Titre : Canal de propulsion pour aéronef Domaine technique de l’invention

L’invention concerne les systèmes de propulsion d’aéronef, et plus particulièrement un canal de propulsion hybride pour aéronef et concerne plus particulièrement l’électrification de la propulsion qui vise à assurer tout ou partie de la propulsion par des propulseurs électriques afin de diminuer les émissions produites et les pollutions sonores.

Dans un aéronef à propulsion hybride, le canal de propulsion inclut une turbomachine, qui constitue une source de puissance mécanique, une génératrice électrique couplée mécaniquement à la turbomachine et délivrant une tension alternative, et un moteur électrique relié électriquement à la génératrice électrique et couplé mécaniquement à un propulseur, par exemple une hélice, générant une poussée.

Etat de la technique antérieur

Généralement, les aéronefs sont propulsés par des turbomachines du type turbopropulseur, turboréacteur ou turbine.

Cependant, l’utilisation de turbomachines s’accompagne d’émissions de bruit importantes et d’une consommation élevée de combustible fossile, notamment de kérosène, engendrant des émissions polluantes également importantes. Afin de réduire les émissions de polluant et de bruit, la propulsion des aéronefs peut être hybridée, notamment en couplant des turbomachines avec des moteurs électriques entraînant des hélices de propulsion, pour diminuer les émissions de polluant et de bruit pendant certaines phases, notamment des phases de roulage des aéronefs. Lesdits aéronefs comportent classiquement au moins un canal de propulsion comportant généralement une génératrice électrique et une machine électrique de propulsion alimentée par la génératrice, la machine électrique de propulsion entraînant une hélice de propulsion.

La génératrice électrique est entraînée généralement par une turbomachine. On pourra se référer au document US2016/0365810 qui divulgue un canal de propulsion synchrone comprenant une génératrice électrique synchrone à aimant permanent entraînée par une turbine à gaz, la génératrice alimentant directement un moteur électrique synchrone à aimant permanent relié à une hélice pour propulser l’aéronef.

Cependant, comme la génératrice est reliée directement au moteur, et est en prise directe avec la turbine à gaz, la variation de vitesse du moteur électrique de propulsion est imposée par le régime de la turbine à gaz. Le document US2017/0170763 divulgue également un canal de propulsion synchrone qui comprend une génératrice électrique synchrone à contrôle de flux rotorique entraînée par une turbine à gaz, la génératrice alimentant directement un moteur électrique synchrone à aimant permanent relié à une hélice pour propulser l’aéronef. La variation de vitesse du moteur électrique de propulsion est également imposée par le régime de la turbine à gaz.

En outre, l’utilisation d’un canal de propulsion synchrone requiert, pour fonctionner, une synchronisation et un accrochage du moteur avec la génératrice synchrone, ce qui nécessite des systèmes de contrôle dont la mise en œuvre est complexe.

De plus, comme la génératrice électrique synchrone n’est pas magnétisée par un circuit de commande, tant qu’elle est entraînée, même en cas de défaut, elle produit une puissance électrique pouvant détériorer voire détruire l’aéronef. Le document NASA-20170000886 divulgue un canal de propulsion asynchrone comprenant une génératrice asynchrone à double alimentation (« DFIG : Doubly-Fed Induction Generator », en anglais) entraînée par une turbomachine et alimentant directement un moteur asynchrone à double alimentation (« DFIM : Doubly-Fed Induction Motor » en anglais) entraînant une hélice de propulsion.

Le canal de propulsion asynchrone permet de faire varier la vitesse de rotation de l’hélice indépendamment du régime de la turbomachine. Cependant, il requiert la mise en œuvre de plusieurs circuits de commande de puissance pour la magnétisation et le contrôle de la génératrice et du moteur asynchrone à double alimentation, augmentant la masse globale du canal de propulsion et nécessitant une communication entre les circuits de commande pour réguler des points de fonctionnement performants.

En outre, l’utilisation d’une génératrice et d’un moteur asynchrones et de leur circuit de commande dégrade fortement le rendement énergétique global du canal de propulsion.

Le but de l’invention est de pallier tout ou partie de ces inconvénients.

Exposé de l’invention

Au vu de ce qui précède, l’invention a pour objet un canal de propulsion pour aéronef comprenant

- au moins une première machine électrique tournante asynchrone polyphasée à double alimentation destinée à être couplée mécaniquement à une turbomachine,

- au moins une deuxième machine électrique tournante polyphasée couplée électriquement à la première machine électrique tournante asynchrone, et

- un module de pilotage et de stockage configuré pour piloter la première machine électrique tournante asynchrone polyphasée ledit module étant relié d’une part à la première machine électrique tournante asynchrone polyphasée à double alimentation et, d’autre part, à ladite au moins . deuxième machine électrique tournante polyphasée, ladite au moins deuxième machine électrique tournante polyphasée comprenant une machine électrique tournante synchrone polyphasée à aimant permanent.

L’utilisation de la machine électrique tournante synchrone permet de minimiser la masse embarquée dans l’aéronef en supprimant le circuit de commande de puissance dédié à la commande de la machine synchrone, et permet d’augmenter l’efficacité énergétique du canal de propulsion.

Selon une caractéristique, la machine électrique tournante asynchrone polyphasée à double alimentation est du type sans balai. Selon une autre caractéristique, le canal de propulsion comprend en outre un interrupteur relié entre ladite au moins deuxième machine électrique et un point de connexion reliant ladite première machine électrique tournante et le module, le module de pilotage et de stockage étant en outre configuré pour piloter la première machine électrique tournante synchrone.

De préférence, le module de pilotage et de stockage comprend un premier convertisseur de puissance électrique réversible configuré pour piloter ladite première machine électrique tournante asynchrone, un deuxième convertisseur de puissance électrique réversible relié au premier convertisseur de puissance et au point de connexion, le deuxième convertisseur réversible étant configuré pour alimenter la première machine électrique tournante asynchrone et la machine synchrone, ledit module comprenant en outre une unité de stockage d’énergie électrique reliée entre le premier convertisseur de puissance électrique et le deuxième convertisseur de puissance électrique, le module étant en outre configuré pour stocker de l’énergie électrique dans l’unité de stockage.

Selon encore une autre caractéristique, les premier et deuxième convertisseurs de puissance électrique réversible sont configurés pour transférer 30% de la puissance nominale générée par la machine électrique tournante asynchrone polyphasée à double alimentation.

Avantageusement, le deuxième convertisseur de puissance électrique réversible est en outre configuré pour transférer une puissance électrique générée par la machine électrique tournante synchrone polyphasée à aimant permanent vers l’unité de stockage.

Selon une autre caractéristique, le canal de propulsion comprend en outre une deuxième machine électrique tournante synchrone à aimant permanent reliée mécaniquement entre la turbomachine et la première machine électrique tournante asynchrone polyphasée à double alimentation, le module de pilotage et de stockage comprenant en outre un troisième convertisseur de puissance électrique relié à la deuxième machine électrique tournante synchrone et à l’unité de stockage d’énergie électrique, le troisième convertisseur de puissance électrique étant configuré pour transférer une puissance électrique générée par la deuxième machine électrique synchrone vers l’unité de stockage et le premier convertisseur de puissance.

Avantageusement, le canal de propulsion comprend en outre une troisième machine électrique tournante synchrone polyphasée à aimant permanent et un quatrième convertisseur de puissance électrique réversible relié à ladite troisième machine électrique tournante synchrone et relié entre le premier convertisseur de puissance électrique et le deuxième convertisseur de puissance électrique. II est également proposé un aéronef comprenant un canal de propulsion tel que défini précédemment, et une turbomachine configurée pour entraîner la première machine électrique tournante asynchrone polyphasée.

De préférence, l’aéronef comprend en outre un deuxième canal de propulsion d’architecture identique au canal de propulsion, la turbomachine étant configurée pour entraîner les canaux de propulsion.

Brève description des dessins

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

[Fig 1] est une vue schématique d’un aéronef comprenant un canal de propulsion conforme à l’invention ; [Fig 2] illustre un deuxième mode de réalisation d’un canal de propulsion selon l’invention ;

[Fig 3] illustre un mode de réalisation d’un module de pilotage et de stockage ;

[Fig 4] illustre un troisième mode de réalisation du canal de propulsion ;

[Fig 5] illustre un quatrième mode de réalisation du canal de propulsion ;

[Fig 6] illustre un mode de réalisation d’un système de propulsion d’aéronef à deux canaux de propulsion ; et

[Fig 7] illustre un exemple de démarrage du canal de propulsion.

Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation

On se réfère à la figure 1 qui illustre schématiquement un aéronef 1 comprenant un premier mode de réalisation d’un canal de propulsion 2 conforme à l’invention. L’aéronef comprend en outre une turbomachine 3, par exemple du type turbopropulseur, turboréacteur ou turbine, entraînant le canal de propulsion pour propulser l’aéronef.

L’aéronef 1 peut être du type à voilure tournante à décollage vertical (« VTOL : vertical take off and landing » en anglais), à voilure fixe et à décollage/atterrissage court (« STOL : short take off and landing » en anglais) ou du type à voilure fixe et à décollage/atterrissage conventionnel (« CTOL : conventional take off and landing » en anglais). Dans l’exemple illustré, l’aéronef 1 comporte un unique canal de propulsion 2 servant à propulser l’aéronef 1 et comprenant des machines électriques tournantes destinées à générer une puissance électrique et à propulser l’aéronef 1 à partir de la puissance électrique produite.

En variante, l’aéronef peut comprendre plusieurs canaux de propulsion pour propulser l’aéronef 1.

Le canal de propulsion 2 comprend une première et une deuxième machine électrique tournante 4 et 5. La première machine électrique tournante 4 est une machine électrique asynchrone polyphasée à double alimentation couplée mécaniquement à la turbomachine 3, et la deuxième machine électrique tournante 5 est une machine électrique polyphasée couplée électriquement à la première machine électrique tournante asynchrone 4 et elle comporte un arbre couplé à une hélice 8 de propulsion. Le canal de propulsion 2 comporte en outre un module 6 de pilotage et de stockage pilotant la machine électrique tournante asynchrone polyphasée et stockant de l’énergie électrique.

La première machine électrique tournante 4 peut être du type sans balais (« brushless » en anglais) comprenant un rotor bobiné ou à cage d’écureuil.

Le stator de la première machine électrique tournante asynchrone 4 comprend un premier bobinage statorique générant la puissance électrique alimentant la deuxième machine électrique tournante 5 et un deuxième bobinage statorique distinct relié au module 6 pour magnétiser et piloter le flux magnétique du rotor de manière à contrôler la fréquence et l’amplitude du signal de puissance électrique issu des machines électriques.

Le module de pilotage et de stockage 6 est relié d’une part à la première machine électrique tournante asynchrone 4 et, d’autre part, à un point de connexion 7 situé entre la première machine électrique 4 et la deuxième machine électrique tournante 5 polyphasée.

Le module 6 comprend des convertisseurs de puissance et son architecture sera détaillée dans ce qui suit. La deuxième machine électrique tournante 5 comprend une première machine électrique tournante synchrone 9 polyphasée à aimant permanent.

En variante, plusieurs machines électriques tournantes synchrones 9 polyphasées à aimant permanent peuvent être reliées au point de connexion 7 de manière à être alimentées par la première machine électrique tournante asynchrone 4, chaque machine électrique tournante synchrone 9 étant couplée à une hélice 8 qui lui est propre.

Le premier canal 2 peut comprendre en outre un interrupteur 10 reliant la première machine électrique tournante synchrone 9 au point de connexion 7.

Lorsque l’interrupteur 10 est ouvert, le module 6 pilote et alimente la première machine 4 pour notamment démarrer la turbomachine 3. Le pilotage du flux rotorique de la première machine électrique tournante asynchrone 4 par l’intermédiaire du module de pilotage et de stockage 6 permet de faire varier la fréquence et l’amplitude du signal de puissance électrique alimentant la première machine électrique tournante synchrone 9 de manière à contrôler la poussée générée par l’hélice 8 indépendamment du régime de la turbomachine 3.

Le module 6 pilote par exemple le flux rotorique de la première machine électrique tournante asynchrone 4 de sorte que la variation de la fréquence du signal de puissance se situe dans une plage de variation de par exemple plus au moins 30% centrée sur le point nominal de performance de la première machine électrique tournante asynchrone 4. Les convertisseurs de puissance sont dimensionnés pour transférer 30% de la puissance nominale, réduisant ainsi leurs masses.

Un tel type de pilotage permet notamment de faire fonctionner la première machine asynchrone 4 à son point de fonctionnement optimal selon notamment le régime de la turbomachine 3, et notamment de faire varier la vitesse de rotation de la première machine synchrone 9.

L’utilisation de la première machine électrique tournante synchrone 9 permet de minimiser la masse embarquée dans l’aéronef en supprimant le circuit de commande de puissance dédié à la commande de la première machine synchrone 9, et permet d’augmenter l’efficacité énergétique du canal de propulsion 2.

La poussée de l’hélice 8 peut être contrôlée dans la plage de variation.

En outre, pour générer la puissance électrique, la première machine asynchrone 4 nécessite d’être magnétisée par le module 6. Par conséquent, il est possible de contrôler la désexcitation de ladite machine et de gérer les modes de défauts du premier canal 2 pour limiter la propagation de défauts de manière à empêcher la détérioration de l’aéronef 1.

La figure 2 illustre un deuxième mode de réalisation d’un canal de propulsion 2 conforme à l’invention. Sur cette figure, des éléments identiques à ceux de la figure 1 sont désignés par la même référence numérique.

Ce mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation illustré à la figure 1 en ce que l’interrupteur 10 est disposé entre la première machine asynchrone 4 et le point de connexion 7.

L’interrupteur 10 permet de déconnecter la première machine électrique tournante synchrone 9 de la première machine asynchrone 4 de sorte que la première machine électrique tournante synchrone 9 soit alimentée par le module 6, permettant par exemple un roulage de l’aéronef 1 sans émission de gaz de combustion et sans émission de bruit.

La figure 3 illustre un exemple de mode de réalisation du module de pilotage et de stockage 6.

Le module de stockage 6 comprend un premier convertisseur 11 de puissance électrique réversible, un deuxième convertisseur 12 de puissance électrique réversible relié au premier convertisseur 11 et au point de connexion 7 et une unité de stockage 13 d’énergie électrique reliée entre le premier convertisseur 11 et le deuxième convertisseur 12.

Le premier convertisseur 11 alimente le deuxième bobinage de la première machine électrique tournante asynchrone 4 et est du type onduleur (« inverter » en anglais) réalisé par exemple à partir de transistors de puissance.

Le deuxième convertisseur 12 alimente le premier bobinage de la première machine électrique tournante asynchrone 4 ou la première machine synchrone 9, et est du type onduleur réalisé par exemple à partir de transistors de puissance.

L’unité de stockage 13 est par exemple du type batterie ou supercondensateur.

On se réfère à la figure 4 qui illustre un troisième mode de réalisation du canal de propulsion 2.

Ce mode de réalisation diffère des modes de réalisation illustrés aux figures 1 à 3 en ce que le canal de propulsion 2 comprend en outre une deuxième machine électrique tournante synchrone 14 à aimant permanent reliée mécaniquement entre la turbomachine 3 et la première machine électrique tournante asynchrone 4, et un troisième convertisseur 15 de puissance électrique relié à la deuxième machine électrique tournante synchrone 14 et à l’unité de stockage 13.

Le troisième convertisseur 15 transfère par exemple une puissance électrique générée par la deuxième machine électrique synchrone 14 vers l’unité de stockage 13 et le premier convertisseur 11.

La deuxième machine électrique tournante synchrone 14 génère une puissance électrique supplémentaire servant à la magnétisation de la première machine 4 par l’intermédiaire du premier convertisseur 11, ou à la recharge de l’unité de stockage 13.

Cette puissance électrique peut également, en variante, alimenter des circuits de distribution de puissance de l’aéronef 1.

La figure 5 illustre un quatrième mode de réalisation du canal de propulsion 2. Ce mode de réalisation diffère du mode de réalisation illustré à la figure 2 en ce que le canal 2 comprend en outre une troisième machine électrique tournante synchrone 16 polyphasée à aimant permanent et un quatrième convertisseur 17 de puissance électrique réversible relié à la troisième machine électrique tournante synchrone 16, et relié entre le premier convertisseur 11 et le deuxième convertisseur 12.

La troisième machine électrique synchrone 16 comprend un arbre couplé à une deuxième hélice 18

Le quatrième convertisseur 17 est d’architecture identique au deuxième convertisseur 12. La première machine électrique synchrone 9 et la troisième machine électrique synchrone 16 sont pilotables indépendamment l’une de l’autre autorisant un démarrage séquentiel des deux machines 9 et 16 pour notamment réduire les pics d’appel de puissance électrique lors de phases de démarrage des machines synchrones 9 et 16. En outre, un tel agencement des première et deuxième machines électriques synchrones permet de créer un différentiel de vitesse, par conséquent de poussée, pour contribuer au contrôle d’altitude de l’aéronef 1 si par exemple les première et deuxième machines électriques sont placées respectivement de part et d’autre de l’axe longitudinal de symétrie de l’aéronef 1.

En variante, le canal 2 peut comprendre plus de deux machines électriques synchrones à aimant permanent reliées chacune au module 6 par l’intermédiaire d’un convertisseur de puissance réversible.

La figure 6 illustre un autre mode de mise en œuvre d’un système de propulsion d’un aéronef, comprenant, outre la turbomachine 3, le premier canal de propulsion 2 décrit précédemment, un deuxième canal de propulsion 19 d’architecture identique au premier canal de propulsion 2, et un système de transfert de puissance mécanique 20.

Les deux canaux de propulsion 2, 19 sont entraînés par la turbomachine 3 par l’intermédiaire du système de transfert de puissance mécanique 20.

La figure 7 illustre un exemple de mise en œuvre d’une phase de démarrage du canal de propulsion 2.

Si la turbomachine 3 est éteinte (étape 25), le premier convertisseur 11 alimente le deuxième bobinage de la première machine électrique tournante asynchrone 4 à partir de l’unité de stockage 13, et le deuxième convertisseur 12 alimente le premier ensemble de bobinage de la première machine électrique tournante asynchrone 4 à partir de l’unité de stockage 13 (étape 27). La première machine électrique tournante asynchrone 4 est pilotée en mode moteur.

La première machine asynchrone 4 entraîne mécaniquement la turbomachine 3 jusqu’à sa mise en route et son fonctionnement de manière autonome.

Lorsque la turbomachine 3 fonctionne de manière autonome, la première machine électrique tournante asynchrone 4 est pilotée en mode générateur.

En variante, la génératrice asynchrone 4 peut être désexcitée et découplée de toute alimentation électrique pour ne pas générer de puissance sur le canal de propulsion.

Si la turbomachine 3 fonctionne (étape 25), le premier convertisseur 11 alimente le deuxième bobinage de la première machine électrique tournante asynchrone 4 à partir de l’unité de stockage 13 (étape 26), et le deuxième convertisseur 12 alimente le premier ensemble de bobinage. La première machine électrique tournante asynchrone 4 est pilotée en mode générateur.

Lorsque la première machine électrique tournante asynchrone 4 génère une puissance électrique, le procédé de démarrage se poursuit par l’étape 28.

Lors de l’étape 28 suivante, l’interrupteur 10 disposé entre la première machine électrique tournante synchrone 9 et le point de connexion 7 (figures 1 et 4) est fermé. Le premier convertisseur 11 pilote le deuxième bobinage de la première machine électrique tournante asynchrone 4 et le deuxième convertisseur 12 alimente le premier ensemble de bobinage de manière à assurer une synchronisation et un accrochage de la première machine électrique synchrone 9 lors du démarrage de la première machine électrique synchrone 9 en régulant l’amplitude et la fréquence de la tension polyphasée générée.

Si le canal de propulsion 2 comprend plusieurs machines électriques synchrones, chaque convertisseur relié à une machine électrique synchrone est piloté pour assurer une synchronisation et un accrochage de ladite machine électrique synchrone lors du démarrage de ladite machine électrique synchrone en régulant l’amplitude et la fréquence de la tension polyphasée générée.

Le premier convertisseur 11 et le deuxième convertisseur 12 pilotent la première machine électrique tournante asynchrone 4 de sorte que, par exemple, la machine 4 génère le signal de puissance sous forme d’une rampe favorisant la synchronisation et un accrochage de la première machine électrique synchrone 9.

Lorsque l’interrupteur 10 est disposé entre la première machine asynchrone 4 et le point de connexion 7 (figures 2 et 5), lors de l’étape 28, l’interrupteur 10 est ouvert. Le deuxième convertisseur 12 alimente la première machine électrique synchrone 9 à partir de l’unité de stockage 13 et le premier convertisseur 11 pilote le deuxième bobinage de la première machine électrique tournante asynchrone 4 de manière à synchroniser l’amplitude et la fréquence du signal de puissance avec la tension délivrée par le deuxième convertisseur 12. Puis l’interrupteur 10 est fermé, le premier convertisseur 11 pilotant le deuxième bobinage de la première machine électrique tournante asynchrone 4 de manière à accrocher la première machine électrique tournante synchrone 9 avec la génératrice électrique tournante asynchrone 4.

Le roulage de l’aéronef 1, en propulsion électrique, s’effectue en ouvrant l’interrupteur 10 lorsque l’interrupteur est disposé entre la première machine asynchrone 4 et le point de connexion 7 (figures 2 et 5) ou en fermant l’interrupteur 10 lorsque l’interrupteur est disposé entre le point de connexion 7 et la première machine électrique tournante synchrone 9 (figures 1 et 4).

Le deuxième convertisseur 12 alimente alors la première machine électrique synchrone 9 à partir de l’unité de stockage 13, le premier convertisseur 11 n’étant pas actif. La vitesse de l’aéronef 1 au sol peut être régulée en faisant varier la fréquence du signal d’alimentation délivré par le convertisseur 12.

Le roulage de l’aéronef s’effectue ainsi en propulsion électrique de sorte que les émissions de gaz de combustion sont supprimées et les émissions de bruit sont réduites. Lorsque l’aéronef 1 est en phase de vol stabilisé (par exemple décollage, croisière), la variation de la vitesse de rotation de la première machine électrique synchrone 9 permet de réguler la poussée de l’hélice 8 indépendamment de la vitesse de rotation de la turbomachine 3 par le biais du contrôle de la fréquence générée par la machine électrique tournante asynchrone 4.

La turbomachine peut ainsi fonctionnée à son point de fonctionnement optimal, et son rendement peut être amélioré.

En outre la décorrélation entre la vitesse de rotation de la turbomachine 3 et de l’hélice 8 permet de faire fonctionner la turbomachine 3 à haut régime et ainsi d’augmenter son rendement.

Lorsque l’aéronef 1 est en phase de vol transitoire, par exemple lors de changements d’altitude, la variation de poussée peut être générée par le contrôle de la première machine asynchrone 4 indépendamment du régime de la turbomachine 3. En outre, si l’hélice 8 n’est pas utilisée pour produire de la poussée, l’autorotation libre due à l’avance de l’aéronef 1 permet d’entraîner la première machine électrique synchrone 9 en rotation.

La première machine électrique synchrone 9 fonctionne donc en mode génératrice pour par exemple alimenter des circuits de distribution de puissance de l’aéronef 1 ou pour recharger l’unité de stockage 13 par l’intermédiaire du deuxième convertisseur 12.