FR3090049A1

FR3090049A1 - Turbomachine comportant un alternateur entre deux elements contrarotatifs

Info

Publication number: FR3090049A1
Application number: FR1872793A
Authority: FR
Inventors: Alexandre Jean-Marie Tan-Kim; Julien Fabien Patrick Becoulet
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2038-12-12
Also published as: US11041400B2; US20200191010A1; FR3090049B1

Abstract

L'invention propose une turbomachine à engrenages comportant une soufflante (16), un arbre basse pression (28) qui entraine la soufflante (16) en rotation autour de l'axe principal (A) de la turbomachine (10), un réducteur (40) de vitesse interposé entre la soufflante (16) et l'arbre basse pression (28), et un alternateur (52) entrainé notamment par l'arbre basse pression (28), caractérisée en ce que l'alternateur (52) comporte un inducteur (54) et un induit (56) dont l'un de l'inducteur (54) et de l'induit (56) est solidaire de la soufflante (16) et l'autre de l'inducteur (54) et de l'induit (56) est solidaire de l'arbre basse pression (28). Figure pour l’abrégé : Figure 3

Description

Titre de l’invention : TURBOMACHINE COMPORTANT UN ALTERNATEUR ENTRE DEUX ELEMENTS CONTRAROTATIFS

Domaine technique

[0001] L'invention concerne une turbomachine à double flux comportant un alternateur combiné à un réducteur aménagé entre la soufflante et l'arbre basse pression. Technique antérieure

[0002] Dans certaines turbomachines à double flux, un réducteur est interposé entre la soufflante et l'arbre basse pression pour que les deux composants puissent tourner à des vitesses de rotation différentes, notamment pour que la soufflante tourne à une vitesse inférieure à celle de l'arbre basse pression.

[0003] La vitesse de soufflante plus faible permet d’augmenter l’envergure de la soufflante, ce qui permet alors d'atteindre des taux de dilution plus élevés, menant à une consommation en carburant plus faible et à une réduction de bruit importante.

[0004] Lorsque la turbomachine fonctionne dans des conditions givrantes, de la glace peut se créer sur le cône d'entrée (communément appelé spinner) de la turbomachine. Lorsqu’elle se détache sous effort centrifuge, cette glace génère du balourd et peut endommager la turbomachine à cause de vibrations et d'impacts des morceaux de glace dans la veine.

[0005] Dans une turbomachine à double flux avec réducteur la soufflante a une vitesse de rotation réduite par rapport à l'arbre basse pression. Le risque de création de glace est donc accru puisque l’eau se déposant sur la soufflante est moins facilement évacuée par centrifugation.

[0006] Actuellement, la procédure commune pour éjecter la glace formée sur une soufflante, est d’opérer, après instruction d’une alarme de givrage fan, à des variations de régime moteur depuis le cockpit.

[0007] Une autre solution consiste à installer un système de dégivrage électrique qui nécessite, lui une alimentation électrique.

[0008] Aussi, la source d'électricité alimentant notamment le système de dégivrage pourrait alimenter un mécanisme de modification du pas des aubes de la soufflante.

[0009] L'invention a pour but de proposer une turbomachine comportant une source d'électricité associée à la soufflante.

Exposé de l’invention

[0010] L'invention propose une turbomachine à engrenages comportant :

[0011] - une soufflante délivrant de l'air à une veine primaire et à une veine secondaire qui sont coaxiales l'une à l'autre et à un axe principal A de la turbomachine,

[0012] - un arbre basse pression reliant une turbine basse pression dans la veine primaire à un compresseur basse pression dans la veine primaire, qui entraîne la soufflante en rotation autour de l'axe principal A de la turbomachine,

[0013] - un réducteur de vitesse interposé entre la soufflante et l'arbre basse pression, qui est du type à train épicycloïdal comportant trois composants parmi une couronne, un porte satellite et un pignon solaire, dont un premier composant est solidaire de l'arbre basse pression, un deuxième composant est solidaire de la soufflante et le troisième composant est fixe dans la turbomachine, et

[0014] - un alternateur entraîné notamment par l'arbre basse pression,

[0015] caractérisée en ce que l'alternateur comporte un inducteur et un induit dont l'un de l'inducteur et de l'induit est solidaire de la soufflante et l'autre de l'inducteur et de l'induit est solidaire de l'arbre basse pression.

[0016] De préférence, l'inducteur est solidaire de l'arbre basse pression et l'induit est solidaire de la soufflante.

[0017] De préférence, le réducteur de vitesse est conçu pour que le sens de rotation de la soufflante soit opposé au sens de rotation de l'arbre basse pression.

[0018] De préférence, le pignon solaire est solidaire de l'arbre basse pression, la couronne est solidaire de la soufflante et le porte satellite est fixe dans la turbomachine.

[0019] De préférence, la soufflante comporte un disque de soufflante portant une pluralité d'aubes, qui est guidé en rotation par rapport à un stator de la turbomachine par un palier de guidage qui est situé au niveau d'une extrémité axiale aval du disque de soufflante, et l'alternateur est situé axialement le long de l'axe principal A de la turbomachine à proximité du palier de guidage.

[0020] De préférence, la turbomachine comporte un palier inter-arbres interposé entre une extrémité axiale amont de l'arbre basse pression et le disque de soufflante, ledit palier inter-arbres étant situé axialement en amont du palier de guidage et en amont de l'alternateur.

[0021] De préférence, la turbomachine comporte un palier inter-arbres interposé entre une extrémité axiale amont de l'arbre basse pression et le disque de soufflante et l'alternateur est situé axialement en amont du palier de guidage et du palier inter arbres.

[0022] De préférence, la soufflante comporte un disque de soufflante portant une pluralité d'aubes et un cône d'entrée prolongeant vers l'amont le disque de soufflante, et l'alternateur est situé axialement à l'intérieur d'un volume délimité par le cône d'entrée.

[0023] De préférence, la turbomachine comporte des moyens de raccordement électrique de l'alternateur avec au moins un composant fixe de la turbomachine.

[0024] De préférence, la turbomachine comporte des moyens de raccordement électrique de l'alternateur avec au moins un composant mobile de la turbomachine.

Brève description des dessins

[0025] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées parmi lesquelles :

[0026] [fig-1] est une représentation schématique en section axiale d'une turbomachine d'aéronef comportant un réducteur et un alternateur montés entre la soufflante et l'arbre basse pression ;

[0027] [fig.2] est un détail à plus grande échelle d'un mode de réalisation préféré du réducteur ;

[0028] [fig.3] est un détail à plus grande échelle de l'extrémité amont de la turbomachine représentée à la figure 1, montrant l'induit et l'inducteur de l'alternateur ;

[0029] [fig.4] est un détail à plus grande échelle de l'extrémité amont de la turbomachine représentée à la figure 1, montrant un mode de réalisation du positionnement relatif de l'alternateur par rapport aux paliers de guidage ;

[0030] est une vue similaire à celle de la figure 4, montrant un autre mode de réalisation du positionnement relatif de l'alternateur par rapport aux paliers de guidage.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

[0031] La figure 1 représente une turbomachine d'aéronef 10 du type à double flux d'axe principal A.

[0032] La turbomachine 10 comporte une veine primaire 12 et une veine secondaire 14 coaxiales l'une à l'autre et coaxiales à l'axe principal A. La veine primaire 12 est située radialement à l'intérieur de la veine secondaire 14.

[0033] La turbomachine 10 comporte aussi une soufflante 16 qui est coaxiale à l'axe principal A et qui est installée à l'extrémité axiale amont de la turbomachine.

[0034] Par sa rotation, la soufflante 16 délivre de l'air à la veine primaire 12 et à la veine secondaire 14.

[0035] La veine primaire 12 comporte successivement selon la direction axiale, un compresseur basse pression 18, un compresseur haute pression 20, une chambre de combustion 22, une turbine haute pression 24 et une turbine basse pression 26.

[0036] Le compresseur basse pression 18 et la turbine basse pression 26 sont accouplés l'un à l'autre par un arbre basse pression 28. Le compresseur haute pression 20 et la turbine haute pression 24 sont accouplés l'un à l'autre par un arbre haute pression 30.

[0037] La soufflante 16 comporte principalement un disque de soufflante 32, une pluralité d'aubes 34 qui sont portées par le disque de soufflante 32 en s'étendant radialement par rapport à l'axe principal A de la turbomachine 10 et un cône d'entrée 36 qui prolonge axialement vers l'amont le disque de soufflante 32, qui confère à la partie radialement centrale de la soufflante 16 une configuration aérodynamique.

[0038] La soufflante 16 est entraînée en rotation autour de l'axe principal A de la turbomachine 10 par l'intermédiaire de l'arbre basse pression 28.

[0039] La vitesse de rotation de la soufflante 16 est inférieure à la vitesse de rotation de l'arbre basse pression 28, notamment pour permettre d’augmenter l’envergure de la soufflante 16 et donc le taux de dilution. Ceci permet en même temps un fonctionnement de la turbine basse pression 26 et du compresseur basse pression 18 à leurs vitesses optimales.

[0040] Un réducteur de vitesse 40 est interposé entre la soufflante 16 et l'arbre basse pression 28. Ce réducteur de vitesse 40 permet de modifier le rapport entre la vitesse de rotation de la soufflante 16 et la vitesse de rotation de l'arbre basse pression 28 et ainsi de réduire la vitesse de rotation de la soufflante 16 par rapport à la vitesse de rotation de l'arbre basse pression 28.

[0041] Comme on peut le voir plus en détails à la figure 2, et selon un mode de réalisation préféré, le réducteur de vitesse 40 est un réducteur du type à train épicycloïdal, il comporte une couronne 42, un porte satellite 44, une pluralité de satellites 46 et un pignon solaire 48. Chaque satellite 46 est guidé en rotation autour d'un axe secondaire B qui est parallèle à l'axe principal A et qui est solidaire du porte satellite 44. Chaque satellite 46 est en outre accouplé avec une denture intérieure de la couronne 42 et avec une denture extérieure du pignon solaire 48.

[0042] Chacun des trois composants que sont la couronne 42, le porte satellite 44 et le pignon solaire 48 est solidaire de l'arbre basse pression 28, de la soufflante 16 ou d'un élément fixe de la turbomachine, que l'on désignera par la suite un stator 50.

[0043] Ici le réducteur est à configuration planétaire, c’est-à-dire que, la couronne 42 est solidaire de la soufflante 16, le porte satellite 44 est solidaire du stator 50 et le pignon solaire 48 est solidaire de l'arbre basse pression 28.

[0044] Cette configuration du réducteur 40 permet d'une part de réduire la vitesse de rotation de la soufflante 16 par rapport à la vitesse de rotation de l'arbre basse pression et elle permet d'autre part d'inverser le sens de rotation de la soufflante 16 par rapport au sens de rotation de l'arbre basse pression 28.

[0045] Il sera compris que l'invention n'est pas limitée à cette configuration du réducteur et que ses éléments 42, 44, 48 peuvent être solidarisés à la soufflante 16, au stator 50 ou à l'arbre basse pression 28 selon une autre configuration.

[0046] L'inversion des sens de rotation de la soufflante et de l'arbre basse pression, combinée au rapport de réduction du réducteur 40 permet ainsi d'avoir une vitesse de rotation relative de la soufflante 16 par rapport à l'arbre basse pression 28.

[0047] Selon un mode de réalisation préféré, le rapport de réduction (R) est compris entre 2 et 5, ce qui permet d'avoir une différence de vitesses de rotation supérieure à 10 000 tr/ min.

[0048] Cette différence de vitesses de rotation entre la soufflante 16 et l'arbre basse pression 28 est exploitée par un alternateur 52 qui comporte un inducteur 54 et un induit 56 solidarisés à l'arbre basse pression 28 ou à la soufflante 16.

[0049] Ici, et comme on l'a représenté à titre d'exemple préféré à la figure 3, l'arbre basse pression 28, qui est entraîné par la turbine basse pression 26 est accouplé au disque de soufflante 32 par l'intermédiaire du réducteur 40. Comme on l'a décrit précédemment, le réducteur 40 a pour but de réduire et d'inverser la vitesse de rotation du disque de soufflante 32 par rapport à l'arbre basse pression 28.

[0050] L'inducteur 54 de l'alternateur 52 est solidarisé à l'arbre basse pression 28 et l'induit 56 est solidarisé au disque de soufflante 32.

[0051] Ainsi, la vitesse de rotation de l'induit 56 est inférieure à celle de l'inducteur 54 et leurs sens de rotation sont opposés.

[0052] Selon le mode de réalisation représenté aux figures 1 et 3, l'alternateur 52 est disposé à l'intérieur du volume délimité par le cône d'entrée 36.

[0053] On a représenté aux figures 4 et 5 d'autres modes de réalisation pour lesquelles le positionnement de l'alternateur est différent, ce qui permet notamment de limiter ses déplacements et aussi pour faciliter les opérations d’équilibrage

[0054] Selon ces modes de réalisation, l'alternateur 52 est disposé à proximité d'un palier 58 de guidage en rotation de la soufflante 16 par rapport au stator 50.

[0055] Ce palier 58 est situé axialement en aval du disque de soufflante 32 et il est situé au niveau d'une extrémité axiale aval du disque de soufflante 32.

[0056] Selon le mode de réalisation représenté à la figure 4, l'alternateur 52 est situé sensiblement à la même cote axiale que le palier 58 de guidage, le long de l'axe principal A de la turbomachine 10.

[0057] Le diamètre interne du palier 58 de guidage est dimensionné à cet effet, pour pouvoir y loger l'alternateur 52.

[0058] Selon un autre mode de réalisation représenté à la figure 5, l'alternateur 52 est situé axialement en amont du palier 58 de guidage, le long de l'axe principal A de la turbomachine 10.

[0059] La soufflante comporte aussi un palier 60 inter arbres, qui est interposé entre le disque de soufflante 32 et l'arbre basse pression 28. Ce palier inter arbres 60 est aussi représenté aux figures 1 et 3.

[0060] Ce palier 60 inter arbres permet de guider l'extrémité amont de l'arbre basse pression 28 jusqu'à l’alternateur 52. De plus la présence de ce palier 60 inter-arbres permet de limiter les déplacements de l’arbre basse pression 28 par rapport au réducteur 40 et à l’alternateur 52, ce qui contribue à améliorer la durée de vie de ces deux éléments.

[0061] Selon le mode de réalisation représenté à la figure 4, l'alternateur 52 est situé axialement en aval du palier 60 inter arbres, le long de l'axe principal A de la tur bomachine 10. Ainsi, le palier 60 inter arbres est situé axialement en amont de l'alternateur 52 et du palier 58 de guidage.

[0062] Selon le mode de réalisation représenté à la figure 5, l'alternateur 52 est situé axialement en amont du palier 60 inter arbres, le long de l'axe principal A de la turbomachine 10. Ainsi, l'alternateur 52 est situé axialement en amont du palier 60 inter arbres et du palier 58 de guidage.

[0063] Il sera compris que la position axiale de l'alternateur 52 le long de l'axe principal A de la turbomachine peut être différente par rapport aux paliers 58, 60 que celles qui viennent d'être décrites, et qu'elle sera définie en fonction de la position de ces paliers dans la turbomachine 10.

[0064] L'alternateur 52 permet d'alimenter en électricité des composants qui sont portés par la soufflante 16. Ces composants, aussi appelés servitudes électriques, peuvent notamment être un système de dégivrage du cône d'entrée 36 ou un mécanisme de modification du pas des aubes 34 de la soufflante 16 par vérins électriques.

[0065] L'alternateur 52 peut aussi alimenter d'autres composants de la turbomachine 10, qui ne sont pas portés par la soufflante 16, tels que peut l’être une pompe auxiliaire électrique d’alimentation en huile du réducteur.

[0066] Dans ce cas, et comme on peut le voir de manière schématique aux figures 4 et 5, un circuit 62 d'électricité est incorporé à la soufflante et il est raccordé au stator 50 de la turbomachine.

[0067] Un système de transfert tournant 66 d’énergie électrique est interposé entre la soufflante 16 et le stator 50.

[0068] Ainsi, l'alternateur 52 peut alimenter des composants de la turbomachine 10 qui sont fixes dans la turbomachine et/ou des composants de la turbomachine 10 qui sont mobiles dans celle-ci.

[0069] La contra-rotativité du disque de soufflante 32 par rapport à l'arbre basse pression 28 par l’utilisation d’un réducteur de vitesse 40 du type planétaire, permet d’avoir une différence de vitesse de rotation importante entre ces deux composants, par exemple d'environ 12000tr/min. Cet ordre de grandeur de la différence de vitesses de rotation est exploité en installant un alternateur 52 à proximité de la soufflante.

[0070] La contra-rotativité du disque de soufflante 32 par rapport à l'arbre basse pression 28 augmente le différentiel de vitesses, ce qui permet d’avoir une grande plage de vitesse de fonctionnement ce qui facilite l’optimisation de l'alternateur 52.

[0071] A titre d'exemple non limitatif, la puissance électrique générée par l'alternateur est comprise entre 100 et 500 kW, à une fréquence comprise entre 500Hz et 2kHz.

[0072] L’alternateur 52 est de type à aimants permanents ou de type machine asynchrone. Le type de l'alternateur est choisi en fonction des critères d’optimisation choisis tels que, à titre d'exemples non limitatifs, l'encombrement, l'impact sur la masse de la tur7 bomachine 10, sa puissance, son rendement et sa facilité de maintenance.

[0073] La gamme de poussée de la turbomachine est comprise entre 20 000 Ibf et 80 000 Ibf.

Claims

Revendications [Revendication 1] Turbomachine (10) à engrenages comportant : - une soufflante (16) délivrant de l'air à une veine primaire (12) et à une veine secondaire (14) qui sont coaxiales l'une à l'autre et à un axe principal (A) de la turbomachine (10), - un arbre basse pression (28) reliant une turbine basse pression (26) dans la veine primaire (12) à un compresseur basse pression (18) dans la veine primaire (12), qui entraîne la soufflante (16) en rotation autour de l'axe principal (A) de la turbomachine (10), - un réducteur (40) de vitesse interposé entre la soufflante (16) et l'arbre basse pression (28), qui est du type à train épicycloïdal comportant trois composants parmi une couronne (42), un porte satellite (44) et un pignon solaire (48), dont un premier composant est solidaire de l'arbre basse pression (28), un deuxième composant est solidaire de la soufflante (16) et le troisième composant est fixe dans la turbomachine (10), et - un alternateur (52) entraîné notamment par l'arbre basse pression (28), caractérisée en ce que l'alternateur (52) comporte un inducteur (54) et un induit (56) dont l'un de l'inducteur (54) et de l'induit (56) est solidaire de la soufflante (16) et l'autre de l'inducteur (54) et de l'induit (56) est solidaire de l'arbre basse pression (28). [Revendication 2] Turbomachine (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'inducteur (54) est solidaire de l'arbre basse pression (28) et l'induit (56) est solidaire de la soufflante (16). [Revendication 3] Turbomachine (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le réducteur (40) de vitesse est conçu pour que le sens de rotation de la soufflante (16) soit opposé au sens de rotation de l'arbre basse pression (28). [Revendication 4] Turbomachine (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le pignon solaire (48) est solidaire de l'arbre basse pression (28), la couronne (42) est solidaire de la soufflante (16) et le porte satellite (44) est fixe dans la turbomachine (10). [Revendication 5] Turbomachine (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la soufflante (16) comporte un disque de soufflante (32) portant une pluralité d'aubes, qui est guidé en rotation par rapport à un stator (50) de la turbomachine (10) par un palier de guidage (58) qui est situé au niveau d'une extrémité axiale aval du

disque de soufflante (32), caractérisée en ce que l'alternateur (52) est situé axialement le long de l'axe principal (A) de la turbomachine (10) à proximité du palier de guidage (58). [Revendication 6] Turbomachine (10) selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un palier inter-arbres (60) interposé entre une extrémité axiale amont de l'arbre basse pression (28) et le disque de soufflante (32), ledit palier inter-arbres (60) étant situé axialement en amont du palier de guidage (58) et en amont de l'alternateur (52). [Revendication 7] Turbomachine (10) selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un palier inter-arbres (60) interposé entre une extrémité axiale amont de l'arbre basse pression (28) et le disque de soufflante (32) et en ce que l'alternateur (52) est situé axialement en amont du palier de guidage (58) et du palier inter arbres (60). [Revendication 8] Turbomachine (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la soufflante (16) comporte un disque de soufflante (32) portant une pluralité d'aubes et un cône d'entrée (36) prolongeant vers l'amont le disque de soufflante (32), caractérisée en ce que l'alternateur (52) est situé axialement à l'intérieur d'un volume délimité par le cône d'entrée (36). [Revendication 9] Turbomachine (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de raccordement électrique de l'alternateur (52) avec au moins un composant fixe de la turbomachine (10). [Revendication 10] Turbomachine (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de raccordement électrique de l'alternateur (52) avec au moins un composant mobile de la turbomachine (10).

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