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FR3098846A1 - Groupe propulseur configuré pour déconnecter le rotor et le stator d’un moteur électrique - Google Patents

Groupe propulseur configuré pour déconnecter le rotor et le stator d’un moteur électrique Download PDF

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FR3098846A1
FR3098846A1 FR1907948A FR1907948A FR3098846A1 FR 3098846 A1 FR3098846 A1 FR 3098846A1 FR 1907948 A FR1907948 A FR 1907948A FR 1907948 A FR1907948 A FR 1907948A FR 3098846 A1 FR3098846 A1 FR 3098846A1
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FR
France
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rotor
stator
fan
nacelle
propulsion unit
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FR1907948A
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English (en)
Inventor
Olivier Pautis
Jérôme Colmagro
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Airbus Operations SAS
Original Assignee
Airbus Operations SAS
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Publication date
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Abstract

La présente demande concerne un groupe propulseur (10) d’aéronef, dans lequel un rotor (13) d’un moteur électrique (11) est intégré à la soufflante (20) et un stator (12) du moteur électrique (11) est intégré à la nacelle (40), qui est configuré pour prendre une configuration d’accouplement dans laquelle le rotor (13) est dans une position rapprochée du stator (12), et une configuration d’isolement du rotor (13) par rapport au stator (12) dans laquelle le rotor (13) est dans une position éloignée du stator (12) par rapport à la position rapprochée selon une direction parallèle à un axe de rotation (X) de la soufflante (20). Un tel groupe propulseur (10) permet entre autre de prévenir des risques de retour de courant et de feu sur un moteur électrique. Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

Groupe propulseur configuré pour déconnecter le rotor et le stator d’un moteur électrique
L’invention concerne un groupe propulseur d’aéronef.
Elle concerne aussi son implantation dans un aéronef et un aéronef comportant un tel groupe propulseur.
Un aéronef comporte typiquement au moins un fuselage, une voilure comportant généralement deux ailes qui s’étendent de part et d’autre du fuselage, et un empennage.
Un tel aéronef comporte en outre au moins un groupe propulseur ; un des plus communément employés étant un turboréacteur.
Un groupe propulseur peut être implanté dans l’aéronef selon différentes configurations. A titre d’exemples d’implantation courante, un groupe propulseur peut être suspendu sous une aile, par exemple par un mat de support, ou fixé à l’arrière du fuselage, par exemple par un mat, ou encore intégré au niveau de l’empennage.
Un tel groupe propulseur comporte typiquement un moteur, traditionnellement un moteur thermique, dont un arbre de sortie entraîne en rotation une soufflante.
Un tel groupe propulseur comporte aussi une nacelle qui forme un carénage aérodynamique dans lequel la soufflante est généralement contenue.
Toutefois, les développements actuels visent à remplacer les moteurs thermiques par des moteurs électriques.
Par exemple, le document US 2009/0115295 décrit un turboréacteur comportant une nacelle, une soufflante disposée dans un carter fixe faisant partie de la nacelle, un corps haute pression et un corps basse pression entraînant la soufflante, et un générateur électrique agencé dans la soufflante et qui comporte un rotor, intégré à la soufflante et comportant des aimants permanents fixés aux aubes de soufflante, et un stator intégré au carter de soufflante, et le turboréacteur comportant en outre une écope disposée dans le carter de la soufflante pour le refroidissement du stator.
Cependant, il est intéressant de pouvoir isoler le rotor par rapport au stator, par exemple pour permettre de prévenir des risques de retour de courant, par exemple sur un moteur électrique.
L’invention vise alors à proposer un groupe propulseur d’aéronef améliorant au moins en partie les inconvénients précités, menant aussi à d’autres avantages.
A cet effet, est proposé, un groupe propulseur d’aéronef comportant une nacelle, une soufflante disposée dans la nacelle et rotative selon un axe de rotation X, et un moteur électrique qui comporte un rotor intégré à la soufflante et un stator intégré à la nacelle, le groupe propulseur étant configuré pour prendre une configuration d’accouplement dans laquelle le rotor est dans une position rapprochée du stator, et une configuration d’isolement du rotor par rapport au stator dans laquelle le rotor est dans une position éloignée du stator par rapport à la position rapprochée selon une direction parallèle à l’axe de rotation X de la soufflante.
Ainsi, en configuration d’accouplement, un champ magnétique généré par le stator active le rotor, et en configuration d’isolement, le rotor n’est plus entrainé.
Lorsque le rotor est accouplé au stator, la soufflante est entrainée en rotation et produit une poussée. Lorsque le rotor est isolé du stator, la soufflante est libre en rotation, ce qui est aussi désigné par « effet moulin à vent ».
De plus, le groupe propulseur permet ainsi d’empêcher un retour de courant et de limiter des risques d'incendie associés à des fils ou systèmes d'installation électrique.
Dans l’ensemble du présent document, les notions d’amont et d’aval font référence au sens d’écoulement des gaz de propulsion, notamment de l’air, dans le groupe propulseur et notamment dans le conduit que forme sa nacelle.
Le groupe propulseur gagne aussi en compacité puisqu’il n’y a plus de moteur électrique traditionnel indépendant, aussi dénommé EPU (« electrical power unit »), et il gagne aussi en poids puisque la nacelle cumule sa fonction traditionnelle avec celle de stator et les aubes de la soufflante cumulent leur fonction traditionnelle avec celle de rotor.
En outre, un tel groupe propulseur est plus facilement intégré en partie arrière d’un aéronef puisqu’il est possible de se dispenser d’un EPU.
Un tel groupe propulseur permet ainsi en outre d’allouer un espace plus réduit pour le groupe propulseur, notamment lorsque le groupe propulseur est placé en partie arrière d’un aéronef.
Par ailleurs, les liaisons mécaniques, notamment pour attacher le moteur électrique à un aéronef, sont facilitées, en particulier dans une structure arrière d’aéronef.
Par exemple, il est ainsi possible de réduire un effet de bras de levier pouvant exister dans un groupe propulseur à moteur électrique traditionnel entre le moteur électrique et la soufflante et qui pouvait avoir un impact sur l’efficacité globale du groupe propulseur du fait d’une flexion locale.
Un tel groupe propulseur permet aussi une réduction de transfert de charges, notamment dans une partie arrière de fuselage.
De plus, la nacelle permettant de former un stator de dimension (surtout en diamètre) bien plus grande que pour un moteur électrique traditionnel pour un même groupe propulseur, le couple délivré par le moteur électrique selon l’invention est aussi bien plus grand.
En conséquence, la poussée délivrée par la soufflante est augmentée aussi.
Selon un exemple de réalisation intéressant, le groupe propulseur comporte un dispositif de déconnexion du rotor par rapport au stator qui est configuré pour déplacer le rotor par rapport au stator, selon une direction parallèle à l’axe de rotation X de la soufflante, entre la position rapprochée et la position éloignée.
Le dispositif de déconnexion a très peu, voire pas, d’effet néfaste sur la traînée.
Il ne gêne pas des opérations de maintenance qui peuvent être nécessaires sur une aube.
Le dispositif de déconnexion permet aussi d'utiliser un moteur supplémentaire en phase de croisière et de minimiser la perte de traînée dans les autres phases de vol.
Enfin, le BLI (« boundary layer ingestion ») est au moins aussi satisfaisant et il y a une diminution du SFC.
Par exemple, le dispositif de déconnexion du rotor par rapport au stator est configuré pour déplacer la soufflante entre une position amont et une position avale selon une direction parallèle à l’axe de rotation X de la soufflante, la position amont de la soufflante correspondant à la position éloignée du rotor par rapport au stator et la position aval de la soufflante correspondant à la position rapprochée du rotor par rapport au stator.
Par exemple, le dispositif de déconnexion comporte un cylindre et un piston configuré pour coulisser dans le cylindre, et le rotor étant relié au piston.
Par exemple, le cylindre est fixe par rapport à la nacelle.
Par exemple, le stator, et/ou le rotor, est intégré dans une gorge formée dans un carénage aérodynamique interne de la nacelle.
Par exemple, le rotor et/ou le stator est formé par un anneau continu.
Par exemple, la soufflante comporte des aubes qui comportent une partie magnétisée formant le rotor.
Par exemple, le groupe propulseur comporte en outre un élément fusible configuré pour au moins en partie céder lorsque le rotor passe de la position rapprochée du stator à la position éloignée du stator.
Par exemple, le groupe propulseur comporte en outre des aubes fixes.
Par exemple, les aubes fixes sont placées dans la nacelle.
Par exemple, les aubes fixes sont placées en aval de la soufflante.
Est également proposé, selon un autre aspect, une partie arrière d’aéronef comprenant une partie arrière de fuselage et au moins un groupe propulseur d’aéronef comportant au moins une partie des caractéristiques présentées précédemment.
Est également proposé, selon encore un autre aspect, un aéronef comportant une partie arrière telle que décrite précédemment.
L’invention, selon un exemple de réalisation, sera bien comprise et ses avantages apparaitront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, donnée à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
la figure 1 représente en perspective un aéronef selon un exemple de réalisation de l’invention ;
la figure 2 présente schématiquement une coupe d’un groupe propulseur selon un exemple de réalisation de l’invention ;
la figure 3 schématise un exemple de réalisation de dispositif de déconnexion selon l’invention dans une configuration dans laquelle le rotor est accouplé au stator d’un moteur électrique ;
la figure 4 schématise le dispositif de déconnexion de la figure 3 dans une configuration dans laquelle le rotor est déconnecté du stator ;
la figure 5 est une vue en coupe d’un exemple de réalisation d’un groupe propulseur selon un exemple de réalisation de l’invention dans une configuration d’accouplement ;
la figure 6 représente le groupe propulseur de la figure 5 dans une configuration d’isolement ;
la figure 7 présente schématiquement un exemple de montage d’aubes fixes par rapport à un piston d’un dispositif de déconnexion selon un exemple de réalisation de l’invention ;
la figure 8 présente schématiquement un exemple de montage d’une soufflante par rapport à un piston d’un dispositif de déconnexion selon un exemple de réalisation de l’invention.
Les éléments identiques représentés sur les figures précitées sont identifiés par des références numériques identiques.
Tel que représenté figure 1, un aéronef 1 comporte typiquement au moins un fuselage 2, une voilure 3 comportant généralement deux ailes 4 qui s’étendent de part et d’autre du fuselage 2, et un empennage 5.
Un tel aéronef comporte en outre au moins un groupe propulseur 10, par exemple ici disposé dans l’aéronef en partie arrière.
Comme illustré schématiquement figure 2, le groupe propulseur 10 comporte principalement une nacelle 40 et une soufflante 20, disposée dans la nacelle 40 et rotative par rapport à un axe de rotation (X).
La nacelle 40 du groupe propulseur est par exemple liée à la partie arrière du fuselage.
La nacelle 40 comporte un carénage aérodynamique externe 41, et un carénage aérodynamique interne 42 qui définissent entre eux une épaisseur 43 de la nacelle (l’épaisseur 43 est donc généralement variable).
En outre, le groupe propulseur 10 comporte ici un moteur électrique 11 qui comporte un stator 12 et un rotor 13.
Ici, le rotor 13 est intégré à la soufflante 20 et le stator 12 est intégré à la nacelle 40.
Pour intégrer le stator 12 à la nacelle 40, la nacelle 40 comporte par exemple une gorge 44, formée dans le carénage aérodynamique interne 42.
Par exemple, le stator est formé par un anneau qui est intégré au moins en partie dans l’épaisseur 43 de la nacelle 40.
Avantageusement, l’anneau formant le stator 12 comporte une surface périphérique intérieure 120 qui est dans le prolongement du carénage aérodynamique interne 42 afin de limiter un potentiel effet néfaste sur les propriétés aérodynamiques d’un écoulement d’air dans la nacelle.
La soufflante 20 comporte ici le rotor 13.
Par exemple, la soufflante 20 comporte une partie magnétisée qui forme le rotor 13.
Par exemple, la soufflante 20 comporte typiquement des aubes 21 qui sont reliées à un moyeu 22 d’une part, et présentent une extrémité libre 23 d’autre part. Les extrémités libres 23 des aubes 21 définissent ainsi une périphérie de la soufflante.
Avantageusement, au moins certaines des aubes 21 de la soufflante 20 comportent une partie magnétisée ; et plus particulièrement l’extrémité libre des aubes 21 de la soufflante 20 comporte une partie magnétisée.
Selon un premier exemple, le rotor 13 est formé par un anneau qui est en périphérie de la soufflante 20.
Et par exemple, l’anneau formant le rotor 13 est fixé sur les extrémités libres 23 des aubes 21 de la soufflante 20.
Selon un deuxième exemple, le rotor 13 est discontinu et est formé par l’ensemble des parties magnétisées d’aubes 21 de la soufflante 20.
Comme le montre la figure 2, le rotor 13 est ici positionné axialement par rapport au stator 12, et non pas radialement comme dans les agencements décrits dans le document US 2009/0115295 susmentionné.
En conséquence, au moins la partie magnétisée de la soufflante 20 qui forme le rotor 13 est enfoncée dans l’épaisseur de la nacelle 40, et plus particulièrement au moins la partie magnétisée de la soufflante 20 qui forme le rotor 13 est située dans la gorge 44 de la nacelle 40.
Ainsi, la gorge a ici une largeur 45 au moins égale aux dimensions correspondantes de la soufflante 20 et du stator 12 juxtaposés.
En outre, afin de permettre une déconnexion du stator 12 et du rotor 13, au moins pour des raisons de sécurité, le groupe propulseur est configuré pour prendre une configuration d’accouplement (schématisée figure 3) et une configuration d’isolement du rotor 13 par rapport au stator 12 (schématisée figure 4).
Dans la configuration d’accouplement, le rotor 13 est dans une position rapprochée du stator 12 et un champ magnétique généré par le stator 12 active le rotor 13.
Dans la configuration d’isolement du rotor 13 par rapport au stator 12, le rotor 13 est dans une position éloignée du stator 12 par rapport à la position rapprochée, selon une direction parallèle à l’axe de rotation (X) de la soufflante 20 et le champ magnétique généré par le stator n’est plus suffisant pour activer le rotor.
Autrement dit, une distance entre le rotor 13 et le stator 12 est plus grande en configuration d’isolement qu’en configuration d’accouplement.
Par exemple, le stator correspond à un pôle négatif et le rotor à un pôle positif.
Dans le présent exemple de réalisation, le groupe propulseur 10 comporte un dispositif de déconnexion 60.
Le dispositif de déconnexion 60 est configuré pour déplacer, c’est à dire éloigner ou rapprocher, le rotor et le stator l’un par rapport à l’autre, selon une direction parallèle à l’axe de rotation (X) de la soufflante 20.
Dans le présent exemple de réalisation, le stator 12 est fixe dans la nacelle et le rotor 13 est mobile entre une position rapprochée du stator 12 et une position éloignée du stator 12.
Dans l’exemple de réalisation schématisé sur les figures 2 à 6, la position éloignée est une position en amont de la position rapprochée.
Et plus particulièrement ici, afin de déplacer le rotor 13, le dispositif de déconnexion 60 est configuré pour déplacer la soufflante 20 entre une position aval (schématisée figure 3) et une position amont (schématisée figure 4).
Le dispositif de déconnexion 60 comporte par exemple principalement un piston 61 et un cylindre 62 dans lequel le piston 61 peut coulisser. Il s’agit par exemple d’un système de vérin.
Ainsi ici, le piston 61 est relié axialement de manière fixe à la soufflante 20. Cependant, la soufflante 20 conserve sa mobilité en rotation par rapport au piston 61.
Les figures 5 et 6 présentent un exemple de réalisation d’un groupe propulseur 10.
La mobilité en rotation de la soufflante 20 par rapport au piston 61 est ici représentée par un roulement à billes 63, interposé entre le piston 61 et le moyeu 22 de la soufflante 20. Un exemple de montage de la soufflante 20 sur le piston 61 est par exemple schématisé sur la figure 8.
En revanche, le piston 61 est fixe en rotation, par exemple au moins par rapport au cylindre 62. En outre ici, le cylindre 62 est fixe par rapport à la nacelle 40.
En configuration normale, la soufflante 20 est rapprochée sur stator 12.
Le dispositif de déconnexion 60 est alors par exemple ici dans un état rétracté (figures 3 et 5).
En cas de besoin de déconnexion, la soufflante 20 est éloignée du stator 12.
Le dispositif de déconnexion 60 est alors par exemple ici dans un état déployé (figures 4 et 6).
En se déplaçant, la soufflante 20 coulisse alors dans la gorge 44.
Selon une option intéressante, la nacelle 40 comporte par exemple un élément fusible 46.
L’élément fusible désigne ici un élément flexible, ou cassable par exemple, ou encore un actuateur.
L’élément fusible 46 est par exemple ici configuré pour réaliser un prolongement du carénage aérodynamique interne 42 entre une extrémité de la gorge 44 et la soufflante 20 lorsque la soufflante 20 est en position rapprochée du stator.
L’élément fusible est ainsi configuré pour maintenir une forme aérodynamique interne et limiter une perte d’efficacité en trainée.
De préférence, il y a un jeu entre l’élément fusible 46 et la soufflante 20 pour éviter une interaction entre l’élément fusible 46 et la soufflante 20.
En outre, l’élément fusible 46 est par exemple configuré pour au moins en partie céder pour laisser la soufflante 20 passer de la position rapprochée du stator à la position éloignée du stator, ou autrement dit quand la soufflante se rapproche de l’extrémité de la gorge.
Ainsi, dans l’exemple de réalisation de la figure 6, la soufflante 20 étant alors en position éloignée du stator, qui est une position amont par rapport à la position rapprochée du stator, l’élément fusible 46 est au moins déformé, voire rompu.
Comme le montrent aussi les figures 5 et 6, selon une autre option intéressante, le groupe propulseur 10 comporte en outre des aubes fixes 50.
Les aubes fixes 50 sont ici placées dans la nacelle 40 en aval de la soufflante 20.
De telles aubes fixes sont par exemple ici configurées pour acheminer des câbles électriques pour amener du courant alternatif à la nacelle 40 par exemple.
Un exemple de montage des aubes fixes 50 par rapport au piston 61 est schématisé sur la figure 7.
En effet, le piston 61 est configuré pour coulisser par rapport aux aubes fixes 50 pour pouvoir déplacer le soufflante 20 au besoin.
Le piston 61 comporte par exemple des ouvertures qui peuvent être traversées par une partie des aubes fixes 50.
Enfin, en aval de la soufflante 20, et des aubes fixes 50 le cas échéant, le groupe propulseur 10 comporte un cône de sortie 30.
Le cône de sortie 30 comporte principalement une paroi 31.
La paroi 31 est ici profilée de manière aérodynamique.
Le cône de sortie 30 comporte en particulier une extrémité pointue 32, appelée « plug » 32.
Le carénage aérodynamique interne 42 et la paroi 31 du cône de sortie 30 définissent entre eux un espace qui forme un conduit pour les gaz de propulsion de l’aéronef, générés par la soufflante 20, c’est-à-dire un flux de poussée. Le conduit a par exemple une section variable.
Autrement dit, la soufflante 20 est installée dans le conduit de la nacelle 40.
L’invention ainsi développée propose une configuration de groupe propulseur 10 d’aéronef, notamment à ingestion de couche limite, destiné à être implanté en partie arrière d’un fuselage 2 d’aéronef 1, comme illustré figure 1.

Claims (10)

  1. Groupe propulseur (10) d’aéronef comportant une nacelle (40), une soufflante (20) disposée dans la nacelle (40) et rotative selon un axe de rotation (X), et un moteur électrique (11) qui comporte un rotor (13) intégré à la soufflante (20) et un stator (12) intégré à la nacelle (40),caractérisé en ce quele groupe propulseur (10) est configuré pour prendre une configuration d’accouplement dans laquelle le rotor (13) est dans une position rapprochée du stator (12), et une configuration d’isolement du rotor (13) par rapport au stator (12) dans laquelle le rotor (13) est dans une position éloignée du stator (12) par rapport à la position rapprochée selon une direction parallèle à l’axe de rotation (X) de la soufflante (20).
  2. Groupe propulseur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif de déconnexion (60) du rotor par rapport au stator qui est configuré pour déplacer le rotor (13) par rapport au stator (12), selon une direction parallèle à l’axe de rotation (X) de la soufflante (20), entre la position rapprochée et la position éloignée.
  3. Groupe propulseur (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de déconnexion (60) du rotor par rapport au stator est configuré pour déplacer la soufflante (20) entre une position amont et une position avale selon une direction parallèle à l’axe de rotation (X) de la soufflante (20), la position amont de la soufflante (20) correspondant à la position éloignée du rotor (13) par rapport au stator (12) et la position aval de la soufflante (20) correspondant à la position rapprochée du rotor (13) par rapport au stator (12).
  4. Groupe propulseur (10) selon l’une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif de déconnexion (60) comporte un cylindre (62) et un piston (61) configuré pour coulisser dans le cylindre (62), et le rotor (13) étant relié au piston (61).
  5. Groupe propulseur (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le stator (12), et/ou le rotor (13), est intégré dans une gorge (44) formée dans un carénage aérodynamique interne (42) de la nacelle (40).
  6. Groupe propulseur (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la soufflante (20) comporte des aubes (21) qui comportent une partie magnétisée formant le rotor (13).
  7. Groupe propulseur (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un élément fusible (46) configuré pour au moins en partie céder lorsque le rotor (13) passe de la position rapprochée du stator (12) à la position éloignée du stator (12).
  8. Groupe propulseur (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comporte en outre des aubes fixes (50) et en ce que les aubes fixes (50) sont placées dans la nacelle (40), en aval de la soufflante (20).
  9. Partie arrière d’aéronef comprenant une partie arrière de fuselage et au moins un groupe propulseur (10) d’aéronef selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
  10. Aéronef comportant une partie arrière selon la revendication 9.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6286361B1 (en) * 1998-01-05 2001-09-11 Rolls-Royce Plc Method and apparatus for remotely detecting pressure, force, temperature, density, vibration, viscosity and speed of sound in a fluid
US20090115295A1 (en) 2007-10-08 2009-05-07 Snecma Turbojet having an electricity generator arranged in its fan
US9714609B2 (en) * 2012-02-16 2017-07-25 Rolls-Royce North American Technologies, Inc. Gas turbine engine and electric machine

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