Brevet FR3105299A1 — publié le 20210625

La présente invention concerne une turbomachine (200) pour un aéronef comportant : des compresseurs basse pression BP (204) et haute pression HP (205) formant une veine d’écoulement d’air pressurisé, et un dispositif d’électronique de puissance (100) situé hors veine, ledit dispositif comprenant : un boitier (110) à l’intérieur duquel est disposé un convertisseur électronique de puissance (111), comportant au moins un module de puissance (111a), et un capteur de pression (123); des moyens d’arrivée (121) et de sortie d’un flux d’air (131b) du boitier (110), les moyens d’arrivée d’un flux d’air (121) permettant le prélèvement d’air au niveau d’au moins un des compresseurs; et un module de compression (122) configuré pour faire varier les débits d’air en entrée et en sortie du boitier (110) pour réguler la pression interne du boitier (110) à une valeur de pression environ supérieure à 0,8 atmosphère. Figure pour l’abrégé : Fig. 3 Dispositif d’électronique de puissance pour un aéronef DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L’invention concerne le domaine de l’électronique de puissance. L’invention a plus particulièrement pour objet une turbomachine pour un aéronef comprenant un dispositif d’électronique de puissance configuré pour être positionné dans une zone non pressurisée de l’aéronef. Dans le cadre de l’hybridation des moteurs d’avion et de la propulsion hybride, il est nécessaire d’avoir des convertisseurs de puissance électroniques de forte puissance, et pour des raisons d’optimisation de la masse globale du système, il est intéressant de pouvoir installer ces convertisseurs en zone moteur. L’électrification des équipements embarqués en aéronautique et l’implantation de moteurs électriques dans les zones non pressurisées d’un aéronef entrainent également le besoin de pouvoir installer les électroniques de puissance dans des zones non pressurisées. En outre, l’augmentation des puissances électriques installées nécessite d’utiliser des niveaux de tension de plus en plus élevés (allant de 900V, en passant par 1500V, et jusqu’à 3000V) afin de limiter l’impact de l’augmentation de la puissance sur la masse des conducteurs. Ces évolutions de configuration des électroniques de puissance, dans le cadre de l’hybridation des moteurs d’avion et de la propulsion hybride, posent des problèmes associés au risque d’apparition de décharges partielles et au risque de claquage diélectrique dans les convertisseurs. De tels risques sont liés à la basse pression et aux tensions élevées, comme cela peut être évalué sur la courbe C1 théorique de Paschen pour l’air, illustrée en figure 1, représentant la tension de claquage en fonction du produit pression distance. La loi de Paschen indique que l'apparition d'un arc électrique (décharge électrique) dans un gaz, à un certain champ électrique de claquage, est une fonction généralement non linéaire du produit de la pression du gaz par la distance entre des électrodes. De la sorte, aujourd’hui, les électroniques de puissance utilisées dans les applications aéronautiques travaillent avec des niveaux de tension limités pour éviter les phénomènes de claquage d’isolation et de décharges partielles, et sont le plus souvent installées en zone pressurisée. Ainsi, les solutions actuelles utilisées consistent généralement à limiter le niveau de tension utilisé dans les applications aéronautiques (28V, puis 115Vrms et 270VDC qui sont en dessous de la tension d’apparition des décharges partielles), avant de passer à 230V efficace en alternatif, 540V DC en continu) et à placer de préférence les électroniques de puissance dans les zones pressurisées. D’autres solutions existantes pour éviter les décharges partielles ou les claquages dans les électroniques de puissance haute-tension (applications terrestre) consistent par exemple à venir déposer un film isolant de manière uniforme et continue sur l’électronique (exemple : dépôt d’un film de parylène sous vide après évaporation et transformation d’un précurseur). Une autre solution consiste à avoir une maitrise très précise des distances, des formes et des états de surface, pour éviter les effets de pointe et assurer que les conditions entrainant une décharge partielle seront évitées lors de l’utilisation du convertisseur électronique de puissance. D’autres solutions technologiques utilisées dans le ferroviaire ou dans les applications marines pour les convertisseurs de puissance comparables ne sont pas transposables au domaine de l’aéronautique, car elles ne sont pas soumises aux mêmes contraintes de masse et de pression. Les solutions d’électroniques de puissance mises en œuvre actuellement dans les zones non pressurisées sont très limitées en puissance et fonctionnent généralement avec des tensions 115V AC ou 270V DC. Il existe donc un besoin d’améliorer les solutions existantes pour faire fonctionner des électroniques de puissance dans des applications aéronautiques en zone non pressurisée, à des niveaux de tension importants, par exemple compris entre 540V et 3000V. La présente invention se rapporte selon un premier aspect à une turbomachine pour un aéronef comportant : des compresseurs basse pression BP et haute pression HP formant une veine d’écoulement d’air pressurisé, et un dispositif d’électronique de puissance situé hors veine, ledit dispositif comprenant : un boitier à l’intérieur duquel est disposé un convertisseur électronique de puissance, comportant au moins un module de puissance, et un capteur de pression; des moyens d’arrivée et de sortie d’un flux d’air du boitier, les moyens d’arrivée d’un flux d’air permettant le prélèvement d’air au niveau d’au moins un des compresseurs; et un module de compression configuré pour faire varier les débits d’air en entrée et en sortie du boitier pour réguler la pression interne du boitier à une valeur de pression environ supérieure à 0,8 atmosphère. Avantageusement, le dispositif électronique de puissance de la turbomachine permet de faire fonctionner des électroniques de puissance dans des applications aéronautiques en zone non pressurisée, à des niveaux de tension compris entre 540V et 3000V, en utilisant un boitier pressurisé qui permet d’augmenter la tension de claquage dans le boitier par comparaison à la tension de claquage pour une électronique de puissance dans une zone non pressurisée. Avantageusement, le dispositif permet également de limiter les distances d’isolement nécessaires, ce qui permet d’accéder à des solutions plus compactes pour ces électroniques de puissance. Ainsi, il est possible d’effectuer l’installation d’électroniques de fortes puissances dans des zones non pressurisées, et ainsi de les positionner à des endroits permettant d’optimiser le câblage ou de limiter les perturbations électromagnétiques. D’autre part, l’utilisation de niveaux de tension plus élevés, entre 500V et 3000V, permet d’accéder à une réduction de la masse des câblages, ce qui est une condition pour optimiser le transport de l’énergie électrique dans les réseaux électriques aéronautiques lorsque la puissance électrique augmente. Avantageusement, mais facultativement, la turbomachine selon l’invention peut en outre comprendre au moins l’une des caractéristiques suivantes : les moyens d’arrivée d’un flux d’air sont configurés pour prélever de l’air au niveau de la sortie du compresseur HP à partir d’un circuit d’air existant ; les moyens d’arrivée d’un flux d’air sont configurés pour prélever de l’air au niveau de la sortie du compresseur HP en utilisant une vanne contrôlée électriquement ; les moyens d’arrivée d’un flux d’air comprennent un premier port de prélèvement en sortie du compresseur BP associé à un second port de prélèvement situé sur le compresseur HP équipé d’un système de gestion du prélèvement ; le système de gestion du prélèvement comporte au moins une vanne contrôlée électriquement, un clapet anti retour, et optionnellement un échangeur ; le système de gestion du prélèvement comporte un moyen de mélange de l’air venant du premier port de prélèvement avec l’air venant du second port de prélèvement, et optionnellement un échangeur ; ladite vanne est adaptée pour contrôler le débit d’air en entrée dudit dispositif d’électronique de puissance ; les moyens de sortie d’un flux d’air du dispositif d’électronique de puissance sont configurés pour conduire au moins une partie du flux d’air dans une veine secondaire de la turbomachine ; les moyens de sortie d’un flux d’air du dispositif d’électronique de puissance sont configurés pour conduire au moins une partie du flux d’air vers les moyens d’arrivée d’air ; les moyens d’arrivée d’un flux d’air du dispositif d’électronique de puissance sont configurés pour conduire un flux d’air issu d’un circuit d'air pressurisé ; les moyens d’arrivée d’un flux d’air du dispositif d’électronique de puissance sont configurés pour conduire un flux d’air issu du compresseur basse pression de la turbomachine. Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un aéronef comprenant une turbomachine et un dispositif électronique de puissance selon l’une des caractéristiques précédemment décrites, ledit dispositif étant disposé dans une zone non pressurisée de l’aéronef. D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d’un mode de réalisation. Cette description sera donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1, présentée ci-avant, illustre une courbe théorique de Paschen selon l’état de l’art ; la figure 2 illustre schématiquement une vue en perspective d’un dispositif d’électronique de puissance selon un mode de réalisation de l’invention ; la figure 3 illustre schématiquement une vue de dessus d’un dispositif d’électronique de puissance selon un mode de réalisation de l’invention ; et les figures 4A, 4B et 4C illustrent schématiquement différentes modes de mise en œuvre d’un dispositif d’électronique de puissance avec une turbomachine d’un aéronef selon l’invention. En référence aux figures 2 et 3, il est illustré un dispositif d’électronique de puissance 100, comportant un boitier 110. A l’intérieur de celui-ci, il est disposé un convertisseur de puissance 111 comportant au moins un module de puissance 111a, adapté à fonctionner à des niveaux de tension compris entre environ 540V et environ 3000V. Le boitier 110 est étanche ou quasi étanche et capable de supporter mécaniquement un différentiel de pression entre une pression interne et externe audit boitier 110 (ordre de grandeur de 0.1 à 10). Ledit boitier 110 est composé par exemple de fibres de carbone. Le boitier 110 comporte une pluralité de connectiques 112 pour le convertisseur de puissance 111 permettant de fournir une puissance électrique à un organe à alimenter à partir d’une puissance électrique d’entrée d’un organe source. Le boitier 110 comporte également une pluralité de connectiques 113 permettant à un organe de contrôle de piloter le convertisseur de puissance 111. Les connectiques 112, 113 peuvent être réalisées en utilisant des connectiques de traversée de parois étanches du boitier 110. Le boitier 110 comporte une première ouverture sur une première face à laquelle est connectée un conduit d’arrivée d’air 121. Le boitier 110 comporte une seconde ouverture, qui comme illustrée en figure 2, peut être disposée sur une seconde face du boitier 110, opposée à la première face, à laquelle est connectée un conduit de sortie d’air 131. Comme illustrée en figure 3, la seconde ouverture peut être également disposée sur la même face comportant la première ouverture., avantageusement, une telle réalisation présente une configuration plus compacte. Le dispositif d’électronique de puissance 100 comporte un module de compression 122 permettant d’imposer à l’intérieur du boitier 110 une pression supérieure à une pression prédéterminée pour laquelle il ne se produit pas de décharge électrique dans le convertisseur électronique de puissance 111, conformément à la loi de Paschen. Avantageusement, pour différentes altitudes de vol, la pression est au moins environ égale à la pression atmosphérique au niveau du sol, par exemple préférentiellement supérieure à environ 0,8 Atm, afin que le boitier soit pressurisé. La pression interne au boitier 110 peut-être également supérieure à la pression atmosphérique au niveau du sol, par exemple allant jusqu’à 2 Atm. Dans le but de réguler la pression interne au boitier 100, ledit boitier 110 comporte un capteur de pression interne 123 connecté à une carte électronique de contrôle 126 du module de compression 122. La carte électronique de contrôle 126 permet de faire varier les débits d’air en entrée et en sortie du boitier 110. Ainsi, le boitier comporte pour la sortie d’air un module de contrôle de débit d’air 132, permettant de réinjecter tout ou partie du flux d’air issu du boitier 110 en entrée dudit boitier 110 par un conduit 131a raccordé au conduit d’arrivée d’air 121. Le module de contrôle de débit d’air 132 est préférentiellement disposé à proximité immédiate de l’ouverture connectée au conduit de sortie d’air 131. La carte de contrôle 126 a également pour fonction d’assurer un flux d’air minimum dans le boitier 110 pour éviter que l’air ne stagne à l’intérieur. Le module de compression 122 peut être disposé à proximité immédiate de l’ouverture du boitier 110 connectée audit conduit d’arrivée d’air 121. Le module de compression 122 peut également comporter un module thermique permettant d’imposer à l’intérieur du boitier 110 une température d’air prédéterminée en entrée dudit boitier 110, préférentiellement celle-ci est comprise entre environ 10 °C et environ 150 °C. Le module de compression 122 peut également comporter un filtre permettant d’éviter la pollution du convertisseur de puissance 111 avec des poussières ou des particules conductrices. Le boitier 110 peut également comporter un module de déshumidification 125 permettant de gérer les risques liés à la condensation de l’eau dans le boitier 110. Dans ce but, le module de déshumidification 125 peut intégrer par exemple une membrane respirante. Dans un mode de réalisation, le module de compression 122 et le module de déshumidification 125 peuvent être combinés en seul module 127 assurant les fonctions de compression, d’échange thermique et de déshumidification de l’air en entrée. Le boitier 110 peut également comporter une embase métallique 141, par exemple en cuivre et/ou aluminium, dont la surface intérieure est utilisée pour fixer les modules de puissance 111a, et dont la surface extérieure est utilisée pour assurer l’échange thermique vers l’extérieur, l’échange thermique pouvant être réalisé par un système de circulation liquide ou par un radiateur avec ailettes pour un échange avec de l’air en convection naturelle ou en convection forcée. Le boitier 110 peut également comporter un système de récupération d’eau 161 comportant un chemin d’évacuation défini par des formes et des pentes adéquates, un système de chicane et une membrane semi étanche, une sortie d’eau pouvant se faire par des évents ou être regroupée avec une sortie d’eau 162 venant du module de déshumidification 125. Le boitier 110 peut également comporter une valve de protection 124 configurée pour s’ouvrir pour laisser l’air s’évacuer en cas de pression trop importante à l’intérieur du boîtier 110, et ainsi limiter la surpression à l’intérieur du boîtier 110. En référence aux figures 4A, 4B, 4C, il est représenté schématiquement une turbomachine 200, destinée à équiper un aéronef et différentes modes de mise en œuvre du prélèvement d’un flux d’air sur ladite turbomachine 200. La turbomachine 200 comprend un arbre moteur 202 sur lequel sont montés successivement une soufflante 203, un compresseur BP (basse pression) 204, un compresseur HP (haute pression) 205. La turbomachine 200 comprend également un carter interne 209 et un carter externe 210. Le carter interne 209 est disposé sur la périphérie du compresseur basse pression 204, et du compresseur haute pression 205. Le volume à l'intérieur du carter interne 209 définit une veine primaire 211. Le carter externe 210 est emmanché sur le carter interne 209 et possède des dimensions permettant d'incorporer à l'intérieur, au niveau de l'entrée du carter externe 210, la soufflante 203 et de définir une veine secondaire 212. La veine secondaire 212 est définie par le volume compris entre le carter interne 209 et le carter externe 210. Dans un premier mode de réalisation illustré en figure 4A, pour assurer l’alimentation en air en entrée du boitier 110, le conduit d’arrivée d’air 121 comprend un premier port de prélèvement 232 en sortie du compresseur HP 205 à partir d’un système de prélèvement d'air « BAS » (Bleed Air System) compris dans le système propulsif (moteur et nacelle) de l'aéronef et visant à prélever l'air sur le compresseur HP 205 pour le délivrer ensuite à l'aéronef ou à l'entrée du moteur. Le port de prélèvement 232 peut également se piquer en sortie du compresseur HP (dans le cas d’un moteur sans prélèvement d'air dit « bleedless »). Une vanne correspondante 233, contrôlée électriquement par la carte électronique de contrôle 126 ou par un boitier de contrôle moteur (FADEC), permet de contrôler le débit d’air en entrée du boîtier 110. Également, un conduit de sortie d’air 131b du boîtier 110 peut permettre de réinjecter un flux d’air dans la veine secondaire 212. Dans un second mode de réalisation illustré en figure 4B, comme dans le premier mode de réalisation pour assurer l’alimentation en air en entrée du boitier 110, le conduit d’arrivée d’air 121 comprend un premier port de prélèvement 232 en sortie du compresseur HP 205 à partir d’un système de prélèvement d'air « BAS » (Bleed Air System) compris dans le système propulsif (moteur et nacelle) de l'aéronef et visant à prélever l'air sur le compresseur HP 205 pour le délivrer ensuite à l'aéronef ou à l'entrée du moteur. Le port de prélèvement 232 peut être également se piquer en sortie du compresseur HP (dans le cas d’un moteur « bleedless »). Une vanne correspondante 233, contrôlée électriquement, permet de contrôler le débit d’air en entrée du boîtier 110. Également, un conduit de sortie d’air 131b du boîtier 110 peut permettre de réinjecter un flux d’air dans la veine secondaire 212. A la différence du premier mode de réalisation, un compresseur complémentaire 250, contrôlé par le boitier de contrôle moteur ou par le compresseur 122, est inséré entre la sortie de la vanne contrôlée 233 et l’entrée du boîtier 110 pour assurer une compression supplémentaire contrôlée. Avantageusement, l’usage du compresseur complémentaire 250 permet d’adapter le prélèvement d’air sur le compresseur HP 205 en fonction des phases de vol et du régime moteur correspondant, permettant ainsi d’optimiser le prélèvement d’air sur le moteur et de ne pas impacter ses performances. Dans un troisième mode de réalisation illustré en figure 4C, le conduit d’arrivée d’air 121 comprend un premier port de prélèvement 234 en sortie du compresseur BP 204, équipé d’un clapet anti-retour 236 et associé à un second port de prélèvement intermédiaire 235 sur le compresseur HP 205 équipée d’une vanne contrôlée électriquement 233 pour contrôler le débit d’air en entrée du boîtier 110. Un système de gestion du prélèvement permet d’assurer la gestion du prélèvement qui peut être un mélange des flux d’air issus du premier et second port de prélèvement, la répartition entre les deux sources d’air pouvant être assurée à l’aide de la vanne 233 et du clapet anti-retour 236, et optionnellement d’un échangeur. Également, un conduit de sortie d’air 131b du boîtier 110 peut permettre de réinjecter un flux d’air dans la veine secondaire 212. Dans ce mode de réalisation, la prise d’air est réalisée de façon à assurer au mieux le fonctionnement du moteur en fonction de ses différentes phases de fonctionnement (accélération, vitesse de croisière, ralentie) en répartissant de façon optimale la prise d’air provenant du compresseur BP 204 et la prise d’air intermédiaire 235 provenant du compresseur HP 205. Dans un mode de réalisation alternatif (non illustré), le conduit d’arrivée d’air 121 peut également conduire un flux d’air issu d’un circuit d’air pressurisé. Ledit circuit est situé dans la turbomachine, en interface entre le circuit d’air principal de la turbomachine et l’entrée d’air du boitier pressurisé. Le dispositif d’électronique de puissance 100 trouve une application particulière dans le domaine de l’aéronautique notamment pour les convertisseurs électroniques de forte puissance entrainant l’utilisation de hautes tensions (entre 500V et 5000V) dans des zones non pressurisées. Ces convertisseurs peuvent être ainsi utilisés dans le contexte d’aéronefs à propulsion électriques ou d’hybridation des moteurs d’avion. Ils peuvent par exemple être utilisés en interface entre un bus continu et un bus alternatif connecté à une machine électrique liée mécaniquement à l’arbre HP ou l’arbre BP d’une turbomachine de l’aéronef. Ils peuvent également être utilisés pour réaliser les transferts d’énergie entre deux bus DC de tensions différentes. Le dispositif d’électronique de puissance 100 permet également l’installation d’électroniques de fortes puissances dans des zones non pressurisées, et ainsi de les positionner à des endroits permettant d’optimiser le câblage ou de limiter les perturbations électromagnétiques. Par comparaison, la localisation de la même électronique en zone pressurisée impose des longueurs de câblages supplémentaires, avec des contraintes de blindage, et l’installation de filtres supplémentaires. En comparaison avec des électroniques de puissance localisées en zone non pressurisée, l’utilisation d’un dispositif d’électronique de puissance 100 permet de concevoir des électroniques fonctionnant à des niveaux de tension plus élevés en gardant les mêmes distances d’isolation, ou fonctionnant aux mêmes niveaux de tension avec des distances d’isolation plus faibles. D’autre part, l’utilisation de niveaux de tension plus élevés, entre 500V et 3000V, permet d’accéder à une réduction de la masse des câblages, ce qui permet d’optimiser le transport de l’énergie électrique dans les réseaux électriques aéronautiques lorsque la puissance électrique augmente. Turbomachine (200) pour un aéronef comportant : des compresseurs basse pression BP (204) et haute pression HP (205) formant une veine d’écoulement d’air pressurisé, et un dispositif d’électronique de puissance (100) situé hors veine ,ledit dispositif comprenant : un boitier (110) à l’intérieur duquel est disposé un convertisseur électronique de puissance (111), comportant au moins un module de puissance (111a), et un capteur de pression (123); des moyens d’arrivée (121) et de sortie d’un flux d’air (131b) du boitier (110), les moyens d’arrivée d’un flux d’air (121) permettant le prélèvement d’air au niveau d’au moins un des compresseurs; et un module de compression (122) configuré pour faire varier les débits d’air en entrée et en sortie du boitier (110) pour réguler la pression interne du boitier (110) à une valeur de pression environ supérieure à 0,8 atmosphère. Turbomachine selon la revendication précédente dans laquelle les moyens d’arrivée d’un flux d’air (121) sont configurés pour prélever de l’air au niveau de la sortie du compresseur HP (205) à partir d’un circuit d’air existant. Turbomachine selon la revendication 1 dans laquelle les moyens d’arrivée d’un flux d’air (121) sont configurés pour prélever de l’air au niveau de la sortie du compresseur HP (205) en utilisant une vanne contrôlée électriquement. Turbomachine selon la revendication 1 dans laquelle les moyens d’arrivée d’un flux d’air (121) comprennent un premier port de prélèvement (234) en sortie du compresseur BP (204) associé à un second port de prélèvement situé sur le compresseur HP (205) équipé d’un système de gestion du prélèvement. Turbomachine selon la revendication 4, dans laquelle le système de gestion du prélèvement comporte au moins une vanne contrôlée électriquement, un clapet anti retour, et optionnellement un échangeur. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 4 à 5, dans laquelle le système de gestion du prélèvement comporte un moyen de mélange de l’air venant du premier port de prélèvement (234) avec l’air venant du second port de prélèvement, et optionnellement un échangeur. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 4 à 6 dans laquelle la vanne est adaptée pour contrôler le débit d’air en entrée dudit dispositif d’électronique de puissance (100). Turbomachine (200) selon l’une des revendications précédentes dans lequel les moyens de sortie d’un flux d’air (131b) du dispositif d’électronique de puissance (100) sont configurés pour conduire au moins une partie du flux d’air dans une veine secondaire (212) de la turbomachine (200). Turbomachine (200) selon l’une des revendications précédentes dans lequel dans lequel les moyens de sortie d’un flux d’air (131a) du dispositif d’électronique de puissance (100) sont configurés pour conduire au moins une partie du flux d’air vers les moyens d’arrivée d’un flux d’air (121). Turbomachine (200) selon l’une des revendications précédentes dans lequel les moyens d’arrivée d’un flux d’air (121) du dispositif d’électronique de puissance (100) sont configurés pour conduire un flux d’air issu d’un circuit d'air pressurisé. Turbomachine (200) selon l’une des revendications précédentes dans lequel les moyens d’arrivée d’un flux d’air (121) du dispositif d’électronique de puissance (100) sont configurés pour conduire un flux d’air issu du compresseur basse pression (204) de la turbomachine (200). Aéronef comprenant une turbomachine (200) selon l’une des revendications précédentes, ledit dispositif électronique de puissance (100) étant disposé dans une zone non pressurisée durant une phase de vol dudit aéronef.