Brevet FR3012417A1 — publié le 20150501

Domaine de l'invention La présente concerne le domaine des moteurs de propulsion des aéronefs, elle vise plus particulièrement les nacelles de turboréacteurs et notamment les nacelles de turboréacteurs multiflux. Art antérieur Un turboréacteur multiflux et plus particulièrement à double flux comprend un flux chaud central et un flux froid concentrique au premier. Dans la partie aval du moteur, les deux flux peuvent être éjectés en deux flux séparés concentriques, le moteur comprenant dans ce cas deux tuyères concentriques : une tuyère de flux chaud et une tuyère de flux froid. Les deux flux peuvent aussi être mélangés avant éjection, le moteur comportant alors une seule tuyère d'éjection. La nacelle forme l'enveloppe du moteur et sa fonction est principalement aérodynamique. Elle s'étend entre la manche d'entrée d'air située à l'amont et la ou les tuyères; Cette enveloppe couvre de ce fait les différents carters du moteur et l'ensemble des appareils et machines accessoires qui sont fixés sur le moteur en divers endroits de la paroi extérieure du carter. C'est ainsi que le boitier à engrenages pour l'entraînement des machines accessoires, connu aussi sous sa dénomination anglaise Accessory Gear Box, AGB, occupe un volume dont l'impact sur la forme de la nacelle n'est pas négligeable. Par ailleurs, les aéronefs civils sont propulsés par des moteurs qui peuvent être disposés sous aile. Il s'ensuit des contraintes spécifiques sur la géométrie de la nacelle. Ainsi la garde au sol, définie par la distance séparant la nacelle du sol quand l'aéronef est en appui sur le sol, doit être prise en compte. L'espace disponible est donc limité aussi bien au point haut qu'au point bas de la nacelle, les volumes nécessaires sont aménagés latéralement, il s'ensuit que la forme de la nacelle doit être adaptée à cette contrainte ; elle présente des renflements latéraux. C'est le cas en particulier des moteurs de petite à moyenne puissance dont les accessoires ou équipements occupent en proportion un plus grand espace que dans un gros moteur. De même l'interaction du flux moteur avec la voilure a un impact sur la définition de la géométrie de la nacelle. Il faut que le couloir entre le moteur et la voilure ne soit pas trop réduit. Alors qu'un turbomoteur seul est globalement de forme axisymétrique, son enveloppe peut, en raison des contraintes exposées ci-dessus, ne pas l'être et présenter en coupe transversale dans le plan du maître couple une forme éloignée de la forme circulaire. Un objectif de l'invention est d'optimiser la géométrie de la nacelle afin d'en réduire la masse. En effet afin de réduire la consommation spécifique du moteur en vol, on cherche en permanence à trouver des solutions qui conduisent à réduire la masse embarquée, sans que les performances du moteur en soient affectées. La solution conventionnelle de détermination du profil d'une nacelle à partir de la connaissance de la forme de celle-ci au niveau du maître couple, et de l'angle de rétreint, - c'est-à-dire l'angle de la pente au bord de la tuyère comprend la détermination de la longueur minimale de la nacelle de telle sorte que le profil ne présente pas de point d'inflexion, la courbure doit être convexe en tout point pour satisfaire aux contraintes aérodynamiques. Il est à noter que selon l'art antérieur, la tuyère d'éjection doit être circulaire ce qui implique une contrainte supplémentaire sur la détermination du profil. Exposé de l'invention La demanderesse s'est fixé comme objectif de réduire la masse d'une nacelle de turboréacteur présentant une forme renflée latéralement, que l'on peut qualifier de pseudo elliptique, dans le plan de son maître couple. L'invention porte ainsi sur une nacelle de turboréacteur comportant un bord amont délimitant l'entrée d'air du moteur, un bord aval formant la tuyère d'éjection des gaz ayant traversé le moteur, une section non circulaire dans un plan transversal intermédiaire formant maître couple, dans ledit plan une première distance Dmch à l'axe du moteur selon une première direction étant supérieure à une seconde distance Dmcv à l'axe du moteur selon une seconde direction différente de la première, Conformément à l'invention, la nacelle est caractérisée par le fait que la tuyère est de forme non axisymétrique, la distance Dtuh du bord de fuite de la tuyère à l'axe du moteur, selon la première direction, étant supérieure à la distance Dtuv du bord de la tuyère à l'axe, selon la seconde direction. En s'affranchissant de la contrainte d'avoir une tuyère à section circulaire de l'art antérieur, et en déterminant le profil longitudinal de la nacelle en fonction de la distance à l'axe de la partie renflée, il est possible de réduire la longueur de la partie arrière de la nacelle. Une réduction de longueur induit une réduction de la masse de la nacelle. La solution s'applique à une nacelle longue pour un moteur à flux d'éjection mélangés Elle s'applique aussi à une nacelle courte pour un moteur à flux d'éjection séparés comportant une tuyère de flux froid et une tuyère de flux chaud, au moins une desdites tuyères étant de forme non axisymétrique. Conformément à un mode de réalisation, dans ce dernier cas les deux tuyères sont de forme non axisymétrique. Plus particulièrement, les première et seconde directions sont perpendiculaires entre elles, avec notamment une première direction horizontale. Avantageusement, alors, la seconde direction est verticale. Selon un mode de réalisation, la section transversale de la tuyère est de forme sensiblement elliptique. En effet généralement le moteur étant interchangeable sur un aéronef de gauche et à droite, la forme de la nacelle est symétrique par rapport au plan vertical passant par l'axe du moteur, il s'ensuit que la tuyère d'éjection est aussi symétrique par rapport à ce plan vertical. L'invention porte également sur le procédé de détermination du profil arrière d'une nacelle comportant une section non circulaire dans le plan de son maître couple, une aire de section d'éjection de tuyère et des angles de rétreint de la nacelle au niveau de la tuyère étant donnés, les distances Dmch, Dmcv et Dtuv étant également données, Selon le procédé de l'invention on détermine la distance Dtuh de telle manière que le profil de la nacelle le long de la première direction ne présente pas de point d'inflexion. Présentation des figures D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 représente schématiquement un turboréacteur à double flux à flux séparés vu en coupe longitudinale ; La figure 2 représente schématiquement un turboréacteur à double flux à flux mélangés ; La figure 3 montre un exemple de forme de la nacelle dans le plan du maître couple ; La figure 4 est un graphique montrant la variation de la distance à l'axe moteur du bord de fuite de la tuyère en fonction de la longueur de la nacelle pour différentes valeurs de la distance à l'axe moteur dans le plan du maître couple ; La figure 5 montre un exemple de tuyères non axisymétriques vu de l'arrière. Présentation détaillée de l'invention Le turboréacteur de la figure 1 est à double flux avec une manche d'entrée d'air à l'amont, l'amont et l'aval étant définis par l'écoulement de l'air au travers du moteur. L'air entrant dans le moteur subit une première compression à travers un rotor de soufflante 2 puis est séparé en un flux primaire central F1 et un flux concentrique F2, secondaire. Le flux F1 traverse les compresseurs 3, la chambre de combustion 4 et les turbines 5 qui entraînent les étages de compression. Le flux primaire est éjecté ici dans l'atmosphère par une tuyère Tu1 dite de flux chaud ou flux primaire. La tuyère Tu1 est dans cet exemple annulaire et est délimitée intérieurement par le cône d'éjection 6. Le flux secondaire F2 est éjecté directement dans l'atmosphère par la tuyère de flux froid ou de flux secondaire Tu2. Cette tuyère est également annulaire. Elle est délimitée intérieurement par la carène 7 du flux primaire et extérieurement par le corps arrière de la nacelle de soufflante 8 qui comprend d'amont en aval, la manche d'entrée d'air 8a, le carénage 8b de la soufflante et ledit corps arrière 8c de nacelle de soufflante. Dans un moteur à flux mélangés, dont un exemple est représenté à la figure 2, la nacelle 8' se prolonge jusqu'en aval de l'éjection du flux primaire et forme un conduit dans lequel le flux secondaire se mélange avec le flux primaire en un flux unique qui est éjecté par une tuyère unique 8'c. Ces deux types de nacelle sont en soi connus. L'invention concerne aussi bien une nacelle de moteur à flux séparés qu'une nacelle à flux mélangés. Les contraintes d'installation d'une nacelle sont les suivantes. - Le dessin d'une nacelle est dépendant de l'installation du moteur sur l'aéronef. On a vu plus haut la nécessité de tenir compte de la garde au sol et de la distance à l'aile dans un montage sous aile - Le dessin dépend aussi des plus gros équipements tels que le boîtier AGB avec les appareils qui lui sont attachés, le calculateur ou le réservoir d'huile. Le maître couple - surface frontale maximale perpendiculaire au flux - est défini à partir de l'encombrement de ces accessoires. - Il est à noter que la taille des équipements n'est pas proportionnelle à celle de la soufflante du moteur ; il s'ensuit que, plus le diamètre de la soufflante augmente plus le rapport entre la taille des équipements et le diamètre de la soufflante diminue. Inversement pour un faible diamètre de soufflante, ledit rapport est important. La figure 3 illustre la forme de la nacelle de soufflante 8 dans le plan du maître couple. Les accessoires 10 sont logés dans le volume aménagé autour du carter de soufflante 2 par la nacelle 8. On observe que le turboréacteur représenté est de relativement faible diamètre car le rapport entre la largeur m sur la hauteur n : m/n est largement supérieur à 1. - La nacelle doit respecter des critères aérodynamiques tels que les angles de rétreint alpha au bord de fuite de la tuyère. L'angle de rétreint est l'angle formé par la paroi extérieure de la nacelle au bord de fuite avec l'axe du moteur. Ces angles sont choisis relativement faibles, de 10 à 20° pour éviter tout risque de décollement de l'écoulement de l'air sur la surface de nacelle concernée. Les angles de rétreint des tuyères primaire et secondaire ont des valeurs maximales et peuvent donc être considérés comme des constantes car plus les angles sont élevés, plus il est possible de réduire la longueur de la nacelle et par conséquent sa masse. Le respect des angles de rétreint peut conduire à allonger la nacelle de façon importante, notamment pour les moteurs de petites ou moyennes tailles. - Les sections d'éjection des flux primaire et secondaire ou bien d'éjection de flux mélangés sont définies dans le cycle thermodynamique. Elles sont considérées ici comme données. - Toute réduction de la longueur de la nacelle de soufflante n'est possible que dans une certaine limite. En effet dans une structure où le mécanisme inverseur est logé en partie dans le corps arrière de la nacelle, Il s'agit de conserver un volume suffisant entre les parois interne et externe de la nacelle pour pouvoir installer le mécanisme d'inversion de poussée. L'invention vient de l'observation faite sur la relation entre la distance Dtu du bord de fuite de la tuyère à l'axe du moteur et la longueur de la nacelle pour différentes valeurs de la distance Dmc à l'axe du moteur de la nacelle dans le plan du maître couple. Le graphique de la figure 4 illustre la solution de l'invention. Pour réaliser ce graphique, on a établi une corrélation entre la distance Dmc à l'axe dans le plan du maître couple, la longueur L de nacelle et la distance Dtu à l'axe dans le plan de la tuyère. Cette corrélation résulte du profil longitudinal que l'on choisit pour la nacelle. En particulier, on détermine en chaque point du profil le rayon de courbure, celui-ci ne doit pas s'inverser car il correspondrait à un point d'inflexion et conduirait à un profil non acceptable aérodynamiquement. Cette corrélation se traduit par une courbe de variation de la distance Dtu à l'axe du bord de fuite de la tuyère en fonction de la longueur L de la nacelle pour une valeur de la distance Dmc à l'axe dans le plan du maître couple. Chaque courbe correspond à une valeur différente de ladite distance Dmc à l'axe dans le plan du maître couple. Dans le cas d'une nacelle non axisymétrique, pour deux directions, l'une horizontale l'autre verticale par exemple, on a des valeurs différentes de la distance à l'axe Dmc dans le plan du maître couple. On a une valeur Dmch de la distance de la nacelle à l'axe, dans le plan horizontal, et une valeur Dmc' dans le plan vertical. Les courbes Dmch et Dmc' du graphique de la figure 4 définissent la relation qui existe entre la distance Dtu du bord de fuite de la tuyère et la longueur de la tuyère. Pour une tuyère axisymétrique, les distances Dtu dans le plan vertical et dans le plan horizontal sont égales. La tuyère aura donc une longueur déterminée par la valeur de Dtu,,. On doit alors choisir une longueur L de nacelle plus importante. Si on choisit une tuyère non axisymétrique avec Dtuh supérieur à Dtu,,, alors la longueur de nacelle peut être choisie plus faible. L'exemple chiffré ci-dessous montre l'avantage de la solution en gain de masse. La longueur L de la nacelle est de 2020 mm avec une tuyère axisymétrique de rayon Dtu' = 797 mm. La longueur L de la nacelle peut être réduite à 1725 mm avec une tuyère non axisymétrique avec des valeurs distinctes dans le plan horizontal et vertical, Dtuh étant supérieur à Dtu,,, soit ici 960 et 836 mm respectivement Il a été vérifié par ailleurs que la longueur était compatible avec l'insertion d'un mécanisme d'inversion de poussée dans l'arrière corps de la nacelle. Cette réduction de longueur de nacelle induit une réduction de la masse de celle-ci de 22 kg. Les valeurs sont rapportées dans le tableau ci-dessous Nacelle axisymétrique Nacelle non-axisymétrique Plan vertical Plan horizont Plan vertical Plan horizont Dmc (mm) 984 1167 984 1167 L (mm) 2020 2020 1725 1725 Dtu (mm) 797 797 836 960 Masse (kg) 615 593 Les valeurs Dmc de la nacelle dans le plan du maître couple, dans les directions respectivement horizontale et verticale étaient fixées par les contraintes d'installation de garde au sol et d'interaction avec la voilure. Pour la nacelle axisymétrique la valeur de longueur de nacelle est imposée par le fait de ne pas avoir de zone d'inflexion de la courbure le long du profil dans le sens longitudinal. Dans cet exemple les angles de rétreint étaient compris entre 12° et 15° La description ci-dessus porte sur la détermination de la tuyère de flux froid dans un moteur à flux séparés. Il peut être avantageux de réaliser la tuyère de flux chaud avec une section transversale de même forme. La figure 5 montre vue de l'arrière un turboréacteur dont à la fois la tuyère de flux froid et la tuyère de flux chaud sont non axisymétriques. Par ailleurs l'invention bien que décrite pour une nacelle de moteur à flux séparés, s'applique de la même façon pour une nacelle de moteur à flux mélangés.20 REVENDICATIONS1 Nacelle de turboréacteur comportant un bord amont (8a) délimitant l'entrée d'air du moteur, un bord aval (8c) formant la tuyère d'éjection des gaz ayant traversé le moteur, une section non circulaire dans un plan transversal intermédiaire formant maître couple, dans ledit plan du maître couple, une première distance 10 de la nacelle Dmch à l'axe du moteur selon une première direction étant supérieure à une seconde distance Dmcv à l'axe du moteur selon une seconde direction différente de la première, nacelle caractérisée par le fait que la forme de la tuyère 15 est non-axisymétrique, la distance Dtuh du bord de fuite de la tuyère à l'axe selon la première direction étant supérieure à la distance Dtu, du bord de la tuyère à l'axe selon la seconde direction. 20 Nacelle de turboréacteur selon la revendication 1, multiflux à flux séparés avec une tuyère de flux froid (Tu2) et une tuyère de flux chaud (Tu1), au moins une desdites tuyères étant nonaxisymétriq ue. 25 3. Nacelle selon la revendication précédente, les deux tuyères (Tu1, Tu2) étant non-axisymétriques. 4. Nacelle selon l'une des revendications précédentes dont les première et seconde directions sont perpendiculaires. 305. Nacelle selon l'une des revendications précédentes dont la première direction est horizontale. 6. Nacelle selon la revendication précédente dont la seconde direction est verticale. 7 Nacelle selon l'une des revendications précédentes dont la section transversale de la tuyère est elliptique. 8. Nacelle selon la revendication 1 de moteur à flux mélangés, avec une tuyère unique. 9. Procédé de détermination du profil arrière de la nacelle (8) selon la revendication 1 comportant une section non circulaire dans le plan du maître couple, une aire de section d'éjection de tuyère et des angles de rétreint (alpha) de la nacelle au niveau de la tuyère donnés, les distances Dmch, Dmcv et Dtuv étant également données, selon lequel on détermine Dtuh de telle manière que le profil de la nacelle le long de la première direction ne présente pas de point d'inflexion.