Brevet FR2935348A1 — publié le 20100305

Turbomachine à hélices non carénées La présente invention concerne une turbomachine du type à hélices non carénées (en anglais � open rotor � ou � unducted fan �). Une turbomachine de ce type comprend deux hélices externes coaxiales et contrarotatives, respectivement amont et aval, qui sont chacune solidaire en rotation d'une turbine de la turbomachine et qui s'étendent sensiblement radialement à l'extérieur de la nacelle de cette turbomachine. Cette turbomachine a l'avantage d'être très performante comparativement à d'autres types de turbomachine parce qu'elle consomme moins de carburant et que ses hélices contrarotatives permettent de fournir une poussée relativement importante. Cependant, l'inconvénient majeur de ce type de turbomachine est le bruit qu'elle génère en fonctionnement. Or, cette turbomachine doit respecter des normes de certification acoustique relativement sévères, en particulier lors des phases de décollage et d'atterrissage de l'avion équipé de cette turbomachine. L'une des sources de ce bruit provient de l'interaction de tourbillons générés au niveau des têtes des aubes de l'hélice amont, avec les aubes de l'hélice aval. Une solution pour supprimer ce bruit (appelée � clipping �) consiste à réduire d'environ 20% le diamètre externe de l'hélice aval de façon à ce que les tourbillons générés par l'hélice amont passent à l'extérieur de l'hélice aval et n'interagissent pas avec celle-ci. Cependant, cette solution est contraignante car elle se traduit soit par une réduction de la poussée produite par l'hélice aval et donc par une diminution des performances de la turbomachine soit par une augmentation de diamètre des hélices et donc une pénalité en matière d'installation sur l'avion (à cause de la masse et de l'encombrement de telles hélices). Il serait possible d'augmenter la charge de l'hélice aval pour compenser la réduction de son diamètre, mais cette hélice deviendrait alors très complexe à réaliser, et cela pourrait conduire à une dégradation du rendement de la turbomachine. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème. Elle propose à cet effet une turbomachine, comprenant deux hélices externes non carénées coaxiales et contrarotatives, respectivement amont et aval, chaque aube comprenant un bord d'attaque et un bord de fuite reliés par un bord longitudinal externe, caractérisée en ce que le bord longitudinal externe d'au moins certaines des aubes comportent une alternance de parties pleines et de parties creuses. La configuration dentelée des têtes des aubes selon l'invention permet d'empêcher la formation de tourbillons de grande intensité en têtes d'aube et favorise au contraire la formation de petits tourbillons de plus faible intensité. Les turbulences formées en têtes d'aube de l'hélice amont sont notamment dues aux différences de pression entre les extrados et les intrados des aubes, et ont une certaine cohérence structurelle. L'invention permet de briser cette cohérence au moyen des dents des têtes d'aube, qui génèrent plusieurs petits tourbillons répartis le long de chaque tête d'aube. L'invention ne nécessite donc pas de modifier les dimensions des hélices amont et aval qui peuvent avoir sensiblement le même diamètre externe. Elle a en outre peu d'influence sur la masse de l'hélice amont ainsi que sur ses performances. Les parties pleines peuvent former des chevrons, des créneaux, ou des festons. Elles peuvent avoir une forme sensiblement triangulaire, trapézoïdale, carrée, rectangulaire, polygonale, ou arrondie. Le bord longitudinal externe d'une aube de l'hélice amont peut comporter entre deux et dix parties pleines, et de préférence entre quatre et six parties pleines. Les parties pleines peuvent avoir une forme complémentaire de celle des parties creuses. Chaque partie pleine comprend de préférence un bord amont qui est parallèle ou incliné par rapport à un rayon à l'axe longitudinal de la turbomachine. Ce bord amont est par exemple incliné d'amont en aval vers l'extérieur. L'inclinaison des bords d'attaque des parties pleines est optimisée pour modifier l'angle de flèche et donc la direction de l'écoulement (radialement vers l'extérieur ou vers l'intérieur par exemple) des lignes de courant sur les têtes d'aube. Les parties pleines peuvent être sensiblement planes. En variante, elles sont vrillées autour d'un axe sensiblement radial ou parallèle à un axe radial. Les parties pleines et les parties creuses peuvent être formées directement sur les aubes de l'hélice amont ou être formées par des inserts rapportés et fixés sur les extrémités radialement externes des aubes de l'hélice amont. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une turbomachine à hélices non carénées, - la figure 2 est une vue schématique partielle en perspective de l'hélice 20 amont d'une turbomachine à hélices non carénées selon la technique antérieure, - la figure 3 est une vue schématique partielle de côté d'une aube d'hélice amont d'une turbomachine à hélices non carénées selon l'invention, - la figure 4 est une vue schématique de dessus d'une partie pleine de la 25 tête de l'aube de la figure 3, - la figure 5 est une vue correspondant à la figure 4 et représente une variante de réalisation de l'invention, et - les figures 6 à 9 sont des vues correspondants à la figure 3 et représentent d'autres variantes de l'invention. 30 On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente une turbomachine 10 à hélices non carénées (en anglais � open rotor � ou � unducted fan �) qui comporte d'amont en aval, dans le sens d'écoulement des gaz à l'intérieur de la turbomachine, un compresseur 12, une chambre annulaire de combustion 14, une turbine amont 16 haute-pression, et deux turbines aval 18, 20 basse-pression qui sont contrarotatives, c'est-à-dire qu'elles tournent dans deux sens opposés autour de l'axe longitudinal A de la turbomachine. Chacune de ces turbines aval 18, 20 est solidaire en rotation d'une hélice externe 22, 24 qui s'étend radialement à l'extérieur de la nacelle 26 de la turbomachine, cette nacelle 26 étant sensiblement cylindrique et s'étendant le long de l'axe A autour du compresseur 12, de la chambre de combustion 14, et des turbines 16, 18 et 20. En variante, la turbomachine peut comporter une seule turbine basse-pression qui entraîne une boîte d'engrenages transmettant un couple contra-rotatif à deux hélices externes. Le flux d'air 28 qui pénètre dans le compresseur 12 est comprimé puis est mélangé à du carburant et brûlé dans la chambre de combustion 14, les gaz de combustion étant ensuite injectés dans les turbines pour entraîner en rotation les hélices 22, 24 qui fournissent la majeure partie de la poussée générée par la turbomachine. Les gaz de combustion sortent des turbines et sont enfin expulsés à travers une tuyère 30 pour augmenter cette poussée (flèches 32). Les hélices 22, 24 sont disposées coaxialement l'une derrière l'autre. De façon connue, chacune de ces hélices 22, 24 comporte une pluralité d'aubes qui sont régulièrement réparties autour de l'axe A de la turbomachine, chaque aube s'étendant sensiblement radialement et comportant un bord amont 40 d'attaque, un bord aval 42 de fuite des gaz, qui sont reliés à leurs extrémités radialement externes par un bord longitudinal externe 44 formant la tête de l'aube. Les bords d'attaque et de fuite de l'aube sont reliés à leurs extrémités radialement internes au pied de l'aube. L'hélice aval 24 a sensiblement le même diamètre que l'hélice amont 22 de façon à ce que ces hélices fournissent la même poussée en fonctionnement et que la totalité du flux d'air dévié par l'hélice amont soit redressé par l'hélice aval. La figure 2 est une vue schématique partielle en perspective de l'hélice amont 22 d'une turbomachine de la technique antérieure, et représente l'évolution des lignes de courant sur une aube de cette hélice. Les lignes de courant 34, 36, 38 passent entre les aubes de l'hélice et suivent plus ou moins le profil de ces aubes, depuis les bords d'attaque 40 jusqu'aux bords de fuite 42 de ces aubes. Les lignes de courant 34, 36 et 38 sur les aubes sont sensiblement parallèles entre elles. Les différences de pression entre les intrados et les extrados des aubes provoquent le passage de lignes de courant depuis l'intrados vers l'extrados, à l'extérieur des têtes d'aube 44. Ces lignes de courant s'enroulent les unes autour des autres et forment des tourbillons 46 à forte cohérence qui sont hachés par les aubes de l'hélice aval 24, ce qui est à l'origine de nuisances sonores très importantes. L'invention permet de remédier à ce problème grâce à une configuration dentelée comportant une alternance de parties pleines et de parties creuses sur les têtes 44 des aubes de l'hélice amont 22, permettant de briser la cohérence des tourbillons en bout d'aube et de générer plusieurs tourbillons de plus faible intensité que dans la technique antérieure, qui sont répartis sur la longueur des têtes d'aube. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, la tête 144 de l'aube comprend six parties pleines 150 en forme de chevron, qui sont séparées les unes des autres par des parties creuses 152 ayant une forme sensiblement complémentaire de celle des chevrons, de façon à ce que la tête d'aube ait un profil en dents de scie. Les parties creuses 152 sont au nombre de cinq. Les parties pleines 150 sont disposées les unes derrière les autres et sont sensiblement alignées axialement le long de la coupe longitudinale en tête. Dans l'exemple représenté, les parties pleines 150 ont une forme générale en pointe qui est inclinée d'amont en aval vers l'extérieur. Chaque partie pleine 150 a une forme sensiblement triangulaire dont le sommet 160 est orienté radialement vers l'extérieur. Cette partie pleine comporte un bord amont 154 incliné par rapport à un rayon 156 à l'axe de la turbomachine, d'un angle a compris entre 30 et 60° environ. Le bord aval 158 de la partie pleine est incliné d'un angle 13 compris entre 160 et 180° par rapport à un rayon 156. Les parties pleines ont par exemple une hauteur ou dimension radiale L représentant environ 10% de la dimension axiale ou de la corde de l'aube sur laquelle elles sont formées. Les parties pleines 150 peuvent être planes et s'étendre dans un même plan passant sensiblement par l'axe de la turbomachine (figure 4). Ce plan peut être incliné par rapport à l'axe de la turbomachine dans le cas où les aubes de l'hélice amont 122 sont vrillées. Dans la variante de la figure 5, chaque partie pleine 150' est vrillée autour d'un axe parallèle à un rayon 156, d'un angle y compris entre 20 et 70° environ par rapport à l'axe de la turbomachine. Cette configuration particulière des parties pleines 150' permet notamment de modifier la direction de l'écoulement des lignes de courant depuis l'intrados jusqu'à l'extrados des aubes, à l'extérieur de leurs têtes. Dans la variante de réalisation de la figure 6, la tête 244 de l'aube diffère de celle de la figure 3 en ce que les bords aval 258 de ses parties pleines 250 sont inclinés d'un angle r3 compris entre 120 et 150° par rapport à un rayon 256 à l'axe de la turbomachine. Cet angle 13 est déterminé de façon à ce que le bord aval de chaque partie pleine soit sensiblement symétrique au bord amont de cette partie pleine par rapport à un plan transversal sensiblement perpendiculaire à l'axe de la turbomachine et passant par son sommet 260. Les parties pleines 250 forment dans ce cas des pointes qui sont orientées radialement vers l'extérieur. La variante de la figure 7 diffère de celle de la figure 6 en ce que les bords amont 354 des parties pleines 350 sont inclinés d'un angle a compris entre 0 et 30° environ par rapport à un rayon 356 à l'axe de la turbomachine. Dans l'exemple représenté, cet angle a est égal à 0° et les bords amont 354 des parties pleines 350 sont parallèles entre eux et au rayon 356. Les parties pleines 350 forment donc dans ce cas des pointes orientées d'amont en aval vers l'extérieur. Dans la variante de réalisation de la figure 8, la tête 444 de l'aube comprend un bord externe festonné formé d'une alternance de parties pleines 450 et de parties creuses 452 de forme arrondie, les parties pleines 450 formant des festons. Cette variante diffère de celle de la figure 6 en ce que les pointes 460 des parties pleines 450 et les fonds des parties creuses, sont arrondis. Dans la variante de la figure 9, la tête d'aube 544 est crénelée et comprend quatre parties pleines formant des dents ou des créneaux de forme sensiblement carrée ou rectangulaire. Les bords amont 554 et aval 558 des parties pleines sont ici sensiblement parallèles entre eux et à un rayon à l'axe de la turbomachine. Les sommets 560 des parties pleines et les fonds 562 des parties creuses sont formés par de petits bords longitudinaux parallèles. Dans encore une autre variante non représentée, la forme et/ou les dimensions des parties pleines peuvent évoluer le long de la dimension axiale ou de la corde de l'aube de l'hélice amont. Elles peuvent par exemple avoir une hauteur croissante ou décroissante d'amont en aval. Les parties pleines et creuses des aubes de l'hélice amont peuvent être formées directement sur les têtes des aubes, pendant la fabrication de ces aubes (de fonderie par exemple) ou après la fabrication des aubes (par usinage par exemple). Elles peuvent en outre être formées par des inserts REVENDICATIONS1. Turbomachine, comprenant deux hélices externes non carénées (122, 124) coaxiales et contrarotatives, respectivement amont et aval, chaque aube comprenant un bord d'attaque (140) et un bord de fuite (142) reliés par un bord longitudinal externe (144), caractérisée en ce que le bord longitudinal externe d'au moins certaines des aubes comportent une alternance de parties pleines (150) et de parties creuses (152). 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les parties pleines forment des chevrons (150, 250, 350), des créneaux (550), ou des festons (450). 3. Turbomachine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les parties pleines ont une forme sensiblement triangulaire, trapézoïdale, carrée, rectangulaire, ou arrondie. 4. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que chaque partie pleine (150) comprend un bord amont (154) qui est parallèle ou incliné par rapport à un rayon à l'axe longitudinal de la turbomachine. 5. Turbomachine selon la revendication 4, caractérisée en ce que le bord amont (154) de chaque partie pleine (150) est incliné d'amont en aval vers l'extérieur. 6. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le bord longitudinal externe (144) comporte entre deux et dix parties pleines (150), et de préférence entre quatre et six parties pleines. 7. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les parties pleines (150) sont sensiblement planes. 8. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les parties pleines (150') sont vrillées autour d'un axe sensiblement radial. 2935348 lo 9. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les parties pleines (150) et les parties creuses (152) sont formées directement sur les aubes de l'hélice amont (122) ou sont formées par des inserts rapportés et fixés sur les extrémités radialement 5 externes des aubes de l'hélice amont. 10. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les hélices amont (122) et aval (124) ont le même diamètre externe. 11. Aube d'hélice externe pour une turbomachine selon l'une des 10 revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend à son extrémité externe un bord longitudinal (144) dentelé comportant une alternance de parties pleines (150) et de parties creuses (152), formant des chevrons, des créneaux ou des festons.