WO2024236253A1 - Ensemble propulsif ameliore pour aeronef hybride multi moteurs - Google Patents

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Romain Jean Gilbert THIRIET
Camel SERGHINE
Benjamin Nicolas FULLERINGER
Thomas DROUIN
Sophie Carole Nathalie HUMBERT
David Bernard Martin LEMAY
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Safran Helicopter Engines SAS
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Definitions

  • the present invention relates to the field of hybrid aircraft, comprising at least two engines such as turboshafts or turboprops, for flying machines such as helicopters or twin-engine airplanes.
  • the invention relates to a propulsion unit for a multi-engine hybrid aircraft, in particular a twin-engine, and a hybrid aircraft comprising such a propulsion unit.
  • a turbomachine for example a turboshaft engine, in particular for a helicopter, comprises a gas turbine having a gas generator and a free turbine driven in rotation by the gas flow 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 connected.
  • the free turbine is therefore distinct from the turbine(s) (high and low pressure) carried by the shaft of the gas generator, which are connected to the compressor.
  • the particularity of a free-turbine turboprop engine lies in the separation of the “engine” (gas generator) and “power turbine” (or free turbine) elements.
  • the gas generator comprises at least one compressor and one turbine coupled in rotation.
  • the operating principle is as follows: the 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 burnt gases from the combustion are then evacuated at high speed. A first expansion then occurs in the gas generator turbine, during which the latter extracts the energy necessary to drive the compressor. The gas generator turbine does not absorb all the kinetic energy of the burnt 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 organ, such as the rotor of the helicopter.
  • Some aircraft have two or more turbomachines, each comprising a gas turbine as described above. This is the case in particular for twin-engine or multi-engine helicopters.
  • Such aircraft allow operation in SEO mode (for "Single Engine Operative" in English).
  • SEO mode is an operating mode of a twin-engine architecture in which one of the gas turbines is voluntarily put on standby, combustion chamber off or on, the other ensuring the entire power supply. This mode makes it possible to optimize the specific consumption, which decreases with the power supplied by a turbomachine. Indeed, the specific consumption of a turbine decreasing with the power supplied, it is indeed preferable to provide 100% of the power with one turbine, rather than 50% by each of them.
  • One of the essential points of the SEO mode lies in the ability to reactivate the turbine put on standby in the event of a loss of power of the turbine in operation.
  • the turbine put on standby mode or “super idle”
  • the generator is then kept within its "ignition window” (typically 10-30% of the speed of nominal rotation of the gas generator) in order to allow immediate ignition of the combustion chamber, either in "super-idle” mode by means of combustion at a low speed threshold and assisted by means of a mechanical power supply via an electric machine, in order to benefit from a combustion chamber already lit but with a controlled internal temperature.
  • Twin-engine applications involve many functions, such as starting or reactivating the gas generator in flight, generating electricity on board, or providing mechanical power to the main rotor.
  • Existing solutions for performing some of these functions are not fully optimized. In particular, they do not maximize the number of functions that can be performed while limiting the impact of the electrical draw on the engine, nor the number of parts that these architectures comprise, and therefore the mass. There is therefore a need for a twin-engine or multi-engine aircraft propulsion unit having an architecture that meets at least part of the aforementioned drawbacks.
  • the present disclosure relates to a propulsion unit for a hybrid aircraft, in particular a multi-engine helicopter, comprising:
  • the first and second engines each comprising a first electrical machine capable of being coupled to the gas generator only, and a second electrical machine capable of being coupled to the gas generator via a first coupling means when it rotates in a first direction of rotation, and of being coupled to a shaft of the free turbine via a second coupling means when it rotates in a second direction of rotation opposite to the first direction of rotation, the first electrical machine being capable of operating selectively in a motor mode or in a generator mode, and the second electrical machine being capable of operating in the motor mode when rotating in the first direction of rotation, and of operating selectively in the motor mode or the generator mode when rotating in the second direction of rotation.
  • each of the first and second motors is equipped with a first electric machine and a second electric machine, preferably symmetrically.
  • the first and second electrical machines are reversible, so as to be able to operate selectively in the motor mode or in the generator mode.
  • the first electrical machine can operate in the motor mode so as to drive the gas generator by providing a motor torque to the latter, or in the generator mode by being driven by said gas generator, the current thus generated being able to be transferred to the second electrical machine or to a battery to recharge the latter.
  • the second electric machine can operate in the engine mode so as to drive the gas generator when it rotates in the first direction of rotation, or the main rotor when it rotates in the second direction of rotation.
  • the second electric machine can further operate in the generator mode when it rotates in the second direction of rotation, being driven by the free turbine, the current thus generated being able to be transferred to the first electric machine of the first and/or second engine, or to a battery to recharge the latter.
  • the first electric machine is capable of operating in two operating quadrants, namely in the motor mode or in the generator mode while rotating in a single direction of rotation
  • the second electric machine is capable of operating in three operating quadrants, namely in the motor mode while rotating in a first direction of rotation, and in the generator mode while rotating in a second direction of rotation. engine or in generator mode by rotating in the second direction of rotation.
  • This use of electrical machines offers a wide range of operation and has the advantage of being simple by limiting the number of components and connections, while ensuring a good level of redundancy, by performing bidirectional internal hybridization, each electrical machine being able to generate and transfer electrical power to the other electrical machine, and by making it possible to perform a high number of functions, in particular during operation in SEO mode or during rapid reactivation, the first and second electrical machines both being able to operate as generators, and thus improving the reliability of the device.
  • the first coupling means and the second coupling means are deactivatable coupling means.
  • deactivatable coupling means 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 “member” is meant the electrical machines, the main rotor and the gas generator.
  • the first and second deactivatable coupling means comprise a freewheel.
  • the freewheel has the advantage of not requiring electronic or mechanical control by an external operator.
  • a freewheel generally consists of a hub and a peripheral crown rotatably mounted on the hub.
  • the hub can rotate the peripheral crown but not vice versa.
  • the hub can only drive the crown when the hub rotates in a predetermined direction, which will be called the "engagement direction”. Otherwise, the hub and the peripheral crown rotate freely relative to each other.
  • the deactivatable coupling means are activated when the hub of the freewheel drives the peripheral crown in rotation, and, conversely, the deactivatable coupling means are deactivated when the hub of the freewheel does not drive the peripheral crown in rotation.
  • the main rotor is coupled to the free turbine of the first engine and the second engine via a first and a second main coupling means respectively. Furthermore, the free turbine of each of the first and the second engine may be in direct engagement with the main rotor, or via a mechanical reduction gear.
  • first and second coupling means of the first motor are the only coupling means upstream of the first main coupling means, and the first and second coupling means of the second motor are the only coupling means upstream of the second main coupling means.
  • each of the first and second motors comprises only two coupling means, for example two freewheels. Minimizing the number of coupling means that each motor comprises makes it possible to simplify the architecture of the assembly, to limit its mass and costs, and to minimize potential failures that may occur on these coupling means, for example an undesired blocking of the latter.
  • the second coupling means of the first and second motors comprises a locking means movable between a free position in which the free turbine cannot drive the second electric machine in rotation, and a locking position in which the free turbine is able to drive the second electric machine in rotation.
  • the locking means is a means for forcing the coupling between the second electrical machine and the shaft of the free turbine.
  • the coupling means comprises a freewheel and a locking means
  • the freewheel is called a “biocable freewheel”, such that in the locking position, the hub of the freewheel can rotate the peripheral ring of the biocable freewheel.
  • the free turbine is capable of rotating the second electrical machine, which can then operate in generator mode.
  • the gas generator of the other of the first or second motors is maintained in a standby mode, via the first or second electrical machine.
  • the second engine When the aircraft is operating in SEO mode, the second engine, for example, provides the entire power supply, while the first engine is voluntarily stopped, or preferably put into standby mode, in order to optimize the specific consumption.
  • the standby mode makes it possible to maintain the gas generator of the first engine in a range of 5 to 40%, preferably 5 to 30% of its nominal rotation speed, in order to allow rapid relighting if necessary, in particular when the second engine loses power.
  • the second electric machine of the other of the first or second engine when the gas generator of one of the first or second engine is maintained in the standby mode via the first electric machine, the second electric machine of the other of the first or second engine is configured to operate in the generator mode by rotating in the second direction of rotation, and to transmit the generated electric current to the first electric machine maintaining said first or second engine in the standby mode.
  • the shaft of the free turbine advantageously drives the second electric machine in rotation, operating as an electric generator, such that the kinetic energy intended to be transformed into electrical energy is advantageously taken from the free turbine shaft (itself driving the main rotor), and not from the gas generator.
  • This makes it possible to supply electricity to the first electrical machine to assist it, and thus allow redundancy, while limiting the impact on the engine's efficiency.
  • the turboshaft engine according to the invention advantageously makes it possible to supply electricity without penalizing its efficiency too much.
  • the second electrical machine operating in the generator mode is configured to also transmit the electrical current generated to the first electrical machine from that of the first or second motor driving the main rotor alone.
  • the electric current generated by the second electric machine can also, as a replacement or in addition, be transmitted to the first electric machine of the motor driving the main rotor alone, to assist the latter.
  • the first electrical machine is coupled to the gas generator only, via a breakaway section.
  • the assembly includes a control unit configured to drive the first and second electric machines by selecting the engine mode to drive the gas generator and/or the main rotor, or the generator mode to transfer the electric current generated by one of the first or second electric machines to the other of the first or second electric machines.
  • control unit is configured to, after detecting a loss of power of one of the first or second motor driving the main rotor alone, control the first and second electric machines of the other of the first or second motor operating in a standby mode, so that they operate in the motor mode, the second electric machine rotating in the first direction of rotation. rotation, so as to rotate the gas generator of said first or second engine operating in standby mode.
  • the control unit thus makes it possible to ensure redundancy by adapting the control of the different electrical machines according to the flight conditions. For example, when rapid reactivation is necessary following a loss of power of one of the two engines, the control unit controls the first and second electrical machines of the other of the two engines so that they both operate in engine mode, in order to accelerate the reactivation of the gas generator which was in standby mode.
  • the present disclosure also relates to a hybrid aircraft comprising a propulsion unit according to any one of the preceding embodiments, the hybrid aircraft being a multi-engine helicopter, in particular a twin-engine helicopter.
  • hybrid aircraft means an aircraft comprising a heat engine for driving a main rotor in rotation, and at least one electrical machine for providing power to the heat engine.
  • Figure 1 shows a sectional view of a propulsion unit for a twin-engine aircraft according to the invention
  • Figure 2 shows a functional diagram of the propulsion assembly of Figure 1
  • Figure 3 shows the functional diagram of the propulsion unit of Figure 2 according to a first mode of operation
  • Figure 4 shows the functional diagram of the propulsion unit of Figure 2 according to a second mode of operation. Description of the embodiments
  • Figure 1 schematically represents a propulsion unit 100 of a twin-engine aircraft, comprising a first engine, in this example a first turbomachine 1 and a second engine, in this example a second turbomachine 2, rotating transmission members 60 of a helicopter carrying a propeller or a main rotor 62.
  • the turbomachines can be turboshafts or turboprops.
  • the propulsion unit described in the remainder of the description comprises two turbomachines, this example is not limiting, the invention also applying to propulsion units of multi-engine aircraft comprising more than two engines.
  • the first turbomachine 1 and the second turbomachine 2 are preferably identical and have the same characteristics. Also, the description below refers to both the first and second turbomachine 1, 2.
  • the first turbomachine 1 and the second turbomachine 2 respectively comprise a gas turbine 10, 20 having a gas generator 12, 22 and a free turbine 11, 21 capable of being driven in rotation by a gas flow generated by the gas generator 12, 22.
  • the free turbine 11, 21 is mounted on a shaft 13, 23 which transmits the rotational movement to a receiving member such as a main rotor 62 of the helicopter via the transmission members 60.
  • the gas turbine 10, 20 shown in FIG. 1 is of the type with a front power take-off with return by coaxial shaft.
  • a gas turbine with a free turbine of the type with a front power take-off with return by an internal or external shaft or a turbomachine with a free turbine of the type with a rear power take-off.
  • the free turbine can be in direct contact with the main rotor 62 or integrate a speed reducer without calling into question the principle of the invention.
  • the gas generator 12, 22 comprises a rotating shaft 14, 24 on which are mounted a compressor 15, 25 and a turbine 16, 26, as well as a combustion chamber 17, U arranged axially between the compressor 15, 25 and the turbine 16, 26 when the gas generator 12, 22 is considered in the axial direction of the rotating shaft 14, 24.
  • the gas turbine 10, 20 has a casing 18, 28 provided with an air inlet 19, 29 through which the fresh air enters the gas generator 12, 22. After its admission into the enclosure of the gas generator 12, 22, the fresh air is compressed by the compressor 15, 25 which delivers it towards the inlet of the combustion chamber 17, I in which it is mixed with fuel.
  • the combustion which takes place in the combustion chamber 17, ZI causes the burnt gases to be evacuated at high speed towards the turbine 16, 26, which has the effect of driving the shaft 14, 24 of the gas generator 12, 22 and, consequently, the compressor 16, 26 into rotation.
  • the speed of rotation of the shaft 14, 24 of the gas generator 12, 22 is determined by the flow rate of fuel entering the combustion chamber 17, 27.
  • the propulsion unit 100 being of the free turbine type, it will therefore be understood that the generator shaft 14, 24 is independent of the turbine shaft 13, 23.
  • the free turbine 11, 21 and the turbine shaft 13, 23 are completely independent of the generator shaft 14, 24 and the compressor 15, 25, unlike the turbine 16, 26 which is linked to the compressor 15, 25.
  • the gas flow exiting the gas generator has significant kinetic energy.
  • the gas flow F is directed towards the free turbine 11, 21 which has the effect of causing an expansion in the free turbine 11, 21 leading to the rotation of the turbine wheel and the shaft 13, 23.
  • the main rotor 62 is coupled, via the transmission members 60, to the shaft 13 of the free turbine 11 of the first gas turbine 10 by means of a first main coupling means 51.
  • the main rotor 62 is also coupled, via the transmission members 60, to the shaft 23 of the free turbine 21 of the second gas turbine 20 by means of a second main coupling means 52.
  • the first and second main coupling means 51, 52 comprise a freewheel mounted such that rotation of the shaft 13, 23 can rotate the main rotor 62, but that, on the contrary, rotation of the main rotor 62 cannot rotate the shaft 13, 23 of the free turbine 11, 21.
  • the freewheel of the first and second main coupling means 51, 52 can only transfer a rotational torque in the direction of the free turbine 11, 21 to the main rotor 62, but not vice versa.
  • this freewheel is commonly called an "engine freewheel” or "power freewheel”.
  • a freewheel for the main coupling means 51, 52 is not limiting, the freewheel being able to be replaced by any dog clutch or clutch system.
  • the turbomachines 1, 2 each further comprise a first electric machine 30, 40 comprising an electric motor capable of operating reversibly in engine mode or in electric generator mode.
  • the first electric machine 30, 40 is mechanically coupled to the shaft 14, 24 of the gas generator 12, 22 only, preferably via a breakable section, or frangible section shaft 91, 92, making it possible to irreversibly release the electric machine 30, 40 in the event of the latter becoming blocked.
  • the breakable section 91, 92 is configured to allow a disconnection of the first electrical machine 30, 40 with the generator shaft 14, 24 in the event of blockage of the gas generator 12, 22 for example during an accidental shutdown or a breakdown thereof.
  • the turbomachines 1, 2 also each comprise a second electric machine 32, 42 also comprising an electric motor capable of operating reversibly in engine mode or in electric generator mode.
  • the second electric machine 32, 42 is mechanically coupled to the shaft 14, 24 of the gas generator 12, 22 via a first deactivatable coupling means 34, 44, comprising a freewheel (hereinafter referred to as freewheel 34, 44).
  • the freewheel 34, 44 is mounted such that the rotation of the second electric machine 32, 42, operating in motor mode, can drive the gas generator 12, 22 in rotation, but that on the contrary, the rotation of the gas generator 12, 22 cannot drive the second electric machine 32, 42. In other words, the freewheel 34, 44 can only transfer a rotational torque in the direction of the second electric machine 32, 42 to the gas generator 12, 22.
  • the second electric machine 32, 42 is further mechanically coupled to the shaft 13, 23 of the free turbine 11, 21 via a second deactivatable coupling means 36, 46, comprising a freewheel (hereinafter referred to as freewheel 36, 46).
  • the freewheel 36, 46 is mounted such that the rotation of the second electric machine 32, 42, then operating in motor mode, can drive the free turbine 11, 21, but that on the contrary, the rotation of the free turbine 11, 21 cannot drive the second electric machine 32, 42 in rotation, except when the freewheel 36, 46 is blocked according to the configuration described below.
  • the unblocked freewheel 36, 46 can only transfer a rotational torque in the direction of the second electric machine 32, 42 to the free turbine 11, 21.
  • the second electrical machine 32, 42 is able to rotate in a first direction of rotation in which it is mechanically coupled to the shaft 14, 24 of the gas generator 12, and in a second direction of rotation, opposite to the first direction of rotation, in which it is mechanically coupled to the shaft 13, 23 of the free turbine 11, 21, and can thus drive the main rotor 62 via the shaft 13, 23 of the free turbine 11, 21.
  • the freewheel 36, 46 is of the biocable type.
  • the second coupling means also comprises a locking means 38, 48.
  • the locking means 38, 48 is movable between a free position in which the free turbine 11, 21 cannot rotate the second electric machine 32, 42 given the orientation of the freewheel 36, 46 (configuration shown in FIG. 2), and a locking position making it possible to lock the freewheel 36, 46 and thus force the coupling between the free turbine 11, 21 and the second electric machine 32, 42 (configuration shown in FIG. 3 for the locking means 48).
  • the second coupling means acts as a shaft such that the free turbine 11, 21 is capable of rotating the second electric machine 32, 42, despite the presence of the freewheel 36, 46.
  • the second electric machine 32, 42 can thus operate in electric generator mode by drawing power from the shaft 13, 23 of the free turbine 11, 21.
  • the change in position of the locking means 46 can be carried out by an electrical, pneumatic or hydraulic component and controlled by a user or a control unit.
  • the assembly according to the invention also comprises a current storage means, for example a battery 70 or “battery pack”, and a control unit 80.
  • the battery 70 is capable of storing the current generated by the various electrical machines when they operate in generator mode, and of providing the current required by these electrical machines when they operate in motor mode. It will be noted that, although the electrical connection existing between the battery 70 and the electrical machines is not shown in all the figures, for the sake of clarity, this connection does indeed exist permanently.
  • the control unit 80 is typically a computer or an electronic control unit commonly referred to by the acronym ECU in English. It is capable of controlling the first electric machine 30, 40 and the second electric machine 32, 42 of each of the engines 1, 2 to operate them selectively in engine or generator mode, the battery 70 to transmit electric current from the latter to the electric machines if necessary and possibly measure its state of charge, and also the blocking means 38, 48, to switch the latter from the free position to the blocking position, and vice versa.
  • the first electric machine 30, 40 is able to operate in two operating quadrants (motor mode or generator mode while being controlled by the control unit 80), and the second electric machine 32, 42 is capable of operating in three operating quadrants (engine mode on the gas generator 12, 22 rotating in the positive direction or engine mode on the main rotor 62 rotating in the negative direction, and generator mode rotating in the negative direction, the locking means 38, 48 being in the locking position).
  • Figure 3 shows an operation in SEO mode (for “Single Engine Operative” in English) that is allowed by the presence of the two turbomachines 1, 2, in which only the second turbomachine 2 (in this example) is in operation, ensuring the entire supply of power to the main rotor 62, the first turbomachine 1 being voluntarily put on standby.
  • the gas generator 12 When the SEO mode is engaged, the gas generator 12 is put on standby (or in assisted super-idle), that is to say that it no longer supplies motive power to the main rotor 62.
  • the gas generator 12 is driven in the ignition window (in a range of 5 to 30%, for example 10% of its nominal rotation speed) by the first electric machine 30 in this example.
  • the thickened lines and arrows represent the direction of transmission of the mechanical power supplied or taken by the electrical machines.
  • the first electric machine 40 of the second turbomachine 2 driving only the main rotor 62 supplies electrical power to the gas generator 22 so that it operates at its nominal rotation speed, so as to drive the free turbine 21 and its shaft 23, and consequently the main rotor 62 via the transmission members 60.
  • the second electric machine 42 of the second turbomachine 2 is used to draw mechanical power from the shaft 23 of the free turbine 21.
  • the second electric machine 42 is controlled to operate in the generator mode (represented by a small lightning bolt in FIG. 3) by rotating in the negative direction, the blocking means 48 being controlled in the blocking position to block the freewheel 46.
  • the electricity generated by the second electric machine 42 is transmitted, via electrical connections shown in broken lines in FIG. 3, to the first electric machine 40 of the second turbomachine 2, operating in engine mode, the first electric machine 40 thus injecting mechanical power into the high-pressure body of the gas generator 22.
  • This internal hybridization without battery makes it possible to improve the service life of the second turbomachine 2.
  • Figure 4 shows an operation in the case of rapid reactivation. Indeed, from the operation in SEO mode, it may be necessary to quickly reactivate the first turbomachine 1 in the case of an emergency situation when the second turbomachine 2 which was operating at full power to power the main rotor 62 alone, loses power, or when the power requirement at the main rotor 62 very quickly becomes greater than what a single turboshaft engine can provide.
  • the first electric machine 30 and the second electric machine 32 of the first turbomachine 1 are controlled to operate in the engine mode, and provide mechanical power to the gas generator 12.
  • the second electric machine 32 rotates in the positive direction. Since internal hybridization is not possible in this case, the first electric machine 30 and the second electric machine 32 are electrically powered by the battery 70.
  • such a method for optimizing the reactivation of the propulsion unit 100 may comprise, in a first step, the detection, by the control unit 80, of the loss of power of the second turbomachine 2 or of a significant drop in the rotation speed of the main rotor 62.
  • the high-pressure body of the gas generator 12 of the first turbomachine 1 is then maintained in the ignition speed window by the first electric machine 30, which is powered by the battery 70, until the detection of the ignition of the combustion chamber 17.
  • the first electric machine 30 and the second electric machine 32 of the first turbomachine 1 are then controlled to operate in the engine mode while being electrically powered by the battery 70, to assist the gas generator 12 in order to quickly reactivate the first turbomachine 1. It will be noted that the above steps also apply to a normal reactivation of one or the other of the turbomachines 1 and 2, except in an emergency situation.
  • first electric machine 30, 40 and the second electric machine 32, 42 are preferably high-power electric machines, in particular of several tens of kilowatts, making it possible to start the turbine much more quickly than with a starter with a power of the order of 10 kW.
  • each of the first and second electric machines can be able to ensure the rapid reactivation of the turbomachine 1, 2 which is on standby.
  • the rapid reactivation function is thus redundant and remains possible even in the event of a failure of one of the first 30, 40 or the second 32, 42 electric machines, thus ensuring a high availability rate.
  • first electric machine being able to have a higher power than the second, and vice versa, without departing from the scope of the invention.
  • first and second electric machines can operate sequentially or synchronously.

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Abstract

Ensemble propulsif (100) comprenant un premier et deuxième moteur (1, 2) ayant chacun un générateur de gaz (12, 22) et une turbine libre (11, 21), un rotor principal (62) couplé à la turbine libre (11, 21), les moteurs (1, 2) comprenant chacun une première machine électrique (30, 40) couplée au générateur de gaz (12, 22) uniquement, une deuxième machine électrique (32, 42) couplée au générateur de gaz (12, 22) via un premier moyen de couplage (34, 44) lorsqu'elle tourne dans un premier sens, et couplée à la turbine libre (11, 21) via un deuxième moyen de couplage (36, 46) lorsqu'elle tourne dans un deuxième sens, la première machine électrique (30, 40) fonctionnant sélectivement dans un mode moteur ou générateur, la deuxième machine électrique (32, 42) fonctionnant dans le mode moteur lorsqu'elle tourne dans le premier sens, et sélectivement dans le mode moteur ou le mode générateur lorsqu'elle tourne dans le deuxième sens.

Description

Description
Titre de l'invention : Ensemble propulsif amélioré pour aéronef hybridé multi moteurs
Domaine Technique
[0001] La présente invention concerne le domaine des aéronefs hybridés, comprenant au moins deux moteurs tels que des turbomoteurs ou des turbopropulseurs, pour des engins volants tels des hélicoptères ou avions bimoteurs. En particulier, l'invention concerne un ensemble propulsif pour aéronef hybridé multi moteurs, notamment bimoteur, et un aéronef hybridé comprenant un tel ensemble propulsif.
Technique antérieure
[0002] De manière connue, une turbomachine, par exemple un turbomoteur, notamment pour un hélicoptère, 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).
[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 le rotor de l'hélicoptère.
[0004] Certains aéronefs comportent deux turbomachines ou plus, comprenant chacune une turbine à gaz telle que décrite ci-dessus. C'est le cas notamment des hélicoptères bimoteurs ou multi moteurs. De tels aéronefs permettent un fonctionnement en mode SEO (pour « Single Engine Operative » en anglais). Le mode SEO est un mode de fonctionnement d'une architecture bimoteur dans lequel une des turbines à gaz est volontairement mise en veille, chambre de combustion éteinte ou allumée, l'autre assurant l'intégralité de la fourniture de puissance. Ce mode permet d'optimiser la consommation spécifique, qui diminue avec la puissance fournie par une turbomachine. En effet, la consommation spécifique d'une turbine diminuant avec la puissance fournie, il est en effet préférable de fournir 100% de la puissance avec une turbine, plutôt que 50% par chacune d'entre elle.
[0005] Un des points essentiels du mode SEO réside dans la capacité à réactiver la turbine mise en veille en cas de perte de puissance de la turbine en fonctionnement. Afin d'assurer une réactivation la plus rapide possible, il est possible de maintenir la turbine mise en mode veille (ou « super ralenti »), c'est- à-dire de continuer à faire tourner son générateur de gaz au moyen exclusif d'une machine électrique, sans apport de carburant. Le générateur étant alors maintenu dans sa « fenêtre d'allumage » (typiquement 10-30% de la vitesse de rotation nominale du générateur de gaz) afin de permettre un allumage immédiat de la chambre de combustion, soit en mode « super-ralenti » au moyen d'une combustion à un seuil de vitesse faible et assisté par l'intermédiaire d'un apport de puissance mécanique via une machine électrique, afin de bénéficier d'une chambre de combustion déjà allumée mais avec une température interne maîtrisée.
[0006] Les applications bimoteur impliquent de nombreuses fonctions, telles que le démarrage ou la réactivation en vol du générateur de gaz, la génération d'électricité à bord, ou la fourniture de puissance mécanique au rotor principal. Les solutions existantes, permettant de réaliser certaines de ces fonctions ne sont pas entièrement optimisées. En particulier, elles ne permettent pas de maximiser le nombre de fonctions réalisables tout en limitant l'impact du prélèvement électrique sur le moteur, ni le nombre de pièces que comportent ces architectures, et donc la masse. Il existe donc un besoin pour un ensemble propulsif d'aéronef bimoteur ou multi moteurs présentant une architecture répondant au moins en partie aux inconvénients précités.
Exposé de l'invention
[0007] Le présent exposé concerne un ensemble propulsif pour aéronef hybridé, notamment d'hélicoptère multi-moteurs, comprenant :
- au moins un premier moteur et un deuxième moteur ayant chacun un générateur de gaz et une turbine libre entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz,
- un rotor principal couplé à la turbine libre du premier et du deuxième moteur,
- le premier et le deuxième moteur comprenant chacun une première machine électrique apte à être couplée au générateur de gaz uniquement, et une deuxième machine électrique apte à être couplée au générateur de gaz par l'intermédiaire d'un premier moyen de couplage lorsqu'elle tourne dans un premier sens de rotation, et à être couplée à un arbre de la turbine libre par l'intermédiaire d'un deuxième moyen de couplage lorsqu'elle tourne dans un deuxième sens de rotation opposé au premier sens de rotation, la première machine électrique étant apte à fonctionner sélectivement dans un mode moteur ou dans un mode générateur, et la deuxième machine électrique étant apte à fonctionner dans le mode moteur lorsqu'elle tourne dans le premier sens de rotation, et à fonctionner sélectivement dans le mode moteur ou le mode générateur lorsqu'elle tourne dans le deuxième sens de rotation.
[0008] On comprend que selon le présent exposé, chacun du premier et du deuxième moteur est équipé d'une première machine électrique et d'une deuxième machine électrique, de préférence de manière symétrique.
[0009] On comprend en outre que la première et la deuxième machine électrique sont réversibles, de manière à pouvoir fonctionner sélectivement dans le mode moteur ou dans le mode générateur. Ainsi, la première machine électrique peut fonctionner dans le mode moteur de manière à entrainer le générateur de gaz en apportant un couple moteur à celui-ci, ou dans le mode générateur en étant entraînée par ledit générateur de gaz, le courant ainsi généré pouvant être transféré à la deuxième machine électrique ou vers une batterie pour recharger celle-ci.
[0010] De même, la deuxième machine électrique peut fonctionner dans le mode moteur de manière à entrainer le générateur de gaz lorsqu'elle tourne dans le premier sens de rotation, ou le rotor principal lorsqu'elle tourne dans le deuxième sens de rotation. La deuxième machine électrique peut en outre fonctionner dans le mode générateur lorsqu'elle tourne dans le deuxième sens de rotation, en étant entraînée par la turbine libre, le courant ainsi généré pouvant être transféré à la première machine électrique du premier et/ou du deuxième moteur, ou vers une batterie pour recharger celle-ci.
[0011] Par conséquent, pour chacun du premier et du deuxième moteur, la première machine électrique est apte à fonctionner dans deux quadrants de fonctionnement, à savoir dans le mode moteur ou dans le mode générateur en tournant dans un seul sens de rotation, et la deuxième machine électrique est apte à fonctionner dans trois quadrants de fonctionnement, à savoir dans le mode moteur en tournant dans un premier sens de rotation, et dans le mode moteur ou dans le mode générateur en tournant dans le deuxième sens de rotation.
[0012] Cette utilisation des machines électriques, dans le cadre d'une application multi moteurs, offre un large éventail de fonctionnement et présente l'avantage d'être simple en limitant le nombre de composants et de connexions, tout en assurant un bon niveau de redondance, en effectuant de l'hybridation interne bidirectionnel, chaque machine électrique pouvant générer et transférer de la puissance électrique à l'autre machine électrique, et en permettant de réaliser un nombre élevé de fonctions, notamment lors d'un fonctionnement en mode SEO ou lors d'une réactivation rapide, la première et la deuxième machine électrique pouvant toutes les deux fonctionner en génératrice, et ainsi d'améliorer la fiabilité du dispositif.
[0013] Dans certains modes de réalisation, le premier moyen de couplage et la deuxième moyen de couplage sont des moyens de couplage désactivables.
[0014] 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 et le générateur de gaz.
[0015] Dans certains modes de réalisation, les premier et deuxième moyens de couplage désactivables comprennent une roue libre.
[0016] La roue libre présente l'avantage de ne pas nécessiter d’être commandée électroniquement ou mécaniquement par un opérateur extérieur. Une telle roue libre est généralement constituée d’un moyeu et d’une couronne périphérique montée rotative sur le moyeu. Le moyeu pouvant entraîner en rotation la couronne périphérique mais pas l’inverse. Aussi, le moyeu ne peut entraîner la couronne que lorsque le moyeu tourne dans un sens prédéterminé, 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. En l’espèce, les moyens de couplage désactivables sont activés lorsque le moyeu de la roue libre entraîne en rotation la couronne périphérique, et, à l'inverse, les moyens de couplage désactivables sont désactivés lorsque le moyeu de la roue libre n'entraîne pas en rotation la couronne périphérique.
[0017] Dans certains modes de réalisation, le rotor principal est couplé à la turbine libre du premier moteur et du deuxième moteur par l'intermédiaire d'un premier et d'un deuxième moyen de couplage principal respectivement. Par ailleurs, la turbine libre de chacun du premier et du deuxième moteur peut être en prise directe avec le rotor principal, ou par l'intermédiaire d'un réducteur mécanique.
[0018] Dans certains modes de réalisation, le premier et le deuxième moyens de couplage du premier moteur sont les seuls moyens de couplage en amont du premier moyen de couplage principal, et le premier et le deuxième moyens de couplage du deuxième moteur sont les seuls moyens de couplage en amont du deuxième moyen de couplage principal.
[0019] Le terme « en amont » s'entend selon le sens de transfert de la puissance fournie par la première machine électrique vers le rotor principal. En d'autres termes, hormis le premier et le deuxième moyen de couplage principal permettant le couplage du premier et du deuxième moteur avec le rotor principal, chacun du premier et du deuxième moteur comprend seulement deux moyens de couplage, par exemple deux roues libres. Le fait de minimiser le nombre de moyens de couplage que comprend chaque moteur permet de simplifier l'architecture de l'ensemble, de limiter sa masse et les coûts, et de minimiser les potentielles défaillances pouvant survenir sur ces moyens de couplage, par exemple un blocage non souhaité de ces derniers.
[0020] Dans certains modes de réalisation, le deuxième moyen de couplage du premier et du deuxième moteur comprend un moyen de blocage mobile entre une position libre dans laquelle la turbine libre ne peut pas entraîner en rotation la deuxième machine électrique, et une position de blocage dans laquelle la turbine libre est apte à entraîner en rotation la deuxième machine électrique. [0021] Le moyen de blocage est un moyen permettant de forcer l'accouplement entre la deuxième machine électrique et l'arbre de la turbine libre. Par exemple, lorsque le moyen de couplage comprend une roue-libre et un moyen de blocage, la roue libre est dite « roue libre biocable », de telle sorte qu'en position de blocage, le moyeu de la roue libre peut entraîner en rotation la couronne périphérique de la roue-libre biocable. En d'autres termes, la turbine libre est apte à entraîner en rotation la deuxième machine électrique pouvant alors fonctionner en mode générateur.
[0022] Dans certains modes de réalisation, lorsque l'un du premier ou du deuxième moteur entraine seul le rotor principal, le générateur de gaz de l'autre du premier ou du deuxième moteur est maintenu dans un mode veille, par l'intermédiaire de la première ou de la deuxième machine électrique.
[0023] Lorsque l'aéronef fonctionne en mode SEO, le deuxième moteur, par exemple, assure l'intégralité de la fourniture de puissance, alors que le premier moteur est volontairement arrêtée, ou de préférence mis en mode veille, afin d'optimiser la consommation spécifique. Le mode veille permet de maintenir le générateur de gaz du premier moteur dans une plage de 5 à 40%, préférentiellement de 5 à 30% de sa vitesse de rotation nominale, afin de permettre un rallumage rapide en cas de nécessité, notamment lorsque le deuxième moteur perd de la puissance.
[0024] Dans certains modes de réalisation, lorsque le générateur de gaz de l'une du premier ou du deuxième moteur est maintenu dans le mode veille par l'intermédiaire de la première machine électrique, la deuxième machine électrique de l'autre du premier ou du deuxième moteur est configurée pour fonctionner dans le mode générateur en tournant dans le deuxième sens de rotation, et pour transmettre le courant électrique généré vers la première machine électrique maintenant ledit premier ou deuxième moteur dans le mode veille.
[0025] Selon cette configuration, l'arbre de la turbine libre entraîne avantageusement en rotation la deuxième machine électrique, fonctionnant en génératrice électrique, de telle sorte que l’énergie cinétique destinée à être transformée en énergie électrique est avantageusement prélevée sur l'arbre de la turbine libre (entraînant lui-même le rotor principal), et non sur le générateur de gaz. Cela permet de fournir de l’électricité à la première machine électrique pour l'assister, et ainsi permettre une redondance, tout en limitant l'impact sur le rendement du moteur. Il en résulte que le turbomoteur selon l’invention permet avantageusement de fournir de l’électricité sans trop pénaliser son rendement.
[0026] Dans certains modes de réalisation, la deuxième machine électrique fonctionnant dans le mode générateur est configurée pour transmettre également le courant électrique généré vers la première machine électrique de celui du premier ou du deuxième moteur entraînant seul le rotor principal.
[0027] Ainsi, le courant électrique généré par la deuxième machine électrique peut également, en remplacement ou en complément, être transmis vers la première machine électrique du moteur entraînant seul le rotor principal, pour assister cette dernière.
[0028] Dans certains modes de réalisation, la première machine électrique est couplée au générateur de gaz uniquement, par l'intermédiaire d'une section à casser.
[0029] Dans certains modes de réalisation, l'ensemble comprend une unité de contrôle configurée pour piloter les première et deuxième machine électriques en sélectionnant le mode moteur pour entrainer le générateur de gaz et/ou le rotor principal, ou le mode générateur pour transférer le courant électrique généré par l'une de la première ou de la deuxième machine électrique vers l'autre de la première ou de la deuxième machine électrique.
[0030] Dans certains modes de réalisation, l'unité de contrôle est configurée pour, après détection d'une perte de puissance de l'un du premier ou du deuxième moteur entraînant seul le rotor principal, piloter la première et la deuxième machine électrique de l'autre du premier ou du deuxième moteur fonctionnant dans un mode veille, pour qu'elles fonctionnent dans le mode moteur, la deuxième machine électrique tournant dans le premier sens de rotation, de manière à entrainer en rotation le générateur de gaz dudit premier ou du deuxième moteur fonctionnant dans le mode veille.
[0031] L'unité de contrôle permet ainsi d'assurer une redondance en adaptant le pilotage des différentes machines électriques selon les conditions de vol. Par exemple, lorsqu'une réactivation rapide est nécessaire suite à une perte de puissance d'un des deux moteurs, l'unité de contrôle pilote la première et la deuxième machine électrique de l'autre des deux moteurs pour qu'elles fonctionnent toutes les deux en mode moteur, afin d'accélérer la réactivation du générateur de gaz qui était en mode veille.
[0032] Le présent exposé concerne également un aéronef hybridé comprenant un ensemble propulsif selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents, l'aéronef hybridé étant un hélicoptère multi moteurs, notamment bimoteur.
[0033] 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
[0034] 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 :
[0035] [Fig. 1] La figure 1 représente une vue en coupe d'un ensemble propulsif pour aéronef bimoteur selon l'invention,
[0036] [Fig. 2] La figure 2 représente un schéma fonctionnel de l'ensemble propulsif de la figure 1,
[0037] [Fig. 3] La figure 3 représente le schéma fonctionnel de l'ensemble propulsif de la figure 2 selon un premier mode de fonctionnement,
[0038] [Fig. 4] La figure 4 représente le schéma fonctionnel de l'ensemble propulsif de la figure 2 selon un deuxième mode de fonctionnement. Description des modes de réalisation
[0039] Une architecture d'un ensemble propulsif 100 selon un mode de réalisation de l'invention va être décrite dans la suite de la description, en référence aux figures 1 à 4.
[0040] On notera de manière générale que, par souci de clarté, les figures représentent schématiquement et de manière fonctionnelle et simplifiée une architecture du dispositif, sans représenter tous les détails des éléments constituant les turbomachines et les différents organes de transmission de puissance. En particulier, les pignons permettant l'entrainement des arbres 13, 14 par les machines électriques, et inversement le cas échéant, et les éventuels rapports de vitesse, ne sont pas représentés.
[0041] La figure 1 représente de façon schématique un ensemble propulsif 100 d'un aéronef bimoteur, comprenant un premier moteur, dans cet exemple une première turbomachine 1 et un deuxième moteur, dans cet exemple une deuxième turbomachine 2, entraînant en rotation des organes de transmissions 60 d’un hélicoptère portant une hélice ou un rotor principal 62. Les turbomachines peuvent être des turbomoteurs ou des turbopropulseurs. Bien que l'ensemble propulsif décrit dans la suite de la description comprenne deux turbomachines, cet exemple n'est pas limitatif, l'invention s'appliquant également aux ensembles propulsif d'aéronefs multi moteurs comprenant plus de deux moteurs.
[0042] La première turbomachine 1 et la deuxième turbomachine 2 sont de préférence identiques et présentent les mêmes caractéristiques. Aussi, la description ci-dessous fait référence à la fois à la première et à la deuxième turbomachine 1, 2.
[0043] La première turbomachine 1 et la deuxième turbomachine 2 comprennent respectivement une turbine à gaz 10, 20 ayant un générateur de gaz 12, 22 et une turbine libre 11, 21 apte à être entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz 12, 22. La turbine libre 11, 21 est montée sur un arbre 13, 23 qui transmet le mouvement de rotation à un organe récepteur tel un rotor principal 62 de l'hélicoptère par l'intermédiaire des organes de transmission 60. Selon cet exemple, la turbine à gaz 10, 20 représentée sur la figure 1 est du type à prise de mouvement avant avec renvoi par arbre coaxial. On pourrait très bien considérer, sans sortir du cadre de la présente invention, une turbine à gaz à turbine libre du type à prise de mouvement avant avec renvoi par arbre interne ou extérieur, ou bien une turbomachine à turbine libre du type à prise de mouvement arrière. De la même manière, la turbine libre peut être en prise directe avec le rotor principal 62 ou intégrer un réducteur de vitesse sans remettre en cause le principe de l'invention.
[0044] Le générateur de gaz 12, 22 comporte un arbre rotatif 14, 24 sur lequel sont montés un compresseur 15, 25 et une turbine 16, 26, ainsi qu’une chambre de combustion 17, U disposée axialement entre le compresseur 15, 25 et la turbine 16, 26 dès lors que l’on considère le générateur de gaz 12, 22 selon la direction axiale de l’arbre rotatif 14, 24. La turbine à gaz 10, 20 présente un carter 18, 28 muni d’une entrée d’air 19, 29 par laquelle l’air frais entre dans le générateur de gaz 12, 22. Après son admission dans l’enceinte du générateur de gaz 12, 22, l’air frais est comprimé par le compresseur 15, 25 qui le refoule vers l’entrée de la chambre de combustion 17, I dans laquelle il est mélangé avec du carburant. La combustion qui a lieu dans la chambre de combustion 17, ZI provoque l’évacuation à grande vitesse des gaz brûlés vers la turbine 16, 26, ce qui a pour effet d’entraîner en rotation de l’arbre 14, 24 du générateur de gaz 12, 22 et, par conséquent, le compresseur 16, 26. La vitesse de rotation de l’arbre 14, 24 du générateur de gaz 12, 22 est déterminée par le débit de carburant entrant dans la chambre de combustion 17, 27.
[0045] L'ensemble propulsif 100 étant de type à turbine libre, on comprendra donc que l'arbre de générateur 14, 24 est indépendant de l'arbre de turbine 13, 23. En d'autres termes, la turbine libre 11, 21 et l'arbre de turbine 13, 23 sont totalement indépendants de l'arbre de générateur 14, 24 et du compresseur 15, 25, contrairement à la turbine 16, 26 qui est liée au compresseur 15, 25. [0046] Malgré l'extraction d'énergie cinétique par la turbine 16, 26, 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, 21 ce qui a pour effet de provoquer une détente dans la turbine libre 11, 21 conduisant à la mise en rotation de la roue de turbine et de l'arbre 13, 23.
[0047] Le rotor principal 62 est couplé, via les organes de transmission 60, à l'arbre 13 de la turbine libre 11 de la première turbine à gaz 10 par l'intermédiaire d'un premier moyen de couplage principal 51. Le rotor principal 62 est également couplé, via les organes de transmission 60, à l'arbre 23 de la turbine libre 21 de la deuxième turbine à gaz 20 par l'intermédiaire d'un deuxième moyen de couplage principal 52.
[0048] De préférence, le premier et le deuxième moyen de couplage principal 51, 52 comprend une roue libre montée de telle sorte que la rotation de l'arbre 13, 23 peut entraîner en rotation le rotor principal 62, mais qu'au contraire, la rotation du rotor principal 62 ne peut pas entraîner en rotation l'arbre 13, 23 de la turbine libre 11, 21. Autrement dit, la roue libre du premier et du deuxième moyen de couplage principal 51, 52 ne peut transférer un couple de rotation que dans le sens de la turbine libre 11, 21 vers le rotor principal 62, mais pas l'inverse. Sur un hélicoptère, cette roue libre est couramment appelée "roue libre moteur" ou « roue libre de puissance ». On notera que l'utilisation d'une roue libre pour les moyens de couplage principaux 51, 52 n'est pas limitative, la roue libre pouvant être remplacée par tout système de crabot ou d'embrayage.
[0049] Les turbomachines 1, 2 comportent en outre chacune une première machine électrique 30, 40 comprenant un moteur électrique apte à fonctionner de manière réversible en mode moteur ou en mode génératrice électrique. La première machine électrique 30, 40 est couplée mécaniquement à l’arbre 14, 24 du générateur de gaz 12, 22 uniquement, de préférence par l'intermédiaire d'une section à casser, ou arbre à section frangible 91, 92, permettant de libérer de manière irréversible la machine électrique 30, 40 en cas de blocage de celle-ci. En d'autres termes, la section à casser 91, 92 est configurée pour permettre une déconnexion de la première machine électrique 30, 40 avec l'arbre de générateur 14, 24 en cas de blocage du générateur de gaz 12, 22 par exemple lors d'un arrêt accidentel ou d'une panne de celui-ci.
[0050] Les turbomachines 1, 2 comportent également chacune une deuxième machine électrique 32, 42 comprenant également un moteur électrique apte à fonctionner de manière réversible en mode moteur ou en mode génératrice électrique. La deuxième machine électrique 32, 42 est couplée mécaniquement à l’arbre 14, 24 du générateur de gaz 12, 22 par l'intermédiaire d'un premier moyen de couplage désactivable 34, 44, comprenant une roue libre (ci-après nommée roue libre 34, 44).
[0051] La roue libre 34, 44 est montée de telle sorte que la rotation de la deuxième machine électrique 32, 42, fonctionnant en mode moteur, peut entraîner en rotation le générateur de gaz 12, 22, mais qu'au contraire, la rotation du générateur de gaz 12, 22 ne peut pas entraîner la deuxième machine électrique 32, 42. Autrement dit, la roue libre 34, 44 ne peut transférer un couple de rotation que dans le sens de la deuxième machine électrique 32, 42 vers le générateur de gaz 12, 22.
[0052] La deuxième machine électrique 32, 42 est en outre couplée mécaniquement à l’arbre 13, 23 de la turbine libre 11, 21 par l'intermédiaire d'un deuxième moyen de couplage désactivable 36, 46, comprenant une roue libre (ci- après nommée roue libre 36, 46).
[0053] La roue libre 36, 46 est montée de telle sorte que la rotation de la deuxième machine électrique 32, 42, fonctionnant alors en mode moteur, peut entraîner la turbine libre 11, 21, mais qu'au contraire, la rotation de la turbine libre 11, 21 ne peut pas entraîner en rotation la deuxième machine électrique 32, 42, sauf lorsque la roue libre 36, 46 est bloquée selon la configuration décrite ci- après. Autrement dit, la roue libre 36, 46 non bloquée ne peut transférer un couple de rotation que dans le sens de la deuxième machine électrique 32, 42 vers la turbine libre 11, 21. [0054] Conformément au dispositif du présent exposé, la deuxième machine électrique 32, 42 est apte à tourner dans un premier sens de rotation dans lequel elle est couplée mécaniquement à l'arbre 14, 24 du générateur de gaz 12, et dans un deuxième sens de rotation, opposé au premier sens de rotation, dans lequel elle est couplée mécaniquement à l'arbre 13, 23 de la turbine libre 11, 21, et peut ainsi entrainer le rotor principal 62 par l'intermédiaire de l'arbre 13, 23 de la turbine libre 11, 21.
[0055] Par convention, on comprendra dans la suite de la description un sens positif, comme un sens de rotation de la deuxième machine électrique 32, 42 dans lequel la roue libre 34, 44 est activée, et un sens négatif, comme un sens de rotation de la deuxième machine électrique 32, 42 dans lequel la roue libre 36, 46 est activée. En particulier, l'élément représenté par « -1 » sur la figure 2 et les figures suivantes représente des engrenages, par exemple des pignons, permettant l'inversion du sens de rotation.
[0056] On comprendra ainsi que lorsque la deuxième machine électrique 32, 42 tourne dans le sens positif, la roue libre 34, 44 peut être activée, et la roue libre 36, 46 est désactivé, et lorsque la deuxième machine électrique 32, 42 tourne dans le sens négatif, la roue libre 34, 44 est désactivée, et la roue libre 36, 46 peut être activée.
[0057] Selon ce mode de réalisation, la roue libre 36, 46 est du type biocable. En particulier, le deuxième moyen de couplage comprend également un moyen de blocage 38, 48. Le moyen de blocage 38, 48 est mobile entre une position libre dans laquelle la turbine libre 11, 21 ne peut pas entraîner en rotation la deuxième machine électrique 32, 42 compte tenu de l'orientation de la roue libre 36, 46 (configuration représentée sur la figure 2), et une position de blocage permettant de bloquer la roue libre 36, 46 et ainsi de forcer le couplage entre la turbine libre 11, 21 et la deuxième machine électrique 32, 42 (configuration représentée sur la figure 3 pour le moyen de blocage 48). En d'autres termes, lorsque le moyen de blocage 38, 48 est en position de blocage, le deuxième moyen de couplage agit comme un arbre de telle sorte que la turbine libre 11, 21 est apte à entraîner en rotation la deuxième machine électrique 32, 42, malgré la présence de la roue libre 36, 46. La deuxième machine électrique 32, 42 peut ainsi fonctionner en mode génératrice électrique en prélevant de la puissance sur l'arbre 13, 23 de la turbine libre 11, 21. On notera que le changement de position du moyen de blocage 46 peut être réalisé par un composant électrique, pneumatique ou hydraulique et commandé par un utilisateur ou une unité de contrôle.
[0058] A cet égard, l'ensemble selon l'invention comprend également un moyen de stockage de courant, par exemple une batterie 70 ou « pack batterie », et une unité de contrôle 80.
[0059] La batterie 70 est apte à stocker le courant généré par les différentes machines électriques lorsqu'elles fonctionnent en mode génératrice, et à fournir le courant nécessaire à ces machines électriques lorsqu'elles fonctionnent en mode moteur. On notera que, bien que la connexion électrique existant entre la batterie 70 et les machines électriques ne soit pas représentée sur toutes les figures, par soucis de clarté, cette connexion existe bien en permanence.
[0060] L'unité de contrôle 80 est typiquement un calculateur ou une unité de commande électronique communément désignée sous l'acronyme en langue anglaise ECU. Elle est apte à piloter la première machine électrique 30, 40 et la deuxième machine électrique 32, 42 de chacun des moteurs 1, 2 pour les faire opérer sélectivement en mode moteur ou générateur, la batterie 70 pour transmettre du courant électrique de cette dernière vers les machines électriques le cas échéant et éventuellement mesurer son état de charge, et également les moyens de blocage 38, 48, pour faire passer ces derniers de la position libre à la position de blocage, et inversement. L'unité de contrôle 80 et ses connexions avec ces différents organes, représentées sur la figure 1 uniquement, existent également sur les autres figures mais sont omises pour en clarifier la description.
[0061] Ainsi, la première machine électrique 30, 40 est apte à fonctionner dans deux quadrants de fonctionnement (mode moteur ou mode générateur en étant pilotée par l'unité de contrôle 80), et la deuxième machine électrique 32, 42 est apte à fonctionner dans trois quadrants de fonctionnement (mode moteur sur le générateur de gaz 12, 22 en tournant dans le sens positif ou mode moteur sur le rotor principal 62 en tournant dans le sens négatif, et mode générateur en tournant dans le sens négatif, le moyen de blocage 38, 48 étant en position de blocage).
[0062] Cette architecture simple de l'ensemble propulsif 100, utilisant pour chaque moteur 1, 2 seulement deux roues libres 34, 44 et 36, 46 en amont du moyen de couplage principal 51, 52, permet de réaliser efficacement différents modes de fonctionnement décrits dans la suite de la description, et permet ainsi d'optimiser le fonctionnement de l'ensemble propulsif 100.
[0063] La figure 3 représente un fonctionnement en mode SEO (pour « Single Engine Operative » en anglais) que permet la présence des deux turbomachines 1, 2, dans lequel seule la deuxième turbomachine 2 (dans cet exemple) est en fonctionnement, assurant l'intégralité de la fourniture de puissance au rotor principal 62, la première turbomachine 1 étant volontairement mise en veille. Lorsque le mode SEO est engagé, le générateur de gaz 12 est mis en veille (ou en super-ralenti assisté), c'est-à-dire qu'il ne fournit plus de puissance motrice au rotor principal 62. En revanche, pour être réactivé le plus vite possible, le générateur de gaz 12 est entraîné dans la fenêtre d'allumage (dans une plage de 5 à 30%, par exemple 10% de sa vitesse de rotation nominale) par la première machine électrique 30 dans cet exemple. On notera à cet égard que dans la figure 3 (ainsi que dans la figure 4 décrite ci-après), les lignes et flèches en traits épaissis représentent le sens de transmission de la puissance mécanique fournie ou prélevée par les machines électriques.
[0064] A l'inverse, la première machine électrique 40 de la deuxième turbomachine 2 entraînant seule le rotor principal 62 fournit de la puissance électrique au générateur de gaz 22 pour qu'il fonctionne à sa vitesse de rotation nominale, de manière à entraîner la turbine libre 21 et son arbre 23, et par conséquent le rotor principal 62 par l'intermédiaire des organes de transmissions 60. [0065] Dans le même temps, la deuxième machine électrique 42 de la deuxième turbomachine 2 est utilisée pour prélever de la puissance mécanique sur l'arbre 23 de la turbine libre 21. Pour ce faire, la deuxième machine électrique 42 est pilotée pour fonctionner dans le mode générateur (représenté par un petit éclair sur la figure 3) en tournant dans le sens négatif, le moyen de blocage 48 étant piloté en position de blocage pour bloquer la roue libre 46.
[0066] L'électricité générée par la deuxième machine électrique 42 est transmise, via des connections électriques représentées en traits interrompus sur la figure 3, à la première machine électrique 40 de la deuxième turbomachine 2, fonctionnant dans le mode moteur, la première machine électrique 40 injectant ainsi de la puissance mécanique dans le corps haute pression du générateur de gaz 22. Cette hybridation interne sans batterie permet d'améliorer la durée de vie de la deuxième turbomachine 2.
[0067] L'électricité générée par la deuxième machine électrique 42 est également transmise électriquement à la première machine électrique 30 de la première turbomachine 1 fonctionnant en mode veille. La première machine électrique 30 fonctionne dans le mode moteur et injecte également de la puissance mécanique dans le corps haute pression du générateur de gaz 12, mais à une puissance moindre (de l'ordre de 10% de la vitesse nominale de la première turbomachine 1) que ne le fait la première machine électrique 40 dans la deuxième turbomachine 2.
[0068] La figure 4 représente un fonctionnement dans le cas d'une réactivation rapide. En effet, à partir du fonctionnement en mode SEO, il peut être nécessaire de réactiver rapidement la première turbomachine 1 dans le cas d'une situation d'urgence lorsque la deuxième turbomachine 2 qui fonctionnait à pleine puissance pour alimenter seule le rotor principal 62, perd de la puissance, ou quand le besoin de puissance au niveau du rotor principal 62 devient très rapidement supérieur à ce qu'un seul turbomoteur peut fournir.
[0069] Dans ce cas de figure, la première machine électrique 30 et la deuxième machine électrique 32 de la première turbomachine 1 sont pilotées pour fonctionner dans le mode moteur, et fournir de la puissance mécanique au générateur de gaz 12. La deuxième machine électrique 32 tourne dans le sens positif. Comme l'hybridation interne n'est pas possible dans ce cas de figure, la première machine électrique 30 et la deuxième machine électrique 32 sont alimentées électriquement par la batterie 70.
[0070] Plus précisément, un tel procédé d'optimisation de la réactivation de l'ensemble propulsif 100 peut comprendre dans un premier temps la détection, par l'unité de contrôle 80, de la perte de puissance de la deuxième turbomachine 2 ou d'une baisse significative du régime de rotation du rotor principal 62. Le corps haute pression du générateur de gaz 12 de la première turbomachine 1 est ensuite maintenu dans la fenêtre de vitesse d'allumage par la première machine électrique 30, qui est alimentée par la batterie 70, jusqu'à la détection de l'allumage de la chambre de combustion 17.
[0071] Lorsque l'allumage de la chambre de combustion 17 est détecté, la première machine électrique 30 et la deuxième machine électrique 32 de la première turbomachine 1 sont alors pilotées pour fonctionner dans le mode moteur en étant alimentées électriquement par la batterie 70, pour assister le générateur de gaz 12 afin de réactiver rapidement la première turbomachine 1. On notera que les étapes ci-dessus s'appliquent également à une réactivation normale de l'une ou l'autre des turbomachines 1 et 2, hors situation d'urgence.
[0072] On notera en outre que, la première machine électrique 30, 40 et la deuxième machine électrique 32, 42 sont de préférence des machines électriques de forte puissance, notamment de plusieurs dizaines de kilowatts, permettant de démarrer la turbine beaucoup plus rapidement qu'avec un démarreur d'une puissance de l'ordre de lOkW. Ainsi, chacune de la première et de la deuxième machine électrique peut être en mesure d'assurer la réactivation rapide de la turbomachine 1, 2 qui est en veille. La fonction de réactivation rapide est ainsi redondée et reste possible même en cas de panne de l'une de la première 30, 40 ou de la deuxième 32, 42 machine électrique, assurant ainsi un taux de disponibilité élevé. [0073] On notera cependant que cette configuration n'est pas limitative, la première machine électrique pouvant être de puissance supérieure à la deuxième, et inversement, sans sortir du cadre de l'invention. En outre, la première et la deuxième machine électrique peuvent fonctionner de manière séquentielle ou de manière synchrone.
[0074] 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, 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.
[0075] Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Ensemble propulsif (100) pour aéronef hybridé, notamment d'hélicoptère multi-moteurs, comprenant :
- au moins un premier moteur (1) et un deuxième moteur (2) ayant chacun un générateur de gaz (12, 22) et une turbine libre (11, 21) entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz,
- un rotor principal (62) couplé à la turbine libre (11, 21) du premier et du deuxième moteur (1, 2),
- le premier et le deuxième moteur (1, 2) comprenant chacun une première machine électrique (30, 40) apte à être couplée au générateur de gaz (12, 22) uniquement, et une deuxième machine électrique (32, 42) apte à être couplée au générateur de gaz (12, 22) par l'intermédiaire d'un premier moyen de couplage (34, 44) lorsqu'elle tourne dans un premier sens de rotation, et à être couplée à un arbre (23) de la turbine libre (11, 21) par l'intermédiaire d'un deuxième moyen de couplage (36, 46) lorsqu'elle tourne dans un deuxième sens de rotation opposé au premier sens de rotation, la première machine électrique (30, 40) étant apte à fonctionner sélectivement dans un mode moteur ou dans un mode générateur, et la deuxième machine électrique (32, 42) étant apte à fonctionner dans le mode moteur lorsqu'elle tourne dans le premier sens de rotation, et à fonctionner sélectivement dans le mode moteur ou le mode générateur lorsqu'elle tourne dans le deuxième sens de rotation.
[Revendication 2] Ensemble propulsif (100) selon la revendication 1, dans lequel le premier moyen de couplage (34, 44) et la deuxième moyen de couplage (36, 46) sont des moyens de couplage désactivables.
[Revendication 3] Ensemble propulsif (100) selon la revendication 2, dans lequel les premier et deuxième moyens de couplage (34, 44, 36, 46) désactivables comprennent une roue libre.
[Revendication 4] Ensemble propulsif (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le rotor principal (62) est couplé à la turbine libre (11, 21) du premier moteur (1) et du deuxième moteur (2) par l'intermédiaire d'un premier et d'un deuxième moyen de couplage principal (51, 52) respectivement.
[Revendication 5] Ensemble propulsif (100) selon la revendication 4, dans lequel le premier et deuxième moyens de couplage (34, 44) du premier moteur (1) sont les seuls moyens de couplage en amont du premier moyen de couplage principal (51), et le premier et le deuxième moyens de couplage (36, 46) du deuxième moteur (2) sont les seuls moyens de couplage en amont du deuxième moyen de couplage principal (52).
[Revendication 6] Ensemble propulsif (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le deuxième moyen de couplage (36, 46) du premier et du deuxième moteur (1, 2) comprend un moyen de blocage (38, 48) mobile entre une position libre dans laquelle la turbine libre (11, 21) ne peut pas entraîner en rotation la deuxième machine électrique (32, 42), et une position de blocage dans laquelle la turbine libre (11, 21) est apte à entraîner en rotation la deuxième machine électrique (32, 42).
[Revendication 7] Ensemble propulsif (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel, lorsque l'un du premier ou du deuxième moteur (1, 2) entraine seul le rotor principal (62), le générateur de gaz (12, 22) de l'autre du premier ou du deuxième moteur (1, 2) est maintenu dans un mode veille, par l'intermédiaire de la première machine électrique (30, 40) ou de la deuxième machine électrique (32, 42).
[Revendication 8] Ensemble propulsif (100) selon la revendication 7, dans lequel, lorsque le générateur de gaz (12, 22) de l'une du premier ou du deuxième moteur (1, 2) est maintenu dans le mode veille par l'intermédiaire de la première machine électrique (30, 40), la deuxième machine électrique (32, 42) de l'autre du premier ou du deuxième moteur (1, 2) est configurée pour fonctionner dans le mode générateur en tournant dans le deuxième sens de rotation, et pour transmettre le courant électrique généré vers la première machine électrique (30, 40) maintenant ledit premier ou deuxième moteur (1, 2) dans le mode veille.
[Revendication 9] Ensemble propulsif (100) selon la revendication 8, dans lequel la deuxième machine électrique (32, 42) fonctionnant dans le mode générateur est configurée pour transmettre également le courant électrique généré vers la première machine électrique (30, 40) de celui du premier ou du deuxième moteur (1, 2) entraînant seul le rotor principal (62).
[Revendication 10] Ensemble propulsif (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la première machine électrique (32, 42) est couplée au générateur de gaz (12, 22) uniquement, par l'intermédiaire d'une section à casser (91, 92).
[Revendication 11] Ensemble propulsif (100) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant une unité de contrôle (80) configurée pour piloter les première et deuxième machine électriques (30, 40, 32, 42) en sélectionnant le mode moteur pour entrainer le générateur de gaz (12, 22) et/ou le rotor principal (62), ou le mode générateur pour transférer le courant électrique généré par l'une de la première ou de la deuxième machine électrique (30, 40, 32, 42) vers l'autre de la première ou de la deuxième machine électrique (30, 40, 32, 42).
[Revendication 12] Ensemble propulsif (100) selon la revendication 11, dans lequel l'unité de contrôle (80) est configurée pour, après détection d'une perte de puissance de l'un du premier ou du deuxième moteur (1, 2) entraînant seul le rotor principal (62), piloter la première et la deuxième machine électrique (30, 40, 32, 42) de l'autre du premier ou du deuxième moteur (1, 2) fonctionnant dans un mode veille, pour qu'elles fonctionnent dans le mode moteur, la deuxième machine électrique (32, 42) tournant dans le premier sens de rotation, de manière à entrainer en rotation le générateur de gaz (12, 22) dudit premier ou du deuxième moteur (1, 2) fonctionnant dans le mode veille.
[Revendication 13] Aéronef hybridé comprenant un ensemble propulsif (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'aéronef hybridé étant un hélicoptère multi moteurs, notamment bimoteur.
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