Brevet FR2941494A1 — publié le 20100730

TURBOMACHINE A TURBINE DE PUISSANCE EQUIPEE D'UN GENERATEUR ELECTRIQUE DE PUISSANCE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte de façon générale au domaine des turbomachines pour aéronef à générateur électrique de puissance. L'invention concerne tout type de turbomachine dont le récepteur est entraîné par une ou plusieurs turbines de puissance, libres ou liées. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE De l'art antérieur, il est connu d'implanter un générateur électrique sur une turbomachine, dans le but d'alimenter électriquement des équipements à l'aide de la puissance produite. Ces équipements connus peuvent être des équipements électriques de la turbomachine et/ou de l'aéronef. Habituellement, la puissance mecanique nécessaire à la mise en rotation du rotor du générateur électrique est prélevée sur le corps haute pression, et plus précisément sur un arbre radial du compresseur haute pression. Néanmoins, les besoins en puissance électrique devenant de plus en plus conséquents, en particulier en raison de l'électrification des aéronefs et de leurs turbomachines, la puissance mécanique à prélever sur le compresseur haute pression peut devenir 30 critique, car trop importante. En effet, un prélèvement 25 2 excessif de puissance mécanique sur le compresseur haute pression peut affecter l'opérabilité de la turbomachine, les marges de pompage pouvant ne plus être satisfaisantes dans certaines conditions de vol, notamment dans les phases de ralenti de la turbomachine. Cet inconvénient est d'ailleurs encore plus fort lorsque le compresseur est de petit diamètre, ce qui est en particulier le cas sur les turbomachines dites à � open rotor � (à rotor non caréné). EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a donc pour but de remédier au moins partiellement à l'inconvénient mentionné ci-dessus, relatif aux réalisations de l'art antérieur. Pour ce faire, l'invention a pour objet une turbomachine pour aéronef comprenant un générateur de gaz ainsi qu'un récepteur entraîné par turbine libre de puissance, et comportant également un générateur électrique de puissance dont le rotor, centré sur un axe de rotor distinct de l'axe longitudinal de la turbomachine, est entraîné en rotation par ladite turbine libre de puissance, via une transmission mécanique. Ainsi, l'invention est remarquable en ce que le prélèvement de puissance mécanique s'effectue sur la turbine de puissance entraînant le récepteur et alimentée en gaz par le générateur de gaz. Cela diminue fortement, voire éradique entièrement le risque de déséquilibre thermodynamique susceptible de se produire au sein du générateur de gaz. Dans le cas préféré où la turbine de puissance est une turbine libre de puissance, alors le fait que celle-ci soit 3 mécaniquement indépendante du générateur de gaz n'engendre en effet aucun déséquilibre thermodynamique au sein de ce dernier. Effectivement, une augmentation de la puissance totale disponible sur le récepteur, correspondant à la puissance dédiée au générateur électrique et à la puissance dédiée à la poussée, entraîne simplement une augmentation globale des caractéristiques de température et de pression demandées au générateur de gaz. En particulier, les marges de pompage restent satisfaisantes dans toutes les conditions de vol, même dans le cas où le générateur de gaz comprend des composants de petits diamètres, tel que cela est le cas sur les turbomachines dites à � open rotor � constituant une application préférée de la présente invention. De plus, cette implantation particulière du générateur électrique rend celui-ci facilement accessible pour les opérateurs effectuant des opérations de manutention. De préférence, la transmission mécanique est une transmission à engrenages, même si d'autres technologies pourraient être employées, sans sortir du cadre de l'invention. De préférence, ladite transmission mécanique comprend une roue dentée d'entraînement, centrée sur l'axe longitudinal de la turbomachine. De préférence, ledit récepteur comprend une première hélice entraînée par une première turbine de puissance libre, ou liée. Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, ladite roue dentée 4 d'entraînement est fixée sur un carter extérieur de la première turbine de puissance. De préférence, ladite roue dentée d'entraînement coopère avec une portion dentée prévue sur une extension de rotor centrée sur l'axe de rotor. De préférence, ladite première hélice présente un carter d'hélice à partir duquel des pales font saillie radialement vers l'extérieur, et le carter d'hélice se trouve dans la continuité aérodynamique d'une peau extérieure de nacelle de ladite turbomachine, tel que cela est habituellement le cas sur les turbomachines à � open rotor �. Ledit générateur électrique de puissance est préférentiellement du type à flux radial, mais pourrait alternativement être du type flux axial, sans sortir du cadre de l'invention. De préférence, ledit récepteur comprend une seconde hélice entraînée par une seconde turbine de puissance libre, ou liée, les première et seconde hélices étant contrarotatives. Alternativement, les deux hélices pourraient être entraînées dans le même sens de rotation, sans sortir du cadre de l'invention. De préférence, chacune des première et seconde hélices est entraînée par sa turbine de puissance associée, directement ou par l'intermédiaire d'un réducteur, ou de tout autre système mécanique de transmission. De préférence, ledit générateur de gaz est à double corps, et comprend un compresseur haute pression équipé d'un arbre radial entraînant le rotor d'un générateur électrique de puissance additionnel. Par conséquent, la puissance électrique requise est avantageusement produite par au moins deux générateurs distincts, limitant ainsi la puissance totale que chacun d'eux doit fournir. En particulier, le 5 générateur additionnel ne produit de préférence qu'une partie de la puissance électrique requise, de sorte que son implantation n'affecte pas l'opérabilité de la turbomachine. Sa taille peut donc être réduite par rapport à celle des générateurs de l'art antérieur prévus au même emplacement. Enfin, ledit récepteur se situe de préférence en aval du générateur de gaz, donc à l'arrière de la turbomachine, comme cela est généralement rencontré sur les turbomachines à � open rotor �. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ; la figure 1 représente une vue schématique en demi-coupe longitudinale d'une turbomachine pour aéronef, selon un mode de réalisation préféré de la présente invention ; - la figure 2 représente une vue schématique agrandie du générateur électrique de puissance équipant la turbomachine montrée sur la figure 1 ; et 6 - la figure 3 représente une vue similaire à celle de la figure 2, la turbomachine se présentant sous la forme d'une alternative de réalisation. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS En référence à la figure 1, on peut apercevoir une turbomachine 1 du type à � open rotor �, selon un mode de réalisation préféré de la présente invention. Sur les figures, la direction A correspond à la direction longitudinale ou direction axiale, parallèle à l'axe longitudinal 2 de la turbomachine. La direction B correspond quant à elle à la direction radiale de la turbomachine. De plus, la flèche 4 schématise la direction d'avancement de l'aéronef sous l'action de la poussée de la turbomachine 1, cette direction d'avancement étant contraire au sens principal d'écoulement des gaz au sein de la turbomachine. Les termes � avant �, � amont �, � arrière �, � aval � utilisés dans la suite de la description sont à considérer par rapport à ladite direction d'avancement 4. En partie avant, la turbomachine présente une entrée d'air 6 se poursuivant vers l'arrière par une nacelle 8, celle-ci comportant globalement une peau extérieure 10 et une peau intérieure 12, toutes les deux centrées sur l'axe 2 et décalées radialement l'une de l'autre. La peau intérieure 12 forme carter radial externe pour un générateur de gaz 14, comprenant de façon classique, de l'avant vers l'arrière, un compresseur basse pression 16, un compresseur haute 7 pression 18, une chambre de combustion 20, une turbine haute pression 22, et une turbine de pression intermédiaire 24. Le compresseur 16 et la turbine 24 sont reliées mécaniquement par un arbre 26, formant ainsi un corps de faible pression, tandis que le compresseur 18 et la turbine 22 sont reliées mécaniquement par un arbre 28, formant un corps de pression plus élevée. Par conséquent, le générateur de gaz 14 présente de préférence une conception classique, dite à double corps. En aval de la turbine de pression intermédiaire 24 se trouve un récepteur 30 entraîné par turbine libre de puissance. Plus précisément, dans le mode de réalisation préféré décrit, le récepteur comprend deux hélices contrarotatives, la première hélice 32, la plus en amont, étant solidaire en rotation d'une première turbine libre de puissance 34, et la seconde hélice 36 étant solidaire en rotation d'une seconde turbine libre de puissance 38. Si la solution d'un couplage direct a été retenue entre les turbines libres et leurs hélices respectives, conception dite � Direct Drive �, une solution alternative dans laquelle un réducteur serait interposé entre chaque turbine libre et son hélice associée pourrait être envisagée, sans sortir du cadre de l'invention. De même, une solution à une seule hélice est également envisageable. Toujours en référence à la figure 1, on peut apercevoir que la première turbine de puissance 34, disposée en aval de la turbine de pression intermédiaire 24, présente un carter extérieur 40 qui 8 se situe dans le prolongement arrière d'un carter extérieur fixe 42, lui-même agencé dans le prolongement arrière du carter radial externe 12 du générateur de gaz 14. D'ailleurs, les carter 12 et 42 peuvent être réalisés d'une seule pièce. Un flasque ou une pluralité de bras 44 permet de déporter radialement l'hélice 32 vers l'extérieur, le flasque 44 présentant une extrémité radiale interne solidaire du carter extérieur 40 de turbine, et une extrémité radiale externe solidaire d'un carter extérieur d'hélice 46. Les pales 48 font saillie radialement vers l'extérieur à partir de ce carter 46, dont l'une des particularités est de se trouver dans la continuité aérodynamique arrière de la peau extérieure 10 de nacelle. Par ailleurs, la seconde turbine de puissance 38, également disposée en aval de la turbine de pression intermédiaire 24, présente un carter extérieur 50 qui se situe dans le prolongement arrière du carter extérieur 40 de la première turbine. Dans le mode de réalisation préféré représenté, les deux turbines sont en fait imbriquées l'une dans l'autre, les étages de la première turbine étant agencés en alternance avec les étages de la seconde turbine, dans la direction A. Ainsi, les carters intérieurs des deux turbines libres 34, 38 se trouvent également dans le prolongement l'un de l'autre. Un flasque ou une pluralité de bras 52 permet de déporter radialement l'hélice 36 vers l'extérieur, le flasque 52 présentant une extrémité radiale interne solidaire du carter extérieur 50 de 9 turbine, et une extrémité radiale externe solidaire d'un carter extérieur d'hélice 54. Les pales 56 font saillie radialement vers l'extérieur à partir de ce carter 54, qui se trouve dans la continuité aérodynamique arrière du carter extérieur 46 de la première hélice 32. Cette configuration est typique d'une turbomachine à � open rotor �. A titre indicatif, il est rappelé que les turbines libres 34, 38 ne disposent d'aucun lien mécanique direct avec les composants tournants du générateur de gaz, à savoir qu'elles n'entraînent ni ne sont entraînées par les éléments 16, 18, 22, 24. Seuls les gaz s'échappant de la turbine de pression intermédiaire 24 assurent donc la mise en rotation de ces turbines libres 34, 38, montées rotatives sur un arbre fixe 57 de la turbomachine. L'une des particularités de la présente invention réside dans l'implantation d'un générateur électrique de puissance 60, dont l'énergie mécanique est puisée au niveau de la turbine libre de puissance 34, comme cela va maintenant être décrit en référence à la figure 2. Dans ce mode de réalisation préféré, le rotor 62 du générateur prend la forme d'un arbre s'étendant selon un axe de rotor 62' distinct de l'axe 2, de préférence incliné par rapport à ce dernier. Le stator 66 du générateur, dans lequel pénètre le rotor 62, est agencé fixement sur une extrémité arrière du carter extérieur 42, radialement extérieurement par rapport à ce dernier. Dans ce mode de réalisation préféré, les rotor 62 et stator 66, coaxiaux et centrés 10 sur l'axe 62', sont décalés radialement l'un de l'autre, formant ainsi un générateur électrique de puissance à flux radial. Bien entendu, toute conception connue de l'homme du métier peut être employée pour la réalisation de ce générateur à flux radial. Le rotor ou arbre 62, agencé radialement vers l'extérieur par rapport aux carters 40 et 42, est entraîné en rotation autour de son axe 62' par la première turbine libre 34. Pour ce faire, il est employé un système de transmission 80 à engrenages qui comprend tout d'abord une roue dentée d'entraînement 82, centrée sur l'axe longitudinal 2 et fixée sur le carter extérieur 40, les dents faisant saillie radialement vers l'extérieur par rapport à celui-ci. Cette roue 82 s'étend donc sur 360° autour de la turbine libre 34. Elle coopère avec une portion dentée 84 prévue sur une extension de rotor 86 centrée sur l'axe de rotor 62'. De préférence, un unique arbre d'axe 62' constitue le rotor 62 et l'extension 86 intégrant la portion dentée 84, comme cela a été schématisé sur la figure 2. Ainsi, lorsque la turbine libre 34 est mise en mouvement, elle entraîne en rotation avec elle la roue dentée 82 autour de l'axe 2, qui entraîne quant à elle en rotation le rotor 62 autour de son axe 62'. Le générateur 60 est prévu pour alimenter électriquement des équipements électriques de turbomachine et/ou d'aéronef, ces équipements étant connus de l'homme du métier. L'avantage lié à l'emplacement particulier de ce générateur 60 réside dans la grande facilité d'accès pour les opérations de manutention, et dans la non- 11 perturbation de l'équilibre thermodynamique du générateur de gaz 14. A ce titre, il peut néanmoins être prévu, comme cela est connu de l'art antérieur, un générateur électrique de puissance additionnel 70, dont le rotor (non représenté) est entraîné en rotation par un arbre radial 72 solidaire du compresseur haute pression 18, directement ou par l'intermédiaire d'une boite de vitesse ou réducteur 74. Ainsi, la puissance électrique requise peut être prélevée à l'un et/ou l'autre des deux générateurs 60, 70. Enfin, il est noté qu'un ou plusieurs autres générateurs électriques de puissance peuvent être implantés sur la turbomachine, par exemple au niveau de la seconde turbine libre 38. En référence à présent à la figure 3, on peut apercevoir une alternative de réalisation sur laquelle un système de désaccouplement mécanique 90 est interposé entre le rotor 62 et le carter extérieur 42 constituant un élément fixe de la turbomachine. Le système de désaccouplement mécanique 90 permet de désolidariser le générateur électrique de son entraînement. Ainsi, en cas de problème survenant au générateur électrique, par exemple une surchauffe ou un serrage entre rotor et stator, le système 90 permet de ne plus entraîner le générateur. Ce système permet également de donner de la souplesse à la liaison entre l'entraînement et le générateur. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs. REVENDICATIONS1. Turbomachine (1) pour aéronef comprenant un générateur de gaz (14) ainsi qu'un récepteur (30) entraîné par turbine de puissance (34, 38), caractérisée en ce qu'elle comprend un générateur électrique de puissance (60) dont le rotor (62), centré sur un axe de rotor (62') distinct de l'axe longitudinal (2) de la turbomachine, est entraîné en rotation par ladite turbine de puissance (34, 38), via une transmission mécanique (80). 2. Turbomachine (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite transmission mécanique (80) est une transmission à engrenages. 3. Turbomachine (1) selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite transmission mécanique (80) comprend une roue dentée d'entraînement (82), centrée sur l'axe longitudinal de la turbomachine. 4. Turbomachine (1) selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit récepteur (30) comprend une première hélice (32) entraînée par une première turbine de puissance libre (34), et en ce que ladite roue dentée d'entraînement (82) est fixée sur un carter extérieur (40) de ladite première turbine de puissance (34). 5. Turbomachine (1) selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisée en ce que ladite roue dentée d'entraînement (82) coopère avec une portion dentée (84) prévue sur une extension de rotor (86) centrée sur l'axe de rotor (62'). 6. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 4, caractérisée en ce que ladite première hélice (32) présente un carter d'hélice (46) à partir duquel des pales (48) font saillie radialement vers l'extérieur, et en ce que ledit carter d'hélice (46) se trouve dans la continuité aérodynamique d'une peau extérieure (10) de nacelle (8) de ladite turbomachine. 7. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit générateur électrique de puissance (60) est à flux radial. 8. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que ledit récepteur (30) comprend une seconde hélice (36) entraînée par une seconde turbine de puissance libre (38), les première et seconde hélices étant contrarotatives. 9. Turbomachine (1) selon la revendication 8, caractérisée en ce que chacune des première et seconde hélices {32, 36) est entraînée par sa turbine de puissance associée {34, 38), directement ou par l'intermédiaire d'un réducteur. 10 14 10. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit générateur de gaz (14) est à double corps. 11. Turbomachine (1) selon la revendication 10, caractérisée en ce que le générateur de gaz (14) comprend un compresseur haute pression (18) équipé d'un arbre radial (72) entraînant le rotor d'un générateur électrique de puissance additionnel (70). 12. Turbomachine (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit rotor du générateur électrique est équipé d'un système de désaccouplement mécanique (90). 15