Brevet FR3133213A1 — publié le 20230908

L’invention propose une turbomachine (10) d’aéronef, notamment un turboréacteur, comprenant un générateur de gaz, ledit générateur de gaz comprenant successivement un compresseur basse pression (14), un compresseur haute pression (16), une chambre annulaire de combustion (18), une turbine haute pression (20), une turbine basse pression (22), et un carter d’échappement (1), le compresseur haute pression (16) et la turbine haute pression (20) comportant des rotors reliés ensemble par un arbre haute pression (6), le compresseur basse pression (14) et la turbine basse pression (22) comportant des rotors reliés ensemble par un arbre basse pression (2) qui traverse axialement l’arbre haute pression (6). Cette turbomachine (10) se caractérise en ce qu’elle comporte une pluralité de machines électriques (5) installées à l’intérieur dudit carter d’échappement (1) et entraînées par ledit arbre basse pression (2), les machines électriques (5) étant disposées autour de l’arbre basse pression (2). Figure pour l'abrégé : Figure 3 TURBOMACHINE D’AERONEF COMPORTANT UNE PLURALITÉ DE MACHINES ÉLECTRIQUES ET PROCÉDÉ DE PRODUCTION D’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE ASSOCIÉ Domaine technique de l'invention L'invention concerne une turbomachine d’aéronef, notamment un turboréacteur, où s’effectue un prélèvement de puissance mécanique sur un arbre basse pression pour générer de la puissance électrique. L’invention concerne également un procédé de production d’énergie électrique dans une telle turbomachine d’aéronef par prélèvement de la puissance mécanique de l’arbre basse pression. Arrière-plan technique L’arrière-plan technique comprend notamment le document FR-A1-3 027 625. Les turbomachines permettent de fournir une propulsion, ainsi qu’une puissance électrique pour les aéronefs. La demande en électricité augmente d’année en année, avec l’arrivée des nouvelles générations d’aéronefs. En effet, ces derniers comportent de plus en plus d’équipements électriques à alimenter, notamment des équipements secondaires. Ces équipements sont alimentés par une machine électrique dont la dimension ne cesse d’augmenter pour fournir toujours plus d’énergie électrique. Or, la place est limitée dans une turbomachine, et l’intégration d’une telle machine électrique au sein de la turbomachine devient extrêmement difficile. Une turbomachine d'aéronef, notamment un turboréacteur, comporte généralement un générateur de gaz en amont duquel est disposée une soufflante d’entrée d’air. Le générateur de gaz comprend d'amont en aval dans le sens d'écoulement des gaz, un ou plusieurs compresseurs disposés en série, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre annulaire de combustion, une ou plusieurs turbines, par exemple une turbine basse pression et une turbine haute pression, et un carter d'échappement des gaz. La soufflante génère un flux d'air dont une partie alimente les compresseurs, la chambre de combustion et les turbines de la turbomachine et forme un flux primaire dans une veine primaire du générateur de gaz. Une autre partie du flux d'air généré par la soufflante s'écoule dans une veine secondaire, qui s'étend autour de la veine primaire, et forme un flux d'air secondaire, qui génère une majeure partie de la poussée de la turbomachine. Chaque compresseur est configuré pour accroître la pression de l'air, qui est ensuite fourni à la chambre de combustion. Dans la chambre de combustion, l'air comprimé est mélangé à du carburant et brûlé. Les gaz de combustion traversent ensuite chaque turbine, qui assure l'entraînement en rotation du rotor du compresseur correspondant en prélevant une partie de l'énergie de pression des gaz sortant de la chambre de combustion et en la transformant en énergie mécanique. Le carter d'échappement permet d'éjecter les gaz d'échappement pour produire également une force de propulsion de la turbomachine. Ce flux de gaz s’écoule autour du carter et balaye donc une surface externe du carter. Le compresseur et la turbine basse pression, respectivement haute pression, sont constitués d'un premier ensemble de pièces fixes constituant un stator et d'un second ensemble de pièces, susceptible d'être mis en rotation par rapport au stator, constituant un rotor. Les rotors du compresseur haute pression et de la turbine haute pression sont reliés ensemble par un arbre haute pression. Les rotors du compresseur basse pression et de la turbine basse pression sont reliés ensemble par un arbre basse pression qui traverse l’arbre haute pression et qui est en général relié à l’arbre de la soufflante en vue de son entraînement, directement ou par l’intermédiaire d’un réducteur mécanique. Il est connu d’utiliser l’arbre basse pression pour générer de l’énergie électrique. En effet, il est astucieux de profiter de l’énergie mécanique d’un arbre en rotation pour générer de l’énergie électrique, notamment pour alimenter des équipements électriques secondaires de l’aéronef. Dans les petits avions, les équipements électriques secondaires sont souvent alimentés par des batteries. Dans le cadre d’un aéronef plus conséquent, on remplace les batteries par une machine électrique qui n’est pas redondée. La machine électrique peut être disposée en aval de la turbine basse pression, à l’intérieur d’un carter d’échappement. L’espace disponible dans le carter est très réduit, ce qui ne permet d’y installer qu’une seule et imposante machine électrique dans l’axe de l’arbre basse pression. Or, une seule machine électrique ne permet pas de générer suffisamment de puissance électrique pour satisfaire la demande en électricité qui ne cesse d’augmenter. Il est aussi connu de placer la machine électrique dans un compartiment du générateur de gaz de la turbomachine, entre la veine primaire et la veine secondaire, et de la relier à l’arbre basse pression par un système de transmission complexe. Mais là aussi l’espace disponible dans ce compartiment est réduit. La présente invention a pour objectif de pallier les différents inconvénients énoncés ci-dessus, au moyen d’une turbomachine d’aéronef permettant de générer un haut niveau de puissance électrique (typiquement de l’ordre de 50 - 250 kW) à partir d’un arbre basse pression, grâce à un dispositif simple et compact, localisé dans un endroit spécifique. La turbomachine d’aéronef selon l’invention, notamment un turboréacteur, comprend un générateur de gaz, ledit générateur de gaz comprenant successivement un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre annulaire de combustion, une turbine haute pression, une turbine basse pression, et un carter d’échappement, le compresseur haute pression et la turbine haute pression comportant des rotors reliés ensemble par un arbre haute pression, le compresseur basse pression et la turbine basse pression comportant des rotors reliés ensemble par un arbre basse pression qui traverse axialement l’arbre haute pression. Cette turbomachine se caractérise à titre principal en ce qu’elle comporte une pluralité de machines électriques installées à l’intérieur dudit carter d’échappement et entraînées par ledit arbre basse pression, les machines électriques étant disposées autour de l’arbre basse pression. L’idée principale de cette invention consiste à utiliser l’espace disponible dans le carter d’échappement, car il s’agit d’un espace protégé à l’arrière du générateur de gaz. La taille et le nombre des machines sont adaptés à cet environnement propre, et n’impactent pas le reste de la turbomachine. Etant donné que cet espace est réduit, l’idée est de remplacer la machine électrique unique axiale imposante par une pluralité de machines électriques plus petites, et réparties angulairement tout autour de l’arbre basse pression. Cette pluralité de machines électriques est capable de fournir une puissance électrique bien plus importante qu’une unique machine électrique. Selon les différents modes de réalisation de l’invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : l’arbre basse pression est équipé d’une roue dentée accouplée à des transmissions reliées auxdites machines électriques ; les transmissions correspondent à des multiplicateurs configurés pour que la vitesse de rotation de chaque machine électrique soit supérieure à la vitesse de rotation de l’arbre basse pression ; il y a une transmission par machine électrique ; chaque transmission comprend un ou plusieurs pignons ; le(s) pignon(s) est(sont) à denture droite et les machines électriques s’étendent selon des axes parallèles à un axe longitudinal de l’arbre basse pression. le(s) pignon(s) est(sont) à denture hélicoïdale et les machines électriques s’étendent selon des axes parallèles à un axe longitudinal de l’arbre basse pression. le(s) pignon(s) est(sont) à denture conique et les machines électriques s’étendent selon des axes qui forment un angle par rapport à un axe longitudinal de l’arbre basse pression ; les machines électriques sont réparties spatialement de façon régulière autour de la périphérie de la roue dentée ; il y a une machine électrique par secteur angulaire prédéfini ; les machines électriques sont identiques ; chaque transmission comprend un seul pignon directement engrené avec la roue dentée, le pignon étant relié à la machine électrique correspondante ; chaque transmission comprend un premier étage de pignon engrené avec la roue dentée, et un second étage de pignon engrené avec le premier étage de pignon, le second étage de pignon étant relié à la machine électrique correspondante ; chaque machine électrique présente un axe central de fonctionnement parallèle à l’arbre basse pression ; le carter d’échappement est de forme conique ; le carte d’échappement est de forme tronconique ; les machines électriques sont des générateurs électriques. L’invention concerne également un procédé de production d’énergie électrique dans une turbomachine d’aéronef par prélèvement de puissance mécanique sur un arbre basse pression de la turbomachine, cette dernière comprenant une pluralité de machines électriques installées à l’intérieur d’un carter d’échappement et entraînées mécaniquement par ledit arbre basse pression, lesdites machines électriques étant disposées autour de l’arbre basse pression, la puissance mécanique de rotation de l’arbre basse pression étant convertie en puissance électrique par les machines électriques. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : La est une vue schématique en coupe axiale d’une turbomachine selon l’art antérieur ; La est une vue schématique agrandie en coupe axiale d’une turbomachine selon l’art antérieur, où seule la partie située au-dessus de l’axe central de la turbomachine est représentée, l’autre partie située en dessous de l’axe central se déduisant par symétrie ; La est une vue schématique agrandie en coupe axiale d’une turbomachine selon un premier mode de réalisation de l’invention, où seule la partie située au-dessus de l’axe central de la turbomachine est représentée, l’autre partie située en dessous de l’axe central se déduisant par symétrie ; La est une vue schématique en coupe transversale de la turbomachine de la , la coupe étant réalisée au niveau du carter d’échappement ; La est une vue schématique agrandie en coupe axiale d’une turbomachine selon un 2 e mode de réalisation de l’invention, où seule la partie située au-dessus de l’axe central de la turbomachine est représentée, l’autre partie située en dessous de l’axe central se déduisant par symétrie ; La est une vue schématique en coupe transversale de la turbomachine de la , la coupe étant réalisée au niveau du carter d’échappement. Turbomachine (10) d’aéronef, notamment un turboréacteur, comprenant un générateur de gaz, ledit générateur de gaz comprenant successivement un compresseur basse pression (14), un compresseur haute pression (16), une chambre annulaire de combustion (18), une turbine haute pression (20), une turbine basse pression (22), et un carter d’échappement (1), le compresseur haute pression (16) et la turbine haute pression (20) comportant des rotors reliés ensemble par un arbre haute pression (6), le compresseur basse pression (14) et la turbine basse pression (22) comportant des rotors reliés ensemble par un arbre basse pression (2) qui traverse axialement l’arbre haute pression (6), caractérisée en ce qu’elle comporte une pluralité de machines électriques (5) installées à l’intérieur dudit carter d’échappement (1) et entraînées par ledit arbre basse pression (2), les machines électriques (5) étant disposées autour de l’arbre basse pression (2). Turbomachine (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l’arbre basse pression (2) est équipé d’une roue dentée (7) accouplée à des transmissions reliées auxdites machines électriques (5). Turbomachine (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que les transmissions correspondent à des multiplicateurs configurés pour que la vitesse de rotation de chaque machine électrique (5) soit supérieure à la vitesse de rotation de l’arbre basse pression (2). Turbomachine (10) selon l’une des revendications 2 à 3, caractérisée en ce que chaque transmission comprend un ou plusieurs pignons (21, 8, 9). Turbomachine (10) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le(s) pignon(s) (21, 8, 9) est(sont) à denture droite, et les machines électriques (5) s’étendent selon des axes parallèles à un axe longitudinal (28) de l’arbre basse pression (2). Turbomachine (10) selon la revendication 4, caractérisée en ce que le(s) pignon(s) (21, 8, 9) est(sont) à denture conique, et les machines électriques (5) s’étendent selon des axes qui forment un angle par rapport à un axe longitudinal (28) de l’arbre basse pression (2). Turbomachine (10) selon l’une des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que les machines électriques (5) sont réparties spatialement de façon régulière autour de la périphérie de la roue dentée (7). Turbomachine (10) selon l’une des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que chaque transmission comprend un seul pignon (21) directement engrené avec la roue dentée (7), le pignon (21) étant relié à la machine électrique (5) correspondante. Turbomachine (10) selon l’une des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que chaque transmission comprend un premier étage de pignon (8) engrené avec la roue dentée (7), et un second étage de pignon (9) engrené avec le premier étage de pignon (8), le second étage de pignon (9) étant relié à la machine électrique (5) correspondante. Turbomachine (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le carter d’échappement (1) est de forme conique ou tronconique. Turbomachine (10) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les machines électriques (5) sont des générateurs électriques. Procédé de production d’énergie électrique dans une turbomachine (10) d’aéronef par prélèvement de puissance mécanique sur un arbre basse pression (2) de la turbomachine (10), cette dernière comprenant une pluralité de machines électriques (5) installées à l’intérieur d’un carter d’échappement (1) et entraînées mécaniquement par ledit arbre basse pression (2), lesdites machines électriques (5) étant disposées autour de l’arbre basse pression (2), la puissance mécanique de rotation de l’arbre basse pression (2) étant convertie en puissance électrique par les machines électriques (5).