BE1027469B1 - Architecture de turbomachine avec booster accéléré - Google Patents
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Abstract
L'invention a pour objet une turbomachine (2), tel un turboréacteur d'aéronef, comprenant : une turbine (32), entrainant en rotation un arbre de transmission (34) ; une soufflante (18) solidaire en rotation de l'arbre de transmission (34) ; un compresseur basse pression (24) comprenant des aubes rotoriques (40); la turbomachine (2) comprenant un dispositif (36) entraînant les aubes rotoriques (40) en rotation à une vitesse supérieure à celle de la soufflante.
Description
Description
ARCHITECTURE DE TURBOMACHINE AVEC BOOSTER ACCÉLÉRÉ Domaine technique L’invention concerne le domaine de la conception d'une turbomachine, notamment un turboréacteur d'avion ou un turbopropulseur d'aéronef avec un compresseur basse pression entraîné par un arbre de transmission. L'invention a également trait à des procédés de mise en œuvre d'une telle turbomachine. Technique antérieure Afin de gagner en compacité et en poids, des turbomachines avec turbines contrarotatives ont été développées. En lieu et place d'une alternance entre aubes tournantes et aubes fixes, une succession d’aubes tournant alternativement dans un sens puis dans l'autre sont prévues. Ceci permet un taux de détente du flux de gaz identique mais sur une distance axiale plus courte. Ceci signifie aussi que les turbines tournent moins vites pour une même énergie délivrée par la combustion.
Les compresseurs de la turbomachine étant entraînés par la rotation des turbines, il devient nécessaire du fait d'une rotation plus lente des turbines, de multiplier les étages de compression pour obtenir un taux de compression similaire à celui obtenu avec des turbines tournant plus rapidement. Ainsi, le gain obtenu en encombrement au niveau des turbines est en partie perdu au niveau des compresseurs.
Resume de l’invention Problème technique L'invention a pour objectif de prévoir une architecture de turbomachine dans laquelle un taux de compression est garanti sans compromission de l'encombrement du compresseur. En particulier l'objectif est d'assurer que les aubes rotoriques du compresseur basse pression tournent à haute vitesse même dans une configuration où la vitesse des turbines est plus « lente ».
Solution technique L'invention a pour objet une turbomachine, tel un turboréacteur d'aéronef, comprenant : une turbine, entrainant en rotation un arbre de transmission ; une soufflante solidaire en rotation de l'arbre de transmission ; un compresseur basse pression comprenant des rangées d'aubes rotoriques ; et un dispositif entraînant au moins l’une des rangées d'aubes rotoriques en rotation à une vitesse supérieure à celle de la soufflante.
Selon des modes avantageux de l'invention, la turbomachine peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniques possibles : - le dispositif entraînant les aubes comprend un train épicycloïdal avec un rapport d'accélération voisin de 2, le train épicycloïdal étant constitué d'un planétaire interne, d’au moins un satellite porté par un porte-satellite et d'une couronne externe. Le rapport d'accélération, défini par la vitesse de sortie du train sur sa vitesse d'entrée, peut être compris entre 1,5 et 2,5 ; - l'arbre de transmission est solidaire du porte-satellite, les aubes rotoriques du compresseur sont solidaires de la couronne externe et le planétaire interne est solidaire du carter de la turbomachine ; - Varbre de transmission est solidaire de la couronne externe, les aubes rotoriques du compresseur sont solidaires du porte-satellite et le planétaire interne est solidaire du carter ; - le dispositif d'entraînement comprend un moteur électrique comprenant un rotor solidaire des aubes rotoriques et dont l'énergie électrique provient d'une génératrice dont le rotor est entraîné en rotation par l’arbre de transmission les aubes rotoriques étant préférentiellement entraînées à au moins deux fois la vitesse de rotation de la soufflante ; - le stator du moteur électrique est solidaire du carter.
- le rotor de la génératrice est solidaire de l'arbre de transmission et le stator de la génératrice est solidaire du carter ; - le dispositif d'entraînement comprend un moteur électrique comprenant un rotor solidaire des aubes rotoriques et dont l'énergie électrique provient d’une génératrice dont le rotor est entraîné en rotation par une turbine haute pression via un arbre, le stator de la génératrice étant solidaire du carter ; - des moyens de variation de la vitesse et du sens de rotation du rotor du moteur électrique ; - le stator du moteur électrique est solidaire de la couronne du train épicycloïdal.
- la génératrice est axialement à distance du moteur électrique ; - des moyens mécaniques sont prévus pour solidariser le rotor du moteur électrique au stator du moteur électrique, notamment un embrayage frein ; - la couronne externe se prolonge en aval du train épicycloïdal en une portion tubulaire, en ce que le planétaire interne est supporté par une fusée solidaire du carter, la fusée étant au moins partiellement emmanchée dans la portion tubulaire de la couronne externe.
L'invention a également pour objet un procédé de mise en œuvre de la turbomachine, remarquable en ce qu’il comprend une étape de régulation de la vitesse et du sens de rotation du moteur électrique afin d'obtenir, à partir d’une vitesse mesurée de rotation de l'arbre de transmission, une vitesse de rotation de consigne du compresseur basse pression.
L'invention a également pour objet un procédé de mise en œuvre de la turbomachine, remarquable en ce qu'il comprend une étape de régulation du couple délivré par le moteur électrique afin d'obtenir, à partir d’un couple mesuré de l'arbre de transmission, un couple de consigne du compresseur basse pression.
De manière générale, les modes avantageux de chaque objet de l'invention sont également applicables aux autres objets de l'invention.
Chaque objet de l'invention est combinable aux autres objets, et les objets de l'invention sont également combinables aux modes de réalisation de la description, qui en plus sont combinables entre eux, selon toutes les combinaisons techniques possibles, à moins que le contraire ne soit explicitement mentionné.
Avantages apportés Les divers modes de réalisation présentés ici permettent de rendre la turbomachine plus compacte tout en garantissant un taux de compression convenable au niveau du compresseur basse pression.
De plus, l'enseignement de l'invention permet d'adapter la conception au taux de compression désiré soit par choix du rapport de réduction du train épicycloïdal, soit par le contrôle du moteur électrique.
En particulier, le mode de réalisation avec le moteur électrique permet une indépendance totale de la vitesse du compresseur par rapport à la vitesse de l'arbre de transmission ; la vitesse du compresseur peut donc être réglée de façon optimale par rapport au régime moteur, afin d'optimiser le rendement de la turbomachine. Brève description des dessins La figure 1 représente une turbomachine axiale selon l'invention ; La figure 2 représente une partie de turbomachine axiale selon un premier mode de réalisation de l'invention ; La figure 3 représente une partie de turbomachine axiale selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; La figure 4 représente une partie de turbomachine axiale selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; Description des modes de réalisation Dans la description qui va suivre, les termes « interne » (ou « intérieur ») et « externe » (ou « extérieur ») renvoient à un positionnement par rapport à l’axe de rotation d'une turbomachine. La direction axiale correspond à la direction le long de l'axe de rotation dela turbomachine. La direction radiale est perpendiculaire à l'axe de rotation. L'amont et l’aval sont en référence au sens d'écoulement principal du flux dans la turbomachine. Le terme « solidaire » est compris comme solidaire en rotation, et notamment rigidement lié.
Par abus de langage, l'expression le « compresseur tourne » ou toute expression équivalente signifie que le rotor d'un tel compresseur est en mouvement de rotation. De même, la vitesse de rotation du moteur électrique désigne par abus de langage la vitesse de rotation du rotor du moteur électrique par rapport à son stator.
Les figures représentent les éléments de manière schématique, notamment sans certains éléments d'assemblage ou d'étanchéité.
La figure 1 représente une turbomachine 2, et plus exactement un turboréacteur double-flux. La turbomachine 2 présente un axe de rotation 4 pouvant également former un axe de symétrie axiale. La turoomachine 2 présente une entrée annulaire 6 se divisant en une veine primaire 8 et une veine secondaire 10 grâce à un bec de séparation 12 de forme circulaire. Ces veines 8 et 10 sont empruntées par, respectivement, un flux primaire 14 et un flux secondaire 16, qui se rejoignent en sortie de turbomachine.
Le flux primaire 14 et le secondaire 16 sont des flux annulaires coaxiaux et emmanchés l’un dans l'autre.
Le flux secondaire 16 est accéléré par une soufflante 18 disposée en entrée 6 et générant une réaction de poussée.
Celle-ci peut être employée pour le vol d'un 5 aéronef.
Des pales de diffuseur 20 peuvent être disposées dans la veine secondaire et être configurées afin d'augmenter la composante axiale de la vitesse du flux secondaire 16. La soufflante 18 peut être disposée en amont de la veine primaire 8 et de la veine secondaire 10, notamment à distance axiale de ces veines.
Alternativement, la soufflante peut être du type non caréné, par exemple à double rotor 10 contrarotatifs.
Elle peut être placée autour de la veine primaire.
La turbomachine 2 comprend une zone de compression, une chambre de combustion 22 et une zone de détente du flux primaire 14. La zone de compression est formée par deux compresseurs, dont un compresseur en amont 24 (aussi appelé « compresseur basse pression ») et un compresseur aval 26. Le compresseur aval 26, également appelé compresseur haute pression, peut être placé en entrée de la chambre de combustion 22. En aval de la chambre de combustion 22, la turoomachine 2 peut présenter une turbine haute pression 28 couplée à un arbre haute pression 30, puis une turbine basse pression 32 couplée à un arbre basse pression 34. Les arbres 30, 34 peuvent tourner à des vitesses différentes l'une de l'autre et être emmanchés l'un dans l’autre.
Ces turbines 28, 32 peuvent former la zone de détente du flux d'air 14. Alternativement, deux turbines contrarotatives peuvent être prévues entraînant des arbres de transmission respectifs en sens opposés.
En fonctionnement, la puissance mécanique reçue des turbines 28, 32 est transmise via les arbres 30, 34 de façon à mettre en mouvement le compresseur 26 et la soufflante 18. Les compresseurs 24 et 26 comportent plusieurs rangées d'aubes de rotor associées à des rangées d'aubes de stator.
La rotation des rotors autour de leur axe de rotation 4 permet ainsi de générer un débit d'air et de comprimer progressivement ce dernier jusqu’à entrée de la chambre de combustion 22. En entrée de la veine 8 figure une première rangée annulaire d’aubes statoriques 37 à proximité du bec 12.
Le compresseur basse pression 24 comprend des aubes statoriques 39 et des aubes rotoriques 40 intercalées entre les aubes statoriques 39. Le compresseur 24 peut optionnellement se terminer par deux rangées successives d'aubes statoriques 39. Selon l'invention, le rotor du compresseur 24 est entrainé en rotation par l'intermédiaire d’un dispositif 36 entraînant les aubes 40 en amplifiant ou réduisant la vitesse de rotation des turbines. Ce dispositif 36 sera décrit plus en détail ci-dessous. Ce dispositif 36 permet la rotation de la soufflante 18 et des deux compresseurs 24, 26 à trois vitesses respectives potentiellement différentes, sans nécessiter trois turbines tournant à trois vitesses différentes.
Dans une variante non illustrée, au moins une des rangées statoriques 39 est remplacée par une rangée d’aubes rotoriques contrarotatives, c'est-à-dire de sens de rotation contraire aux aubes 40.
Le stator de la turbomachine 2 peut comprendre plusieurs carters support, dont un carter amont 47 et un carter aval 49 disposés de part et d'autre du compresseur basse pression 24. Le carter aval 49 est également appelé carter intermédiaire. Ces carters 47, 49 peuvent comprendre des manches annulaires définissant des tronçons axiaux de la veine primaire 8. Ils peuvent présenter des bras de supports sensiblement radiaux (dits « struts ») 46, 48 traversant radialement la veine 8. Les manches annulaires peuvent présenter des profils en col de cygne. Elles peuvent marquer des réductions de diamètre de la veine primaire 8, tout comme sa convergence progressive.
Les carters amont et aval 47, 49 et leurs bras 46, 48 peuvent supporter le dispositif 36 entraînant les aubes 40. Des paliers sont également prévus pour supporter en rotation la soufflante 18, l'arbre 34, ou des parties tournantes du dispositif 36.
En aval des bras 48 figure le compresseur haute pression 26 muni d’aubes statoriques 50 et rotoriques 52. Ces dernières sont entraînées en rotation au moyen de l'arbre 30. Dans d’autres modes de réalisations, les aubes rotoriques du compresseur haute pression 26 peuvent être entrainées par l'arbre 34 ou le rotor du compresseur basse pression 28, éventuellement via un réducteur.
La figure 2 illustre une partie agrandie de la turbomachine 2 de la figure 1, avec un focus sur le dispositif 36 entraînant les aubes 40, selon un premier mode de réalisation.
Le dispositif 36 entraînant les aubes 40 comprend un planétaire intérieur 60 solidaire du bras de carter 48. Une fusée 54 composée par exemple de bras axiaux reliés aux bras 48 et d'une portion cylindrique en amont, vient supporter le planétaire 60. L'homme du métier reconnaîtra que ce n’est ici qu’un exemple de montage rendant possible la fixation du planétaire 60 au carter. Des satellites 62 dont seul un est visible sur la coupe de la figure 2 engrènent avec le planétaire intérieur 60. Les satellites peuvent avoir un double mouvement de rotation, autour de leur axe 64 et autour de l'axe 4. Par abus de langage, nous parlerons dans la présente demande de l'axe 64 pour désigner à la fois l'axe géométrique d'axisymétrie d'un satellite 62 et l'axe physique ou pion, autour duquel le satellite 62 tourne.
Une couronne 66 (aussi appelée planétaire externe) engrène avec les satellites 62. Dans l’exemple de réalisation de la figure 2, le rotor du compresseur basse pression 44 est solidaire de la couronne 66.
Les axes 64 sont assemblés à un anneau ou un disque porte-satellite 68. Ainsi, lorsque le porte-satellite 68 tourne sur lui-même autour de l'axe 4, les satellites 62 parcourent l'espace interplanétaire.
Dans l'exemple illustré sur la figure 2, l’arbre 34 entraîne le porte-satellite 68 et la soufflante 18. Dans un mode de réalisation non représenté, arbre 34 entraîne la couronne 66, le planétaire 60 est fixe et le porte-satellite 68 entraîne le rotor 44 du compresseur 24.
Le bras du carter 48 étant fixe, la couronne 60 est maintenue immobile et le train 36 se comporte comme un engrenage simple : le rotor 44 tourne à une vitesse plus rapide que l'arbre 34, avec un rapport de vitesses fixe et dicté par le rapport des diamètres des éléments du train 36. Le rapport d'accélération peut par exemple être voisin de 2. Des paliers 80, 90 adaptés peuvent supporter l’arbre 34 et la couronne 66 en rotation. Le carter 47, via une conception adaptée de flasques, permet de contenir les paliers 80, 90.
La couronne 66 se poursuit vers l'aval en une portion tubulaire 67 dans laquelle est emmanchée la fusée 54.
La figure 3 représente une turbomachine 102 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Seuls les éléments qui sont différents du mode de réalisation de la figure 2 sont incrémentés de 100. Dans cette configuration, le dispositif 136 entraînant les aubes 40 du compresseur 24 comprend une génératrice 103 et un moteur électrique 110. Le rotor 104 de la génératrice électrique 103 est solidaire de l'arbre 34 BP. Le stator 106 de cette même génératrice 103 est solidaire du bras de support 46, il est placé à l'intérieur du bras 46. Alternativement, la génératrice 103 peut être entraînée par l'arbre HP 30 (voir fig. 1) et être disposée à un autre endroit (par exemple en aval) de la turbomachine. Le moteur électrique 110 est électriquement relié, directement ou indirectement, à la génératrice 103. Le stator 112 du moteur 110 est également solidaire du bras 46, placé à l'extérieur du bras 46. Le rotor 114 de ce moteur 110 est solidaire du rotor 44 du compresseur basse pression 24. En fonctionnement la génératrice 103 transforme l’énergie de rotation de arbre 34 en énergie électrique, et grâce à cette énergie le moteur 110, 114 fait tourner le compresseur basse pression 24. Ce système permet de rendre la vitesse de rotation du compresseur basse pression 24 indépendante de la vitesse de rotation de l'arbre
34. L'homme du métier saura prévoir les composants électriques intermédiaires appropriés entre la génératrice et le moteur (par ex. onduleur, batterie, rhéostat, etc.). Dans cet exemple également, la soufflante 18 est entraînée par l'arbre 34. Ainsi, la vitesse de rotation du compresseur 24 peut être plus rapide que la vitesse de rotation de la soufflante 18. Ces vitesses de rotation sont donc découplées afin de pouvoir optimiser la vitesse du compresseur indépendamment de celle des turbines. La figure 4 représente une turbomachine 202 selon un troisième mode de réalisation. Seuls les éléments qui sont différents du mode de réalisation de la figure 1 sont incrémentés de 200. Ce mode de réalisation peut être considéré comme une combinaison des enseignements des deux modes de réalisation précédents. Dans cet exemple, le dispositif 236 entraînant les aubes du compresseur 24 comprend un train épicycloïdal 36 combiné à un couple génératrice 203 / moteur électrique 210. Le train épicycloïdal 36 peut être similaire au train 36 de la figure 2. Le couple génératrice 203 / moteur 210 peut être similaire au couple 103/110 de la figure 3. II est choisi ici une représentation schématique dans laquelle le train 36 est celui de la figure 2 mais le couple génératrice 203 / moteur 210 est différent de celui 103/110 de la figure 3. La portion tubulaire 67 en aval de la couronne 66 supporte le stator 212 du moteur électrique 210. Ainsi, il s'agit ici d'un « stator tournant » 212. Le rotor 214 pouvant tourner à une vitesse absolue plus rapide ou moins rapide que le stator 212. Dans cet exemple, la génératrice 203 est encapsulée dans la fusée 54.
Claims (15)
1. Turbomachine (2, 102, 202), tel un turboréacteur d’aéronef, comprenant : - une turbine (32), entrainant en rotation un arbre de transmission (34) ; - une soufflante (18) ; - un compresseur basse pression (24) comprenant des rangées d'aubes rotoriques (40) ; caractérisée en ce que la soufflante (18) est solidaire en rotation de l’arbre de transmission (34) ; et en ce que la turbomachine (2, 102, 202) comprend un dispositif (36, 136, 236) entraînant au moins l’une des rangées d’aubes rotoriques (40) en rotation à une vitesse supérieure à celle de la soufflante (18).
2. Turbomachine (2, 202) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif (36, 236) entraînant les aubes (40) comprend un train épicycloïdal (36) avec un rapport d'accélération voisin de 2, le train épicycloïdal (36) étant constitué d’un planétaire interne (60), d’au moins un satellite (62) porté par un porte-satellite (68) et d'une couronne externe (66).
3. Turbomachine (2) selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'arbre de transmission (34) est solidaire du porte-satellite (68), les aubes rotoriques (40) du compresseur (24) sont solidaires de la couronne externe (66) et le planétaire interne (60) est solidaire du carter (47, 49) de la turbomachine.
4. Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce que l’arbre de transmission est solidaire de la couronne externe, les aubes rotoriques du compresseur sont solidaires du porte-satellite et le planétaire interne est solidaire du carter.
5. Turbomachine (102, 202) selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le dispositif d'entraînement comprend un moteur électrique (110, 210) comprenant un rotor (114, 214) solidaire des aubes rotoriques (40) et dont l'énergie électrique provient d'une génératrice (103, 203) dont le rotor (104, 204) est entraîné en rotation par l'arbre de transmission (34), les aubes rotoriques (40) étant préférentiellement entraînées à au moins deux fois la vitesse de rotation de la soufflante (18).
6. Turbomachine (102) selon la revendication 5, caractérisée en ce que le stator (112) du moteur électrique (110) est solidaire du carter (47, 49).
7. Turbomachine (102, 202) selon l’une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que le rotor (104, 204) de la génératrice (103, 203) est solidaire de l’arbre de transmission (34) et le stator (106, 206) de la génératrice (103, 203) est solidaire du carter (47, 49).
8. Turbomachine selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le dispositif d'entraînement comprend un moteur électrique comprenant un rotor solidaire des aubes rotoriques et dont l'énergie électrique provient d'une génératrice dont le rotor est entraîné en rotation par une turbine haute pression via un arbre, le stator de la génératrice étant solidaire du carter.
9. Turbomachine (102, 202) selon l’une des revendications 5 à 8 caractérisée en ce qu’elle comprend des moyens de variation de la vitesse et du sens de rotation du rotor (114, 214) du moteur électrique (110, 210).
10.Turbomachine (202) selon l’une des revendications 5 à 9 en combinaison de la revendication 2, caractérisée en ce que le stator (212) du moteur électrique (210) est solidaire de la couronne (66) du train épicycloïdal (36).
11.Turbomachine (102, 202) selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisée en ce que la génératrice (103, 203) est axialement à distance du moteur électrique (110, 210).
12.Turbomachine (102, 202) selon lune quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que des moyens mécaniques sont prévus pour solidariser le rotor (114, 214) du moteur électrique (110, 210) au stator (112, 212) du moteur électrique (110, 210), notamment un embrayage frein.
13. Turbomachine (2, 202) selon l’une quelconque des revendications 1 à 12 en combinaison de la revendication 2, caractérisée en ce que la couronne externe (66) se prolonge en aval du train épicycloïdal en une portion tubulaire (67), en ce que le planétaire interne (60) est supporté par une fusée (54) solidaire du carter (47, 49), la fusée (54) étant au moins partiellement emmanchée dans la portion tubulaire (67) de la couronne externe (66).
14.Procédé de mise en œuvre de la turbomachine (2, 102, 202) selon l’une quelconque des revendications 1 à 13 en combinaison de la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de régulation de la vitesse et du sens de rotation du moteur électrique (110, 210) afin d’obtenir, à partir d’une vitesse mesurée de rotation de l'arbre de transmission (34), une vitesse de rotation de consigne du compresseur basse pression (24).
15.Procédé de mise en œuvre de la turbomachine (2, 102, 202) selon l’une quelconque des revendications 1 à 13 en combinaison de la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de régulation du couple délivré par le moteur électrique (110, 210) afin d'obtenir, à partir d’un couple mesuré de l'arbre de transmission (34), un couple de consigne du compresseur basse pression (24).
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Citations (5)
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| GB2226599A (en) * | 1989-01-03 | 1990-07-04 | Gen Electric | Turbofan engine |
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Patent Citations (5)
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