Brevet FR3129970A1 — publié le 20230609

Un rotor (8) d’une machine électrique (7) placée à l’extrémité arrière d’un arbre de turbine (1), et entraîné en rotation par lui, lui est relié par un arbre de liaison (5) relativement flexible et un roulement (12). Le rotor (8) est toutefois soutenu par le carter d’échappement (6) de la turbomachine par des paliers coulissants (21, 22). Les déformations de l’arbre (1) en direction axiale (X-X) sont communiquées au rotor (8) par le roulement (12), et il se déplace par rapport à son support (20). Les défauts radiaux de coaxialité sont absorbés par la souplesse de l’arbre de liaison (5). Le dispositif est léger et compact. Figure pour l’abrégé : Figure 2. Turbomachine comprenant une machine électrique en aval d’un arbre de turbine et entraînée par cet arbre L’invention a pour sujet une turbomachine pourvue d’une machine électrique en aval d’un arbre de turbine, et que cet arbre entraîne. Les machines électriques dont il est question ici sont des génératrices d’électricité ou des machines réversibles pouvant aussi travailler en moteur électrique et qui sont alors aptes à faire démarrer l’arbre de turbine ou du moins à lui apporter un surcroît de puissance. Elles viennent en complément de la génératrice d’électricité qu’on trouve habituellement sur le boîtier d’accessoires (AGB) et qui prélève de la puissance sur le corps haute pression. L’arbre de turbine est un arbre saillant affleurant en arrière d’un stator de turbine de la turbomachine ; il servira souvent à entraîner le corps basse pression de la turbomachine. Et la turbomachine peut être un turboréacteur ou un turbopropulseur. L’addition d’une machine électrique à l’arrière de l’arbre de turbine se révèle intéressante car elle occupe alors un volume qui reste habituellement vide, et son rotor peut être entraîné directement par l’arbre de turbine, parfois même sans mécanisme de changement de vitesse de rotation. Un certain nombre de difficultés sont toutefois impliquées par une telle disposition. Cette partie de la turbomachine est tout d’abord très chaude et impose donc certaines contraintes d’aménagement. Il sera parfois nécessaire de découpler le rotor de la machine de l’arbre qui l’entraîne, dans certaines circonstances comme des pannes de court-circuit, si par exemple la machine comporte des aimants permanents. Un dispositif de désaccouplement doit donc être ajouté, sans compliquer ni augmenter exagérément le volume du dispositif. Une difficulté majeure concerne toutefois l’équilibre dynamique de l’arbre qui entraîne le rotor de la machine électrique. Cet équilibre est perturbé par l’addition du rotor et de son balourd inévitable. La perturbation est beaucoup plus importante avec un rotor placé tout à l’arrière, en prolongement de l’arbre basse pression et en porte-à-faux vis-à-vis de ses paliers de support. Il n’est pas souhaité de revoir complètement le dessin de la turbomachine, en modifiant la position de ses paliers, seulement pour recevoir la machine électrique. Il existe un certain nombre de documents qui décrivent des agencements de machines électriques à l’arrière d’un arbre de turbomachine. On citera notamment : FR 3 027 625 A1, qui décrit une machine électrique à l’arrière d’un arbre de turbine, dont le rotor est soutenu par le stator de la turbomachine, et entraîné par l’arbre de turbine par l’intermédiaire d’un train épicycloïdal de multiplication de vitesse ; FR 3 087 823 A1, qui décrit une machine électrique à l’arrière d’un arbre de soufflante, qui est un arbre court à l’avant d’une turbomachine à double veine d’écoulement du gaz, et dont le rotor de la machine électrique est entraîné par cet arbre au moyen d’un manchon souple en torsion ; dans ces deux documents, le rotor de la machine électrique est à une position axiale invariable, et il est dépourvu de moyen de le déconnecter de la rotation de l’arbre de turbine ; on doit encore citer les documents FR 2021 106935 et FR 2021 005516 qui décrivent des agencements parfois proches de celui de l’invention. On se préoccupe ici d’améliorer la liaison entre l’arbre de turbine et le rotor de la machine électrique. Ce rotor doit garder une bonne coaxialité avec le stator de la machine. Pourtant l’arbre de turbine qui l’entraîne est sujet à des déplacements axiaux relativement importants dus aux dilatations thermiques, et à des défauts de coaxialité avec le reste de la turbomachine et notamment le stator de la machine électrique. Conformément à l’invention, le rotor de la machine électrique est monté sur une portion du stator de la turbomachine afin d’assurer sa position radiale, tout en coulissant axialement par rapport à cette portion d’après les déplacements que lui impose dans cette direction l’arbre de turbine. On évite ainsi une disposition dans laquelle le rotor de la machine électrique resterait fixe en translation et serait relié à l’arbre de turbine par des cannelures qui offriraient la liberté de mouvements coulissants. Une telle disposition serait cinématiquement acceptable, mais plus lourde à cause de la nécessité d’ajouter les cannelures et probablement de renforcer l’arbre de turbine à son extrémité à cause de cet alourdissement. Or on est disposé au contraire à rendre souple l’extrémité de l’arbre de turbine par rapport au reste de l’arbre, afin de ne pas imposer d’efforts importants aux paliers du rotor de la turbomachine quand des défauts de coaxialité existent entre l’arbre et la pièce sur laquelle le rotor de la machine électrique est monté. Il faut ajouter que les cannelures dynamiques, c’est-à-dire sujettes à des mouvements et des frottements, sont sujettes à l’usure. Des avantages importants de l’invention sont donc que l’agencement est léger, compact, durable, et que les contraintes mécaniques y sont faibles malgré le nombre important de liaisons entre les pièces. Sous une forme générale, l’invention concerne une turbomachine pour aéronef, comprenant : un arbre de turbine s’étendant dans une direction axiale de la turbomachine jusqu’à une extrémité arrière de la turbomachine ; une machine électrique comprenant un stator, fixé à un stator de la turbomachine qui soutient l’arbre de turbine par des paliers, et un rotor ; caractérisée en ce que le rotor de la machine électrique est soutenu par le stator de la turbomachine par des paliers coulissants dans la direction axiale, et relié à un arbre de liaison, plus souple que l’arbre de turbine et qui prolonge l’arbre de turbine vers l’arrière, par un palier non coulissant. Dans des constructions couramment rencontrées où il faudra prévoir une déconnexion occasionnelle entre l’arbre de turbine et le rotor de la machine électrique, l’invention pourra avantageusement comprendre un chariot coulissant monté sur l’arbre de liaison en arrière du palier non coulissant par des cannelures s’étendant dans la direction axiale ; le rotor de la machine électrique et le chariot mobile étant munis de reliefs dirigées dans des sens opposés de la direction axiale et aptes à venir en engrènement ; et un actionneur du chariot mobile déplaçant le chariot mobile le long des cannelures. En plus des avantages évoqués plus haut, on doit remarquer que les cannelures et le palier non coulissant présents dans l’invention seront presque toujours non fonctionnelles, c’est-à-dire qu’elles relieront des pièces sans déplacements relatifs sauf à de rares moments où la déconnexion de la machine électrique sera ordonnée, et qu’ils ne subiront presque pas d’usure ni ne nécessiteront d’entretien ; que le palier non coulissant réduit le porte-à-faux de l’arbre de liaison ; et que l’arbre de liaison est relié à l’arbre de turbine par une liaison statique et donc pas non plus sujette à l’usure. Les déplacements axiaux dans l’agencement sont localisés dans des paliers déjà conçus pour subir des mouvements importants et dont la durée de service est importante malgré cela. Selon certaines formes de réalisations préférées : - les paliers coulissants consistent en une paire de roulements à rouleaux ; - le palier non coulissant consiste en un roulement unique ; - l’actionneur est placé en arrière du palier non coulissant dans la direction axiale, et comprend un mécanisme à moyen de rappel à une position forçant l’engrènement des reliefs ; - l’actionneur comprend un vérin à tige dirigée dans la direction axiale ; - le moyen de rappel est un ressort monté radialement et sollicité axialement entre l’arbre de liaison et le chariot mobile ; - les paliers coulissants sont inclus dans une enceinte de lubrification à l’huile, et le palier non coulissant est en dehors de ladite enceinte. On décrira ci-après principalement des agencements où le rotor de la machine électrique est entouré par le stator de cette machine. Des avancements inverses seraient possibles, dans lesquels le rotor entourerait le stator. L’invention sera maintenant décrite dans ces différents aspects, caractéristiques et avantages au moyen des figures suivantes, qui en décrivent certaines modes de réalisations, à titre purement illustratif ; - la est une vue générale d’un agencement d’arrière de turbine conforme à l’invention ; - les et , des schémas d’un mode de réalisation de l’invention, doté d’un mécanisme de déconnexion du rotor de la machine électrique, aux deux positions principales d’entraînement et de roue libre de la machine électrique ; - la est une vue détaillée du mode de réalisation ; et - la est une vue d’un autre mode de réalisation. On se reporte d’abord à la . Elle représente schématiquement et partiellement une turbine de turbomachine, qui comprend un arbre de turbine 1 s’allongeant d’avant en arrière dans une direction axiale X-X de la turbomachine (en définissant un axe central de celle-ci) et qui est soutenu par divers paliers 2, dont un roulement arrière 3 monté dans un stator 4 de la turbomachine. L’arbre de turbine 1 finit sur une extrémité distincte dite arbre de liaison 5, en arrière du roulement arrière 3, et saillant d’un carter d’échappement 6 qui constitue une face arrière du stator 4. Une machine électrique 7 s’étend en arrière de ce carter d’échappement 6, et elle comprend un rotor 8 entraîné en rotation par l’arbre de liaison 5 et un stator 9 fixé au carter d’échappement 6 par une bride 10 boulonnée. On passe à la . L’arbre de liaison 5 est uni à l’arbre de turbine 1 par un premier jeu de cannelures 11, s’étendant dans la direction axiale X-X, peu en arrière du roulement arrière 3. D’autres moyens de liaison en rotation, comme des dents de crabot ou des « curvic couplings », c’est-à-dire des dents engrenantes aux profils alternativement convexes et concaves, pourraient être employés (par exemple des dents trapézoïdales, rectangulaires ou en développante de cercle). L’arbre de liaison 5 porte à sa périphérie extérieure un roulement à billes 12 et, à l’extrémité arrière, les cannelures intérieures d’un second jeu de cannelures 13. Le rotor 8 de la machine électrique se compose d’une structure de support 14 et d’une partie électrique 15 concentrique à une partie électrique 16 du stator de machine électrique 9. La structure de support 14 comprend une portée d’appui 17, qui s’appuie sur le roulement à billes 12, et un arbre de machine électrique 18, concentrique à une portée cylindrique 20 du carter d’échappement 6 et relié à elle par deux roulements à rouleaux cylindriques 21 et 22. La portée d’appui 17, l’arbre de machine électrique 18 et la portée cylindrique 20 sont toutes cylindriques et concentriques à l’axe central de la turbomachine. Le premier jeu de cannelures 11 est statique, c’est-à-dire qu’il sert seulement à transmettre le mouvement de rotation de l’arbre de turbine 1 à l’arbre de liaison 5, alors que les mouvements de translation entre eux sont empêchés par des moyens habituels tels que des butées et des écrous de serrage. L’arbre de liaison 5 est plus souple radialement que l’arbre de turbine 1 grâce à une épaisseur plus faible ou éventuellement un matériau différent. Chacun des roulements à rouleaux cylindriques 21 et 22 permet un mouvement de translation dans la direction axiale X-X entre les portées d’appui 18 et 20, puisque chacun d’entre eux comporte une bague lisse 23 sur laquelle peuvent coulisser les rouleaux 24 cylindriques. Il en résulte que les déplacements axiaux de l’arbre de liaison 5 par rapport au stator 4 et notamment au carter d’échappement 6 sont transmis au rotor 8 de la machine électrique 7 sans être empêchés ni introduire de contrainte interne, et donc que la partie électrique 15 du rotor 8 peut être déplacée axialement dans la partie électrique 16 du stator 9. Le dispositif comprend un actionneur 25 se présentant sous forme d’un vérin dont une enveloppe 26 est soutenue par une structure de support 27 appartenant soit au stator 9 de la machine électrique 7, soit au carter d’échappement 6, et dont une tige 28 mobile, orientée dans la direction axiale X-X, peut déplacer un chariot coulissant 29 dans cette direction. Le chariot coulissant 29 comprend des cannelures extérieures du second jeu de cannelures 13 qui lui permettent d’être soutenues par l’arbre de liaison 5, et des dents de crabot 30 dirigées vers l’avant dans la direction axiale X-X, aptes à engrener avec des dents de crabot 31 dirigées dans l’autre sens, appartenant à la structure de support 14 du rotor 8 de la machine électrique. Grâce à cette disposition, une position d’engrènement, représentée à la , permet à l’arbre de turbine 1 d’entraîner en rotation le rotor 8 de la machine électrique par l’intermédiaire de l’arbre de liaison 5, du second jeu de cannelures 13 et du chariot coulissant 29, les dents de crabot 30 pénétrant entre les dents de crabot 31. Dans des circonstances exceptionnelles où on souhaite libérer le rotor 8 de la machine électrique, une commande est envoyée au vérin 25 pour repousser la tige 28 vers l’arrière et tirer le chariot coulissant 29 de manière à disjoindre les dents de crabot 30 et 31. Le rotor 8 est alors libre en rotation. Cet état est représenté à la . On se reporte à la pour d’autres détails du dispositif. On remarque que le carter d’échappement 6 forme une enceinte de lubrification 32, alimentée par des conduits 33 de lubrification en huile, et cette enceinte de lubrification 32 contient le roulement arrière 3 et les roulements à rouleaux cylindriques 21 et 22, dont la lubrification est ainsi assurée. Des cloisons 34 ferment l’enceinte de lubrification 32 du côté des parties électriques 15 et 16 de la machine électrique 7 et les abritent donc de l’huile. Le roulement à billes 12 est hors de l’enceinte de lubrification 32, dont il est séparé par un joint 40 entre l’arbre de machine électrique 18 et l’arbre de liaison 5, mais cela n’est pas gênant car il travaille dans la position de la , rarement atteinte, et reste donc statique sinon : il peut donc être lubrifié une fois pour toute à la graisse. En variante, il serait envisageable de le placer dans l’enceinte de lubrification 32, en modifiant légèrement la forme des pièces et déplaçant le joint 40 à l’arrière du roulement à billes 12. La position d’engrènement des figures 2 et 4 est maintenue par un ressort de plaquage 35, monté radialement et axialement entre l’extrémité arrière de l’arbre de liaison 5 d’une part, et le chariot coulissant 29 d’autre part. Il est comprimé de manière à repousser le chariot coulissant 29 vers l’avant et à favoriser donc la position d’engrènement de la tant que la tige 28 n’est pas repoussée dans le sens opposé. La représente enfin une réalisation alternative, dans laquelle le rotor 8’ de la machine électrique 7’ entoure son stator 9’. Cette réalisation ne présente ni difficultés de conception, ni différences de fonctionnement : seules la bride boulonnée 10’ soutenant le stator 9’, la structure de support 14’ appartenant au rotor 8’ et la structure de support 27’ de l’actionneur 25 sont légèrement modifiées afin de rester séparées des autres pièces du dispositif. En raison des mouvements de translation offerts au rotor 8, il est indiqué que le stator 9, ou éventuellement le rotor 8 soit élargi dans la direction axiale X-X de manière qu’il possède toujours la même superficie d’induction électromagnétique. C’est pourquoi le stator 9 et le rotor 8 ont des largeurs différentes de manière que l’un couvre toujours l’autre. Turbomachine pour aéronef, comprenant : un arbre de turbine (1) s’étendant dans une direction axiale (X-X) de la turbomachine jusqu’à une extrémité arrière de la turbomachine ; une machine électrique (7) comprenant un stator (9), fixé à un stator (6, 10) de la turbomachine qui soutient l’arbre de turbine (1) par des paliers (2, 3), et un rotor (8) ; caractérisée en ce que le rotor de la machine électrique est soutenu par le stator (6, 20) de la turbomachine par des paliers (21, 22) coulissants dans la direction axiale (X-X), et relié à un arbre de liaison (5), plus souple que l’arbre de turbine (1) et qui prolonge l’arbre de turbine vers l’arrière, par un palier non coulissant (12). Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les paliers coulissants (21, 22) consistent en une paire de roulements à rouleaux cylindriques. Turbomachine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le palier non coulissant (12) consiste en un roulement unique. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu’un chariot coulissant (29) est monté sur l’arbre de liaison (5) en arrière du palier non coulissant (12) par des cannelures (13) s’étendant dans la direction axiale ; le rotor (8) de la machine électrique et le chariot mobile (29) sont munis de reliefs (30, 31) dirigées dans des sens opposés de la direction axiale et aptes à venir en engrènement ; et un actionneur (25) du chariot mobile déplace le chariot mobile (29) le long des cannelures (13). Turbomachine selon la revendication 4, caractérisée en ce que l’actionneur (25) est placé en arrière du palier non coulissant dans la direction axiale, et comprend un mécanisme à moyen de rappel (35) à une position forçant l’engrènement des reliefs (30,31). Turbomachine selon la revendication 5, caractérisée en ce que l’actionneur (25) comprend un vérin à tige (28) dirigée dans la direction axiale. Turbomachine selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que le moyen de rappel est un ressort monté radialement et sollicité axialement entre l’arbre de liaison (5) et le chariot mobile (29). Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les paliers coulissants sont inclus dans une enceinte de lubrification à l’huile, et le palier non coulissant est en dehors de ladite enceinte. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le rotor (8’) de la machine électrique entoure le stator (9’) de la machine électrique.