Brevet FR3036144A1 — publié le 20161118

Hélice de turbomachine DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une hélice de turbomachine, en particulier pour un aéronef. Cette hélice peut par exemple être une hélice non carénée d'un turbopropulseur ou une hélice carénée du type soufflante d'un turboréacteur. ETAT DE L'ART De façon classique, une hélice de turbomachine comprend un moyeu et une rangée annulaire de pales qui s'étendent sensiblement radialement autour dudit moyeu. Ce type d'hélice équipe par exemple un turbopropulseur, l'hélice étant montée à l'amont du turbopropulseur (par référence au sens de l'écoulement du gaz autour du turbopropulseur en fonctionnement). L'hélice est traversée par ce gaz en fonctionnement, qui est comprimé et accéléré par l'hélice afin de fournir une force de propulsion au turbopropulseur. Les décollements de la couche limite sur une hélice (notamment au niveau des pieds de pales) représentent un problème notable pour un turbopropulseur, causant notamment des pertes de rendement voire des instabilités en termes d'opérabilité c'est-à-dire dans le domaine de fonctionnement du moteur (ex. marges au flottement de l'air autour des pales, qui se traduit par des tourbillons de Von Karman, etc.). Cette couche limite est soumise à un phénomène d'aspiration. La couche limite d'une hélice est centrifugée par la rotation de l'hélice. La partie de la pale la plus proche de l'axe de rotation de l'hélice voit son incidence maximale (et donc sa portance) très fortement augmentée par rapport à un profil dont la couche limite ne serait pas ainsi aspirée. C'est ce phénomène qui explique la forte poussée d'une hélice quand l'aéronef est au point d'arrêt (arrêté avant le décollage). Le calage de l'hélice en fonction du vent relatif permet de générer une résultante aérodynamique permettant la traction de l'aéronef. On peut 3036144 2 donc modéliser une hélice par une aile et ainsi étudier le phénomène de décrochage de l'hélice ou de décollement des couches limites, qui réduit la puissance de traction de l'hélice. Les schémas de la figure 1 montrent par exemple l'influence de l'angle d'incidence du vent relatif 10 sur le 5 phénomène de décollement sur une pale 12 d'hélice. Dans le schéma du haut, l'angle d'incidence est relativement faible et la portance est représentée par la flèche 14. Dans le schéma du milieu, une limite de décrochage est atteinte, le point 16 représentant un point de décollement. La portance 14' est ici maximale. Dans le schéma du bas, un décrochage a 10 lieu, la référence 18 représentant le flux d'air décollé. La portance 14" chute. La problématique du décollement entraîne à une perte de traction par l'hélice suite à un changement du vent relatif et se traduit par une surconsommation du moteur et un échauffement supplémentaire. 15 EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention a pour but de limiter le décollement sur les pales d'une hélice de turbomachine, de préférence sur toute leur dimension radiale. L'effet Coandà est le résultat de l'attraction d'un flux de gaz par une 20 surface de Coandà. Le flux de gaz suit la surface de Coandà et subit une déviation avant de s'en détacher avec une trajectoire différente de celle qu'il avait en amont. La présente invention propose d'utiliser cet effet pour atteindre l'objectif précité. L'invention propose à cet effet une hélice de turbomachine, 25 comportant un moyeu et une rangée annulaire de pales s'étendant sensiblement radialement autour dudit moyeu, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de prélèvement de gaz ambiant en fonctionnement, et en ce qu'au moins certaines des pales comprennent des cavités internes de circulation dudit gaz prélevé, ainsi que des moyens d'éjection dudit gaz 30 prélevé sur desdites certaines surfaces de Coandà des pales. 3036144 3 L'invention consiste notamment à utiliser la technique d'ingestion de gaz ambiant dans une hélice de turbomachine afin d'énergiser la couche limite de l'hélice en insufflant du gaz sur les pales. Ceci produit une accélération du gaz s'écoulant autour des pales par effet Coandà et permet 5 la formation d'une couche limite sur les pales plus résistante au décollement, notamment lors de fortes incidences de l'aéronef. L'hélice selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : 10 - le moyeu comprend lesdits moyens de prélèvement, - lesdits moyens de prélèvement comprennent au moins un orifice de prélèvement, situé par exemple sur un axe de rotation de l'hélice ou dans le prolongement de cet axe, - ledit moyeu comprend une chambre interne de liaison fluidique des 15 moyens de prélèvement auxdites cavités internes des pales, - un organe, tel qu'une turbine centrifuge ou un convergent, est monté dans ladite chambre afin d'entraîner le gaz prélevé radialement vers les cavités internes des pales, - lesdits moyens d'éjection sont configurés pour éjecter du gaz sur des 20 surfaces de Coandà des extrados des pales ; en fonctionnement et de façon connue, une dépression a lieu sur l'extrados d'une pale ; l'accélération de gaz sur l'extrados d'une pale se traduit par une meilleure stabilité de la couche limite qui n'a ainsi pas tendance à se décoller de la pale, 25 - lesdits moyens d'éjection comprennent des fentes d'éjection en communication fluidique avec lesdites cavités internes des pales, - chacune desdites cavités a en section une forme allongée sensiblement le long d'une corde reliant un bord d'attaque à un bord de fuite de la pale correspondante, 30 - la forme en section de chaque cavité est assimilable au profil en section d'une pale et comprend une première portion périphérique assimilable à un 3036144 4 intrados dudit profil et située du côté de l'extrados de la pale correspondante, et une deuxième portion périphérique assimilable à un extrados dudit profil et située du côté de l'intrados de ladite pale correspondante ; la conduite a ainsi en section un profil « inversé » par 5 rapport à celui de la pale, ce qui permet d'améliorer les performances de l'effet de Coandà, - lesdites première et deuxième portions périphériques sont reliées ensemble par une troisième portion périphérique incurvée qui est située du côté du bord d'attaque de ladite pale correspondante, et qui est configurée 10 pour la mise en rotation du gaz prélevé avant son éjection par lesdits moyens d'éjection, et - les moyens de prélèvement et/ou lesdits moyens d'éjection comprennent au moins une vanne de régulation du débit de gaz prélevé/éjecté ; la vanne peut être configurée pour activer ou stopper le prélèvement moteur selon 15 les besoins en vol. La présente invention concerne également une turbomachine, telle qu'un turbopropulseur, comportant au moins une hélice telle que décrite précédemment, qui est de préférence non carénée. DESCRIPTION DES FIGURES 20 L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 comprend des schémas représentant l'écoulement d'un flux 25 d'air autour d'une pale d'hélice, en fonction de l'incidence du flux d'air vis-à- vis la pale ; - la figure 2 est une vue très schématique en coupe axiale d'une hélice de turbomachine du type turbopropulseur ; et - la figure 3 est une vue schématique en coupe et en perspective d'une 30 pale de l'hélice de la figure 2. DESCRIPTION DETAILLEE 3036144 5 La figure 1 a été décrite dans ce qui précède. La figure 2 montre une hélice 20 de turbomachine, et en particulier de turbopropulseur, conforme à l'invention, cette hélice 20 comportant un moyeu central 22 aligné sur un axe A de rotation de l'hélice, et portant une 5 rangée annulaire de pales 24, qui s'étendent sensiblement radialement par rapport à l'axe A à la périphérie du moyeu. Les pales 24 et le moyeu 22 forment un ensemble monobloc mobile en rotation autour de l'axe A. Comme cela est représenté sur la figure, cette hélice est en général montée à l'extrémité amont d'un arbre de la 10 turbomachine. Classiquement, une turbomachine comprend, d'amont en aval, dans le sens d'écoulement des gaz, au moins un compresseur, une chambre annulaire de combustion, et au moins une turbine qui comprend un arbre 39 d'entraînement de l'hélice. Une partie du flux d'air 24 qui passe à travers 15 l'hélice alimente le compresseur pour être comprimé, mélangé à du carburant et brûlé dans la chambre de combustion, puis détendu dans la turbine. L'autre partie du flux d'air qui est comprimée et accélérée par l'hélice et qui s'écoule autour de la nacelle de la turbomachine fournit ici la majeure partie de la poussée de la turbomachine. 20 La figure 2 représente de manière très schématique le principe général de l'invention selon lequel l'hélice 20 comprend des moyens 26 de prélèvement de gaz ambiant en fonctionnement, et au moins certaines des pales 24 de l'hélice comprennent des cavités internes 30 de circulation dudit gaz prélevé ainsi que des moyens d'éjection dudit gaz prélevé sur des 25 surfaces de Coandà des pales. Dans l'exemple représenté, le moyeu 22 comprend un orifice central 26, centré sur l'axe A, de prélèvement de gaz, cet orifice 26 débouchant dans une chambre interne 28 du moyeu qui est en communication fluidique avec les cavités internes 30 des pales. 30 Comme cela est visible sur les figures, le gaz prélevé, tel que de l'air, pénètre dans l'orifice 26 puis est acheminé depuis la chambre 28 3036144 6 radialement vers l'extérieur (par rapport à l'axe A) dans les cavités 30 des pales. Pour cela, une turbine centrifuge 32 centrée sur l'axe A est montée dans la chambre 28 et est solidaire en rotation de l'hélice. La turbine centrifuge 32 peut être fixée, avec l'hélice 20, à l'extrémité amont de l'arbre 5 39 d'entraînement de l'hélice. En variante, cette turbine 32 pourrait être remplacée par un simple convergent comprenant par exemple une surface conique centrée sur l'axe A et dont la pointe serait orientée vers l'amont, et forçant ainsi le gaz prélevé en amont à s'écouler radialement vers l'extérieur du convergent, vers les cavités internes 30 des pales. La turbine 10 32 ou le convergent permet d'accélérer le gaz prélevé en le déviant radialement vers l'extérieur. Les moyens de prélèvement peuvent comprendre une vanne de régulation du débit de gaz prélevé, montée par exemple au niveau de l'orifice 26. 15 Chaque pale a en section une forme aérodynamique (figure 4) et comprend un extrados 40 et un intrados 42 qui sont reliés entre eux, à l'amont, par un bord 44 d'attaque de gaz, et à l'aval, par un bord 46 de fuite de gaz. De façon connue, l'extrados 40 a un profil plus marqué (incurvé) que celui de l'intrados 42. En vol, une dépression a lieu sur l'extrados 40, la 20 pression de l'écoulement étant inférieure à la pression statique, et une surpression a lieu sur l'intrados 42, la pression de l'écoulement étant supérieure à la pression statique. Chacune des pales 24 de l'hélice 20 peut être creuse et comprendre une cavité interne 30 de circulation de gaz prélevé. 25 La cavité 30 de chaque pale a en section une forme allongée sensiblement le long d'une corde reliant le bord d'attaque 44 au bord de fuite 46 de la pale. Comme cela est visible en figure 4, la forme en section de la cavité est assimilable au profil en section d'une aile ou pale. Cependant, cette forme ou ce profil est ici avantageusement inversé par 30 rapport à celui de la pale 24. 3036144 7 Ainsi, la cavité 30 comprend une première portion périphérique (délimitée par une paroi 62) assimilable à un intrados d'un profil de pale et située du côté de l'extrados 40 de la pale, et une deuxième portion périphérique (délimitée par une cloison 64) assimilable à un extrados du 5 profil de pale et située du côté de l'intrados 42 de la pale. Dans l'exemple représenté, la paroi 62 définit à la fois l'extrados 40 de la pale par sa face supérieure et la première portion périphérique précitée de la cavité 30 par sa face inférieure. La cloison 64 définissant, par sa face supérieure, la deuxième portion périphérique de la cavité 30, est par contre indépendante 10 de la paroi de la pale définissant son intrados 42. La paroi 62 et la cloison 64 sont reliées directement à leurs extrémité aval pour former une extrémité de cavité 30 en pointe, leurs extrémités amont étant reliées ensemble par un élément de cloison 66 incurvé dont la concavité est orientée vers l'aval. Cet élément de cloison 66 est écarté de la paroi de la 15 pale formant le bord d'attaque 44. La cloison 64 et l'élément de cloison 66 peuvent être configurés pour rigidifier la pale. L'élément de cloison 66 est de préférence configuré pour la mise en rotation du gaz prélevé avant son éjection par lesdits moyens d'éjection 36. Ces moyens d'éjection comprennent ici une fente longitudinale 36 20 qui s'étend sur sensiblement toute la longueur de chaque pale. La fente 36 est ici située sur l'extrados 40 de la pale et communique avec la cavité 30 de cette pale. Elle est globalement située entre la paroi 62 et l'élément de cloison 66. Avantageusement, la fente ou sortie de chaque pale est située au-delà de la corde de la pale, au niveau d'un point de 25 rebroussement. On peut imaginer une vanne ou un volet (dispositif mécanique commandé en fonction de la phase de vol ou de l'incidence de l'avion) qui modifie la position de la sortie de la cavité à effet Coandà. La fente 36 est définie en amont, par rapport au flux d'air incident sur l'hélice, par une lèvre annulaire d'échappement 68 et en aval par une surface 70 de 30 Coandà. Par effet Coandà, le flux de gaz éjecté par la fente 36 sur la surface 70 va s'écouler le long de la surface de Coandà 38 et à proximité 3036144 8 de celle-ci. Le flux de gaz éjecté rase le profil, le suit et produit une dépression de surface (signe négatif en figure 4) aux vertus accélérantes. Cela produit des dépressions environnantes en chaînes, qui favorisent l'entraînement et l'accélération du gaz incident au voisinage de l'extrados 5 de la pale. La dépression relative de gaz sur l'extrados est réduite et plus homogène que dans la technique antérieure. Les flèches de la figure 2 montrent du gaz pénétrant dans l'orifice 26 du moyeu. Le gaz prélevé circule dans la chambre 28 puis est entraîné par la turbine 32 radialement vers l'extérieur pour alimenter les cavités 30 des 10 pales 24. Le gaz est mis en rotation dans les cavités 30 avant d'être éjecté sur les surfaces de Coandà 38 des pales par l'intermédiaire des fentes 36. Les portions de flux de gaz sont rétrécies à leur entrée dans les fentes 36 ainsi qu'à leur sortie des fentes. Ces étranglements créent des surpressions des flux de gaz éjectés sur les surfaces de Coandà. Ces 15 éjections créent des zones de basse pression en sortie des fentes, ce qui entraîne un effet d'aspiration de l'air du gaz incident. Le gaz éjecté se mélange au gaz incident et est guidé par les surfaces de Coandà. La combinaison de l'entraînement et de l'accélération du gaz incident entraîne une vitesse importante du gaz qui traverse l'hélice, ce qui permet de limiter 20 les décollements et décrochages des couches limites sur les pales en fonctionnement. L'invention décrite ci-dessus est applicable à d'autres types de turbomachine et par exemple à une hélice de soufflante d'un turboréacteur. 25 REVENDICATIONS1. Hélice (20) de turbomachine, comportant un moyeu (22) et une rangée annulaire de pales (24) s'étendant sensiblement radialement autour dudit moyeu, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (26) de prélèvement de gaz ambiant en fonctionnement, et en ce qu'au moins certaines des pales comprennent des cavités internes (30) de circulation dudit gaz prélevé, ainsi que des moyens (36) d'éjection dudit gaz prélevé sur des surfaces de Coandà (38) desdites certaines pales. 2. Hélice (20) selon la revendication 1, dans laquelle le moyeu (22) comprend lesdits moyens de prélèvement (26). 3. Hélice (20) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle lesdits moyens de prélèvement comprennent au moins un orifice de prélèvement (26), situé par exemple sur un axe (A) de rotation de l'hélice ou dans le prolongement de cet axe. 4. Hélice (20) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ledit moyeu (22) comprend une chambre interne (28) de liaison fluidique des moyens de prélèvement (26) auxdites cavités internes (30) des pales (24). 5. Hélice (20) selon la revendication 4, dans laquelle un organe, tel qu'une turbine centrifuge (32) ou un convergent, est monté dans ladite chambre (28) afin d'entraîner le gaz prélevé radialement vers l'extérieur. 6. Hélice (20) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle lesdits moyens d'éjection (36) sont configurés pour éjecter du gaz sur des surfaces de Coandà (38) des extrados (40) des pales (24). 7. Hélice (20) selon la revendication 6, dans laquelle lesdits moyens d'éjection comprennent des fentes d'éjection (36) en communication fluidique avec lesdites cavités (30). 8. Hélice (20) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle chacune desdites cavités (30) a en section une forme allongée sensiblement le long d'une corde reliant un bord d'attaque (44) à un bord de fuite (46) de la pale (24) correspondante. 3036 144 10 9. Hélice (20) selon la revendication 8, dans laquelle la forme en section de chaque cavité (30) est assimilable au profil en section d'une pale et comprend une première portion périphérique assimilable à un intrados dudit profil et située du côté de l'extrados (40) de la pale 5 correspondante, et une deuxième portion périphérique assimilable à un extrados dudit profil et située du côté de l'intrados (42) de ladite pale correspondante. 10. Hélice (20) selon la revendication 9, dans lequel lesdites première et deuxième portions périphériques sont reliées ensemble par une troisième 10 portion périphérique incurvée qui est située du côté du bord d'attaque (44) de ladite pale (24), et qui est configurée pour la mise en rotation du gaz prélevé avant son éjection par lesdits moyens d'éjection (36). 11. Hélice (20) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de prélèvement (26) et/ou lesdits moyens d'éjection (36) 15 comprennent au moins une vanne de régulation du débit de gaz prélevé/éjecté. 12. Turbomachine, telle qu'un turbopropulseur, comportant au moins une hélice (20) selon l'une des revendications précédentes, qui est de préférence non carénée. 20