Brevet FR2520806A1 — publié le 19830805

La présente invention concerne un turbomoteur comportant au moins deux mobiles rotatifs mécaniquement indépendants et au moins une prise de mouvement pour l'entrainement d'appareils auxiliaires. On sait qu'un turbomoteur comporte généralement deux mobiles tournant autour de son axe, å savoir un premier mobile constitué du compresseur et de la turbine basse pression (et éventuellement de la soufflante ou fan) et un second mobile constitué du compresseur et de la turbine haute pression. Parfois, les turbomoteurs comportent un troisième mobile constitué d'un compresseur et d'une turbine intermédiaire Ces différents mobiles sont mécaniquement indépendants et ne sont liés l'un à l'autre que par les flux gazeux qui les traversent. De plus, ils tournent à des vitesses différentes et leurs plages d'excursion de vitesses sont également différentes.Par exemple, pour un turbomoteur connu commercialement sous l'appellation GENERAL ELECTRIC CF6-50 et destiné à etre monté sur un avion, le rapport R de la vitesse maximale en vol et de la vitesse minimale au sol peut varier de 1 à 5 pour le mobile à basse pression et de 1 à 2 pour le mobile à haute pression. Par ailleurs, pour entraîner différents appareils auxiliaires nécessaires à bord des avions, tels que alternateurs, génératrices à courant continu, et génerateurs hydrauliques, il est déjà connu d'agencer une prise de mouvement sur l'un desdits mobiles des turbomoteurs, par exemple au moyen d'un couple d'engrenages coniques comme cela est montré par les brevets FR-A-2 152 362, US-A-3 792 586 et FR-A-2 290 576. Bien entendu, étant donné que la vitesse d'entraînement desdits appareils auxiliaires doit etre la plus constante possible, on agence la prise de mouvement sur celui des mobiles dont la plage d'excursion de vitesse est plus petite, ce qui permet de minimiser les dispositifs destinés à réguler et à adapter ladite vitesse 'd'entraînement. Ainsi, dans l'exemple donné ci-dessus, la prise de mouvement est montée sur le mobile haute pression dont le rapport R varie de 1 à 2, et non pas sur le mobile basse pression dont le rapport R varie de 1 à 5. Cependant, même en choisissant pour agencer la prise de mouvement le mobile dont la variation du rapport R est la plus faible, il n'en reste pas moins que cette variation est importante (du simple au double dans l'exemple précédent). On ne peut donc se passer des dispositifs de régulation et d'adaptation complexes, couteux à l'installation et à la maintenance, et lourds. De plus, ces dispositifs ne permettent pas d'éviter des mesures auxiliaires de prélèvement de gaz sur le moteur destinées au conditionnement d'air de l'avion, ce qui perturbe le cycle thermodynamique de celui-ci. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients et de permettre d'éliminer, ou au moins de simplifier et de réduire, les dispositifs de régulation et d'adaptation destinés à pallier les effets de la grande variation de vitesse du mobile sur lequel est prélevé le mouvement d'entrainement des appareils auxiliaires, ainsi que d'éviter les prélèvements de gaz sur le moteur. A cette fin, selon l'invention, le turbomoteur comportant au moins deux mobiles rotatifs mécaniquement indépendants et au moins une prise de mouvement pour l'entraînement d'appareils auxiliaires, est remarquable en ce que la prise de mouvement comporte un mécanisme différentiel relié à chacun desdits mobiles et pourvu d'un arbre de sortie tournant à une vitesse représentative d'une différence entre des vitesses proportionnelles ou égales aux vitesses desdits mobiles. En effet, la Demanderesse a trouvé en examinant les caractéristiques de certains moteurs qu'une telle différence présentait des variations bien moindres que la vitesse d'un mobile unique desdits moteurs. Par exemple, pour la famille des moteurs GENERAL ELECTRIC CF6, ainsi que pour les moteurs PRATT et WITTNEY JT9, on a trouvé que la valeur N2-KN1 (avec N1 = vitesse du mobile basse pression, N2 = vitesse du mobile haute pression et K = constante) restait constante entre le ralenti de vol et le régime maximal de vol, alors que le rapport (N2-KNi)max (N2-KNl)min entre les valeurs maximale (N2-KNl)max pour le régime maximal du moteur en vol et minimale (N2-KNl)min pour le ralenti au sol de la relation N2-KN1, n'était que de l'ordre de 1,3, c'est-à-dire que, au maximum, la variation de N2-KN1 entre le ralenti au sol et en régime de vol est de 35%. Aussi, dans un turbomoteur de ce type, dans lequel les deux mobiles sont respectivement le mobile à basse pression et le mobile à haute pression, on agence le mécanisme différentiel pour que la vitesse de l'arbre de sortie de ce mécanisme soit égale à N2-KN1, K étant obtenu par un rapport d'engrenages. De préférence, lorsque le turbomoteur comporte une soufflante solidaire en rotation du mobile basse pression, le mécanisme différentiel est agencé au voisinage de ladite soufflante. Avantageusement, le mécanisme différentiel comporte un plateau tournant librement autour de l'axe desdits mobiles et pourvu à sa périphérie de satellites engrénant avec des couronnes dentées respectivement solidaires en rotation desdits mobiles. Dans le cas où les mobiles tournent dans le même sens, ce plateau peut porter deux ensembles de satellites disposés de part et d'autre de son plan, les satellites de chacun des ensembles engrènant avec une couronne dentée solidaire d'un mobile, tandis que les satellites de l'un desdits ensembles engrènent de plus avec un autrè plateau, qui tourne librement autour de l'axe desdits mobiles et est de plus en prise avec ledit arbre de sortie du mécanisme différentiel.En revanche, lorsque les mobiles tournent en sens opposés, le plateau peut porter un jeu de satellites engrènant la fois avec une couronne solidaire en rotation d'un des mobiles et avec une autre couronne solidaire en rotation de l'autre desdits mobiles et être en prise avec ledit arbre de sortie du mécanisme différentiel. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une coupe longitudinale partielle d'un turbomoteur, illustrant la mise en oeuvre de la présente invention. La figure 2 est un diagramme justifiant le principe de la présente invention. La figure 3 montre un mode de réalisation de la prise de mouvement selon l'invention. Les figures 4 et 5 sont respectivement des coupes selon les lignes IV-IV et V-V de la figure 3. La figure 6 illustre une variante de réalisation de la prise de mouvement selon l'invention. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. On sait qu'une partie de la puissance développée par les moteurs à réaction des avions commerciaux modernes est utilisée, soit mécaniquement, soit par prélèvement d'air sur les étages de compresseurs, pour fournir l'énergie nécessaire aux servitudes de l'avion, et notamment 1/ les systèmes de génération électrique, 2/ les systèmes de génération hydraulique, 3/ les systèmes de pression d'air et de climatisation. Une des difficultés dans l'adaptation de ces systèmes au moteur provient en particulier de la variation notable de régime de rotation des parties tournantes des moteurs dans la gamme de fonctionnement. Par exemple, pour le moteur GENERAL ELECTRIC CF6-50, la vitesse Ni du mobile basse pression (Fan) varie dans le rapport 1 à 5, tandis que la vitesse N2 du mobile haute pression varie dans le rapport 1 à 2. Du fait de la moins grande plage d'excursion de vitesses du mobile haute pression, les prélèvements d'énergie mécanique sont généralement faits sur ce dernier ; un système d'adaptatioi (plus ou moins complexe) permet de coupler les appareils utilisateurs à la source de puissance - pour la génération électrique, on met en oeuvre un groupe convertisseur de vitesse donnant une vitesse de sortie constante - pour le conditionnement d'air, on effectue un prélèvement sur plusieurs étayes de compresslon avec capacité de transfert entre étages, limitation de pression et de température - pour la génération hydraulique, on utilise des pompes autorégulatrices permettant une adaptation dans toute l'étendue de la gamme d'utilisation, mais le dimensionnement de ces pompes doit être prévu pour les conditions extrêmes - pour les liquides destinés au moteur, on utilise des pompes à régime variable. Parmi les pénalités entraînées par l'utilisation d'un convertisseur de vitesse, on peut citer : la masse, le prix très élevé d'installation et de maintenance, le faible rendement énergétique associés à un système relativement compliqué. De plus, un prélèvement d'air mal adapté en pression et température conduit a un mauvais rendement énergétique. Par ailleurs, le prélèvement d'air sur les étages de compresseur perturbe le cycle thermodynamique du moteur et peut conduire à des répercussions importantes sur le fonctionnement du réacteur ; à l'extrême, cela peut conduire à limiter ou même à éviter tout prélèvement dans certaines phases de fonctionnement. On conçoit donc qu'il soit particulièrement avantageux de pouvoir s'affranchir de ces diverses contraintes. Sur la figure 1, on a représenté partiellement un turbomoteur d'axe X-X. On peut y voir le bulbe de soufflante 1 (fan) équipé de ses aubes 2 et solidaire de son arbre 3, coaxial à l'axe X-X. De façon connue, la soufflante 1,2,3 engendre un flux primaire dirigé vers les compresseurs à travers un canal primaire 4, ainsi qu'un flux secondaire ou de dérivation traversant le canal périphérique 5. Le turbomoteur comporte un arbre 6, coaxial à l'axe X-X et solidaire du compresseur et de la turbine à basse pression (non représentés). L'arbre 3 de la soufflante est solidaire en rotation de l'arbre à basse pression 6. De plus, le turbomoteur comporte un arbre 7, également coaxial à l'axe X-X, solidaire du compresseur à haute pression 8 (partiellement visible sur la figure 1) et de la turbine à haute pression (non représentée). Conformément à la présente invention, le turbomoteur de la figure 1 comporte un mécanisme différentiel 9 recevant le mouvement des arbres 3,6, dont la vitesse de rotation est N1, et le mouvement de l'arbre 7, dont la vitesse de rotation est N2, et délivrant sur un arbre de sortie 10 un mouvement de rotation dont la vitesse est représentative d'une différence entre des vitesses proportionnelles ou égales auxdites vitesses N1 et N2. Par un système de renvoi 11, le mouvement de l'arbre 10 est transmis à un arbre 12 qui entraîne différents appareils auxiliaires (non représentés). En effet, l'examen des courbes de fonctionnement de certains moteurs fait apparaître qu'il existe à température donnée une relation rigoureuse entre les vitesses N1 et N2 et que la loi est sensiblement linéaire entre le régime du ralenti de vol et le régime maximal. De telles courbes sont par exemple montrées par la figure 2, qui concerne le moteur GENERAL ELECTRIC CF6-50. Sur la figure 2, on a représenté en abscisses la vitesse N1 (en %) du mobile à basse pression (avec 100 % N1 = 3432, 5 tours par minute) et en ordonnées la vitesse N2 (en %) du mobile à haute pression (avec 100 % N2 =9827 tours par minute). Pour des conditions atmosphériques ISA par exemple, la variation de N2 en fonction de Ni est montrée par la droite B, tandis que la variation de Ni exprimée en % de N2 est donnée par la droite A. A des conditions atmosphériques données, il est possible de trouver une droite C, représentative d'une vitesse KN1 (avec K = constante = 1,037 dans le cas du moteur GE CF6-50) telle que la différence D = N2 - KN1 reste constante entre le régime de ralenti de vol (zone E) et le régime maximal (zone F). En effet, entre les zones E et F, la droite B est rigoureusement parallèle à la droite C. Si la température varie, la courbe B peut se déplacer entre B' (cas extrême correspondant aux conditions ISA + 350C) et B" (cas extrême correspondant à -400C), mais le rapport N2 N1 varie au maximum de 10 %. (N2 - KNl)max, Par ailleurs, si l'on effectue le rapport R = (N2 - KNl)min dans lequel (N2-KNl)min est la valeur de D au ralenti au sol pour -4 00C et (N2-KNl)max la valeur de D au régime maximal pour ISA + 350C, on s'aperçoit que ce rapport R est égal à environ 1,33. Ainsi, l'écart maximal sur D est au maximum de l'ordre de 35 %, alors que N2 varie du simple au double et N1 du simple au quintuple. Par suite, en utilisant la différence D, il est possible, sans mise en oeuvre d'une technologie compliquée, d'assurer l'entraînement mécanique direct 1/ de générateurs électriques, 2/ de compresseurs d'air, 3/ de pompes de liquides optimisées pour une plage de vitesse réduite. L'obtention de la prise de mouvement à la vitesse N = N2 KN,i peut être réalisée par un mécanisme différentiel, comme cela est illustré par les figures 3,4 et 5, d'une part, et la figure 6, d'autre part. Le mode de réalisation de mécanisme différentiel 9 montré par les figures 3,4 et 5 est approprié au cas où les arbres 6 et 7 tournent dans le même sens. Le mécanisme différentiel 9 comporte un plateau 13 pouvant librement tourner autour de l'arbre 6, au moyen d'éléments de roulement 14. A sa périphérie, le plateau 13 comporte des axes 15, par exemple au nombre de quatre, sur chacun desquels tourillonnent un satellite 16 et un satellite 17, les satellites 16 étant tous d'un même coté du plateau 13, alors que tous les satellites 17 se trouvent de côté opposé. Les satellites 16 engrènent, d'une part, avec une couronne dentée intérieure 18 solidaire de l'arbre 3 (et donc de l'arbre 6) et, d'autre part, avec une couronne dentée extérieure 19 portée par un plateau 20 tournant librement autour de l'arbre 3, grâce à des moyens de roulement 21. Le plateau 20 possède également une denture conique 22, engrénant avec une denture conique associée 23, solidaire de l'arbre 10, tourillonné de façon appropriée, grâce à des roulements 24. Les satellites 17 engrènent, d'une part, avec une couronne dentée intérieure 25 solidaire de l'arbre 7 et, d'autre part, avec une couronne dentée extérieure 26, solidaire de la carcasse du moteur et donc fixe. Les couronnes 18 et 25 tournant respectivement aux viteses Ni et N2, il en résulte que les satellites 16 et 17 roulent respectivement à des vitesses linéaires N1 x R1 et N2 x R2, si R1 et R2 sont respectivement les rayons desdites couronnes 18 et 25. Par suite, le plateau 13 tourne autour de l'axe Ri X-X à une vitesse N2 - R1 N1. R2 Si R3 et N3 sont respectivement le rayon et la vitesse de rotation du plateau 20, on peut écrire R2 N3= R2 (N2 - R1 N1) R3 R2 Ainsi, la vitesse N3 du plateau 20, et donc celle de l'arbre 10, est proportionnelle à N2 - R1 N1. En choisissant de R2 façon appropriée R1 = K, on obtient donc la relation D=N2-KN1 R2 précitée. Dans le cas où les arbres 6 et 7 tournent dans des sens opposés, le mécanisme différentiel 9 peut être simplifié, comme le montre la figure 6. Dans ce cas, un seul ensemble de satellites 27 sont tourillonnés sur un plateau 28 tournant librement autour de l'arbre 7 grâce à des moyens de roulement 29. Le plateau 28 comporte une denture oblique 30, engrènant avec la denture 23 solidaire de l'arbre 10. Les satellites 27 engrènent avec une couronne intérieure 31 solidaire de l'arbre 7 et avec une couronne extérieure 32 solidaire de l'arbre 6. On vérifie facilement que l'on peut définir la vitesse de rotation du plateau 30 par une relation semblable à celle donnée pour la vitesse du plateau 20. Etant donné que la puissance prélevée mécaniquement par le mécanisme différentiel 9 est très faible, par rapport à la puissance du moteur (de l'ordre de 0,5 %) , ce mécanisme différentiel respecte l'indépendance en rotation des mobiles à basse et haute pression. Ainsi, les avantages de la présente invention, résultent notamment de la possibilité : 1/ du remplacement du système hydromécanique d'entraînement des générateurs électriques par un système purement mécanique de rendement supérieur et de maintenance moins pénalisante. 2/ du remplacement du système de prélèvement multiple de pression d'air par un compresseur optimisé capable de réduire ou de supprimer les prélèvements d'air sur les étages du moteur. 3/ de l'entrainement d'accessoires du moteur (pompes de lubrification, etc... à vitesse peu variable). REVENDICATIONS l.-Turbomoteur comportant au moins deux mobiles rotatifs mécaniquement indépendants et au moins une prise de mouvement pour l'entraînement d'appareils auxiliaires, caractérisé en ce que ladite prise de mouvement (9) comporte un mécanisme différentiel relié à chacun desdits mobiles (6,7) et pourvu d'un arbre de sortie (10) tournant à une vitesse représentative d'une différence entre des vitesses proportionnelles ou égales aux vitesses desdits mobiles. 2.- Turbomoteur selon la revendication 1, dans lequel les deux mobiles (6,7) sont respectivement le mobile à basse pression et le mobile à haute pression, caractérisé en ce que la vitesse de l'arbre de sortie (10) du mécanisme différentiel (9) est égale à N2-KN1 , N1 et N2 étant respectivement les vitesses de rotation du mobile à basse pression (6) et du mobile à haute pression (7), tandis que K est une constante. 3.- Turbomoteur selon la revendication 2, comportant une soufflante 1,2,3 solidaire en rotation du mobile à basse pression (6), caractérisé en ce que ledit mécanisme différentiel (9) est agencé au voisinage de ladite soufflante 1,2,3. 4.- Turbomoteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le mécanisme différentiel (9) comporte un plateau (13,28) tournant librement autour de l'axe X-X desdits mobiles (6,7) et pourvu à sa périphérie de satellites (16,17,27) engrènant avec des couronnes dentées (18,25,31,32) respectivement solidaires en rotation desdits mobiles. 5.- Turbomoteur selon la revendication 4, dans lequel lesdits mobiles (6,7) tournent dans le même sens, caractérisé en ce que ledit plateau (13) porte deux ensembles de satellites (16,17) disposés de part et d'autre de son plan, les satellites de chacun des ensembles engrènant avec une couronne dentée (18,25) solidaire d'un mobile, tandis que les satellites (16) de l'un desdits ensembles engrènent de plus avec un autre plateau (20), qui tourne librement autour de l'axe X-X desdits mobiles et est de plus en prise avec ledit arbre de sortie (10) du mécanisme différentiel (9). 6.- Turbomoteur selon la revendication 4, dans lequel lesdits mobiles tournent en sens opposés, caractérisé en ce que ledit plateau (28), d'une part, porte un jeu de satellites (27) engrénant à la fois avec une couronne (31) solidaire en rotation d'un des mobiles et avec une autre couronne (32) solidaire en rotation de l'autre desdits mobiles et, d'autre part, est en prise avec ledit arbre de sortie (10) du mécanisme différentiel (9).