Brevet FR3044357A1 — publié le 20170602

Turbomachine comprenant un piège de corps étrangers circulant dans un flux d'air La présente invention concerne une turbomachine de type « open rotor » ou turbopropulseur et plus particulièrement un piège de corps étrangers pour une telle turbomachine. Les turbomachines, et particulièrement les turbomachines d'aéronefs comportent un circuit principal d'air permettant de guider l'air, capté par une entrée d'air, au travers d'un générateur de gaz afin de 10 générer la poussée nécessaire au déplacement de l'aéronef. L'air qui entre dans les turbomachines peut comporter des corps étrangers, ci-après dénommés FOD, acronyme de l'expression Anglaise « Foreign Object Damage », c'est-à-dire des objets pouvant présenter un risque d'endommagement des éléments internes de la turbomachine. 15 Parmi ces objets on peut notamment citer le sable, les oiseaux de petite taille ou encore l'eau qui avec l'altitude se transforme rapidement en glace. Pour prévenir ces risques, il est nécessaire de limiter l'entrée des FOD dans le générateur de gaz ou au moins de réduire leur vitesse, et 20 donc les effets des chocs lorsque les FOD heurtent des éléments internes à la turbomachine. A cet effet, la demande de brevet internationale WO 2012/045373 au nom de la demanderesse décrit, comme illustré sur la figure 1, une turbomachine 10 comprenant une nacelle 12 définissant une 25 entrée 14 d'air, un moyeu 16 central et une veine 18 annulaire d'admission d'air entourant le moyeu 16 central et débouchant dans une veine 20 principale d'alimentation en air d'un générateur de gaz (non représenté). En outre, cette machine comprend un canal 22 d'éjection des FOD qui rejette les FOD hors de la nacelle 12, ce canal 22 d'éjection étant relié à la veine 30 18 d'admission d'air au droit de la jonction entre la veine 18 d'admission d'air et la veine 20 principale d'alimentation en air. On a représenté, sur 304 4 3 5 7 2 cette figure, un axe DD de symétrie de la turbomachine 10, cet axe état confondu avec la direction d'écoulement du flux d'air de l'amont, c'est-à-dire l'entrée 14 d'air, vers l'aval de la turbomachine 10. Bien que cette machine permette d'éjecter les FOD hors de la 5 nacelle, elle admet une ingestion importante de FOD dans la veine 20 principale d'alimentation en air et reste, de ce fait, perfectible. En effet, l'ingestion trop importante de FOD dans la veine 20 peut, à terme, rendre la machine dangereuse voire inutilisable. De plus, pour évacuer les FOD hors de la turbomachine 10, il est typiquement nécessaire de créer un conduit annulaire traversant la nacelle de la turbomachine 10 et débouchant à l'extérieur de la nacelle 10. La nacelle ayant un rôle structurel important pour la turbomachine 10, il est alors nécessaire de renforcer structure de la turbomachine 10 au détriment du poids mais également, et surtout, au détriment de la simplicité architecturale de la turbomachine 10. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ces problèmes techniques et notamment de simplifier l'architecture de la turbomachine. A cet effet, elle propose une turbomachine pour aéronef comportant au moins une hélice non carénée et comprenant une nacelle définissant une entrée d'air, un moyeu central positionné en aval de l'entrée d'air et une veine d'admission d'air entourant le moyeu central et débouchant dans une veine principale d'alimentation en air d'un générateur de gaz, le moyeu comprenant un piège central ayant une ouverture pour piéger les corps étrangers circulant dans un flux d'air entrant dans la turbomachine, la veine d'admission d'air étant complètement annulaire autour de l'ouverture du piège central. Un tel piège permet de dissocier les FOD du flux d'air réellement utilisable par la turbomachine de sorte à prévenir son endommagement par les FOD. Ainsi, le flux d'air est dirigé dans la veine annulaire d'admission d'air et les FOD, par leur inertie, se dirigent vers le piège. 3044357 3 Selon un aspect de l'invention, l'entrée d'air présente un diamètre interne ayant un premier extremum, le moyeu présente un diamètre externe ayant un deuxième extremum et la veine principale présente un diamètre externe ayant un troisième extremum, ces diamètres 5 étant choisis de sorte que le deuxième extremum soit hors d'un parallélogramme formé par le premier extremum, le troisième extremum et un axe de symétrie de la machine, dans un plan radial audit axe de symétrie. Ainsi, lorsque des FOD entrent dans la veine annulaire 10 d'admission d'air, ils rebondissent contre les parois de la veine annulaire, c'est-à-dire contre la nacelle et le moyeu central de sorte à perdre de leur vitesse et de leur énergie avant d'entrer dans la veine principale d'alimentation en air et, ainsi, être moins dangereux pour les éléments internes à la turbomachine. 15 Avantageusement, le piège comprend un logement dans lequel sont retenus les corps étrangers. Ainsi, il est possible de récupérer les corps étrangers, par l'avant de la nacelle, sans que cela n'impacte ni la veine d'air, ni la structure de la nacelle. Selon un mode de réalisation, le piège comprend au moins une 20 voie tubulaire de récupération d'air incluant un filtre permettant de filtrer les corps étrangers de l'air récupéré. L'air récupéré peut alors être réinjecté dans le flux d'air alimentant le générateur de gaz afin de limiter les pertes de rendement de la turbomachine. Préférentiellement, le piège comprend deux voies tubulaires de 25 récupération d'air, chacune incluant un filtre et étant diamétralement opposées l'une à l'autre de sorte à limiter la distorsion circonférentielle de pression à l'entrée du générateur de gaz. Selon un autre mode de réalisation, le piège comprend une voie annulaire de récupération d'air comportant un filtre annulaire permettant de 30 filtrer les corps étrangers de l'air récupéré. Une telle voie annulaire de récupération assure un meilleur écoulement de l'air de sorte à éviter les 3044357 4 distorsions de pression dans la veine principale d'alimentation en air du générateur de gaz. Avantageusement, la ou chaque voie de récupération d'air débouche dans la veine principale d'alimentation en air. 5 De préférence, le ou chaque filtre d'une ou de chaque voie de récupération est situé à l'entrée de la voie de récupération, sensiblement dans la continuité d'une paroi interne de fond du piège, de sorte à filtrer l'air circulant depuis le piège vers la veine principale d'alimentation en air. Selon un mode de réalisation différent, le piège comprend un 10 canal d'évacuation des corps étrangers, ce canal traversant la veine annulaire d'admission d'air pour déboucher en dehors de la nacelle. Ce canal d'évacuation permet de rejeter directement les corps étrangers hors de la turbomachine et ainsi de se passer des interventions périodiques nécessaires à l'évacuation des FOD selon les modes de réalisation 15 précédents. Selon un aspect, le canal d'évacuation comprend un carénage aérodynamique autour de sa portion traversant la veine annulaire d'admission d'air de sorte à limiter les pertes de charges dans le flux d'air circulant dans la veine annulaire d'admission d'air. 20 Dans une réalisation le canal d'évacuation présente un diamètre compris entre 3 cm et 10 cm, de sorte à favoriser l'évacuation des FOD et éviter, ainsi, l'obturation du canal. L'invention sera, si nécessaire, mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention pourront apparaître à la 25 lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une demi-coupe schématique d'une turbomachine selon l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe longitudinale 30 suivant l'axe DD, d'une turbomachine selon l'invention ; 3044357 5 - la figure 3 est une même vue schématique en coupe d'une de la turbomachine de la figure 2 selon une première variante de réalisation ; - la figure 4 est une même vue schématique en coupe d'une de la turbomachine de la figure 2 selon une deuxième variante de réalisation ; 5 - la figure 5 est une même vue schématique en coupe d'une de la turbomachine de la figure 2 selon un aménagement particulier de la deuxième variante de réalisation ; - la figure 6 est une même vue schématique en coupe d'une de la turbomachine de la figure 2 selon une troisième variante de réalisation ; 10 - la figure 7 est une même vue schématique en coupe d'une de la turbomachine de la figure 2 selon une quatrième variante de réalisation, et - la figure 8 est une même vue schématique arrière de la turbomachine de la figure 7. 15 On a représenté sur la figure 2, une turbomachine 24 d'un aéronef, selon l'invention. Cette turbomachine 24 comprend une nacelle 26 définissant une entrée 28 d'air, un moyeu 30 central et une veine 32 annulaire d'admission d'air entourant le moyeu 30 central et débouchant dans une veine 34 principale d'alimentation en air qui alimente un 20 générateur de gaz non représenté. Comme on le voit sur la figure 2, le moyeu 30 central est pourvu d'un piège 36, en l'espèce un évidement formant une ouverture 38 du moyeu 30 central, qui permet de recevoir les corps étrangers ou FOD. Ces FOD peuvent présenter un risque d'endommagement de la 25 turbomachine 24 lorsqu'à pleine vitesse ils viennent impacter des éléments internes tels que les aubes de compresseur par exemple. Sur la figure 2, la trajectoire suivie par les FOD est représentée par la flèche 40 centrale et la trajectoire suivie par l'air pour alimenter le générateur de gaz est représentée par les flèches 42 externes. 304 4 3 5 7 6 Toutefois, certains FOD arrivant selon une trajectoire non rectiligne ou selon un angle particulier peuvent entrer directement dans la veine 32 annulaire d'admission d'air. Pour pallier à cette éventualité et empêcher que les FOD n'aient une 5 vitesse trop importante lors de leur impact avec les éléments mobiles ou fragiles, il est nécessaire de faire rebondir les FOD dans le but de les ralentir. A cet effet, l'entrée 28 d'air présente un diamètre dl interne ayant un premier extremum A, le moyeu 30 central présente un diamètre d2 externe 10 ayant un deuxième extremum B et la veine 34 principale présente un diamètre d3 externe ayant un troisième extremum C. Avantageusement, les diamètres (dl, d2, d3) respectifs de l'entrée 28 d'air, du moyeu 30 central et de la veine 34 principale sont choisis de sorte que le deuxième extremum B soit hors d'un parallélogramme formé 15 par le premier extremum A, le troisième extremum C et un axe DD de symétrie de la machine 24, dans un plan radial à l'axe DD, comme cela est représenté sur la figure 2. Avantageusement, le plan radial est un plan vertical lorsque la machine 24 est montée sur un avion. Ainsi, les FOD qui entreront directement dans la veine 32 annulaire 20 d'admission d'air iront rebondir au moins contre les parois de ladite veine 32 puis contre le moyeu 30 central ou inversement, d'abord contre le moyeu 30 central puis contre la veine 32, ces rebonds ayant pour effet de ralentir les FOD et de leur faire perdre de l'énergie, ce qui les rend moins dangereux pour les éléments internes de la turbo machine 24. 25 Les rebonds des FOD sont représentés sur la figure 3 par des lignes discontinues. Ces trajectoires sont représentées à titre d'exemple et ne sont aucunement limitatives des trajectoires possibles pour les FOD. De même, certaines FOD peuvent rebondir plusieurs fois contre les parois de la veine 32 annulaire et contre le moyeu 30 central comme cela est illustré 30 en figure 3. 304 4 3 5 7 7 La figure 3 met en lumière une première variante de réalisation du piège 36 de la turbomachine 24. Dans cette première variante, le piège 36 comprend une paroi 44 interne de fond close qui forme un logement 46. Les FOD sont alors 5 emprisonnés dans ce logement 46 lorsque la turbomachine 24 est en utilisation. A intervalle réguliers ou lors de chaque arrêt de la turbomachine 24, un technicien d'entretien peut alors, à l'aide d'un outil, vider le logement 46 des FOD prisonniers. Selon une deuxième variante de réalisation représentée sur la figure 10 4, la paroi 44 interne de fond est pourvue d'au moins une ouverture formant au moins une voie 48 tubulaire de récupération d'air par laquelle une partie de l'air accompagnant les FOD dans le piège 36, peut être réutilisée et injectée dans la veine 34 principale d'alimentation en air. La paroi 44 interne de fond comprend alors au moins un filtre 50, de préférence une 15 grille ou un tamis, permettant de retenir les FOD dans le logement 46 et de laisser circuler l'air depuis le piège 36 vers la veine 34 principale d'alimentation en air. Préférentiellement, comme cela est représenté sur la figure 5, la paroi 44 interne de fond est pourvue de deux ouvertures formant deux 20 voies 48 tubulaires de récupération de l'air. Les deux voies 48 de récupération sont diamétralement opposées l'une à l'autre de sorte à limiter la distorsion circonférentielle de pression générée par la récupération partielle de l'air piégé et sa réinjection dans la veine 34 principale d'alimentation en air, cette distorsion étant particulièrement importante 25 lorsque la turbomachine 24 est pourvue d'une unique voie 48 tubulaire de récupération d'air. La paroi 44 interne de fond comprend alors, pour chaque voie 48 tubulaire de récupération, un filtre 50, de préférence une grille ou un tamis, permettant de retenir les FOD dans le logement 46 et de laisser circuler l'air depuis le logement 46 vers la veine 34 principale d'alimentation 30 en air. La paroi 44 interne de fond pourrait comprendre un nombre 304 4 3 5 7 8 supérieur de voies 48 tubulaires, de préférence un nombre paire de sorte à limiter la distorsion circonférentielle de pression. De même que pour la première variante, à intervalles réguliers ou lors de chaque arrêt de la turbomachine 24, un technicien d'entretien peut, 5 à l'aide d'un outil, vider le logement 46 des FOD prisonniers et nettoyer le filtre 50 des FOD coincés. Selon une troisième variante de réalisation représentée sur la figure 6, la paroi 44 interne de fond est pourvue d'une ouverture annulaire formant une voie 48' annulaire de récupération de l'air par laquelle une partie de 10 l'air accompagnant les FOD dans le piège 36, peut être réutilisée et injectée dans la veine 34 principale d'alimentation en air. La paroi 44 interne de fond comprend alors un filtre 50' annulaire, de préférence une grille ou un tamis, permettant de retenir les FOD dans le logement 46 et de laisser circuler l'air depuis le piège 36 vers la veine 34 principale 15 d'alimentation en air. Avantageusement, chaque filtre 50, 50' est positionné à l'entrée de la voie 48, 48' de récupération, sensiblement dans le prolongement de la paroi 44 interne de fond. Selon un quatrième mode de réalisation représenté sur la figure 7, le 20 piège 36 comprend un canal 52 d'évacuation pour permettre l'évacuation des FOD hors de la turbomachine 24. Avantageusement, le canal 52 d'évacuation forme un entonnoir dont la plus grande portion est située dans le piège 36, à la jonction avec la paroi 44 interne de fond et la portion la plus étroite présente un diamètre 25 compris entre 3 cm et 10 cm, et, de préférence un diamètre égal à 5 cm. Préférentiellement, le canal 52 d'évacuation s'ouvre sur la paroi externe de la nacelle Sur la nacelle 26, les flux d'air n'entrant pas dans la machine 24, créent, au droit du canal 52 d'évacuation, une zone 54 de dépression qui aspire les FOD hors du piège 36 et permet de vider en 30 continu le piège 36. 3044357 9 Comme on le voit sur la figure 7, le canal 52 d'évacuation, pour assurer l'éjection des FOD hors de la turbomachine 24, traverse la veine 32 annulaire d'admission d'air et débouche à l'extérieur de la nacelle 26. Afin de limiter les turbulences dans le flux d'air circulant dans la 5 veine 32 annulaire d'admission d'air, le canal 52 d'évacuation comprend un carénage 56 autour de sa portion traversant la veine 32 annulaire d'admission d'air. Comme on le voit sur la figure 8, le carénage 56 a un profil d'aile dont le bord de fuite est dirigé vers la veine 34 principale d'alimentation en air du générateur de gaz. 10 Ainsi, les perturbations et la perte de charge du flux d'air sont limitées ce qui ne nuit pas ou peu au rendement de la turbomachine 24. La turbomachine 24 pour aéronefs qui vient d'être présentée présente de nombreux avantages parmi lesquels : - une augmentation de la durée de vie de la turbomachine 24 15 ainsi qu'une réduction de la fréquence de maintenance des éléments internes de la turbomachine 24 ; - une augmentation du rendement de la turbomachine 24 ; - une réduction de la masse et de l'encombrement de l'entrée 28 d'air, et 20 - une simplification de l'architecture de la turbomachine 24. L'augmentation de la durée de vie de la turbomachine 24 est réalisée par l'ajout du piège 36 dans le moyeu 30 central. En effet la majorité des FOD sont piégés dans le piège 36 du moyeu 30 central. La quantité de FOD qui parvient à entrer directement dans la veine 32 25 annulaire d'admission d'air perd de son énergie et de sa vitesse lors des différents rebonds ce qui a pour effet de limiter les impacts dommageables sur les éléments internes de la turbomachine 24. De ce fait, la maintenance peut être réduite puisque les éléments internes sont moins endommagés. Il en résulte alors une économie dans 30 l'exploitation de la turbomachine 24. 3044357 10 Le rendement de la turbomachine 24 est amélioré par la récupération au moins partielle de l'air piégé avec les FOD. L'air ainsi récupéré peut alors être réinjecté dans la veine 34 principale d'alimentation en air pour fournir au générateur de gaz un débit d'air plus important. 5 La réduction de la masse de la turbomachine 24 est obtenue par l'utilisation d'une portion du moyeu 30 central qui n'était pas utilisée dans l'art antérieur. Ainsi, une quantité de matière inférieure est nécessaire pour la fabrication du moyeu 30 central, tout en assurant au moyeu 30 central une bonne rigidité. 10 Ce gain de masse permet, en outre, de réduire la consommation de carburant de la turbomachine 24 et ainsi de limiter l'impact environnemental de la turbomachine 24, notamment en termes de rejet dans l'atmosphère de particules polluantes. Enfin, la simplification de l'architecture de la turbomachine 24 est 15 due à l'absence de canaux externe qui traversent la nacelle 26 pour le rejet des FOD. De tels canaux réduisent alors la résistance mécanique de la nacelle 26 et augmentent la complexité de conception pour assurer une bonne rigidité de la nacelle 26 toute en limitant l'augmentation de la masse de la turbomachine 24. 20 REVENDICATIONS1. Turbomachine (24) pour un aéronef comportant au moins une hélice non carénée et comprenant une nacelle (26) définissant une entrée (28) d'air, un moyeu (30) central positionné en aval de l'entrée (28) d'air et une veine (32) d'admission d'air entourant le moyeu (30) central et débouchant dans une veine (34) principale d'alimentation en air, caractérisée en ce que le moyeu (30) comprend un piège (36) central ayant une ouverture (38) pour piéger les corps étrangers contenus dans un flux d'air entrant dans la turbomachine (24), et en ce qu'autour de l'ouverture (38) du piège (36) central, la veine (32) d'admission d'air est complètement annulaire. 2. Turbomachine (24) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'entrée (28) d'air présente un diamètre (dl) ) interne ayant un premier extremum (A), le moyeu (30) central présente un diamètre (d2) externe ayant un deuxième extremum (B) et la veine (34) principale présente un diamètre (d3) externe ayant un troisième extremum (C), ces diamètres (dl, d2, d3) étant choisis de sorte que le deuxième extremum (B) soit hors d'un parallélogramme formé par le premier extremum (A), le troisième extremum (C) et un axe (DD) de symétrie de la machine (24), dans un plan radial à l'axe (DD). 3. Turbomachine (24) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le piège (36) comprend un logement (46) dans lequel sont retenus les corps étrangers. 4. Turbomachine (24) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le piège (36) comprend au moins une voie (48) tubulaire de récupération d'air incluant un filtre (50) permettant de filtrer les corps étrangers de l'air récupéré. 5. Turbomachine (24) selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, caractérisée en ce que le piège (36) comprend deux voies (48) tubulaires de récupération d'air incluant chacune un filtre (50) 3044357 12 permettant de filtrer les corps étrangers de l'air récupéré, les deux voies (48) tubulaires de récupération étant diamétralement opposées. 6. Turbomachine (24) selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que le piège (36) comprend une voie (48') annulaire de 5 récupération d'air incluant un filtre (50') permettant de filtrer les corps étrangers de l'air récupéré. 7. Turbomachine (24) selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que la ou chaque voie (48, 48') de récupération d'air débouche dans la veine (34) principale d'alimentation en air. 10 8. Turbomachine (24) selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que le ou chaque filtre (50, 50') de la ou chaque voie (48, 48') de récupération est situé à l'entrée de la ou chaque voie (48, 48') de récupération, sensiblement dans le prolongement d'une paroi (44) interne de fond du piège (36), de sorte à filtrer l'air circulant depuis le piège 15 (36) vers la veine (34) principale d'alimentation en air. 9. Turbomachine (24) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le piège (36) comprend un canal (52) d'évacuation des corps étrangers, le canal (52) traversant la veine (32) annulaire d'admission d'air pour déboucher au-delà. 20 10. Turbomachine (24) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le canal (52) d'évacuation présente une portion traversant la veine (32) annulaire d'admission d'air qui est entourée par un carénage (56) aérodynamique, de sorte à limiter les pertes de charges dans le flux d'air traversant la veine (32) annulaire d'admission d'air. 25 11. Turbomachine (24) selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que le canal (52) d'évacuation présente un diamètre compris entre 3 cm et 10 cm.