FR3132729A1 - Propulsion assembly for aircraft comprising a gas turbomachine and an electric machine with a cooling system comprising a main coupling member and associated method of use - Google Patents
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Abstract
Un ensemble propulsif (1) pour aéronef comportant au moins un organe propulsif (10), une turbomachine à gaz (T) configurée pour entrainer en rotation l’organe propulsif (10), une machine électrique (M), montée, en aval de la turbomachine à gaz (T), comportant un arbre (M1) solidaire en rotation de la turbomachine à gaz (T), la machine électrique (M) étant montée dans une enceinte (2) alimentée par un flux d’air de refroidissement (FR) et au moins un système de refroidissement de la machine électrique (M), monté dans l’enceinte (2), comprenant au moins un organe de ventilation (3), au moins un organe de couplage principal (4) configuré, selon une position de couplage (P1), pour coupler l’arbre (M1) et l’organe de ventilation (3) afin de l’entrainer en rotation et, selon une position de découplage (P2), pour découpler l’arbre (M1) et l’organe de ventilation (3) afin de ne pas l’entrainer en rotation. Figure de l’abrégé : Figure 2 A propulsion unit (1) for an aircraft comprising at least one propulsion member (10), a gas turbine engine (T) configured to drive the propulsion member (10) in rotation, an electric machine (M), mounted downstream of the gas turbine engine (T), comprising a shaft (M1) integral in rotation with the gas turbine engine (T), the electric machine (M) being mounted in an enclosure (2) fed by a flow of cooling air ( FR) and at least one cooling system of the electric machine (M), mounted in the enclosure (2), comprising at least one ventilation member (3), at least one main coupling member (4) configured, according to a coupling position (P1), to couple the shaft (M1) and the ventilation member (3) in order to drive it in rotation and, according to a decoupling position (P2), to decouple the shaft (M1 ) and the ventilation member (3) so as not to cause it to rotate. Figure of the abstract: Figure 2
Description
La présente invention concerne le domaine des ensembles propulsifs pour aéronef, en particulier, un ensemble propulsif comprenant une turbomachine à gaz associée à une machine électrique pouvant fonctionner en moteur pour assurer la propulsion électrique ou en générateur pour alimenter par exemple une batterie électrique ou un réseau électrique de l’aéronef.The present invention relates to the field of propulsion assemblies for aircraft, in particular, a propulsion assembly comprising a gas turbomachine associated with an electric machine which can operate as a motor to provide electric propulsion or as a generator to power for example an electric battery or a network electrical of the aircraft.
De manière connue, en référence à la
L’ensemble propulsif 100 comprend également une machine électrique M, montée, en aval de la turbomachine à gaz T, comportant un arbre, relié au corps basse pression BP ou au corps haute pression HP de la turbomachine à gaz T. Une machine électrique M comporte des composants électriques qui doivent être refroidis au cours de son utilisation. Le refroidissement est particulièrement critique étant donné que la machine électrique M est positionnée à proximité de la veine primaire V1 dont le flux primaire F1, issu de la chambre de combustion, possède une température élevée.The propulsion assembly 100 also comprises an electric machine M, mounted downstream of the gas turbomachine T, comprising a shaft, connected to the low pressure body BP or to the high pressure body HP of the gas turbomachine T. An electric machine M contains electrical components that must be cooled during use. Cooling is particularly critical given that the electric machine M is positioned near the primary stream V1 whose primary flow F1, coming from the combustion chamber, has a high temperature.
A cet effet, il a été proposé de monter la machine électrique M dans une enceinte, 101 par exemple de forme conique appelée « plug », et de l’alimenter par un flux d’air de refroidissement FR issu de la veine secondaire V2, c’est-à-dire, issu du flux secondaire F2 dont la température est plus faible que celle du flux primaire F1.For this purpose, it has been proposed to mount the electric machine M in an enclosure, 101 for example of a conical shape called a "plug", and to supply it with a flow of cooling air FR coming from the secondary stream V2, that is to say, from the secondary flow F2 whose temperature is lower than that of the primary flow F1.
En pratique, le débit du flux d’air de refroidissement FR dépend du débit du flux secondaire F2 qui dépend lui-même du régime de la turbomachine à gaz T. Dans les faits, cela présente un inconvénient étant donné que les besoins en refroidissement de la machine électrique M sont décorrélés du régime de la turbomachine à gaz T.In practice, the flow rate of the cooling air flow FR depends on the flow rate of the secondary flow F2 which itself depends on the speed of the gas turbomachine T. In fact, this presents a disadvantage given that the cooling requirements of the electric machine M are uncorrelated with the speed of the gas turbomachine T.
En outre, le refroidissement d’une machine électrique M doit être réalisé de manière homogène afin d’éviter l’apparition de points chauds. En pratique, les zones de la machine électrique M qui sont éloignées de l’entrée de flux d’air de refroidissement FR dans l’enceinte 101 sont insuffisamment refroidies, ce qui affecte le rendement global de la machine électrique M ou sa plage d’utilisation.In addition, the cooling of an electrical machine M must be carried out evenly in order to avoid the appearance of hot spots. In practice, the zones of the electric machine M which are far from the cooling air flow inlet FR in the enclosure 101 are insufficiently cooled, which affects the overall efficiency of the electric machine M or its operating range. use.
L’invention vise ainsi à éliminer au moins certains de ces inconvénients en proposant un ensemble propulsif permettant un refroidissement optimal d’une machine électrique pour tout régime de fonctionnement de la turbomachine.The invention thus aims to eliminate at least some of these drawbacks by proposing a propulsion assembly allowing optimal cooling of an electric machine for any operating regime of the turbomachine.
L’invention concerne un ensemble propulsif pour aéronef comportant :
- Au moins un organe propulsif configuré pour participer à la propulsion de l’aéronef par accélération d’un flux d’air circulant selon un axe longitudinal d’amont vers l’aval,
- Une turbomachine à gaz configurée pour entrainer en rotation l’organe propulsif, la turbomachine à gaz comprenant un corps basse pression, un corps haute pression et une chambre de combustion, la turbomachine à gaz étant à double flux et comprenant une veine primaire dans laquelle circule un flux primaire issu de la chambre de combustion, et une veine secondaire dans laquelle circule un flux secondaire contournant la chambre de combustion,
- Une machine électrique, montée, en aval de la turbomachine à gaz, comportant un arbre solidaire en rotation de la turbomachine à gaz, la machine électrique étant montée dans une enceinte alimentée par un flux d’air de refroidissement issu de la veine secondaire, et
- Au moins un système de refroidissement de la machine électrique, monté dans l’enceinte, comprenant :
- au moins un organe de ventilation configuré pour être entrainé en rotation dans l’enceinte par l’arbre,
- Au moins un organe de couplage principal configuré, selon une position de couplage, pour coupler l’arbre et l’organe de ventilation afin de l’entrainer en rotation et, selon une position de découplage, pour découpler l’arbre et l’organe de ventilation afin de ne pas l’entrainer en rotation.
- At least one propulsion member configured to participate in the propulsion of the aircraft by accelerating an air flow circulating along a longitudinal axis from upstream to downstream,
- A gas turbomachine configured to rotate the propulsion member, the gas turbomachine comprising a low pressure body, a high pressure body and a combustion chamber, the gas turbomachine being dual flow and comprising a primary vein in which circulates a primary flow coming from the combustion chamber, and a secondary stream in which a secondary flow bypassing the combustion chamber circulates,
- An electric machine, mounted downstream of the gas turbomachine, comprising a shaft integral in rotation with the gas turbomachine, the electric machine being mounted in an enclosure supplied by a flow of cooling air coming from the secondary stream, and
- At least one cooling system for the electric machine, mounted in the enclosure, comprising:
- at least one ventilation member configured to be rotated in the enclosure by the shaft,
- At least one main coupling member configured, according to a coupling position, to couple the shaft and the ventilation member in order to cause it to rotate and, according to an uncoupling position, to decouple the shaft and the member ventilation so as not to cause it to rotate.
Cela permet de manière avantageuse de ventiler de manière forcée et avec un débit d’air suffisant la machine électrique et/ou son enceinte. De manière avantageuse, même lorsque la turbomachine à gaz est éteinte, la machine électrique peut être utilisée comme moteur pour mettre en rotation l’organe de ventilation et refroidir l’enceinte. En outre, grâce à l’organe de couplage principal, la ventilation peut être découplée lors de certaines phases de fonctionnement de la turbomachine à gaz, en particulier, à très haute vitesse et à basse vitesse.This advantageously makes it possible to ventilate the electrical machine and/or its enclosure by force and with sufficient air flow. Advantageously, even when the gas turbomachine is off, the electric machine can be used as a motor to rotate the ventilation member and cool the enclosure. In addition, thanks to the main coupling member, the ventilation can be decoupled during certain operating phases of the gas turbomachine, in particular, at very high speed and at low speed.
Dans l’art antérieur, le flux d’air de refroidissement dépend directement du régime de la turbomachine à gaz. Il en résulte que le débit d’air de refroidissement n’est pas toujours en adéquation avec les besoins de refroidissement. Grâce à l’organe de couplage principal, il est possible de découpler l’organe de ventilation pour l’entrainer à une vitesse de rotation correspondant aux besoins de refroidissement.In the prior art, the cooling air flow depends directly on the speed of the gas turbomachine. As a result, the cooling air flow does not always match cooling needs. Thanks to the main coupling member, it is possible to decouple the ventilation member to drive it at a rotation speed corresponding to the cooling needs.
De manière préférée, l’arbre ayant une vitesse de rotation, l’organe de couplage principal est configuré pour commuter en position de découplage lorsque la vitesse de rotation est supérieure à un seuil haut prédéterminé. Cela permet de protéger l’organe de ventilation qui est susceptible de s’endommager à très haute vitesse. Cela permet d’éviter de recourir à un organe de ventilation lourd et volumineux pouvant être entrainé à haute vitesse.Preferably, the shaft having a rotation speed, the main coupling member is configured to switch to the decoupling position when the rotation speed is greater than a predetermined high threshold. This helps protect the ventilation system which is likely to be damaged at very high speed. This avoids the need for a heavy and bulky ventilation unit that can be driven at high speed.
De préférence, l’arbre ayant une vitesse de rotation, l’organe de couplage principal est configuré pour commuter en position de découplage lorsque la vitesse de rotation est inférieure à un seuil bas prédéterminé. A une faible vitesse de l’arbre, la ventilation forcée est insuffisante. L’organe de couplage principal permet de réaliser un découplage afin de permettre un entrainement indépendant de celui de l’arbre de la machine électrique.Preferably, the shaft having a rotation speed, the main coupling member is configured to switch to the decoupling position when the rotation speed is lower than a predetermined low threshold. At low shaft speed, forced ventilation is insufficient. The main coupling member makes it possible to achieve decoupling in order to enable drive independent of that of the shaft of the electric machine.
De manière préférée, l’organe de couplage principal est choisi parmi l’ensemble comprenant : un visco-coupleur à poudre, un embrayage mécanique à disque, un coupleur centrifuge, une roue libre, un coupleur magnétique, un arbre cannelé couplé à un actionneur longitudinal. Un tel organe de couplage principal permet de commuter de position de manière précise et automatique pour une plage de vitesse prédéterminée.Preferably, the main coupling member is chosen from the set comprising: a powder visco-coupler, a mechanical disc clutch, a centrifugal coupler, a freewheel, a magnetic coupler, a splined shaft coupled to an actuator longitudinal. Such a main coupling member makes it possible to switch position precisely and automatically for a predetermined speed range.
Selon un aspect préféré, le système de refroidissement comporte une source de puissance auxiliaire configurée pour entrainer en rotation l’organe de ventilation de manière indépendante de l’arbre. Ainsi, de manière avantageuse, l’organe de ventilation peut être entrainé en rotation à une vitesse prédéfinie et pilotée par la source auxiliaire lorsque l’arbre est entrainé en rotation à basse vitesse potentiellement insuffisante pour assurer les fonctions optimales de refroidissement.According to a preferred aspect, the cooling system comprises an auxiliary power source configured to rotate the ventilation member independently of the shaft. Thus, advantageously, the ventilation member can be rotated at a predefined speed and controlled by the auxiliary source when the shaft is rotated at low speed which is potentially insufficient to ensure optimal cooling functions.
De préférence, le système de refroidissement comporte un organe de couplage auxiliaire, monté entre la source de puissance auxiliaire et ledit organe de ventilation, configuré, selon une position de couplage, pour coupler la source de puissance auxiliaire et ledit organe de ventilation afin de l’entrainer en rotation et, selon une position de découplage, pour découpler la source de puissance auxiliaire et ledit organe de ventilation afin de ne pas l’entrainer en rotation. Ainsi, l’organe de couplage principal et l’organe de couplage auxiliaire permettent de s’assurer que l’organe de ventilation n’est entrainé que par une source motrice à la fois, ce qui limite le risque d’endommagement.Preferably, the cooling system comprises an auxiliary coupling member, mounted between the auxiliary power source and said ventilation member, configured, in a coupling position, to couple the auxiliary power source and said ventilation member in order to 'rotate and, according to a decoupling position, to decouple the auxiliary power source and said ventilation member so as not to cause it to rotate. Thus, the main coupling member and the auxiliary coupling member ensure that the ventilation member is only driven by one driving source at a time, which limits the risk of damage.
De manière préférée, le système de refroidissement comprend au moins un organe de multiplication, monté entre l’arbre et l’organe de ventilation, configuré pour entrainer en rotation ledit organe de ventilation à une vitesse différente de celle de la vitesse dudit arbre. De manière préférée, l’organe de multiplication possède un coefficient de multiplication supérieur à 1 de manière à accélérer l’organe de ventilation et obtenir des performances de ventilation améliorées. Cela est particulièrement pertinent lorsque l’arbre est entrainé à une vitesse qui est faible.Preferably, the cooling system comprises at least one multiplication member, mounted between the shaft and the ventilation member, configured to rotate said ventilation member at a speed different from that of the speed of said shaft. Preferably, the multiplication member has a multiplication coefficient greater than 1 so as to accelerate the ventilation member and obtain improved ventilation performance. This is particularly relevant when the shaft is driven at a low speed.
Selon un aspect, l’organe de multiplication est monté entre l’organe de couplage principal et l’organe de ventilation. Selon un autre aspect, l’organe de multiplication est monté entre l’arbre et l’organe de couplage principal.According to one aspect, the multiplication member is mounted between the main coupling member and the ventilation member. According to another aspect, the multiplication member is mounted between the shaft and the main coupling member.
De préférence, l’ensemble comprend au moins un organe de couplage global, monté entre l’arbre et la turbomachine à gaz, configuré, selon une position de couplage, pour coupler la turbomachine à gaz à l’arbre pour les solidariser en rotation et, selon une position de découplage, pour découpler la turbomachine à gaz de l’arbre. Un tel organe de couplage global permet de coupler/découpler la machine électrique de la turbomachine à gaz en fonction des besoins. Cela est particulièrement avantageux pour éviter de prélever de la puissance mécanique sur la turbomachine à gaz dans certains modes de fonctionnement.Preferably, the assembly comprises at least one overall coupling member, mounted between the shaft and the gas turbomachine, configured, according to a coupling position, to couple the gas turbomachine to the shaft to secure them in rotation and , according to a decoupling position, to decouple the gas turbomachine from the shaft. Such a global coupling member makes it possible to couple/decouple the electric machine from the gas turbomachine as needed. This is particularly advantageous to avoid drawing mechanical power from the gas turbomachine in certain operating modes.
De préférence, le système de refroidissement comprend au moins un organe de ventilation monté en aval de la machine électrique. Cela permet avantageusement d’engendrer une aspiration du flux d’air de refroidissement tout en maximisant l’utilisation de l’espace disponible dans l’enceinte « plug ». La machine électrique peut ainsi être montée au plus près de la turbomachine à gaz, avec des lignes aérodynamiques plus avantageuses.Preferably, the cooling system comprises at least one ventilation member mounted downstream of the electrical machine. This advantageously makes it possible to generate a suction of the cooling air flow while maximizing the use of the space available in the “plug” enclosure. The electric machine can thus be mounted as close as possible to the gas turbomachine, with more advantageous aerodynamic lines.
De préférence, le système de refroidissement comprend au moins un premier organe de ventilation monté en amont de la machine électrique et au moins un deuxième organe de ventilation monté en aval de la machine électrique. Un tel montage en « tandem » permet d’optimiser l’espace disponible dans l’enceinte tout en permettant une circulation optimale du flux d’air de refroidissement. Cela permet en outre de définir deux étages de compression afin de limiter le taux de compression par étage afin d’éviter de faire fonctionner les étages dans des conditions de fonctionnement dégradées pouvant entrainer un refroidissement suboptimal.Preferably, the cooling system comprises at least one first ventilation member mounted upstream of the electrical machine and at least one second ventilation member mounted downstream of the electrical machine. Such a “tandem” assembly makes it possible to optimize the space available in the enclosure while allowing optimal circulation of the cooling air flow. This also makes it possible to define two compression stages in order to limit the compression rate per stage in order to avoid operating the stages in degraded operating conditions which could lead to suboptimal cooling.
Selon un aspect de l’invention, l’enceinte comprend une paroi de séparation périphérique définissant au moins une sous-enceinte intérieure, dans laquelle est montée la machine électrique, et une sous-enceinte extérieure. Au moins un premier organe de ventilation est monté dans la sous-enceinte extérieure et au moins un deuxième organe de ventilation est monté dans la sous-enceinte intérieure de manière à refroidir de manière optimale chaque sous-enceinte. La sous-enceinte extérieure remplit avantageusement une fonction de barrière thermique en protégeant la sous-enceinte intérieure dans laquelle est montée la machine électrique contre la chaleur issue de la veine primaire.According to one aspect of the invention, the enclosure comprises a peripheral separation wall defining at least one interior sub-enclosure, in which the electrical machine is mounted, and an exterior sub-enclosure. At least one first ventilation member is mounted in the outer sub-enclosure and at least one second ventilation member is mounted in the inner sub-enclosure so as to optimally cool each sub-enclosure. The outer sub-enclosure advantageously fulfills a thermal barrier function by protecting the inner sub-enclosure in which the electrical machine is mounted against the heat coming from the primary vein.
L’invention concerne également un procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif pour aéronef tel que présenté précédemment, l’arbre étant couplé à l’organe de ventilation afin de l’entrainer en rotation, le procédé comprenant une étape consistant à découpler l’organe de ventilation de l’arbre afin de ne pas l’entrainer en rotation. Ainsi, pour certains modes de fonctionnement de l’ensemble propulsif, l’organe de ventilation peut être découplé pour éviter tout risque d’endommagement ou améliorer la ventilation.The invention also relates to a method of using a propulsion assembly for an aircraft as presented previously, the shaft being coupled to the ventilation member in order to cause it to rotate, the method comprising a step consisting of decoupling the ventilation member of the shaft so as not to cause it to rotate. Thus, for certain operating modes of the propulsion assembly, the ventilation member can be decoupled to avoid any risk of damage or improve ventilation.
L’invention concerne en outre un procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif pour aéronef tel que présenté précédemment, l’arbre étant couplé à l’organe de ventilation afin de l’entrainer en rotation, le procédé comprenant des étapes consistant à :
- découpler l’organe de ventilation de l’arbre lorsque la vitesse de rotation de l’arbre est inférieure à un seuil bas prédéterminé
- entrainer en rotation l’organe de ventilation par une source de puissance auxiliaire de manière indépendante de l’arbre.
- decouple the ventilation member from the shaft when the rotation speed of the shaft is lower than a predetermined low threshold
- drive the ventilation member into rotation by an auxiliary power source independently of the shaft.
Ainsi, à basse vitesse, la source de puissance auxiliaire prend le relais de l’arbre pour assurer une ventilation satisfaisante.Thus, at low speed, the auxiliary power source takes over from the shaft to ensure satisfactory ventilation.
L’invention concerne aussi un procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif pour aéronef tel que présenté précédemment, le procédé comprenant des étapes, selon un mode moteur, consistant à :
- découpler l’arbre de la turbomachine à gaz, et
- l’organe de ventilation étant couplé à l’arbre, entrainer en rotation l’organe de ventilation par rotation de l’arbre de manière à refroidir la machine électrique.
- decouple the shaft from the gas turbomachine, and
- the ventilation member being coupled to the shaft, rotate the ventilation member by rotating the shaft so as to cool the electrical machine.
Ainsi, lorsque la turbomachine à gaz est éteinte, la machine électrique peut être utilisée en mode moteur pour refroidir la machine électrique étant donné que le flux d’air de refroidissement, issu du flux secondaire, possède un débit faible.Thus, when the gas turbomachine is off, the electric machine can be used in engine mode to cool the electric machine given that the cooling air flow, coming from the secondary flow, has a low flow rate.
L’invention concerne également un procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif pour aéronef tel que présenté précédemment, le procédé comprenant des étapes, selon un mode générateur, consistant à :
- coupler l’arbre à la turbomachine à gaz de manière à ce que la machine électrique génère de l’énergie électrique, l’organe de ventilation étant découplé de l’arbre.
- couple the shaft to the gas turbomachine so that the electric machine generates electrical energy, the ventilation member being decoupled from the shaft.
Ainsi, lorsque la turbomachine à gaz est en fonctionnement, la machine électrique peut être utilisée en mode générateur pour générer de l’énergie électrique. Aucune puissance mécanique n’est avantageusement prélevée sur l’arbre pour la ventilation afin de maximiser la génération. De manière avantageuse, lorsque la turbomachine à gaz est en fonctionnement le flux d’air de refroidissement, issu du flux secondaire, possède un débit élevé qui est suffisant pour assurer le refroidissement.Thus, when the gas turbomachine is in operation, the electric machine can be used in generator mode to generate electrical energy. No mechanical power is advantageously taken from the shaft for ventilation in order to maximize generation. Advantageously, when the gas turbomachine is in operation the flow of cooling air, coming from the secondary flow, has a high flow rate which is sufficient to ensure cooling.
L’invention concerne un procédé d’utilisation d’un ensemble propulsif pour aéronef tel que présenté précédemment, dans lequel l’arbre de la machine électrique tourne dans des sens opposés en mode générateur et en mode moteur.The invention relates to a method of using a propulsion assembly for an aircraft as presented previously, in which the shaft of the electric machine rotates in opposite directions in generator mode and in motor mode.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d’exemple, et se référant aux figures suivantes, données à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquelles des références identiques sont données à des objets semblables.The invention will be better understood on reading the description which follows, given by way of example, and referring to the following figures, given by way of non-limiting examples, in which identical references are given to similar objects .
La
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La
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Il faut noter que les figures exposent l’invention de manière détaillée pour mettre en œuvre l’invention, lesdites figures pouvant bien entendu servir à mieux définir l’invention le cas échéant.It should be noted that the figures set out the invention in detail to implement the invention, said figures being able of course to be used to better define the invention if necessary.
L’invention concerne un ensemble propulsif pour un aéronef, l’aéronef pouvant comprendre un ou plusieurs ensembles propulsifs pour permettre sa propulsion.The invention relates to a propulsion assembly for an aircraft, the aircraft may comprise one or more propulsion assemblies to enable its propulsion.
En référence à la
En référence à la
Une telle turbomachine à gaz T est connue de l’homme du métier et ne sera pas présentée plus en détails.Such a gas turbomachine T is known to those skilled in the art and will not be presented in further detail.
Selon l’invention, l’ensemble propulsif 1 comprend une machine électrique M, montée, en aval de la turbomachine à gaz T, comportant un arbre M1 solidaire en rotation de la turbomachine à gaz T, en particulier, du corps basse pression BP ou du corps haute pression HP. La machine électrique M est configurée pour fonctionner, d’une part, en mode générateur afin de générer de l’énergie électrique à partir d’un couple mécanique reçu sur son arbre M1 et, d’autre part, en mode moteur pour entrainer l’arbre M1 à partir d’une source électrique (batterie, réseau électrique, etc.). Il va néanmoins de soi que l’invention s’applique à une machine électrique M fonctionnant uniquement selon un mode générateur ou un mode moteur. La structure générale d’une machine électrique M est connue de l’homme du métier et ne sera pas présentée plus en détails. Dans cet exemple, la machine électrique M comporte une partie rotorique mobile, solidaire de l’arbre M1, et une partie statorique fixe (non représentées). Par la suite, l’arbre M1 de la machine électrique M possède une vitesse de rotation VM.According to the invention, the propulsion assembly 1 comprises an electric machine M, mounted downstream of the gas turbomachine T, comprising a shaft M1 integral in rotation with the gas turbomachine T, in particular, with the low pressure body BP or of the HP high pressure body. The electric machine M is configured to operate, on the one hand, in generator mode in order to generate electrical energy from a mechanical torque received on its shaft M1 and, on the other hand, in motor mode to drive the shaft M1 from an electrical source (battery, electrical network, etc.). It nevertheless goes without saying that the invention applies to an electric machine M operating only in a generator mode or a motor mode. The general structure of an electrical machine M is known to those skilled in the art and will not be presented in further detail. In this example, the electric machine M comprises a movable rotor part, secured to the shaft M1, and a fixed stator part (not shown). Subsequently, the shaft M1 of the electric machine M has a rotation speed VM.
En référence à la
De même, il est représenté à la
Dans cet exemple, le flux d’air de refroidissement FR est injecté au niveau d’une partie amont de l’enceinte 2 via une conduite de refroidissement (non représentée) connectée à la veine secondaire V2. La conduite de refroidissement pourrait se présenter sous diverses formes.In this example, the cooling air flow FR is injected at an upstream part of enclosure 2 via a cooling pipe (not shown) connected to the secondary stream V2. The cooling line could come in various forms.
Selon l’invention, en référence aux figures 2 et 3, l’ensemble propulsif 1 comprend un système de refroidissement de la machine électrique M, monté dans l’enceinte 2, qui comprend plusieurs organes de ventilation 3 configurés pour être entrainés en rotation dans l’enceinte 2 par l’arbre M1. Ainsi, le flux d’air de refroidissement FR est accéléré directement dans l’enceinte 2, ce qui permet, d’une part, de favoriser la captation de calories et, d’autre part, de permettre un refroidissement homogène de la machine électrique M indépendamment de la position d’injection du flux d’air de refroidissement FR dans l’enceinte 2.According to the invention, with reference to Figures 2 and 3, the propulsion assembly 1 comprises a cooling system of the electric machine M, mounted in the enclosure 2, which comprises several ventilation members 3 configured to be rotated in enclosure 2 via shaft M1. Thus, the cooling air flow FR is accelerated directly in the enclosure 2, which makes it possible, on the one hand, to promote the capture of calories and, on the other hand, to allow uniform cooling of the electrical machine M independently of the injection position of the cooling air flow FR into enclosure 2.
De manière préférée, les organes de ventilation 3 sont configurés pour accélérer le flux d’air de refroidissement FR de manière périphérique afin de refroidir la surface extérieure de la machine électrique M de manière homogène. Les calories générées par la machine électrique M sont ainsi captées de manière pratique.Preferably, the ventilation members 3 are configured to accelerate the flow of cooling air FR in a peripheral manner in order to cool the exterior surface of the electric machine M in a homogeneous manner. The calories generated by the electric machine M are thus captured in a practical manner.
L’organe de ventilation 3 peut se présenter sous la forme d’un ventilateur, d’une roue aubagée ou d’une pompe.The ventilation member 3 can be in the form of a fan, a bladed wheel or a pump.
Selon l’invention, en référence aux figures 2 et 3, le système de refroidissement comprend un organe de couplage principal 4 configuré :
- selon une position de couplage P1, pour coupler l’arbre M1 et l’organe de ventilation 3 afin de l’entrainer en rotation et,
- selon une position de découplage P2, pour découpler l’arbre M1 et l’organe de ventilation 3 afin de ne pas l’entrainer en rotation.
- according to a coupling position P1, to couple the shaft M1 and the ventilation member 3 in order to cause it to rotate and,
- according to a decoupling position P2, to decouple the shaft M1 and the ventilation member 3 so as not to cause it to rotate.
Un tel organe de couplage principal 4 est avantageux étant donné qu’il permet d’assurer un refroidissement en mode couplage lorsque la vitesse de rotation VM de la machine électrique M est adaptée. Dès que cette vitesse de rotation VM n’est plus adaptée, l’organe de couplage principal 4 permet de réaliser un découplage permettant soit de stopper complètement la rotation de l’organe de ventilation 3, soit d’entrainer l’organe de ventilation 3 à une vitesse de rotation différente de celle de l’arbre M1 et plus adaptée aux besoins de refroidissement de la machine électrique M comme cela sera présenté par la suite.Such a main coupling member 4 is advantageous since it ensures cooling in coupling mode when the rotation speed VM of the electric machine M is adapted. As soon as this rotation speed VM is no longer suitable, the main coupling member 4 makes it possible to carry out a decoupling allowing either to completely stop the rotation of the ventilation member 3, or to drive the ventilation member 3 at a rotation speed different from that of the shaft M1 and more adapted to the cooling needs of the electric machine M as will be presented subsequently.
Grâce à l’organe de couplage principal, la ventilation peut être stoppée lors de certaines phases de fonctionnement de la turbomachine à gaz, en particulier, lors de phases où le régime de l’arbre M1 est trop important ou trop faible.Thanks to the main coupling member, the ventilation can be stopped during certain operating phases of the gas turbomachine, in particular, during phases where the speed of the M1 shaft is too high or too low.
L’organe de couplage principal 4 est de préférence configuré pour se coupler/découpler automatiquement en fonction de la vitesse de l’organe qui l’entraine, en particulier, de l’arbre M1. Ainsi, les étapes de couplage/découplage peuvent être associées de manière pratique à des plages de vitesse pour lesquelles les besoins en flux d’air de refroidissement FR sont différents. De manière préférée, l’organe de couplage principal 4 est choisi parmi l’ensemble comprenant : un visco-coupleur à poudre, un embrayage mécanique à disque, un coupleur centrifuge, une roue libre, un coupleur magnétique.The main coupling member 4 is preferably configured to automatically couple/decouple depending on the speed of the member which drives it, in particular, of the shaft M1. Thus, the coupling/decoupling steps can be conveniently associated with speed ranges for which the cooling air flow requirements FR are different. Preferably, the main coupling member 4 is chosen from the set comprising: a visco-powder coupler, a mechanical disc clutch, a centrifugal coupler, a freewheel, a magnetic coupler.
Comme illustré à la
Toujours en référence à la
Selon une deuxième forme de réalisation, en référence à la
Selon une variante, en référence à la
De manière avantageuse, l’organe de couplage principal 4 et l’organe de couplage auxiliaire 4’ permettent de manière synergique d’entrainer l’organe de ventilation 3 de manière entièrement indépendante. De préférence, lors d’un entrainement par l’arbre M1, l’organe de couplage principal 4 est en position de couplage tandis que l’organe de couplage auxiliaire 4’ est en position de découplage (
De manière préférée, l’organe de couplage auxiliaire 4’ est de même nature que l’organe de couplage principal 4 présenté précédemment. De manière préférée, l’organe de couplage auxiliaire 4’ et l’organe de couplage principal 4 sont configurés pour ne pas être en mode de couplage de manière simultanée. A cet effet, les plages de vitesses associées aux modes de couplage des organes de couplage 4, 4’ sont choisies de manière adaptée.Preferably, the auxiliary coupling member 4' is of the same nature as the main coupling member 4 presented previously. Preferably, the auxiliary coupling member 4' and the main coupling member 4 are configured not to be in coupling mode simultaneously. For this purpose, the speed ranges associated with the coupling modes of the coupling members 4, 4' are chosen appropriately.
En référence aux figures 7 et 8, selon une troisième forme de réalisation, l’ensemble propulsif 1 comprend un organe de multiplication 6, monté entre l’arbre M1 et l’organe de ventilation 3, configuré pour entrainer en rotation ledit organe de ventilation 3 à une vitesse différente de celle de la vitesse dudit arbre M1, de préférence, supérieure. Un tel organe de multiplication 6 permet de manière avantageuse d’augmenter le débit du flux d’air de refroidissement FR tout en utilisant la rotation de l’arbre M1 adaptée au mode de fonctionnement moteur/générateur de la machine électrique M. Cela est particulièrement avantageux lorsque la vitesse de l’arbre M1 est trop faible par rapport aux besoins de refroidissement.With reference to Figures 7 and 8, according to a third embodiment, the propulsion assembly 1 comprises a multiplication member 6, mounted between the shaft M1 and the ventilation member 3, configured to rotate said ventilation member 3 at a speed different from that of the speed of said shaft M1, preferably higher. Such a multiplication member 6 advantageously makes it possible to increase the flow rate of the cooling air flow FR while using the rotation of the shaft M1 adapted to the motor/generator operating mode of the electric machine M. This is particularly advantageous when the speed of the shaft M1 is too low compared to the cooling needs.
Un tel organe de multiplication 6 permet d’obtenir un débit plus important sans recourir à une source de puissance auxiliaire 5. Il va néanmoins de soi qu’une source de puissance auxiliaire 5 pourrait être utilisée avec un organe de multiplication 6, les formes de réalisation étant compatibles ensemble. Dans cette dernière configuration, un montage dit différentiel permet d’entrainer l’organe de ventilation à des régimes indépendants des régimes de l’arbre principal (taux de multiplication variable) et d’assurer une ventilation optimale en tous points du domaine de fonctionnement.Such a multiplication member 6 makes it possible to obtain a greater flow rate without resorting to an auxiliary power source 5. It nevertheless goes without saying that an auxiliary power source 5 could be used with a multiplication member 6, the forms of realization being compatible together. In this last configuration, a so-called differential assembly makes it possible to drive the ventilation unit at speeds independent of the speeds of the main shaft (variable multiplication rate) and to ensure optimal ventilation at all points in the operating range.
L’organe de multiplication 6 peut se présenter sous diverses formes, en particulier, un train épicycloïdal. Un organe de multiplication 6 est associé à un coefficient de multiplication qui est de préférence supérieur à 1. Ce coefficient de multiplication peut être fixe ou variable.The multiplication member 6 can be presented in various forms, in particular, an epicyclic train. A multiplication member 6 is associated with a multiplication coefficient which is preferably greater than 1. This multiplication coefficient can be fixed or variable.
Selon un premier aspect, en référence à la
Selon un deuxième aspect, en référence à la
En référence à la
De manière préférée, lorsque la machine électrique M est en mode générateur, l’organe de couplage global 7 est en position de couplage. Lorsque la machine électrique M est en mode moteur, l’organe de couplage global 7 peut être en position de couplage si la machine électrique M souhaite contribuer à la propulsion ou être en position de découplage si la machine électrique M souhaite fournir un couple non propulsif, en particulier, pour la ventilation comme cela sera présenté par la suite.Preferably, when the electric machine M is in generator mode, the overall coupling member 7 is in the coupling position. When the electric machine M is in motor mode, the overall coupling member 7 can be in the coupling position if the electric machine M wishes to contribute to propulsion or be in the decoupling position if the electric machine M wishes to provide a non-propelling torque , in particular, for ventilation as will be presented later.
Dans les formes de réalisation précédente, l’arbre M1 s’étend uniquement vers l’amont de manière à permettre aux organes de ventilation 3 de s’étendre en amont de la machine électrique M pour la refroidir de manière optimale.In the previous embodiments, the shaft M1 extends only upstream so as to allow the ventilation members 3 to extend upstream of the electrical machine M to cool it optimally.
De manière alternative, en référence à la
Selon une première variante, en référence à la
Selon une deuxième variante, en référence à la
Dans cet exemple, la paroi de séparation périphérique 8 comporte une partie amont 8a et une partie aval 8b qui sont séparées par une fente 80 dans laquelle s’étend l’organe de ventilation 3 qui est monté dans la sous-enceinte extérieure 22 afin de la ventiler.In this example, the peripheral separation wall 8 comprises an upstream part 8a and a downstream part 8b which are separated by a slot 80 in which extends the ventilation member 3 which is mounted in the external sub-enclosure 22 in order to ventilate it.
Sur la
De manière préférée, l’organe de ventilation 3 associé à la sous-enceinte extérieure 22 est monté sur une portion amont de l’arbre M1 de la machine électrique M et l’organe de ventilation 3 associé à la sous-enceinte intérieure 21 est monté sur une portion aval de l’arbre M1 de la machine électrique M afin d’optimiser l’encombrement et la compacité. Néanmoins, il va de soi que les organes de ventilation 3 pourraient être positionnés tous en amont ou tous en aval.Preferably, the ventilation member 3 associated with the outer sub-enclosure 22 is mounted on an upstream portion of the shaft M1 of the electric machine M and the ventilation member 3 associated with the inner sub-enclosure 21 is mounted on a downstream portion of the shaft M1 of the electric machine M in order to optimize size and compactness. However, it goes without saying that the ventilation members 3 could be positioned all upstream or all downstream.
Un exemple de mise en œuvre d’un procédé d’utilisation selon l’invention va être dorénavant présenté en référence aux figures 13 et 14. En référence à la
- découpler l’organe de ventilation 3 de l’arbre M1 afin de ne pas l’entrainer en rotation, en particulier, en commutant l’organe de couplage principal 4 en mode de découplage, lorsque la vitesse de rotation VM de l’arbre M1 est inférieure au seuil bas prédéterminé S1,
- entrainer en rotation l’organe de ventilation 3 par une source de puissance auxiliaire 5 de manière indépendante de l’arbre M1 comme illustré à la
- decouple the ventilation member 3 from the shaft M1 so as not to cause it to rotate, in particular, by switching the main coupling member 4 to decoupling mode, when the rotation speed VM of the shaft M1 is lower than the predetermined low threshold S1,
- drive the ventilation member 3 into rotation by an auxiliary power source 5 independently of the shaft M1 as illustrated in
Cela permet avantageusement d’apporter un flux d’air de refroidissement FR plus important avec la source de puissance auxiliaire 5 lorsque la vitesse de rotation VM de l’arbre M1 est faible. De manière préférée, l’organe de couplage principal 4 est en position de couplage puis commuté en position de découplage. A l’inverse, l’organe de couplage auxiliaire 4’ est en position de découplage puis commuté en position de couplage. Grâce à cet exemple de mise en œuvre, on améliore le refroidissement même lorsque la vitesse de rotation VM est faible, par exemple, lorsque l’aéronef est en phase de taxi ou se déplace à faible vitesse.This advantageously makes it possible to provide a greater flow of cooling air FR with the auxiliary power source 5 when the rotation speed VM of the shaft M1 is low. Preferably, the main coupling member 4 is in the coupling position then switched to the decoupling position. Conversely, the auxiliary coupling member 4' is in the decoupling position then switched to the coupling position. Thanks to this example of implementation, cooling is improved even when the rotation speed VM is low, for example, when the aircraft is in taxi phase or moving at low speed.
Selon un autre aspect de l’invention, la machine électrique M est utilisée en mode générateur et reçoit de l’énergie mécanique via la turbomachine à gaz T grâce à l’organe de couplage global 7 qui est en position de couplage. Selon un exemple de mise en œuvre en référence aux figures 15 et 16, le procédé comprend des étapes, selon un mode moteur de la machine électrique M, consistant à :
- découpler l’arbre M1 de la turbomachine à gaz T par commutation de l’organe de couplage global 7 en position de découplage, et
- l’organe de ventilation 3 étant couplé à l’arbre M1 par l’organe de couplage principal 4 en mode de couplage, entrainer en rotation l’organe de ventilation 3 par rotation de l’arbre M1 de manière à refroidir la machine électrique M.
- decouple the shaft M1 from the gas turbomachine T by switching the overall coupling member 7 to the decoupling position, and
- the ventilation member 3 being coupled to the shaft M1 by the main coupling member 4 in coupling mode, rotate the ventilation member 3 by rotation of the shaft M1 so as to cool the electric machine M .
Dans cet exemple de mise en œuvre, la machine électrique M peut être dédiée au refroidissement, ce qui est avantageux pour ventiler de manière efficace l’enceinte 2, en particulier, lorsque la turbomachine à gaz T est éteinte.In this example of implementation, the electric machine M can be dedicated to cooling, which is advantageous for effectively ventilating the enclosure 2, in particular, when the gas turbomachine T is off.
Selon un autre exemple de mise en œuvre, le procédé comprend des étapes, selon un mode générateur de la machine électrique M, consistant à :
- coupler l’arbre M1 à la turbomachine à gaz T, par commutation de l’organe de couplage global 7 en position de couplage, de manière à ce que la machine électrique M génère de l’énergie électrique, l’organe de ventilation 3 étant découplé à l’arbre M1.
- couple the shaft M1 to the gas turbomachine T, by switching the overall coupling member 7 into the coupling position, so that the electric machine M generates electrical energy, the ventilation member 3 being decoupled from the M1 shaft.
Un tel exemple de mise en œuvre permet d’utiliser l’énergie mécanique fournie par la turbomachine à gaz T essentiellement pour la génération d’énergie électrique, aucune puissance n’étant prélevée pour le refroidissement. Cette configuration est avantageuse dans les cas où le système de ventilation pourrait être défaillant, ou dans les cas où les conditions d’alimentation dans le flux secondaire sont suffisantes pour ventiler la machine électrique sans besoin de comprimer l’air davantage grâce au système de ventilation.Such an example of implementation makes it possible to use the mechanical energy supplied by the gas turbomachine T essentially for the generation of electrical energy, no power being taken for cooling. This configuration is advantageous in cases where the ventilation system could fail, or in cases where the supply conditions in the secondary flow are sufficient to ventilate the electrical machine without the need to compress the air further thanks to the ventilation system .
De manière préférée, l’arbre M1 de la machine électrique M tourne dans des sens opposés en mode générateur et en mode moteur permettant d’utiliser des systèmes de couplage de type « roue-libre » pour une ventilation entrainée uniquement par la machine électrique.Preferably, the shaft M1 of the electric machine M rotates in opposite directions in generator mode and in motor mode allowing the use of “freewheel” type coupling systems for ventilation driven solely by the electric machine.
Il va de soi que l’organe de multiplication 6 pourrait également être utilisé dans chacune des configurations, en particulier, lorsque la vitesse VM n’est pas suffisante pour assurer un refroidissement optimal.It goes without saying that the multiplication member 6 could also be used in each of the configurations, in particular, when the speed VM is not sufficient to ensure optimal cooling.
Claims (18)
- Au moins un organe propulsif (10) configuré pour participer à la propulsion de l’aéronef par accélération d’un flux d’air (F) circulant selon un axe longitudinal (X) d’amont vers l’aval,
- Une turbomachine à gaz (T) configurée pour entrainer en rotation l’organe propulsif (10), la turbomachine à gaz (T) comprenant un corps basse pression (BP), un corps haute pression (HP) et une chambre de combustion, la turbomachine à gaz (T) étant à double flux et comprenant une veine primaire (V1) dans laquelle circule un flux primaire (F1) issu de la chambre de combustion, et une veine secondaire (V2) dans laquelle circule un flux secondaire (F2) contournant la chambre de combustion,
- Une machine électrique (M), montée, en aval de la turbomachine à gaz (T), comportant un arbre (M1) solidaire en rotation de la turbomachine à gaz (T), la machine électrique (M) étant montée dans une enceinte (2) alimentée par un flux d’air de refroidissement (FR) issu de la veine secondaire (V2), et
- Au moins un système de refroidissement de la machine électrique (M), monté dans l’enceinte (2), comprenant :
- au moins un organe de ventilation (3) configuré pour être entrainé en rotation dans l’enceinte (2) par l’arbre (M1),
- Au moins un organe de couplage principal (4) configuré, selon une position de couplage (P1), pour coupler l’arbre (M1) et l’organe de ventilation (3) afin de l’entrainer en rotation et, selon une position de découplage (P2), pour découpler l’arbre (M1) et l’organe de ventilation (3) afin de ne pas l’entrainer en rotation.
- At least one propulsion member (10) configured to participate in the propulsion of the aircraft by accelerating an air flow (F) circulating along a longitudinal axis (X) from upstream to downstream,
- A gas turbomachine (T) configured to rotate the propulsion member (10), the gas turbomachine (T) comprising a low pressure body (LP), a high pressure body (HP) and a combustion chamber, the gas turbomachine (T) being dual flow and comprising a primary stream (V1) in which a primary flow (F1) from the combustion chamber circulates, and a secondary stream (V2) in which a secondary flow (F2) circulates bypassing the combustion chamber,
- An electric machine (M), mounted downstream of the gas turbomachine (T), comprising a shaft (M1) integral in rotation with the gas turbomachine (T), the electric machine (M) being mounted in an enclosure ( 2) supplied by a flow of cooling air (FR) coming from the secondary vein (V2), and
- At least one cooling system for the electric machine (M), mounted in the enclosure (2), comprising:
- at least one ventilation member (3) configured to be rotated in the enclosure (2) by the shaft (M1),
- At least one main coupling member (4) configured, according to a coupling position (P1), to couple the shaft (M1) and the ventilation member (3) in order to drive it in rotation and, according to a position decoupling (P2), to decouple the shaft (M1) and the ventilation member (3) so as not to cause it to rotate.
- découpler l’organe de ventilation (3) de l’arbre (M1) afin de ne pas l’entrainer en rotation.
- decouple the ventilation member (3) from the shaft (M1) so as not to cause it to rotate.
- découpler l’organe de ventilation (3) de l’arbre (M1) lorsque la vitesse de rotation (VM) de l’arbre (M1) est inférieure à un seuil bas prédéterminé (S1)
- entrainer en rotation l’organe de ventilation (3) par une source de puissance auxiliaire (5) de manière indépendante de l’arbre (M1).
- decouple the ventilation member (3) from the shaft (M1) when the rotation speed (VM) of the shaft (M1) is less than a predetermined low threshold (S1)
- drive the ventilation member (3) into rotation by an auxiliary power source (5) independently of the shaft (M1).
- découpler l’arbre (M1) de la turbomachine à gaz (T), et
- l’organe de ventilation (3) étant couplé à l’arbre (M1), entrainer en rotation l’organe de ventilation (3) par rotation de l’arbre (M1) de manière à refroidir la machine électrique (M).
- decouple the shaft (M1) from the gas turbomachine (T), and
- the ventilation member (3) being coupled to the shaft (M1), rotate the ventilation member (3) by rotating the shaft (M1) so as to cool the electric machine (M).
- coupler l’arbre (M1) à la turbomachine à gaz (T) de manière à ce que la machine électrique génère de l’énergie électrique, l’organe de ventilation (3) étant découplé de l’arbre (M1).
- couple the shaft (M1) to the gas turbomachine (T) so that the electric machine generates electrical energy, the ventilation member (3) being decoupled from the shaft (M1).
- l’arbre (M1) de la machine électrique (M) tourne dans des sens opposés en mode générateur et en mode moteur.
- the shaft (M1) of the electric machine (M) rotates in opposite directions in generator mode and in motor mode.
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Date | Code | Title | Description |
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