Brevet FR2967135A1 — publié le 20120511

La présente invention concerne un nouveau concept de propulseur d'avion dont la consommation en carburant, ainsi que le niveau de bruit au décollage, sont très inférieurs à ceux des avions de transport civils existants ou en projet. Dès les années 1980, il a été établi, en particulier par les essais en vol de l'UDF (UnDucted Fan de General Electric) que les rotors contrarotatifs non carénés avaient des rendements bien meilleurs que les turbosoufflantes. En fait, le bombardier russe Tupolev 95 (Bear), apparu en 1955, continue à voler tous les jours à près de Mach 0,85 avec ses quatre doublets Koumetsov contrarotatifs; sa faible consommation lui donne un grand rayon d'action. Le problème est que le bruit de ces moteurs n'est pas conforme à la règlementation internationale des avions civils. Avec l'augmentation continuelle du prix du pétrole et les exigences écologiques de réduction de consommation, les rotors contrarotatifs sont à nouveau considérés comme candidats à la propulsion des avions futurs. Des réductions de bruit ont déjà été obtenues mais, compte tenu des perspectives actuelles de règlementation, elles sont très insuffisantes et l'application future de ce mode de propulsion semble à nouveau condamnée. L'invention décrite dans la demande de brevet n° 10/04400 (France) permet d'abaisser nettement le bruit au décollage, ce qui permet d'envisager l'utilisation intensive de ces moteurs à court terme. La solution revendiquée dans cette demande antérieure du même inventeur consiste à faire tourner les deux rotors dans le même sens au décollage pour éviter leur bruit d'interaction. L'angle de calage des pales du rotor dont le sens de rotation est changé doit alors être modifié de façon à obtenir la poussée nécessaire dans l'autre sens de rotation. Les dispositions alors décrites peuvent être améliorées selon ce qui est décrit dans la présente nouvelle demande. Un mode de réalisation de l'invention, avec des valeurs numériques correspondant à un avion d'environ 150 passagers, va être exposé en détail avec référence aux figures. Les valeurs numériques mentionnées résultent de l'état de l'art antérieur et des activités de recherche de l'inventeur, en particulier celles publiées dans le brevet n° 07 06552 (France). Tous les chiffres donnés correspondent à un exemple cohérent de réalisation mais l'invention reste valable pour des chiffres différents. La figure 1, qui est reprise de la demande antérieure, est une vue de côté partielle des rotors, la partie gauche concernant la configuration de croisière et la droite celle de décollage. La figure 2, également reprise de la demande antérieure, montre comment les rotors sont reliés à leurs turbines d'entraînement. La figure 3 schématise une première amélioration de la figure 2. La figure 4 est une configuration plus réaliste; le corps chaud, pour lequel la présente invention ne propose pas de changement, y est aussi représenté pour mieux décrire l'ensemble du moteur. La figure 5 est une variante de la figure 1. La figure 6 schématise une amélioration de la figure 1. La figure 7 est un détail de la 6. La figure 8 est un agrandissement de la 4, schématisant un exemple de mécanisme d'inversion du sens de rotation. La figure 9 est un agrandissement de la précédente, montrant un exemple d'embrayage. La description suivante se rapporte donc à un propulseur à rotors contrarotatifs destiné à un avion subsonique d'environ 72 tonnes au décollage (environ 150 places). Chacun des deux propulseurs donne alors une poussée de 110 kN environ. Leur diamètre est d'environ 4 m. Les éléments qui ne sont pas décrits en détail, tels que le corps chaud et la nacelle mais aussi la forme des pales, des arbres et des turbines, ainsi que le détail des commandes de calage des pales, sont censés correspondre à des dispositions déjà proposées par ailleurs, existantes ou non. La figure 1 montre, sur sa partie gauche, comment fonctionnent les rotors en configuration de croisière. Le rotor (1) a des pales (11), qui tournent dans le sens de la flèche (10) autour d'un axe (3), et qui ont un angle de calage assurant une poussée. Le rotor (2) tourne aussi autour de l'axe (3) mais dans le sens inverse, suivant la flèche (20). Par comparaison aux pales (11), ses pales (21) sont calées symétriquement par rapport à un plan passant par l'axe (3) de façon à fournir une poussée dans le même sens. La partie droite de cette même figure 1 montre comment fonctionnent les rotors en configuration de décollage ou d'atterrissage. Le rotor (1) continue à tourner dans le même sens, indiqué par la flèche (10). Ses pales (11) conservent leur angle de calage de façon à conserver le sens de la poussée. Par contre l'angle de calage des pales (21) a été changé en les faisant tourner d'environ 90 degrés dans le sens de la flèche (22); environ 90 degrés dans le sens inverse de la flèche (33) pourrait être une autre option qui est représentée sur la figure 5. Le sens de rotation du rotor (2) est alors inversé de façon qu'il tourne suivant la flèche (23), dans le même sens que le rotor (1), pour conserver le sens de sa poussée. Lorsque le rotor (2) tourne à la même vitesse que le rotor (1), ses pales (21) ne hachent plus les sillages des pales (11), ce qui diminue le bruit d'environ 20 décibels. Cet avantage de réduction de bruit se conserve si les rotors (1) et (2) ne tournent pas exactement à la même vitesse. La figure 2 montre que le rotor (1) est toujours entraîné de la même façon par les turbines telles que (4) et (5). Sa boîte d'engrenages (15) ne comporte qu'une position donnant l'unique sens de rotation voulu et son embrayage (14) est optionnel. Par contre le rotor (2) est relié aux turbines telles que (4) et (5) par l'intermédiaire d'une boîte d'engrenages (25) comportant deux positions donnant les deux sens de rotation. L'embrayage (24) permet de procéder au changement de la position de rotation de la boîte (25). La commande de calage des pales (21) relève des procédés existants et n'est donc pas représentée. Le nombre des pales (11) et (21) peut être de l'ordre de la dizaine. Sur les figures 1 et 2, il est proposé de changer le calage et le sens de rotation du rotor 30 aval (2). Mais on pourrait aussi obtenir un résultat semblable en faisant les changements de calage et de rotation sur le rotor amont (1) seul. La figure 2 avait été proposée pour sa simplicité mais elle semble apporter des limitations ou des inconvénients qu'il convient de surmonter. Par exemple, les turbines (4) et (5) semblent solidaires et tournant dans le même sens. Sur la figure 3, Les turbines (4) et (5) sont clairement 35 dissociées; elles peuvent alors être contrarotatives, la (4) entraînant le rotor (1) et la (5) le rotor (2). D'autre part, il était décrit sur la figure 2 "une boîte d'engrenages (25) comportant deux positions donnant les deux sens de rotation". Sur la figure 3, la boîte d'engrenages (25) n'a plus qu'une seule position permanente assurant une seule fonction: l'inversion du sens de rotation. Elle peut être entraînée ou non par la turbine (5) au moyen de l'embrayage (24); elle peut entraîner ou non le rotor (2) au moyen de l'embrayage (26) dans le sens de rotation inverse de celui de la turbine (5), l'embrayage (28) étant alors débrayé. Le rotor (2) est entraîné dans le même sens que la turbine (5) lorsque l'embrayage (28) est embrayé, les embrayages (24) et (26) étant alors débrayés. L'éventuelle démultiplication entre la turbine (5) et le rotor (2) est assurée par la boîte d'engrenages (27). La figure 4 reprend les mêmes bases mais sous une forme plus réaliste. L'air comprimé chaud y est produit par le compresseur (7), entraîné par la turbine (6), et par la chambre de combustion (8). Il actionne les turbines (4) et (5) qui sont clairement contrarotatives. La turbine (4) y est montrée solidaire du rotor (1). Le rotor (2) est solidaire de la turbine (5) lorsque l'embrayage (28) est embrayé, les embrayages (24) et (26) étant alors débrayés. La mise en corotation du rotor (2) par rapport au rotor (1) s'obtient en débrayant l'embrayage (28) et en embrayant l'embrayage (24). La boîte d'inversion de sens (25) entre alors en action et, l'embrayage (26) étant aussi embrayé, le rotor (2) est mis en corotation. Plutôt que d'être un simple support des pales (21), il est recommandé que la pièce (33) soit une aube de dernier étage complétant la turbine (5), son calage étant solidaire de la pale (21); elle est alors motrice dans les deux sens de rotation. La figure 5 rappelle que la pale (21) orientée dans le sens de la flèche (34) est une variante déjà signalée de la configuration de corotation. Dans le cas de la figure 1, le changement d'angle de calage suivant la flèche (22) conserve le bord d'attaque mais place l'extrados en croisière en fonction d'intrados au décollage. Dans le cas de la figure 5, la même face de la pale (21) conserve sa fonction d'extrados au décollage comme en croisière mais le bord de fuite devient bord d'attaque. Dans les deux cas, l'efficacité des pales est donc dégradée en position de décollage (corotation). Pour remédier à cet inconvénient, des pales (21) à profil variable sont proposées sur la figure 6 où le bord d'attaque est conservé par modification de l'angle de calage selon la flèche (22) comme sur la figure 1. Mais l'extrados est modifié par le déplacement d'une paroi mobile (30) flexible ou élastique. Le déplacement de cette paroi mobile (30) est assuré par la mise en surpression de l'espace (29) au moyen des canaux (31) qui font communiquer l'intrados avec cet espace (29). Cette géométrie est détaillée sur la figure 7. Dans la configuration de croisière, à gauche de cette figure, lorsque les pales (21) tournent dans le sens de la flèche (20), l'espace (29) disparaît car les canaux (31) sont à la dépression de l'extrados alors que la paroi mobile (30) est collée à la pale (21) par la surpression d'intrados. Dans la configuration de décollage ou d'atterrissage, à droite de la figure 7, lorsque les pales (21) tournent dans le sens de la flèche (23) c'est-à-dire en corotation, le nouveau calage place la face extrados en croisière en position d'intrados; la surpression d'intrados passe par les canaux (31) et gonfle l'espace (29) puisque la paroi mobile (30) est maintenant en dépression du nouvel extrados. La forme de cette paroi mobile (30) est guidée par les entretoises souples ou rétractables (32) de façon à obtenir le meilleur rendement possible. La figure 8 schématise un exemple de mécanisme d'inversion du sens de rotation. Les pignons (25) tournent autour d'axes radiaux (40) solidaires de l'arbre fixe (9) qui matérialise l'axe de rotation (3). Lorsque l'embrayage (28) est débrayé et que l'embrayage (24) est embrayé, la couronne crantée (42), montée sur le roulement (43), tourne avec la turbine (5) et entraine le pignon (25) par son engrenage (41). Ce même pignon (25) entraîne alors la couronne crantée (44), montée sur le roulement (45), dans le sens de rotation inverse de celui de la couronne (42).L'embrayage (26) étant alors embrayé, le rotor (2) tourne dans le sens inverse de celui de la turbine (5). La figure 9 schématise un exemple de réalisation d'un des embrayages, ici le (24), de type électromagnétique. La turbine (5) entraîne la partie rétractable (46) d'un circuit magnétique dont l'autre partie (47), de position axiale fixe, est solidaire de la couronne (42) tournant sur le roulement (43) autour de l'arbre fixe (9). Tant que le bobinage (48) n'est pas parcouru par un courant électrique, le ressort (52) maintient la partie (46) écartée de la partie (47) et en appui sur la butée (54). Lorsque le contacteur (53) est enclenché, le bobinage (48) est parcouru par un courant traversant traversant les bagues tournantes (49) et les balais (51) maintenus en contact par les ressorts (50), le retour du courant se faisant, sur ce schéma, par la masse de l'arbre (9). La partie mobile (46) est alors serrée fortement sur la partie (47) et provoque l'embrayage de la couronne (42) sur la turbine (5). La méthode de mise en oeuvre de tels propulseurs est maintenant décrite. Avant le décollage, les pales (21) du rotor (2) sont calées en position de décollage comme sur la partie droite des figures 1, 5, 6 ou 7. L'embrayage (28), entre la turbine (5) et le rotor (2), est laissé débrayé. L'embrayage (24) est embrayé pour mettre en oeuvre la boîte d'inversion du sens de rotation (25). L'embrayage (26) est aussi embrayé pour faire tourner le rotor (2) dans le sens de la flèche (23), c'est-à-dire dans le même sens que celui (10) du rotor (1). Si les pales (21) sont équipées des parois mobiles (30), les volumes (29) se gonflent sous l'effet de la mise en surpression des canaux (31) et les parois (30) prennent une forme optimisée grâce aux entretoise souples ou rétractables (32). Le réglage du flux de gaz dans les turbines (4) et (5) donne alors la poussée voulue sur les rotors (1) et (2). Une fois que l'avion n'a plus à limiter son bruit, les embrayages (24) et (26) sont débrayés. L'angle de calage des pales (21) est amené en position de croisière par une rotation inverse de celle indiquée par la flèche (22). Le rotor (2) se met alors à tourner dans le sens de la flèche (20), en contrarotation par rapport au rotor (1). L'embrayage (28) est embrayé. Si les pales (21) sont équipées des parois mobiles (30), les volumes (29) se dégonflent sous l'effet de la mise en dépression des canaux (31) et les parois (30) se collent sur les surfaces des pales (21). A l'approche, toutes les opérations précédentes sont faites dans l'ordre inverse de façon à retrouver pour l'atterrissage la même configuration peu bruyante que pour le décollage (réduction de bruit de plus de 10 décibels). En option, si les embrayages sont électromagnétiques, l'embrayage s'obtient en amenant du courant électrique dans la bobine (48) à l'aide d'un contact (53); le débrayage en coupant le courant. Les exemples décrits ci-dessus ne sont pas limitatifs. Les nombres des pales (11) et (21), leurs formes, leurs positions, leurs dimensions peuvent être différents de ceux apparaissant dans le texte ou sur les figures; les positions et les formes des turbines (4) et (5) et des sous-ensembles (24), (25), (26), (27) et (28) également. La boîte d'inversion du sens de rotation (25) peut être d'un type différent de celui explicité sur la figure 8. Les embrayages tels que (24), (26) et (28) peuvent être d'un type autre que électromagnétique. Même s'ils sont électromagnétiques, ils peuvent être d'un type autre que celui explicité sur la figure 9. Par exmple, les contacts glissants peuvent être remplacés par une transmission du courant par induction; le contacteur (53) peut se trouver à un autre emplacement ou être électronique plutôt que mécanique. Le système magnétique (46-47) pourrait être de type répulsif plutôt qu'attractif, le ressort (52) étant alors pousseur au lieu d'être tireur. La surface de friction, au lieu d'être un plan perpendiculaire à l'axe de rotation (3) comme sur la figure 9 pourrait avoir une autre forme, par exemple un cylindre. Les nombres des canaux (31) et des entretoises (32) peuvent être différents de ceux représentés sur la figure 7 (respectivement 3 et 2). La paroi mobile (30) peut être, par exemple, flexible, souple ou élastique; elle peut aussi être proposée pour la configuration de la figure 5 (où le bord de fuite devient bord d'attaque). L'application de l'invention à une fabrication industrielle de propulseurs à rotors contrarotatifs peut utiliser des sous-ensembles déjà existants. L'innovation concerne la façon de mettre en rotation l'un des rotors dans les deux sens et de changer l'angle de calage de ses pales pour conserver le sens de la poussée quand le sens de rotation est changé, la forme du profil de ces pales étant alors automatiquement modifiée en option. REVENDICATIONS1) Méthode pour diminuer de plus de 10 décibels le bruit au décollage et à l'atterrissage des propulseurs à rotors contrarotatifs, caractérisée par la mise en corotation de ces rotors pour le décollage et l'atterrissage, le rotor dont le sens de rotation est inversé ayant alors un angle de calage des pales modifié d'environ 90 degrés de façon à conserver le sens de sa poussée. à Méthode selon la revendication 1 caractérisée par la suite des opérations suivantes: - Avant le décollage, les pales (21) du rotor (2) sont calées en position de décollage comme sur la partie droite des figures 1, 6 ou 7; l'embrayage (28) est laissé débrayé; l'embrayage (24) est embrayé pour mettre en action la boîte d'inversion (25), et l'embrayage (26) est aussi embrayé de façon à obtenir pour les rotors (1) et (2) les mêmes sens de rotation selon les flèches (10) et (23) des figures 1 ou 6; le réglage du flux de gaz dans les turbines telles que (4) et (5) donne alors la poussée voulue sur les rotors (1) et (2). - Une fois que l'avion n'a plus à limiter son bruit, le rotor (2) est découplé de la turbine (5) par débrayage des embrayages (24) et (26), ce qui laisse inactive la boîte d'engrenages (25); l'angle de calage des pales (21) est amené en position de croisière par une rotation inverse de celle indiquée par la flèche (22); le rotor (2) se met alors à tourner dans le sens de la flèche (20), en contrarotation par rapport au rotor (1); l'embrayage (28) est alors embrayé et assure le couplage direct du rotor (2) avec la turbine (5). - A l'approche, toutes les opérations précédentes sont faites dans l'ordre inverse de façon à retrouver pour l'atterrissage la même configuration peu bruyante que pour le décollage. à Méthode selon la revendication 1, permettant d'augmenter le rendement des pales (21) pendant le décollage et l'atterrissage, caractérisée par le gonflement automatique du volume (29) grâce aux canaux (31), la forme de la paroi mobile (30) étant optimisée par les entretoises souples ou rétractables (32). 4j Propulseur à rotors contrarotatifs dont le bruit à l'atterrissage et au décollage est réduit de plus de 10 décibels, caractérisé par la possibilité de mettre en corotation ces rotors pour le décollage et l'atterrissage, le rotor dont le sens de rotation est inversé ayant alors un angle de calage des pales modifié d'environ 90 degrés de façon à conserver le sens de sa poussée. 52 Propulseur selon la revendication 4 caractérisé par : des pales (21) du rotor (2) dont l'angle de calage peut être modifié de façon à conserver un 30 même sens de poussée dans les deux sens de rotation; un embrayage (28) permettant de faire tourner le rotor (2) dans le même sens que la turbine (5); - un embrayage (24) et un embrayage (26) activant une boîte d'engrenages (25) et permettant de faire tourner le rotor (2) dans le sens inverse de celui de la turbine (5); des turbines telles que (4) et (5) dont le flux de gaz est réglable; Propulseur, selon la revendication 4, dont la ligne d'inversion du sens de rotation entre la turbine (5) et le rotor (2) est caractérisée par: - un embrayage (24) entre la turbine (5) et la couronne crantée (42); - une couronne crantée (42) tournant sur l'arbre (9) grâce au roulement (43); - des pignons (25), tournant autour d'axes radiaux (40) fixés sur l'arbre fixe axial (9), dont l'engrenage (41) est entraîné par la couronne crantée (42) et entraîne la couronne crantée (44); - une couronne crantée (44) tournant sur l'arbre (9) grâce au roulement (45); - un embrayage (26) entre la couronne crantée (44) et le rotor (2). D Propulseur, selon la revendication 4, dont un ou plusieurs des embrayages (24), (26) ou (28) sont de type électromagnétique et caractérisés par, dans le cas du (24): - un circuit magnétique dont la partie (47) est solidaire de la couronne crantée (42) et dont la partie (46), entraînée par la turbine (5), peut se déplacer axialement entre la partie (47) et la butée (54); - un ressort de rappel (52) entre la turbine (5) et la partie (46); - un bobinage (58) d'excitation du circuit magnétique (47); - un connecteur tel que (53) permettant d'alimenter en courant le bobinage (58) par les bagues tournantes (49) et les balais (51) poussés par les ressorts (50). 8) Propulseur, selon la revendication 4, dont les pales (21) du rotor (2) ont un profil de 20 géométrie variable caractérisé par: - une paroi mobile souple ou élastique (30) délimitant un espace variable (29) avec la surface de la pale (21); - des canaux (31) mettant en communication l'espace (29) avec la partie de la surface de la pale (21) qui n'est pas recouverte par la paroi mobile (30); 25 - des entretoises souples ou rétractables (32) permettant d'optimiser la forme de la paroi (30); - une forme optimisée pour le fonctionnement de croisière contrarotatif, lorsque la paroi souple (30) est appliquée contre la surface de la pale (21). 9) Propulseur, selon la revendication 4, dont le rotor (2) reçoit un complément de couple d'un dernier étage de turbine caractérisé par des aubes (33) dont l'angle de calage est solidaire de 30 celui des pales (21) de façon à ce qu'elles soient motrices dans les deux sens de rotation.