Brevet FR2897895A1 — publié le 20070831

Titre de l'invention Intégration d'un démarreur/générateur dans une boîte de transmission d'une turbine à gaz. Arrière-plan de l'invention L'invention concerne les turbines à gaz et plus particulièrement le montage d'un démarreur/générateur (ou S/G, pour "Starter/Generator") sur une boîte de transmission, ou boîte de relais d'accessoires. Le domaine d'application de l'invention est celui des turbines à gaz pour moteurs d'avions ou d'hélicoptères, ainsi que pour des groupes auxiliaires de puissance (ou APU, pour "Auxiliary Power Unit"). Dans une turbine à gaz, un certain nombre d'équipements, ou accessoires, sont entraînés par une transmission mécanique à partir d'une puissance mécanique prélevée sur un arbre de turbine. Cette transmission mécanique, qui comprend un ensemble de pignons logés dans un carter, est dénommée boîte de transmission ou boîte de relais d'accessoires. Les accessoires comprennent notamment diverses pompes pour la production d'énergie hydraulique, l'alimentation en carburant, la lubrification, ainsi qu'un ou plusieurs S/G électriques. Lorsque la turbine à gaz est en fonctionnement, le ou chaque S/G fonctionne comme un générateur électrique et produit une tension électrique qui alimente un ou plusieurs centres de distribution d'énergie électrique pour l'avion ou l'hélicoptère et son ou ses moteurs. Lorsque la turbine à gaz est à l'arrêt, un S/G peut fonctionner comme démarreur en étant alimenté par une source d'énergie extérieure afin de mettre en route la turbine à gaz par mise en rotation de l'arbre de turbine auquel la boîte de transmission est connectée. Un S/G de type connu comprend une génératrice synchrone principale avec un rotor principal et un stator principal, et une excitatrice ayant un induit au rotor et un inducteur au stator. L'induit de l'excitatrice alimente le rotor principal de la génératrice synchrone à travers un pont redresseur à diodes tournantes. En mode génération d'énergie électrique, l'induit de la génératrice synchrone produit une tension alternative par suite de l'entraînement en rotation de l'inducteur alimenté par un courant continu délivré par le pont de diodes de l'excitatrice, la fréquence de la tension alternative produite étant variable en fonction de la vitesse de rotation. En mode démarrage, le rotor principal alimenté par l'excitatrice et le stator principal alimenté par une tension alternative à partir d'une source externe fonctionnent comme un moteur synchrone. Un tel S/G est un équipement relativement volumineux qui est habituellement monté dans un carter particulier sur un côté de la boîte de transmission et qui est mécaniquement relié à celle-ci. Il en résulte un encombrement et une masse importants, d'autant que plusieurs S/G peuvent être montés sur une même boîte de transmission. Objet et résumé de l'invention L'invention a pour but de proposer un montage d'un S/G sur une boîte de transmission d'une turbine à gaz qui permette une réduction importante du volume et de l'encombrement. Ce but est atteint grâce à un ensemble comprenant une boîte de transmission destinée à être couplée mécaniquement à un arbre de turbine dans une turbine à gaz et au moins un démarreur/générateur couplé mécaniquement à un pignon de la boîte de transmission, le démarreur/générateur comprenant une génératrice synchrone avec un rotor formant inducteur et un stator formant induit, et une excitatrice ayant un stator formant inducteur et un rotor formant induit relié à l'inducteur de la génératrice, ensemble dans lequel le rotor de la génératrice et le rotor de l'excitatrice sont montés sur un arbre commun avec un pignon de la boîte de transmission, et la boîte de transmission et le démarreur/générateur sont logés dans un carter commun. Un tel montage apporte une économie substantielle de masse puisque l'on peut se passer d'un carter distinct pour le S/G et d'une liaison mécanique particulière de celui-ci avec la boîte de transmission. En outre, la boîte de transmission et le S/G pourront partager les mêmes moyens de lubrification. Avantageusement, la génératrice synchrone et l'excitatrice sont situées de part et d'autre du pignon. Par rapport à un montage du S/G sur un côté de la boîte, une diminution importante de l'encombrement et un meilleur équilibrage des masses sont ainsi obtenus. La liaison entre l'induit de l'excitatrice et l'inducteur de la génératrice synchrone peut alors être réalisée à travers le pignon. L'induit de l'excitatrice étant relié à l'inducteur de la génératrice synchrone par un pont de diodes tournant formant redresseur, les diodes pourront être supportées par le pignon. Avantageusement encore, l'ensemble formé par l'arbre avec le pignon et les rotors de la génératrice et de l'excitatrice peut être désaccouplé de la boîte de transmission par translation parallèlement à l'axe de l'arbre. Il peut en outre être prévu un générateur à aimants permanents ayant un rotor portant des aimants permanents et un stator formant induit, le rotor du générateur à aimants permanents étant monté sur ledit arbre commun avec le pignon. De préférence, le générateur à aimants permanents est monté du même côté du pignon que l'excitatrice, de manière à contribuer à un bon équilibrage des masses. Selon une variante de réalisation, deux démarreurs/générateurs sont prévus qui sont montés sur l'arbre commun avec le pignon, de part et d'autre de celui-ci. L'invention vise aussi une turbine à gaz ayant un ensemble de boîte de transmission-démarreur(s)/générateur(s) tel que défini ci-avant, ainsi qu'un moteur d'avion ou d'hélicoptère équipé d'une telle turbine à gaz. Brève description des dessins Des détails de réalisation seront mieux compris à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma électrique général simplifié d'un démarreur/générateur : - la figure 2 est une vue montrant schématiquement l'implantation d'un démarreur/générateur dans une boîte de transmission de turbine à gaz selon un mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 3 est une vue très schématique montrant une implantation de démarreurs/générateurs dans une boîte de transmission selon un autre mode de réalisation de l'invention. Description détaillée de modes de réalisation La figure 1 montre de façon simplifiée le schéma général d'un démarreur/générateur (S/G) comprenant une génératrice synchrone 10, une excitatrice 20 et un générateur 30 à aimants permanents, ou PMG (pour "Permanent Magnet Generator") dont les parties tournantes ou rotors sont coaxiales et montées sur un même arbre rotatif d'axe A. La génératrice synchrone 10 formant machine principale a un rotor principal formant inducteur 12 et un stator principal formant induit 14. L'excitatrice 20 a un rotor formant induit 22 auquel est relié un pont de diodes tournant 24 formant redresseur, et un stator formant inducteur 26. Le PMG 30 a un rotor 32 portant des aimants permanents 34 et un stator formant induit 36. En mode de génération d'énergie électrique, l'induit 14 de la génératrice synchrone qui est relié au redresseur 24 reçoit du courant continu produit par l'excitatrice et une tension alternative est produite par l'inducteur et est transmise par un harnais 18 sur un bus AC 42 d'un circuit de distribution d'énergie électrique tel qu'un réseau de bord 44 d'un avion ou hélicoptère. Un circuit de régulation 40, ou GCU (pour "Generator Control Unit"), est alimenté par le PMG 30 via un harnais 38. Le circuit 40 reçoit par une ligne 46 une information représentative de la valeur de la tension alternative de sortie produite par la génératrice 10 et commande le courant continu fourni à l'inducteur 26 de l'excitatrice via un harnais 28 afin de réguler l'amplitude de la tension de sortie à une valeur de référence, cette tension ayant une fréquence variable en fonction de la vitesse de rotation de l'arbre A. En mode démarreur, le circuit de régulation 40 est alimenté en tension par une ligne 48 à partir du bus AC 42 (ou d'une autre source), pour assurer son fonctionnement et pour alimenter l'inducteur 26 de l'excitatrice en courant alternatif. Dans le même temps, l'induit 14 est alimenté en courant alternatif par le harnais 18 à partir du bus AC 42 (ou d'une autre source), le fonctionnement étant alors celui d'un moteur synchrone. Un S/G tel que décrit ci-avant, ainsi que son fonctionnement et sa régulation par un GCU, sont de type connu en soi, le PMG, l'excitatrice et la génératrice synchrone formant, en mode de génération de puissance électrique, une succession d'étages avec amplification d'un étage à l'autre. On notera que la présence du PMG n'est pas requise si le circuit de régulation 40 peut être alimenté par ailleurs. On notera aussi que les fonctions du GCU pourraient être intégrées à un circuit de régulation électronique du moteur, ou ECU (pour "Engine Control Unit"). La figure 2 illustre un mode de réalisation d'une intégration, conformément à l'invention, d'un S/G dans une boîte de transmission d'une turbine à gaz. La boîte de transmission 50 comprend un carter 52 renfermant un train d'engrenages et est couplée mécaniquement à un arbre de turbine d'une turbine à gaz 70, telle qu'une turbine de moteur d'avion ou de moteur d'hélicoptère ou encore d'un APU. Le S/G est intégré sur l'un 54 des pignons du train d'engrenages de la boîte de transmission, étant noté qu'un S/G supplémentaire pourra être intégré de la même façon sur un autre pignon. Les parties tournantes de la génératrice synchrone 10, de l'excitatrice 20 et du PMG 30 sont montées sur un arbre 60 commun avec le pignon 54, par exemple formant une seule pièce avec celui-ci. L'arbre 60 est supporté dans le carter 52 par des paliers à roulements 62, 64. La génératrice synchrone 10 est montée d'un côté du pignon 54 tandis que l'excitatrice 20 et le PMG 30 sont montés de l'autre côté, pour limiter le déséquilibre de masses entre les deux côtés du pignon 56. Le rotor principal portant les enroulements de l'inducteur 12 de la génératrice est monté sur l'arbre 60 tandis que le stator principal portant les enroulements de l'induit 14 est fixé au carter 52. Le harnais 18 relié à l'induit 14 traverse le carter 52 de façon étanche pour se prolonger à l'extérieur ou être relié à un bloc de raccordement 56. De façon similaire, le rotor de l'excitatrice 20 portant les enroulements de l'induit 22 est monté sur l'arbre 60 tandis que le stator de l'excitatrice portant les enroulements de l'inducteur 26 est fixé au carter 52. Le pont de diodes tournant 24 formant redresseur est relié, d'une part, à l'induit 22 du côté du pignon 54 où se trouve cet induit et, d'autre part à l'inducteur 12 de la génératrice synchrone de l'autre côté du pignon 54 en passant à travers un passage 54a formé dans le pignon. Les diodes du pont tournant 24 sont avantageusement supportées dans des logements 54b formés sur la face du pignon 54 tournée vers l'excitatrice 20, afin d'assurer un maintien efficace des diodes évitant leur endommagement et celui de leurs connexions par le mouvement de rotation. Le courant d'alimentation de l'inducteur 26 de l'excitatrice est amené par un harnais 23 qui se raccorde à un connecteur 58 fixé sur la surface externe du carter 52 en traversant celui-ci de façon étanche. Dans l'exemple illustré, le PMG est logé dans un évidement axial 66 formé en bout d'arbre 60. Les aimants 34 du PMG sont fixés à la surface interne cylindrique de l'évidement 66 tandis que les enroulements de l'induit 36 du PMG situés en regard des aimants sont supportés par une tige axiale 68 fixée au carter 52. Ce montage du PMG permet de réduire la dimension axiale du S/G et contribue donc à la compacité de l'ensemble, le rotor et le stator de l'excitatrice entourant le PMG. En variante, on pourra bien entendu monter le PMG de façon décalée axialement par rapport à la génératrice avec les aimants fixés à la périphérie de l'arbre 60 et entourés par l'induit du PMG fixé au carter 52. Le courant produit par l'induit 36 est transporté par un harnais 37 qui, comme le harnais 23, se raccorde au connecteur 58 en passant de façon étanche à travers le carter 52. L'ensemble formé par l'arbre 60 avec le pignon 54, le rotor de l'excitatrice 20, le rotor du PMG 30 et le rotor principal de la génératrice synchrone 10 peut être démonté en étant extrait de la boîte de transmission par translation parallèlement à l'axe de l'arbre 60. Dans l'exemple illustré, cette extraction est réalisable à partir du côté de la génératrice synchrone 10. Il est alors souhaitable, pour faciliter cette extraction, que le diamètre externe du rotor de l'excitatrice 20 soit inférieur à la distance minimale entre les dents des pignons qui engrènent avec le pignon 54 (ou, de façon sensiblement équivalente, inférieur au diamètre du pignon 54 au niveau des intervalles entre les dents). De même, il est souhaitable que le diamètre du pignon 54 au niveau du sommet des dents soit inférieur au diamètre intérieur du stator de la génératrice synchrone 10. L'intégration du S/G dans la boîte de transmission apporte non seulement une diminution d'encombrement et de masse mais permet en outre de bénéficier, pour le S/G, des moyens de refroidissement et de lubrification de la boîte de transmission, le refroidissement et la lubrification étant couramment obtenus par création, au moyen d'un ou plusieurs gicleurs, d'un brouillard d'huile à l'intérieur du carter. La figure 3 illustre un mode de réalisation avec deux S/G intégrés sur le même pignon 54 de la boîte de transmission. Dans un souci d'équilibrage de masse, les deux S/G sont disposés sur l'arbre 60 commun avec le pignon 54 de part et d'autre de celui-ci. Sur les figures 2 et 3, de mêmes références désignent des éléments identiques ou des fonctions identiques. La disposition des deux S/G est symétrique par rapport à un plan radial médian du pignon 54. Dans chaque S/G, l'ensemble formé par l'excitatrice 20 et la PMG 30, avec par exemple leur même disposition que dans le cas de la figure 2, est disposé dans le prolongement axial de la génératrice synchrone principale 10. Il n'est pas nécessaire de prévoir de traversée du pignon 54. Les diodes du pont de diodes tournant 24 peuvent être fixées sur l'arbre 60, par exemple maintenues dans un ou des logements 60a formés à la périphérie de l'arbre.15 REVENDICATIONS 1. Ensemble comportant une boîte de transmission (50) destinée à être couplée mécaniquement à un arbre de turbine d'une turbine à gaz et au moins un démarreur-générateur (S/G) couplé mécaniquement à un pignon (54) de la boîte de transmission, le démarreur-générateur comprenant une génératrice synchrone (10) avec un rotor formant inducteur et un stator formant induit, et une excitatrice (20) ayant un stator formant inducteur et un rotor formant induit relié à l'inducteur de la génératrice, caractérisé en ce que le rotor de la génératrice (10) et le rotor de l'excitatrice (20) sont montés sur un arbre (60) commun avec un pignon (54) de la boîte de transmission, et la boîte de transmission et le démarreur-générateur sont logés dans un carter commun (52). 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la génératrice (10) et l'excitatrice (20) sont disposées de part et d'autre du pignon (54). 3. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'induit de l'excitatrice (20) est relié à l'inducteur de la génératrice (10) par 20 une liaison électrique traversant le pignon (54). 4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'induit de l'excitatrice (20) est relié à l'inducteur de la génératrice (10) par l'intermédiaire d'un pont de diodes tournant (24), les diodes étant supportées par le pignon (54). 25 5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'ensemble formé par l'arbre (60) avec le pignon (54) et les rotors de la génératrice (10) et de l'excitatrice (20) peut être désaccouplé de la boîte de transmission par translation parallèlement à l'axe de l'arbre. 30 6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un générateur à aimants (30) permanents ayant un rotor portant des aimants permanents (34) et un stator formant induit, le rotor du générateur à aimants permanents étant monté sur ledit arbre (60) commun avec le pignon (54). 7. Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que le générateur à aimants permanents est monté du même côté du pignon que l'excitatrice. 8. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1, 6 et 7, caractérisé en ce qu'il comprend deux démarreurs-générateurs (S/G, figure 3) montés sur l'arbre (60) commun avec le pignon (54), de part et d'autre de celui-ci. 9. Turbine à gaz ayant une boîte de transmission couplée mécaniquement à un arbre de turbine et au moins un démarreur- générateur, caractérisé en ce que la boîte de transmission et le démarreur-générateur forment un ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Moteur d'avion ayant une turbine à gaz selon la revendication 9. 11. Moteur d'hélicoptère ayant une turbine à gaz selon la revendication 9.