Brevet FR3019855A1 — publié le 20151016

ENSEMBLE PROPULSIF D'AERONEF COMPRENANT UNE VANNE D'AIR A DEBIT VARIABLE L'invention concerne un ensemble propulsif d'aéronef comprenant une turbomachine à double flux ayant une vanne d'air à débit variable destinée à fournir de l'air à un échangeur de chaleur. Un ensemble propulsif d'aéronef comprend de manière connue un système de prélèvement d'air au niveau du moteur de la turbomachine afin de fournir en air des systèmes utilisateurs d'air, comme par exemple le système de renouvellement et de régulation de pression de l'air cabine. Afin que la température de l'air à la sortie du système de prélèvement d'air reste dans les limites acceptables pour les systèmes utilisateurs, le système de prélèvement d'air comprend un échangeur de chaleur (PCE pour precooler : refroidisseur) permettant de refroidir l'air chaud prélevé sur le moteur grâce à l'air froid prélevé dans la veine d'air secondaire de la turbomachine. L'air froid est prélevé au moyen d'un système d'alimentation en air froid comprenant une entrée d'air arrangée dans la veine secondaire, un conduit reliant l'entrée d'air à l'échangeur, et une vanne d'air à débit variable de type papillon. Le papillon ou clapet mobile est positionné dans le conduit et permet par sa rotation d'ajuster le débit du système d'alimentation en air en fonction des besoins des systèmes utilisateurs. On constate qu'un tel système d'alimentation en air ne fournit pas un débit d'air froid suffisant à l'échangeur pour que ce dernier puisse refroidir l'air prélevé au niveau du moteur dans le cas d'un ensemble propulsif ayant une turbomachine à fort taux de dilution. Une solution adaptée à de tels ensembles propulsifs serait d'augmenter la surface d'échange de l'échangeur et les dimensions de l'entrée d'air et du conduit. Cependant cette solution n'est pas viable puisque la place disponible pour l'agencement d'éléments dans un ensemble propulsif est très limitée. Il existe donc un besoin pour un système d'alimentation en air froid qui soit plus efficace tout en gardant sensiblement les mêmes dimensions que les systèmes actuels. L'un des objets de la présente invention est de remédier en tout ou partie à l'inconvénient mentionné ci-dessus. A cet effet, l'invention concerne un ensemble propulsif comprenant une turbomachine et un mât , la turbomachine comprenant un moteur fixé audit mât, une interveine annulaire entourant le moteur, et une nacelle annulaire disposée coaxialement autour et radialement vers l'extérieur par rapport à l'interveine de façon à délimiter avec cette dernière une veine d'air, la turbomachine comportant un échangeur de chaleur et un système d'alimentation en air froid , ledit système comprenant une entrée d'air logée dans ladite veine d'air , un conduit d'air reliant fluidiquement l'entrée d'air à l'échangeur , et une vanne d'air à débit variable logée dans ledit conduit, ladite vanne comprenant un moyeu sur lequel sont montées au moins trois pales se proj ettant radialement hors du moyeu de sorte à former une hélice, chaque pale ayant une base montée mobile en rotation sur le moyeu, ladite vanne comprenant en outre un moteur électrique configuré pour entrainer le moyeu par l'intermédiaire d'un arbre moteur , et des moyens de variation de l'angle de calage des pales, l'extrémité de chaque pale est affleurant à une paroi du conduit, ladite vanne étant commandable pour adopter une des configurations suivante : - une configuration dite fermée dans laquelle l'angle de calage des pales est de 0° et dans laquelle ladite vanne empêche le passage de l'air au travers du conduit; - une configuration dite ouverte dans laquelle l'angle de calage des pales est de 90° et dans laquelle ladite vanne ouvre complètement l'accès au conduit d'air; - une configuration dite de suralimentation, dans laquelle l'angle de calage des pales est compris entre 0° et de 90°. L'avantage principal de l'invention par rapport aux systèmes d'alimentation en air froid existant consiste en ce que la vanne d'air selon l'invention autorise en plus une configuration de suralimentation. Cette configuration permet de répondre aux besoins en air froid des systèmes utilisateurs lorsque les températures atteintes dans le moteur sont élevées. Le système d'alimentation en air selon l'invention est donc adapté à une utilisation dans des turbomachines à fort taux de dilution. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels : - les figures 1 est une vue schématique, selon une première architecture, d'un ensemble propulsif selon l'invention vu en coupe selon son axe longitudinal, ledit ensemble comprenant un système d'alimentation en air froid ; - la figure 2 est une vue schématique montrant l'agencement d'un système de prélèvement d'air comprenant le système d'alimentation en air de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue agrandie de la zone M de la figure 1 et représente le système d'alimentation en air selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique d'une vanne à débit d'air variable équipant le système d'alimentation en air de la figure 3; - la figure 5 est une vue schématique des moyens de variation de l'angle de calage des pales de la vanne à débit d'air variable illustrée à la figure 4 ; - les figures 6 à 8 sont des vues schématiques en perspective représentant la vanne à débit d'air variable du système d'alimentation en air de la figure 4 pour différentes angles de calages des pales ; et - la figure 9 est une vue similaire à la figure 3 et représente le système d'alimentation en air selon un autre mode de réalisation de l'invention. - les figures 10 et 11 sont des vues similaires à la figure 1 et représentent différentes architectures d'un ensemble propulsif selon l'invention. En référence avec la figure 1, un ensemble propulsif P comprend une turbomachine à double flux 1 et son système d'attache, ou mât 200, à une aile de l'aéronef (non représentée). La turbomachine comprend une nacelle annulaire 3, centrée sur un axe longitudinal X, et un moteur 2 entouré par la nacelle 3 et fixé au mât. Le moteur 2 est fixé à la nacelle 3 au moyen de deux bifurcations 16,17 diamétralement opposées qui permettent d'assurer une cohésion mécanique de la turbomachine 1. Dans le sens d'écoulement d'un flux d'air traversant la turbomachine 1 et matérialisé par la flèche F sur la figure 1, le moteur 2 comprend, centré sur l'axe longitudinal X, une soufflante 5, un corps du moteur 6 et une tuyère 7. Le corps du moteur 6 comprend des éléments permettant de faire tourner la soufflante 5 lorsque le moteur 2 est mis en marche. Ces éléments sont, suivant la flèche F, un compresseur à basse pression 9, un compresseur à haute pression 10, une chambre de combustion 11, une turbine à haute pression 12 et une turbine à basse pression 13. La turbomachine 1, comprend de plus, en aval de la soufflante 5, une interveine annulaire 8 concentrique au corps du moteur 6 et qui délimite avec ce dernier une veine annulaire de flux d'air, dite veine primaire 20. La nacelle 3 constitue l'enveloppe externe de la turbomachine 1 et entoure l'interveine 8 avec laquelle elle est concentrique. La nacelle 3 délimite ainsi, avec l'interveine 8, une veine annulaire, dite veine secondaire 30. Les veines 20 et 30 se prolongent jusqu'en aval de la turbine à basse pression 13, c'est-à-dire au niveau de la tuyère 7. En référence avec les figures 1 et 2, l'ensemble propulsif P comprend, de manière connue, un système de prélèvement d'air 100 au niveau du moteur 6 de la turbomachine afin de fournir en air un ou plusieurs systèmes utilisateurs d'air 60. Le système de prélèvement d'air 100 comporte, arrangés par exemple dans l'épaisseur de l'interveine 8: - une première prise d'air 101 destinée à prélever, dans le compresseur haute pression, de l'air à la pression intermédiaire, - une deuxième prise d'air 102 destinée à prélever, dans le compresseur haute pression 18, de l'air à haute pression, - une valve anti-retour 103 reliée fluidiquement à la première prise d'air et qui empêche l'air de se diriger vers ladite première prise d'air 101, - une valve haute pression 104 reliée fluidiquement à la deuxième prise d'air 102 et commandée alternativement en ouverture ou en fermeture, - une valve de régulation 105 destinée à réguler la pression du flux d'air qui la traverse, la sortie de la valve haute pression et la sortie de la valve anti-retour étant reliées fluidiquement à une même entrée de la valve de régulation 105, - un échangeur 107 destiné à refroidir l'air qui le traverse. La sortie de la valve de régulation 105 est reliée fluidiquement à une entrée de l'échangeur 107 et une sortie de l'échangeur 107 est reliée fluidiquement à au moins un système consommateur d'air 60. - un système d'alimentation en air froid 200 destiné à fournir de l'air froid à l'échangeur 107, et - un contrôleur 106 représenté sur la figure 2, de type unité centrale, destiné à commander le taux d'ouverture des valves du système de prélèvement et à commander le débit d'air fournit par le système d'alimentation en air froid 200. Le système d'alimentation en air froid 200 comprend une entrée d'air 201 arrangée en aval de la soufflante 5 dans la veine d'air secondaire 30, un conduit d'air 202 reliant l'échangeur 107 à l'entrée d'air 201, et une vanne à débit variable 203 arrangée dans le conduit d'air 109. Selon l'invention et en référence avec les figures 3 à 8, la vanne à débit variable 203 comprend un moteur électrique 204, un moyeu 205 mis en rotation par le moteur et muni d'une pluralité de pales 206 se projettant radialement hors du moyeu de sorte à former une hélice, ainsi que des moyens de variation de l'angle de calage des pales 207. Le moteur électrique 204 ainsi que le moyen de variation de l'angle de calage des pales 207 sont commandés par le contrôleur 106. Dans l'exemple illustré aux figures 3 à 8, le moyeu 205 est situé en amont du sens d'écoulement d'un flux d'air traversant la vanne vers l'échangeur et matérialisé par la flèche T sur les figures, tandis que le moteur 204 est situé en aval dudit sens T. Le moteur 204 comprend un corps de moteur 204a, un bâti 204b et un arbre moteur 204c sensiblement cylindrique accouplé au moyeu 205. Le bâti est dimensionné de sorte que l'arbre moteur 204c est situé au centre d'une section du conduit 202 avec son axe longitudinal, ou axe de rotation L de l'arbre moteur, sensiblement parallèle au sens d'écoulement d'un flux d'air traversant la vanne vers l'échangeur T. Le bâti 204b est par exemple formé par quatre bras perpendiculaire un à un, chacun des bras étant fixé à la fois à la paroi du conduit 202 et au corps du moteur 204a. Le moyeu 205 est fixé à l'extrémité de l'arbre moteur 204c et comprend au moins trois pales 206 s'étendant radialement à partir de l'enveloppe extérieure du moyeu 205. Dans l'exemple illustré aux figures 4 à 8, le moyeu 205 comprend 8 pales. Chaque pale 206 est profilée et a une base 206' fixée au moyeu 205. En outre, l'extrémité (bout de pale) 206" de chaque pale est affleurant à la paroi du conduit 202. Selon l'invention, la base 206' de chaque pale est montée mobile en rotation sur le moyeu 205 de sorte que l'angle de calage des pales peut être modifié via le moyen de variation de l'ange de calage des pales 207. De manière connue, par angle de calage d'une pale, on entend l'angle formé entre la corde de référence du profil d'une pale et le plan de rotation de l'hélice, ledit plan de rotation de l'hélice étant perpendiculaire à l'axe de rotation L de l'arbre moteur. On notera que le moyeu 205 est disposé sur l'arbre moteur 204c du moteur de sorte que le bord d'attaque des pales est situé en amont du sens d'écoulement du flux d'air traversant le conduit T. Le moyen de variation de l'angle de calage des pales 207 illustré à la figure 5, comprend une bague 208, huit tiges de transmission 209 associées à huit leviers 210 dont chacun est accouplé à une pale 206, un servomoteur 211 (non visible sur la figure 5) et un axe de commande 212 fixé au servomoteur 211. La bague 208 est montée sur l'arbre moteur 204c entre le corps du moteur 204a et le moyeu 205. La bague 208 comprend une gorge 208' réalisée sur son diamètre extérieur et comprend des cannelures arrangées sur son diamètre intérieur (non représenté). Ces cannelures coopèrent avec des cannelures pratiquées sur l'arbre moteur 204c du moteur 204 de sorte que la bague 208 est solidaire dudit arbre moteur 204c en rotation mais également déplaçable en translation sur ce dernier selon l'axe de rotation L de l'arbre moteur. Le servomoteur 211 est configuré pour, lorsqu'il est actionné, mettre en rotation un arbre moteur 213 sensiblement cylindrique. Le servomoteur 211 est avantageusement situé à l'extérieur du conduit 202 afin de ne pas y perturber l'écoulement des fluides. L'axe de commande 212 est situé dans le prolongement de l'arbre moteur 213 du servomoteur 211 et est supporté par deux bras de support 214 écartés l'un de l'autre et fixés chacun au bâti du moteur 204c. Chaque bras de support 214 comprend un trou traversant qui est aligné avec le trou traversant de l'autre support et qui a un axe perpendiculaire à l'axe de rotation L de l'arbre moteur. L'axe de commande 212 est introduit dans le trou de chacun des supports 214 et est ainsi mobile en rotation selon un axe perpendiculaire à l'axe de rotation L de l'arbre moteur. En outre, l'axe de commande 212 comprend deux bras de commande 216, espacés entre eux sensiblement d'une distance égale au diamètre externe de la bague 208. Chacun des bras de commande 216 comprend à son extrémité libre un galet 217 mobile en rotation et inséré dans la gorge 208' de la bague 208 dans laquelle il peut rouler. Chaque levier 210 est fixé à la base 206' d'une pale 206. Chaque tige de transmission 209 est disposée sensiblement parallèlement l'axe de rotation L et est fixée à une première extrémité à un levier 210 via une liaison pivot ayant un axe de pivot perpendiculaire à l'axe de rotation L et à une seconde extrémité à la bague 208 via une liaison pivot ayant également un axe de pivot perpendiculaire à l'axe de rotation L de l'arbre moteur. Les moyens de variation de l'angle de calage des pales 207 fonctionnent selon le principe suivant : une rotation de l'arbre moteur 213 du servomoteur entraine une rotation de l'axe de commande 212 et donc des deux bras de commande 216. La rotation des bras de commande, provoque via les galets 217 insérés dans la gorge 208' , un déplacement de la bague 208, contrainte en translation, sur l'arbre moteur 204c. Le déplacement de la bague 208 entraine un déplacement des tiges de transmission 209 et donc, par l'intermédiaire des leviers 210, entraîne une rotation de la base 206' des pales autour de leur ligne de corde. Selon ce principe, l'angle de calage des pales 206 varie entre deux angles extrêmes: - un angle de 0° où les pales 206 ferment de manière pratiquement étanche le conduit 202 tel que cela est représenté à la figure 6; et - un angle de 90°, qui correspond à une mise en drapeau des pales 206, tel que cela est représenté à la figure 7, ouvrant complètement l'accès au conduit. Ainsi, pour les angles de calage autres que 0° et 90°, et pour un sens de rotation de l'arbre moteur approprié, la rotation du moyeu 205 amène de l'air froid à l'échangeur 107.35 Lorsque la turbomachine 1 est mise en marche, le fonctionnement du système d'alimentation en air froid 200 tel que décrit ci-dessus, est le suivant : l'air est admis dans la turbomachine 1 via la soufflante 5. En aval de la soufflante 5, le flux d'air se divise en une partie qui s'écoule dans la veine secondaire 30 et une autre qui emprunte la veine primaire 20. Dans la veine secondaire 30 et du fait de la pression dynamique des flux d'air, une partie de l'air entre dans le système d'air froid 200 au niveau de son entrée d'air 201 (flèche E). En fonction d'un débit d'air requis par un système utilisateur 60, le contrôleur 106 modifie la vitesse de rotation du moteur 204 et/ou l'angle de calage des pales 206 afin d'adapter le débit d'air fournit par le système d'alimentation en air froid 200. Les configurations suivantes sont possibles: - la configuration fermée, représentée à la figure 6, dans laquelle l'angle de calage des pales 206 est de 0° et où le moteur 204 n'est pas mis en marche. Dans cette configuration, aucun fluide n'est prélevé au travers de l'entrée d'air 201 puisque la vanne 203 empêche alors l'air de circuler de l'entrée d'air 201 vers l'échangeur 107. Dans cette configuration, la traînée induite par le système d'alimentation en air froid est minimale ; - la configuration ouverte, représentée à la figure 7, où les pales 206 sont en drapeau et où le moteur 204 n'est pas mis en marche. Dans cette configuration, du fluide est prélevé via l'entrée d'air 201 et est amené vers l'échangeur 107 via le conduit 202. Une telle configuration est appropriée à la plupart des cas de fonctionnement normal de la turbomachine 1 ; et - une configuration de suralimentation, représentée à la figure 8, où le moteur 204 est mis en marche et fait tourner le moyeu 205 et où les pales 206 ont un angle de calage compris entre 0° et 90°, de préférence entre 35° et 50°. La vitesse de rotation du moteur est régulée par le contrôleur 116 afin que la température en sortie de l'échangeur 107 (température du flux d'air reçu par les systèmes utilisateurs) soit égale à une température de consigne. Dans cette configuration, la vanne à débit variable 203 agit comme une soufflante qui augmente la masse d'air prélevé à l'entrée d'air 201 pour l'amener à l'échangeur 107. Dans cette configuration, le débit d'air fournit par la vanne 203 est augmenté ou diminué en, respectivement, augmentant ou diminuant la vitesse de rotation du moteur 204. Une telle configuration est adoptée pour réaliser un prélèvement maximal d'air froid dans les cas extrêmes où la température atteinte dans le moteur est très élevée. Il est à noter que c'est dans cette configuration que la traînée induite par le système d'alimentation en air froid 200 selon l'invention est maximale.35 A titre d'exemple, et pour système d'alimentation en air froid de mêmes dimensions (entrée d'air, conduit de 270 mm de diamètre), la vanne d'air 203 selon l'invention fournit un débit maximal de 100g/s tandis que ce débit n'est que de 70 g/s pour une vanne d'air de l'art antérieur. L'avantage de l'invention par rapport aux systèmes d'alimentation en air froid existant et que la vanne d'air 203 autorise en plus une configuration de suralimentation tout en conservant des dimensions sensiblement identiques aux dimensions des vannes de l'art antérieur. Cette configuration permet de répondre aux besoins en air froid des systèmes utilisateurs 60 lorsque les températures atteintes dans le moteur 2 sont élevées. Le système d'alimentation en air 200 selon l'invention est donc adapté à une utilisation dans des turbomachines 1 à fort taux de dilution. En variante du mode de réalisation qui vient d'être décrit, et en relation avec la figure 9, le moyeu 205 est situé en aval du sens d'écoulement d'un flux d'air traversant le conduit T, tandis que le moteur 204 est situé en amont dudit sens T. Le moyeu 205 est disposé sur l'arbre moteur 204c du moteur de sorte que le bord d'attaque des pales est situé en amont du sens d'écoulement du flux d'air traversant le conduit T. Ainsi, pour les angles de calage autres que 0° et 90°, et pour un sens de rotation de l'arbre moteur approprié, la rotation du moyeu 205 amène de l'air à l'échangeur 107. Le système d'alimentation en air froid 200 peut être arrangé dans un ensemble turbomachine P quelle que soit son architecture. Ainsi, dans une première architecture illustrée à la figure 10, l'échangeur 107 est arrangé dans le mât moteur 200, le conduit d'air 202 est alors en partie arrangé dans l'espace situé entre la nacelle 3 et le mât moteur 200 tandis que l'entrée d'air est située sur la paroi externe de la veine d'air secondaire 30. Dans une seconde architecture illustrée à la figure 11, l'échangeur 107 est arrangé dans une bifurcation 16, le conduit d'air 202 est alors en partie arrangé dans l'épaisseur de la bifurcation 16 tandis que l'entrée d'air est située sur la paroi externe de la bifurcation 16 de sorte à prélever de l'air de la veine secondaire 30. Enfin, afin de ne pas ralentir les flux d'air s'écoulant dans le conduit 202, un élément aérodynamique 300 est fixé sur l'élément de la vanne d'air 203 qui est situé le plus en amont du sens d'écoulement d'un flux d'air traversant le conduit T. Ainsi, comme illustré à aux figures 4 à 8, un cône 300 est arrangé à l'extrémité de l'arbre moteur 204c du moteur, avec sa base fixée au moyeu 205, ou comme illustré à la figure 9, un cône 300 est arrangé sur le moteur 204 avec sa base fixée au corps dudit moteur 204a. REVENDICATIONS1) Ensemble propulsif (P) comprenant une turbomachine (1) et un mât (200), la turbomachine comprenant un moteur (2) fixé audit mât, une interveine annulaire (8) entourant le moteur, et une nacelle annulaire (3) disposée coaxialement autour et radialement vers l'extérieur par rapport à l'interveine (8) de façon à délimiter avec cette dernière une veine d'air (30), la turbomachine comportant un échangeur de chaleur (107) et un système d'alimentation en air froid (200), ledit système comprenant une entrée d'air (201) logée dans ladite veine d'air (30), un conduit d'air reliant fluidiquement l'entrée d'air à l'échangeur (107), et une vanne d'air à débit variable (203) logée dans ledit conduit (202), caractérisée en ce que ladite vanne comprend un moyeu (205) sur lequel sont montées au moins trois pales (206) se projettant radialement hors du moyeu de sorte à former une hélice, chaque pale (206) ayant une base (206') montée mobile en rotation sur le moyeu (205), ladite vanne comprenant en outre un moteur électrique (204) configuré pour entrainer le moyeu (205) par l'intermédiaire d'un arbre moteur (204c), et des moyens de variation de l'angle de calage des pales (207), l'extrémité (206") de chaque pale est affleurant à une paroi du conduit (202), ladite vanne (203) étant commandable pour adopter une des configurations suivante : - une configuration dite fermée dans laquelle l'angle de calage des pales (206) est de 0° et dans laquelle ladite vanne (203) empêche le passage de l'air au travers du conduit (202) ; - une configuration dite ouverte dans laquelle l'angle de calage des pales est de 90° et dans laquelle ladite vanne (203) ouvre complètement l'accès au conduit d'air (202) ; - une configuration dite de suralimentation, dans laquelle l'angle de calage des pales est compris entre 0° et de 90°. 2) Ensemble propulsif (P) selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans la configuration de suralimentation, l'angle de calage des pales est compris entre 35° et 50°. 3) Ensemble propulsif (P) selon l'une quelconque des revendication 1 à 2, caractérisé en ce que les moyens de variation de l'angle de calage des pales (207) comprennent une bague (208) fixée à la base (206') de chacune des pales (206) et montée mobile en translation sur l'arbre moteur (204c), un axe de commande (212), et un servomoteur (211) configuré pour mettre en rotation l'axe de commande (212).35 4) Ensemble propulsif (P) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'axe de commande (212) est mobile en rotation selon un axe perpendiculaire à un axe de rotation (L) de l'arbre moteur (204c) et est supporté par deux bras de support (214) écartés l'un de l'autre et fixés chacun au bâti du moteur (204c), ledit axe de commande (212) comprenant en outre deux bras de commande (216) écartés l'un de l'autre, chacun des bras de commande (216) comprenant à son extrémité libre un galet (217) mobile en rotation et prévu pour rouler dans une gorge (208') pratiquée sur la bague (208). 5) Ensemble propulsif (P) selon la revendication 3, caractérisé en ce que pour chaque pale (206), la bague (208) est fixée à une base de la pale (206') via un levier (210) en liaison pivot avec une tige de transmission (209) parallèle à l'axe de rotation (L) de l'arbre moteur, le levier (210) étant fixé à la base de la pale (206). 6) Ensemble propulsif (P) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyeu (205) est situé en aval du sens d'écoulement d'un flux d'air traversant le conduit (T), tandis que le moteur (204) est situé en amont dudit sens. 7) Ensemble propulsif (P) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyeu (205) est situé en amont du sens d'écoulement d'un flux d'air traversant le conduit (T), tandis que le moteur (204) est situé en aval dudit sens. 8) Ensemble propulsif (P) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur (107) est arrangé dans le mât moteur (200), le conduit d'air (202) est arrangé dans un espace situé entre la nacelle (3) et le mât moteur (200).