Brevet FR3138167A1 — publié le 20240126

Système propulsif hybride (2) comprenant : - un turbomoteur (3) comprenant un corps haute pression (4) et un corps basse pression (5), le corps basse pression (5) comprenant un réducteur (11) disposé axialement à une extrémité arrière (12) ; - une boite d’accessoires (13) disposée axialement à une extrémité avant (14) ; - des première et seconde machines électriques (15, 16) reliées mécaniquement et respectivement aux corps haute pression et basse pression (4, 5), les machines électriques (15, 16) étant configurées pour fonctionner dans des modes dits moteur et générateur, les première et seconde machines électriques (15, 16) étant directement et respectivement fixées sur la boite d’accessoires (13) et sur le réducteur (11) ; - un système de commande (17) qui est configuré pour permettre un transfert de puissance entre les corps haute pression et basse pression (4, 5) via les première et seconde machines électriques (15, 16). Figure pour l'abrégé : 1 SYSTEME PROPULSIF HYBRIDE POUR UN AERONEF Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un système propulsif hybride pour un aéronef. Arrière-plan technique La propulsion hybride électrique d’un aéronef est une des solutions pour réduire significativement l’empreinte carbone du transport aérien. Une telle propulsion combine par exemple une turbomachine thermique et une ou plusieurs machines électriques capables de suppléer ou de compléter la turbomachine. La combinaison des énergies thermique et électrique permet de réduire significativement la consommation en carburant de la turbomachine, et par voie de conséquence ses émissions de dioxyde de carbone. La demande FR-B1-3062882 au nom de la demanderesse décrit un système propulsif hybride pour un hélicoptère comprenant un turbomoteur principal et une machine électrique qui est utilisée en situation d’urgence (lors par exemple d’une panne du turbomoteur principal), afin d’apporter momentanément de la puissance à l’hélicoptère pour certaines manœuvres. Un tel système propulsif est perfectible, les motoristes étudiant les différentes possibilités pour intégrer au mieux une ou plusieurs machines électriques, de manière notamment à optimiser l’encombrement global du système propulsif, à minimiser les modifications, et à faciliter la maintenance de la ou des machines électriques. L’objectif de la présente invention est donc de proposer une solution simple, efficace et économique permettant de réponde aux problématiques précitées. L’invention propose ainsi un système propulsif hybride pour un aéronef comprenant : - un turbomoteur comprenant un corps haute pression et un corps basse pression mobiles, le corps haute pression comprenant un compresseur et une turbine de détente reliés mécaniquement l’un à l’autre par un arbre haute pression, le corps basse pression comprenant une turbine de puissance qui entraine en rotation un arbre de sortie via un réducteur, le réducteur étant disposé axialement à une extrémité arrière du système propulsif ; - une boite d’accessoires disposée axialement à une extrémité avant du système propulsif ; - des première et seconde machines électriques reliées mécaniquement et respectivement aux corps haute pression et basse pression, les machines électriques étant configurées pour fonctionner dans des modes dits moteur et générateur, la première machine électrique étant directement fixée sur la boite d’accessoires et la seconde machine électrique étant directement fixée sur le réducteur ; - un système de commande qui est configuré pour permettre un transfert de puissance entre les corps haute pression et basse pression via les première et seconde machines électriques. Une telle répartition des machines électriques permet non seulement d’optimiser l’encombrement global et la masse globale du système propulsif, mais également de minimiser les modifications engendrées par l’intégration des machines électriques et de limiter l’impact sur la position du centre de gravité du système propulsif. Un tel positionnement des machines électriques permet de faciliter les opérations de maintenance, les machines électriques étant accessibles et disposées dans des environnements dégagés. Le transfert de puissance entre les corps haute pression et basse pression via les machines électriques permet d’optimiser les performances du système propulsif sur l’ensemble de ses régimes de fonctionnement. Le système propulsif selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques et/ou étapes suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - les première et seconde machines électriques sont des machines électriques haute tension (plusieurs centaines de Volts) ; - la première machine électrique est configurée pour démarrer le turbomoteur ; - la première machine électrique est configurée pour fournir en mode générateur de l’énergie électrique non propulsive ; - l’arbre de sortie du turbomoteur comprend une prise de mouvement avant apte à entrainer une boite de transmission principale de l’aéronef et une prise de mouvement arrière apte à entrainer une boite de transmission arrière de l’aéronef : - le système propulsif comprend un stockeur d’énergie électrique qui est configuré pour stocker l’énergie électrique produite par la première machine électrique et/ou la seconde machine électrique fonctionnant en mode générateur ; - la première machine électrique est accolée à une entrée d’air du turbomoteur ; - la seconde machine électrique s’étend dans le prolongement axial d’un renfoncement d’une tuyère d’échappement du turbomoteur ; - chacune des première et seconde machines électriques est fixée via un collier et/ou une bride munie de vis ; - le système propulsif est configuré pour fonctionner selon l’un des modes de fonctionnement suivants : - un premier mode de fonctionnement hybride dans lequel la première machine électrique fonctionne en mode générateur et la seconde machine électrique fonctionne en mode moteur, l’énergie électrique produite par la première machine électrique étant utilisée pour alimenter électriquement la seconde machine électrique, de manière à transférer de la puissance depuis le corps haute pression vers le corps basse pression ; - un second mode de fonctionnement hybride dans lequel la première machine électrique fonctionne en mode moteur et la seconde machine électrique fonctionne en mode générateur, l’énergie électrique produite par la seconde machine électrique étant utilisée pour alimenter électriquement la première machine électrique, de manière à transférer de la puissance depuis le corps basse pression vers le corps haute pression. La présente invention concerne encore un aéronef comprenant un système propulsif hybride tel que décrit précédemment. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la est une vue schématique d’un aéronef comprenant un système propulsif hybride selon l’invention ; la est une vue détaillée de devant et en perspective du système propulsif illustré sur la ; la est une vue détaillée de derrière et en perspective du système propulsif illustré sur les figures 1 et 2. Description détaillée de l'invention Sur la est représenté schématiquement un hélicoptère 1 comprenant un système propulsif hybride 2. L’exemple illustré n’est en rien limitatif, le système propulsif hybride 2 pourrait être utilisé pour motoriser par exemple un avion, un drone ou tout autre giravion tel qu’un girodyne. Selon l’invention, le système propulsif hybride 2 comprend : - un turbomoteur 3 comprenant un corps haute pression 4 et un corps basse pression 5 mobiles, le corps haute pression 4 comprenant un compresseur 6 et une turbine de détente 7 reliés mécaniquement l’un à l’autre par un arbre haute pression 8, le corps basse pression 5 comprenant une turbine de puissance 9 qui entraine en rotation un arbre de sortie 10 via un réducteur 11, le réducteur 11 étant disposé axialement à une extrémité arrière 12 du système propulsif 2 ; - une boite d’accessoires 13 disposée axialement à une extrémité avant 14 du système propulsif 2 ; - des première et seconde machines électriques 15, 16 reliées mécaniquement et respectivement aux corps haute pression et basse pression 4, 5, les machines électriques 15, 16 étant configurées pour fonctionner dans des modes dits moteur et générateur, la première machine électrique 15 étant directement fixée sur la boite d’accessoires 13 et la seconde machine électrique 16 étant directement fixée sur le réducteur 11 ; - un système de commande 17 qui est configuré pour permettre un transfert de puissance entre les corps haute pression et basse pression 4, 5 via les première et seconde machines électriques 15, 16. Une telle répartition des machines électriques permet non seulement d’optimiser l’encombrement global et la masse globale du système propulsif, mais également de minimiser les modifications engendrées par l’intégration des machines électriques et de limiter l’impact sur la position du centre de gravité du système propulsif. Un tel positionnement des machines électriques permet de faciliter les opérations de maintenance, les machines électriques étant accessibles et disposées dans des environnements dégagés. Le transfert de puissance entre les corps haute pression et basse pression via les machines électriques permet d’optimiser les performances du système propulsif sur l’ensemble de ses régimes de fonctionnement. Tel qu’illustré sur la , le système propulsif 2 entraine un rotor principal 18 muni d’une voilure tournante via une boite de transmission principale 19 (connue sous l’acronyme BTP), et un rotor arrière de queue 20 (connu également sous l’acronyme RAC pour « rotor anticouple ») via une boite de transmission arrière 21 (connue sous l’acronyme BTA). Plus précisément, la boite de transmission principale 19 est reliée mécaniquement à une prise de mouvement avant 22 de l’arbre de sortie 10 par l’intermédiaire d’un arbre de transmission avant 23 muni d’une roue libre de puissance 24. La boite de transmission arrière 21 est reliée mécaniquement à une prise de mouvement arrière 25 de l’arbre de sortie 10 par l’intermédiaire d’un arbre de transmission arrière 26. Tel qu’illustré sur les figures, le corps haute pression 4 fait partie d’un générateur de gaz 27 du turbomoteur 3 qui comprend le compresseur 6, une chambre de combustion 28 et la turbine de détente 7. Le compresseur 6 est alimenté en air via une entrée d’air 29 et comprend un ou plusieurs étages de compression, chaque étage pouvant être axial ou centrifuge. La chambre de combustion 28 est alimentée en air comprimé via le compresseur 6 et en carburant via un ou plusieurs injecteurs. Le mélange air/carburant est brûlé sous l’action d’un ou plusieurs dispositifs d’allumage. Les gaz d’échappement provenant de la chambre de combustion 28 sont détendus dans la turbine de détente 7. La turbine de détente 7 comprend un ou plusieurs étages de détente, chaque étage pouvant être axial ou centripète. La turbine de détente 7 entraine le compresseur 6 via l’arbre haute pression 8 qui est mobile autour d’un axe X. Les gaz d’échappement du turbomoteur 3 sont évacués par l’intermédiaire d’une tuyère d’échappement 30 qui est disposée axialement à l’extrémité arrière 12 du système propulsif 2. Tel qu’illustré sur les figures, la turbine de puissance 9 est entrainée par les gaz d’échappement générés par le générateur de gaz 27. La turbine de puissance 9 se trouve ainsi axialement à l’arrière du générateur de gaz 27. Le réducteur 11 est relié à la turbine de puissance 9 par l’intermédiaire d’un arbre d’entrée 31 qui est mobile autour de l’axe X. Le réducteur 11 permet de réduire la vitesse de rotation de l’arbre de sortie 10 par rapport à celle de l’arbre d’entrée 31. Avantageusement, le réducteur 11 est un réducteur à engrenages. L’arbre de sortie 10 est parallèle à l’arbre haute pression 8 et à l’arbre d’entrée 31. L’arbre de sortie 10 est disposé en dessous de l’arbre haute pression 8 et de l’arbre d’entrée 31. L’arbre de sortie 10 est mobile autour d’un axe X’. Par convention, dans la présente demande, les termes « avant » et « arrière » définissent les positions axiales des éléments du système propulsif 2, tout en sachant que la boite d’accessoires 13 est disposée axialement à une extrémité avant 14 du système propulsif 2, et le réducteur 11 est disposé axialement à une extrémité arrière 12 du système propulsif 2. En outre, par convention, dans la présente demande, les termes « axial » ou « axialement » font référence à toute direction parallèle aux axes X ou X’. Tel qu’illustré sur les figures, la boite d’accessoires 13 est disposée axialement à l’extrémité avant 14 du système propulsif 2. La boite d’accessoires 13 porte divers accessoires dont la première machine électrique 15, et réalise les transferts de puissance souhaités vers le corps haute pression 4 du turbomoteur 3. Outre la première machine électrique 15, la boite d’accessoires 13 porte également par exemple les servitudes huiles/carburants, un séparateur air/huile, etc. Tel qu’indiqué ci-dessus et illustré sur les figures, la première machine électrique 15 est directement fixée sur la boite d’accessoires 13 et est reliée mécaniquement au corps haute pression 4 du turbomoteur 3. Plus précisément, la première machine électrique 15 est fixée sur une face avant 32 de la boite d’accessoires 13 et accolée à l’entrée d’air 29 du turbomoteur 3. L’air d’entrée 29 participe ainsi au refroidissement de la première machine électrique 15. La première machine électrique 15 est ici fixée sur la boite d’accessoires 13 via un collier 33, mais elle pourrait être fixée par exemple via une bride munie de vis. La première machine électrique 15 peut être reliée au corps haute pression 4 via un premier mécanisme de transmission disposé au moins en partie dans la boite d’accessoires 13. Le premier mécanisme de transmission peut présenter un rapport de transmission fixe ou variable, ce rapport de transmission pouvant être égal à 1, inférieur à 1 (réducteur) ou supérieur à 1 (multiplicateur). Le premier mécanisme de transmission est commun ou distinct du ou des dispositifs de transmission à engrenages associés aux autres accessoires de la boite d’accessoires 13. Avantageusement, le premier mécanisme de transmission est un mécanisme à engrenages. En variante, la première machine électrique 15 peut être reliée directement au corps haute pression 4. La première machine électrique 15 est configurée pour fonctionner dans des modes dits moteur et générateur, et autrement dit la première machine électrique 15 est réversible. En mode moteur, la première machine électrique 15 introduit de la puissance mécanique sur le corps haute pression 4 du turbomoteur 3. En mode générateur, la première machine électrique 15 prélève de la puissance mécanique sur le corps haute pression 4 du turbomoteur 3. Tel qu’indiqué ci-dessus et illustré sur les figures, la seconde machine électrique 16 est directement fixée sur le réducteur 11 et est reliée mécaniquement au corps basse pression 5 du turbomoteur 3. Plus précisément, la seconde machine électrique 16 est fixée sur une face arrière 34 du réducteur 11 et s’étend dans le prolongement axial d’un renfoncement 35 de la tuyère d’échappement 30 du turbomoteur 3, de manière à isoler la seconde machine électrique 16, des gaz d’échappement chauds. La seconde machine électrique 16 est ici fixée sur le réducteur 11 via un collier 33, mais elle pourrait être fixée par exemple via une bride munie de vis. La seconde machine électrique 16 peut être reliée au corps basse pression 5 via un second mécanisme de transmission disposé au moins en partie dans le réducteur 11. Le second mécanisme de transmission peut présenter un rapport de transmission fixe ou variable, ce rapport de transmission pouvant être égal à 1, inférieur à 1 (réducteur) ou supérieur à 1 (multiplicateur). Le second mécanisme de transmission est commun ou distinct du dispositif de transmission à engrenages du réducteur 11. Avantageusement, le second mécanisme de transmission est un mécanisme à engrenages. En variante, la seconde machine électrique 16 peut être reliée directement au corps basse pression 5. De la même manière que la première machine électrique 15, la seconde machine électrique 16 est configurée pour fonctionner dans des modes dits moteur et générateur, et autrement dit la seconde machine électrique 16 est réversible. En mode moteur, la seconde machine électrique 16 introduit de la puissance mécanique sur le corps basse pression 5 du turbomoteur 3. En mode générateur, la seconde machine électrique 16 prélève de la puissance mécanique sur le corps basse pression 5 du turbomoteur 3. Avantageusement, les première et seconde machines électriques 15, 16 sont des machines électriques haute tension (plusieurs centaines de Volts), de manière à pouvoir transférer des puissances importantes. Les première et seconde machines électriques 15, 16 peuvent être des machines électriques à courant continu ou des machines électriques à courant alternatif. Le système de commande 17 du système propulsif 2 comprend un calculateur du turbomoteur nommé FADEC, un réseau électrique basse tension 36 et un réseau électrique haute tension 37, ces réseaux 36, 37 pouvant être connectés l’un à l’autre ou indépendants l’un de l’autre. Le réseau électrique haute tension 37 est notamment utilisé pour transférer des puissances électriques importantes entre les première et seconde machines électriques 15, 16, ce réseau 37 étant à ce titre communément appelé « réseau électrique d’hybridation interne ». Le réseau électrique basse tension 36 est notamment utilisé pour alimenter les différents accessoires du système propulsif 2 et de l’hélicoptère 1. Le système de commande 17 impose un mode de fonctionnement au système propulsif 2, en fonction notamment des différentes phases de vol de l’hélicoptère 1 (décollage, croisière, atterrissage, recherche, obstacle, veille, urgence (turbomoteur en panne par exemple)). Le système de commande 17 peut notamment imposer un mode de fonctionnement thermique dans lequel l’énergie mécanique propulsive nécessaire à l’entrainement des rotors 18, 20 est uniquement fournie par le turbomoteur 3. Le système de commande 17 peut également imposer des modes de fonctionnement hybrides dans lesquels l’énergie mécanique propulsive nécessaire à l’entrainement des rotors 18, 20 est fournie à la fois par le turbomoteur 3 mais également par la première machine électrique 15 et/ou par la seconde machine électrique 16 fonctionnant en mode moteur. Tel qu’indiqué ci-dessus, le système de commande 17 est configuré pour permettre un transfert de puissance entre les corps haute pression et basse pression 4, 5 via les première et seconde machines électriques 15, 16. Le système propulsif 2 peut ainsi fonctionner selon un premier mode de fonctionnement hybride dans lequel la première machine électrique 15 fonctionne en mode générateur et la seconde machine électrique 16 fonctionne en mode moteur, l’énergie électrique produite par la première machine électrique 15 étant utilisée pour alimenter électriquement la seconde machine électrique 16, de manière à transférer de la puissance depuis le corps haute pression 4 vers le corps basse pression 5. Le système propulsif 2 peut aussi fonctionner selon un second mode de fonctionnement hybride dans lequel la première machine électrique 15 fonctionne en mode moteur et la seconde machine électrique 16 fonctionne en mode générateur, l’énergie électrique produite par la seconde machine électrique 16 étant utilisée pour alimenter électriquement la première machine électrique 15, de manière à transférer de la puissance depuis le corps basse pression 5 vers le corps haute pression 4. Avantageusement, le système de commande 17 comprend un ou plusieurs stockeurs d’énergie électrique 38 qui sont chacun configurés pour stocker l’énergie électrique produite par la première machine électrique 15 et/ou la seconde machine électrique 16 fonctionnant en mode générateur. Chaque stockeur d’énergie électrique 38 comprend par exemple une ou plusieurs batteries ou supercapacités. L’énergie électrique stockée est par exemple utilisée pour alimenter la première machine électrique 15 et/ou la seconde machine électrique 16 fonctionnant en mode moteur durant certaines phases de vol, ou bien encore pour alimenter les accessoires électriques du système propulsif 2 et/ou de l’hélicoptère 1. Le système de commande 17 peut comprendre un ou plusieurs convertisseurs configurés pour convertir un courant alternatif en un courant continu (ou inversement). Un tel convertisseur est par exemple utilisé pour permettre un transfert de puissance entre les machines électriques 15, 16 via un bus en courant continu haute tension nommé bus HVDC. Avantageusement, le système de commande 17 comprend des dispositifs de protection permettant notamment de protéger les réseaux électriques 36, 37 contre les courts-circuits, les surtensions et les surcourants. Le système propulsif 2 comprend classiquement un démarreur-générateur (non représenté sur les figures) qui fait partie des accessoires. Le démarreur-générateur est rapporté sur la boite d’accessoires 13 et relié mécaniquement au corps haute pression 4. Le démarreur-générateur est généralement connecté au réseau électrique basse tension 36. Le démarreur-générateur est configuré à la fois pour démarrer le turbomoteur 3 (mode démarreur), mais également pour fournir de l’énergie électrique non propulsive (mode générateur). Avantageusement, la première machine électrique 15 est aussi configurée pour démarrer le turbomoteur 3. Une telle configuration permet d’assurer une redondance concernant le démarrage du turbomoteur 3. Avantageusement, la première machine électrique 15 est aussi configurée pour fournir en mode générateur de l’énergie électrique non propulsive. Une telle configuration permet d’assurer une redondance concernant la fourniture d’énergie électrique non propulsive. Les différents éléments mobiles du système propulsif 2 peuvent être liés en rotation les uns aux autres via des moyens d’accouplement tels que des cannelures (flottantes ou fixes), des brides vissées ou par frettage des arbres liés. Les moyens d’accouplement peuvent comprendre un embrayage ou des moyens élastiquement déformables dit accouplements souples. Avantageusement, les première et seconde machines électriques 15, 16 sont refroidies et lubrifiées via le circuit de refroidissement et de lubrification du système propulsif 2. Un tel choix permet de mettre en commun les dispositifs de refroidissement et de lubrification qui sont associés aux différents éléments du système propulsif 2, de manière à optimiser la masse globale du système propulsif 2. Le circuit de refroidissement et de lubrification est notamment utilisé pour refroidir les rotors et les stators des machines électriques 15, 16 mais également pour lubrifier les paliers guidant les rotors et les joints d’étanchéité dynamique. Le circuit de refroidissement et de lubrification est par exemple alimenté avec de l’huile. Système propulsif hybride (2) pour un aéronef (1) comprenant : - un turbomoteur (3) comprenant un corps haute pression (4) et un corps basse pression (5) mobiles, le corps haute pression (4) comprenant un compresseur (6) et une turbine de détente (7) reliés mécaniquement l’un à l’autre par un arbre haute pression (8), le corps basse pression (5) comprenant une turbine de puissance (9) qui entraine en rotation un arbre de sortie (10) via un réducteur (11), le réducteur (11) étant disposé axialement à une extrémité arrière (12) du système propulsif (2) ; - une boite d’accessoires (13) disposée axialement à une extrémité avant (14) du système propulsif (2) ; - des première et seconde machines électriques (15, 16) reliées mécaniquement et respectivement aux corps haute pression et basse pression (4, 5), les machines électriques (15, 16) étant configurées pour fonctionner dans des modes dits moteur et générateur, la première machine électrique (15) étant directement fixée sur la boite d’accessoires (13) et la seconde machine électrique (16) étant directement fixée sur le réducteur (11) ; - un système de commande (17) qui est configuré pour permettre un transfert de puissance entre les corps haute pression et basse pression (4, 5) via les première et seconde machines électriques (15, 16). Système propulsif (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et seconde machines électriques (15, 16) sont des machines électriques haute tension. Système propulsif (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première machine électrique (15) est configurée pour démarrer le turbomoteur (3). Système propulsif (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première machine électrique (15) est configurée pour fournir en mode générateur de l’énergie électrique non propulsive. Système propulsif (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’arbre de sortie (10) comprend une prise de mouvement avant (22) apte à entrainer une boite de transmission principale (19) de l’aéronef (1) et une prise de mouvement arrière (25) apte à entrainer une boite de transmission arrière (21) de l’aéronef (1). Système propulsif (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un stockeur d’énergie électrique (38) qui est configuré pour stocker l’énergie électrique produite par la première machine électrique (15) et/ou la seconde machine électrique (16) fonctionnant en mode générateur. Système propulsif (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première machine électrique (15) est accolée à une entrée d’air (29) du turbomoteur (3). Système propulsif (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde machine électrique (16) s’étend dans le prolongement axial d’un renfoncement (35) d’une tuyère d’échappement (30) du turbomoteur (3). Système propulsif (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacune des première et seconde machines électriques (15, 16) est fixée via un collier (33) et/ou une bride munie de vis. Système propulsif (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est configuré pour fonctionner selon l’un des modes de fonctionnement suivants : - un premier mode de fonctionnement hybride dans lequel la première machine électrique (15) fonctionne en mode générateur et la seconde machine électrique (16) fonctionne en mode moteur, l’énergie électrique produite par la première machine électrique (15) étant utilisée pour alimenter électriquement la seconde machine électrique (16), de manière à transférer de la puissance depuis le corps haute pression (4) vers le corps basse pression (5) ; - un second mode de fonctionnement hybride dans lequel la première machine électrique (15) fonctionne en mode moteur et la seconde machine électrique (16) fonctionne en mode générateur, l’énergie électrique produite par la seconde machine électrique (16) étant utilisée pour alimenter électriquement la première machine électrique (15), de manière à transférer de la puissance depuis le corps basse pression (5) vers le corps haute pression (4). Aéronef (1) comprenant un système propulsif hybride (2) selon l’une des revendications précédentes.