Brevet FR2641332A1 — publié le 19900706

La présente invention concerne des turboréacteurs à double flux et elle porte plus particulièrement sur un turboréacteur à double flux à taux de dilution élevé com- portant une turbine contrarotative à basse pression, par- tiellement accouplée au moyen d'une transmission à engrena- ges, pour entraîner un compresseur de basse pression et une section de soufflante. Les turboréacteurs à double flux à taux de dilu- tion élevé, c'est-à-dire les turboréacteurs à double flux dont le taux de dilution est supérieur à environ 8:1, ont tendance à être lourds et coûteux, à cause de la turbine d'entraînement de soufflante, à faible vitesse et à basse pression, encore appelée turbine de puissance, et du com- presseur de basse pression, fonctionnant à faible vitesse, chacun d'eux nécessitant de nombreux étages pour accomplir le travail aérodynamique nécessaire, dans les conditions imposées par le cycle de travail thermodynamique. De plus, le compresseur à basse pression et à faible vitesse peut faire apparaître d'importants problèmes de givrage lorsque la vitesse de rotation est relativement faible. En considérant la figure 1, on note qu'un turbo- réacteur à double flux à taux de dilution élevé, 100, con- forme à l'art antérieur, comprend une turbine à basse pres- sion ou turbine de puissance, 102, qui entraîne un compres- seur à basse pression 104 qui est placé en avant d'une sec- tion de turbine à gaz centrale 106, et une section de souf- flante 108 qui est placée en avant du compresseur à basse pression 104, par l'intermédiaire d'un arbre 110. Pour ré- duire la vitesse de rotation correspondant à l'énergie qui provient de la section de turbine 102, de façon à la faire correspondre à la vitesse de rotation exigée pour la sec- tion de soufflante 108, un engrenage réducteur 112 est ha- bituellement placé dans l'arbre 110 entre le compresseur à basse pression 104 et la section de soufflante 108. De cet- te manière, le compresseur à basse pression 104 est entrai- né à la vitesse de rotation élevée de la turbine 102, et la section de soufflante 108 est entraînée en rotation à une vitesse d'arbre plus faible, par l'intermédiaire de l'en- grenage réducteur 112, comme il est nécessaire pour obtenir un bon rendement de la soufflante. La structure de turboréactreur qui est représen- tée sur la figure 1 présente cependant deux inconvénients importants. Premièrement, l'engrenage réducteur 112 doit transmettre la totalité de la puissance mécanique d'entrai- nement de soufflante de l'arbre 110 à la section de souf- flante 108. L'engrenage réducteur 112 est donc nécessaire- ment très lourd et, du fait du rendement imparfait et des pertes thermiques qui sont inhérents aux engrenages réduc- teurs, cet engrenage nécessite un refroidisseur d'huile qui est lourd et volumineux et présente un mauvais rendement. Secondement, du fait que la vitesse de rotation maximale admissible est limitée par des critères de contraintes dans les aubes de turbine, le nombre d'étages de turbine de bas- se pression doit être relativement élevé pour maintenir une charge par étage correspondant à un bon rendement. L'utili- sation d'un grand nombre d'étages de turbine de basse pres- sion augmente le poids et les problèmes de conception liés aux caractéristiques dynamiques du rotor. L'invention a donc pour but de procurer un turbo- réacteur à double flux à taux de dilution élevé qui utilise des engrenages pour adapter et optimiser les vitesses de rotation de la soufflante, du compresseur à basse pression et de la turbine de puissance: a) sans dépasser les limi- tations de vitesse de la turbine qui sont imposées par les contraintes mécaniques, et b) sans transmettre la totalité de la puissance mécanique de la turbine de puissance par l'intermédiaire du réducteur à engrenages. Un but supplémentaire de l'invention est de pro- curer un turboréacteur à double flux à taux de dilution élevé qui utilise des engrenages pour adapter et optimiser les vitesses de rotation de la soufflante, du compresseur à basse pression et d'une turbine de puissance contrarotative, dans lequel les aubes de la turbine de puissance contraro- tative et des tambours associés fonctionnent à des vitesses de rotation (t/min) différentes, ainsi que dans des direc- tions différentes. Un but supplémentaire de l'invention est de pro- curer un turboréacteur à double flux à taux de dilution élevé dans lequel on puisse utiliser un engrenage réducteur plus petit, plus léger et d'un meilleur rendement, dans l'arbre entre la soufflante et le compresseur à basse pres- sion. Un but supplémentaire de l'invention est de pro- curer un turboréacteur à double flux à taux de dilution élevé, dans lequel la turbine d'entraînement de soufflante pour le compresseur à basse pression et la section de souf- flante puisse être plus petite et plus légère, avec un plus petit nombre d'étages de turbine, tout en satisfaisant les exigences de travail pour faire fonctionner le compresseur à basse pression et la section de soufflante à des niveaux de performances optimaux. Pour atteindre les buts précédents, et conformé- ment à ses objectifs, l'invention qui est décrite ici de façon générale procure un turboréacteur & double flux à taux de dilution élevé, comprenant une section de soufflan- te et un compresseur à basse pression placé en arrière de la section de soufflante, lorsqu'on considère le flux des gaz de combustion traversant le moteur. Une section de tur- bine à gaz centrale est placée en arrière du compresseur à basse pression, et une turbine à basse pression pour l'en- traînement de la section de soufflante et du compresseur à basse pression est placée en arrière de la turbine à gaz centrale. La turbine à basse pression consiste en une tur- bine contrarotative comportant au moins un ensemble de ran- gées d'aubes tournantes espacées en direction axiale, et un ensemble de rangées espacées axialement d'aubes de turbine tournant dans des sens opposés, ou contrarotatives, qui tournent à une vitesse différente ainsi que dans un sens différent. Une structure d'arbre extérieur et une structure d'arbre intérieur sont prévues respectivement pour accou- pler les aubes de turbine au compresseur à basse pression, et pour accoupler les aubes de turbine contrarotatives à la section de soufflante. Des moyens réducteurs à engrenages sont prévus pour accoupler les aubes de turbine à vitesse élevée à la section de soufflante, et pour réduire la vi- tesse de rotation de l'arbre extérieur qui transmet la puissance de sortie de la turbine, afin de l'adapter à la vitesse et au sens de rotation de la section de soufflante, pour répartir ainsi le travail utilisable des aubes de tur- bine entre la section de soufflante et le compresseur à basse pression. Il est préférable que les aubes du premier ensem- ble d'aubes de turbine soient montées sur un tambour inté- rieur s'étendant radialement vers l'extérieur, et que les aubes de turbine contrarotatives soient montées sur un tam- bour extérieur s'étendant radialement vers l'intérieur, les rangées d'aubes rotatives étant interdigitées avec les rangées d'aubes de turbine contrarotatives. Il est préféra- ble que le tambour intérieur soit accouplé à la structure d'arbre extérieur et que le tambour extérieur soit accouplé à la structure d'arbre intérieur, bien que l'accouplement puisse être effectué de la manière opposée. Il est préférable que les aubes du premier ensem- ble d'aubes de turbine soient conçues pour tourner à une vitesse de rotation plus élevée, c'est-à-dire un plus grand nombre de tours par minute, que les aubes de turbine con- trarotatives avec lesquelles elles sont interdigitées. Ceci contribue à optimiser les performances du moteur et à mini- miser la taille et le poids du réducteur à engrenages, ain- si que la complexité du moteur. Il est préférable que les structures d'arbre ex- térieur et intérieur comprennent des arbres extérieur et intérieur concentriques et contrarotatifs, ayant la confi- guration d'une structure à double corps, avec l'arbre in- térieur s'étendant directement entre le tambour extérieur qui contient les aubes de turbine contrarotatives et la section de soufflante, pour entraîner directement la sec- tion de soufflante. Il est en outre préférable que les moyens réduc- teurs à engrenages comprennent un engrenage réducteur ayant un arbre d'entrée accouplé à l'arbre extérieur des structu- res d'arbre, et un arbre de sortie accouplé à la section de soufflante. L'engrenage réducteur comprend également de préférence des moyens pour inverser le sens de rotation de l'arbre extérieur des structures d'arbre, afin que le sens de rotation et la vitesse de l'arbre de sortie de l'engre- nage réducteur correspondent au sens de rotation et à la vitesse de l'arbre intérieur, pour apporter ainsi un com- plément au travail qu'il est nécessaire de fournir pour faire tourner la section de soufflante. La suite de la description se réfère aux dessins annexés qui représentent respectivement: Figure 1: une illustration schématique d'un tur- boréacteur à double flux à taux de dilution élevé de type classique, dans lequel la totalité de la puissance mécani- que sur l'arbre qui est fournie à la soufflante est trans- mise par un engrenage réducteur; et Figure 2: une illustration schématique d'un tur- boréacteur à double flux à taux de dilution élevé qui met en oeuvre les principes de l'invention. Le turboréacteur à double flux à taux de dilution élevé 10 de la figure 2, qui met en oeuvre les principes de l'invention, comprend une section de soufflante 12 qui est montée de façon à tourner dans le turboréacteur, et un com- presseur à basse pression 14, placé en arrière de la sec- tion de soufflante 12 lorsqu'on considère le flux des gaz de combustion traversant le turboréacteur, qui est désigné par la flèche 16. Le turboréacteur 10 comprend en outre une turbine à gaz centrale 18 qui est placée en arrière du com- presseur à basse pression 14. La section de turbine à gaz centrale 18 comprend de façon caractéristique un compres- seur à haute pression conduisant à des chambres de combus- tion qui éjectent à leur tour des produits de combustion chauds de façon qu'ils traversent une ou plusieurs turbines à haute pression. Ces éléments de la turbine à gaz centrale 18 ne sont pas représentés ici, du fait qu'ils sont carac- téristiques de sections de turbine à gaz centrale qu'on trouve dans des t. r:réacteurs à double flux, comme il est bien connu de l'homme de l'art. Conformément à l'invention, le turboréacteur 10 comprend en outre une turbine à basse pression, placée en arrière de la turbine à gaz centrale, pour entrainer la section de soufflante et le compresseur à basse pression. Dans le mode de réalisation considéré ici, la turbine à basse pression consiste en une turbine contrarotative qui est désignée de façon générale par la référence 20. La tur- bine contrarotative 20 comprend au moins un ensemble d'au- bes de turbine rotatives 22 qui s'étendent à partir d'un tambour intérieur 24 monté pour tourner indépendamment sur des paliers, dans le turboréacteur 10. La turbine contraro- tative 20 comprend en outre au moins un ensemble d'aubes de turbine contrarotatives 26, tournant en sens opposé, qui s'étendent à partir d'un carter tournant ou tambour exté- rieur 28, qui entoure le tambour intérieur tournant 24. Dans ce mode de réalisation, les premières aubes de turbine rotatives 22 sont conçues pour travailler efficacement à une vitesse de rotation (nombre de tours/minute) plus éle- vée que celle des aubes de turbine contrarotatives 26. Des joints tournants 32 assurent l'étanchéité entre le tambour extérieur 28 et une structure 34 du turboréacteur 10. Conformément & l'invention, le turboréacteur 10 comprend en outre un arbre extérieur pour accoupler les aubes de turbine au compresseur à basse pression, et un ar- bre intérieur pour accoupler directement les aubes de tur- bine contrarotatives à la section de soufflante. Dans le mode de réalisation qui est considéré ici, les arbres inté- rieur et extérieur consistent en arbres intérieur et exté- rieur concentriques et contrarotatifs, 36 et 38, qui sont montés sous la forme d'une structure à double corps sur des palies respectifs 30 et 31. L'arbre intérieur 36 est direc- tement accouplé aux aubes de turbine contrarotatives 26 et au tambour 28 à une extrémité, et à la section de soufflan- te 12 à l'autre extrémité, pour entraîner directement la section de soufflante 12 à la même vitesse de rotation que les aubes de turbine contrarotatives 26 et le tambour exté- rieur 28. L'arbre extérieur 38 accouple ensuite directement les premières aubes de turbine 22 et le tambour intérieur 24 au compresseur à basse pression 14, par l'intermédiaire de l'accouplement d'arbre 40, pour entraîner le compresseur & basse pression 14 à la même vitesse de rotation élevée que les premières aubes de turbine 22. Conformément & l'invention, le turboréacteur 10 comprend en outre des moyens réducteurs à engrenages pour accoupler les aubes de turbine à la section de soufflante, et pour réduire la vitesse de rotation de ces aubes de tur- bine de façon à l'adapter à la vitesse de rotation de la section de soufflante, afin de répartir ainsi le travail utilisable des aubes de turbine entre le compresseur à bas- se pression et la soufflante. Dans le mode de réalisation qui est considéré ici, les moyens réducteurs à engrenages consistent en un engrenage réducteur 42 ayant un arbre d'entrée 44 qui est directement entraîné par l'arbre exté- rieur 38 de la structure d'arbre qui est accouplé aux pre- mières aubes de turbine 22 et au tambour intérieur 24, et un arbre de sortie extérieur 46 qui est accouplé à la sec- tion de soufflante 12 pour entraîner la soufflante. L'en- grenage réducteur 42 adapte la vitesse de rotation élevée des premières aubes de turbine 22 à la vitesse de rotation plus faible de l'arbre intérieur 36, qui est égale à la vi- tesse de rotation de la section de soufflante 12. L'engrenage réducteur 42 comprend en outre des moyens pour inverser le sens de rotation de l'arbre exté- rieur 38, de façon que le sens de rotation de l'arbre de sortie 46 concorde avec le sens de rotation de l'arbre in- térieur 36, pour ajouter ainsi un complément à la puissance mécanique sur l'arbre qui est fournie à la section de souf- flante 12. La configuration fonctionnelle de l'engrenage réducteur 42, comprenant les moyens pour inverser le sens de rotation de l'arbre de sortie 38, ne détermine ni ne li- mite le cadre de l'invention. L'homme de l'art connaît de nombreux modes de réalisation classiques de l'engrenage ré- ducteur 42 qui sont utilisables avec l'invention. A titre d'exemple, et non de limitation, de tels engrenages réduc- teurs sont décrits dans l'ouvrage "Handbook of Pratical Gear Design" par Darle W. Dudley, édité par McGraw Hill en 1984. La présente invention, telle qu'elle est illus- trée dans le mode de réalisation préféré de la figure 2, procure plusieurs avantages par rapport à la configuration classique ou de l'art antérieur qui est représentée sur la figure 1. Premièrement, les aubes de turbine 22 peuvent être conçues de façon à tourner à une vitesse élevée, pour améliorer le rendement de la turbine à basse pression 20, et également pour entraîner le compresseur à basse pression 14 à la même vitesse de rotation élevée, procurant ainsi un meilleur rendement pour le compresseur à basse pression 14. Secondement, un plus petit nombre d'étages sont nécessaires dans le compresseur à basse pression 14 pour produire le même travail de sortie, et les problèmes de givrage qui sont associés à des compresseurs à basse pression entraînés à de plus faibles vitesses de rotation peuvent être prati- quement éliminés. Troisièmement, pour une limite de con- traintes de turbine donnée dans les aubes de turbine de la turbine à basse pression 20, on peut extraire davantage de travail, du fait que les vitesses relatives entre les ran- gées successives d'aubes et d'aubes contrarotatives peuvent être sélectionnées à des valeurs plus élevées que dans des turbines d'entraînement de soufflante de l'art antérieur (à cause des éléments tournant en sens inverse). Quatriè- mement, du fait que l'engrenage réducteur 32 transmet seu- lement une partie de la puissance mécanique de la soufflan- te, on peut réduire le poids et la taille de l'engrenage réducteur 42 et du système de refroidissement d'huile. Enfin, pour la même limite de contraintes dans les aubes de turbine, un plus petit nombre d'étages sont nécessaires dans la turbine à basse pression 20 pour extraire la même puissance mécanique sur l'arbre que dans la configuration de turbine à basse pression de l'art antérieur. Avec l'invention telle qu'elle est représentée sur la figure 2, on peut utiliser une plage de vitesses et de répartitions de puissance entre les arbres intérieur et extérieur 36 et 38. A titre d'exemple non limitatif, la ré- partition de puissance et les vitesses de fonctionnement caractéristiques pour les arbres 36 et 38 peuvent avoir les valeurs indiquées ci-après, avec les notations suivantes: S = vitesse de rotation en t/min de l'arbre 36; S2 = vi- tesse de rotation en t/min de l'arbre 38; T1 = couple de l'arbre 36; T2 = couple de l'arbre 38; et HP = puissance mécanique sur les arbres 36 et 38, respectivement désignés par les indices 1 et 2. Exemple: S1 = 2000 S2 = 5000 1. 2 2 (S1.+ S2)2/(S2)2 = 49/25 (S2/S1)2 = 6,25 2/ 1 T2/T1 = 1,0 HP2/HP1 = 2,5 HP du compresseur à basse pression = 20% de HP totale HP S1/HP totale = 28,6% HP S1/HP soufflante = 35,7% HP engrenage réducteur/ HP totale = 51, 4% HP engrenage réducteur/ HP soufflante = 64,3% Dans l'exemple ci-dessus, en supposant que l'ar- bre 110 dans le turboréacteur de la figure 1 tourne à la vitesse S2, pour la même variation d'enthalpie à travers la turbine contrarotative 20 et à travers la turbine 102, le, nombre nécessaire d'étages de turbine pour la turbine con- trarotative 20 peut être approximativement égal à la moitié, c'est-à-dire 49/25, du nombre nécessaire pour la turbine à basse pression 102 de la configuration de turboréacteur de l'art antérieur, du fait que le travail produit par étage est directement lié au rapport des carrés des vitesses d'arbre respectives. 1l En outre, le nombre d'étages nécessaire pour le compresseur à basse pression 14 peut être plus faible avec la configuration du turboréacteur qui met en oeuvre les principes de l'invention, en comparaison avec le turboréac- teur à double flux de l'art antérieur 100 qui est représen- té sur la figure 1. Le compresseur à basse pression tour- nant à la même vitesse élevée que les premières aubes de turbine 22, au lieu de la vitesse de la soufflante, comme il est plus habituel, procure une augmentation du travail qui est produit par étage. Enfin, la taille, le poids et la capacité du dis- positif de refroidissement d'huile de l'engrenage-réducteur 42 dans le moteur qui met en oeuvre les principes de l'in- vention ne sont que d'environ 64,3% de la taille, du poids de l'engrenage réducteur et de la capacité du dispositif de refroidissement d'huile du turboréacteur 100 de l'art anté- rieur qui est représenté sur la figure 1, du fait que l'en- grenage réducteur 42 transmet seulement une partie de la puissance mécanique totale de la soufflante. Dans l'exemple ci-dessus, on a choisi un rapport de vitesses de rotation arbitraire de 2,5:1 entre l'arbre 38 et l'arbre 36. On peut faire varier le rapport exact en- tre les nombres de tours/minute des arbres pour parvenir à un compromis favorable entre le coût et le poids de la tur- bine contratorative 20, et le coût et le poids du compres- seur à basse pression 14. Par exemple, un rapport de 2,0:1 entre les vitesses de rotation de l'arbre 38 et de l'arbre 36 conduirait à une turbine contrarotative 20 et un com- presseur à basse pression 14 de plus grande taille, mais a un engrenage réducteur 42 moins lourd et plus petit. On peut choisir le rapport optimal entre les vitesses de rota- tion des arbres 36 et 38 pour chaque application dans la plage fonctionnelle d'un turboréacteur particulier. REVENDICATIONS 1. Turboréacteur à double flux à taux de dilution élevé, caractérisé en ce qu'il comprend: une section de soufflante (12); un compresseur à basse pression (14) placé en arrière de la section de soufflante lorsqu'on considère le flux des gaz de combustion traversant le turboréacteur; une section de turbine à gaz centrale(18) placée en arrière du compresseur à basse pression (14); une turbine (20) pla- cée en arrière de la section de turbine à gaz centrale (18) pour entraîner la section de soufflante (12) et le compres- seur à basse pression (14), cete tubine (20) consistant en une turbine contrarotative qui comporte au moins un ensem- ble de premières aubes de turbines rotatives (22), et au moins un ensemble d'aubes de turbine contrarotatives (26) pouvant tourner en sens opposé; une structure d'arbre exté- rieur (38) pour accoupler les premières aubes de turbine (22) au compresseur à basse pression (14); une structure d'arbre intérieur (36) pour accoupler les aubes de turbine contrarotatives (26) à la section de soufflante (12); et des moyens réducteurs à engrenages (42) pouraccoupler la structure d'arbre extérieur (38) à la section de soufflante (12) et pour réduire la vitesse de rotation de la structure d'arbre extérieur de façon à l'adapter à la vitesse de ro- tation et au sens de rotation de la section de soufflante (12), pour répartir ainsi le travail disponible des premiè- res aubes de turbine (22) entre la section de soufflante (12) et le compresseur à basse pression (14). 2. Turboréacteur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les premières aubes de turbine (22) fonc- tionnent à une vitesse de rotation plus élevée que les au- bes de turbine contrarotatives (26). 3. Turboréacteur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les structures d'arbres intérieur et exté- rieur comprennent respectivement des arbres intérieur et extérieur concentriques (36, 38), disposés en une configu- ration à double corps, l'arbre intérieur (36) s'étendant directement entre les aubes de turbine contrarotatives (26) et la section de soufflante (12), pour entraîner cette der- nière. 4. Turboréacteur selon la revendication 3, carac- térisé en ce que les premières aubes de turbine (22) sont disposées en rangées d'aubes intérieures espacées en direc- tion axiale, et s'étendent radialement vers l'extérieur à partir d'un tambour intérieur tournant (24), ce tambour in- térieur étant accouplé de façon fixe à l'arbre extérieur (38), et les aubes de turbine contrarotatives (26) sont disposées en rangées d'aubes extérieures espacées en direc- tion axiale, et elles s'étendent radialement vers l'inté- rieur à partir d'un tambour extérieur tournant (28) qui est disposé autour du tambour intérieur (24), ce tambour exté- rieur (28) étant accouplé de-façon fixe à l'arbre intérieur (36). 5. Turboréacteur selon la revendication 4, carac- térisé en ce que les moyens réducteurs à engrenages com- prennent un engrenage réducteur (42) ayant un arbre d'en- trée (44) accouplé à l'arbre extérieur (38), et un arbre de sortie (46) accouplé à la section de soufflante (12), cet engrenage réducteur (42) comprenant des moyens pour inver- ser le sens de rotation de l'arbre extérieur (38), de façon que le sens de rotation de l'arbre de sortie (46) corres- ponde au sens de rotation de l'arbre intérieur (36).