Brevet FR2629872A1 — publié le 19891013

Turboréacteur léger modulaire L'invention se réfère aux turboréacteurs axiaux, particuliè- rement, mais non exclusivement, utilisés comme moteurs d'aé- ronefs. Le principe de fonctionnement des turboréacteurs est connu. L'air pénètre dans la prise correspondante à une vitesse relative proche de la vitesse de vol, vitesse relative qui se réduit tandis qu'augmente la pression lors du passage à travers le diffuseur. La pression de l'air est ensuite accrue par l'action du compresseur actionné mécaniquement par la turbine. A partir du compresseur, l'air est introduit dans la chambre de combustion o il se mélange au combustible provenant d'injecteurs et, par l'allumage initial provoqué, on obtient la combustion continue. Les gaz produits, à haute température et pression élevée, frappent les aubes de la turbine située en amont de la tuyère d'échappement. La turbi- ne a seulement pour but d'entra ner le compresseur dans un mouvement de rotation. A la sortie de la turbine, les.gaz sont à température élevée et pression notablement supérieure à la pression de l'atmosphère extérieure. C'est pourquoi, éjectés de la tuyère d'échappement du moteur, dans laquelle se produit la transformation de l'énergie enthalpique en éner- gie cinétique, ils sont utilisés pour la propulsion. Structuralement, un turboréacteur comprend: - un ou plusieurs groupes de compression; - unou plusieurs groupes de turbines; - un ou plusieurs arbres de liaison entre compresseur et turbine; - une chambre de combustion; - un système de régulation et les accessoires fonctionnels. Sauf exceptions limitées, le compresseur est multi-étages, avec un étage éventuel de haute pression centrifuge, organisé sur deux arbres indépendants actionnés par des turbines cor- respondantes. L'organisation à deux arbres est structurale- ment complexe et comporte, dans sa réalisation normale co- axiale, le passage de l'arbre basse pression, encombrant, à l'intérieur du groupe haute pression fondamentalement de dimensions réduites. Pour résoudre certains problèmes de structure, les arbres centraux' tournants sont interrompus et supportés par des éléments statiques internes, aérodynamiquement intégrés et par conséquent léchés par le flux principal. La protection, vis-à-vis des flux thermiques, des roulements et des éléments sujets à lubrification nécessite un système complexe d'étanchéité et par suite des pertes de débit actif de l'air. La présence des supports internes soumet le dessin aérodyna- mique aux exigences structurales, rendant difficile en parti- culier l'adoption de roues contrarotatives intéressantes pour les capacités de charge aérodynamique et de débit. Le schéma bi-arbre, complété par la géométrie variable des stators, est imposé par des problèmes de compatibilité aéro- dynamique entre les différents étages. La vaporisation et la régulation du combustible nécessitent l'un des sous-groupes les plus complexes et les plus coûteux. Onutilise exceptionnellement la distribution centrifuge tournante à partir de l'arbre en raison des problèmes d'étan- chéité en rotation pour le combustible. En fait, les turboréacteurs actuels sont des machines très complexes, comprenant: - des compresseurs multi-étages dotés d'aubes fixes et/ou tournantes alternées, organisées sur deux groupes mécanique- ment indépendants; - une structure portante externe dotée d'éléments radiaux intégrés aérodynamiquement et isolés thermiquement; - des étanchéités pour le support des arbres; - une chambre de combustion statique, avec injecteurs multi- ples et stabilisateurs de flamme passifs, produisant des pertes de pression importantes; - des turbines, sensibles aux contraintes liées aux varia- tions thermiques, dotées d'un refroidissement interne. Le but principal de l'invention est la réalisation d'un tur- boréacteur léger, modulaire, structuralement et fonctionnel- lement simplifié, convenant particulièrement, bien que non exclusivement, pour les emplois aéronautiques. Un autre but de l'invention est la réalisation d'un turboréac- teur modulaire utilisable seul ou sous forme d'association de plusieurs unités identiques et de groupes collectifs de suralimentation permettant d'obtenir une puissance totale supérieure à la somme des puissances des unités individuelles associées. Ces buts sont atteints selon l'invention par un turboréacteur comportant en substance l'une au moins des caractéristiques suivantes: - utilisation d'un compresseur supersonique comprenant deux roues contrarotatives, interagissant à travers un tourbillon libre à énergie élevée qui permet d'obtenir: - débit spécifique élevé de l'unité axiale; - rapport de compression élevé, supérieur à celui de l'étage centrifuge équivalent; - compatibilité aérodynamique élevée due à l'absence d'aubages de stator ainsi qu'à l'auto-adaptation du second étage en ce qu'il fonctionne à des angles de calage réduits - rendements globaux élevés, grâce aux.frottements internes limités et à l'absence de tourbillon d'é- chappement du compresseur; - arbre central fixe sur lequel sont montées les cou- ronnes contrarotatives du compresseur, grâce à l'em- ploi d'un train d'engrenages inverseur, ce qui évite l'utilisation de deux arbres indépendants contrarota- tifs coaxiaux, actionnés par deux turbines. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressor- tent de la description détaillée ci-après, et des dessins. annexés, dans lesquels: - la figure 1 représente la partie antérieure du turboréac- teur modulaire en coupe longitudinale selon la ligne I-I de la figure 5; la figure 1A est la suite de la figure 1, depuis la ligne de coupe transversale V-V de celle-ci jusqu'à la tuyère d'é- jection; - les figures 2 et 2A sont la reproduction de la partie supérieure des figures 1 et lA à échelle différente, pour une plus grande clarté de la disposition; - les figures 3 et 3A illustrent, à plus grande échelle, les organes centraux du turboréacteur représenté aux figures 1 et lA; - la figure 4 est une coupe transversale de la machine selon la ligne IV-IV de la figure 1A; - la figure 5 est une autre coupe transversale du turboréac- teur selon la ligne v-v de la figure 1; - la figure 6 est une vue axonométrique partielle d'un exemple non limitatif du train d'engrenage cylindrique interposé entre les premier et second étages du compresseur; la figure 7 est une vue de côté de l'une des associations modulaires possibles, plus complexe, d'une pluralité de tur- boréacteurs selon l'invention; et - la figure 8 est une vue schématique partielle en coupe transversale de l'ensemble de la figure 7, selon la ligne. VIII-VIII de cette dernière. A la figure 1, le "carter", ou enveloppe extérieure, 7 est relié à l'avant à la structure frontale 3 intégrée aérodynami- quement. En position coaxiale par rapport aux carters externe 7 et interne 8, est monté l'arbre fixe 17 (figures l,lA) sur lequel est montée, avec interposition d'un roulement 23 avec cage 49 (figure 3), la roue 2 (figure 1) qui réalise le premier étage de précompression. Avec interposition de roulements analogues 25 d' ancrage axial et de centrage, lubrifiés au moyen de canaux 41, est montée la section aérodynamique à haute pression définie par la roue 5 qui fonctionne en régime supersonique, par interférence avec le tourbillon libre agis- sant dans la chambre 6,et réalise le second étage du compres- seur, contrarotatif par rapport au premier par lequel il est entrainé. La roue 5 du second étage est calée sur l'arbre tournant 24 (figures 1, 2, 2A), solidaire de la turbine 15 (figures 1A, 2A, 4). L'allumage de la pyrofusée, placée dans la chambre 11, provoque la rotation de la turbine 15 et la rotation du second étage du compresseur, calés sur le même arbre. Par l'intermédiaire de l'inverseur de mouvement à engrenages 4 (figures 1, 2, 6) sont entraînés également le premier étage 2 et l'aspiration de l'air à travers la structure 3. La contrarotation des premier et second étages 2, 5, liés fonctionnellement à travers le tourbillon libre se développant dans la chambre 6, provoque la compression de l'air qui, mélangé au combustible sortant des tuyères 30 (figure 3A), vaporisé par le disque 35 solidaire de l'arbre 24 (figure 2A), en provoque la combustion dans la chambre 12 (figures 1, 2A). La combustion est stabilisée par la recirculation tourbillon- naire entraînée par les aubes 36 (figure 3A). A la suite de la combustion, les gaz chauds, par expansion dans le stator 13 (figure 1A), entraînent la turbine 15 qui permet l'entretien du compresseur, maintenant actif le cycle. Les mêmes gaz chauds, à travers la structure arrière.16 et la tuyère d'expulsion 54, sont éjectés en produisant la pous- sée. Le compresseur est caractérisé en ce qu'il comprend deux étages contrarotatifs dont le second 5 fonctionne en régime supersonique, en étant alimenté par le tourbillon libre à haute énergie. L'absence de structures de stators entre les deux étages et le calage bas du second étage par rapport au sens de rotation permettent une compatibilité aérodynamique élevée à la variation du débit d'air, évitant les phénomènes de perte de vitesse et de pompage du compresseur. INSTALLATION DU COMBUSTIBLE Le combustible, introduit en quantité convenablement dosée, à travers le conduit 31 (figure 2A), parvient dans le conduit axial 32 de l'arbre central 17 et, à partir de celui-ci, dans la chambre annulaire 33 (figure 3A), de laquelle, par la force centrifuge, il est transféré dans la chambre 51, éliminant d'éventuelles bulles d'air, atteignant ainsi les tuyères 30 à travers les conduits 34. Le combustible projeté par la force centrifuge frappe le disque 35, le recouvre d'un "film" liquide qui, en atteignant le bord périphérique 35a de celui-ci, se vaporise sous l'effet de l'accélération centrifuge (figure 2A). Le flux de recirculation, chaud et à haute turbulence, provoque l'évaporation du combustible vaporisé et le mélange rapide de celui-ci avec l'air arrivant du compresseur, stabilisant la combustion. Les gaz chauds sont accélérés tangentiellement à travers le stator 13 maintenant ainsi la turbine 15 en mouvement rotatif. Pour réduire la température des aubes de rotor, la structure rotative, interne, de la chambre de combustion 24 est dotée de trous 14 (figures 1A, 2A) de passage pour l'air, qui per- mettent de protéger les aubes de la turbine 15 avec des flux froids. Le stator 13 est doté d'aubes creuses refroidies par des flux internes d'air non brûlé passant dans les conduits 55 (figure 2A) et sortant par des trous appropriés ménagés dans les extrémités des aubes. CIRCUIT DE LUBRIFICATION-REFROIDISSEMENT L'huile contenue dans le radiateur ou structure antérieure 18 (figures 1 et 2) est aspirée par les deux engrenages centraux 4a de l'ensemble 4 et envoyée sous pression vers la partie postérieure de l'arbre creux 17, à travers le conduit interne 37, et de là, par l'intermédiaire du conduit 38, va lubrifier le roulement à billes 25 et, à travers le conduit 39, le roulement à rouleaux 27 (figures 3, 3A). Au moyen des canaux de récupération 42, l'huile est aspirée par les deux engrenages 50 (figure 3), est désaérée dans la boite 19 et renvoyée aux deux engrenages 4a (figure 3). Pour lubrifier les roulements à billes 23 de la roue anté- rieure 2 du compresseur, l'huile est introduite aussi en direction de l'avant dans le conduit 46 de l'arbre creux 17, d'o, à travers des orifices appropriés 48, il passe dans la cage 49 commune aux deux roulements, et de là est aspirée par les deux engrenages 50 à travers lesquels, désaéré, il est pompé dans les deux engrenages 4a. Toujours à travers le conduit 46, une fraction importante d'huile chaude, prove- nant des engrenages 4a, s'écoule à travers les rayons, au moyen de conduits 53, dans la structure/radiateur 18 o elle se refroidit, exerçant aussi la fonction antigivre, puis, à travers le canal 47, retourne aux deux engrenages centrauk 4a. CIRCUIT D'AIR, ETANCHEITES, PRESSURISATION ET EQUILIBRAGE A la sortie du compresseur, l'air, outre sa participation au cycle thermodynamique, est soutiré pour d'autres fonctions, a savoir: - à travers les orifices 57 (figures 1, 2), pour équilibrer la poussée de la roue supersonique du compresseur, au moyen d'une chambre sous pression 22 située à l'avant de cette roue; - à travers les canalisations 52, pour créer une étanchéité dynamique 29 (figures 1A, 2A) à labyrinthe, délimitant des canalisations 28, dans les zones de passage de l'huile et du combustible de l'arbre interne fixe 17 aux parties rotati- ves. A la figure 1, 10 indique le noyau interne rotatif de la section haute pression 21, et 20 indique la section rotative à basse pression (figure 2). ACCESSOIRES ET SERVICES Pour produire l'énergie électrique utile au service de bord, et non pour le fonctionnement du moteur, est prévu, logé dans la partie antérieure 6, un générateur/alternateur 1 qui peut aussi fonctionner comme compte-tours pour le moteur. Les câbles pour l'énergie passent à travers les rayons de la structure 3 (figure 2). Le démarrage peut être effectué, outre par pyrofusée, également avec un flux apptoprié d'air sous pression envoyé directe- ment dans la chambre 11 de la pyrofusée, en employant une bougie à scintillation, comme il est connu pour certains moteurs à réaction. CONFIGURATION MODULAIRE En référence à la figure 7, l'association modulaire de plusieurs unités 59 comprenant des turboréacteurs modulaires légers identiques entre eux, constitue un groupe générateur de gaz formé par un nombre préétabli d'éléments du type décrit ci- dessus et variable, par exemple compris entre 3 et 12, fonc- tionnant indépendamment et contenus physiquement dans une enveloppe commune 58. L'enveloppe 58 ou carter commun aux différentes unités 59 remplit la fonction d'assembler les différentes unités par les points de liaison 60 et fournit en outre les structures d' ancrage pour un groupe auxiliaire turbine-compresseur prévu pour la suralimentation collective desdits turboréacteurs réalisant un générateur multiple de gaz. Les unités modulaires, indiquées par 59, allumées individuel- lement ou collectivement, par des moyens extérieurs, produi- sent un flux de gaz qui, à travers le stator collectif 61, entraîne la turbine 62, solidaire, à travers l'intermédiaire rotatif 64, du second étage 63 du compresseur. Ce dernier, au moyen du train inverseur 66, entraîne le premier étage contrarotatif 65. Les deux étages contrarotatifs 63,65 du compresseur assurent la suralimentation nécessaire pour le générateur multiple de gaz, de façon à augmenter le débit d'air global et par suite la poussée disponible. La régulation du combustible est réalisée collectivement, de l'extérieur, pour les diverses unités 59, par l'emploi d'organes simplifiés, par exemple un robinet doseur de flux et un répartiteur statique de débit. L'installation de lubri- fication, pour chaque unité séparée, est de préférence semblable à celle décrite. Une caractéristique importante du turboréacteur modulaire provient de ce qu'on peut avantageusement prélever une puis- sance mécanique à partir de la roue 65 du premier étage de compresseur. On comprendra qu'au lieu du compresseur bi-étage supersonique contrarotatif, capable d'une suralimentation élevée dans la version générateur multiple de gaz, à plusieurs modules associés, on peut utiliser un groupe traditionnel compresseur- turbine avec "by-pass" éventuel du flux froid. Il résulte de la description précédente que le turbocompres- seur modulaire léger supersonique objet de l'invention est propre à satisfaire une multiplicité d'exigences d'emploi en dehors des exigences d'emploi aéronautiques. Il peut en fait être utilisé avantageusement en tant que générateur de puissance mécanique, en étant couplé à une turbine, avec des coûts économiques réduits. De façon plus détaillée, les principaux avantages tirés de l'emploi de la machine décrite peuvent être résumés comme suit: - simplicité structurale et fonctionnelle élevée, permettant une réduction des coûts et en même temps une fiabilité maxi- male grâce à un nouveau système de dynamique des fluides caractérisé par la réalisation d'un compresseur supersonique à étages contrarotatifs et à compatibilité aérodynamique élevée - mise en oeuvre d'un système de vaporisation du combustible à basse pression, avec stabilisation active de flamme; - turbine à aubes refroidies extérieurement par flux d'air tournants; - possibilité d'emploi du turboréacteur en combinaison modu- laire multiple, pour obtenir, avec unre unité de base, une vaste gamme de poussées; - fiabilité élevée de l'ensemble provenant de sa redondance structurale. L'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit et repré- senté, mais s'étend à toute solution analogue ou équivalente, tant quant aux particularités structurales qu'à la modularité du turboréacteur. Revendications 1. - Turboréacteur léger modulaire, caractérisé en ce qu'il comprend un compresseur bi-étage (2,5) à étages contrarotatifs et à compression supersonique au second étage (5) obtenue par interaction avec le tourbillon d'air contrarotatif pro- duit par une chambre (6) du premier étage (2), de façon à avoir un débit d'air élevé rapporté à la section frontale (3), associé à un rapport de compression élevée et une compa- tibilité aérodynamique élevée grâce à l'absence de surfaces de stators et au calage bas du second étage. 2. - Turboréacteur selon la revendication 1, caractérisé par une organisation mécanique interne comprenant un arbre central fixe (17), un train.d'engrenages (4) inverseur du mouvement entre les premier et second étages du compresseur, qui permet d'éliminer une structure interne de support entre lesdits étages. 3. - Turboréacteur selon la revendication 1, caractérisé par une organisation aérodynamique interne comprenant une chambre de combustion (6) avec recirculation active des gaz déterminée par un aubage (36) solidaire de l'intermédiaire rotatif (24). 4. - Turboréacteur selon la revendication 1, caractérisé par un système de vaporisation du combustible sortant des tuyères rotatives (30), vaporisé par accélération centrifuge à-partir du bord périphérique (35a) d'un disque (35) solidaire de l'intermédiaire interne rotatif (24). 5. - Turboréacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amenée du combustible aux tuyères (30) qui parvient à basse pression à travers un conduit (31) relié à une rainure (33), s'autopressurise, par la force centrifuge, dans ladite rainure, dans la chambre annulaire (51) et dans les canaux d'alimentation (34), ces derniers étant ménagés dans l'inter- médiaire rotatif (24). 6. - Turboréacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intermédiaire (24) est muni de trous (14) émettant de l'air comprimé pour le refroidissement de la turbine (15) et en ce que les jets d'air sont synchronisés avec les aubes de la turbine. 7. - Turboréacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble d'engrenages (4) est muni de trois accou- plements pour l'inversion du mouvement, faisant fonction de pompe à huile et de pompe de récupération du mélange air- huile provenant des roulements, outre la transmission du mouvement entre les premier et second étages du compresseur. 8. Turboréacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre (18) de la structure frontale, aérodynami- quement intégrée, sert de réservoir pour l'huile, de radiateur d'huile, et de dispositif antigivre. 9. - Turboréacteur selon la revendication 1, caractérisé par une composabilité modulaire selon laquelle une pluralité d'unités (59), utilisées en tant qu'éléments de base fonction- nellement indépendante, constitue un générateur multiple de gaz doté d'une turbine (62) et d'un compresseur (63,65) pour la suralimentation, les diverses unités étant régulées par un simple et unique dispositif régulateur de flux du combustible, associé à un répartiteur statique, de façon à obtenir, en utilisant plusieurs modules de base, une vaste gammes de machines propres à couvrir divers niveaux de pous- sées.