Brevet FR2360758A1 — publié le 19780303

La présente invention concerne les moteurs à turbine à gaz d'avion et se rapporte plus particulièrement aux moteurs à double flux dans lesquels on peut moduler la puissance consommée par les parties de compresseur et de soufflante. Il est bien connu que les moteurs à turbine à gaz d'avion sont conçus pour fonctionner avec le meilleur rendement dans une condition particulière pour laquelle-les éléments individuels sont optimisés et appariés. Tout fonctionnement en dehors des conditions nominales prévues est pénalisé par une perte de rendement. Du fait de la tendance qui se manifeste de réaliser des avions capables de remplir de multiples missions avec des cycles de fonctionnement différents, il devient souhaitable, tant du point de vue économique que du point de vue des performances, d'adapter en conséquence les caractéristiques de fonctionnement du moteur.Les moteurs à turbine à gaz d'avion actuels ont tendance à manquer relativement de souplesse en ce qui concerne leur capacité à accorder les caractéristiques de leurs éléments pour divers modes de fonctionnement, bien que des progrès notables aient été effectués dans cette direction. Ces progrès comprennent l'incorporation de stators de compresseur et de soufflante variables, d'aubes distributrices d'entrée à calage variable, de volets de décharge variables, de tuyères d'admission à la turbine et de tuyères d'éjection à section variable et d'aubes de soufflante à pas variable. Dans un moteur à double flux à taux de dilution élevé ayant une soufflante de grand diamètre, la soufflante déplace de nombreuses fois la quantité d'air reçue par la turbine à gaz. On comprendra qu'au cours des conditions de vol, le système de propulsion pratique le plus efficace est un système dans lequel la vitesse d'éjection est approximativement double de celle du véhicule qui est propulsé. Ainsi, au cours du vol subsonique à faible vitesse, il est souhaitable de déplacer de grandes quantités d'air à des vitesses relativement faibles et la turbosoufflante est bien adaptée à cette fin. Lorsque la vitesse s'accrott, le cycle optimal du moteur s'approche de celui d'un turboréacteur qui déplace une quantité relativement plus petite d'air mais à une vitesse bien plus grande. On aurait besoin d'un unique moteur qui puisse étre modulé pour fonctionner efficacement sur la totalité de ces conditions de vol variables en accordant et en modulant convenablement les caractéristiques de ses éléments. La modulation des rapports entre les vitesses de rotation des éléments constitue une manière efficace d'accomplir cet objectif. En outre, la vitesse de rotation d la soufflante est limitée à un certain degré par la vitesse en bout d'aube et, étant donné que le diamètre est très grand, la vitesse de rotation doit entre très faible. Le compresseur de la turbine à gaz, par contre, du fait de son diamètre maximal bien plus petit peut être entraIn à une vitesse de rotation bien plus élevée De ce fait, il est nécessaire, dans les moteurs à double flux existants d'utiliser des turbines séparés pour entraîner la soufflante et le compresseur de la turbine à gaz. Etant donné qu'une turbine présente son meilleur rendement à des vitesses de rotation élevées, la turbine plus lente entraînant la soufflante doit comporter des étages supplémentaires pour extraire le travail nécessaire pour entrainer la soufflante. Ces étayes supplémentaires entraînent un accroissement du poids qui est indésirable dans les applications à l'aviation. Il serait, par conséquent, souhaitable de réaliser une configuration de moteur dans laquelle le poids de la turbine serait réduit au minimum. Par conséquent, l'un des principaux buts de la présente invention est de réaliser un moteur à turbine à gaz d'avion dans lequel on peut moduler l'extraction d'énergie par les parties de compresseur et de soufflante. La présente invention a aussi pour but de réaliser un moteur à turbine à gaz d'avion ayant un compresseur et une soufflante entraînés à des vitesses variables de manière différente par une turbine commune. La présente invention a enfin pour but de réaliser une configuration de moteur à double flux dans laquelle il est possiblè de faire varier les caractéristiques des éléments du moteur d'une manière compatible sur une large plage de conditions de fonctionnement du moteur. En résumé, on atteint les objectifs ci-dessus dans un moteur dans lequel la soufflante et le compressseur de la turbine à gaz sont entraînées par l'intermédiaire d'un train d'engrenages différentiel qui reçoit l'énergie d'une turbine commune et transmet l'énergie au compresseur et à la soufflante. Cependant, les vitesses de rotation de la soufflante et du compresseur ne sont pas nécessaire- ment égales et la vitesse de rotation de la soufflante ni celle du compresseur n'est nécessairement égale à celle de la turbine. Grâce à l'emploi des techniques connues de variation de couple et de débit telles que l'emploi de soufflantes à pas variable ou de stators de compresseur de turbine à gaz à aubes à calage variable, on peut moduler les rapports entre les énergies extraites et entre les vitesses de rotation. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des figures annexées qui représentent respectivement : Figure 1, une vue partielle, en coupe, d'un moteur à turbine à gaz incorporant la présente invention Figure 2, une vue en coupe schématique, à plus grande échelle du train d'engrenage-sdifférentiel du moteur de la figure 1 Figure 3, une vue en coupe faite suivant la ligne 3-3 de la figure 2, avec arrachement partiel, qui représente l'invention de manière plus détaillée Figure 4, une vue en coupe à plus grande échelle d'un autre mode de réalisation du train d'engrenagesdifférentiel du moteur de la figure 1 ; et Figure 5, une vue en coupe fragmentaire faite suivant la ligne 5-5 de la figure 4. On se référera maintenant au dessin dans lequel les mimes références ont été utilisées dans toutes les figures pour désigner les mêmes éléments et tout d'abord à là figure 1 sur laquelle on a représenté schématiquement un moteur à turbine à gaz désigné par la référence générale 10. Ce moteur peut être considéré comme comportant, dans l'ensemble, une turbine à gaz 12 et un compresseur rotatif basse pression, constitue, dans le présent exemple, par un ensemble de soufflante 4 qui comporte un étage d'aubes tournantes 15 et un étage d'aubes distributrices d'entrée à pas variable 17. La turbine à gaz 12 comprend un compresseur axial haute pression 16 qui comporte un rotor 18 portant des grilles d'aubes 19 montées pour tourner à l'unisson. L'air pénètre dans l'entrée 20 délimitée par un capot de moyeu 21 porté par la soufflante 14 et est initialement comprimé par la soufflante. Une première partie de cet air -comprimé entre dans le canal de soufflante 22 délimité, d'une part, par la turbine à gaz 12 et, d'autre part, par une paroi de canal de soufflante enveloppante 24 et est éjectéè par une tuyère de soufflante 26. Une seconde partie de cet air comprimé pénètre dans l'ouverture d'entrée 28 de la turbine à oaz, est à nouveau comprimé par le compresseur axial puis déchargée dans une chambre de combustion 30 dans laquelle du carburant est mélangé avec I air comprimé et brillé pour produire des gaz de combustion à énergie élevée qui entraînent une turbine 32. La turbine, à son tour, fournit l'énergie a un train d'engrenagesdifferentiel 34 par l'intermédiaire intermédiaire d'un arbre 36.Le train d'engrenagesdifférentiel transmet l'énergie nécessaire pour faire tourner la soufflante 14 par l'intermédiaire d'un arbre 38 et l'énergie nécessaire pour faire tourner le rotor 18 du compreseur par l'intermédiaire d'un arbre 40. On obtient ainsi une force propulsive par l'action de la soufflante qui comprime l'air qui est éjecté du canal de soufflante 22 par la tuyère de soufflante 26 et par l'éjection des gaz de combustion qui s'effectue par la tuyère 42 de la turbine à gaz, tuyère qui est en partie délimitée par un corps ou noyau central 44. La structure statique de support du moteur comprend une série de montants 46 s'étendant dans l'ensemble radialement, espacés circulairement autour du moteur et raccordant la paroi 24 du canal de soufflante au carter 48 de la turbine à gaz 12, et une série de montants 50 s'étendant transversalement à l'orifice d'entrée 28 de la turbine à gaz 28 et raccordant le carter 48 de cette turbine à gaz à la structure statique interne avant 52 oui sert à porter les divers organes rotatifs, y compris le train d'engrenage différentiel 34, situés à l'avant du moteur et une série de montants 54 espacés circulairement à l'arrière du moteur qui relient le carter 48 de la turbine à gaz à la structure statique arrière 56. La structure statique arrière 56 est réalisée de façon à porter le noyau 44 et les organes rotatifs situés à l'arrière du moteur.D'autres structures statiques sont naturellement prévues, telles que la structure 57, pour porter la chambre de combustion 30, les étages d'aubes fixes à pas variable (stators) 58 interposés entre les étages d'aubes tournantes 19 et la paroi 24 délimitant le canal de dérivation ou canal de soufflante, la construction spécifique de telles structures étant entièrement à la portée d'un spécialiste de la technique de construction des moteurs à turbine à gaz d'avion. L'arbre 36 est monté à rotation dans la structure statique arrière 56 et dans la structure statique 57 respectivement au moyen d'un roulement 60 et d'un roulement 62. Typiquement, un seul de ces roulements serait nécessaire, l'autre étant facultatif. Le rotor 18 du compresseur de la tubine à gaz est monté de façon à pouvoir tourner entre l'arbre rotatif 36 et la structure statique 57 respectivement au moyen d'un roulement 64 et d'un roulement 65. Dans ce cas également, un seul de ces roulements est nécessaire, l'autre étant facultatif. Des montants 23 (facultatifs) redressent le courant éjecté par la soufflante. On va maintenant décrire,en plus de détails, le train d'engrenages différentiel 34 en se référant plus particulièrement aux figures 1 à 3. Comme plus particulièrement représenté sur les figures 2 et 3, l'arbre 40 du compresseur est également monté à rotation autour de l'arbre 36 au moyen d'un roulement facultatif 66 et est monté à rotation à l'intérieur de la structure statique 52 au moyen d'un roulement 68 (figure 1). Le train-d'engrenages différentiel comporte une roue solaire 70 formée sur l'extrémité avant de l'arbre 36 de la turbine et qui, par conséquent, tourne à la vitesse de la turbine. Une série de premières roues planétaires 72 (représentées aux fins de l'illustration comme étant au nombre de quatre dans le présent exemple) sont disposées autour de-la roue solaire avec laquelle elles engrènent.Une couronne 74 solidaire de l'arbre 38 engrène avec chacune des roues planétaires 72, cette couronne étant montée à rotation dans la structure statique du moteur au moyen d'un roulement 76. Chacune des premières roues planétaires est montée à rotation sur un axe correspondant 78 monté à une de ses extrémités dans un croisillon arrière 77 au moyen d'un roulement respectif 79. L'extrémité opposée de chacun des axes 78 est monté dans un croisillon avant 82 au moyen d'un roulement respectif 84, les croisillons avant et arrière étant raccordés entre eux par des pattes 80 et servant à porter les quatre premières roues planétaires 72 de façon qu'elles se déplacent à l'unisson lorsqu'elles tournent autour de l'arbre 36 d'une manière qui sera décrite ci-après. Le croisillon arrière 77, à son tour, est monté dans la structure statique 52 au moyen de deux roulements 83, 85.Chaque axe 78 porte également une seconde roue planétaire 86 qui y est rigidement fixée et qui tourne solidairement avec la première roue planétaire 72 qui lui correspond et est entraînée par cette première roue planétaire. Les roues planétaires 86, à leur tour, entraînent le rotor 18 du compresseur par l'intermédiaire d'une roue 88 fixée à l'extrémité avant de l'arbre 40 du compresseur. On notera que les diamètres des roues planétaires 72 et 86 sont différents, les dimensions relatives étant une fonction du rapport d'engrenage voulu et par conséquent de la relation de vitesse et de couple voulue entre le rotor du compresseur de la turbine a gaz et la soufflante 14. Ainsi, en fonctionnement, l'énergie de a turbine est transmise par l'arbre 36 de façon à faire tourner la roue solaire 70 qui, à son tour, entraîne les premières roues planétaires 72. Par l'engrènement des roues planétaires avec la couronne 74 qui les entoure, et par l'engrènement des roues 86 et 88, l'énergie est transmise à la soufflante et au compresseur de la turbine à gaz qui sont entraînés en rotation, mais non nécessairement à la même vitesse, autour de l'arbre 36 de la turbine. Le train d'engrenages différentiel reçoit l'énergie de la turbine et transmet l'énergie au compresseur et à la soufflante conformément aux caractéristiques bien connues des engrenages différentiels, à savoir N T =k1 NF = k2 NC, équation dans laquelle NT = vitesse de la turbine (tr/mn) NF = vitesse de la soufflante (tr/mn) NC = vitesse du compresseur (tr/mn) k1, k2 = constantes qui dépendent des rapports d'engrenage correspondant. On notera, par conséquent, que la vitesse de la soufflante peut s'accroître aux dépens de la vitesse du compresseur de la turbine à gaz et vice-versa. En outre, du fait de la compensation établie par les éléments d'engrenage, les constantes kl et k2 établissent la relation de couple entre la soufflante et le compresseur.Etant donné que la puissance est simplement le produit du couple par la vitesse, pour une condition particulière de fonctionnement dans laquelle la puissance totale de la turbine est connue, on peut modifier le rapport entre l'énergie transmise à la soufflante et celle transmise au compresseur, par exemple par réglage des stators variables du compresseur. Par conséquent, lors du fonctionnement du moteur de la figure 1 à un réglage particulier quelconque de la puissance totale de la turbine, on peut régler la relation de vitesse entre la soufflante, le compresseur et la turbine en modifiant la caractéristique de couple par rapport à la vitesse, soit de la soufflante, soit du compresseur. Essentiellement, le rapport vitesse/vitesse s'6tablit naturellement à des valeurs déterminées par les caractéristiques de couple de la soufflante et du compresseur et les changements de vitesse varient avec les caractéristiques aérodynamiques des éléments. Par exemple, au cours des périodes de vitesse relativement faible de l'avion, le débit du canal de la soufflante peut être accru aux dépens de celui de -la turbine à gaz (accroissement du taux de dilution), en ajustant le couple du compresseur de la turbine à gaz de façon à accroître la vitesse de la soufflante et à réduire la vitesse du compresseur de la turbine à gaz.Inversément, au cours dlun déplacement de l'avion à grande vitesse, le couple de la soufflante peut être modulé pour réduire le taux de dilution et la vitesse de la soufflante et accroître la vitesse de compresseur de la turbine à gaz et du courant de gaz éjecté à grande vitesse par la turbine à gaz. Divers moyens de la technologie actuelle sont disponibles pour moduler les couples requis par les divers éléments. Bien que l'énumération ci-après ne doivent pas être considérée comme limitative, on notera que certains des moyens disponibles à cette fin sont, notamment, la modulation du débit de carburant fourni à la chambre de combustion (qui modifie la contrepression agissant sur le compresseur et, par conséquent, le couple de ce dernier), l'utilisation de stators de turbine à pas variable, le prélèvement d'air du compresseur, l'extraction d'énergie du compresseur ou de la soufflante, l'utilisation d'aubes distributrices d'entrée à pas variable pour la soufflante ou pour le compresseur l'utilisation de tuyères d'éjection à section variable et le prélèvement d'air du canal de la soufflante.Tous ces moyens ou certains d'entre eux peuvent être utilisés pour adapter sélectivement les vitesses du compresseur, de la soufflante et de la turbine aux valeurs optimales voulues selon les objectifs globaux du système de propulsion. Les rapports d'engrenage kl et k2 sont des variables indépendantes établies lors de la construction du moteur et ils sont choisis par le constructeur en tenant compte du domaine d'utilisation envisagé et des caractéristiques aérodynamiques des éléments individuels. On doit noter, cependant, que dans le présent mode de réalisation représenté sur la figure 1, tandis qu'aucune des roues du train d'engrenages différentiel 34 n'est immobilisée en rotation par rapport à la structure statique, il existe une liaison mécanique entre les trois éléments rotatifs principaux. Ainsi, étant donné que tous les éléments sont liés mécaniquement entre eux, il peut exister une tendance du compresseur ou de la soufflante à se mettre en état de décrochage, à moins que le cons- tructeur prenne soin de prévoir une marge de décrochage convenable ou prévoie des moyens pour réduire la contrepression appliquée aux éléments, par exemple, en prévoyant un mécanisme de commande secondaire pour ouvrir des tuyères à section variable (non représentées). On notera également que dans la présente invention, on a utilisé une unique turbine 32 et que l'on a supprimé la nécessité d'utiliser des turbinés de soufflante distinctes. Bien que la turbine 32 que l'on utilisera dans la plupart des cas doit être fort probablement du type à plusieurs étages et non du type à un seul étage comme représenté, on obtiendra néanmoins une réduction de poids étant donné que la turbine peut fonctionner dans une condition de vitesse élevée efficace tandis que les vitesses de la soufflante et du compresseur sont modulées. Dans l'autre mode de réalisation représenté sur les figures 4 et 5, l'arbre 40 du compresseur est en outre monté à rotation autour de l'arbre 36 de la turbine au moyen de roulements 90 et 92.Le train d'engrenages différentiel comprend une roue solaire 94 formée sur l'extrémité avant de l'arbre 40 du compresseur ou clavetée sur cette extrémité, une série de roues planétaires 96 (également au nombre de quatre) disposés autour de la roue solaire 94 et engrenant avec elle et une couronne 98 entourant les roues planétaires et solidaire de l'arbre 38 et dont les dents engrènent avec les dents des roues planétaires 96, la couronne étant montée à rotation dans la structure statique de support 52 au moyen d'un roulement 100. Chacune des roues planétaires 96 est montée à rotation sur un axe correspondant 102 monté à rotation dans la structure statique 52 au moyen d'un roulement respectif 104.L'extrémité opposée de chaque axe est montée dans un croisillon 106 au moyen d'un roulement respectif 108, le croisillon 106 étant, à son tour, claveté sur l'extrémité avant 110 de l'arbre 36 de la turbine de façon à tourner avec lui. Ainsi, lors du fonctionnement, l'énergie de la turbine est transmise par l'arbre 36 de façon à entraîner en rotation le croisillon 106 à la vitesse de rotation de la turbine, entraînant avec lui les roues planétaires 96. Par suite de l'engrènement des roues planétaires avec la roue solaire 94 et avec la couronne 98, l'énergie est transmise au compresseur de la turbine à gaz et à la soufflante qui sont entraînés en rotation tous deux dans le meme sens mais nonnécessairement à la même vitesse autour de l'arbre 36 de la turbine.En fait, la rotation communiquée à la soufflante et au compresseur par la turbine est en sens inverse du sens de rotation de la turbine de la figure 1. I1 apparaîtra à l'évidence aux spécialistes de la technique que certains changements et modifications peuvent être apportés à l'invention décrite ci-dessus sans s'écarter de son concept inventif général. Par exemple, une variante du moteur de la figure 1 pourrait comporter un compresseur en deux parties, une partie étant directement entraînée par la turbine et une partie étant entraînée par le train d'engrenages différentiel. En outre, la turbine pourrait être également divisée en deux parties, une partie entraînant directement une partie du compresseur et une autre partie fournissant l'énergie au train d'engrenages différentiel. Au surplus, d'autres charges, telles que des générateurs d'énergie terrestres ou des hélices de navire ou d'avion pourraient être substituées à la soufflante du moteur de la figure 1. D'autres utilisations viendront également immédiatement à l'esprit des spécialistes de la technique, dans lesquelles il est souhaitable d'apparier les vitesses de rotation de deux éléments d'une manière optimale et variable pour permettre à ces deux éléments de fonctionner efficacement à grande vitesse et à faible vitesse. REVENDICATIONS 1. Moteur à turbine à gaz comprenant un compresseur rotatif, une turbine rotative et une charge rotative caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour moduler le couple requis par rapport à la vitesse du compresseur ou de la charge ou des deux et un train d'engrenages différentiel accouplant entre eux le compresseur, la turbine et la charge pour transmettre, à partir de la turbine, toute l'énergie requise par le compresseur et la charge et en ce que le train d'engrenages différentiel commande les vitesses de rotation relatives de sorte que la vitesse de la turbine est égale à la somme de la vitesse de rotation du compresseur multipliée par une première constante et de la vitesse de rotation de la charge multipliée par une seconde constante. 2. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que la charge est constituée par un étage d'aubes de soufflante pour comprimer de l'air. 3. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que le train d'engrenages différenteil comporte une roue solaire -raccordée au compresseur, des roues planétaires engrenant avec la roue solaire et raccordées à la turbine et une couronne engrenant avec les roues planétaires et raccordée à la charge. 4. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 3 caractérisé en ce que plusieurs roues planétaires sont disposées radialement entre la roue solaire et la couronne avec lesquelles elles engrènent. 5. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que le train d'engrenages différentiel comprend, en outre, un croisillon de support tournant solidaire de la turbine qui l'entraîne, le croisillon portant les roues planétaires et les entraînant en rotation à la vitesse de la turbine. 6. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un arbre de turbine reliant la turbine au croisillon. 7. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de modulation du couple comprennent des stators à pas variable. 8. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, carac térisé en ce que les moyens de modulation du couple comprennent des stators de compresseur à pas variable. 9. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de modulation du couple comprennent un étage d'aubes à pas variable de la soufflante. 10. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de modulation du couple comprennent un étage d'aubes distributrices d'entrée à pas variable disposé axialement à l'avant des aubes de la soufflante. 11. Moteur à turbine à gaz selon la-revendication 1, caractérisé en ce que le train d'engrenages différentiel comprend une première roue solaire entraînée par la turbine à la vitesse de rotation de la turbine, des roues planétaires engrenant avec la première roue solaire et une couronne entraînée par les roues planétaires pour entraîner la charge en rotation par rapport à la turbine, les roues planétaires étant raccordées au compresseur pour entraîner le compresseur en rotation par rapport à la turbine à gaz. 12. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 11, caractérisé en ce que plusieurs premières roues planétaires sont disposés radialement entre la roue solaire et la couronne avec lesquelles elles engrènent. 13. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 12, caractérisé en ce que chacune des premières roues planétaires est montée sur un axe qui tourne à la vitesse de rotation de ces premières roues planétaires, toutes les premières roues planétaires étant portées par des croisillons pour tourner également, à l'unisson, par rapport à la turbine. 14. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 13, caractérisé en ce que le train d'engrenages différentiel comprend, en outre, une série de secondes roues planétaires, chacune de ces secondes roues planétaires étant fixée à un axe correspondant pour tourner solidairement avec une première roue planétaire coopérante, le diamètre des secondes roues planétaires étant différent de celui des premières roues planétaires et en ce que les secondes roues planétaires font tourner le compresseur. 15. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, une seconde roue polaire entraînée en rotation par les secondes roues planétaires, cette seconde roue planétaire entraînant à son tour le compresseur. 16. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend un arbre de compresseur engrenant avec les secondes roues planétaires et raccordé au compresseur.