Brevet FR3099209A1 — publié le 20210129

Description Titre de l'invention : DISPOSITIF D'ENTRAINEMENT D'UNE GÉNÉRATRICE D'UNE TURBOMACHINE D'AÉRONEF ET PROCÉDÉ DE RÉGULATION DE LA VITESSE D'UNE TELLE GÉNÉRATRICE Domaine technique de l'invention [0001] L'invention se rapporte au domaine des turbomachines, et plus précisément à un dispositif d'entrainement d'une génératrice intégrée d'une turbomachine à partir d'un boîtier de relais d'accessoires de la turbomachine. L'invention concerne également un procédé de régulation de la vitesse de la génératrice intégrée de la turbomachine. Arrière-plan technique [0002] De façon connue, une turbomachine installée sur un aéronef est équipée d'une gé- nératrice intégrée (également connue sous l'acronyme 1DG de l'expression anglaise « Integrated Drive Generator ») configurée pour délivrer une puissance électrique à une fréquence constante, par exemple une puissance électrique de 115 V en courant alternatif triphasé à 400 Hz. [0003] La génératrice est conçue pour recevoir de l'énergie mécanique par la rotation de son arbre d'entrée à différentes vitesses de rotation, et pour transformer cette énergie mécanique en énergie électrique. En général, la génératrice est entrainée par un arbre de sortie d'un boîtier de relais d'accessoires (également connu sous l'acronyme AGB de l'expression anglaise « Accessory Gcar Box ») de la turbomachine. La vitesse de rotation de l'arbre d'entrée de la génératrice et la vitesse de sortie du boîtier de relais d'accessoires sont donc liées par un rapport de réduction fixe aux vitesses variables de la turbomachine. Pour obtenir une fréquence constante, la génératrice doit être entrainée à une vitesse constante. [0004] Pour cela, un dispositif de commande de la vitesse entre l'arbre de sortie du boîtier de relais d'accessoires et l'arbre d'entrée de la génératrice peut être installé, afin de maintenir une vitesse constante de l'axe de rotation de la génératrice. [0005] En particulier, une génératrice délivrant une puissance électrique à une fréquence constante est traditionnellement équipée d'un dispositif hydromécanique à différentiel pour assurer un réglage de la vitesse constante de la génératrice. [0006] Le dispositif de commande de la vitesse est généralement constitué d'un moteur hy- draulique à cylindrée fixe. La vitesse du moteur hydraulique est pilotée par une boucle de régulation en pression. Le transfert de la puissance hydraulique est réalisé par un moteur hydraulique à cylindrée variable, où la cylindrée est ajustée pour assurer la 2 conservation de débit entre les deux équipements. Pour la régulation en pression, le système hydraulique est équipé d'un régulateur en pression dissipatif. [0007] Toutefois, la puissance mécanique prélevée sur le boîtier de relais d'accessoires n'est pas égale à la puissance délivrée par la génératrice. [0008] De plus, le dispositif hydromécanique présente des inconvénients. En particulier, le rendement global du moteur hydraulique à cylindrée fixe ou variable est faible, et notamment proche de 80%, du fait de fuites internes et de frottements. De plus, il y a des pertes de charges au niveau du dispositif hydraulique pilotant le moteur hydraulique à cylindrée variable et des pertes dissipativcs au niveau du régulateur de pression pilotant la vitesse du moteur hydraulique à cylindrée fixe. En outre, le fonctionnement réversible dans les deux quadrants (vitesse positive et négative, moteur/ générateur) ne permet pas une optimisation en terme de rendement, et de ce fait, le rendement est inférieur à 80%. Cc dispositif hydromécanique est également peu fiable car l'ajustement de la vitesse de la génératrice implique un fonctionnement des moteurs hydrauliques dans une large gamme de vitesse. Ainsi, à basse vitesse ou à haute vitesse, les rendements sont affectés et le risque d'usure est plus important. [0009] L'invention a pour objectif de proposer une solution permettant de remédier à au moins certains de ces inconvénients. Résumé de l'invention [0010] A cet effet, l'invention concerne un dispositif d'entrainement d'un arbre d'entrée d'une génératrice intégrée d'une turbomachine d'aéronef à partir d'un arbre de sortie d'un boîtier de relais d'accessoires de la turbomachine, caractérisé en cc que le dispositif d'entraincment comprend : [0011] des premier et deuxième moteurs électriques, des moyens de commande configurés pour commander lesdits premier et deuxième moteurs électriques, lesdits premier et deuxième moteurs électriques étant agencés pour transférer de la puissance électrique de l'un à l'autre, et un réducteur à train épicycloïdal comprenant trois éléments, un planétaire central, une couronne externe et un porte-satellites dont les satellites s'engrènent avec ledit planétaire et ladite couronne, lesdits trois éléments étant mobiles en rotation autour d'un axe du réducteur, un premier desdits trois éléments étant destiné à être couplé à l'arbre de sortie du boîtier de relais d'accessoires, un deuxième desdits trois éléments étant destiné à être couplé à l'arbre d'entrée de la génératrice, un troisième desdits trois éléments étant entrainé en rotation par ledit premier moteur électrique, [0012] et dans lequel lesdits moyens de commande sont configurés pour modifier la vitesse 3 de rotation du troisième desdits trois éléments de manière à ce que le deuxième desdits trois éléments soit entrainé en rotation à une vitesse constante. [0013] La vitesse de rotation de l'arbre d'entrée de la génératrice intégrée étant géné- ralement variable, afin d'ajuster la vitesse de sortie de la génératrice à une valeur constante, le dispositif d'entrainement comporte un réducteur à train épicycloïdal pour intégrer un degré d'adaptation supplémentaire. La transmission par le réducteur à train épicycloïdal permet de relier l'axe entrainé par le boîtier de relais d'accessoires, à la génératrice et au premier moteur électrique, et ainsi d'ajuster la vitesse de la génératrice à une valeur constante. Le réducteur à train épicycloïdal se comporte comme un différentiel, et permet de lier ces trois équipements et de moduler la vitesse de l'arbre d'entrée de la génératrice. [0014] Ainsi, le pilotage de la vitesse du premier moteur électrique permet d'assurer une vitesse constante de sortie de la génératrice pour une vitesse d'entrée du côté du boîtier de relais d'accessoires. [0015] Le deuxième moteur électrique permet d'assurer le transfert de puissance électrique avec le premier moteur électrique. [0016] Le dispositif d'entraincment selon l'invention est avantageusement purement électrique et incorpore un transfert de puissance électrique entre les premier et deuxième moteurs électriques, ce qui permet de supprimer les pertes dissipativcs présentes dans les dispositifs d'entrainement selon l'art antérieur. [0017] La vitesse de sortie de la génératrice est avantageusement maintenue constante sans prélèvement de puissance additionnelle à l'arbre de sortie du boîtier de relais d'accessoires de la turbomachine. Ainsi, la puissance prélevée à l'arbre de sortie du boîtier de relais d'accessoires est intégralement transformée en puissance électrique. [0018] Le dispositif d'entrainement selon l'invention permet de travailler dans les deux quadrants, sans pénalisation en termes de rendement des moteurs électriques. [0019] De plus, le dispositif d'entrainement est fiable, notamment grâce à la redondance des moteurs électriques, contrairement aux dispositifs selon l'art antérieur dans lesquels redondance hydraulique n'est pas concevable techniquement. [0020] En outre, le nombre de composants du dispositif est limité, le dispositif d'entrainement ne comprenant pas de dispositif de régulateur de pression, ni de dispositif de régulateur de cylindrée comme dans l'art antérieur. [0021] Le premier moteur électrique peut être un moteur/générateur apte à fonctionner sans transfert de puissance avec un second moteur. En particulier, le premier moteur électrique peut être équipé d'une batterie. [0022] De préférence, les premier et deuxième moteurs électriques sont asynchrones. [0023] Le dispositif d'entrainement peut comprendre au moins un convertisseur de puissance réversible agencé entre les premier et deuxième moteurs électriques de manière à transférer de la puissance électrique de manière réversible de l'un à l'autre. [0024] Selon un premier mode de réalisation, le premier des trois éléments est le porte- satellites accouplé au boîtier de relais d'accessoires (i.c. à l'AGB), le deuxième desdits trois éléments est la couronne accouplée à la génératrice, et le troisième desdits trois éléments est le planétaire accouplé au premier moteur électrique. Dans cette configuration, le deuxième desdits trois éléments peut également être couplé au deuxième moteur électrique. [0025] Selon un deuxième mode de réalisation, le premier des trois éléments est le porte- satellites accouplé au boîtier de relais d'accessoires (i.c. à l'AGB), le deuxième desdits trois éléments est la couronne accouplée à la génératrice, et le troisième desdits trois éléments est le planétaire accouplé au premier moteur électrique. Dans cette configuration, le premier desdits trois éléments peut également être couplé au deuxième moteur électrique. [0026] Selon un troisième mode de réalisation, le premier des trois éléments est la couronne accouplée au boîtier de relais d'accessoires (i.e. à l'AGB), le deuxième desdits trois éléments est le porte-satellites accouplé à la génératrice, et le troisième desdits trois éléments est le planétaire accouplé au premier moteur électrique. Dans cette configuration, le premier desdits trois éléments peut également être couplé au deuxième moteur électrique. [0027] L'invention concerne également une turbomachine, notamment d'aéronef, comportant : [0028] un boîtier de relais d'accessoires ayant un arbre de sortie, une génératrice intégrée ayant un arbre d'entrée, [0029] et étant caractérisée en ce qu'elle comporte également un dispositif d'entrainement selon l'invention. [0030] L'invention concerne également un procédé de régulation de la vitesse d'une gé- nératrice intégrée d'une turbomachine selon l'invention dans un aéronef, comprenant une étape de modification de la vitesse du troisième des trois éléments en pilotant le premier moteur électrique au moyen des moyens de commande de manière à ce que le deuxième desdits trois éléments soit entrainé en rotation à une vitesse constante. Brève description des figures [0031] La présente invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d'un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels : [0032] [fig.l] la figure 1 représente très schématiquement une première configuration ci- nématique d'un dispositif d'entraînement d'une turbomachine selon l'invention ; 100331 Ifig.21 la figure 2 représente très schématiquement une deuxième configuration ci- nématique d'un dispositif d'entrainement d'une turbomachine selon l'invention ; [0034] [fig.3] la figure 3 représente très schématiquement une troisième configuration ci- nématique d'un dispositif d'entrainemcnt d'une turbomachine selon l'invention ; et [0035] [fig.4a-4c] les figures 4a, 4h et 4c représentent des vues en éclaté et un schéma d'un réducteur à train épicycloïdal d'un dispositif d'entrainement selon l'invention. [0036] Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différentes mises en oeuvre ont les mêmes références dans les figures. Description détaillée de l'invention [0037] Les figures 1 à 3 représentent une turbomachine 10, comprenant un dispositif d'entrainement 20 selon l'invention. [0038] La turbomachine 10 comporte un boîtier de relais d'accessoires 12 qui est configuré pour être entraîné par un axe moteur. Lc boîtier de relais d'accessoires 12 peut comporter plusieurs trains d'engrenages reliés à des arbres de sortie pour entraîner divers équipements. Ici, un des arbres de sortie 14 du boîtier d'engrenages entraîne, par le dispositif d'entraînement 20, une génératrice intégrée 16. [0039] La turbomachine 10 comporte également la génératrice intégrée 16. La génératrice 16 permet de convertir l'énergie mécanique duc à la rotation de son arbre d'entrée 18 en une énergie électrique. [0040] Lc dispositif d'entrainement 20 comprend un premier moteur électrique 30, et des moyens de commande configurés pour commander le premier moteur électrique 30. Le premier moteur électrique 30 peut être un moteur/générateur. Autrement dit, le premier moteur électrique 30 peut être configuré pour fonctionner en mode générateur en fournissant de l'énergie électrique et pour fonctionner en mode moteur en récupérant de l'énergie électrique. En particulier, le premier moteur électrique 30 peut être équipé d'une batterie. [0041] Lc dispositif d'entrainement 20 comprend un deuxième moteur électrique 40, et des moyens de commande configurés pour commander le deuxième moteur électrique 40. Le deuxième moteur électrique 40 peut être un moteur/générateur. [0042] Les premier et deuxième moteurs électriques 30, 40 sont agencés pour transférer de la puissance électrique de l'un à l'autre. [0043] De préférence, les premier et deuxième moteurs électriques 30, 40, sont asynchrones en courant alternatif. [0044] Le dispositif d'entrainement 20 peut comprendre des convertisseurs de puissance 32, 42 réversibles agencés entre les premier et deuxième moteurs électriques 30, 40 de manière à transférer de la puissance électrique de manière réversible de l'un à l'autre. Plus précisément, le premier moteur électrique 30 est relié à un premier convertisseur 6 de puissance 32, et le deuxième moteur électrique 40 est relié à un deuxième convertisseur de puissance 42, et les premier et deuxième convertisseurs de puissance 32, 42 sont connectés ensemble. Un convertisseur de puissance peut être un onduleur ou un redresseur. [0045] Le dispositif d'entrainement 20 comprend également un réducteur à train épi- cycloïdal 50. Les propriétés du réducteur à train épicycloïdal sont utilisées pour adapter la vitesse de rotation de l'arbre d'entrée 18 de la génératrice 16. [0046] Les figures 4a, 4h et 4c représentent un réducteur à train épicycloïdal 50. [0047] Le réducteur à train épicycloïdal 50 comporte un planétaire central 52A, agencé pour pouvoir tourner autour de l'axe du réducteur à une vitesse de rotation, notée mA, et un porte-satellites 52U agencé pour pouvoir tourner autour de l'axe du réducteur à une vitesse de rotation, notée (DU. [0048] Le réducteur à train épicycloïdal 50 comporte également des satellites 52S qui s'engrènent avec le planétaire central 52A et qui sont portés par un porte-satellites 52U. [0049] Le réducteur à train épicycloïdal 50 comporte également une couronne 52B externe agencée pour pouvoir tourner autour de l'axe du réducteur à une vitesse de rotation, notée (DB, et avec laquelle les satellites 52S s'engrènent également. [0050] Dans le réducteur à train épicycloïdal 50, les trois éléments, à savoir le planétaire central 52A, le porte-satellites 52U et la couronne 52B, sont mobiles en rotation autour de l'axe du réducteur. Par exemple, la couronne 52B est libre de tourner à l'intérieur d'un carter fixe 52C qui est configuré pour protéger le réducteur 50. [0051] Le fonctionnement du réducteur à train épicycloïdal 50 est régi par la formule de Willis Il s'agit d'un mécanisme à deux degrés de liberté, dans lequel la connaissance des vitesses de rotation de deux éléments parmi le planétaire central 52A, le porte-satellites 52U et la couronne 52B, permet le calcul de la vitesse de rotation du troisième élément. [0052] La formule de Willis s'exprime par les équations suivantes : [0053] [Math.i] u)11 k wB - 0)1.1 100541 ou [0055] [Math.2] wA - k x wB + (k - 1) x wU =0 [0056] avec oJA la vitesse de rotation du planétaire central 52A, wU la vitesse de rotation du porte-satellites 52U, wB la vitesse de rotation de la couronne 52B, et le facteur k, également appelé raison, une constante déterminée par la géométrie des engrenages. [0057] Pour le réducteur de la figure 4, le facteur k respecte l'équation suivante : 7 [0058] [Math.3] k= _ 2741ZB [0059] avec ZA le nombre de dents du planétaire central 52A et ZB le nombre de dents de la couronne 52B. Le facteur k est donc négatif avec un module inférieur à 1. [0060] L'arbre de sortie 14 du boîtier de relais d'accessoires 12 est couplé à l'un des trois éléments du réducteur 50, l'arbre d'entrée 18 de la génératrice 16 est couplé à un deuxième élément du réducteur 50, et le premier moteur électrique 30 est couplé au troisième élément du réducteur 50 pour piloter la vitesse de rotation de ce dernier. [0061] Selon l'invention, les moyens de commande sont configurés pour modifier la vitesse de rotation du troisième élément, c'est-à-dire la vitesse de rotation w30 du premier moteur électrique 30, de manière à ce que le deuxième élément, c'est-à-cire la génératrice 16, soit entrainé en rotation à une vitesse constante. [0062] Afin d'obtenir une vitesse de rotation constante de l'arbre d'entrée 18 de la gé- nératrice 16 pour une vitesse de rotation donnée de l'arbre de sortie 14 du boîtier de relais d'accessoires 12, il est possible de faire varier la vitesse de rotation du troisième élément du réducteur 50. [0063] Six combinaisons cinématiques sont possibles pour positionner les trois équipements, à savoir le boîtier de relais d'accessoires 12, la génératrice 16 et le premier moteur électrique 30, par rapport aux trois éléments du réducteur à train épicycloïdal 50. [0064] Lc deuxième moteur électrique 40 est également couplé à l'un des éléments du réducteur 50 qui n'est pas couplé au premier moteur électrique 30. Le deuxième moteur électrique 40 peut être positionné sur l'axe de la génératrice 16 ou sur l'axe du boîtier de relais d'accessoires. [0065] Lc premier moteur électrique 30 et le deuxième moteur électrique 40 comportent chacun un stator et un rotor. Les premier et deuxième moteurs électriques 30, 40 sont pilotables en couple appliqué sur leur rotor et en vitesse de rotation m30, m40 de leur rotor. Le couple et la vitesse de chaque moteur électrique 30, 40 sont alors pilotés par la puissance électrique et la fréquence du courant envoyé par les convertisseurs de puissance 32, 42 dédié à chacun. [0066] Par ailleurs, le deuxième moteur électrique 40 est électriquement lié au premier moteur électrique 30 par l'intermédiaire des convertisseurs de puissance réversibles 32, 42 afin de faire passer de la puissance de l'un à l'autre. [0067] La position du deuxième moteur électrique 40 multiplie par deux le nombre de com- binaisons possibles pour le dispositif d'entrainemcnt 20. On obtient ainsi douze combinaisons répertoriées dans le tableau ci-dessous. [0068] Le tableau 1 indique également la fonction donnant la vitesse de rotation w16 de la génératrice 16 à partir de la vitesse de rotation col2 de l'arbre de sortie 14 du boîtier de 8 relais d'accessoires 12 et de la vitesse de rotation (030 du premier moteur électrique 30. La vitesse de rotation m40 du deuxième moteur électrique 40 est déterminée par la vitesse de rotation de l'équipement avec lequel il est couplé en série sur le réducteur 50, soit l'arbre de la génératrice 16, soit l'arbre de sortie 14 du boîtier de relais d'accessoires 12. Dans ce tableau, l'option 1 correspond aux cas où le deuxième moteur électrique 40 est couplé en série avec la génératrice 16 sur le même élément du réducteur 50, et l'option 2 correspond aux cas où le deuxième moteur électrique 40 est couplé en série avec l'arbre de sortie du boîtier de relais d'accessoires 12 sur le même élément du réducteur 50. [0069] [Tableauxl] Liaison bottier de relais Vitessegénéra,trice Liaison deuxième d'a soi énér icelprernier moteur électrique moteur electrïque Boîtler de relais ear. ire 12 Option :1 Opr. 2 relie au porte-sateflites 52U Premimoteur. électrique 30 Géné rice 15 Couronne 528 Planéta in, 52A cu.:6 =(i:.- k),- 1- k Planétaire 52A Portesat&lites 52U ,/ 30 Pianètaire 52A Couru . le 528 L -k w:ll'° Couronne 528 Porte-satellites 52U wi6 = ttsi.., '. X Boitier de relais c'accessoires 12 Option 1 Omion 2 relié à b couronne 528 M Premier moteur. électrique 30 Porte-ratel ires52U Génératrice Planétaire 52A Couronne 52E 16 Planétaire 52A L°16 r k x 4,-12 t (1- - le) 28 Planétaire 52A Porte- 1-u3l5 Porte:- e satellites 52U iii. 2 - Couronne 52B - Lui_ setell4tes 5.2U t de re d'accessoires 12 Option 1 Option 2 relie. au planétaire 52A Ptemiermoteur électrique 30 Ge ' rice W Couronne 525 Porte- oà12 k Porte- Porte- satellites 52U Plané e satellites 52U coin = L...30 .z. REVENDICATIONSDispositif d'entrainement (20) d'un arbre d'entrée (18) d'une génératrice intégrée (16) d'une turbomachine (10) d'aéronef à partir d'un arbre (14) de sortie d'un boîtier de relais d'accessoires (12) de la turbomachine (10), caractérisé en ce que le dispositif d'entrainement (20) comprend : - des premier et deuxième moteurs électriques (30, 40), - des moyens de commande configurés pour commander lesdits premier et deuxième moteurs électriques (30, 40), lesdits premier et deuxième moteurs électriques (30, 40) étant agencés pour transférer de la puissance électrique de l'un à l' autre, et un réducteur à train épicycloïdal (50) comprenant trois éléments, un planétaire (52A) central, une couronne (52B) externe et un porte-satellites (52U) dont les satellites (52S) s'engrènent avec ledit planétaire (52A) et ladite couronne (52B), lesdits trois éléments étant mobiles en rotation autour d'un axe du réducteur (50), un premier desdits trois éléments étant destiné à être couplé à l'arbre de sortie (14) du boîtier de relais d'accessoires (12), un deuxième desdits trois éléments étant destiné à être couplé à l'arbre d'entrée (18) de la génératrice (16), un troisième desdits trois éléments étant entrainé en rotation par ledit premier moteur électrique (30), [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] et dans lequel lesdits moyens de commande sont configurés pour modifier la vitesse de rotation du troisième desdits trois éléments de manière à cc que le deuxième desdits trois éléments soit entrainé en rotation à une vitesse constante. Dispositif d'entrainement (20) selon la revendication précédente, dans lequel le premier moteur électrique (30) est un moteur/générateur apte à fonctionner sans transfert de puissance avec un second moteur et à être équipé d'une batterie. Dispositif d'entrainement (20) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits premier et deuxième moteurs électriques (30, 40) sont asynchrones. Dispositif d'entrainement (20) selon l'une des revendications pré- 15 [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] cédentes, comprenant au moins un convertisseur de puissance (32, 42) réversible agencé entre lesdits premier et deuxième moteurs électriques (30, 40) de manière à transférer de la puissance électrique de manière réversible de l'un à l'autre. Dispositif d'entrainement (20) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le premier des trois éléments est le porte-satellites (52U) accouplé au boîtier de relais d'accessoires (12), le deuxième desdits trois éléments est la couronne (52B) accouplée à la génératrice (16), et le troisième desdits trois éléments est le planétaire (52A) accouplé au premier moteur électrique (30), et dans lequel le deuxième desdits trois éléments est également couplé audit deuxième moteur électrique (40). Dispositif d'entrainement (20) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le premier des trois éléments est le porte-satellites (52U) accouplé au boîtier de relais d'accessoires (12), le deuxième desdits trois éléments est la couronne (52B) accouplée à la génératrice (16), et le troisième desdits trois éléments est le planétaire (52A) accouplé au premier moteur électrique (30), et dans lequel le premier desdits trois éléments est également couplé audit deuxième moteur électrique (40). Dispositif d'entrainement (20) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le premier des trois éléments est la couronne (52B) accouplée au boîtier de relais d'accessoires (12), le deuxième desdits trois éléments est le porte-satellites (52U) accouplé à la génératrice (16), et le troisième desdits trois éléments est le planétaire (52A) accouplé au premier moteur électrique (30), et dans lequel le premier desdits trois éléments est également couplé audit deuxième moteur électrique (40). Turbomachine (10), notamment d'aéronef, comportant : un boîtier de relais d'accessoires (12) ayant un arbre de sortie (14), une génératrice intégrée (16) ayant un arbre d'entrée (18), [Revendication 9] et étant caractérisée en ce qu'elle comporte également un dispositif d'entrainement (20) selon l'une des revendications précédentes. Procédé de régulation de la vitesse d'une génératrice intégrée (16) d'une turbomachine (10) selon la revendication 8 dans un aéronef, comprenant une étape de modification de la vitesse du troisième des trois éléments en pilotant le premier moteur électrique (30) au moyen des moyens de commande de manière à ce que le deuxième desdits trois éléments soit 16 entraine en rotation à une vitesse constante.