Brevet FR3134078A1 — publié le 20231006

Unité intégrée de transfert de puissance tournant d’une chaîne électrique de dégivrage des pales d’hélice et du cône avant d’une turbomachine Unité intégrée (220) de transfert de puissance tournant d’un circuit électrique de dégivrage de pales (1101, 1102) d’hélice et de cône avant (110) d’une turbomachine comprenant : - un transformateur-tournant (2221) comprenant une partie statique et une partie tournante ; - un convertisseur (2231) de tension continue en tension alternative connecté à sa sortie à la partie statique du transformateur-tournant et destiné à être connecté à son entrée à une alimentation électrique continue (2321), et - un commutateur (2211) de puissance connecté au transformateur-tournant et configuré pour transmettre une puissance électrique à au moins une paire (1101, 1102) de pales d’hélice et au cône avant (110) de la turbomachine. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Unité intégrée de transfert de puissance tournant d’une chaîne électrique de dégivrage des pales d’hélice et du cône avant d’une turbomachine La présente invention se rapporte au domaine général du dégivrage des pales d’hélice et du cône avant d’une turbomachine, et plus particulièrement à la chaîne électrique de dégivrage et au transfert de puissance entre la partie fixe et la partie tournante de la turbomachine. La protection contre le givre des pales d’hélice et du cône avant d’une turbomachine est basée sur un dégivrage électrothermique. Des tapis chauffants composés d’un réseau de résistances sont intégrés aux bords d’attaque des hélices et du cône avant. En présence de conditions givrantes, une couche de givre est laissée volontairement se former sur les bords d’attaque. Puis, les résistances des tapis chauffants sont alimentées pendant une durée définie pour chauffer la surface des hélices et du cône afin de décrocher les couches de givre formées. Avec la rotation des pales et du cône avant, ces couches de givre sont éjectées par effet de la force centrifuge. Les surfaces à dégivrer de la turbomachine sont importantes et nécessitent donc beaucoup de puissance électrique pour alimenter les résistances des tapis chauffants, la puissance dédiée au dégivrage provenant des générateurs de l’avion. La représente un circuit électrique 120 d’un système de dégivrage selon l’art antérieur connecté aux résistances 110 des tapis chauffants et aux alimentations électriques 131, 132 et au système de contrôle 130 de la turbomachine. Le circuit électrique 120 comprend des convertisseurs de tension continue en tension alternative 123 qui permettent d’alimenter en tension alternative des transformateurs-tournants 122. Afin de limiter la puissance fournie au système de dégivrage et aux autres systèmes non-propulsifs, on alimente les résistances 110 d’une paire de pales d’hélice seulement pendant un temps donné, puis on alimente les résistances de la paire suivante et ainsi de suite, une paire étant formée d’une pale et de son opposée, le tout étant connecté en série avec un secteur du cône avant. L’alternance d’alimentation des résistances 110 des paires de pales est réalisée grâce aux commutateurs 121 placés entre les résistances 110 et les transformateurs-tournants 122. Pour faire fonctionner le circuit électrique 120 du système de dégivrage, des servitudes sont nécessaires, comme par exemple des servitudes pour l’alimentation électrique continue basse tension 142, pour l’alimentation électrique continue haute tension 141 et pour les liaisons de communication 143 entre les éléments 121, 122, 123 du circuit électrique 120 et le système de contrôle 130 de la turbomachine. Cela nécessite d’acheminer de nombreux harnais 141, 142, 143 dans la turbomachine tout en respectant certaines contraintes d’installation, comme des contraintes sur les rayons de courbure des harnais ou sur la distanciation entre les harnais et/ou entre les composants de la turbomachine. Ces contraintes entrainent une augmentation de la masse et du volume de la turbomachine, ainsi qu’une installation et une maintenance complexes du système de dégivrage. Il est donc souhaitable de disposer d’un système électrique de dégivrage répondant aux contraintes d’installation tout en réduisant la masse, le volume et la complexité d’intégration du système de dégivrage. L’invention concerne une unité intégrée de transfert de puissance tournant d’un circuit électrique de dégivrage de pales d’hélice et de cône avant d’une turbomachine comprenant : - un transformateur-tournant comprenant une partie statique et une partie tournante ; - un convertisseur de tension continue en tension alternative connecté à sa sortie à la partie statique du transformateur-tournant et destiné à être connecté à son entrée à une alimentation électrique continue, et - un commutateur de puissance connecté au transformateur-tournant et configuré pour transmettre une puissance électrique à au moins une paire de pales d’hélice et au cône avant de la turbomachine. L’invention permet ainsi de regrouper au sein d’un même équipement, le transformateur-tournant, le commutateur et le convertisseur pour former une unité intégrée de transfert de puissance tournant. Autrement dit, ils sont présents localement à un même endroit dans la turbomachine. L’unité intégrée est ainsi plus compacte et peut être installée dans la turbomachine dans une zone de faible diamètre présentant limitant ainsi les forces d’accélération centrifuges très stressantes et nuisibles pour les composants électroniques. Le fait d’intégrer tous les composants au sein d’un même équipement permet de réduire, voire supprimer de nombreux et longs câbles et harnais entre les équipements du système de dégivrage ainsi qu’une réduction du nombre et de la taille du filtrage des perturbations électromagnétiques (filtre EMI ou CEM). On peut ainsi réduire la masse et le volume du système électrique de dégivrage. De plus, grâce à l’unité intégrée, on peut également mutualiser les ressources, comme le refroidissement et l’alimentation électrique basse tension entre ces trois composants. Cela permet également d’offrir une flexibilité sur l’orientation des connecteurs (orientation axiale ou circulation par exemple) pour faciliter l’acheminement des harnais de puissance depuis l’unité vers les pieds de pales ou le cône avant. Enfin, l’unité intégrée offre une souplesse sur le choix de conception et d’agencement des composants au sein de l’unité pour, par exemple, faciliter la maintenance, améliorer l’efficacité du refroidissement ou les interconnexions entre les composants. Selon une caractéristique particulière de l’invention, l’unité intégrée comprend une première voie électrique comprenant le transformateur-tournant, le convertisseur et le commutateur, et une deuxième voie comprenant un deuxième transformateur-tournant comprenant une partie statique et une partie tournante, un deuxième convertisseur de tension continue en tension alternative et un deuxième commutateur de puissance, le deuxième convertisseur étant connecté à sa sortie à la partie statique du deuxième transformateur-tournant et destiné à être connecté à une alimentation électrique continue et le deuxième commutateur étant connecté au deuxième transformateur-tournant et configuré pour transmettre une puissance électrique à au moins une paire de pales d’hélice et au cône avant de la turbomachine. Le fait d’avoir deux voies électriques redondantes permet d’avoir toujours un système de dégivrage fonctionnel même en cas de panne d’une des voies. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’unité intégrée comprend au moins un convertisseur de tension continue en tension continue connecté en parallèle à chaque convertisseur de tension continue en tension alternative et configuré pour générer une alimentation électrique basse tension. La présence d’un convertisseur de tension continue en tension continue (ou convertisseur DC/DC) permet de générer une tension bas niveau locale (par exemple une tension continue de 28 V), c’est-à-dire au sein de l’unité intégrée. Cela permet, pour chaque voie électrique, de connecter l’unité intégrée à une seule alimentation électrique externe haute tension et de réduire le nombre de câbles entre l’unité et son environnement. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, l’unité intégrée comprend une pluralité de transformateurs-tournants dans chaque voie électrique, et au sein de chaque voie électrique, chaque transformateur-tournant est associé à une paire de pales d’hélice distincte, le convertisseur de tension continue en tension alternative est commun aux transformateurs-tournants de la voie électrique et le commutateur comprend des interrupteurs configurés pour sélectionner un des transformateurs-tournants de la voie électrique. Grâce à cette caractéristique, chaque transformateur-tournant n’est alimenté que pendant le temps d’activation de la paire de pale d’hélice correspondante. Cela permet de pouvoir insérer l’électronique du commutateur entre le convertisseur DC/AC et les transformateurs-tournants et de positionner ainsi le commutateur sur la partie statique de l’unité intégrée supprimant de ce fait le stress de centrifugation sur l’électronique. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, dans chaque voie électrique, le transformateur-tournant et le commutateur de puissance sont combinés. Cela permet de n’avoir qu’un seul transformateur-tournant dans chaque voie électrique capable d’alimenter toutes les paires de pales d’hélices, le transformateur-tournant comprenant au moins autant de sorties que de paires de pales. De plus, on peut également positionner l’électronique du commutateur sur la partie statique du transformateur-tournant. Un autre objet de l’invention est une turbomachine comprenant une unité intégrée de transfert de puissance tournant selon l’invention et un réducteur de vitesse basse pression, l’unité intégrée étant solidaire du réducteur de vitesse basse pression. Le fait d’avoir l’unité intégrée solidaire du réducteur de vitesse basse pression permet d’avoir un système de dégivrage proche du réducteur de vitesse et de proposer un système de dégivrage plus compact, plus performant, moins lourd et ayant une maintenance facilitée, car plus accessible. Selon une caractéristique particulière de l’invention, le réducteur de vitesse basse pression comprend une partie tournante et un arbre fixe, la partie tournante des transformateurs-tournants de l’unité intégrée est solidaire de la partie tournante du réducteur de vitesse basse pression, et la partie statique des transformateurs-tournants, les commutateurs de puissance et les convertisseurs de tension continue en tension alternative de l’unité intégrée sont solidaires de l’arbre fixe du réducteur de vitesse basse pression. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, le réducteur de vitesse basse pression comprend une partie tournante et un arbre fixe, la partie tournante des transformateurs-tournants et les commutateurs de puissance de l’unité intégrée sont solidaires de la partie tournante du réducteur de vitesse basse pression et la partie statique des transformateurs-tournants et les convertisseurs de tension continue en tension alternative de l’unité intégrée sont solidaires de l’arbre fixe du réducteur de vitesse basse pression. Ces deux variantes d’assemblage de l’unité intégrée aux parties fixe (arbre fixe) et tournante du réducteur de vitesse basse pression permettent de supprimer les roulements sur l’unité intégrée et d’améliorer ainsi sa fiabilité et sa durée de vie. Elles permettent également de s’affranchir des effets de balourd et de déplacements en étant proche des paliers du réducteur de vitesse, d’avoir un jeu mécanique réduit entre les parties fixe et tournantes de l’unité intégrée pour avoir un gain de masse, notamment au niveau du transformateur-tournant, un gain de volume et de rendement de tout le système électrique de dégivrage, et enfin d’avoir un équipement accessible et remplaçable sous aile sans outils spécifiques pour faciliter les opérations de maintenance, montage et démontage. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la turbomachine comprend des ailettes présentes sur une surface externe de l’unité intégrée et solidaires de la partie tournante du réducteur de vitesse basse pression. Les ailettes permettent de créer un débit d’air forcé autour de l’unité intégrée permettant de refroidir les composants de l’unité intégrée assemblés sur la partie tournante du réducteur de vitesse. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, la turbomachine comprend une soufflante solidaire de la partie tournante du réducteur de vitesse basse pression. La soufflante permet de souffler de l’air pour refroidir les composants de l’unité intégrée assemblés sur la partie tournante du réducteur de vitesse. Les composants assemblés sur la partie fixe peuvent également bénéficier de cet air pour leur refroidissement. La soufflante peut avantageusement être combinée aux ailettes pour améliorer le refroidissement de l’unité intégrée. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. La représente, de manière schématique et partielle, un système de dégivrage selon l’art antérieur. La représente, de manière schématique et partielle, une unité intégrée d’un système de dégivrage selon un mode de réalisation de l’invention. La représente, de manière schématique et partielle, l’assemblage des parties tournantes de l’unité intégrée à un réducteur de vitesse basse pression selon un mode de réalisation de l’invention. La représente, de manière schématique et partielle, l’assemblage des parties tournantes de l’unité intégrée à un réducteur de vitesse basse pression selon un autre mode de réalisation de l’invention. La représente, de manière schématique et partielle, une unité intégrée et son assemblage à un réducteur de vitesse basse pression selon un autre mode de réalisation de l’invention. Unité intégrée (220, 320, 420, 520) de transfert de puissance tournant d’un circuit électrique de dégivrage de pales (1101, 1102) d’hélice et de cône avant (110) d’une turbomachine comprenant : un transformateur-tournant (2221) comprenant une partie statique et une partie tournante ; un convertisseur (2231) de tension continue en tension alternative connecté à sa sortie à la partie statique du transformateur-tournant et destiné à être connecté à son entrée à une alimentation électrique continue (2321), et un commutateur (2211) de puissance connecté au transformateur-tournant et configuré pour transmettre une puissance électrique à au moins une paire (1101, 1102) de pales d’hélice et au cône avant (110) de la turbomachine. Unité intégrée selon la revendication 1, comprenant une première voie électrique comprenant le transformateur-tournant (2221), le convertisseur (2231) et le commutateur (2211), et une deuxième voie comprenant un deuxième transformateur-tournant (2222) comprenant une partie statique et une partie tournante, un deuxième convertisseur (2232) de tension continue en tension alternative et un deuxième commutateur (2212) de puissance, le deuxième convertisseur étant connecté à sa sortie à la partie statique du deuxième transformateur-tournant et destiné à être connecté à son entrée à une alimentation électrique continue (2322) et le deuxième commutateur étant connecté au deuxième transformateur-tournant et configuré pour transmettre une puissance électrique à au moins une paire de pales (1101, 1102) d’hélice et au cône avant (110) de la turbomachine. Unité intégrée selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, comprenant au moins un convertisseur (2241, 2242) de tension continue en tension continue connecté en parallèle à chaque convertisseur de tension continue en tension alternative (2231, 2232) et configuré pour générer une alimentation électrique basse tension. Unité intégrée selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une pluralité de transformateurs-tournants dans chaque voie électrique, et au sein de chaque voie électrique, chaque transformateur-tournant est associé à une paire de pales d’hélice distincte, le convertisseur de tension continue en tension alternative est commun aux transformateurs-tournants de la voie électrique et le commutateur comprend des interrupteurs configurés pour sélectionner un des transformateurs-tournants de la voie électrique. Unité intégrée selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle, dans chaque voie électrique, le transformateur-tournant et le commutateur de puissance sont combinés. Turbomachine comprenant une unité intégrée de transfert de puissance tournant (320, 420, 520) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 et un réducteur de vitesse basse pression (330, 430, 530), l’unité intégrée étant solidaire du réducteur de vitesse basse pression. Turbomachine selon la revendication 6, dans laquelle le réducteur de vitesse basse pression comprend une partie tournante et un arbre fixe (331, 431, 531), la partie tournante des transformateurs-tournants de l’unité intégrée est solidaire de la partie tournante du réducteur de vitesse basse pression, et la partie statique des transformateurs-tournants, les commutateurs de puissance et les convertisseurs de tension continue en tension alternative de l’unité intégrée sont solidaires de l’arbre fixe du réducteur de vitesse basse pression. Turbomachine selon la revendication 6, dans laquelle le réducteur de vitesse basse pression comprend une partie tournante et un arbre fixe, la partie tournante des transformateurs-tournants et les commutateurs de puissance de l’unité intégrée sont solidaires de la partie tournante du réducteur de vitesse basse pression et la partie statique des transformateurs-tournants et les convertisseurs de tension continue en tension alternative de l’unité intégrée sont solidaires de l’arbre fixe du réducteur de vitesse basse pression. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, comprenant des ailettes (551, 552) présentes sur une surface externe de l’unité intégrée (520) et solidaires de la partie tournante du réducteur de vitesse basse pression. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 6 à 9, comprenant une soufflante (341, 342, 441, 442, 541, 542) solidaire de la partie tournante du réducteur de vitesse basse pression (330, 430, 530).