Brevet FR2606077A1 — publié le 19880506

La présente invention concerne un dispositif de production d'énergie entraîné à une vitesse liée a la diffé- rence des vitesses de rotation de deux rotors dans un moteur à turbine à rotors multiples. Un moteur à turbine à rotors multiples comporte un rotor à haute pression qui produit un courant gazeux de vitesse élevée, et un rotor de puissance, à basse pression, qui extrait l'énergie mécanique du courant gazeux avec une turbine de puissance. La turbine de puissance entraîne, par exemple, un alternateur pour alimenter l'équipement auxi- liaire à bord d'un avion. Cependant, la vitesse de chaque rotor dans un moteur à rotors multiples varie grandement entre la marche à vide au sol et la pleine vitesse, l'alter- nateur se trouvant ainsi soumis à une vaste plage de vites- ses de rotation. Par conséquent, l'alternateur donne une sortie présentant beaucoup de fréquences. Comme la fréquence de sortie de l'alternateur doit être stable, à moins de 10% de 400 Hz, par exemple, on a utilisé des circuits hacheurs et de redressement pour compenser les fluctuations de la fréquence, et des dispositifs de transmission et à embrayage pour réguler la vitesse de rotation de l'alternateur. Ces circuits et dispositifs ajoutent un poids indésidérable à l'avion, par exemple. De façon tout à fait inattendue, on a trouvé que la différence des vitesses de rotation entre le rotor à haute pression et le rotor de puissance à basse pression est relativement constante entre la vitesse à vide et la vitesse maximum en vol. La présente invention a pour objet d'utiliser la différence des vitessses de rotation de deux rotors dans un moteur a rotors multiples pour entraîner mécaniquement un dispositif de production d'énergie à une vitesse relative- ment constante. La présente invention a pour autre objet d'uti- liser la différence des vitesses de rotation de deux rotors de moteur pour fournir une rotation entre le stator et le rotor d'un alternateur de manière à obtenir une sortie à fréquence relativement constante. La présente invention a pour objet supplémentaire d'entraîner un alternateur a une vitesse relativement cons- tante avec un moteur à rotors multiples, sans transmissions ni embrayages ni circuit de compensation de la fréquence. La présente invention concerne deux rotors rota- tifs dans un moteur à turbine à rotors multiples, qui sont connectés par un moyen de production d'énergie lié à la différence de vitesse entre les deux rotors. Dans un mode de réalisation, un moyen d'engrenage est connecté mécaniquement aux deux rotors pour produire une sortie liée à cette diffé- rence de vitesse. La sortie du moyen d'engrenage peut être connectée à un alternateur, par exemple. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le stator d'un alternateur est monté sur un rotor de turbine, et le rotor électrique de l'alternateur est monté sur un autre rotor de turbine. La différence de vitesse des rotor et stator électriques donne une sortie qui est prélevée par un collecteur ou par un transformateur tournant. La présente invention réduit les plages des vitesses de fonctionnement de l'alternateur et permet l'utilisation d'un alternateur plus petit et moins cher. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, un schéma d'un exemple d'un réacteur à double flux à rotor double; figure 2, la vitesse de rotation de deux rotors, et la différence de vitesse entre les rotors, en fonction de la poussée dans un moteur à turbine à rotors multiples; figure 3, une vue de côté d'un mode de réalisation de la présente invention, figure 4, une vue généralisée en perspective du dispositif de la figure 3; figure 5 à 8, d'autres modes de réalisation de l'invention; figure 9, un schéma sous forme de blocs d'un circuit de commande de la sortie d'un alternateur selon la présente invention. La figure 1 représente respectivement un type de moteur à turbine à rotors jumelés, un rotor 1 à vitesse élevée, haute pression, entourant un rotor de puissance 2 à faible vitesse, basse pression, suivant le même axe. Ce moteur à turbine est un exemple d'environnement pour l'in- vention qui peut être utilisé avec n'importe quel moteur à turbine a rotors multiples. Un système différentiel de puissance (illustré en détail en figure 3 à 9) est générale- ment situé en 8 pour recevoir des entrées en provenance de chaque rotor. Le système de puissance produit une sortie liée à la différence de vitesse entre les rotors. La sortie est un signal électrique ayant une fréquence relativement constante comme on le discutera ci-dessous. La figure 2 représente, en fonction de la poussée du moteur, les vitesses de rotation en tours/minute, pour le rotor à haute pression, vitesse élevée (N2) et le rotor de puissance à basse pression, faible vitesse (Ni) d'un réac- teur à double flux a rotors jumelés dit CF6-80A utilisé dans l'avion dit 767 de la Société Boeing, par exemple. De plus, on a illustré la différence des vitesses de rotation (N2-N1) des deux rotors dans leur rotation dans la même direction. Entre la vitesse à vide au sol (VS) et la vitesse à vide en vol (VV), la différence des vitesses de rotation du rotor à vitesse élevée et du rotor de puissance à faible vitesse varie avec la poussée. Cette variation est due au fait que le rotor a vitesse élevée accélère plus rapidement, en réponse à une augmentation de la poussée, que le rotor de puissance, à faible vitesse, avant le décollage. Pour corri- ger cette baisse a vide au sol, les aubes du stator du compresseur du rotor à haute vitesse (N2) peuvent être fermées pour accélérer le rotor. Cependant, pour des pous- sées supérieures à 10 000, cette différence des vitesses de rotation est sensiblement constante en fonction de la pous- sée pour des moteurs à taux de dilution élevé tel que le moteur CF6-80A. La figure 3 illustre un mode de réalisation d'un système de puissance 8 selon la présente invention dans un moteur à turbine à rotors jumelés. Dans un moteur de ce type, l'air entre dans un canal de réception 12, traverse les aubes 14 du stator et les aubes 16 du rotor haute pres- sion avant d'être introduit dans une chambre de combustion (non représentée). Un arbre 18 du rotor de puissance, à faible vitesse, a le même axe qu'un arbre 20 du rotor à haute vitesse qui l'entoure et tourne dans la même direction mais beaucoup plus rapidement que l'arbre 18 (voir figure 2). Le système de puissance 8 comporte des dents d'engrenage 22 et 24, entourant respectivement les arbres 18 et 20. On choisit le nombre des dents 22 et des dents 24 de façon qu'un tour de l'un ou l'autre des arbres 18 ou 21 donne la même sortie mécanique (mais dans des directions opposées, comme on l'a discuté précédemment) à un différentiel 26. De préférence, pour le moteur CF6-80A, le rapport entre les dents 24 et les dents d'un engrenage 34 est le double du rapport entre les dents 22 et les dents d'un satellite 44. Cependant, pour d'autres moteurs, le nombre des dents 22 et celui des dents 24 sont différents de façon à obtenir des - 5 - quantités différentes à la sortie mécanique au différentiel 26. Le rapport des dents dépend de la forme de la courbe N2-N1 pour un moteur particulier. Le différentiel 26 est monté sur une paroi 28, définissant le canal de réception 12, au moyen d'un flasque 30. Un axe 32 est fixé au flasque 30, et supporte un engre- nage d'entrée 34 qui est en prise avec les dents 24. L'en- grenage 34 est en une pièce avec un pignon 36. Un engrenage fou 38 est monté sur l'axe 32, en étant coaxial avec l'en- grenage d'entrée 34 et le pignon 36. Le pignon 36 entraîne l'engrenage fou 38 par l'intermédiaire de deux ou plusieurs pignons perpendiculaires 40 et 42. Le satellite 44 est en prise avec les dents 22, et supporte les pignons 40 et 42 autour de l'axe 32. Un engrenage de sortie 46 est entraîné par l'engrenage fou 38 qui est conique sur deux côtés. L'engrenage de sortie 46 est monté de façon à faire tourner un arbre de sortie 48. L'arbre 48 tourne donc a une vitesse liée à la différence des vitesses de rotation entre l'arbre de puissance 18 et l'arbre haute vitesse 20. Ainsi, un alternateur 50 est entraîné par l'arbre 48 à une vitesse constante, et n'a besoin d'aucune transmission/embrayage ou de circuits de compensation de fréquence. On peut remplacer l'alternateur 50 par une généra- trice de courant continu. Les génératrices de courant con- tinu de l'art antérieur sont conçues pour fonctionner dans une vaste plage de vitesses et ont, par conséquent, de grandes dimensions et sont lourdes. Selon la présente inven- tion, l'arbre 48 tourne à une vitesse constante, ce qui permet de diminuer les dimensions de la génératrice, et donc d'avoir un gain important en matière de poids. On expliquera ci-dessous le fonctionnement du système de puissance. La figure 4 est une vue simplifiée du dispositif de la figure 3, les dents de chaque engrenage étant omises pour rendre la figure plus claire. Normalement, l'arbre de puissance 18 et l'arbre haute vitesse 20 tournent dans la - 6 - même direction à des vitesses différentes. Cependant, on expliquera séparément les rotations des deux arbres 18, 20 pour rendre la discussion plus claire. Si l'arbre de puissance 18 est fixe, et que l'arbre 20 tourne à haute vitesse dans le sens des aiguilles d'une montre, l'engrenage d'entrée 34 et le pignon 36 for- mant un même ensemble tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre car les dents 24 sont en prise avec l'engrenage 34. Le pignon 36 fait tourner le pignon 40 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, autour d'un axe 52 (et fait tourner le pignon 42 dans le sens des aiguilles d'une montre), ce qui a pour effet d'entraîner l'engrenage fou 38 dans le sens des aiguilles d'une montre. En réponse, l'engrenage de sortie 46 et l'arbre 48 tournent également dans le sens des aiguilles d'une montre. Inversement, si l'arbre 18 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre et que l'arbre 20 est fixe, le satel- lite 44 est animé d'un mouvement de rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre autour de l'axe 32. Le satellite 44 supporte l'axe 52 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre autour de l'axe 32. Le pignon 40 tourne autour de l'axe 32, mais tourne dans le sens des aiguilles d'une montre autour de l'axe 52 contre le pignon fixe 36. Une action similaire se produit avec le pignon horizontal 42. La rotation des pignons 40 et 42 dans le sens des aiguilles d'une montre fait tourner l'engrenage fou 38 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Par conse- quent, l'engrenage de sortie 46 et l'arbre 48 tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Pendant le fonctionnement d'un moteur à turbine, l'arbre de puissance 18 et l'arbre haute vitesse 20 tournent dans la même direction mais à des vitesses différentes. Cependant, le différentiel 26 anime l'arbre de sortie 48 d'un mouvement de rotation a une vitesse liée à la diffé- rence des vitesses entre les arbres 18 et 20. Ainsi, si les arbres 18, 20 tournent à la même vitesse et dans la même direction, l'arbre de sortie 48 ne tourne pas. La figure 5 illustre une modification du disposi- tif de la figure 4, qui est destinée à être utilisée avec des moteurs ayant des rotors tournant dans des directions opposées. Le fonctionnement, en figure 5, est inchangé pour l'engrenage de puissance, les pignons, l'engrenage fou, l'engrenage de sortie et l'arbre de sortie, qui ne sont pas représentés pour rendre la figure plus claire. Pour des moteurs avec des rotors tournant dans des directions oppo- sées, la différence entre les vitesses absolues de rotation (c'est-a-dire [N2]-[ N1], des deux rotors est constante. Dans un moteur à rotors jumelés, les rotors tournant dans des directions opposées, un engrenage fou 54 est placé entre l'engrenage d'entrée 34 et les dents 24. L'engrenage fou 54 tourne librement sur un arbre 56 qui est fixé au flasque 30 (illustré en figure 3). Ainsi, la rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre de l'arbre à haute vi- tesse 20 en figure 5 (de sens opposé à la rotation de l'arbre 18) entraîne le pignon fou 54 dans le sens des aiguilles d'une montre, ce qui anime l'engrenage d'entrée 34 d'une rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Bien que la rotation de l'arbre a haute vitesse 20 en figure 5 soit opposée a celle de la version de la figure 4, l'engrenage d'entrée 34 tourne dans la même direction dans les deux figures 4 et 5. La figure 6 est une autre version du système de puissance de la présente invention, également destinée a être utilisée dans des moteurs ayant des rotors contra-rotatifs (ou des arbres). Un engrenage d'entrée 34 est monté sur l'arbre haute vitesse 20 en ayant le même axe que celui-ci. Un engrenage de puissance 58 est monté sur l'arbre 18. La différence des vitesses de rotation des rotors contra-rota- tifs est la différence entre les valeurs absolues des vites- ses de rotation pour chaque rotor ([N2]-[N1]). L'engre- - - nage de sortie 46 est entraîné directement par un satellite 60. La figure 7 représente un autre système de puis- sance, illustré dans une vue schématique en coupe. Là en- core, l'arbre de puissance 18 a le même axe que l'arbre de pression 20, ce dernier l'entourant. Des aimants permanents 62 sont fixés à la surface intérieure de l'arbre 20. L'arbre et les aimants 62 constituent un rotor et tournent en formant un même ensemble. La rotation des aimants permanents 62 induit un courant alternatif dans des bobines 64 montées sur l'arbre de puissance 18. Une paire de conducteurs 66 acheminent le courant induit jusqu'à un collecteur 68 sur lequel frotte un balai de sortie 70. L'arbre 18, les bobines 64, la paire de conducteurs 66 et le collecteur 68 forment un "stator" tournant, à l'intérieur du rotor (20, 62). Si l'arbre de puissance 18 et l'arbre haute vi- tesse 20 sont fixes, ou tournent dans le même sens et à la même vitesse, aucun courant n'est induit dans les bobines 64. Cependant, dans les moteurs à turbine a rotors jumelés, comme on l'a discuté en liaison avec la figure 2, l'arbre 20 tourne plus rapidement que l'arbre 18. La différence des vitesses entre ces arbres est relativement constante. Les aimants permanents 62 induisent ainsi un courant alternatif ayant une fréquence pratiquement constante dans les bobines 64. L'énergie électrique résultante est prélevée au collec- teur 68 et au balai 70 pour alimenter l'équipement auxi- liaire à bord de l'avion. On peut remplacer le collecteur 68 et le balai 70 de la figure 7 par le transformateur tournant de la figure 8. Un logement 72 en fer magnétique est fixé à l'arbre de puissance 18, et supporte un enroulement 74 connecté élec- triquement aux bobines 64 (voir figure 7) par des conduc- teurs 76 (représentés schématiquement). Le courant des bobines 64 excite l'enroulement 74. Un élément de maintien fixe en fer 78 supporte un enroulement secondaire 80, et est fixé a la paroi 28 (voir figure 3) par des supports (non représentés). L'enroulement excité 74 induit un flux magne- tique 82 dans le logement 72 et l'élément de maintien 78. Le flux magnétique de l'élément 78 induit une tension dans l'enroulement secondaire 80. Une paire de conducteurs 84, connectés a l'enroulement secondaire 80, traverse un trou 86 ménagé dans l'élément 78. L'énergie électrique est prélevée aux conducteurs 84 pour faire fonctionner l'équipement électrique à bord d'un avion, par exemple. La figure 9 représente un système à boucle fermée pour commander la sortie de l'alternateur 50. Un différen- tiel de vitesse 26 (électrique ou mécanique, comme en fi- gures 3-8) donne la différence des vitesses de rotation, N2-N1, entre l'arbre haute vitesse 20 et l'arbre faible vitesse 18. Le différentiel de vitesse 26 entraîne l'alter- nateur 50 à une vitesse liée à cette différence de vitesse. La sortie de l'alternateur est un courant alternatif avec une fréquence liée à sa vitesse. Cette fréquence est trans- formée en signal numérique dans un convertisseur analogi- que/numérique 88. Le signal numérique est à son tour appli- qué à un comparateur 90. Une gamme de valeurs, stockée dans une mémoire 92, est également introduite dans le comparateur 90. Cette gamme en mémoire représente une fréquence de sortie qu'on désire pour l'alternateur. Pour faire fonctionner l'équipement de l'avion, il est souhaitable d'avoir une fréquence de 400 Hz 5%, par exemple. Si le signal numérique se trouve dans la plage stockée, il n'y a aucune sortie au comparateur 90. Sinon, un signal numérique de comparaison est transformé en signal analogique dans un convertisseur numérique/analogique 94. Ce signal analogique est entré dans un contrôleur 96. Le contrôleur 96 peut être constitué d'amplificateurs, de servomécanismes, de dispositifs hydrauliques et de biel- lettes. Le contrôleur 96 ouvre et ferme des aubes 98 de stator associées à un compresseur fonctionnant a vitesse élevée, et haute pression, par exemple. On trouvera un exemple d'un contrôleur pour le positionnement des aubes d.'un stator dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 314 595. Lorsqu'on module les aubes du stator, la vitesse de l'arbre 20 (N2) varie. Il en résulte que la différence des vitesses de rotation (N2-N1) entre les deux arbres 18 et change, et que la vitesse de rotation de l'alternateur varie. Ainsi, la vitesse de l'alternateur est commandée dans une boucle fermée, et la fréquence de sortie de l'alterna- teur est maintenue à 0,5% de la valeur désirée pour la fréquence, par exemple. Entre les marches à vide au sol et en vol, par exemple, on peut augmenter le rapport N2/N1 pour entraîner l'alternateur à une vitesse relativement constante. Des variantes apparaîtront à l'homme du métier. Par exemple, les positions des aimants permanents 62 et des bobines 64 peuvent être inversées. Au lieu d'aimants perma- nents, on peut utiliser des électro-aimants. Dans les mo- teurs a turbine ayant des contrôleurs du débit du fluide, tels que les soufflantes de turbines a pas variable, on peut placer les ailettes de la soufflante de façon à accélérer ou à ralentir l'arbre 18 tournant à faible vitesse (Nl) pour modifier le rapport (N2/N1). On peut utiliser le système dans des moteurs 4 triple rotor dans lesquels la différence des vitesses des arbres de deux rotors est relativement constante avec l'augmentation de la poussée. Le système différentiel de puissance produit de l'énergie électrique en réponse à la différence des vitesses de rotation relativement constantes entre deux rotors d'un moteur à rotors multiples. L'énergie électrique est produite dans un alternateur ou une génératrice de courant continu dans une version mécanique ou électrique du système. REVENDICATIONS 1. Système pour moteur à turbine à rotors mul- tiples, caractérisé en ce qu'il comprend: des premier et second rotors rotatifs (20, 18); et un moyen (50), connecté au premier rotor et au second rotor, pour générer une énergie liée à la différence entre les vitesses de rotation des premier et second rotors. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: un moyen d'engrenage (26), relié mécaniquement au premier rotor et au second rotor, pour produire une sortie liée à la différence des vitesses de rotation (N2-N1) entre les premier et second rotors. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen générateur comprend un moyen d'alterna- teur (50) pour produire une énergie en courant alternatif ayant une fréquence liée à la différence entre les vitsses de rotation, le moyen d'alternateur étant connecté (46) a la sortie du moyen d'engrenage. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un alternateur avec un aimant (62) monté sur le premier rotor (20) et une bobine (64) montée sur le second rotor (18) près de l'aimant. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen générateur comprend un balai (70) en contact avec un collecteur (68) qui est connecté a la bobine et est monté sur le second rotor (18). 6. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen générateur comprend un moyen de bobine fixe (74) monté autour du second rotor. 7. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour commander le débit de fluide dans le moteur, connecté au moyen générateur de puissance et commandé en réponse à la puissance produite. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen de commande du débit du fluide comprend: un moyen (92) pour stocker une plage désirée de valeurs liées a la différence des vitesses de rotation, et un moyen (90) pour comparer la puissance produite à la plage de valeurs. 9. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen générateur de puissance (50) est une génératrice à courant continu.