Brevet FR3150183A1 — publié le 20241227

Turbomachine à hybridation électrique parallèle La turbomachine (10) hybride, notamment pour un aéronef à voilure tournante, comporte un générateur de gaz (13) doté d’un premier arbre (16), au moins une machine électrique (11) munie d’un deuxième arbre (17), et un équipement tournant (15) accouplé à un troisième arbre mécanique (18). La turbomachine hybride (10) comprend en outre un moyen de couplage commutatif (20) configuré pour coupler le troisième arbre mécanique (18) avec le premier arbre mécanique (16) ou le deuxième arbre mécanique (17) en fonction des phases de fonctionnement du générateur de gaz (13) et de la machine électrique (11). Figure pour l’abrégé : Fig. 2. Turbomachine à hybridation électrique parallèle La présente invention se rapporte au domaine général des turbomachines aéronautiques et plus particulièrement des turbomachines aéronautiques à turbine libre possédant un certain niveau d’hybridation électrique parallèle. L’invention concerne plus particulièrement l’ensemble de lubrification et de refroidissement des systèmes de propulsions tels que la turbine à gaz, la machine électrique et la commande du pas d’hélice. Un turbomoteur à turbine libre pour hélicoptère comporte généralement un générateur de gaz et une turbine libre entraînée en rotation par le flux de gaz généré par le générateur de gaz, ainsi qu’une machine électrique réversible qui peut être couplée au générateur de gaz notamment pour mettre en rotation le générateur de gaz lors d'une phase de démarrage du turbomoteur. Traditionnellement, le générateur de gaz comporte au moins un compresseur et une turbine couplés en rotation. Le principe de fonctionnement est le suivant : l'air frais entrant dans le turbomoteur est comprimé du fait de la rotation du compresseur avant d'être envoyé vers une chambre de combustion où il est mélangé à un carburant. Les gaz brûlés lors de la combustion sont ensuite évacués à grande vitesse. Il se produit alors une première détente dans la turbine du générateur de gaz, durant laquelle cette dernière extrait l'énergie nécessaire à l'entraînement du compresseur. La turbine du générateur de gaz n'absorbe pas toute l'énergie cinétique des gaz brûlés et l'excédent d'énergie cinétique correspond au flux de gaz généré par le générateur de gaz. Ce dernier fournit donc de l'énergie cinétique à la turbine libre de sorte qu'il se produit une seconde détente dans la turbine libre qui transforme cette énergie cinétique en énergie mécanique afin d'entraîner un organe récepteur, tel le rotor de l'hélicoptère. Sur des architectures classiques de turbomachines comprenant un générateur de gaz et une turbine libre (Basse Pression ou BP) entrainant l’élément propulsif, la pompe à huile permettant de lubrifier et refroidir les éléments tournants est connectée au générateur de gaz (typiquement en étant entraînée par un arbre haute pression via une boite d’accessoires), afin de pouvoir fonctionner dès son démarrage. Sur certaines applications, on retrouve également une pompe à huile sur la ligne d’entrainement basse pression pour lubrifier certains éléments de cette ligne basse pression, comme des pignons ou des roulements par exemple, lorsque qu’elle est en rotation. Sur un turbomoteur à turbine libre, la ligne d’entrainement basse pression est liée à la turbine libre et au rotor principal. Dans certaines phases, par exemple lorsque le générateur de gaz est coupé, la ligne d’entrainement basse pression peut continuer à tourner du fait de l’inertie du rotor principal. Et cela, alors que la pompe à huile principale pour le circuit haute pression s’arrête avec l’arrêt du générateur de gaz. Il existe donc un potentiel besoin de lubrification de la ligne basse pression que la pompe à huile principale ne peut plus assurer sur cette courte phase étant donné qu’elle n’est plus alimentée en puissance mécanique. Il est connu du document FR 2929324 A1 une turbomachine à turbine libre dotée d’un dispositif pour réaliser une commutation de couplage entre le générateur de gaz et la turbine libre. Le dispositif de commutation décrit dans ce document utilise deux roues libres, permettant de démarrer le générateur de gaz d’un turbomoteur à turbine libre, puis de générer l’énergie électrique non propulsive en prélevant l’énergie mécanique sur l’arbre de turbine libre. Il est également connu du document FR 3115812 A1 une turbomachine à turbine libre comprenant un autre dispositif de commutation de couplage entre le générateur de gaz et la turbine libre avec une seule roue libre. Par ailleurs, dans le cadre d’une turbomachine hybride parallèle, certaines phases de fonctionnement (comme par exemple une phase de décollage ou de croisière) se font en propulsion purement électrique (100% électrique) avec le générateur de gaz éteint ou au ralenti. On peut aussi avoir des fonctionnements purement électriques en cas de panne du générateur de gaz ou en mode taxi électrique. Dans ces cas de propulsion 100% électrique, la pompe à huile connectée au générateur de gaz est inactive. Il est donc habituellement nécessaire d’avoir une autre source d’alimentation en huile, comme par exemple une pompe basse pression, pour refroidir la machine électrique et les éléments tournants des lignes d’arbres en rotation et éventuellement piloter le pas d’une hélice dans le cas d’un turbopropulseur. A cet effet, la présente invention propose une turbomachine hybride comprenant un commutateur d’entraînement mécanique d’un équipement tournant permettant de basculer la source de puissance d’entraînement de l’équipement tournant entre la turbine à gaz et la machine électrique en fonction des phases de fonctionnement de la turbomachine, pour se passer de toute source auxiliaire, et donc réaliser un gain en coût financier, en masse, et en encombrement. Dans un objet de l’invention, il est proposé une turbomachine hybridée électriquement, notamment pour un aéronef à voilure tournante, comportant un générateur de gaz doté d’un premier arbre mécanique, au moins une machine électrique, de préférence réversible, munie d’un deuxième arbre mécanique, et un équipement tournant accouplé à un troisième arbre mécanique. Selon une caractéristique technique de l’invention, la turbomachine comprend un moyen de couplage commutatif configuré pour coupler le troisième arbre mécanique avec le premier arbre mécanique ou le deuxième arbre mécanique en fonction des phases de fonctionnement du générateur de gaz et de la machine électrique. Le moyen de couplage commutatif permet ainsi de basculer l’entraînement de l’équipement tournant du générateur de gaz à la machine électrique et inversement en fonction des phases de fonctionnement de la turbomachine. L’invention permet ainsi d’éviter de dédoubler l’équipement tournant ayant besoin d’une source de puissance mécanique, et ainsi d’éviter des coûts supplémentaires, et un encombrement et une masse plus importants. En effet l’invention permet ainsi d’éviter d’avoir un premier équipement tournant couplé à la turbine à gaz et un second équipement tournant identique au premier équipement tournant couplé à la machine électrique pour s’assurer d’avoir toujours le premier ou le second équipement tournant en fonctionnement quel que soit la phase de fonctionnement de la turbomachine hybride, et plus particulièrement quelle que soit la source de puissance mécanique en fonctionnement. Dans le cas d’une propulsion purement électrique, la turbine à gaz étant éteinte ou au ralenti, le troisième arbre mécanique raccordé à l’équipement tournant est entraîné par la machine électrique via le moyen de couplage commutatif et le deuxième arbre mécanique. Dans le cas d’une propulsion purement thermique, la machine électrique étant à l’arrêt, le troisième arbre mécanique raccordé à l’équipement tournant est entrainé par la turbine à gaz via le moyen de couplage commutatif et le premier arbre mécanique. Dans le cas d’une propulsion hybride, c’est-à-dire dans un cas où la turbine à gaz et la machine électrique sont en fonctionnement, le troisième arbre mécanique raccordé à l’équipement tournant est entraîné par la source de puissance mécanique transmettant la grande vitesse entre la machine électrique et la turbine à gaz, modulo d’éventuels réducteurs de vitesse inclus dans le moyen de couplage commutatif et pouvant être couplés au premier arbre mécanique et au deuxième arbre mécanique. Lorsque la turbomachine hybride est pour un aéronef à voilure tournante, la voilure tournante est entraînée soit par la turbine à gaz soit par la machine électrique. Selon un premier aspect de la turbomachine, le moyen de couplage commutatif comprend un premier moyen de couplage unidirectionnel raccordé entre le premier arbre mécanique et le troisième arbre mécanique et un second moyen de couplage unidirectionnel raccordé entre le deuxième arbre mécanique et le troisième arbre mécanique, le premier moyen de couplage unidirectionnel et le second moyen de couplage unidirectionnel étant configurés pour transmettre un couple mécanique uniquement vers le troisième arbre mécanique. Le moyen de couplage unidirectionnel, comme une roue libre par exemple, permet de pouvoir transmettre uniquement dans un sens la puissance entre les deux arbres. Le générateur de gaz ne pourra en aucun cas entrainer la turbine libre. Selon un deuxième aspect de la turbomachine, le moyen de couplage commutatif comprend en outre une roue de couplage comportant un moyeu raccordé au troisième arbre mécanique et des dentures sur sa périphérie couplées au premier moyen de couplage unidirectionnel et au second moyen de couplage unidirectionnel. Selon un troisième aspect de la turbomachine, le premier moyen de couplage unidirectionnel comprend une première roue libre et un premier réducteur de vitesse, et le second moyen de couplage unidirectionnel comprend une seconde roue libre et un second réducteur de vitesse. L’utilisation de réducteur de vitesse avec chacune des roues libres permet d’adapter la vitesse de rotation aux bornes de chaque roue libre et de connecter deux arbres qui ne tournent pas forcement à la même vitesse de rotation. Le rapport de transmission est déterminé par des considérations technologiques ou par des besoins de prise de puissance pour entraîner des accessoires par exemple. Dans un quatrième mode de réalisation de la turbomachine selon l’invention, le moyen de couplage commutatif peut comprendre un coupleur hydraulique ou un embrayage, ou des crabots pilotés. Avantageusement, l’équipement tournant peut être une pompe à huile. L’invention permet ainsi de communaliser la pompe à huile pour réaliser une lubrification ou un refroidissement de la turbine à gaz et de la machine électrique sur les différentes phases de fonctionnement d’une turbomachine hybride avec une seule et même pompe à huile. L’équipement tournant peut également être un groupe de refroidissement ou un alternateur. Dans un cinquième mode de réalisation de la turbomachine selon l’invention, la turbomachine peut comprendre en outre une boîte d’accessoires couplée mécaniquement entre le troisième arbre mécanique en entrée et plusieurs équipements tournants en sortie. Dans un objet de l’invention, il est proposé un aéronef à voilure tournante comprenant au moins une turbomachine telle que définie ci-dessus. La , déjà décrite, est une vue schématique simplifiée d’une turbomachine à turbine libre selon l’état de la technique. La est un schéma d’une turbomachine à turbine libre selon un mode de réalisation de l’invention. Sur la est présentée schématiquement une turbomachine à turbine libre selon l’état de la technique, pour le démarrage, une machine électrique 1 dans un fonctionnement moteur entraîne l’arbre mécanique 2 du générateur de gaz 3, jusqu’à ce que la rotation de celui-ci soit entretenue par la combustion de carburant. L’arbre 8 de la turbine libre 9 étant mécaniquement découplé de l’arbre 2 du générateur de gaz, la machine électrique 1 n’entraîne pas l’arbre 8. La turbine libre 9 est alors entraînée uniquement par le flux gazeux sortant du générateur de gaz. L'entraînement en rotation du compresseur par la machine électrique 1 fonctionnant en moteur permet en effet de faire circuler de l'air dans le compresseur 4 et donc d'amener de l'air comprimé dans la chambre de combustion 5 afin d'initier la combustion. Cette combustion produit alors le flux gazeux permettant d'entraîner la turbine 6 de la turbine à gaz 3 en rotation, à la suite de quoi le compresseur 4 est directement entraîné en rotation par la turbine 6, ce qui signifie que le générateur de gaz 3 fonctionne de manière autonome, traduisant la fin de la phase de démarrage du turbomoteur. Il est connu que les aéronefs, dans lesquels de tels turbomoteurs sont notamment destinés à être intégrés, comportent de nombreux composants électriques qu'il est nécessaire d'alimenter par de l'énergie électrique. Par exemple, pour un aéronef à décollage et atterrissage vertical ayant une propulsion électrique, il est nécessaire d'alimenter en énergie électrique l’ensemble des rotors électriques qui l'équipent. Sur une turbomachine comme illustré sur la , les équipements, ou accessoires, tels que la pompe à carburant, et la pompe à huile sont mécaniquement reliés à l’arbre 2 du générateur de gaz 3 via une boite d’accessoires. Une fois la phase de démarrage terminée, il est connu d’utiliser la machine électrique 1 si celle-ci est réversible dans un mode de fonctionnement générateur pour produire de l’énergie électrique non propulsive (réseau 28V par exemple) pour fournir de l'électricité aux appareillages électriques. La machine électrique 1 génère de l’énergie électrique en prélevant de la puissance mécanique sur l’arbre 2 du générateur de gaz 3, l'énergie cinétique de rotation prélevée sur le générateur de gaz étant transformée en énergie électrique par ladite machine. Cette machine électrique 1 peut être non réversible et constituée d’un simple démarreur, tel qu’un starter, si le besoin de génération électrique n’existe pas. Sur la est présentée schématiquement une turbomachine 10 à turbine libre selon un mode de réalisation de l’invention. La turbomachine 10 comprend une turbine libre (non représentée), un générateur de gaz 11, une machine électrique 12, une pompe à huile 15, un premier commutateur de couplage 13 et un second commutateur de couplage 14. Le générateur de gaz 11 comprend un premier arbre mécanique 16 raccordé mécaniquement au premier commutateur de couplage 13. La machine électrique 12 comprend un deuxième arbre mécanique 17 raccordé au second commutateur de couplage 14. Ce raccordement mécanique entre la machine électrique 12 et le deuxième arbre mécanique 17 peut s’effectuer directement de telle façon que le deuxième arbre mécanique 17 et le rotor de la machine électrique 12 tournent à la même vitesse. Il peut aussi s’effectuer indirectement par l’intermédiaire d’un réducteur de façon à obtenir des vitesses de rotation différentes entre les deux organes, en particulier dans le cas où les vitesses de rotation nominales des deux organes sont prévues différentes. La pompe à huile 15 comprend un troisième arbre mécanique 18 raccordé mécaniquement à une roue de couplage 19, la roue de couplage 19 comportant un moyeu couplé au troisième arbre mécanique 18 et des dentures de couplage sur la périphérie circulaire, les dentures étant couplées au premier commutateur de couplage 13 d’une part et au second commutateur de couplage 14 d’autre part. Le premier commutateur de couplage 13, le second commutateur de couplage 14 et la roue de couplage 19 forment un moyen de couplage commutatif 20. Le premier commutateur de couplage 13 comprend une première roue libre 21 et un premier réducteur 22. Le premier réducteur 22 est raccordé mécaniquement entre la première roue libre 21 et le premier arbre mécanique 16. La première roue libre 21 est mécaniquement couplée entre le premier réducteur 22 et la roue de couplage 19. Le second commutateur de couplage 14 comprend une seconde roue libre 23 et un second réducteur 24. Le second réducteur 24 est raccordé mécaniquement entre la seconde roue libre 22 et le deuxième arbre mécanique 17. La seconde roue libre 23 est mécaniquement couplée entre le second réducteur 24 et la roue de couplage 19. Dans une variante, la pompe à huile pourrait être remplacée par une boîte d’accessoires couplée en entrée au troisième arbre mécanique 18 et en sortie à une pluralité d’accessoires à entraînement mécanique, dont une pompe à carburant par exemple. La turbomachine 10 ainsi configurée permet de basculer facilement d’une source de puissance à l’autre entre le générateur de gaz 11 et la machine électrique 12 sans l’intervention d’une unité électronique de commande. La turbomachine à turbine libre selon la présente invention permet ainsi d’optimiser la masse, le coût et la fiabilité du système de commutation et donc de la turbomachine. Turbomachine (10) hybridée électriquement, notamment pour un aéronef à voilure tournante apte à être entraînée, comportant un générateur de gaz (11) doté d’un premier arbre mécanique (16), au moins une machine électrique (12) munie d’un deuxième arbre mécanique (17), et un équipement tournant (15) accouplé à un troisième arbre mécanique (18), caractérisée en ce q u ’elle comprend un moyen de couplage commutatif (20) configuré pour coupler le troisième arbre mécanique (18) avec le premier arbre mécanique (16) ou le deuxième arbre mécanique (17) en fonction des phases de fonctionnement du générateur de gaz (11) et de la machine électrique (12). Turbomachine (10) selon la revendication 1, dans lequel le moyen de couplage commutatif (20) comprend un premier moyen de couplage unidirectionnel (13) raccordé entre le premier arbre mécanique (16) et le troisième arbre mécanique (18) et un second moyen de couplage unidirectionnel (14) raccordé entre le deuxième arbre mécanique (17) et le troisième arbre mécanique (18), le premier moyen de couplage unidirectionnel (13) et le second moyen de couplage unidirectionnel (14) étant configurés pour transmettre un couple mécanique uniquement vers le troisième arbre mécanique (18). Turbomachine (10) selon la revendication 2, dans lequel le moyen de couplage commutatif (20) comprend en outre une roue de couplage (19) comportant un moyeu raccordé au troisième arbre mécanique (18) et des dentures sur sa périphérie couplées au premier moyen de couplage unidirectionnel (13) et au second moyen de couplage unidirectionnel (14). Turbomachine (10) selon l’une des revendications 2 ou 3, dans lequel le premier moyen de couplage unidirectionnel (13) comprend une première roue libre (21) et un premier réducteur (22) de vitesse, et le second moyen de couplage unidirectionnel (14) comprend une seconde roue libre (23) et un second réducteur (24) de vitesse. Turbomachine (10) selon la revendication 1, dans lequel le moyen de couplage commutatif comprend un coupleur hydraulique ou un embrayage, ou des crabots pilotés. Turbomachine (10) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’équipement tournant est une pompe à huile (15). Turbomachine (10) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’équipement tournant est un groupe de refroidissement ou un alternateur. Turbomachine (10) selon l’une des revendications 1 à 5, comprenant en outre une boîte d’accessoires couplée mécaniquement entre le troisième arbre mécanique (18) en entrée et plusieurs équipements tournants en sortie. Aéronef à voilure tournante comprenant au moins une turbomachine (10) selon l’une des revendications 1 à 8.