Brevet FR3005690A1 — publié le 20141121

Turboréacteur à compresseur et turbine monoblocs (IR à CTM) Le compresseur et la turbine sont sur le même disque (ou roue) et forment le corps monobloc (CM). La turbine (T) est centrale et le compresseur (C) est à sa périphérie : fig. 1. La configuration interne et externe de ce TR à CTM par rapport aux TR actuels est entièrement modifiée ainsi que le montage des accessoires et auxiliaires. Les TR actuels ont atteint un très haut niveau de performance mais aussi de complexité. Les problèmes technologiques d'élaboration que pose toujours la conception des 1R conduisent à des investissements industriels énormes. Les coûts des procédés et des méthodes de fabrication, notamment des C et T deviennent rédhibitoires : métallurgie des poudres (eutexie) ; superalliages ; métaux rares d'adjonction ; solidifications dirigées et monocristallines (aubes) ; revêtements d'aluminiures ; course sans fin aux composites céramiques et métalliques résistants aux hautes températures et à ses variations, aux forces centrifuges, au fluage à l'oxydation et corrosion etc. On observe aussi que la plupart des TR ont le premier étage du C (ou soufflante) en façade sans aucune protection, et malgré leur robustesse les accidents graves sont souvent constatés (chocs aviaires, gravillons etc.). Les rendements et les performances des TR actuels peuvent être encore améliorés par de nouveaux concepts. La principale particularité de cette invention est l'assemblage du C et de la T sur le même disque, un anneau de section rectangulaire les réunit et les rend solidaires. Ce concept accroît grandement le refroidissement de la T, il y aura une meilleure diffusion et transmission (convection) de la chaleur de la T vers le C, celui-ci aura un meilleur rendement thermique, la température entrée turbine pourra être augmentée. L'anneau et les ailettes du C servent de récupérateur de chaleur là où la température est la plus élevée. L'échangeur de chaleur c'est la T et le C... [Le travail utile (de propulsion) est la différence entre le travail de détente et le travail de compression, ils sont quasiment de même valeur, une turbine à gaz fonctionnant à basse température (250°c - 300°c) aura un rendement proche de zéro. Une forte élévation de la température augmentera notablement le travail utile]. La turbine supportera les ailettes du C car c'est l'anneau (bien refroidi) qui maintient l'ensemble il « s'oppose » radialement à la force centrifuge, les ailettes ne seront pas étirées (déformations et dilatations diminuées : fluage). Pour une meilleure convection et robustesse on pourra diminuer la hauteur des ailettes de T et augmenter leur largeur (corde). Les fuites du flux chaud seront supprimées en bout d'ailettes de T (rendement) car la T est cerclée par l'anneau, celui-ci permettra la continuité du flux chaud. Les ailettes de T sont tenues à leurs deux extrémités, la rigidité est augmentée les contraintes mécaniques, thermiques et vibratoires sont atténuées (technologie du refroidissement et des matériaux simplifiée). Par la modification des systèmes propres aux TR actuels les 1R à CTM auront un meilleur rendement global, les rendements : thermique ; de combustion ; des flux ; de propulsion et de consommation seront relevés. Les éléments et pièces mécaniques seront simplifiés, supprimés, allégés et réduits, l'axe d'un TR à CTM à un ou plusieurs CM est très court. L'encombrement et la masse seront inférieurs à un TR de même puissance. Les coûts de fabrication seront diminués. La transformation de la distribution du combustible (comb.) entraîne la transformation de la chambre de combustion (CDC). L'alimentation du comb. sera statique et la distribution sera centrifuge : le CM autorise ce mode d'alimentation avantageux, le comb. sera vaporisé sous les ailettes de la T par des injecteurs (à buses fermées) alimentés par un conduit torique et une pompe régulée qui dosera le débit (proportion air + comb., équipements électroniques de régulation similaires aux TR actuels). Le disque aura un évidement afin d'installer une flasque (fixée à la jante) munie d'ailettes qui aspireront (aussi avec la force centrifuge) et émulsionneront cette vaporisation avec l'air (frais) arrivant des deux côtés du disque ajouré de T : fig. 4 - 1. La rotation du corps monobloc d'alimentation (CMA) donnera une bonne répartition du mélange. Cette première émulsion sera amplifiée par les ailettes de la flasque (brassage) elle traversera la jante de T et ses ailettes creuses (côté bord d'attaque et de fuite) en les refroidissant et en se réchauffant et débouchera, extraite par la force centrifuge et les ailettes de flasque par les orifices calibrés de l'anneau à proximité immédiate des ailettes du C et s'homogénéisera instantanément de manière optimale avec l'air comprimé tourbillonnaire du C à l'entrée de la CDC (deuxième émulsion). Le refroidissement de la T pourrait être intense, la composition moléculaire du comb. ne sera pas dégradée car les conduits sont très courts et la vitesse de déplacement du comb. rapide. La flamme ne devrait pas pénétrer les ailettes et l'évidement de la T. L'anneau aura 1 ou 2 orifices calibrés par ailette de T, ou en alternance avec les ailettes du C : fig. 1 nécessité à évaluer : essais. La bonne homogénéité du mélange augmentera la vitesse de combustion, la température, la réactivité des flux (montée en puissance du régime : tr/mn) la combustion sera complète (pas d'imbrûlé) elle facilitera la stabilisation de la flamme à tous les régimes (tr/mn). La consommation spécifique baissera (Kg/ Kgp/ h). L'énergie calorifique du comb. sera utilisée de manière optimale, le rendement de combustion devrait être excellent (voisin de 1 ?). La disposition en barillet des injecteurs à intervalles réguliers des CDC actuelles ne produit pas de mélange instantané, le mélange est effectué tout près des ailettes de T, il contient des imbrûlés (autre mode de distribution en comb. possible: un injecteur de grande capacité pourra être logé dans l'axe de la T sans le toucher le disque aura un évidement et une flasque fermée avec ailettes : fig. 4 n°2). L'air du C refroidissant la CDC et la grille fixe redresseuse de sortie de CDC est récupéré, réchauffé, il retourne dans la CDC par les ailettes creuses de cette grille, le rendement thermique est amélioré. Il ne sera pas nécessaire d'équiper le TR à CTM à 1 CM d'un compresseur auxiliaire de refroidissement. L'enveloppe intérieure perforée qui amortit la vitesse du flux des CDC actuelles pourrait être supprimée (gain de poids), elle n'est plus nécessaire car le mélange air + comb. est déjà effectué dès l'entrée de la CDC. La CDC sera à simple paroi sans aucun artifice interne, la vitesse du flux à l'entrée de la CDC ne sera pas réduite car le jet est inversé (et donc amorti) par rapport à l'écoulement du flux vers la T. L'accrochage de la flamme se fera dès l'entrée de la CDC. Si la flamme fluctue ou décroche, les solutions existent pour la contenir, on visualisera (soufflerie, méthodes optiques) le cheminement des écoulements air + comb. dans des conditions de similitude et on apportera les corrections. On modifiera en conséquence la géométrie de la CDC (préchambre) ou on positionnera un déflecteur de forme torique face au jet qui se divisera en deux jets, ceux-ci se rejoindront en s'amortissant et en créant un régime turbulent, la détente maximum des gaz devra se faire à l'entrée de la T le(s) tore(s) très chaud entretiendra la température [mécanique des fluides : les écoulements suivent les contours (déflecteur torique) technologie fluidique : propriétés dynamiques des fluides en réaction aux surfaces, aux formes et volumes (CDC)]. L'enveloppe interne de la CDC supprimée, on obtiendra un gain en vitesse et en débit - ou puissance massique (PM) : c'est la puissance produite par un débit donné - car l'amortissement du jet est inférieur à l'amortissement d'une CDC classique [la poussée d'un TR est proportionnelle à l'accroissement de la vitesse des flux et à la masse totale d'air qui le traverse]. On applique (en partie) aux TR à CTM les principes du statoréacteur, le carter met en pression la vitesse de l'air (déplacement) et la CDC est similaire à celle des statoréacteurs, vide. Le compresseur est protégé par le cône avant des impacts directs (chocs aviaires, eau, grêlons, corps étrangers etc.) la sécurité est renforcée. Le cône avant pourra être en fibre de carbone et son épaisseur en nid d'abeilles [légèreté, résistance (forme) et atténuation du son]. Il pourra contenir la plus grande partie des auxiliaires et accessoires. La pointe du cône avant comportera un couvercle démontable, on accédera facilement aux appareillages. Des petites ouvertures d'aération (protégées) seront réalisées sur le couvercle, elles amèneront de l'air frais dans les différents compartiments (appareillage) et directement sur la jante de T du 20 CMA. Le carter transformera entièrement la vitesse de l'air (déplacement) en pression (participation des déflecteurs) elle sera profitable au rendement du C (taux de compression : TDC). Les déflecteurs pourraient être supprimés, l'espace entre le carter et l'ensemble du TR servira de chambre de tranquillisation pour le C, l'air s'accumulera car la sortie d'air côté tuyère est beaucoup plus petite que l'entrée d'air. L'air se réchauffera au contact de la tuyère en la refroidissant et la plus grande partie de cet air partiellement réchauffé sera aspiré par le C (rendement thermique). Les corps étrangers (impacts directs) aboutiront par leurs propres vitesses et inerties au fond de la chambre de tranquillisation sans risque pour le C, il sera protégé aussi par une grille, ainsi que l'entrée d'air des ailerons de tuyère. Le fonctionnement des '1R à CTM sera identique à celui des TR actuels et les bases générales de calcul seront les mêmes. Les technologies de conception des TR actuels étant suffisamment avancées, les descriptions des constituants des TR à CTM seront simplifiées. TR à CTM à un CM, fig. 2 : la géométrie des ailettes du C sera de forme trapézoïdale et de grande surface afin de capter la plus grande quantité d'air et de réduire son volume par la simple forme des ailettes : TDC. 11( à CTM ayant plusieurs CM, fig. 3 exemple à 4 CM : les dimensions exactes et le nombre de CM que les différents types de 1R à CTM auront pour une puissance donnée et leurs champs d'application, seront à déterminer par les études et les essais. Un petit compresseur axial de refroidissement sera monté en bout d'axe (dernier CM) : fig3 - n°19, il aspirera l'air frais de la chambre de tranquillisation par les ailerons creux de maintien (cône tuyère) et refroidira les disques ajourés de T des CM et les grilles fixes de T et de C ainsi que le palier arrière. Réchauffé cet air (en pression) débouchera par le bord de fuite (fentes) des ailettes fixes redresseuses de chaque C des CM. Le compresseur de refroidissement contribuera à améliorer le rendement thermique, l'air de refroidissement devenu chaud est récupéré, et retourne dans la CDC. La jante ajourée du dernier CM pourrait être équipée d'ailettes rivetées, elles remplaceront le compresseur axial et l'air frais aura moins de difficulté à pénétrer à l'intérieur des espaces cloisonnés par les CM : fig. 5 n°2. La rotation du CM engendre une réaction de déplacement de ce CM sur son axe (s'il n'était pas tenu) la réaction de la T et celle du C sont de même sens axial, il n'y a pas de compensation, on pourra y remédier en utilisant le roulement conique qui supportera simultanément les charges radiales et axiales ou le roulement à gorges profondes (il remplacera la butée) : fig. 5 n°1. Seul le premier CM (ou CMA entrée et sortie CDC) d'un 1R à CTM à plusieurs CM sera équipé de l'alimentation en comb. Le démarreur entraînera le CMA les autres CM seront mis en rotation par le flux chaud naissant. Les CM devront être éprouvés comme toutes nouveautés techniques. Les TR à CTM utiliseront pour leur réalisation les moyens déjà en place. Une machine thermique ne se conçoit pas uniquement par les calculs, des choix et des compromis sont forcément nécessaires (souvent les résultats d'essais sont différents de ceux escomptés) d'autres facteurs et paramètres interviennent : la conception, configuration, proportions, dispositions, logique, adaptations et modifications (parfois en cours de fabrication) ergonomie, savoir-faire, expérience et nombreuses seront les possibilités d'optimiser les systèmes des TR à CTM. Des informations techniques complémentaires, non indispensables dans cette description seront communiquées. Les schémas et leurs détails sont simplifiés, les dimensions et proportions sont modifiées pour une meilleure compréhension, les dispositions et les configurations sont exactes, sauf pour les accessoires et auxiliaires qui sont esquissés dans leurs emplacements respectifs probables. Pour un usage militaire le TR à CTM serait performant, fiable endurant (toutes les pièces mécaniques sont bien refroidies, elles auront une durée de vie accrue) et économique en comb. (le rayon d'action serait augmenté). Il est compact, léger, de faible encombrement, la maintenance sera facilitée et il y aura une réduction des coûts qui sera étendue à l'ensemble des opérations et processus de son développement. Le cône avant contient la majorité des constituants du TR à CTM il sera renforcé et apportera une bonne protection. Le IR à CTM pourra être équipé de la post-combustion (PC) une partie de l'air d'admission (en pression) traversera les ailerons creux et profilés de maintien et sera amené (effet Venturi + pression) à l'extrémité du cône de tuyère là où le système de réchauffe (SR) sera fixé : fig. 3 n° 20. La tenue thermique du SR sera améliorée par cet air froid et le rendement de la PC sera accentué par l'apport d'oxygène Voir autre positionnement de la PC : fig. 3 n° 21. Le '11( à CTM devrait être moins vulnérable (aux aléas auxquels il sera destiné) qu'un TR actuel militaire. Équipement des TR à CTM : le montage des accessoires et auxiliaires est similaire aux TR actuels et simple à réaliser, l'appareillage sera à adapter suivant la configuration définitive de l'ensemble. Ces TR à CTM équiperont les aéronefs et pourront être modifiés en turbopropulseur (réducteur + hélice) ou en turbomoteur (+ réducteur) pour hélicoptère. REVENDICATIONS1) Turboréacteur à compresseur et turbine monoblocs caractérisé en ce qu'il comporte sur le même disque le compresseur et la turbine, celle-ci est centrale et le compresseur est à sa périphérie, ils sont réunis par un anneau, ce disque constitue le corps monobloc (fig. 1). 2) Turboréacteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que sa distribution en combustible est centrifuge, des injecteurs (fig. 2-21) alimentés par un tore (fig. 2-15) vaporisent le combustible sous les ailettes creuses de la turbine (fig. 2 conduits 19). 3)Turboréacteur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il 10 comporte un corps monobloc ou plusieurs, le nombre de corps monobloc dépendant d'un choix de puissance. 4) Turboréacteur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est modifiable en turbopropulseur équipé d'un réducteur et d'une hélice et en turbomoteur équipé d'un réducteur.