Brevet FR2605679A1 — publié le 19880429

La présente invention concerne une modification structurelle d'un turboréacteur . Cette innovation doit améliorer sa puissance, son rendement et réduire sa masse. L'état actuel de la technique des turboréacteurs est décrite d'après les ouvrages - "Fonctionnement hors adaptation des turbomachines" de V. Bensimhon, Ed. Masson 1986 - "Les turbomachines aéronautiques mondiales" de A. Bodemer, Ed. La Larivière 1979 ainsi que d'après les articles - The screw propeller, de E. Larrabie (Scientific American, Juillet 1980) - Le retour de l'hélice, de S. Brosselin (Science et Vie, Février 1985) - Mc Donnel Douglas nears Commitment to fly Propfan on MD-80 Testhead, de B.A. Smith (Aviation Week & Space Technology, Mai 1985) - Des hélices, du vent et des vagues, de J.J. Valignat (Aviation Magazin International, Mai 1985) - Bonjour hélice, de J.J. Valignat (Aviation magazin international, Mai Juin 1985). Les turbomachines sont de plusieurs types, à savoir 1) Les réacteurs monocorps - monoflux 2) Les réacteurs double corps - monoflux 3) Les turbomoteurs 4a) Les turboréacteurs double corps - double flux (à flux séparés) 4b) Les memes mais à flux confluents (mélangés) 5a) Les turboréacteurs triple corps - double flux (à flux séparés) 5b) Les mêmes mais à flux confluents 5c) Les memes à triple flux 6) Les turbopropulseurs avec une ou deux hélices à rotations contraires, transsoniques, agissant à l'extérieur du moteur ("les propfans"). Le terme de "corps" se rapporte au compresseur et à la turbine qui, s'ils sont solidaires forment un seul corps, s'ils sont indépendants forment deux corps, et si chacun est divisé en trois "éléments" de pression basse, intermédiaire et haute - en fonction de leur vitesse de rotation - on les solidarise deux par deux, en trois corps de pressions égales. Le "nombre de flux" indique le nombre de veines d'air dans lequel la veine d'air pénétrant dans le réacteur par "l'entrée" amont est divisée (ou non). Dans le cas du monoflux, elle passe entièrement dans la chambre de combustion. Dans le cas du double flux, elle est divisée dans un "flux primaire" qui passe par un "circuit primaire" à travers la chambre de combustion et un "flux secondaire" qui reste froid et qui est chassé par une hélice (appelée "soufflante"), à travers un "circuit secondaire" vers la "sortie" arrière. Les "éléments" constitutifs d'une turbomachine sont les suivants, de l'amont vers l'aval, avec leur notation habituelle (voir Planche documentaire): - La soufflante ("Fan" en anglais) (F) - Les compresseurs, de basse pression (CBP) - Les compresseurs d'intermédiaire pression (C I P) - Les compresseurs de haute pression (CHP) - La chambre de combustion (générateur de gaz) (C) - Les turbines de haute pression (THP) - Les turbines de basse pression (TBP) - La tuyère d'éjection des gaz (notée ici : Ty) Les fonctions des turbomachines et de leurs éléments sont - Les turbomachines transforment, par l'intermédiaire des turbines, l'énergie potentielle venue de l'amont, en énergie cinétique, en faisant passer l'air de la vitesse d'entrée qui est celle du vol, à une vitesse supérieure qui est celle de l'éjection. Dans le cas des turbomoteurs, on prélève une certaine puissance pour un récepteur extérieur. - La soufflante procure "l'admission" de l'air, en commençant à la pousser vers l'arrière. - Les compresseurs,entrainés par les turbines (arrière), compriment l'air arrivé, jusqu'à une certaine pression supérieure à celle de l'entrée en lui augmentant ainsi son énergie potentielle. - La chambre de combustion, généralement annulaire, grâce à un combus tible qui y est brulé, chauffe cet air, le mélange aux gaz de combustion et le fait arriver à des hautes pressions et températures. - Les turbine s, mises en mouvement par les gaz sortant de la chambre de combustion, réalisent "la détente" en évacuant ces gaz par la sortie arrière. - La tuyère est à géométrie fixe ou variable. Dans le dernier cas, elle règle l'éjection des gaz en influençant ainsi le fonctionnement du moteur. La turbomachine de référence du brevet est le "turboréacteur double corps, double flux". C'est par rapport à celui-ci que les innovations sont conçues. Dans ce type de turbine, le flux total de l'entrée est distribué variablement entre le circuit primaire et le circuit secondaire par la soufflante amont. Celle-ci reçoit la puissance de la turbine de basse pression située à l'arrière. La soufflante peut etre reliée aussi au compresseur de basse pression avec lequel elle aura la meme vitesse mécanique. Le compresseur de pression intermédiaire ou haute complète la compression fournie par la soufflante et le compresseur de basse pression. Il y a aussi des modèles de réacteurs avec soufflante arrière. Le rapport entre le débit secondaire et le débit primaire s'appelle "taux de dilution", noté par h (lambda). Sa valeur est de l'ordre de 5 pour les réacteurs actuels, estimée à 15 pour ceux de l'avenir et entre 50 et 70 pour les Propfans. Dans le système "a flux séparés", il y a deux tuyères d'éjection, une pour chaque flux. Dans le système "a' flux mélangés", les gaz issus de la turbine BP sont mélangés à ceux du circuit secondaire avant d'être éjectés ensemble par une tuyère commune. Les avantages du double flux sont les suivants Pour l'énergie produite par le moteur, la poussée des gaz d'éjection est une fonction de leur vitesse et de leur masse. La meme poussée peut être obtenue pour une vitesse d'éjection plus faible mais accompagnée par un débit plus fort, donc pour un maitre couple moteur plus important. Dans ce cas, puisque l'énergie de propulsion est fournie par le carburant, la consommation spécifique (Cs) sera plus réduite pour une vitesse plus faible des gaz d'éjection. Pour un taux de dilution plus fort, c'est-à-dire pour une masse d'air froid du circuit secondaire plus forte, le moteur consommera donc moins de combustible. Cet avantage de consommation spécifique risque d'être contrebalancé par l'encombrement plus important du moteur, qui conduirait à des traînées plus fortes sur l'avion. Mais, suivant le type de l'avion, l'encombrement pourrait ne pas provoquer cette augmentation de traiée ; tel serait le cas d'un hélicoptère avec turboréacteur en position verticale, incorporé au fuselage. - Interactions dans le fonctionnement des éléments Pour les moteurs à très grands taux de dilution, on peut prévoir une tuyère secondaire de géométrie variable permettant, en vol, de lui augmenter le rendement par rapport au réglage au sol. Une autre possibilité est de prévoir un "calage" (inclinaison) variable des aubes mobiles de la soufflante, ce qui permet de régler, voire d'augmenter son débit pour les mêrnes vitesses. La vitesse de l'air juste avant l'entrée de la soufflante est évidemment indépendante du rayon de celle-ci, tandis que la vitesse à l'entrée des aubages du compresseur est beaucoup plus importante sur la partie périphérique de la soufflante que dans sa région centrale. Lorsque le régime du moteur augmente, par le compresseur le flux primaire augmente tandis que le flux secondaire diminue par rapport au flux total, ou alors augmente plus lentement que le premier le diminue et la consommation augmente. La pression à la sortie de la soufflante varie dans le même sens que le X. Le freinage d'un avion s'effectue souvent par l'utilisation de l'inversion de la poussée de ses moteurs. Cette contre-poussée peut s'obtenir en plaçant des obstacles dans le flux normal. Pour des raisons de simplicité de construction, l'inversion peut s'effectuer uniquement sur le flux secondaire. La tuyère peut être divisée en deux tuyères concentriques, une pour chaque circuit, lorsque les deux flux sont "séparés". Les géométries de ces deux tuyères peuvent être aussi variables. Dans les moteurs à deux flux confluents, il s'avère avantageux de mélanger les flux primaire et secondaire avant de les éjecter, par exemple lorsqu'on utilise une variation de tuyère pour optimiser le fonctionnement du moteur. La section de la tuyère en flux mélangés est en général supérieure à la somme des sections des tuyères à flux sép?rés. Elle augmente proportionnellement à la poussée brute. Sur la base de la description précédente d'un turboréacteur double corps double flux, de la technique actuelle et des considérations sur le fonctionnement des éléments et de leurs interactions, le présent brevet propose les innovations suivantes I - La structure du rotor est modifiée (Fig. 1). 1) L'arbre portant tous les éléments tournants et qui, par les "disques" des aubages mobiles et de diverses pièces de fixation qui lui sont reliées, occupe un espace cylindrique d'un diamètre de l'ordre de la moitié de celui du moteur, est remplacé par un arbre creux (1), appelé "tambour" dans le texte suivant. Celui-ci est un tube métallique, d'une paroi relativement mince (2) et d'un diamètre de l'ordre de celui de l'espace cylindrique précédemment indiqué. 2) Il y a un tambour central, distingué ici comme "principal" (1) qui porte plusieurs tronçons de tambours "secondaires" (3) concentriques avec lui-même, pour les "corps" indépendants, plus éventuellement celui d'une soufflante arrière (4) et ceux (5) et (6) des hélices transsoniques (7). Des turbines industrielles T tambour" existent déjà mais ces tambours sont reliés et solidaires à un arbre. Dans ce brevet, le tambour (1) constitue l'arbre lui-meme du turboréacteur. Sur l'extrados des tambours sont fixées les différentes aubes mobiles des compresseurs (8) et (9) et des turbines (10) et (11). L'espace intérieur (15) du tambour principal (1) sert pour le passage d'une partie du flux froid propulsé par la soufflante. Ce flux est, en fait, un "troisième flux" et ce passage du tambour constitue un "circuit tertiaire". Le turboréacteur ainsi conçu est un turboréacteur à tambour à double ou triple corps et "triple flux". Le tambour principal (1) roule sur des paliers du type (13) et des butées (12) à roulements, fixés sur le stator (14). Les diamètres de ces paliers et butées étant très grands, leur comportement mécanique et thermique sera amélioré. Sur lui-même (1), roulent les tambours secondaires (3) (4) (5) (6). II - 1) La soufflante amont (18) est solidaire de ce tambour principal (1). Sa partie périphérique (19) extérieure à celui-ci (1) alimente les circuits secondaire (17) et primaire (16). Sa partie centrale (20) alimente le circuit tertiaire (15). En plus de la fixation habituelle par une couronne (24) des extrémités(23) des aubes de la soufflante, celles-ci sont "encastrées" sur le bord du tambour (22), tandis que leurs extrémités centrales (21) se rencontrent sur l'axe immatériel de ce tambour sans la médiation d'un moyeu quelconque. Ces aubes centrales (20) agissent comme des "hélices en tuyère", en profitant aussi du fait qu'il n'y a pas de jeu entre le tambour et leurs extrémités (22). 2) Une soufflante arrière (25) à calage fixe ou variable, indépendante du tambour principal et située sur le tambour secondaire (4), est actionnée par les gaz de la turbine TBP (11), comme dans le fonctionnement d'un "turbomoteur" et elle agit en plus ou en moins comme accélérateur ou frein sur le troisième flux, ayant le meme roule qu'une tuyère à géométrie variable III - 1) Les aubes mobiles (10) de la turbine de haute pression roulent sur l'extrados du tambour (1), comme il a été dit, par l'intermédiaire du tambour secondaire (3) et de paliers (13) et butées (12) à roulements. Les aubes fixes (26) sont reliées à l'intrados du stator (14). 2) Les espaces annulaires vides (27) situés entre les aubes fixes (26) et celles mobiles (10) et (11), ou entre les différents tambours (1) (3) (4), sont réduits par la technique des "labyrinthes" constitués de garnitures d'étanchéité. IV - 1) Dans une variante du turboréacteur de ce brevet (Fig. 3), il est prévu l'utilisation de deux hélices transsoniques propulsives (7) à l'extérieur du corps du moteur. Elles sont portées par des disques à aubes (32) et (33) des turbines de basse pression et ont des rotations de sens contraires. 2) Les extrémités de chaque hélice sont reliées entre elles par une couronne circulaire (34) qui leur fournit des "encastrements" ou des "articulations" s'il y a un calage variable. Ces liaisons par la couronne (34) augmentent la raideur des pales par rapport à celle du fonctionnement comme simples consoles. Par sa fonction de "carène" cette couronne. (34) pourrait être étudiée pour faciliter l'écoulement de l'air. V - La tuyère d'éjection (28) à géométrie fixe ou variable, à flux séparés ou mélangés, permet l'existence de piquage (29) des gaz d'éjection pour l'utilisation par un récepteur extérieur. Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 représente en coupe longitudinale le dispositif de l'invention. Les figures 2 et 3 représentent en demi-coupe longitudinale des variantes de l'invention. VI- Dans une autre variante du turboréacteur objet de ce brevet, le corps du turboréacteur contenant les compresseurs, la chambre de combustion annulaire et les turbines, pourrait avoir un diamètre plus grand, proche de celui de la soufflante avant (voir Fig. 2). Dans ce cas, le deuxième flux qui passait par l'extérieur passerait par le tambour (15), à une vitesse plus réduite à cause du diamètre plus petit de la soufflante, mais d'une masse plus grande car combiné avec le troisième flux. Le premier flux bénéficierait de la zone périphérique de la soufflante(l7), ce qui augmenterait la vitesse, avec toutes les conséquences positives pour la puissance du moteur. Le maigre couple du moteur sera ainsi augmenté. La chambre de combustion annulaire pourra être diminuée de volume, pour la même puissance, grâce au diamètre augmenté, ou alors augmentée de volume et de puissance en proportion de ce nouveau diamètre. Ce type de turboréacteur azura, par conséquent, uniquement un flux secondaire interne, ce qui lui permettrait une utilisation nouvelle, pour les hélicoptères, avec moteur incorporé au fuselage, où le problème de la traînée ne se pose plus. Par ailleurs, grâce au mélange de flux, on pourra règler la température d'éjection afin d'éviter de brûler le sol d'atterrissage. Application A titre d'exemple non limitatif, on applique les innovations du présent brevet à un turboréacteur du type CFM 56 qui possède les caractéristiques principales suivantes (suivant "Les turbomachine s aéronautiques mondiales" de A. Bodemer) Diamètre soufflante : = 1814 mm Longueur entre entrée air et sortie gaz : L = 2430 mm Longueur totale L' = 3130 mmm Masse: P = 2005 kg Taux de dilution : # = 5,9 Poussée F au SOl, 15 = 10 000 kg Consommation spécifique : Cs = 0,360 kg/kgf/h Poussée F à z = 9145 m = 2463 kg pour M 0,8 Cs = 0,650 kg/kgf/h Débit d'air : D = 360 kg/sec. # 294 m3/sec. C = 1 F + 3 IP + 9 HP T = 1 HP + 4 BP V = 5175/15180 tr/min. Diamètres du corps = 1000/570/1100 mm Diamètres de l'arbre + disques = 770/430/630 mm Masse de l'arbre avec les disques support des aubes : PA # 1024 kg Innovations proposées par le brevet Masses La masse du tambour en acier, avec une paroi d'une épaisseur moyenne de 5mm et qui suivra la forme extérieure de l'arbre et de ses annexes actuelles Rtambour = 7800 kg/m3 x 0,005m x 2 # (0,40 x 0,40 + 0,40 x 0,25 + R 0,70 x 0,20 + 0,40 x 0,20 + 0,60 x 0,25) = 155 kg Réduction de la masse de l'arbre actuel : 1024 - 155 = 869 kg Masse nouvelle du Turboréacteur : P' = 2005 - 869 = 1136 kg Flux Dans le CFM 56, le débit du circuit primaire est de D = 294 m3/sec. La section frontale du circuit primaire est environ SI = fl x 0,10m x 0,90 m = 0,2826 m2 La section frontale du circuit secondaire est de SI = (0,892 - 0,542) = 1,57157 m2 1,57157 d'où # = = 5,56 # 5,90 indiqué dans les caractéristiques. 0,2826 On obtient, en rapportant à la masse, un taux de dilution "spécifique" 5,90 K1 = = 2,9426 (#/t) 2,005 t Dans le turboréacteur du brevet, la section frontale de passage du tambour (circuit tertiaire) avec R = 0, 40 m SIII = #. 0,42 = 0,5024 m2 Total des sections des circuits froids SII + SIII = 1,57157 + 0,5024 = 2,07397 m2 2,07397 d'où : # = = 0,2826 Et la dilution spécifique 7,34 K2 = = 6,4613 (#/t) 1,136 t Soit une amélioration du taux de dilution spécifique de K2 = 6.4613 = 2,196 K1 2,9426 Débit total CFM 56: z # D = S1 + SII = 0,2826 + 1,57157 = 1,85417 m2 Turboréacteur du brevet # D = SI + SII + SIII = 0,2826 + 1,57157 + 0,5024 = 2,35667m2 soit une augmentation de débit de #D' 2,35667 = = 1,271 # 25 % #D 1,85417 La poussée:: Comme la poussée est proportionnelle à la masse gazeuse éjectée, on pourrait. dans une première estimation, surtout que le poids du turboréacteur est diminué, supposer que la poussée du turboréacteur du brevet sera, pour l'augmentation de débit, de 25 %, de F' = 1,25 . 10000 = 12500,00 kg Les poussées unitaires seront 10000 CM 56 f =F/P = = 4,987534 2005 Turboréacteur du brevet 12500 f' =F'/P' = = 11,003521 1136 Amélioration de la poussée spécifique 11,03521 f'/f = = 2,2062059 , soit 120 % 4,987534 De la meme manière, on pourrait comparer la variante du turboréacteur de ce brevet dont le diamètre du moteur serait de l'ordre de la soufflante amont, avec un CM 56. Raideur des arbres CFM 56 - Diamètre de l'arbre proprement dit : d = 10 cm # d4 Moment d'inertie : I = = 490,9 cm4 64 Turboréacteur du brevet Diamètre extérieur du tambour : dl = 80 cm Diamètre intérieur du tambour : d2 = 79 cm I' = # d14 - d24 = 98611,649 cm4 64 Amélioration de la raideur I' = 98611.649 = 200,8793 I 490, 9 Les avantages du turboréacteur proposé par le présent brevet sont les suivant s 1) Une importante réduction de la masse du turboréacteur. 2) Création d'un troisième circuit, pour le même volume global. 3) Utilisation de la zone centrale de la soufflante, par la suppression du moyeu et par la fixation des aubes de celle-ci sur l'intrados du tambour. 4) Augmentation de la raideur des aubes de la soufflante et donc diminution de leur masse. 5) Possibilité d'utilisation d'une soufflante arrière avec rôle d'accélérateur ou de frein. 6) Obtention d'un écoulement régulier du troisième flux, par la suppression du moyeu, ce qui fait que la puissance apportée par ce flux est proportion nelle à sa masse. 7) Amélioration du taux de dilution. 8) Amélioration de la tenue mécanique de "l'arbre" grâce au moment d'inertie du tambour, nettement supérieur à celui d'un arbre habituel. 9) Diminution de la longueur hors tout du turboréacteur. 10) Amélioration du comportement mécanique et thermique des paliers et des butées, grâce à leurs grands diamètres. 11) Possibilité de supprimer le deuxième flux extérieur et de garder unique ment le troisième flux intérieur au tambour. Dans ce cas, possibilité d'utilisation du turboréacteur en position verti cale pour les hélicoptères, incorporé au fuselage. REVENDICATIONS 1) Turboréacteur à plusieurs corps caractérisé en ce qu'il comporte, à la place de l'arbre du rotor, un tambour (1) constitué d'un cylindre métallique creux. 2) Turboréacteur selon la revendication (1) caractérisé en ce que le tam bour porte autant de tronçons de tambours (3) (4), concentriques avec lui-meme, qu'il y a de corps. 3) Turboréacteur selon la revendication (1) ou la revendication (2) carac térisé en ce que les tambours. portent sur leurs extrados les aubes mobiles des compresseurs et des turbines. 4) Turboréacteur selon la revendication (1) caractérisé en ce que espace intérieur du tambour sert de circuit tertiaire pour un troisième flux (d'air){15). 5) Turboréacteur selon la revendication (1) caractérisé en ce que le tam bour roule sur des paliers et des butées à roulements, fixés sur le stator 6) Turboréacteur selon les revendications (1) et (2) caractérisé en ce que le tambour porte les tronçons de tambours concentriques par l'intermé diaire de paliers et de butées ta roulements. 7) Turboréacteur selon la revendication (1) caractérisé en ce que la soufflante amont (18) est solidaire du tambour, n'a pas de moyeu et alimente en air les trois circuits. 8) Turboréacteur selon les revendications (1) et (2) caractérisé en ce qu'une soufflante arrière (25) peut être fixée sur un tronçon de tambour (4) concentrique, indépendante du tambour de la revendication (1) et qui agit comme accélérateur ou comme frein sur le flux tertiaire. 9) Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tuyère d'éjection (28) permet des piquages de gaz (29) pour un récepteur extérieur. 10) Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une de ses variantes ne comporte pas de circuit secondaire en périphérie de la soufflante à l'extérieur du tambour mais uniquement le circuit tertiaire (15) à l'intérieur du tambour, pour l'air froid. 11) Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une de ses variantes comporte deux tronçons de tambours (5) et (6) de la revendication (2), situés à l'arrière des tur bines, font tourner deux hélices transsoniques propulsives (7) à rota tions contraires à l'extérieur du moteur, actionnées par les gaz d'éjec tion des turbines.