Brevet FR2108046A1 — publié le 19720512

la présente invention concerne un ensemble comportant une ou plusieurs unités motrices de propulsion verticale de construction aplatie pour avions à décollage ou à atterrissage vertical, chaque unité motrice comportant au moins un groupe d!entraînement de la 5 soufflante de propulsion. Suivant le "brevet allemand n° 1 092 311, on connaît des avions qui sont munis de soufflantes de propulsion verticale qui comportent sur leur périphérie extérieure une couronne de turbines.» La couronne de turbines sert à entraîner la soufflante de propulsion 10 et elle est sollicitée par des gaz chauds qui sont fournis par une unité d'entraînement proprement dite par l'intermédiaire de canaux correspondants* Cet ensemble de type connu est par conséquent exclusivement sous la dépendance du fonctionnement de l'unité d:entraînement et il nécessite des canaux d'écoulement de gaz 15 chauds de grande longueur , difficiles à contrôler et comportant des organes compliqués en correspondance pour commander le courant de gaz chaudso En outre cet ensemble présente un poids relativement élevé» Egalement, dans cette solution connue, la dépendance entre l'unité d'entraînement principal et l'alimentation en fluide 20 de travail de la soufflante de propulsion verticale a une influence perturbatrice sur le facteur de sécurité de vol» On connait en outre des unités motrices de propulsion verticale à double courant traversées axialement par l'écoulement de travail et qui servent à produire la force de poussée ascension-25 nelle dans des avions à décollage ou à atterrisage vertical» Ces unités motrices de propulsion verticale sont généralement du type à double arbre, auquel cas un étage de soufflante à basse pression fournit à l'unité motrice intérieure une partie de l'air comprimé tandis que le courant d'air débité par les autres étages de la 30 soufflante à basse pression sert à produire une partie de la poussée ascensionnelle nécessaire» En utilisant des métaux légers ou également des matières plastiques renforcées avec des fibres comme matériaux de construction par exemple de parties de carter, de l'étage de soufflante 35 basse pression et des premiers étages du compresseur haute pression et en outre en choisissant des matériaux résistant à haute température ainsi que des procédés particuliers de refroidissement des ailettes dans des zones soumises aux gaz chauds, on peut obtenir dans ces unités motrices de type connu , des rapports poussée/ 40 poids relativement élevés, à savoir compris entre 16 et 20 ou plus» 70 46314 2 2108046 l'inconvénient essentiel de ces unités motrices de propulsion verticale consiste dans leur dimension longitudinale axiale relativement grande, de sorte qu'elles ne sont pas appropriées pour être montées dans des volumes relativement aplatis d'un avion, à 5 savoir dans les surfaces portantes de cet avion. Il est par conséquent seulement possible de les monter dans le fuselage ou bien dans des nacelles secondaires de l'avion. la nécessité de pouvoir disposer d'unités motrices de propulsion verticale aussi aplaties que possible a imposé aux techniciens 10 d'équiper des unités motrices de propulsion verticale,qui comportent une soufflante de propulsion et un générateur de gaz central, en totalité ou en partie d'étages de compresseurs et/ ou de turbines traversés sensiblement radialement par l'écoulement de travail» A cet égard, la canalisation de gaz chauds entre un 15 générateur central et l'aubage de turbine par l'intermédiaire de l'aubage de soufflante pose déjà des problèmes de construction difficiles à résoudre» En outre, la disposition centrale du générateur de gaz dans une telle unité motrice limite la liberté de profilage de la soufflante de propulsion et augmente les frais 20 d'entretien de l'ensemble de l'installation d'entrainement. Une telle soufflante de propulsion munie d'un entrainement extérieur d'ailettes de turbine et agencée , dans la combinaison précitée, sous forme d'une unité motrice indépendante ou également d'une unité entrainée par un moteur extérieur placé à l'intérieur 25 du fuselage de l'avion, comme décrit dans le brevet allemand n° 1 092 311, nécessite, du fait de son contour extérieur essentiellement circulaire, un volume de montage de profil circulaire, par exemple dans la surface portante d'un avion» En conséquence, en règle générale, on n'utilise pas complete-30 ment une partie du volume entourant une ou plusieurs unités motrices ou soufflantes de propulsion verticale de sorte que le rendement optimal n'est pas atteint» Pour chiffrer cette déficience, on peut considérer que la surface circulaire maximale qui peut être inscrite dans un carré, 35 ( surface de base de l'unité motrice ou de la soufflante de propulsion verticale ) correspond seulement à environ 78,5 $ de la surface du carré» L'invention a pour but de remédier aux inconvénients des réalisations connues et de fournir une unité motrice d'une struc-40 ture extrêmement aplatie présentant une puissance de poussée 70 46314 3 2108046 ascensionnelle élevée et un rapport poussée/poids favorable pour un encombrement aussi réduit que possible de sorte que le volume disponible pour le montage d'une ou plusieurs unités motrices de propulsion verticale, par exemple dans la surface portante d'un 5 avion, peut être exploité de façon optimale et en vue d'obtenir un système d®entrainement de grande puissance et de fort rendement» L'unité motrice de propulsion verticale doit s'adapter au sens le plus large aux impératifs des constructeurs d'avions en ce qui concerne Sa facilité dinstallation et sa capacité» En outre cet 10 ensemble doit donner lieu à un entretien relativement simplifié et à une sécurité de vol relativement grande». Pour résoudre le problème posé, il est proposé dans un ensemble du type précité que, pour la réalisation d'une unité motrice de propulsion verticale, l'espace géométrique non utilisé sur sa 15 périphérie par suite du volume circulaire de montage de la soufflante de propulsion soit utilisé pour les groupes d'entrainement et le cas échéant pour des groupes auxiliaires, ce qui permet d'obtenir une unité motrice de propulsion verticale présentant une surface géométrique de montage de profil quelconque mais cependant 20 adaptée à l'espace de montage disponible» Les groupes d'entrainement et auxiliaires doivent être disposés aux endroits spacialement les plus appropriés sur la périphérie d'une soufflante de propulsion afin que, en utilisant de façon optimale l'espace de montage disponible, on puisse obtenir 25 une concentration de puissance aussi dense que possible» Il est à noter que l'application de l'invention n'est pas limitée à la nature des groupes d'entrainement de la soufflante de propulsion* On peut utiliser à cet égard par exemple des moteurs à combustion interne de types appropriés» Comme groupes 30 d'entraînement dcune soufflante de propulsion verticale, on peut employer entre autres des unités motrices à turbine à gaz ou des réacteurs» Egalement la transmission de la puissance d'entrainement fournie par les groupes à la soufflante de propulsion n'a pas un 35 effet limitatif sur l'invention» On peut par exemple envisager de munir la soufflante de propulsion d'ailettes ou d'aubes xle turbines qui sont sollicitées par les gaz s'échappant d'une unité motrice à turbine à gaz ou bien par une partie de l'air débité par un compresseur de cette 40 unité motrice. 70 46314 4 2108046 On peut également envisager une transmission mécanique de force par l'intermédiaire de mécanismes de transmission et d'arbres * à partir des groupes de transmission» Suivant une autre caractéristique de l'invention, le volume 5 occupé par une unité motrice de propulsion verticale peut correspondre à une surface géométrique de montage qui a une forme de carré, de losange, de triangle ou d'ellipse, auquel cas les groupes d'entrainement doivent à chaque fois être disposés dans les zones libres de la surface de montage disponible sur la périphérie 10 d'une soufflante de propulsion verticale» Suivant une autre caractéristique de l'invention, plusieurs unités motrices de propulsion verticale correspondant chacune à des surfaces géométriques de montage identiques peuvent former un système d'entrainement composite et fermé correspondant à une 15 surface de montage quelconque et appropriée au volume de montage disponible « Des unités motrices ae propulsion verticale existantes peuvent être complétées, en fonction de la concentration de puissance imposée, par d'autres unités motrices de propulsion 20 verticale en formant ce qu'on appelle un système de construction en caisson» Pour faciliter l'entretien, il est en outre proposé suivant l'invention une interchangeabilité des groupes d*entrainement dcune soufflante de propulsion ou bien d'une unité motrice propre-25 ment dite sous forme d'ensembles complets et pouvant chacun fonctionner de façon autonome» L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés représentant des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels s 30 la Fig» 1 est une vue en plan d'un premier mode de réalisation de plusieurs unités motrices de propulsion verticale réunies sous forme d'un groupe dcentrainement commun j la Fig„ 2 est une vue en plan d'un second mode de réalisation de plusieurs unités motrices de propulsion verticale réunies sous 35 forme d'un groupe d'entrainement commun 5 la Fig» 3 est une vue en plan d'un troisiè me mode de réalisation de plusieurs unités motrices de propulsion verticale réunies sous forme d'un groupe d'entrainement commun ; la Fig» 4 représente à échelle plus grande une unité motrice de 40 propulsion verticale telle que celle de la Fig» 1 j 70 46314 5 2108046 la Fig. 5 est une coupe longitudinale centrale de détails d'une unité motrice de propulsion verticale, la moitié de droite ayant été supprimée pour simplifier le dessin» Comme le montre la Fig» 1 , plusieurs unités motrices de 5 propulsion verticale 1,2, 3, 4 peuvent être réunies, en occupant une surface de montage 5 de forme carrée et à chaque fois identique, de façon à former un ensemble de propulsion verticale correspondant à une surface de montage rectangulaire 6. Il est également possible, mais cela n'a pas été représenté sur les dessins, de 10 réunir les unités motrices de propulsion verticale 1, 2, 3, 4 sous forme d'un ensemble de propulsion verticale à surface de montage carréeo Comme le montre la Fig„ 4, chacune de ces unités motrices de propulsion verticale 1,2, 3 et 4 se compose d'une soufflante de 15 propulsion 7 placée au centre et de grand diamètre, auquel cas il est prévu dans le cas considéré quatre groupes d'entrainement S agencés s5us forme d'unités motrices à turbine à gaz, répartis à intervalles égaux et entrainant en commun la soufflante de propulsion 7 en sollicitant par de l'air comprimé s'écoulant par des 20 canaux en forme de spirale 9 1centrainement 10 des pales de la soufflante de propulsion 7 ( fig» 5 )° Comme le montre en outre la Fige 4 , le volume résiduel libre de la surface de montage 5 de forme carrée qui n'est pas complètement utilisé par la soufflante de propulsion 7 et par les groupes d'entrainement 8 peut être 25 additionnellement utilisé pour des entraînements auxiliaires 11 * Ces entraînements auxiliaires 11 peuvent par exemple être constitués par des pompes ou des cylindres de manoeuvre assurant 1{alimentation des groupes d'entrainement 8 ou bien par des mécanismes d:entrainement à air comprimé qui sont prévus par exemple pour 30 pouvoir ou fermer à l'aide de volets manoeuvrables des ouvertures d entrée ou de sortie d'une soufflante de propulsion ménagées dans les surfaces portantes d'un avion.» Le volume disponible pour le montage sur la périphérie d'une soufflante de propulsion 7 peut au moins servir en partie égale-35 ment à recevoir le réservoir de carburant ou des récipients d'huile Comme le montre la Fig. 5, chaque unité motrice à turbine à gaz servant de groupe d'entrainement 8 peut être réalisée suivant un mode de construction à deux arbres- Sur un arbre intérieur 12 est montée une roue de soufflante basse pression 13 parcourue par 40 un écoulement radial et il est prévu en aval une turbine basse 70 46314 2108046 pression 14 parcourue par un écojplement axial, à deux étages et servant à entrainer la roue de soufflante 13 « Un arbre creux 15 entoure l'arbre intérieur 12 et porte une roue de soufflante haute pression 16 parcourue par un écoulement radial et placée 5 après la roue 13» Sur l'arbre creux 12 est en outre fixée une roue axiale de turbine haute pression 17 servant à entrainer la roue de soufflante haute pression 16. La roue de soufflante basse pression 13, qui aspire de l'air atmosphérique par l'intermédiaire de l'orifice 18 d'un carter de 10 compresseur 19 débite l'air comprimé dans un canal 9 en forme de spirale aboutissant à la soufflante de propulsion 7• Des aubes directrices 20 et des ailettes 20" de la partie d1entrainement 10 associée à la soufflante de propulsion 7 sont sollicitées par l'air s'écoulant dans le canal d'arrivée 9. Une autre partie du 15 courant d'air débité par la roue de soufflante basse pression 13, qui n'arrive pas par l'intermédiaire du canal d'admission 9 au dispositif d'entrainement 10 est comprimée additionnellement par l'intermédiaire de la roue de soufflante haute pression 16 et elle s'écoule jusqu'à une chambre de combustion réversible disposée 20 coaxialement à l'axe longitudinal 21 du groupe d'entrainement 8„ L'air comprimé est mélangé à du carburant à l'intérieur de la chambre de combustion réversible 22 et ce mélange, une fois qu'il a été enflammé , entraine la turbine haute pression 17 puis la turbine basse pression 14. 25 Dans l'exemple de réalisation de la fig. 5, l'unité motrice à turbine à gaz servant de groupe d'entrainement 8 constitue simultanément le générateur de propulsion et de poussée en ce que les gaz s'échappant de l'unité motrice peuvent s'écouler verticalement vers le bas à la sortie de l'orifice 8',, 30 La soufflante de propulsion 7 se compose essentiellement des aubes 24 tournant à l'intérieur d'un carter 23 en forme de virole et aux extrémités desquelles sont disposées les ailettes 20' du dispositif d®entrainement» Les aubes 24 sont montées avec un arbre creux 25 sur un tourillon central fixe 26„ Entre les aubes 24 et 35 les ailettes 20', il est prévu des voiles 27 servant à séparer le courant d'air produit par le dispositif d'entrainement 10 du courant d'air qui traverse la soufflante de propulsion 7. Les aubes 24 de la soufflante refoule l'air atmosphérique dans un canal annulaire 28 qui est formé par une partie cylindrique de 40 carter 29 reliée aucvoiles 27 et qui sépare par ailleurs 1'écoule- 70 46314 7 2108046 ment d'air sortant du dispositif d'entrainement 10 de celui sortant de la soufflante de propulsion 7» Le dispositif d'entrainement 10 et la soufflante de propulsion 7 comportent des aubes déflectrices 30, 31 servant de support» 5 Sur la Fig» 2 , on a désigné par les mêmes références que sur la fig. 1 des parties identiques, cette fig» 2 montrant des unités motrices de propulsion verticale 32, 33, 34, 35 réparties en losange et pouvant former également dans ce cas un groupe d'entrainement commun 36. A la différence de la fig» 1, il est 10 cependant prévu seulement deux groupes d*entrainement 8 sur la périphérie d'une soufflante de propulsion verticale 7° Dans la direction transversale, les écartements entre les différents groupes d'entrainement 8 de l'ensemble 36 sont égaux» La Fig. 3 montre un ensemble de plusieurs unités motrices de 15 propulsion verticale 37, 38, 39, 40, 41, 42 correspondant chacune à des surfaces de montage triangulaires 43 et qui forment au total une surface de montage en forme de X „ Egalement dans le mode de réalisation de la fig» 3, 1'entrainement des soufflantes de propulsion verticale 7 peut s1 effectuer de la manière décrite en 20 référence à la fig» 5 » En fonction du volume de montage disponible, cette disposition peut être élargie à volonté à l'aide d'autres unités motrices de propulsion verticale correspondant à des surfaces de montage de forme triangulaire 43» Il ressort de tous les modes de réalisation représentés 25 ( fig. 1 à 4 ) que, lorsqu'on choisit une surface de montage déterminée pour une unité motrice de propulsion verticale , les différents groupes d'entrainement 8 doivent être placés spacialement aux endroits les plus appropriés sur la périphérie d'une soufflante de propulsion verticale 7» A cet égard, une soufflante de pro-30 pulsion à installer normalement par exemple dans la surface portante d!un avion laisse, du fait de son volume circulaire de montage, une proportion importante du volume de montage entourant cette surface circulaire non utilisé, ce volume non utilisé étant cependant destiné à augmenter le rapport poussée/ poids en vue 35 d'obtenir une grande capacité et un bon rendement de l'unité motrice de propulsion verticale. Pour les raisons indiquées plus haut, les modes de réalisation des Fig. 1 à % constituent des exemples dl'une utilisation optimale du volume de montage le cas échéant disponible, par exemple dans les surfaces portantes d'un avion» 40 A la différence des réalisations représentées sur les fig. 1 70 46314 8 2108046 à 4, les unités motrices de propulsion verticale peuvent également comporter des surfaces de montage en forme d'ellipse ou de losange et elles peuvent être réunies de cette manière pour constituer des groupes d'entrainement ayant une autre forme géométrique. 5 Ces dispositions permettent, aussi bien que les réalisations d"unitésmotrices représentées sur les fig. 1 à 4, un assemblage des unités motrices en vue de former ce qu'on appelle un système en caisson. Ainsi on peut par exemple ajouter à un groupe tout nombre approprié d'unités motrices de propulsion verticale en fonction 10 des impératifs de propulsion et de poussée et en tenant compte du volume de montage disponible. On peut en outre effectuer par exemple le remplacement intégral d'unités motrices endommagées. En fonction du mode de réalisation représenté sur la fig. 5, on peut en outre envisager le remplacement d'un groupe d'entraine-15 ment endommagé 8 sans avoir à changer la soufflante de propulsion 7. Cela découle de la conception avantageuse que, dans chaque unité motrice de propulsion verticale, par exemple 1, 2, 3 ou 4 ( fig» 1 ), les groupes d'entrainement 8 peuvent être disposés sous forme d'ensembles fonctionnant de façon complètement autonome 20 sur la périphérie de la soufflante de propulsion 7. A la place de la disposition décrite en référence à la fig. 5, les unités motrices à turbine à gaz constituant les groupes d'en-•trainement 8 peuvent également solliciter par leur courant de gaz de sortie le dispositif d'entrainement 10 des pales ou ailettes 25 d'une soufflante de propulsion 7. En outre, dans les dispositions décrites plus haut en référence aux fig. 1 à 5, oh a choisi l'expression " groupe d'entrainement " pour préciser que l'invention n'est pas liée à la seule utilisation d'unités motrices à turbine à gaz pour entrainer la 30 soufflante de propulsion 7. Dans les groupes d'entrainement 8 des fig. 1 à 4, on peut avoir affaire à des types quelconques de moteurs à combustion interne qui sont en mesure de produire un courant propulseur en vue de solliciter le dispositif d1entrainement 10 d'une soufflan 35 te de propulsion 7. Il est en outre possible de prévoir à la place d'un système sollicitant le dispositif d'entrainement de pales ou ailettes 10 à l'aide de gaz chauds ou d'air comprimé une transmission mécanique de force entre des systèmes de transmission et des arbres des 40 groupes d'entrainement 8 et la soufflante de propulsion 7» 70 46314 9 2108046 En ce qui concerne les groupes d1entrainement 8, on peut en outre avoir affaire à des systèmes d!entrainement à réaction chimique, comme par exemple des imités motrices à fusées ou bien des unités motrices composites à turbines à gaz et à fusées» 5 En outre.» lors de 18application de l'idée de l'invention, il est avantageux que la puissance d'entrainement fournie par les groupes 8 soit transmise de la manière la plus directe à la soufflante de propulsion 7. Egalement, il n'est pas obligatoire d'associer les groupes d'entrainement 8 en position verticale, 10 par exemple dans une surface portante d'un avion, aux soufflantes de propulsion 7° En tenant compte d'une utilisation optimale de l'espace disponible sur la périphérie d'une soufflante de propulsion 7, les groupes d'entrainement 8 peuvent être inclinés, par exemple par rapport à l'axe longitudinal 211 de la soufflante 15 ( fig. 5 ) ou bien leur axe longitudinal 21 peut être orienté perpendiculairement à l'axe longitudinal 21" d'une soufflante 7» ( cette variante n'étant également pas représentée sur les dessins) cela s'applique également en tenant compte du fait que, à la différence de la fig» 5, les groupes d'entrainement 8 n'ont pas 20 besoin de jouer simultanément le rôle d'un générateur de poussée verticale lorsque la poussée ou la force de propulsion nécessaire peuvent ou doivent être fournies seulement par les soufflantes de propulsion 7 ° l'invention est principalement applicable à des imités motri-25 ces de propulsion d'avions à décollage et à atterrissage vertical. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. 70 46314 10 2108046 REVENDICATIONS 1» Ensemble formé par une ou plusieurs unités motrices de propulsion verticale montées sous forme d'une structure aplatie dans des avions à décollage ou à atterrissage vertical, chaque 5 unité motrice comprenant au moins un groupe d'entrainement propre pour la soufflante de propulsion verticale, ensemble caractérisé en ce que, pour former une unité motrice de propulsion verticale, l'espace géométrique non utilisé sur la périphérie de la soufflante de propulsion par suite de son volume de montage de forme 10 circulaire déterminée est employé pour loger les groupes d'entrainement et le cas échéant d'autres groupes auxiliaires , ce qui permet d'obtenir, en fonction du volume de montage disponible, une unité motrice de propulsion verticale présentant une surface de montage de forme géométrique quelconque. 15 20 Ensemble suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le volume occupé par une unité motrice de propulsion verticale présente une surface de montage qui a une forme géométrique de carré , de losange, de triangle ou d'ellipse, les groupes d'entrainement étant disposés à chaque fois dans la zone des sections 20 libres de la surface de montage disponible existant sur la périphérie d'une soufflante de propulsion.» 3» Ensemble suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que plusieurs unités motrices de propulsion verticale présentant chacune des surfaces géométriques de montage identiques 25 forment un système d'entrainement compact et fermé correspondant à un volume de montage disponible de surface de montage quelconque= 4» Ensemble suivant l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que les groupes d'entrainement d'une soufflante de propulsion ou les unités motrices de propulsion verticale sont 30 interchangeables sous formes d'unités complètes et chacune d'un fonctionnement autonome <> 5o Ensemble suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le courant d'air débité par une soufflante ( soufflante basse-pression ) d'un groupe d'entrainement ou bien les 35 gaz d'échappement d'un groupe d*entrainement peuvent être introduits par l'intermédiaire de canaux d'admission en forme de spirale dans un dispositif d'entrainement des pales ou des ailettes de la soufflante de propulsion» 6. Ensemble suivant l'une des revendications 1 à 5, caractéri-40 sé en ce que , au lieu d'être fournie au dispositif d'entrainement 70 46314 2108046 des pales ou ailettes de la soufflante, la puissance fournie par les groupes d'entrainement peut être transmise mécaniquement à la soufflante de propulsion verticale f par exemple par l'intermédiaire de mécanismes de transmission et d1arbres »