, 15.
  • the propulsion system 2 can thus operate according to a first hybrid operating mode in which the first electric machine 14 operates in generator mode and the second electric machine 15 operates in motor mode, the electrical energy produced by the first electric machine 14 being used to electrically power the second electrical machine 15, so as to transfer power from the high pressure body 4 to the low pressure body 5.
  • the propulsion system 2 can also operate in a second hybrid operating mode in which the first electric machine 14 operates in motor mode and the second electric machine 15 operates in generator mode, the electrical energy produced by the second electric machine 15 being used to electrically power the first electrical machine 14, so as to transfer power from the low pressure body 5 to the high pressure body 4.
  • control system 16 comprises one or more electrical energy stores 35 which are each configured to store the electrical energy produced by the first electrical machine 14 and/or the second electrical machine 15.
  • Each electrical energy store 35 comprises for example one or more batteries or supercapacitors.
  • the stored electrical energy is for example used to power the first electrical machine 14 and/or the second electrical machine 15 operating in motor mode during certain phases of flight, or to power the electrical accessories of the propulsion system 2 and/or the helicopter 1.
  • the control system 16 may include one or more power converters configured to convert alternating current to direct current (or vice versa). Such a converter is for example used to allow power transfer between electrical machines 14, 15 via a high voltage direct current bus called HVDC bus.
  • control system 2 includes protection devices making it possible in particular to protect the electrical networks 33, 34 against short circuits, overvoltages and overcurrents.
  • the different moving elements of the propulsion system 2 can be linked in rotation to each other via coupling means such as splines (floating or fixed), screwed flanges or by shrinking the shafts.
  • the coupling means may include a clutch or elastically deformable means called flexible couplings.
  • the first and second electrical machines 14, 15 are cooled and lubricated via the cooling and lubrication circuit of the propulsion system 2. Such a circuit is already used to cool and lubricate the transmission case 12.
  • Such a choice makes it possible to pool the cooling and lubrication devices which are associated with the different elements of the propulsion system 2, so as to optimize the overall mass of the propulsion system 2.
  • the cooling and lubrication circuit is used in particular to cool the rotors and stators of electrical machines 14, 15 but also to lubricate the bearings guiding the rotors and the dynamic seals.
  • Concerning the transmission housing 12, the cooling and lubrication circuit is used in particular to cool and lubricate the gears and the bearings present inside this housing 12.
  • the cooling and lubrication circuit is for example supplied with 'oil.

Abstract

Système propulsif hybride (2) comprenant : un turbomoteur (3) comprenant un corps haute pression (4) et un corps basse pression (5), le corps basse pression (5) comprenant un réducteur (11), le réducteur (11) faisant partie d'un boitier de transmission (12) qui est disposé axialement à une extrémité avant (13) du système propulsif (2); - des première et seconde machines électriques (14, 15) reliées mécaniquement et respectivement aux corps haute pression et basse pression (4, 5), les machines électriques (14, 15) étant configurées pour fonctionner dans des modes dits moteur et générateur, les première et seconde machines électriques (14, 15) étant fixées sur le boitier de transmission (12); - un système de commande (16) qui est configuré pour permettre un transfert de puissance entre les corps haute pression et basse pression (4, 5) via les première et seconde machines électriques (14, 15).

Description

DESCRIPTION
TITRE : SYSTEME PROPULSIF HYBRIDE POUR U N AERONEF
Domaine techn ique de l'invention
La présente invention se rapporte à un système propulsif hybride pour un aéronef.
Arrière-plan techn ique
La propulsion hybride électrique d’un aéronef est une des solutions pour réduire significativement l’empreinte carbone du transport aérien.
Une telle propulsion combine par exemple une turbomachine thermique et une ou plusieurs machines électriques capables de suppléer ou de compléter la turbomachine.
La combinaison des énergies thermique et électrique permet de réduire significativement la consommation en carburant de la turbomachine, et par voie de conséquence ses émissions de dioxyde de carbone.
La demande FR-B1 -3062882 au nom de la demanderesse décrit un système propulsif hybride pour un hélicoptère comprenant un turbomoteur principal et une machine électrique qui est utilisée en situation d’urgence (lors par exemple d’une panne du turbomoteur principal), afin d’apporter momentanément de la puissance à l’hélicoptère pour certaines manœuvres. Un tel système propulsif est perfectible, les motoristes étudiant les différentes possibilités pour intégrer au mieux une ou plusieurs machines électriques, de manière notamment à optimiser l’encombrement global du système propulsif, à minimiser les modifications, et à faciliter la maintenance de la ou des machines électriques.
L’objectif de la présente invention est donc de proposer une solution simple, efficace et économique permettant de réponde aux problématiques précitées. L’art antérieur comprend également les documents US2020/386188A1 , US2020/182158A1 et GB2589193A.
Résumé de l'invention
L’invention propose ainsi un système propulsif hybride pour un aéronef comprenant :
- un turbomoteur comprenant un corps haute pression et un corps basse pression mobiles en rotation, le corps haute pression comprenant un compresseur et une turbine de détente reliés mécaniquement l’un à l’autre par un arbre haute pression, le corps basse pression comprenant une turbine de puissance qui entraine en rotation une prise de mouvement via un réducteur, le réducteur faisant partie d’un boitier de transmission qui est disposé axialement à une extrémité avant du système propulsif ;
- des première et seconde machines électriques reliées mécaniquement et respectivement aux corps haute pression et basse pression, les machines électriques étant configurées pour fonctionner dans des modes dits moteur et générateur, les première et seconde machines électriques étant fixées sur le boitier de transmission ;
- un système de commande qui est configuré pour permettre un transfert de puissance entre les corps haute pression et basse pression via les première et seconde machines électriques.
Un tel positionnement des machines électriques permet non seulement d’optimiser l’encombrement global du système propulsif, mais également de minimiser les modifications engendrées par l’intégration des machines électriques, et enfin de faciliter les opérations de maintenance, les machines électriques étant accessibles et disposées dans un environnement dégagé. Le boitier de transmission assure, pour chaque machine électrique, la transmission du mouvement de rotation entre le corps et la machine électrique tout en offrant la possibilité de modifier les paramètres associés au mouvement (vitesse, couple, etc.), de manière à faire fonctionner le corps et la machine électrique dans les plages de fonctionnement souhaitées. Le transfert de puissance entre les corps haute pression et basse pression via les machines électriques permet d’optimiser les performances du système propulsif sur l’ensemble de ses régimes de fonctionnement.
Le système propulsif selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques et/ou étapes suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- les première et seconde machines électriques sont fixées sur une face avant du boitier de transmission ;
- la première machine électrique est reliée au corps haute pression via un premier mécanisme de transmission disposé dans le boitier de transmission, le premier mécanisme de transmission étant de préférence un mécanisme à engrenages ;
- la seconde machine électrique est reliée au corps basse pression via un second mécanisme de transmission disposé dans le boitier de transmission, le second mécanisme de transmission étant de préférence un mécanisme à engrenages ;
- la turbine de puissance et le réducteur sont reliés mécaniquement l’un à l’autre par un arbre basse pression, les arbres basse pression et haute pression étant coaxiaux, l’arbre basse pression traversant intérieurement l’arbre haute pression ;
- la prise de mouvement est apte à entrainer une boite de transmission principale de l’aéronef ;
- les première et seconde machines électriques sont des machines électriques haute tension qui sont connectées à un réseau électrique haute tension du système de commande ;
- la première machine électrique est configurée pour démarrer le turbomoteur ;
- le système propulsif est configuré pour fonctionner selon l’un des modes de fonctionnement suivants :
- un premier mode de fonctionnement hybride dans lequel la première machine électrique fonctionne en mode générateur et la seconde machine électrique fonctionne en mode moteur, l’énergie électrique produite par la première machine électrique étant utilisée pour alimenter électriquement la seconde machine électrique, de manière à transférer de la puissance depuis le corps haute pression vers le corps basse pression ;
- un second mode de fonctionnement hybride dans lequel la première machine électrique fonctionne en mode moteur et la seconde machine électrique fonctionne en mode générateur, l’énergie électrique produite par la seconde machine électrique étant utilisée pour alimenter électriquement la première machine électrique, de manière à transférer de la puissance depuis le corps basse pression vers le corps haute pression.
La présente invention concerne encore un aéronef comprenant un système propulsif hybride tel que décrit précédemment.
Brève description des figures
L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :
[Fig.1] la figure 1 est une vue schématique d’un aéronef comprenant un système propulsif hybride selon l’invention ;
[Fig.2] la figure 2 est une vue détaillée de devant et en perspective du système propulsif illustré sur la figure 1 ;
Description détaillée de l'invention
Sur la figure 1 est représenté schématiquement un hélicoptère 1 comprenant un système propulsif hybride 2.
L’exemple illustré n’est en rien limitatif, le système propulsif hybride 2 pourrait être utilisé pour motoriser par exemple un avion, un drone ou tout autre giravion tel qu’un girodyne.
Selon l’invention, le système propulsif hybride 2 comprend :
- un turbomoteur 3 comprenant un corps haute pression 4 et un corps basse pression 5 mobiles en rotation, le corps haute pression 4 comprenant un compresseur 6 et une turbine de détente 7 reliés mécaniquement l’un à l’autre par un arbre haute pression 8, le corps basse pression 5 comprenant une turbine de puissance 9 qui entraine en rotation une prise de mouvement 10 via un réducteur 11 , le réducteur 11 faisant partie d’un boitier de transmission 12 qui est disposé axialement à une extrémité avant 13 du système propulsif 2 ;
- des première et seconde machines électriques 14, 15 reliées mécaniquement et respectivement aux corps haute pression et basse pression 4, 5, les machines électriques 14, 15 étant configurées pour fonctionner dans des modes dits moteur et générateur, les première et seconde machines électriques 14, 15 étant fixées sur le boitier de transmission 12 ;
- un système de commande 16 qui est configuré pour permettre un transfert de puissance entre les corps haute pression et basse pression 4, 5 via les première et seconde machines électriques 14, 15.
Un tel positionnement des machines électriques permet non seulement d’optimiser l’encombrement global du système propulsif, mais également de minimiser les modifications engendrées par l’intégration des machines électriques, et enfin de faciliter les opérations de maintenance, les machines électriques étant accessibles et disposées dans un environnement dégagé. Le boitier de transmission assure, pour chaque machine électrique, la transmission du mouvement de rotation entre le corps et la machine électrique tout en offrant la possibilité de modifier les paramètres associés au mouvement (vitesse, couple, etc.), de manière à faire fonctionner le corps et la machine électrique dans les plages de fonctionnement souhaitées.
Le transfert de puissance entre les corps haute pression et basse pression via les machines électriques permet d’optimiser les performances du système propulsif sur l’ensemble de ses régimes de fonctionnement.
Tel qu’illustré sur la figure 1 , le système propulsif 2 entraine un rotor principal 17 muni d’une voilure tournante via une boite de transmission principale 18 (connue sous l’acronyme BTP), et un rotor arrière de queue 19 (connu également sous l’acronyme RAC pour « rotor anticouple ») via une boite de transmission arrière 20 (connue sous l’acronyme BTA).
Plus précisément, la boite de transmission principale 18 est reliée mécaniquement à la prise de mouvement 10 du turbomoteur 3 par l’intermédiaire d’un arbre de transmission supérieur 21. La boite de transmission arrière 20 est reliée mécaniquement à la boite de transmission principale 18 par l’intermédiaire d’un arbre de transmission inférieur 22. L’arbre de transmission inférieur 22 se trouve verticalement en dessous de l’arbre de transmission supérieur 21 .
Tel qu’illustré sur les figures, le corps haute pression 4 fait partie d’un générateur de gaz du turbomoteur 3 qui comprend le compresseur 6, une chambre de combustion 23 et la turbine de détente 7. Le compresseur 6 est alimenté en air via une entrée d’air 24 et comprend un ou plusieurs étages de compression, chaque étage pouvant être axial ou centrifuge. L’entrée d’air 24 est ici disposée axialement entre le boitier de transmission 12 et le compresseur 6. La chambre de combustion 23 est alimentée en air comprimé via le compresseur 6 et en carburant via un ou plusieurs injecteurs. Le mélange air/carburant est brûlé sous l’action d’un ou plusieurs dispositifs d’allumage. Les gaz d’échappement provenant de la chambre de combustion 23 sont détendus dans la turbine de détente 7. La turbine de détente 7 comprend un ou plusieurs étages de détente, chaque étage pouvant être axial ou centripète. La turbine de détente 7 entraine le compresseur 6 via l’arbre haute pression 8 qui est mobile autour d’un axe X. Les gaz d’échappement du turbomoteur 3 sont évacués par l’intermédiaire d’une tuyère d’échappement 25 qui est disposée axialement à une extrémité arrière 26 du système propulsif 2.
Tel qu’illustré sur les figures, la turbine de puissance 9 est entraînée par les gaz d’échappement générés par le générateur de gaz. La turbine de puissance 9 se trouve ainsi axialement à l’arrière du générateur de gaz. La turbine de puissance 9 entraine en rotation la prise de mouvement 10 via le réducteur 11 . Le réducteur 11 permet de réduire la vitesse de rotation de la prise de mouvement 10 par rapport à celle de la turbine de puissance 9. La turbine de puissance 9 et le réducteur 11 sont reliés mécaniquement l’un à l’autre par un arbre basse pression 27. Les arbres basse pression et haute pression 27, 8 sont coaxiaux, et mobiles autour de l’axe X. L’arbre basse pression 27 traverse intérieurement l’arbre haute pression 8. Le réducteur 11 fait partie du boitier de transmission 12 qui est disposé axialement à l’extrémité avant 13 du système propulsif 2. Avantageusement, le réducteur 11 est un réducteur à engrenages. Le boitier de transmission 12 porte les première et seconde machines électriques 14, 15 mais également divers autres accessoires tels que les servitudes huile/carburant, un séparateur air/huile, etc. Le boitier de transmission 12 réalise ainsi les transferts de puissance souhaités entre les accessoires et les corps 4, 5 mobiles du turbomoteur 3.
Par convention, dans la présente demande, les termes « avant » et « arrière » définissent les positions axiales des éléments du système propulsif 2, tout en sachant que le boitier de transmission 12 est disposé axialement à une extrémité avant 13 du système propulsif 2, et la tuyère d’échappement 25 est disposée axialement à une extrémité arrière 26 du système propulsif 2.
En outre, par convention, dans la présente demande, les termes « axial » ou « axialement » font référence à toute direction parallèle à l’axe X.
Tel qu’indiqué ci-dessus et illustré sur les figures, la première machine 14 électrique est reliée mécaniquement au corps haute pression 4 du turbomoteur 3, et est fixée sur le boitier de transmission 12.
Plus précisément, la première machine électrique 14 est fixée sur une face avant 28 du boitier de transmission 12. La première machine électrique 14 est disposée à côté de la seconde machine électrique 15. La première machine électrique 14 se trouve verticalement au-dessus de la seconde machine électrique 15. La première machine électrique 14 est ici fixée sur le boitier de transmission 12 via une bride 29 munie de vis, mais elle pourrait être fixée par exemple via un collier.
La première machine électrique 14 est reliée au corps haute pression 4 via un premier mécanisme de transmission 30 disposé dans le boitier de transmission 12. Le premier mécanisme de transmission 30 peut présenter un rapport de transmission fixe ou variable, ce rapport de transmission pouvant être égal à 1 , inférieur à 1 (réducteur) ou supérieur à 1 (multiplicateur).
Avantageusement, le premier mécanisme de transmission 30 est un mécanisme à engrenages. Le boitier de transmission 12 contient alors un ou plusieurs engrenages du premier mécanisme de transmission 30.
Le premier mécanisme de transmission 30 est commun ou distinct du ou des dispositifs de transmission à engrenages associés aux autres accessoires. En outre, le premier mécanisme de transmission 30 est commun ou distinct du dispositif de transmission à engrenages du réducteur 11 .
La première machine électrique 14 est configurée pour fonctionner dans des modes dits moteur et générateur, et autrement dit la première machine électrique 14 est réversible. En mode moteur, la première machine électrique 14 introduit de la puissance mécanique sur le corps haute pression 4 du turbomoteur 3. En mode générateur, la première machine électrique 14 prélève de la puissance mécanique sur le corps haute pression 4 du turbomoteur 3.
Avantageusement, la première machine électrique 14 est une machine électrique haute tension, de manière notamment à pouvoir transférer des puissances importantes.
La première machine électrique 14 peut être une machine électrique à courant continu ou une machine électrique à courant alternatif.
Avantageusement, la première machine électrique 14 est aussi configurée pour démarrer le turbomoteur 3. Tel qu’indiqué ci-dessus et illustré sur les figures, la seconde machine électrique 15 est reliée mécaniquement au corps basse pression 5 du turbomoteur 3, et est fixée sur le boitier de transmission 12.
Plus précisément, la seconde machine électrique 15 est fixée sur une face avant 28 du boitier de transmission 12. La seconde machine électrique 15 est disposée à côté de la première machine électrique 14. La seconde machine électrique 15 se trouve verticalement au-dessous de la première machine électrique 14. La seconde machine électrique 15 est ici fixée sur le boitier de transmission 12 via une bride 29 munie de vis, mais elle pourrait être fixée par exemple via un collier.
La seconde machine électrique 15 est reliée au corps basse pression 5 via un second mécanisme de transmission 31 disposé dans le boitier de transmission 12. Le second mécanisme de transmission 31 peut présenter un rapport de transmission fixe ou variable, ce rapport de transmission pouvant être égal à 1 , inférieur à 1 (réducteur) ou supérieur à 1 (multiplicateur).
Avantageusement, le second mécanisme de transmission 31 est un mécanisme à engrenages. Le boitier de transmission 12 contient alors un ou plusieurs engrenages du second mécanisme de transmission 31 .
Le second mécanisme de transmission 31 est commun ou distinct du ou des dispositifs de transmission à engrenages associés aux autres accessoires. En outre, le second mécanisme de transmission 31 est commun ou distinct du dispositif de transmission à engrenages du réducteur 11 . Enfin, le second mécanisme de transmission 31 est commun ou distinct du premier mécanisme de transmission 30.
De la même manière que la première machine électrique 14, la seconde machine électrique 15 est configurée pour fonctionner dans des modes dits moteur et générateur, et autrement dit la seconde machine électrique 15 est réversible. En mode moteur, la seconde machine électrique 15 introduit de la puissance mécanique sur le corps basse pression 5 du turbomoteur 3. En mode générateur, la seconde machine électrique 15 prélève de la puissance mécanique sur le corps basse pression 5 du turbomoteur 3.
Avantageusement, la seconde machine électrique 15 est une machine électrique haute tension, de manière notamment à pouvoir transférer des puissances importantes.
La seconde machine électrique 15 peut être une machine électrique à courant continu ou une machine électrique à courant alternatif.
Tel qu’illustré sur les figures, le boitier de transmission 12 est disposé axialement à une extrémité avant 13 du système propulsif 2. Le boitier de transmission 12 est formé de deux parties 32 en appui l’une contre l’autre suivant un plan de joint transversal (plan perpendiculaire à l’axe X) et maintenues en position via des moyens de fixation tels que des vis. Le boitier de transmission 12 contient les premier et second mécanismes de transmission 30, 31 associés aux première et seconde machines électriques 14, 15, les dispositifs de transmission associés aux autres accessoires et le dispositif de transmission à engrenages du réducteur 11 .
Le système de commande 16 du système propulsif 2 comprend un calculateur du turbomoteur nommé FADEC, un réseau électrique basse tension 33 et un réseau électrique haute tension 34, ces réseaux 33, 34 pouvant être connectés l’un à l’autre ou indépendants l’un de l’autre.
Le réseau électrique haute tension 33 est notamment utilisé pour transférer des puissances électriques importantes entre les première et seconde machines électriques 14, 15, ce réseau 33 étant à ce titre communément appelé « réseau électrique d’hybridation interne ». Ainsi, avantageusement et tel qu’indiqué ci-dessus, les première et seconde machines électriques 14, 15 sont des machines électriques haute tension qui sont connectées au réseau électrique haute tension 33.
Le réseau électrique basse tension 34 est notamment utilisé pour alimenter les différents accessoires du système propulsif 2 et de l’hélicoptère 1 .
Le système de commande 16 impose un mode de fonctionnement au système propulsif 2, en fonction notamment des différentes phases de vol de l’hélicoptère 1 (décollage, croisière, atterrissage, recherche, obstacle, veille, urgence (turbomoteur en panne par exemple)).
Le système de commande 16 peut notamment imposer un mode de fonctionnement thermique dans lequel l’énergie mécanique propulsive nécessaire à l’entrainement des rotors 17, 19 est uniquement fournie par le turbomoteur 3.
Le système de commande 16 peut également imposer des modes de fonctionnement hybrides dans lesquels l’énergie mécanique propulsive nécessaire à l’entrainement des rotors 17, 19 est fournie à la fois par le turbomoteur 3 mais également par la première machine électrique 14 et/ou par la seconde machine électrique 15 fonctionnant en mode moteur.
Tel qu’indiqué ci-dessus, le système de commande 16 est configuré pour permettre un transfert de puissance entre les corps haute pression et basse pression 4, 5 via les première et seconde machines électriques 14, 15.
Le système propulsif 2 peut ainsi fonctionner selon un premier mode de fonctionnement hybride dans lequel la première machine électrique 14 fonctionne en mode générateur et la seconde machine électrique 15 fonctionne en mode moteur, l’énergie électrique produite par la première machine électrique 14 étant utilisée pour alimenter électriquement la seconde machine électrique 15, de manière à transférer de la puissance depuis le corps haute pression 4 vers le corps basse pression 5.
Le système propulsif 2 peut aussi fonctionner selon un second mode de fonctionnement hybride dans lequel la première machine électrique 14 fonctionne en mode moteur et la seconde machine électrique 15 fonctionne en mode générateur, l’énergie électrique produite par la seconde machine électrique 15 étant utilisée pour alimenter électriquement la première machine électrique 14, de manière à transférer de la puissance depuis le corps basse pression 5 vers le corps haute pression 4.
Avantageusement, le système de commande 16 comprend un ou plusieurs stockeurs d’énergie électrique 35 qui sont chacun configurés pour stocker l’énergie électrique produite par la première machine électrique 14 et/ou la seconde machine électrique 15. Chaque stockeur d’énergie électrique 35 comprend par exemple une ou plusieurs batteries ou des supercapacités. L’énergie électrique stockée est par exemple utilisée pour alimenter la première machine électrique 14 et/ou la seconde machine électrique 15 fonctionnant en mode moteur durant certaines phases de vol, ou pour alimenter les accessoires électriques du système propulsif 2 et/ou de l’hélicoptère 1 .
Le système de commande 16 peut comprendre un ou plusieurs convertisseurs de puissance configurés pour convertir un courant alternatif en un courant continu (ou inversement). Un tel convertisseur est par exemple utilisé pour permettre un transfert de puissance entre les machines électriques 14, 15 via un bus courant continu haute tension nommé bus HVDC.
Avantageusement, le système de commande 2 comprend des dispositifs de protection permettant notamment de protéger les réseaux électriques 33, 34 contre les courts-circuits, les surtensions et les surcourants.
Les différents éléments mobiles du système propulsif 2 peuvent être liés en rotation les uns aux autres via des moyens d’accouplement tels que des cannelures (flottantes ou fixes), des brides vissées ou par frettage des arbres. Les moyens d’accouplement peuvent comprendre un embrayage ou des moyens élastiquement déformables nommé accouplements souples. Avantageusement, les première et seconde machines électriques 14, 15 sont refroidis et lubrifiés via le circuit de refroidissement et de lubrification du système propulsif 2. Un tel circuit est d’ores et déjà utilisé pour refroidir et lubrifier le boitier de transmission 12.
Un tel choix permet de mettre en commun les dispositifs de refroidissement et de lubrification qui sont associés aux différents éléments du système propulsif 2, de manière à optimiser la masse globale du système propulsif 2. Concernant les première et seconde machines électriques 14, 15, le circuit de refroidissement et de lubrification est notamment utilisé pour refroidir les rotors et les stators des machines électriques 14, 15 mais également pour lubrifier les paliers guidant les rotors et les joints d’étanchéité dynamique. Concernant le boitier de transmission 12, le circuit de refroidissement et de lubrification est notamment utilisé pour refroidir et lubrifier les engrenages et les roulements présents à l’intérieur de ce boitier 12. Le circuit de refroidissement et de lubrification est par exemple alimenté avec de l’huile.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système propulsif hybride (2) pour un aéronef (1 ) comprenant :
- un turbomoteur (3) comprenant un corps haute pression (4) et un corps basse pression (5) mobiles en rotation, le corps haute pression (4) comprenant un compresseur (6) et une turbine de détente (7) reliés mécaniquement l’un à l’autre par un arbre haute pression (8), le corps basse pression (5) comprenant une turbine de puissance (9) qui entraine en rotation une prise de mouvement (10) via un réducteur (11 ), le réducteur (11 ) faisant partie d’un boitier de transmission (12) qui est disposé axialement à une extrémité avant (13) du système propulsif (2) ;
- des première et seconde machines électriques (14, 15) reliées mécaniquement et respectivement aux corps haute pression et basse pression (4, 5), les machines électriques (14, 15) étant configurées pour fonctionner dans des modes dits moteur et générateur, les première et seconde machines électriques (14, 15) étant fixées sur le boitier de transmission (12) ;
- un système de commande (16) qui est configuré pour permettre un transfert de puissance entre les corps haute pression et basse pression (4, 5) via les première et seconde machines électriques (14, 15).
2. Système propulsif (2) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les première et seconde machines électriques (14, 15) sont fixées sur une face avant (28) du boitier de transmission (12).
3. Système propulsif (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première machine électrique (14) est reliée au corps haute pression (4) via un premier mécanisme de transmission (30) disposé dans le boitier de transmission (12), le premier mécanisme de transmission (30) étant de préférence un mécanisme à engrenages.
4. Système propulsif (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde machine électrique (15) est reliée au corps basse pression (5) via un second mécanisme de transmission (31 ) disposé dans le boitier de transmission (12), le second mécanisme de transmission (31 ) étant de préférence un mécanisme à engrenages.
5. Système propulsif (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la turbine de puissance (9) et le réducteur (11 ) sont reliés mécaniquement l’un à l’autre par un arbre basse pression (27), les arbres basse pression et haute pression (27, 8) étant coaxiaux, l’arbre basse pression (27) traversant intérieurement l’arbre haute pression (8).
6. Système propulsif (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la prise de mouvement (10) est apte à entrainer une boite de transmission principale (18) de l’aéronef (1 ).
7. Système propulsif (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les première et seconde machines électriques (14, 15) sont des machines électriques haute tension qui sont connectées à un réseau électrique haute tension (33) du système de commande (16).
8. Système propulsif (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première machine électrique (14) est configurée pour démarrer le turbomoteur (3).
9. Système propulsif (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est configuré pour fonctionner selon l’un des modes de fonctionnement suivants :
- un premier mode de fonctionnement hybride dans lequel la première machine électrique (14) fonctionne en mode générateur et la seconde machine électrique (15) fonctionne en mode moteur, l’énergie électrique produite par la première machine électrique (14) étant utilisée pour alimenter électriquement la seconde machine électrique (15), de manière à transférer de la puissance depuis le corps haute pression (4) vers le corps basse pression (5) ; - un second mode de fonctionnement hybride dans lequel la première machine électrique (14) fonctionne en mode moteur et la seconde machine électrique (15) fonctionne en mode générateur, l’énergie électrique produite par la seconde machine électrique (15) étant utilisée pour alimenter électriquement la première machine électrique (14), de manière à transférer de la puissance depuis le corps basse pression (5) vers le corps haute pression (4).
10. Aéronef (1 ) comprenant un système propulsif hybride (2) selon l’une des revendications précédentes.
PCT/FR2023/051064 2022-07-20 2023-07-10 Systeme propulsif hybride pour un aeronef WO2024018137A1 (fr)

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