Brevet FR2951504A1 — publié le 20110422

La présente invention concerne le domaine des turbomoteurs aéronautiques, et vise en particulier l'entrée d'air du turbomoteur, celui-ci comprenant le moteur lui-même et la nacelle dans laquelle il est logé. Un turbomoteur comprend généralement un générateur de gaz formé d'un ou plusieurs ensembles de rotors tournant autour d'un même axe. Chaque ensemble, désigné corps, est constitué d'un compresseur et d'une turbine reliés le plus souvent par un arbre ou un tambour, disposés l'un à l'amont l'autre à l'aval d'une chambre de combustion par rapport à l'écoulement des flux gazeux dans le moteur. A ce générateur de gaz est associée une soufflante ou une hélice simple ou multiple qu'il entraîne. Lorsque le rotor de la soufflante ou de l'hélice est disposé à l'avant du moteur, l'entrée d'air du générateur est située en aval de celui-ci. Les corps étrangers, tels que les oiseaux, la grêle, l'eau et les pierres, susceptibles d'être absorbés par le générateur sont au moins en partie freinés ou arrêtés par le rotor avant qui par son inertie et ses dimensions forme partiellement écran, ou déviés par effet centrifuge de la soufflante vers la veine secondaire. Cette protection n'existe pas sur les moteurs dont le rotor de soufflante ou d'hélice n'est pas placé en amont de l'entrée d'air du générateur de gaz. Ainsi c'est le cas d'un moteur à hélices non carénées, que l'on désigne aussi par son terme anglo-saxon de « unducted fan », UDF, ou « open rotor ». Ce type de moteur comprend un doublet d'hélices, contrarotatives, disposées radialement à l'extérieur de la nacelle enveloppant le générateur, au droit de deux roues de turbine par lesquelles elles sont entraînées directement. Le générateur de gaz est monoflux. Ce type de moteur est présenté dans les demandes de brevet au nom de la demanderesse : FR 2606081... Une solution consisterait à renforcer les premiers étages de compresseur, mais ce renforcement conduirait à un dimensionnement des éléments peu favorable en termes de masse et d'encombrement car ceux-ci devraient être capables de supporter les impacts directement. L'invention a pour objectif la réalisation d'une entrée d'air qui permettrait de réduire l'énergie de l'impact des objets volumineux de telle manière que lorsque ceux-ci parviennent dans le compresseur ils ont perdu suffisamment d'énergie pour ne pas causer de dommage aux organes de celui-ci. L'invention a également pour objectif la réalisation d'une entrée d'air qui permettrait de dévier les objets de dimensions plus faibles tels que les particules de sable, la glace les pierres et l'eau et de les évacuer tout en perdant le moins possible d'énergie. Des entrées d'air aménagées pour des moteurs équipant les hélicoptères ou bien les aéronefs à décollage ou atterrissage vertical (VTOL) sont connues. Elles comprennent par exemple des moyens déviant le flux d'air à l'entrée avec, en aval de la déviation, des moyens piégeant les objets ingérés, notamment le sable. La présente invention vise une entrée d'air perfectionnée par rapport aux entrées d'air de l'art antérieur assurant la protection du moteur contre l'ingestion des objets étrangers tout en conservant les performances aérodynamiques de la nacelle. Il est proposé, conformément à l'invention, un ensemble formé d'un moteur à turbine à gaz et d'une nacelle dans laquelle il est logé, la nacelle comprenant un carénage d'entrée d'air et un élément de capot amovible dans le prolongement dudit carénage d'entrée d'air, ledit carénage d'entrée d'air formant une entrée d'air comprenant : un organe de déviation d'objets étrangers ménageant avec ledit carénage d'entrée d'air un conduit d'admission d'air, un canal secondaire de déviation, et un canal principal d' alimentation en air du moteur, le dit conduit d'admission d'air étant agencé pour dévier au moins une partie des objets étrangers ayant été aspirés par l'entrée d'air vers le canal secondaire de déviation. Ledit ensemble est caractérisé par le fait que le canal secondaire de déviation comprend au moins une portion de canal secondaire, formant écope de déviation, solidaire dudit élément de capot amovible. Par l'invention, on résout le problème d'installer un ou des conduits de déviation des objets en conservant des performances aérodynamiques satisfaisantes dans un environnement moteur contraint en encombrement. La solution permet de conserver un montage isostatique transmettant le moins d'effort possible par ladite portion de canal secondaire formant écope de déviation. En outre la solution permet un gain de masse moteur par rapport à une réalisation où le moteur doit être capable de supporter les impacts directement. Cette solution convient bien à un ensemble dont l'élément de capot est articulé autour d'un axe parallèle à l'axe du moteur de manière à découvrir le moteur. Cette solution facilite la maintenance : capots ouverts, la ou les portions de conduits ne gênent pas la maintenance du moteur à turbine à gaz. Les pièces de l'entrée d'air, susceptibles d'être impactées, peuvent être inspectées. Elles sont démontables et facilement interchangeables en cas d'impact. Selon un mode de réalisation préféré, l'ensemble d'un moteur à turbine à gaz et d'une nacelle présente un organe de déviation est en forme de bulbe de révolution, ménageant un canal d'admission d'air annulaire avec le carénage d'entrée d'air de forme également annulaire, l'organe de déviation étant supporté au moins en partie par un premier carter à moyeux interne en étant engagé dans ledit moyeu interne. Plus particulièrement ledit premier carter à moyeux est fixé au moteur et notamment le premier carter à moyeux est fixé au moteur par l'intermédiaire d'un second carter à moyeux. Avec ce mode de réalisation, on optimise la durée de vie et la fiabilité de l'ensemble, les chemins d'efforts et le montage étant simples. Avantageusement, le second carter à moyeux forme un plan de suspension du moteur à un aéronef L'ensemble de l'invention comprend par ailleurs les caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison : L'élément de capot étant articulé autour d'un axe parallèle à l'axe du moteur de manière à découvrir le moteur, la portion de canal secondaire de déviation solidaire de l'élément de capot articulé présente des surfaces amont venant en appui étanche contre des surfaces d'appui formant le canal secondaire à l'intérieur du carénage d'entrée d'air. Notamment, lesdites surfaces d'appui sont ménagées sur le carter à moyeux. Le canal secondaire est conformé de manière à ce que la vitesse d'écoulement de l'air le parcourant soit augmentée de l'amont vers l'aval, le canal secondaire ayant une sortie débouchant dans la paroi extérieure de la nacelle. Cet accroissement de vitesse est obtenu par réduction de la section du canal secondaire transversale par rapport au sens d'écoulement de l'air entre l'entrée et la sortie du canal secondaire. Cette réduction des sections transversales est de préférence azimutale de manière à obtenir des orifices de sorties répartis à la surface de la nacelle. L'organe de déviation d'objets étrangers masque de préférence le canal principal pour toute trajectoire balistique passant par l'entrée d'air. On évite ainsi l'ingestion directe dans le moteur de tout objet étranger. Le canal secondaire de déviation est formé d'au moins deux conduits distincts avec une entrée annulaire commune et des sorties réparties sur le pourtour de la nacelle. La section d'évacuation de l'air dans la paroi de la nacelle est conformée de manière à ce que le flux d'air soit orienté dans l'axe du moteur. L'invention vise plus particulièrement les moteurs de type à hélices non carénées ; les hélices étant disposées en aval de l'entrée du moteur. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un ou plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : La figure 1 représente schématiquement en coupe axiale partielle un turbomoteur de type à hélices non carénées dont l'entrée d'air est conforme à l'invention, La figure 2 est une vue éclatée en perspective de l'ensemble moteur et de sa nacelle, La figure 3 est une vue en coupe selon la direction DD de la figure 1 montrant l'interface entre le second carter à moyeux et les éléments de capot, le capot étant ouvert, La figure 4 est une vue en coupe selon la direction DD de la figure 1 montrant l'interface entre le second carter à moyeux et les éléments de capot, le capot étant fermé, La figure 5 est une coupe selon la direction BB de la figure 3, La figure 6 est une coupe selon la direction CC de la figure 3. La figure 7 représente schématiquement en coupe axiale partielle un turbomoteur de type à hélices non carénées avec une variante de réalisation de l'invention concernant le second carter à moyeux. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente les éléments constitutifs principaux d'un turbomoteur 10 à hélices non carénées. Il comporte d'amont en aval, dans le sens d'écoulement des gaz à l'intérieur du turbomoteur, un compresseur 12, une chambre annulaire de combustion 14, une turbine à haute-pression 16 dont on ne voit que les carters les enveloppant. En aval de la turbine haute pression 16 sont disposées deux turbines à basse-pression non visibles qui sont contrarotatives, c'est-à-dire qu'elles tournent dans deux sens opposés autour de l'axe longitudinal A du moteur. Chacune de ces turbines aval est solidaire en rotation d'une hélice externe 22, 24 s'étendant radialement à l'extérieur de la nacelle 26 du turbomoteur, cette nacelle 26 étant sensiblement cylindrique et s'étendant le long de l'axe AA depuis l'entrée d'air autour du compresseur 12, de la chambre de combustion 14, et des turbines. Le flux d'air 28 qui pénètre dans le moteur est comprimé puis est mélangé à du carburant et brûlé dans la chambre de combustion 14, les gaz de combustion passant ensuite 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 sortant des turbines sont expulsés à travers une tuyère 32 (flèches 30) pour augmenter la poussée. Les hélices 22, 24 sont disposées coaxialement l'une derrière l'autre et comportent une pluralité de pales régulièrement réparties autour de l'axe A de la turbomachine. Ces pales s'étendent sensiblement radialement et sont du type à calage variable, c'est-à-dire qu'elles peuvent tourner autour de leurs axes de façon à optimiser leur position angulaire en fonction des conditions de fonctionnement de la turbomachine. La nacelle 26 comprend un carénage d'entrée d'air 26a en amont, de forme annulaire formant l'entrée d'air. Un organe 40 de déviation des objets étrangers est disposé à l'intérieur du carénage d'entrée d'air 26a. Il délimite avec la paroi intérieure 26a2 du carénage d'entrée d'air 26a, un canal d'entrée d'air 41 pour le moteur. Ce canal 41 est ici annulaire. L'organe de déviation des objets est en forme de bulbe globalement ovoïde dont l'axe est colinéaire à celui AA du moteur. Un sommet 40a de l'ovoïde pointe en amont de l'arête amont 26a1 du carénage 26a. L'organe de déviation présente un diamètre maximal sur sa partie élargie en 40b en aval de l'arête 26a1. L'organe de déviation est avantageusement supporté par un premier carter à moyeux 51 dont les bras rayonnent entre un moyeu intérieur dans lequel sont montés l'organe de déviation et une virole extérieure. Le premier carter à moyeux 51 est lui-même supporté par un deuxième carter à moyeux 52 disposé en aval. Ce deuxième carter 52 est fixé au moteur, par exemple au carter du compresseur 12. En aval de la partie élargie 40b, le canal d'entrée d'air 41 s'élargit et se subdivise en deux canaux concentriques : un canal principal 42 intérieur et un canal secondaire 43 extérieur au précédent. Le canal principal 42 conduit à l'entrée du compresseur 12 et alimente le moteur en air primaire. Le canal secondaire 43 chemine à l'intérieur de la nacelle 26 extérieurement aux différents carters du moteur. Il débouche dans la paroi de la nacelle 26 à travers une ouverture 43a de celle-ci. La figure 2 représente une vue éclatée et en perspective de l'ensemble de la figure 1. La nacelle 26 comprend, en aval du carénage d'entrée d'air 26a, un capot formé de deux éléments de capot 26b et 26c articulés sur le pylône 60 par lequel l'ensemble est fixé à l'aéronef Les éléments sont articulées chacun autour d'un axe parallèle à l'axe AA du moteur. Selon le mode de réalisation représenté, chaque élément de capot 26b ou 26c supporte deux écopes, l'une haute 43' l'autre basse 43". Les quatre écopes sont des portions de canal secondaire 43. Elles sont ici de profil identique en raison de leur disposition symétrique autour de l'axe moteur. Une écope 43' ou 43" de canal secondaire 43 est délimitée par deux parois radiales ou sensiblement radiales, 43c et 43d, qui s'étendent longitudinalement entre l'arête 43b et l'ouverture 43a, et par deux parois en forme de portions de cylindres, une paroi 43f radialement intérieure, une paroi 43e radialement extérieure. Cette dernière est dans le prolongement de la paroi intérieure 26a2 du carénage d'entrée d'air 26a lorsque le capot est fermé. Les écopes s'étendent depuis l'arête amont 43b de la surface de séparation de flux d'entrée d'air en les deux canaux, principal 42 et secondaire 43. Conformément à une caractéristique de l'invention, les canaux secondaires 43 et 43' ont une section transversale par rapport à la direction de l'écoulement qui diminue progressivement depuis l'arête 43b de séparation des flux. Cette diminution de section entraîne une augmentation de la vitesse de l'air dans le canal secondaire 43. De cette manière, d'une part on évite toute ingestion d'air par les ouvertures 43a de sortie du canal secondaire 43 et d'autre part le flux d'air participe à la propulsion. De préférence, la diminution de section transversale par rapport à la direction de l'écoulement de l'amont vers l'aval est obtenue par réduction azimutale de section, l'écart entre les deux parois longitudinales 43c et 43d diminuant progressivement entre l'arête 43b et l'ouverture 43a. L'épaisseur radiale, entre les deux portions de cylindre, des écopes est constante ou sensiblement constante de l'entrée correspondant à l'arête 43b jusqu'à l'ouverture 43a. Comme on le voit sur la figure 2, l'ouverture 43a de chaque écope 43' ou 43" s'étend sur une largeur circonférentielle très inférieure à celle de l'entrée définie par une partie de l'arête 43b et qui s'étend sur un quart de circonférence de celle-ci. Les figures 3 et 4 montrent un élément de capot 26c en position fermée, figure 3 et en position ouverte, figure 4, permettant l'inspection du moteur. Conformément à une autre caractéristique de l'invention l'organe de déviation 40 est supporté par le moteur par le moyen de deux carters à moyeu 51 et 52. Le premier carter à moyeux 51 est formé d'un moyeu intérieur 51in et d'une virole ou moyeu extérieur 51ex, reliés par des bras radiaux 51b. L'espace entre les deux moyeux 51in et 51ex définit l'ouverture du canal d'entrée d'air 41. Le moyeu intérieur 51 in retient le bulbe de l'organe de déviation 40. Le deuxième carter à moyeux 52 comprend de la même façon un moyeu intérieur 52in et un moyeu extérieur 52ex reliés par des bras radiaux 52b. Le deuxième carter à moyeux 52 définit une partie du canal secondaire 43. La figure 5 qui est une vue en coupe BB de la figure 4 montre l'agencement de deux carters à moyeux. Les deux carters 51 et 52 sont rendus solidaires l'un de l'autre par boulonnage l'une à l'autre de leur virole extérieure 51ex et 52ex respective. Le moyeu intérieur 52in du deuxième carter à moyeux est quant à lui rendu solidaire du carter du moteur, par exemple du carter du compresseur 12 non visible sur la figure 5. De cette manière, on assure le maintien de l'organe de déviation 40 au moteur à turbine à gaz aval. On évite par ce montage les risques de mise en vibration de celui-ci. Comme on le voit sur les figures 3 et 4, l'élément de capot 26b ou 26c est articulé autour d'un axe parallèle à l'axe AA. Les écopes sont disposées dans le prolongement aval du deuxième carter 52 et conformées de manière à permettre un assemblage étanche entre le deuxième carter à moyeux 52 et les écopes 43' ou 43". En relation avec les figures 5 et 6 qui sont respectivement les vues en coupes selon BB et CC du canal secondaire, l'étanchéité entre le carter 52 et les écopes 43' et 43" est assurée de la façon suivante. Des joints 70 sont intercalés entre les prolongements aval des deux viroles de moyeu 52ex et 52in et les prolongements amont des deux parois cylindriques 43 e et 43f des écopes 43' et 43". Il s'agit par exemple de joints à lèvres. Comme on le voit sur la figure 6 des joints sont interposés entre les parois latérales 43c et 43d des écopes et les flancs des bras 52b radiaux du carter à moyeux 52. Il est observé que de préférence les parois latérales 43c et 43d des écopes sont inclinées par rapport à la normale aux parois cylindriques pour assurer un centrage des écopes par rapport aux bras radiaux 52b. La fonction des différents éléments constituant cette entrée d'air est la suivante. Un objet étranger est aspiré en vol par l'entrée d'air ; il vient percuter l'organe de déviation 40 sur lequel il ricoche. Sa trajectoire est déviée vers la paroi intérieure du carénage d'entrée 26a. En aval de la partie élargie de l'organe de déviation, l'objet est dirigé vers l'une des écopes du canal de déviation 43' ou 43" d'où il est entraîné vers l'extérieur à travers l'ouverture 43a. Si, par ricochet, il vient à être aspiré dans le canal principal, il a perdu suffisamment d'énergie pour ne pas endommager le moteur.40 Conformément à une variante de réalisation, représentée sur la figure 5, du deuxième carter à moyeux celui-ci est agencé pour former le carter dit intermédiaire dans le plan de suspension avant du moteur. Le moteur de la figure 7 est le même que celui de la figure 1. la différence porte sur le deuxième carter à moyeux, référencé 152. Ce deuxième carter à moyeux 152 comprend un moyeu intérieur, 152in formant support du palier avant de l'arbre du moteur. Il comprend un moyeu médian 152m correspondant au moyeu intérieur du carter à moyeux de la réalisation précédente et un moyeu extérieur 152ex correspondant au moyeu extérieur de la réalisation précédente. Les moyens de fixation avant 161 du moteur à l'aéronef sont attachés à ce moyeu extérieur 152ex. On a représenté de façon schématique un exemple de suspension de moteur. Celle-ci comprend un pylône 160 qui d'un côté est fixé à l'aéronef et auquel est attaché le moteur. L'attache du moteur comprend ladite attache avant 161, une attache arrière 162 dans le plan de suspension arrière et des barres de reprise de poussée 163 Le canal d'admission d'air 42 est défini entre les deux moyeux intérieur 16lin et médian 152m entre lesquels sont ménagées les aubes 152r du premier étage redresseur du compresseur.20 Revendications1) Ensemble d'un moteur à turbine à gaz (10) et d'une nacelle (26) dans laquelle il est logé, la nacelle comprenant un carénage (26a) d'entrée d'air et un élément de capot amovible (26b, 26c) dans le prolongement dudit carénage d'entrée d'air, ledit carénage d'entrée d'air formant une entrée d'air comprenant : un organe (40) de déviation d'objets étrangers ménageant avec ledit carénage d'entrée d'air un conduit d'admission d'air (41), un canal secondaire (43) de déviation, et un canal principal (42) d'alimentation en air du moteur, le dit conduit d'admission d'air étant agencé pour dévier au moins une partie des objets étrangers ayant été aspirés par l'entrée d'air vers le canal secondaire de déviation, caractérisé par le fait que le canal secondaire (43) de déviation comprend au moins une portion de canal secondaire formant écope de déviation e solidaire dudit élément de capot amovible (26b, 26c). 2) Ensemble d'un moteur à turbine à gaz et d'une nacelle selon la revendication précédente comprenant un élément de capot amovible (26b, 26c) articulé autour d'un axe parallèle à l'axe du moteur de manière à découvrir le moteur. 3) Ensemble d'un moteur à turbine à gaz et d'une nacelle selon l'une des revendications précédentes dont l'organe (40) de déviation d'objets est en forme de bulbe de révolution, ménageant un canal d'admission d'air annulaire avec le carénage d'entrée d'air de forme également annulaire, l'organe de déviation étant supporté au moins en partie par un premier carter à moyeux (51) avec un moyeu interne (51 in) en étant engagé dans ledit moyeu interne (5lin). 4) Ensemble d'un moteur à turbine à gaz et d'une nacelle selon la revendication précédente dont le dit premier carter à moyeux (51) est fixé au moteur. 5) Ensemble d'un moteur à turbine à gaz et d'une nacelle selon la revendication précédente dont le premier carter (51) est fixé au moteur par l'intermédiaire d'un second carter à moyeux (52 ; 152). 6) Ensemble d'un moteur à turbine à gaz et d'une nacelle selon la revendication précédente dont le second carter à moyeux (152) forme un plan de suspension du moteur à un aéronef. 7) Ensemble d'un moteur à turbine à gaz et d'une nacelle selon la revendication 5 ou 6 comprenant un élément de capot (26b 26c) articulé autour d'un axe parallèle à l'axe du moteur de manière à découvrir le moteur, la portion de canal secondaire de déviation solidaire de l'élément de capot articulé présentant des surfaces amont venant en appui étanche contre des surfaces d'appui formant le canal secondaire à l'intérieur du carénage d'entrée d'air. 8) Ensemble selon la revendication précédente dont lesdites surfaces d'appui sont ménagées sur le second carter à moyeux (52 ; 152). 9) Ensemble d'un moteur à turbine à gaz et d'une nacelle selon l'une des revendications précédentes dont le canal secondaire est conformé de manière à ce que la vitesse d'écoulement de l'air le parcourant soit augmentée de l'amont vers l'aval, le canal secondaire ayant une sortie (43a) débouchant dans la paroi extérieure de la nacelle (26), la section du canal secondaire transversale par rapport au sens d'écoulement de l'air, étant d'aire décroissante entre l'entrée et la sortie du canal secondaire, et la réduction de section étant de préférence azimutale. 10) Ensemble d'un moteur à turbine à gaz et d'une nacelle selon l'une des revendications précédentes dont la section d'évacuation de l'air dans la paroi de la nacelle est conformée de manière à ce que le flux d'air soit orienté dans l'axe du moteur.