Brevet FR2697495A1 — publié le 19940506

Cette invention se rapporte d'une manière générale à une amélioration apportée à des nacelles de moteur d'avion et plus particulièrement, de manière non limitative, à un agencement destiné à maintenir un écoulement laminaire sur au moins une partie d'une nacelle pendant le vol de l'avion de façon à réduire la traînée. Pratiquement la moitié de la traînée qu'un avion subit pendant le vol est due à la friction sur le revêtement Des efforts importants ont été faits pour essayer de réduire la traînée du fait des économies de carburant résultant d'une telle réduction Il a été estimé qu'environ 4 % de la traînée subie par un avion utilisant des moteurs à turbine à gaz montés sur l'avion au moyen d'un pylône monté sur l'aile ou sur le fuselage résulte de l'écoulement libre de l'air sur la nacelle du moteur. Un grand nombre de conceptions de nacelle a été développé par des ingénieurs cherchant à réduire la traînée de nacelle Des nacelles ont été conformées de façon à procurer un écoulement laminaire naturel maximum, par exemple la conception décrite par Lahti et autres dans le brevet U S numéro 4 799 633 Toutefois, ces conceptions doivent être optimisées pour les caractéristiques d'écoulement résultant d'un vol de croisière ou bien pour les caractéristiques nettement différentes résultant des conditions de décollage. Des tentatives ont été faites pour souffler de l'air vers l'extérieur à travers des trous dans une aile d'avion de façon à réduire la traînée, comme cela est décrit par exemple par Fleischmann dans le brevet U.S numéro 2 873 931 Des nervures dirigées axialement ont été placées sur une surface aérodynamique afin de diriger l'écoulement d'air d'une manière réduisant la traînée, comme cela a été divulgué par Rethorst dans le brevet U S numéro 3 588 005 Des mécanismes dans une aile d'avion ont été prévus afin de modifier la forme du profil aérodynamique pendant le vol de façon à optimiser l'aile pour des conditions de vol, par exemple croisière, décollage et atterrissage, comme cela a été décrit par Readnour et autres dans le brevet U S numéro 5 000 399 Bien que ces systèmes réduisent souvent quelque peu la traînée, l'amélioration n'a pas été suffisante, si l'on considère le poids et la complexité de l'appareil nécessaire, pour que chacun d'entre eux connaisse une utilisation commerciale. Une grande variété de structures impliquant l'aspiration de l'air vers l'intérieur à travers une surface aérodynamique poreuse a été développée et tente ainsi de réduire la traînée en maintenant un écoulement laminaire le long de la surface aérodynamique D'une manière typique, Dannenderg présente dans le brevet U.S numéro 3 128 973 des panneaux d'aile ayant une surface poreuse à travers laquelle de l'air peut être aspiré à l'intérieur de l'aile Glaze présente, dans le brevet U S numéro 3 056 432, une matière en fil tissé perméable formant des parties longitudinales d'un revêtement d'aile d'avion L'état de la technique présente des fentes longitudinales dans une aile d'avion à travers lesquelles de l'air peut être aspiré à l'intérieur de l'aile Bien que ces systèmes puissent encourager de manière bénéfique un écoulement laminaire sur des petites surfaces ou le long de lignes longitudinales, des problèmes subsistent en ce que concerne l'obtention d'un écoulement uniforme vers l'intérieur sur de grandes surfaces aérodynamiques De même, plusieurs des systèmes antérieurs destinés à aspirer de l'air dans une aile ou équivalente présentent une surface rugueuse ou des discontinuités de surface qui tendent à augmenter la traînée en provoquant une séparation de la couche limite De même, ces systèmes sont utiles uniquement sur de grandes surfaces lisses, telles que des ailes d'avion, et ne peuvent accepter des espaces induisant une turbulence dans les surfaces, tels que les espaces inévitables autour des panneaux ou des trappes mobiles. Rose et autres décrivent, dans le brevet U S. numéro 4 479 150, un système de commande de couche limite destiné à être utilisé dans une nacelle qui a une couche de matière insonorisante en nid d'abeille sur la surface interne du revêtement de nacelle Un revêtement poreux constitué par un treillis tissé fin est collé sur une feuille d'aluminium perforée Le système d'insonorisation en nid d'abeille est collé sur le côté opposé de la feuille d'aluminium Des collecteurs d'aspiration engagent la surface intérieur du nid d'abeille, avec un revêtement imperméable entre les collecteurs Les parois en nid d'abeille sont partiellement découpées afin de permettre l'écoulement d'air à travers les parois de cellule en nid d'abeille et la feuille perforée de façon à atteindre les collecteurs Bien que cela soit globalement efficace, ce système peut être amélioré, du fait que la feuille de revêtement tissé ne procure pas un revêtement lisse de manière optimum et que le passage d'écoulement d'air à travers les perforations, les parois en nid d'abeille et les collecteurs n'est pas idéal. Il existe ainsi un besoin constant pour des améliorations dans la commande d'écoulement laminaire sur des nacelles de moteur d'avion, qui ont un poids et une complexité réduits, procurent un surface de revêtement externe lisse, améliorent l'écoulement d'air du système, procurent une aspiration uniforme sur de grandes surfaces et peuvent accepter et se protéger contre les effets induisant de la turbulence des espaces autour des trappes de nacelle et équivalents. Les problèmes exposés ci-dessus, ainsi que d'autres, sont surmontés selon cette invention grâce à un agencement de commande d'écoulement laminaire pour des nacelles de moteur à turbine d'avion qui comportent un revêtement externe de nacelle microporeux ayant une âme en nid d'abeille collé dessus et un revêtement interne perforé collé sur l'âme, avec un système d'aspiration d'air relié au revêtement interne perforé. Le système d'aspiration comporte plusieurs chambres circonférentielles espacées fixées et ouvertes sur le revêtement interne Au moins un conduit collecteur longitudinal est relié de manière opérationnelle aux chambres et à une pompe d'aspiration de sorte que la pompe aspire l'air à travers le conduit collecteur, les chambres, le nid d'abeille et le revêtement poreux de façon à procurer une aspiration prédéterminée uniforme sur une grande surface aérodynamique. De manière typique, l'âme en nid d'abeille et le revêtement interne peuvent être réalisés en aluminium, en résines époxydes renforcées de fibres de graphite, en titane ou dans d'autres matières adaptées à l'utilisation prévue Pour des meilleurs résultats, le coefficient d'aspiration du revêtement poreux doit être d'au moins 0,0001, de préférence dans la plage d'environ 0,0001 à 0,0004 Le coefficient d'aspiration est défini comme le rapport de la vitesse normale moyenne à travers le revêtement poreux sur la vitesse d'écoulement libre le long du revêtement externe. Des détails de l'invention, et de certaines formes de réalisation préférées de celle-ci, seront mieux compris en se référant aux dessins dans lesquels: La figure 1 est une vue de face schématique, partiellement en coupe, d'un moteur d'avion et d'une nacelle utilisant l'agencement de cette invention; La figure 2 est une vue en coupe schématique à travers une partie avant d'une nacelle, représentant l'agencement de cette invention; et La figure 3 est un graphique illustrant la réduction de traînée pouvant être obtenue grâce à l'agencement de cette invention. Si l'on se réfère maintenant en détail aux dessins, et en particulier à la figure 1, on peut voir une vue de face schématique d'un réacteur à double flux typique 10 utilisant l'agencement de commande d'écoulement laminaire de cette invention L'ensemble moteur comprend un moteur à réaction 12 monté de manière centrale qui entraîne une soufflante de grande dimension (non représentée) à l'intérieur d'un carénage de soufflante 14, le tout étant entouré par une nacelle 16 comprenant une entrée d'air 18 s'étendant en avant du carénage de soufflante 14 afin de diriger l'air dans la soufflante et l'entrée du moteur 12 L'entrée d'air 18 possède une partie de nez arrondie 20 suivie par une zone en forme de profil aérodynamique 22, configurée de façon à limiter la turbulence et la dégradation résultante des performances de la soufflante pendant la partie cruciale du vol que représente le décollage Ce profil aérodynamique n'est toutefois pas optimisé pour le vol de croisière, de sorte qu'un écoulement turbulent, avec une traînée élevée, apparaît sur la majeure partie de la nacelle 16 pendant le fonctionnement de croisière du moteur. L'autre extrémité de la nacelle 16 constitue une tuyère 24, généralement avec un mécanisme d'inversion de poussée en 26 L'échappement du réacteur sort par la tuyère principale 28 entre le carénage central 30 et le corps central de moteur 32. Un conduit d'aspiration 34, des chambres 44 et d'autres composants de l'agencement de commande d'écoulement laminaire, tels que représentés sur la figure 2, se trouvent à l'intérieur de l'entrée d'air 18 Le système de pompage d'aspiration 36, comprenant des pompes 36 A et 36 B, pour l'agencement de commande d'écoulement laminaire et d'autres accessoires du moteur peuvent être montés dans n'importe quel emplacement approprié, par exemple à l'intérieur de la partie inférieure du carénage de soufflante 14. N'importe quelle pompe à vide ou d'aspiration conventionnelle appropriée peut être utilisée. Des détails de l'agencement de commande d'écoulement laminaire se trouvent sur la figure 2 qui représente une coupe détaillée schématique de la partie avant de la nacelle 16. La section de nez 20 renferme de manière typique un système de dégivrage La cloison 37, qui est habituellement disposée à peu près perpendiculairement à l'axe de nacelle, peut être inclinée vers l'avant au niveau du sommet de façon à permettre à l'ensemble collé du revêtement externe microporeux 38, du nid d'abeille 40 et du revêtement interne perforé 42 de s'étendre aussi en avant que possible. Le revêtement poreux 38 peut être réalisé dans n'importe quelle matière appropriée, telle que de l'aluminium, des matières composite ayant des fibres à haute résistance dans une matrice en résine, du titane ou de l'acier inoxydable Des résultats optimums sont obtenus avec une matière de revêtement en époxyde renforcée de fibre de graphite D'une manière typique, les micropores du revêtement 38 peuvent être formés par perçage par laser ou par perçage par faisceau d'électrons Pour des résultats optimums, un revêtement en graphite-époxyde 38 ayant une épaisseur d'environ 0,635 à 11,43 mm est préféré Les micropores doivent de préférence avoir des diamètres d'environ 0,0254 à 0,102 mm, avec un espacement d'environ 0,102 à 1,27 mm Les meilleurs résultats sont obtenus avec des diamètres de pore d'environ 0,051 mm suivant un motif carré de 0,635 mm. N'importe quelle matière en nid d'abeille appropriée ayant les caractéristiques de résistance et de rigidité souhaitées peut être utilisée De manière typique, l'âme en nid d'abeille 40 peut avoir une épaisseur d'environ 6,35 à 25,4 mm et un diamètre de cellule d'environ 6,35 à 19,05 mm et peut être réalisée en aluminium, en titane ou dans des alliages connus de ces métaux De préférence, l'âme a une épaisseur d'environ 12,7 mm avec un diamètre de cellule d'environ 9,53 mm. Le revêtement interne perforé 42 peut être réalisé dans n'importe quelle matière appropriée, telle que de l'aluminium, des résines synthétiques ou renforcées de fibres à haute résistance Le revêtement 42 a de manière typique une épaisseur d'environ 0,635 à 1,143 mm De préférence, les perforations dans le revêtement 42 ont des diamètres d'environ 1,27 à 3,81 mm et sont espacés de manière sensiblement uniforme avec un espacement centre à centre d'environ 1,52 à 6,35 mm Pour des résultats optimums, les perforations ont des diamètres d'environ 2,54 mm, suivant un motif carré avec un espacement d'environ 3,81 mm. Le conduit d'aspiration 34 comprend plusieurs chambres circonférentielles 44 collées sur le revêtement interne 42 Bien qu'il soit important que la majeure partie de la surface extérieure avant de la nacelle 16 soit recouverte avec la surface microporeuse, et que l'aspiration à travers cette surface soit raisonnablement uniforme, des bandes étroites 46 o les chambres 44 sont collées sur le revêtement interne 42 n'interfèrent pas avec une commande d'écoulement laminaire efficace Pour de meilleurs résultats, les bandes 46 doivent avoir des largeurs qui ne sont pas supérieures à 50,8 mm. Au moins une section du conduit 34 définie par des parois 48 relie toutes les chambres 44 et la pompe 36 A (non représentée sur la figure 2) Les parois de conduit 48 et les chambres 44 peuvent être réalisées dans n'importe quelle matière appropriée telle que de l'aluminium ou des composites organiques avancés Le ou les conduits 34 peuvent avoir un diamètre quelconque approprié, avec les diamètres combinés suffisants pour maintenir l'écoulement dans le ou les conduits en dessous d'environ Mach 0,2. Dans une nacelle 16 typique, une trappe de carénage de soufflante pivotante 50 ou équivalent se trouve dans la zone du carénage de soufflante 14 La trappe 50 pivote autour d'une charnière 52 Un faible espace 54 en résulte nécessairement là o le revêtement de la trappe 50 rencontre le revêtement de nacelle Cet espace entraîne une séparation d'écoulement laminaire et une turbulence, interrompant l'écoulement laminaire le long de la nacelle 16 qui s'étend normalement bien en arrière de l'extrémité arrière du revêtement microporeux 38 Afin d'empêcher ce problème avec l'espace 54, une chambre circonférentielle 56 est pourvue de plusieurs trous 58 communiquant avec l'espace 54 Au moins un tube d'aspiration 60 relie la chambre 56 à la ou les pompes 36 Le nombre et la taille des trous 58 et la dimension du tube 60 dépendent de la largeur de l'espace 54, et sont de préférence choisis de façon à maintenir un écoulement dans le tube 60 en dessous de Mach 0,2. Bien qu'une pompe unique puisse être utilisée avec le conduit 34 et le tube d'aspiration 60, du fait des différents rapports de pression nécessaires dans chacun de ceux-ci, deux pompes sont utilisés dans le système de pompage 36 pour de meilleurs résultats La première pompe fournit une aspiration pour le revêtement d'entrée de nacelle 38 qui nécessite un rapport de pression plus élevé La deuxième pompe combine le refoulement de la première pompe avec l'écoulement d'aspiration du tube 60 et augmente alors la pression de l'écoulement d'aspiration total avant de libérer l'écoulement Bien que la sortie de pompe puisse simplement être renvoyée vers l'extérieur, il est préférable qu'elle soit utilisée pour la ventilation ou le refroidissement du moteur, ou comme un complément de la poussée du moteur Le système de pompe 36 peut se trouver dans n'importe quel emplacement approprié du moteur, par exemple dans ou à proximité de la boîte de transmission du moteur. La figure 3 est un graphique reportant le coefficient de traînée en fonction de la distance depuis la lèvre avant ou l'extrémité du nez 20 pour une nacelle 16 utilisant et n'utilisant pas l'agencement de commande d'écoulement laminaire de cette invention, calculé en utilisant une simulation par ordinateur La simulation a été basée sur un moteur à double flux conventionnel, fonctionnant en croisière à Mach 0,76 à une altitude de 35000 pieds ( 10668 m) La courbe 62, sans aspiration, montre une augmentation nette de la traînée commençant environ 0,9 m ( 3 pieds) en arrière de l'extrémité avant du nez Avec l'aspiration, comme cela est représenté par la courbe 64, la traînée change très peu sur les 3,66 premiers mètres ( 12 pieds) de la nacelle, et augmente ensuite seulement progressivement. On peut s'attendre à ce que cette diminution de traînée permette des économies de carburant significatives, même lorsque l'on ajoute le poids de l'agencement de commande d'écoulement laminaire à chaque moteur Dans les conditions et la configuration de nacelle évaluées, sans aspiration, la transition de l'écoulement laminaire vers l'écoulement turbulent commence environ 0,9 m ( 3 pieds) après le nez, alors qu'avec l'aspiration, qui se termine environ 2,13 m ( 7 pieds) en arrière, la couche limite reste laminaire jusqu'à environ 3,66 m ( 12 pieds) en arrière. il REVENDICATIONS 1 Agencement de nacelle de moteur à turbine d'avion à commande d'écoulement laminaire, caractérisé en ce qu'il comporte: un revêtement externe de nacelle microporeux ( 38); une âme en nid d'abeille ( 40) collée sur la surface interne dudit revêtement de nacelle ( 38); un revêtement interne perforé ( 42) collé sur ladite âme ( 40); plusieurs chambres circonférentielles ( 44) faiblement espacées, ouvertes sur ledit revêtement interne ( 42) et fixées dessus; au moins un conduit collecteur longitudinal ( 34) relié de manière opérationnelle aux dites chambres ( 44); et des moyens de pompe d'aspiration ( 36) destinés à aspirer de l'air dans ledit conduit collecteur ( 34); l'air étant aspiré à travers ledit revêtement microporeux ( 38), ladite âme ( 40), ledit revêtement ( 42), lesdites chambres ( 44) et ledit conduit collecteur ( 34) de façon à maintenir un écoulement d'air laminaire sur ledit revêtement externe ( 38) pendant le fonctionnement de l'avion. 2 Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une chambre ( 56) dans ladite nacelle adjacente à et communiquant avec des espaces ( 54) dans le revêtement de nacelle, la chambre ( 56) étant reliée en relation d'écoulement de fluide aux dits moyens de pompe d'aspiration ( 36) de sorte que l'air est aspiré à travers lesdits espaces ( 54) pendant le fonctionnement de l'avion. 3 Agencement selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de pompe d'aspiration ( 36) comprennent deux pompes ( 36 A, 36 B), une première pompe ( 36 A) recevant de l'air provenant dudit conduit ( 34) et une deuxième pompe ( 36 B) recevant le refoulement de ladite première pompe ( 36 A) et de l'air provenant de ladite chambre ( 56) et augmentant la pression de l'écoulement d'aspiration total. 4 Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport de vitesse normale à travers la surface microporeuse sur la vitesse d'écoulement libre le long du revêtement externe ( 38) est dans une plage de 0,0001 à 0,0004. 5 Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse d'écoulement dans ledit conduit ( 34) est maintenue en dessous d'environ Mach 0,2. 6 Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le refoulement du système de pompe d'aspiration ( 36) est dirigé dans le système de ventilation et de refroidissement de nacelle. 7 Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit revêtement externe ( 38) est réalisé en résine époxyde renforcée de fibre de graphite et les pores ont des diamètres d'environ 0,051 mm avec un espacement carré de 0,635 mm. 8 Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit revêtement interne ( 42) est réalisé en résine époxyde renforcée de fibre de graphite et les perforations ont des diamètres d'environ 2,54 mm suivant un motif carré de 3,81 mm. 9 Agencement de nacelle de moteur à turbine d'avion à commande d'écoulement laminaire, caractérisé en ce qu'il comporte: un revêtement externe de nacelle microporeux ( 38); une âme en nid d'abeille ( 40) collée sur la surface interne dudit revêtement de nacelle ( 38); un revêtement interne perforé ( 42) collé sur ladite âme ( 40); plusieurs chambres circonférentielles ( 44) faiblement espacées, ouvertes sur ledit revêtement interne ( 42) et fixées dessus; au moins un conduit collecteur longitudinal ( 34) relié de manière opérationnelle aux dites chambres ( 44); au moins une chambre ( 56) dans ladite nacelle en communication d'écoulement de fluide avec au moins un espace ( 54) dans le revêtement de ladite nacelle; au moins un tube ( 60) relié de manière opérationnelle à ladite chambre ( 56); et des moyens de pompe d'aspiration ( 36) destinés à -aspirer de l'air dans ledit conduit ( 34) et ledit tube ( 60); l'air étant aspiré à travers ledit revêtement microporeux ( 38), ladite âme ( 40), ledit revêtement ( 42), lesdites chambres ( 44) et ledit conduit collecteur ( 34) et à travers ledit espace ( 54), ladite chambre ( 56) et ledit tube ( 60) de façon à maintenir un écoulement d'air laminaire sur la partie avant de ladite nacelle pendant le fonctionnement de l'avion. Agencement selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens de pompe d'aspiration ( 36) comprennent deux pompes ( 3 6 A, 36 B), une première pompe ( 36 A) recevant de l'air provenant dudit conduit ( 34) et une deuxième pompe ( 36 B) recevant le refoulement de ladite première pompe ( 36 A) et de l'air provenant dudit tube ( 60) et augmentant la pression de l'écoulement d'aspiration total. 11 Agencement selon la revendication 9, caractérisé en ce que le rapport de vitesse normale à travers la surface microporeuse sur la vitesse d'écoulement libre le long du revêtement externe ( 38) est dans d'environ 0,0001 à 0,0004. 12 Agencement selon la revendication 9, caractérisé en ce que la vitesse d'écoulement dans ledit conduit ( 34) est maintenue en dessous d'environ Mach 0,2. 13 Agencement selon la revendication 9, caractérisé en ce que le refoulement du système de pompe d'aspiration ( 36) est dirigé dans le système de ventilation et de refroidissement de nacelle. 14 Agencement selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit revêtement externe ( 38) est réalisé en résine époxyde renforcée de fibre de graphite et les pores ont des diamètres d'environ 0,051 mm avec un espacement carré de 0,635 mm. Agencement selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit revêtement interne ( 42) est réalisé en résine époxyde renforcée de fibre de graphite et les perforations ont des diamètres5 d'environ 2,54 mm suivant un motif carré de 3,81 mm.