Brevet FR2894621A1 — publié le 20070615

La présente invention concerne le domaine des turbomoteurs à turbine à gaz, multi-corps, appliqués en aéronautique, et vise un moyen de prélèvement de puissance mécanique sur les arbres de rotor. Ce moyen a pour objet notamment l'entraînement des machines auxiliaires. Un turbomoteur comprend, de façon générale, un groupe de compression d'air dont au moins une partie alimente une chambre de combustion. Les gaz issus de cette dernière entraînent un ou plusieurs étages de turbine reliés mécaniquement aux compresseurs et fournissent au moins une partie de la poussée. Un moteur à double corps comprend deux ensembles de rotors, à arbres concentriques et tournant librement mécaniquement l'un par rapport à l'autre. On distingue le corps basse pression, dit BP, et le corps haute pression, dit HP. Les turboréacteurs ou turbopropulseurs civils comprennent un rotor de soufflante ou d'hélice entraîné par le corps BP et délivrant une grande part de la poussée du moteur. Une partie de la puissance fournie par le moteur est utilisée pour alimenter les servitudes à la fois du moteur lui-même et de l'avion dont il assure la propulsion. Cette puissance est actuellement prélevée, en partie mécaniquement, sur l'arbre de l'étage HP du moteur pour entraîner un arbre récepteur de puissance d'un boîtier à engrenages à partir desquels les accessoires sont entraînés. Ce boîtier est aussi désigné AGB, pour Accessory Gear Box. Dans un turboréacteur à soufflante avant, ce boîtier est disposé sur le carter de celle-ci. Son arbre récepteur de puissance est généralement entraîné par un arbre de transmission logé dans un des bras structuraux du carter intermédiaire, et relié à travers un boîtier de renvoi d'angle à un pignon conique de prise de mouvement solidaire de l'arbre HP. Différentes machines auxiliaires, telles que des générateurs et des pompes hydrauliques à huile ou à carburant, sont installées et entraînées sur ce boîtier à engrenages. Une autre partie du prélèvement d'énergie est constituée par de l'air sous pression, soutiré au compresseur HP, pour assurer notamment la pressurisation et le conditionnement de la cabine de l'avion ou bien le dégivrage. La tendance actuelle vise à augmenter la part du prélèvement de puissance mécanique en raison de la part croissante des moyens électriques, réputés plus souples d'emploi. Cette demande croissante de fourniture électrique pour les équipements de l'avion ne permet plus pour des raisons de fonctionnement et de performance du moteur, principalement à des régimes de rotation faible, de prélever la puissance uniquement sur le corps HP. Cette augmentation de prélèvement de puissance pour les nouvelles applications de turbomoteurs nécessite donc la mise en oeuvre d'un système de prélèvement de puissance mécanique sur les corps HP et BP. L'invention a pour objet un moyen de prélèvement de puissance sur les deux rotors, ce prélèvement pouvant, en fonction du régime, être effectué sur l'un ou l'autre des deux rotors ou encore simultanément sur les deux. Cependant les corps HP et BP tournent, de manière indépendante, à des vitesses différentes et possèdent des plages de fonctionnement différentes. Entre le régime de ralenti et le régime de plein gaz, le rapport des vitesses pour l'arbre HP est de l'ordre de deux ; la vitesse de rotation passe par exemple de 10.000 tours par minute à 20.000 tours par minute. En revanche, le rapport des vitesses pour l'arbre BP est de l'ordre de cinq ; sa vitesse passe par exemple de 900 tours par minute au ralenti à 4500 tours par minute au régime plein gaz. Il se pose alors le problème d'assurer un prélèvement compatible avec ces deux plages de fonctionnement distinctes. Ce problème est d'autant important à résoudre que les accessoires installés sur le boîtier sont adaptés pour fonctionner à l'intérieur de plages de vitesses compatibles avec celle du corps HP. On a vu qu'elle était nettement inférieure à celle du corps BP. La présente invention a ainsi pour objet également un moyen de prélèvement de puissance mécanique mixte sur les corps HP et BP tout en fournissant à l'AGB une plage de fonctionnement qui soit compatible avec le fonctionnement des équipements ou accessoires montés sur le boîtier AGB. Pour réaliser ces objectifs, l'invention distingue des premières et des deuxièmes machines auxiliaires, et le système d'entraînement desdites machines est caractérisé par le fait qu'il comprend une première chaîne de puissance entre l'arbre de rotor HP et les premières machines agencée de manière à entraîner mécaniquement celles-ci ; il comprend aussi un premier moyen d'embrayage et une deuxième chaîne de puissance entre l'arbre de rotor BP et les deuxièmes machines agencés de manière à entraîner les dites deuxièmes machines. Ainsi, grâce au moyen d'embrayage, on peut répartir simplement le prélèvement de puissance entre les deux rotors selon le régime du moteur. Conformément à une autre caractéristique, le système comprend un deuxième moyen d'embrayage entre la première chaîne de puissance et la deuxième chaîne de puissance permettant l'entraînement de deuxièmes machines auxiliaires par le rotor HP, notamment quand le moteur fonctionne à un régime élevé et plus particulièrement à plein régime. Avantageusement, le premier moyen d'embrayage est agencé pour être débrayé quand le deuxième moyen d'embrayage est embrayé. De préférence le système comprend une boîte de vitesse à au moins deux rapports de vitesses étant reliée en entrée à l'arbre du rotor BP et en sortie à la deuxième chaîne de puissance, le premier moyen d'embrayage étant agencé pour embrayer sélectivement l'un ou l'autre des deux rapports ou bien pour débrayer la transmission mécanique depuis le rotor BP. Plus particulièrement, le moyen d'embrayage est agencé de façon à ce que le changement de rapports sous charge, s'effectue sans rupture dans la transmission du couple. De préférence encore, le premier moyen d'embrayage est une transmission à double embrayage, connue en soi. Le changement de vitesse ne se fait que par pilotage des embrayages ; le rapport suivant est nécessairement disponible. Le système d' entraînement comprend un moyen de commande comprenant comme paramètres d'entrée des signaux de vitesse des deux corps BP et HP et comme paramètres de sortie des signaux de commande des deux moyens d'embrayages. L'invention porte également sur le mode de fonctionnement du système, selon lequel à faible régime du moteur le premier rapport de la boîte de vitesse est embrayé, puis le deuxième rapport est embrayé à un régime plus élevé. De préférence, le deuxième moyen d'embrayage est débrayé quand le premier moyen d'embrayage est embrayé, et, aux régimes élevés notamment à plein régime, le deuxième moyen d'embrayage est embrayé et le premier moyen d'embrayage est débrayé. Au démarrage, l'une ou l'autre ou les deux des premières ou deuxièmes machines comprenant un moyen de démarrage du moteur, le premier embrayage est débrayé et le deuxième embrayage embrayé, assurant ainsi l'entraînement du rotor HP. L'embrayage répond à la contrainte de démarrage et en outre l'utilisation 5 d'un troisième rapport permet ainsi d'optimiser le système. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit d'un mode de réalisation non limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels 10 La figure 1 est une représentation schématique d'un système d'entraînement de machines auxiliaires conforme à l'invention ; La figure 2 illustre le fonctionnement du système au démarrage ; Les figures 3 et 4 illustrent le fonctionnement multi-corps du système 15 pour chacun des deux rapports de la boîte de vitesse ; La figure 5 illustre le fonctionnement du système en prélèvement mono corps ; La figure 6 représente l'évolution de la vitesse de la seconde chaîne de puissance selon le régime du moteur. 20 Les éléments représentés sur la figure 1 sont schématiques. Ils constituent des éléments fonctionnels sans comprendre de véritables détails sur leur structure réelle. Il appartient à l'homme du métier d'y associer des moyens appartenant à l'état de la technique. 25 Du turbomoteur, on ne retient sur la figure que l'arbre 2 du rotor HP et l'arbre 3 du rotor BP. Les deux arbres sont concentriques et tournent librement l'un par rapport à l'autre. Les autres parties du moteur ne sont pas concernées par l'invention et peuvent être quelconques. Chaque arbre 30 est solidaire d'un pignon conique, 21 et 31. Le pignon 21 entraîne un arbre de transmission 4 par un pignon conique 41. L'arbre 4 entraîne, par l'intermédiaire d'une première chaîne de puissance 8, des premières machines auxiliaires, ici deux Al et A2. Cette chaîne de 35 puissance est un train d'engrenages fixes, tel qu'un AGB. L'arbre 3 du rotor BP entraîne un arbre 5 par le pignon conique 51. Cet arbre 5 constitue l'arbre d'entrée d'une boîte de vitesse 6. L'arbre de sortie 7 de la boîte de vitesse entraîne des deuxièmes machines accessoires A3, A4 par l'intermédiaire d'une seconde chaîne de puissance 9 qui est de préférence également un train d'engrenages fixes. La boîte 6, conformément à ce mode de réalisation est à deux rapports, 63 et 65, reliés à l'arbre d'entrée 5 par un premier moyen d'embrayage 61, ici un embrayage double. Le nombre de rapports peut cependant être plus élevé. Un deuxième moyen embrayage 10 relie la chaîne de puissance 8 à la chaîne 9. Il peut s'agir d'un embrayage, tel que connu en soi, simple, d'un coupleur hydraulique, d'une roue libre ou autre. Une unité de commande 20 reçoit des signaux Nhp et Nbp représentatifs des vitesses de rotation des rotors respectifs, et, en application de son programme incorporé, envoie un signal approprié de commande aux organes d'actionnement des premier et second moyens d'embrayage 61 ou 10. On décrit maintenant le mode de fonctionnement du système d'entraînement. En mode démarrage, il s'agit de fournir l'ensemble de la puissance du ou des moyens de démarrage au corps HP du moteur. Dans ce but le premier moyen d'embrayage 61 est désaccouplé et le second 10 est accouplé. Les deux chaînes de puissance sont liées. Les flèches FI et F2 de la figure 2 illustrent la transmission de puissance depuis les moyens de démarrage parmi les premiers et deuxièmes machines. Ainsi, quelle que soit la position des accessoires servant au démarrage, la puissance de démarrage est fournie dans son intégralité au corps HP. En mode de prélèvement multi-corps correspondant aux régimes de moteur faibles, la boîte de vitesse à deux rapports de vitesses permet de rendre compatible la plage de vitesse du rotor BP avec celles des accessoires installés sur la seconde chaîne de puissance. Dans une première plage de régime du moteur, la commande 20 assigne au premier moyen d'embrayage 61 d'accoupler le premier rapport 63 à l'arbre 5. Sur la figure 3 la flèche F3 illustre la transmission de la puissance depuis l'arbre 3 du rotor BP jusqu'à la chaîne de puissance 9 pour entraîner les deuxièmes machines accessoires. La flèche F4 montre l'entraînement de la première chaîne 8 par l'arbre HP. Le second moyen d'embrayage 10 est désaccouplé. La figure 4 illustre par les flèches F5 et F4, cette dernière étant inchangée, la transmission de puissance entre les rotors et les machines à un régime moteur plus élevé. On utilise le deuxième rapport 65 de la boîte de vitesse 6. Le second moyen d'embrayage 10 reste désaccouplé. La boîte de vitesse à deux rapports permet d'avoir le second rapport toujours disponible et de pouvoir l'engager par simple commande de l'embrayage double sans changement d'engrènement. En mode de prélèvement mono corps correspondant au domaine de régimes élevés, le premier moyen d'embrayage 61 est désaccouplé interrompant la liaison du système avec le corps BP. L'accouplement de second moyen d'embrayage 10 lie les chaînes de puissance 8 et 9. Toute la puissance des accessoires est prélevée depuis le corps HP. Cela est illustré sur la figure 5 par la flèche double F6. La figure 6 est un schéma illustrant l'évolution de la vitesse de rotation des secondes machines sur la chaîne de puissance 9, en fonction du régime du moteur. La vitesse croît avec le premier rapport 63 de la boîte de vitesse, puis à un régime donné le second rapport 65 est engagé la vitesse croît selon cette nouvelle loi. Enfin l'embrayage 61 est désaccouplé alors que le second embrayage est accouplé ; la vitesse des accessoires suit alors la loi du corps HP. Il est à noter que moyennant une loi de commande appropriée le passage d'un rapport à l'autre se fait sans interruption de transmission de puissance. Le système de l'invention permet ainsi de fournir des moyens 35 d'entraînement des deux chaînes de puissance compatibles avec les équipements moteur et avion ; transmettre de la puissance issue du corps BP aux accessoires ; assurer le démarrage du moteur en fournissant de la puissance au corps HP uniquement. Revendications 1. Système d'entraînement de premières (Al, A2) et deuxièmes (A3, A4) machines auxiliaires d'un turbomoteur à double corps avec un arbre (3) du rotor BP et un arbre (2) du rotor HP, caractérisé par le fait qu'il comprend une première chaîne de puissance (8) entre l'arbre du rotor HP et les premières machines (Al, A2) agencée de manière à entraîner mécaniquement celles-ci, et un premier moyen d'embrayage (61) et une deuxième chaîne (9) de puissance entre l'arbre du rotor BP et les deuxièmes machines (A3, A4) agencés de manière à entraîner les dites deuxièmes machines (A3, A4). 2. Système selon la revendication 1 comprenant un deuxième moyen d'embrayage (10) entre la première chaîne (8) de puissance et la deuxième chaîne (9) de puissance permettant l'entraînement de deuxièmes machines (A3, A4) auxiliaires par l'arbre (2) du rotor HP, notamment quand le moteur fonctionne aux régimes élevés. 3. Système selon la revendication précédente dont le premier moyen d'embrayage (61) est agencé pour être débrayé quand le deuxième moyen d'embrayage (10) est embrayé. 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant une boîte de vitesse (6) à au moins deux rapports de vitesse (63, 65) reliée en entrée à l'arbre (3) et en sortie à la deuxième chaîne (9) de puissance, le premier moyen d'embrayage (61) étant agencé pour embrayer sélectivement l'un ou l'autre des deux rapports ou bien pour débrayer la transmission mécanique depuis l'arbre (3) du rotor BP. 5. Système selon la revendication 2 comprenant un moyen de commande (20) comprenant comme paramètres d'entrée des signaux de vitesse des deux arbres des corps BP et HP et comme paramètres de sortie des signaux de commande des deux moyens d'embrayages (61, 10). 6. Mode de fonctionnement du système selon la revendication 4 selon lequel à faible régime du turbomoteur le premier rapport (63) de la boîte de vitesse (6) est embrayé, puis le deuxième rapport (65) lorsque le turbomoteur fonctionne à un régime plus élevé.40 7. Mode de fonctionnement du système selon l'une des revendications 2, 3, 5 et 4 dans la mesure où elle dépend de la revendication 2, selon lequel le deuxième moyen d'embrayage (10) est débrayé quand le premier moyen d'embrayage (61) est embrayé. 8. Mode de fonctionnement selon la revendication 7 selon lequel aux régimes élevés du turbomoteur le deuxième moyen d'embrayage (10) est embrayé et le premier moyen d'embrayage (61) est débrayé. 10 9. Mode de fonctionnement au démarrage du système selon l'une des revendications 2, 3, 5 et 4 dans la mesure où elle dépend de la revendication 2, l'une ou l'autre des premières ou deuxièmes machines comprenant un moyen de démarrage du moteur, selon lequel le premier moyen d'embrayage (61) est débrayé et le 15 deuxième moyen d'embrayage (10) est embrayé.5