Brevet FR3152291A1 — publié le 20250228

Système (10) d’injection de couple à réduction et à double sens de rotation, ce système comprenant : - une machine électrique (16) apte à fonctionner comme démarreur et moteur, et de préférence également comme générateur électrique, cette machine électrique (16) comportant un premier arbre (18), - un embrayage (20) comportant une première partie (20a) accouplée au premier arbre (18), et une seconde partie (20b), - une boîte d’engrenages (22) comportant au moins un pignon (24) accouplé à un second arbre (14), - un réducteur mécanique (26) planétaire accouplé au premier arbre (18) par l’intermédiaire d’un roue libre (38), et - un corps de liaison (40) accouplé au réducteur (26), ce corps de liaison (40) comportant une première extrémité (40a) accouplée à la seconde partie (20b) de l’embrayage (20), et une seconde extrémité (40b) qui est reliée audit pignon (24) de la boite d’engrenages (22). Figure pour l'abrégé : Figure 1 SYSTEME D’INJECTION DE COUPLE A REDUCTION ET A DOUBLE SENS DE ROTATION DANS UNE TURBOMACHINE Domaine technique de l'invention L'invention concerne un système d’injection de couple à réduction et à double sens de rotation dans une turbomachine, ce système permettant par exemple une assistance mécanique d’un arbre en rotation. Arrière-plan technique L’arrière-plan technique comprend notamment les documents FR-A1-2 952 677, FR-A1-3 045 759 et FR-A1-3 109 418. De manière connue, une turbomachine comporte une chambre de combustion dans laquelle de l’air et du carburant sont mélangés avant d’y être brûlés. Les gaz issus de cette combustion s’écoulent vers l’aval de la chambre de combustion et alimentent ensuite une turbine haute pression et une turbine basse pression. Une turbomachine comportant généralement un à deux générateurs électriques connectés mécaniquement à l’arbre de la turbine haute pression (arbre HP). Ces générateurs sont généralement montés sur une boite d’engrenage (ou AGB, qui est l’acronyme de Accessory GearBox ) située à l’extérieur du moteur. Les générateurs électrique peuvent être à vitesse de rotation fixe (du type IDG, qui est l’acronyme de Integrated Drive Generator ). Un générateur de ce type est associé à un système mécanique de réduction différentiel qui fait que, quelle que soit la vitesse de l’arbre HP, le générateur tourne toujours à vitesse constante. Les générateurs électrique peuvent aussi être à fréquence variable (du type VFG, qui est l’acronyme de Variable Frequency Generator ). Dans ce cas, le générateur est mécaniquement lié à l’arbre HP via une chaine de réduction fixe, qui fait que la vitesse de rotation du générateur est toujours proportionnelle à celle de l’arbre. Dans une turbomachine électrifiée, on peut utiliser un démarreur-générateur électrique à fréquence variable (du type VFSG, qui est l’acronyme de Variable Frequency Starter Generator ) à la place d’un générateur électrique simple. Cet équipement électrique permet de générer du courant lorsque la turbomachine fonctionne. Il sert aussi de démarreur pour entraîner l’arbre HP et démarrer la turbomachine, et de moteur pour assister mécaniquement l’arbre HP en fonctionnement. L’invention propose un perfectionnement aux technologies existantes, qui permet par exemple une assistance mécanique d’un arbre en rotation, de façon simple, efficace et économique. La présente invention concerne un système d’injection de couple à réduction et à double sens de rotation, en particulier dans ou pour une turbomachine, ce système comprenant : - une machine électrique apte à fonctionner comme démarreur, moteur, et générateur, cette machine électrique comportant un premier arbre ayant un axe de rotation, - un embrayage centré sur l’axe et comportant une première partie accouplée au premier arbre, - une boîte d’engrenages comportant au moins un pignon accouplé à un second arbre, - un réducteur mécanique planétaire centré sur l’axe et comportant un solaire, une couronne et des satellites qui sont engrenés avec le solaire et la couronne, les satellites étant portés par un porte-satellites qui est fixe, le solaire étant accouplé au premier arbre par l’intermédiaire d’une roue libre qui est configurée pour transférer un couple au solaire lorsque le premier arbre est menant et tourne dans un premier sens de rotation et pour ne pas transférer de couple au solaire lorsque le premier arbre est mené ou est menant et tourne dans un second sens opposé de rotation, et - un corps de liaison qui s’étend autour de l’axe et qui est accouplé à ladite couronne, ce corps de liaison comportant une première extrémité accouplée à une seconde partie de l’embrayage, et une seconde extrémité qui est reliée audit pignon de la boite d’engrenages. Une première caractéristique de l’invention est liée au fait que le système comprend une machine électrique apte à fonctionner selon trois modes de fonctionnement, respectivement en mode démarreur, en mode moteur et en mode générateur. La boîte d’engrenages de l’invention est par exemple une AGB. Le réducteur mécanique est du type planétaire dans la mesure où son porte-satellites est fixe, son solaire et sa couronne étant mobiles. Le solaire du réducteur est accouplé au premier arbre par l’intermédiaire de la roue libre, et la couronne du réducteur est accouplée au second arbre par l’intermédiaire de la boîte d’engrenages. Le système avec porte-satellites fixe permet une inversion du sens de rotation en fonction de l’arbre accouplé. Cela permet de continuer à utiliser la machine en mode moteur même si la turbomachine est déjà en fonctionnement. Le système permet d’utiliser la machine dans ses deux sens de rotation tout en permettant au rotor de la turbomachine de tourner dans un seul sens. La présente invention concerne ainsi un système de réduction mécanique à double sens de rotation permettant l’assistance mécanique d’un arbre en rotation dans un sens avec un premier rapport de réduction, et le prélèvement et l’injection de puissance mécanique sur ce même arbre dans l’autre sens de rotation avec un autre rapport de réduction. Le rapport de réduction entre la machine et le second arbre dépend ainsi du sens de rotation du premier rotor de la machine, ainsi que de la vitesse d’entrainement du second arbre. Le système selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres, ou en combinaison les unes avec les autres : l’embrayage est du type centrifuge et est configuré pour transférer un couple lorsque son arbre moteur a une vitesse de rotation supérieure ou égale à un seuil prédéterminé, et pour ne pas transférer de couple lorsque cette vitesse est inférieure à ce seuil ; par exemple, sous l’effet de la force centrifuge découlant de la rotation de l’arbre menant, des patins liés à cet arbre se plaquent contre l’arbre mené et entrainent une liaison mécanique par friction ; l’embrayage est commandé par un boîtier électronique, tel qu’un calculateur ; l’embrayage est du type magnétique. La présente invention concerne également une turbomachine d’aéronef, comportant un générateur de gaz et un système tel que décrit ci-dessus, le générateur de gaz comprenant au moins un compresseur, une chambre annulaire de combustion équipée d’au moins un bougie d’allumage, et au moins une turbine comportant un arbre qui est accouplé au second arbre de la boîte d’engrenages ou qui forme ce second arbre. La présente invention concerne en outre un procédé de fonctionnement d’une turbomachine telle que décrite ci-dessus, comprenant les modes suivants : a) en mode démarrage, la machine électrique fonctionne comme démarreur et le premier arbre tourne dans un premier sens de rotation et entraîne le second arbre dans un second sens contraire de rotation par l’intermédiaire de la roue libre, du réducteur et du corps de liaison, b) en mode de production d’énergie, la machine électrique fonctionne comme générateur et le premier arbre est entrainé par le second arbre, dans le second sens de rotation, par l’intermédiaire du corps de liaison et de l’embrayage, et c) en mode d’assistance, la machine électrique fonctionne comme moteur et le premier arbre tourne dans le second sens de rotation et fournit un couple au second arbre par l’intermédiaire de l’embrayage et du corps de liaison. Dans le cas où le système comprend un boîtier électronique tel qu’évoqué ci-dessus, ce boîtier électronique commande une ouverture de l’embrayage en mode démarrage, et un verrouillage de l’embrayage en mode de production d’énergie et d’assistance en particulier dès l’activation de ladite au moins une bougie d’allumage par exemple. 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 : FIG. 1 La FIG. 1 est une vue très schématique d’un système selon l’invention d’injection de couple à réduction et à double sens de rotation, FIG. 2 La FIG. 2 est une vue du système de la FIG. 1 , fonction selon un mode démarreur, FIG. 3 La FIG. 3 est une vue du système de la FIG. 1 , fonction selon un mode générateur, FIG. 4 La FIG. 4 est une vue du système de la FIG. 1 , fonction selon un mode moteur, et FIG. 5 La FIG. 5 est une vue très schématique d’une variante de réalisation d’un système selon l’invention d’injection de couple à réduction et à double sens de rotation. Description détaillée de l'invention Les figures 1 à 4 représentent un premier mode de réalisation d’un système 10 selon l’invention d’injection de couple à réduction et à double sens de rotation. Ce système 10 est destiné à équiper une turbomachine d’aéronef 12 qui comprend typiquement un générateur de gaz comportant au moins un compresseur, une chambre annulaire de combustion équipée d’au moins un bougie d’allumage, et au moins une turbine. La turbine comporte un rotor qui entraine directement ou indirectement un arbre, qui est appelé second arbre 14 dans le cadre de la présente invention. Préférentiellement, le rotor de la turbine entraîne un rotor du compresseur. Préférentiellement, le rotor de la turbine entraine le second arbre 14 par l’intermédiaire d’une boîte d’engrenages (par exemple du type AGB) via un arbre de transmission de puissance (par exemple du type RDS, acronyme de Radial Drive Shaft ). Dans le cas où la turbomachine serait un turboréacteur à double flux, l’arbre de turbine et donc le second arbre 14 serait un arbre de turbine haute pression. La turbine et le rotor seraient alors respectivement une turbine haute pression et le rotor haute pression. Le système 10 comprend : - une machine électrique 16 apte à fonctionner comme démarreur, moteur, et générateur, cette machine électrique comportant un premier arbre 18 ayant un axe de rotation A, - un embrayage 20 centré sur l’axe A et comportant une première partie 20a accouplée au premier arbre 18, et une seconde partie 20b, - une boîte d’engrenages 22, par exemple du type AGB, comportant au moins un pignon 24 accouplé au second arbre 12, - un réducteur mécanique 26 du type planétaire centré sur l’axe A, et comportant un solaire 30, une couronne 32 et des satellites 34 qui sont engrenés avec le solaire 30 et la couronne 32, les satellites 34 étant portés par un porte-satellites 36 qui est fixe, le solaire 30 étant accouplé au premier arbre 18 par l’intermédiaire d’une roue libre 38, et - un corps de liaison 40 qui s’étend autour de l’axe A et qui est accouplé à la couronne 32, ce corps de liaison 40 comportant une première extrémité 40a accouplée à la seconde partie 20b de l’embrayage 20, et une seconde extrémité 40b qui est reliée au pignon 24 de la boite d’engrenages 22. La roue libre 38 est configurée pour transférer un couple lorsque le premier arbre 18 est menant (l’arbre 18 et le solaire 30 tournent dans le même sens et la vitesse de rotation de l’arbre 18 est égale à la vitesse de rotation du solaire 30) et tourne dans un premier sens de rotation, par exemple anti-horaire, et pour ne pas transférer de couple lorsque le premier arbre 18 est mené (l’arbre 18 et le solaire 30 tournent dans le même sens mais la vitesse de rotation de l’arbre 18 est inférieure à la vitesse de rotation du solaire 30) ou est menant et tourne dans un second sens opposé de rotation, par exemple horaire. La roue libre 38 peut être du type tel que décrit dans le document FR-A1-3 045 762 par exemple. De préférence, la roue libre 38 est propre à passer spontanément d'une configuration bloquée pour transmettre du couple à une configuration débloquée, empêchant la transmission de couple. Lorsque la différence de vitesse entre l’arbre 18 et le solaire 30 est nulle, la roue libre 38 se bloque et transmet le mouvement de rotation de l’arbre 18 vers le solaire par exemple. Au contraire, lorsque la différence de vitesse entre l’arbre 18 et le solaire 30 est non nulle, la roue libre bascule dans sa configuration débloquée. Le mouvement de rotation de l’arbre 18 n'est pas transmis au solaire 30. Le couple transmis à travers la roue libre 38 est alors sensiblement nul. L’embrayage 20 est par exemple du type centrifuge et est configuré pour transférer un couple lorsque sa première ou sa seconde partie 20a, 20b a une vitesse de rotation supérieure ou égale à un seuil prédéterminé, et pour ne pas transférer de couple lorsque cette vitesse est inférieure à ce seuil. Le choix des rapports de réduction entre le premier arbre 18 et le corps de liaison 40 est à la portée de l’homme du métier et dépend de la conception de la turbomachine, de la machine 16 et des couples ou vitesses de rotation désirés. Ainsi, dans l’exemple présenté, il y a un rapport de réduction dans le premier sens de rotation de la machine 16 avec les satellite 34, et une prise directe dans le second sens de rotation. On peut choisir une conception avec un rapport de réduction également dans le second sens de rotation. On peut choisir également d’implémenter un ou plusieurs niveaux de satellites 34 dans le réducteur 26. Avantageusement, la machine 16 est dimensionnée par le couple de démarrage lorsque la turbomachine est à l’arrêt ou à vitesse de rotation nulle et par l’amplitude des vitesses de rotation de la machine ou par la puissance électrique en mode générateur. Le point de dimensionnement est par exemple le point maximal entre ces deux cas. Pour éviter de surdimensionner la machine, l’idée est de permettre une augmentation de la vitesse de rotation de la machine (ou une réduction du couple) au démarrage c’est-à-dire lorsque la vitesse de l’arbre de la turbomachine est faible, puis de diminuer la vitesse de la machine lorsque la turbomachine tourne à haut régime. On réduit ainsi le couple au démarrage et l’amplitude des vitesses de rotation. Le système 10 peut fonctionner selon trois modes distincts qui sont décrits dans ce qui suit en référence aux figures 2 à 4. La FIG. 2 illustre le fonctionnement de la machine en mode démarrage ou démarreur. La machine électrique 16 fonctionne comme démarreur et le premier arbre 18 tourne dans un premier sens de rotation (flèche F1) et entraîne le second arbre dans un second sens contraire de rotation (flèche F2) par l’intermédiaire de la roue libre 38, du réducteur 26 et du corps de liaison 40. Dans ce premier mode, le corps de liaison 40 ne tourne pas ou tourne faiblement. L’embrayage centrifuge 20 est désactivé. Il n’y a pas de transmission directe de couple entre la machine 16 et le corps de liaison 40. On peut piloter la machine 16 pour tourner dans le sens de rotation de la flèche F1. La roue libre 38 transmet le couple au solaire 38, qui entraine les satellites 30 puis le corps de liaison 40. Il y a, via la chaine d’engrenages, un rapport de réduction qui permet de démultiplier le couple transmis par la machine 16 et de faire tourner rapidement celle-ci. Le second arbre 14 peut donc tourner dans le sens de rotation de la flèche F2 jusqu’à une vitesse de démarrage comprise entre 0% et 50% environ de la vitesse maximale du second arbre (tel que l’arbre HP), par exemple. L’allumage de la chambre de combustion via les bougies peut avoir lieu et par exemple lors du passage de la turbomachine vers le régime de ralenti, l’injection de puissance est coupée dans la machine 16. La roue libre 38 ne transmet plus de couple et devient libre. Sous l’effet de la combustion, le second arbre 14 se met à accélérer pour passer de 50% à 70% de régime environ toujours dans le sens de rotation de la flèche F2 (régime de ralenti). Avant d’arriver au ralenti, l’embrayage centrifuge 20 s’enclenche : il y a donc une liaison mécanique directe sans rapport de réduction entre le premier arbre 18 et le corps de liaison 40. Cet arbre 18 tourne maintenant dans le sens de rotation de la flèche F2. La liaison mécanique entre les arbres 18, 14 permet donc maintenant de transmettre du couple dans un sens ou dans l’autre entre les arbres 18, 14. La FIG. 3 illustre le fonctionnement de la machine en mode de production d’énergie, en particulier électrique. La machine électrique 16 fonctionne comme générateur et le premier arbre 18 est entrainé par le second arbre 14, dans le second sens de rotation de la flèche F2. La FIG. 4 illustre le fonctionnement de la machine en mode d’assistance de la turbomachine. La machine électrique 16 fonctionne comme moteur et le premier arbre tourne dans le second sens de rotation et fournit un couple au second arbre 14 par l’intermédiaire de l’embrayage 20 et du corps de liaison 40. La variante de la FIG. 5 diffère du précédent mode de réalisation essentiellement par le type d’embrayage utilisé. L’embrayage 20 est ici du type magnétique ou électromagnétique et est commandé par un boîtier électronique 50, tel qu’un calculateur et en particulier le calculateur de la turbomachine ou de l’aéronef. Un embrayage magnétique ou électromagnétique comprend par exemple un stator qui contient une bobine constituée de fils de cuivre et surmoulée d'une résine synthétique. L‘embrayage est actif lorsqu’une tension est appliquée aux bornes de la bobine. Le champ magnétique généré attire l‘armature contre le moyeu côté entrée par l‘intermédiaire de la garniture de friction. Il y a alors transmission du couple entre l‘entrée et la sortie. Lorsque la bobine n‘est plus alimentée, le moyeu côté sortie n‘est plus en liaison avec le moyeu côté entrée. Un ressort de rappel permet par exemple d’amener l‘armature en position de repos, c‘est-à-dire sans liaison avec le moyeu côté entrée. Le boîtier électronique 50 commande une ouverture de l’embrayage en mode démarrage, et un verrouillage de l’embrayage en modes de production d’énergie et d’assistance en particulier dès l’activation de la bougie d’allumage par exemple. La présente invention permet de démultiplier le couple de la machine 16 et d’augmenter sa vitesse de rotation lors des phases de démarrage où le couple résistif de la turbomachine est très élevé et les vitesses de rotation très faibles. Cela permet de ne pas surdimensionner la machine 16 pour passer les couples de démarrage. De même, cette solution permet de réduire les plages de vitesse de fonctionnement de la machine 16, ce qui permet d’optimiser sa conception Ce concept s’applique par exemple pour une turbomachine dont : la plage de rapport de réduction du réducteur 26 va de 0 à 10 entre l’arbre 18 et le corps de liaison 40b, la plage de vitesse de rotation de l’arbre 14 va de 0 à 25.000 tours par minute, la plage de vitesse de rotation des satellites 34 va de 0 à 45.000 tours par minute, et la plage de puissance de la machine électrique 16 va de 0 à 1500 kW. Système (10) d’injection de couple à réduction et à double sens de rotation, ce système comprenant : - une machine électrique (16) apte à fonctionner comme démarreur et moteur, et de préférence également comme générateur électrique, cette machine électrique (16) comportant un premier arbre (18) ayant un axe de rotation (A), - un embrayage (20) centré sur l’axe (A) et comportant une première partie (20a) accouplée au premier arbre (18), et une seconde partie (20b), - une boîte d’engrenages (22) comportant au moins un pignon (24) accouplé à un second arbre (14), - un réducteur mécanique (26) planétaire centré sur l’axe (A) et comportant un solaire (30), une couronne (32) et des satellites (34) qui sont engrenés avec le solaire (30) et la couronne (32), les satellites (34) étant portés par un porte-satellites (36) qui est fixe, le solaire (30) étant accouplé au premier arbre (18) par l’intermédiaire d’une roue libre (38) qui est configurée pour transférer un couple au solaire (30) lorsque le premier arbre (18) est menant et tourne dans un premier sens de rotation (F1) et pour ne pas transférer de couple au solaire (30) lorsque le premier arbre (18) est mené ou est menant et tourne dans un second sens opposé de rotation (F2), et - un corps de liaison (40) qui s’étend autour de l’axe (A) et qui est accouplé à ladite couronne (32), ce corps de liaison (40) comportant une première extrémité (40a) accouplée à la seconde partie (20b) de l’embrayage (20), et une seconde extrémité (40b) qui est reliée audit pignon (24) de la boite d’engrenages (22). Système (10) selon la revendication 1, dans lequel l’embrayage (20) est du type centrifuge et est configuré pour transférer un couple lorsque sa première ou sa seconde partie (20a, 20b) a une vitesse de rotation supérieure ou égale à un seuil prédéterminé, et pour ne pas transférer de couple lorsque cette vitesse est inférieure à ce seuil. Système (10) selon la revendication 1, dans lequel l’embrayage (20) est commandé par un boîtier électronique (50), tel qu’un calculateur. Système (10) selon la revendication 1 ou 3, dans lequel l’embrayage (20) est du type magnétique. Turbomachine d’aéronef, comportant un générateur de gaz et un système (10) selon l’une des revendications précédentes, le générateur de gaz comprenant au moins un compresseur, une chambre annulaire de combustion équipée d’au moins un bougie d’allumage, et au moins une turbine comportant un arbre qui est accouplé au second arbre (14) de la boîte d’engrenages (22) ou qui forme ce second arbre (14). Procédé de fonctionnement d’une turbomachine selon la revendication précédente, comprenant les modes suivants : a) en mode démarrage, la machine électrique (16) fonctionne comme démarreur et le premier arbre (18) tourne dans un premier sens de rotation (F1) et entraîne le second arbre (14) dans un second sens contraire de rotation (F2) par l’intermédiaire de la roue libre (38), du réducteur (26) et du corps de liaison (40), b) en mode de production d’énergie, la machine électrique (16) fonctionne comme générateur et le premier arbre (18) est entrainé par le second arbre (14), dans le second sens de rotation (F2), par l’intermédiaire du corps de liaison (40) et de l’embrayage (20), et c) en mode d’assistance, la machine électrique (16) fonctionne comme moteur et le premier arbre (18) tourne dans le second sens de rotation (F2) et fournit un couple au second arbre (14) par l’intermédiaire de l’embrayage (20) et du corps de liaison (40). Procédé selon la revendication 6, le système (10) étant tel que défini à la revendication 3, dans lequel le boîtier électronique (50) commande une ouverture de l’embrayage (20) en mode démarrage, et un verrouillage de l’embrayage (20) en mode de production d’énergie et d’assistance en particulier dès l’activation de ladite au moins une bougie d’allumage par exemple.