Brevet FR3059043A1 — publié le 20180525

Arrière-plan de l'invention Sur un turbopropulseur classique, l'hélice est entrainée par une turbine à gaz (turbine libre ou turbine liée) via un réducteur, le réducteur placé entre l'hélice et la turbomachine pouvant être de différents types : à train d'engrenages simples, à train d'engrenages composés, à planétaire, épicycloïdal, etc. Les hélices équipant un tel turbopropulseur sont équipées d'un système de dégivrage permettant de décoller la glace s'accumulant sur les pales et nécessitant pour cela une puissance de plusieurs kilowatts délivrée par un réseau alternatif triphasé, les alimentations alternatives monophasées ou continue basse tension étant en effet réservées aux charges de plus faible puissance. La plupart des systèmes de dégivrage actuels sont des systèmes électriques. Des tapis chauffants électriques fixés sur l'intrados et l'extrados de l'hélice, au niveau du bord d'attaque, vont lorsqu'ils sont alimentés en énergie, créer de la chaleur permettant de décoller la glace formée sur l'hélice, qui sera ensuite éjectée par centrifugation. Pour ce faire, il est nécessaire d'alimenter en énergie électrique les tapis fixés sur les pales de l'hélice, via un équipement permettant de transférer cette énergie électrique d'une partie fixe, le moteur, vers une partie tournante, l'hélice. Classiquement, ce transfert tournant de l'énergie électrique est réalisé à l'aide d'un ensemble collecteur plus balais, le transfert étant réalisé par contact entre le collecteur monté sur le capot arrière de l'hélice et constitué d'une ou plusieurs piste(s) en matériau conducteur, typiquement en cuivre, et les balais montés sur le réducteur du moteur et 30 réalisés en un matériau conducteur venant frotter sur la ou les pistes en cuivre. Une variante de ce montage est illustrée par le brevet EP 2730506 délivré à la société Hamilton Sundstrand, avec un montage des équipements nécessaires au transfert tournant (balais et collecteur) à l'arrière du réducteur et non entre le réducteur et l'hélice comme réalisé 35 classiquement. Cette solution présente toutefois de nombreux inconvénients liés essentiellement aux frottements des balais sur les pistes du collecteur, 3059043 2 source importante d'usure de ces balais. Cette usure rapide impose donc des opérations de maintenance régulière puis de remplacement dont la méconnaissance a pour conséquence de rendre peu fiable le système. De plus, les balais sont exposés à des projections d'huile, des 5 particules de poussière (dont des particules externes comme le sable, etc.) pouvant générer des arcs électriques au niveau du contact de nature à initier la combustion d'éléments inflammables constituant le panneau arrière de l'hélice (pouvant contenir du magnésium) et engendrer un départ feu pouvant entrainer jusqu'à la perte de la turbomachine. 10 Aussi, il est connu par le brevet US 5,572,178 d'intégrer un transformateur tournant monophasé sur l'arbre moteur d'un aéronef, afin de réaliser un transfert tournant sans contact pour alimenter un système de dégivrage électrothermique ou électromécanique de moyenne puissance (de 300W à 500W par pale). Toutefois, une telle solution n'est 15 pas adaptée dans le cas des systèmes purement électriques nécessitant des transferts de puissance électrique de l'ordre de 1kW par pale. Dans ce cas, en effet, il est nécessaire de recourir à un transformateur triphasé, ce qui reviendrait à disposer cote à cote trois transformateurs tournant monophasés avec les inconvénients suivants : 20 - le transformateur ainsi constitué serait encombrant en longueur, le rendant difficilement intégrable sur un arbre de la turbomachine sans en modifier les dimensions, ce qui a un impact global sur la longueur du moteur (impliquant une augmentation de la masse et des difficultés d'intégration sur 25 l'avion), - la masse d'un tel transformateur serait nécessairement élevée, et elle augmente avec le diamètre interne de celui-ci, et - monté en extrémité d'arbre donc en « porte à faux » sur un arbre pouvant subir des efforts importants, il vient complexifier la dynamique de la ligne d'arbre nécessaire pour garantir un entrefer faible, typiquement inférieur à lmm. Objet et résumé de l'invention L'invention a donc pour but de proposer une intégration d'un transformateur tournant triphasé dans une turbomachine pour assurer le 3059043 3 dégivrage des pales de l'hélice qui permette un transfert sans contact d'une puissance électrique importante et ne nécessite pas ou peu de modifications de structure. Ce but est atteint grâce à une turbomachine comportant un moteur 5 à turbine à gaz entrainant une hélice au travers d'un réducteur, l'hélice comportant une pluralité de pales munie chacune d'un ou plusieurs éléments de dégivrage électrique et étant mise en rotation par un arbre porte-hélice traversant ledit réducteur, caractérisée en ce que, pour délivrer la puissance électrique nécessaire à l'alimentation desdits 10 éléments de dégivrage électrique, elle comprend un transformateur triphasé tournant mis en rotation par ledit arbre porte-hélice et comportant d'une part un rotor monté à l'intérieur dudit arbre porte-hélice et solidaire de manière angulaire avec lui et d'autre part un stator solidaire d'une partie fixe de la turbomachine. 15 Ainsi, en intégrant le transformateur directement dans l'arbre d'hélice, les modifications structurelles de la turbomachine comme les efforts supportés par le transformateur sont limités. Avantageusement, ladite partie fixe de la turbomachine est une partie d'extrémité dudit réducteur opposée à ladite hélice. 20 De préférence, ledit stator est porté par un tube support de même axe que ledit arbre porte-hélice, disposé à l'intérieur de celui-ci et dont une première extrémité formant une bride est fixée à ladite partie d'extrémité du réducteur. Ledit tube support et ladite bride peuvent ou non être formés de deux éléments distincts fixés solidairement l'un à 25 l'autre. La turbomachine peut comporter en outre un palier monté entre ledit tube support et ledit arbre porte-hélice. Ledit palier est avantageusement disposé à une seconde extrémité dudit tube support opposée à ladite première extrémité. 30 Ledit transformateur triphasé tournant peut être un transformateur à flux radial dit « en U » ou un transformateur à flux axial dit « en E ». De préférence, ledit transformateur triphasé tournant est disposé du côté de l'hélice à l'avant dudit arbre porte-hélice. L'invention trouve notamment application sur un turbopropulseur 35 ou une turbosoufflante d'aéronef ou un turbomoteur d'hélicoptère. 3059043 4 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, 5 donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une perspective schématisant une turbomachine aéronautique permettant une mise en oeuvre conforme à l'invention, - les figures 2 et 3 illustrent de façon très schématique l'intégration 10 d'un transformateur triphasé tournant à flux radial à l'intérieur d'un arbre porte-hélice de la turbomachine de la figure 1, et - la figure 4 et le détail de la figure 4A illustrent de façon très schématique l'intégration d'un transformateur triphasé tournant à flux 15 axial à l'intérieur d'un arbre porte-hélice de la turbomachine de la figure 1. Description détaillée de modes de réalisation Le principe de l'invention repose sur une intégration particulière dans un réducteur de turbomachine aéronautique d'un transformateur 20 triphasé tournant à flux radial de type « en U » (nommé TFU dans la suite du document) ou à flux axial de type « en E » (nommé TFE dans la suite du document) tel que décrit par exemple dans les demandes W02013/167827 à W02013/167830, pour le transfert de puissance électrique vers une hélice de turbomachine et permettant pour une même 25 puissance électrique, un gain de masse et d'encombrement par rapport à un transformateur triphasé classique. Comme le montre schématiquement la figure 1, une hélice 10 comportant une pluralité de pales 12 arrangée autour d'un moyeu 14 et comportant chacune un ou plusieurs éléments de dégivrage électrique 12A 30 à 12D est reliée à un réducteur 16 via un arbre porte-hélice 18. Le réducteur est relié à son tour au moteur à turbine à gaz 20 de la turbomachine aéronautique via un arbre moteur 22. Le réducteur assure la conversion de vitesse entre l'hélice disposée à l'avant du réducteur et qui tourne à une vitesse déterminée et le moteur à turbine à gaz monté à 35 l'arrière du réducteur et qui tourne à une vitesse beaucoup plus élevée. Par turbomachine aéronautique, on comprend aussi bien un 3059043 5 turbopropulseur d'aéronef, un turbomoteur d'hélicoptère ou une turbosoufflante préférentiellement à haut taux de dilution. Sur la figure 2, l'arbre porte-hélice 18 montré plus en détail (toutefois les câblages électriques n'ont pas été représentés pour ne pas 5 surcharger la figure) et comportant notamment à une extrémité une bride de fixation 24 à l'hélice 10 est supporté par une paire de paliers 26, 28 dans le réducteur 16 qu'il traverse. Selon l'invention, il est proposé pour délivrer la puissance électrique nécessaire à l'alimentation du ou des éléments de dégivrage électrique de 10 placer le transformateur tournant triphasé à flux radial (TFU 30) à l'intérieur de cet arbre porte-hélice traversant le réducteur, avec un rotor externe 32 fixé sur une paroi interne 18A de l'arbre porte-hélice 18 et placé autour d'un stator interne 34 solidaire d'une partie fixe de la turbomachine constituée d'un arbre avantageusement tubulaire (ou tube 15 support 36) de même axe que l'arbre porte-hélice et dont l'extrémité opposée à la bride de fixation se prolonge à l'arrière du réducteur jusqu'à sa sortie côté moteur. Dans l'exemple schématique illustré, cette extrémité du tube support est formée par une bride 38 formant partie intégrante du tube et reliée fixement à l'arrière du réducteur mais une liaison à tout 20 autre support fixe disponible de la turbomachine est bien entendu envisageable. Un palier 40 est ajouté entre le tube support du stator 36 et l'arbre porte-hélice 18, afin d'améliorer le centrage du transformateur tournant triphasé 30 et limiter les variations d'entrefer. Plusieurs technologies de 25 palier peuvent être envisagées, comme des paliers lisses, des roulements à billes ou à rouleaux, etc. Toutefois, on notera que la nécessité d'ajouter ce palier dépend de la conception de l'ensemble, un montage suffisamment « rigide » permettant de se passer du palier. Le palier peut être ajouté à droite du TFU, coté moteur, ou à gauche, coté hélice à 30 l'extrémité du tube support comme dans l'exemple de la figure 3, afin de ne pas avoir le TFU 30 en porte à faux sur le tube support. Dans cette dernière configuration, la bride 38 et le tube support 36 forment alors deux éléments distincts fixés solidairement entre eux par un moyen de fixation standard de type vis, cannelures ou analogue. 35 Les avantages apportés par cette configuration d'un TFU à l'intérieur de l'arbre porte-hélice 18 sont multiples et notamment : 3059043 6 - une exploitation de l'espace libre non utilisé à l'intérieur de l'arbre porte-hélice, le diamètre de l'arbre étant déterminé par les efforts exercés sur l'hélice, cet espace libre est donc présent quelle que soit l'architecture du réducteur, 5 - une réduction du diamètre du TFU par rapport à une disposition externe, permettant de gagner sur sa masse globale, - une augmentation des performances du TFU par limitation des variations d'entrefer, les mouvements de flexion de 10 l'arbre porte-hélice étant limités du fait d'une absence de montage en « porte à faux » et l'ajout du roulement 40 sur le tube support du stator permet de limiter également les mouvements de flexion de ce tube support. La figure 4 illustre de façon schématique (les câblages électriques 15 ayant pareillement été omis) l'intégration d'un transformateur triphasé tournant à flux axial TFE à l'intérieur de l'arbre porte-hélice 18. L'emplacement du TFE à l'avant de l'arbre porte-hélice (c'est-à-dire côté hélice) est préférable car le volume libre est plus important et présent sur toutes les configurations de réducteur d'hélice. Toutefois, une disposition 20 coté moteur est aussi envisageable sous réserve d'une modification de l'arbre porte-hélice à l'arrière du réducteur comme le montre le détail de la figure 4A. Dans cette configuration, pour intégrer le TFE, il est en effet nécessaire d'augmenter le diamètre de l'arbre porte-hélice 18 (notamment dans sa partie arrière qui peut alors venir en alignement de sa partie 25 avant 18A) et par conséquent le diamètre du roulement 26. En contrepartie, cette configuration présente l'avantage de ne pas nécessiter de tube support 36 ni de roulement 40. Comme dans l'exemple précédent, le transformateur tournant triphasé à flux axial 30 est placé à l'intérieur de l'arbre porte-hélice 18, 30 avec son rotor 32 fixé sur la paroi interne 18A de l'arbre porte-hélice et il est rapporté à l'intérieur de cet arbre porte-hélice une partie fixe 36 supportant le stator 34 de façon à ce que celui-ci soit fixe par rapport au réducteur et au rotor placé en vis-à-vis du stator 34. Dans l'exemple schématique illustré, cette extrémité du tube support est terminée par une 35 bride 38 fixée à l'arrière du réducteur mais une liaison à tout autre support fixe disponible de la turbomachine est bien entendu envisageable. 3059043 7 Un palier 40 peut être monté entre le tube support 36 du stator et l'arbre porte-hélice 18, afin d'améliorer le centrage du transformateur tournant triphasé 30 et limiter les variations d'entrefer. On retrouve les avantages précédents apportés par cette 5 configuration d'intégration dans l'arbre porte hélice à savoir notamment : - exploitation de l'espace libre non utilisé à l'intérieur de l'arbre porte-hélice, - transformateur présentant un diamètre réduit, et - performances du transformateur augmentées par limitation 10 des variations d'entrefer. Avec l'invention, il est proposé une intégration à l'intérieur de l'arbre porte-hélice permettant d'optimiser l'encombrement et la masse du transformateur qu'il soit de type « en U » ou « en E ». REVENDICATIONS1. Turbomachine comportant un moteur à turbine à gaz (20) entrainant une hélice (10) au travers d'un réducteur (16), l'hélice 5 comportant une pluralité de pales (12) munie chacune d'un ou plusieurs éléments de dégivrage électrique (12A -12D) et étant mise en rotation par un arbre porte-hélice (18) traversant ledit réducteur, caractérisée en ce que, pour délivrer la puissance électrique nécessaire à l'alimentation desdits éléments de dégivrage électrique, elle comprend un 10 transformateur triphasé tournant (30) mis en rotation par ledit arbre porte-hélice et comportant d'une part un rotor (32) monté à l'intérieur dudit arbre porte-hélice et solidaire de manière angulaire avec lui et d'autre part un stator (34) solidaire d'une partie fixe de la turbomachine. 15 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite partie fixe de la turbomachine est une partie d'extrémité (16A) dudit réducteur opposée à ladite hélice. 3. Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce que 20 ledit stator est porté par un tube support (36) de même axe que ledit arbre porte-hélice, disposé à l'intérieur de celui-ci et dont une première extrémité formant une bride (38) est fixée à ladite partie d'extrémité du réducteur. 25 4. Turbomachine selon la revendication 3, caractérisée en ce ledit tube support et ladite bride sont formés de deux éléments distincts fixés solidairement l'un à l'autre. 5. Turbomachine selon la revendication 3 ou la revendication 4, 30 caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un palier (40) monté entre ledit tube support et ledit arbre porte-hélice. 6. Turbomachine selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit palier est disposé à une seconde extrémité dudit tube support 35 opposée à ladite première extrémité. 3059043 9 7. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit transformateur triphasé tournant est un transformateur à flux radial « dit en U ». 8. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit transformateur triphasé tournant est un transformateur à flux axial dit « en E ». 9. Turbomachine selon la revendication 7 ou la revendication 8, 10 caractérisée en ce que ledit transformateur triphasé tournant est disposé du côté de l'hélice à l'avant dudit arbre porte-hélice. 10. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle consiste en un turbopropulseur ou une 15 turbosoufflante d'aéronef ou un turbomoteur d'hélicoptère.