Brevet FR2948151A1 — publié le 20110121

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des turbines à gaz et concerne plus particulièrement la commande d'un démarreur-générateur. Le domaine d'application de l'invention est celui des turbines à gaz pour moteurs d'avions ou d'hélicoptères, ainsi que pour les 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 est dénommée boîte de transmission ou boîte de relais d'accessoires, comprend un ensemble de pignons logés dans un carter et couplés mécaniquement à des accessoires. Ces derniers comprennent notamment diverses pompes pour la production d'énergie hydraulique, l'alimentation en carburant et la lubrification, ainsi que, sur certaines applications, un ou plusieurs démarreurs-générateurs électriques (ou S/G pour � Starter/Generator �). A travers la boîte de transmission, le régime du S/G est en particulier proportionnel au régime de fonctionnement du moteur, le coefficient de proportionnalité correspondant au rapport d'engrènement de la ligne d'engrenages sur la boîte de transmission. 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'aéronef et son ou ses moteurs. Lorsque la turbine à gaz est à l'arrêt ou à faible régime de rotation, 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 la mise en rotation de l'arbre de turbine auquel la boîte de transmission est connectée. Les conditions mécaniques optimales de fonctionnement d'un S/G sont contradictoires selon qu'il fonctionne comme démarreur ou comme générateur. En effet, pour une puissance mécanique donnée, lorsqu'un S/G fonctionne comme démarreur, on cherche à privilégier les vitesses de rotation élevées pour minimiser le couple du S/G tout en assurant un couple suffisant pour permettre le démarrage du moteur. En l'absence d'un changement de rapport d'engrènement, le recours à un rapport privilégiant les vitesses élevées en mode démarreur se traduirait par une forte plage de variation des vitesses en mode générateur, ce qui augmenterait la gamme de fréquence de ce dernier de manière préjudiciable à l'intégration du S/G au réseau de l'aéronef. En particulier, la borne supérieure pourrait être inadmissible (supérieure aux 800 Hz généralement admissibles sur certains avions commerciaux). Le rapport d'engrènement entre l'arbre de turbine et le S/G est par conséquent choisi afin d'offrir un compromis possible entre les fonctionnements du S/G comme démarreur et comme générateur. Sur certains avions commerciaux, le mode générateur conditionne le rapport d'engrènement au détriment du mode démarreur. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un système pour la commande d'un démarreur-générateur permettant de favoriser le couple transmis au moteur lorsque le S/G fonctionne comme démarreur et d'avoir un fonctionnement en vitesse de rotation adapté lorsqu'il fonctionne comme générateur. Ce but est atteint grâce à un système pour la commande d'un démarreur-générateur de moteur d'aéronef, comportant : une boîte de transmission à rapport d'engrènement fixe destiné à être couplé mécaniquement à un arbre de turbine du moteur permettant de démarrer celui-ci ; une boîte de vitesses à rapports d'engrènement multiples couplée mécaniquement à un pignon de la boîte de transmission ; un démarreur-générateur couplé mécaniquement à un pignon de la boîte de vitesses ; et des moyens pour commander un changement du rapport d'engrènement de la boîte de vitesses en fonction du mode de fonctionnement du démarreur-générateur. L'utilisation d'une boîte de vitesses qui est intercalée entre la boîte de transmission à rapport d'engrènement fixe et le démarreur- générateur présente l'avantage de pouvoir utiliser un rapport d'engrènement entre l'arbre de turbine et le démarreur-générateur en mode démarreur et un autre rapport d'engrènement en mode générateur. En particulier, pour démarrer la turbine, le rapport d'engrènement de la boîte de vitesses sera choisi pour être élevé afin de privilégier les couples de rotation entre le démarreur et l'arbre de turbine. Plus tard au cours de la phase de démarrage, lorsque le démarreur-générateur fonctionnera en mode générateur, le rapport d'engrènement de la boîte de vitesses sera changé pour passer à un rapport plus faible pour s'adapter aux vitesses de rotation de fonctionnement du générateur. En fonction du choix du dimensionnement du démarreur- générateur, le bénéfice de la réduction de couple pourra être réalisé, soit entièrement au profit de l'électronique de démarrage ce qui permet d'obtenir un gain de masse sur les harnais et sur l'électronique même, soit entièrement au profit du démarreur-générateur ce qui permet de réduire la masse et l'encombrement de celui-ci, soit au profit à la fois de l'électronique de démarrage et du démarreur-générateur. De plus, l'instant choisi dans le cadre de l'invention pour changer le rapport d'engrènement de la boîte de vitesses peut s'avérer particulièrement avantageux. Ainsi, le changement de rapport d'engrènement de la boîte de vitesses peut être commandé dès qu'un arbre du démarreur-générateur passe de menant à mené vis-à-vis de l'arbre de turbine. En effet, lors de la transition entre les deux modes de fonctionnement du démarreur-générateur lors du démarrage du moteur, l'arbre du démarreur-générateur passe de menant à mené. Cette transition se traduit par un � déchargement � momentanément des pignons de la boîte de transmission, déchargement qui est particulièrement propice à un changement de rapport d'engrènement. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le changement de rapport d'engrènement de la boîte de vitesses peut être commandé dès qu'une commande électrique du démarreur-générateur passe d'un mode de fonctionnement à l'autre. Les moyens pour changer le rapport d'engrènement de la boîte de vitesses peuvent comprendre un circuit électronique qui commande un dispositif d'actionnement de la boîte de vitesses. Dans ce cas, le circuit électronique de régulation du moteur est avantageusement relié à un capteur de vitesse de rotation de l'arbre de turbine. De plus, la boîte de vitesses peut être à engrenages parallèles et le dispositif d'actionnement de la boîte de vitesses peut être un actionneur électrique, hydraulique ou pneumatique. Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, le changement de rapport d'engrènement de la boîte de vitesses est 5 commandé de façon automatique. L'invention a également pour objet un moteur d'aéronef comportant un système pour la commande d'un démarreur-générateur tel que défini précédemment. L'invention a encore pour objet un procédé de commande d'un 10 démarreur-générateur de moteur d'aéronef, le moteur comportant : une boîte de transmission à rapport d'engrènement fixe destiné à être couplé mécaniquement à un arbre de turbine du moteur permettant de démarrer celui-ci ; une boîte de vitesses à rapports d'engrènement multiples 15 couplée mécaniquement à un pignon de la boîte de transmission ; et un démarreur-générateur couplé mécaniquement à un pignon de la boîte de vitesses ; le procédé consistant à changer le rapport d'engrènement de la boîte de vitesses en fonction du mode de fonctionnement du démarreur-20 générateur. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins 25 annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est un schéma fonctionnel de la commande de démarreur-générateur selon l'invention ; - la figure 2 est une courbe montrant un exemple de régime de 30 rotation du rotor d'un démarreur-générateur commandé selon l'invention en fonction du régime de rotation de l'arbre de turbine associé ; et - les figures 3A et 3B montrent de façon très schématique deux exemples de réalisation d'une boîte de vitesses pour l'invention. 35 Description détaillée de modes de réalisation Le procédé et le système de commande d'un démarreur-générateur s'appliquent à tout type de moteur à turbine à gaz équipant les aéronefs, tels que par exemple les avions ou les hélicoptères. Dans le cas décrit ici en liaison avec la figure 1, on s'intéressera plus particulièrement à une turbomachine 10 de type � double corps double flux � pour avion comportant une boîte de transmission 20 (ou AGB pour � Accessory GearBox �) qui sert à l'entraînement d'accessoires de la turbine ou d'équipements annexes, tels que diverses pompes pour la production d'énergie hydraulique, l'alimentation en carburant, la lubrification, etc, et en particulier à l'entraînement d'un démarreur-générateur 30 (ou S/G). De façon connue en soi, la boîte de transmission 20 est à rapport d'engrènement fixe et se compose d'une pluralité de pignons (non représentés) qui sont entraînés en rotation par un arbre de transmission de puissance 21, ce dernier étant couplé mécaniquement à un arbre 12 de la turbine permettant de démarrer cette dernière (typiquement à l'arbre haute-pression de la turbomachine). Le S/G 30 ainsi que son fonctionnement et sa régulation sont de type connu en soi et ne seront pas repris ici. On pourra se référer par exemple à la publication FR 2,897,895 qui en donne une description détaillée. La turbomachine 10 comprend également une boîte de vitesses 40 (ou K) à rapports d'engrènement multiples qui est couplée mécaniquement à un pignon de la boîte de transmission 20 qui est relié à l'arbre 12 de turbine haute-pression de la turbomachine. Des exemples de réalisation d'une telle boîte de vitesses 40 seront donnés ultérieurement en liaison avec les figures 3A et 3B. Le démarreur-générateur 30 est couplé mécaniquement à un pignon de la boîte de vitesses 40. Il est par ailleurs commandé par un contrôleur 50 lui-même relié au circuit 60 de régulation électronique du moteur (ou ECU pour � Engine Control Unit �), l'ECU étant relié à des systèmes avion lui permettant de recevoir les informations nécessaires à la phase de démarrage. Dans l'exemple de réalisation décrit, le changement de rapport d'engrènement de la boîte de vitesses est commandé en fonction du mode de fonctionnement du démarreur-générateur. Ce contrôleur 50 permet notamment (via une ligne 31) de commuter le mode de pilotage du démarreur-générateur, sur ordre de l'ECU, pour passer en mode générateur (la commande pour passer du mode générateur au mode démarreur est bien entendu également possible). Il reçoit par une ligne 32 une information représentative de la valeur du courant de commande du démarreur-générateur 30. Dans un autre mode de réalisation non représenté, la commande de commutation du mode de pilotage du démarreur-générateur peut être redondée avec possibilité d'envoyer le signal de commande directement à partir de l'ECU. La turbomachine 10 comprend encore un contrôleur 70 de la boîte de vitesses 40 qui est relié au contrôleur 50. Ce contrôleur 70 reçoit de la boîte de vitesses via une ligne 41 une information représentative de la valeur du rapport d'engrènement de la boîte de la vitesse. Dans encore un autre mode de réalisation non représenté, le contrôleur 50 gère directement les commandes envoyées au contrôleur 70 de la boîte de vitesses 40 (en fonction de son dimensionnement en mode générateur ou en mode démarreur) et reçoit directement sa commande de l'avion sans passer par l'ECU, De façon connue en soi, l'ECU 60 reçoit via une ligne 61 différentes valeurs représentatives de paramètres de fonctionnement du moteur (notamment le régime de rotation de l'arbre haute-pression 12 de la turbomachine via un capteur de vitesse 62 monté sur cet arbre, la température en sortie de turbine, la pression statique dans la chambre de combustion, etc.) et commande différents organes du moteur (les actionneurs, les injecteurs de carburant, le débit de carburant, etc.). La phase de démarrage de la turbomachine 10, et plus particulièrement la commande du démarreur-générateur au cours de celle-ci, est la suivante. Lors de l'actionnement de la commande de démarrage, l'ECU, qui est relié aux systèmes avion, envoie un ordre au contrôleur 50 du S/G de modifier l'excitatrice de celui-ci pour passer en mode démarreur, et ce dernier envoyant préalablement l'ordre au contrôleur 70 de commande de la boîte de vitesses de passer à un premier rapport d'engrènement ki prédéfini et lançant le démarreur. L'ECU commande ensuite divers organes de la turbomachine, comme par exemple successivement l'allumage des injecteurs de carburant, l'injection de carburant, etc. Dès que la vitesse mesurée de l'arbre haute-pression 12 de la turbomachine devient supérieure ou égale à un seuil S1 prédéfini, l'ECU envoie au contrôleur 50 du S/G ordre de couper le démarreur. Ensuite, dès que le régime de rotation de l'arbre haute-pression 12 dépasse un seuil S2 prédéfini, l'ECU ordonne au contrôleur 50 du S/G de passer en mode générateur, ce dernier demandant au contrôleur 70 de commande de la boîte de vitesse de passer à un second rapport d'engrènement k2 prédéfini (et différent du premier rapport d'engrènement ki), et ordonne ensuite au contrôleur 50 du S/G de modifier l'excitatrice de celui-ci pour passer en mode générateur. La figure 2 représente le régime de rotation du rotor du démarreur-générateur décrit ci-dessus en fonction du régime de rotation de l'arbre haute-pression de la turbomachine au cours du fonctionnement de la turbomachine. Sur cette figure, le point P de la courbe C correspond au changement du rapport d'engrènement de la boîte de vitesses du rapport k1 au rapport k2. Comme représenté sur cette figure, ce changement de rapport intervient lorsque le contrôleur 70 de commande de la boîte de vitesse le commande. La courbe en pointillés prolongeant la courbe C au-delà du point P de changement du rapport d'engrènement de la boîte de vitesse correspond au régime de rotation qu'aurait le rotor du démarreur-générateur si la turbomachine était dépourvue de boîte de vitesse (avec un rapport d'engrènement constant, ce régime de rotation est proportionnel au régime de rotation de l'arbre haute-pression de la turbomachine). Quant au point Nmax, il correspond à un régime de rotation maximum de l'arbre haute-pression. L'analyse de la courbe C permet de tirer plusieurs enseignements de la commande du démarreur-générateur selon l'invention. Le changement de rapport permet de faire fonctionner le démarreur-générateur à plus haut régime en mode démarreur tout en ayant une plage de régime convenable en mode générateur. En l'absence de dispositif de changement de rapport d'engrènement, il faudrait trouver un compromis entre les deux plages de régime. On décrira maintenant en liaison avec les figures 3A et 3B deux modes de réalisation d'une boîte de vitesses pour l'invention. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3A, la boîte de vitesses 40 est du type connu en soi à engrenages parallèles. Elle comprend notamment un manchon à crabots 41 et un moyeu 42 qui sont déplaçables par l'actionnement d'une fourchette 43. Ce manchon à crabots 41 peut venir engrener deux couronnes à crabots 44 et 45 ayant des nombres de dents différents. Ces couronnes 44, 45 sont couplées mécaniquement d'une part à un pignon de la boîte de transmission 20 et d'autre part au rotor du démarreur-générateur 30. Par ailleurs, il est prévu un dispositif d'actionnement 46 de la fourchette 43 de cette boîte de vitesses 40, ce dispositif d'actionnement pouvant être un actionneur électrique, un actionneur hydraulique ou encore un actionneur pneumatique. Quelque soit son mode de réalisation, le dispositif d'actionnement 46 est commandé par le contrôleur K de la boîte de vitesses. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3B, la boîte de vitesses 40' est du type connu en soi à courroie. Elle comprend notamment un premier flasque 41' monté coulissant sur l'arbre 42' qui est couplé mécaniquement à un pignon de la boîte de transmission 20. Ce premier flasque 41' est couplé par friction à un second flasque 43' couplé mécaniquement à l'arbre 42' par l'intermédiaire d'une courroie 44'. Cette courroie est également couplée à deux autres flasques 45', 46' solidaires en rotation d'un arbre 47' qui est couplé mécaniquement au rotor du démarreur-générateur 30. Avec ce type de boîte de vitesses, le rapport d'engrènement entre l'arbre 42' et l'arbre 47' varie en fonction de la distance séparant le premier flasque 41' du second 43'. Le déplacement du premier flasque 41' par rapport au second flasque 43' peut être réalisé à l'aide d'un actionneur électrique, hydraulique ou pneumatique. Dans ce cas, l'actionneur est commandé par le contrôleur K de la boîte de vitesses. Alternativement, ce déplacement du premier flasque 41' par rapport au second flasque 43', et donc le changement du rapport d'engrènement entre l'arbre 42' et l'arbre 47', peut être automatique. A cet effet, comme représenté sur la figure 3B, l'arbre 42' couplé mécaniquement à un pignon de la boîte de transmission 20 porte à son extrémité libre des masselottes 48' sur lesquelles repose le premier flasque 41'. En fonction de la vitesse de rotation de cet arbre 42' (et donc de la vitesse de rotation de l'arbre de turbine couplé à la boîte de transmission), les masselottes, sous l'effet de la force centrifuge de rotation, peuvent pivoter autour de leur axe 49' entraînant ainsi une translation du premier flasque 41' le long de l'arbre 42' dans un sens ou dans l'autre, et donc un changement du rapport d'engrènement entre l'arbre 42' et l'arbre 47'. Quelque soit le mode de réalisation choisi, la boîte de vitesse peut être intégrée au démarreur-générateur, à la boîte de transmission ou même directement au niveau de l'arbre de turbine. Alternativement, elle peut être amovible et positionnée entre la boîte de transmission et le démarreur-générateur. REVENDICATIONS1. Système pour la commande d'un démarreur-générateur de moteur d'aéronef, comportant : une boîte de transmission (20) à rapport d'engrènement fixe destiné à être couplé mécaniquement à un arbre de turbine (12) du moteur permettant de démarrer celui-ci ; une boîte de vitesses (40, 40') à rapports d'engrènement multiples couplée mécaniquement à un pignon de la boîte de transmission ; un démarreur-générateur (30) couplé mécaniquement à un pignon de la boîte de vitesses ; et des moyens pour commander un changement du rapport d'engrènement de la boîte de vitesses en fonction du mode de 15 fonctionnement du démarreur-générateur. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel le changement de rapport d'engrènement de la boîte de vitesses (40) est commandé dès qu'un arbre du démarreur-générateur (30) passe de menant à mené vis-à- 20 vis de l'arbre de turbine (12). 3. Système selon la revendication 1, dans lequel le changement de rapport d'engrènement de la boîte de vitesses (40) est commandé dès qu'une commande électrique du démarreur-générateur (30) passe d'un 25 mode de fonctionnement à l'autre. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens pour changer le rapport d'engrènement de la boîte de vitesses comprennent un circuit (60) électronique qui commande un 30 dispositif d'actionnement (46) de la boîte de vitesses. 5. Système selon la revendication 4, dans lequel le circuit (60) électronique de régulation du moteur est relié à un capteur (62) de vitesse de rotation de l'arbre de turbine. 35 6. Système selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel la boîte de vitesses (40) est à engrenages parallèles. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel le dispositif d'actionnement (46) de la boîte de vitesses est un actionneur électrique, hydraulique ou pneumatique. 8. Système selon la revendication 1, dans lequel le changement de rapport d'engrènement de la boîte de vitesses (40') est commandé de 10 façon automatique. 9. Moteur (10) d'aéronef comportant un système pour la commande d'un démarreur-générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 15 10. Procédé de commande d'un démarreur-générateur de moteur d'aéronef, le moteur comportant : une boîte de transmission (20) à rapport d'engrènement fixe destiné à être couplé mécaniquement à un arbre de turbine du 20 moteur permettant de démarrer celui-ci ; une boîte de vitesses (40, 40') à rapports d'engrènement multiples couplée mécaniquement à un pignon de la boîte de transmission ; et un démarreur-générateur (30) couplé mécaniquement à un 25 pignon de la boîte de vitesses ; le procédé consistant à changer le rapport d'engrènement de la boîte de vitesses en fonction du mode de fonctionnement du démarreur-générateur.