Brevet FR3048999A1 — publié le 20170922

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne le domaine des turbomachines, et plus particulièrement les turboréacteurs à double flux présentant un taux de dilution élevé, voire très élevé. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Comme visible sur les Figs. 4 et 5 annexées, un turboréacteur 1 à double flux comprend généralement, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante 2 logée dans un carter 24 de soufflante. La soufflante 2 comporte un disque 20 de soufflante (ou rotor) pourvu d'aubes 22 à sa périphérie qui, lorsqu'elles sont mises en rotation, entraînent un flux d'air dans le turboréacteur 1. La masse d'air aspirée par la soufflante 2 est divisée en un flux primaire, qui circule dans un espace d'écoulement primaire, et en un flux secondaire, qui est concentrique avec le flux primaire et circule dans un espace d'écoulement secondaire. L'espace d'écoulement primaire traverse un corps primaire comprenant un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression 4 et un compresseur haute pression 3, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression 5 et une turbine basse pression 6, et une tuyère 7 d'échappement des gaz. Typiquement, la turbine haute pression 5 entraine en rotation le compresseur haute pression 3 par l'intermédiaire d'un premier arbre, dit arbre haute pression 5a, tandis que la turbine basse pression 6 entraine en rotation le compresseur basse pression 4 et la soufflante 2 par l'intermédiaire d'un deuxième arbre, dit arbre basse pression 6a. L'arbre basse pression 6a est généralement logé dans l'arbre haute pression 5a, lesdits arbres 5a, 6a étant fixés aux parties structurales (dont le carter d'entrée, qui comprend une roue d'aubes fixes qui soutient le carter de soufflante) du turboréacteur 1 par l'intermédiaire de paliers, typiquement en aval du bec de séparation 8 configuré pour séparer le flux primaire et le flux secondaire. 3048999 2 Lors de la rupture d'une aube 22 de soufflante 2 (« fan blade out » ou FBO, en terminologie anglosaxonne), par exemple sous l'impact d'un corps étranger, la soufflante 2 subit un balourd important. On pourra notamment se référer à la figure 1, qui illustre la réponse de la soufflante 2 à un balourd 5 résultant de la perte d'une aube 22 en fonction de la vitesse de rotation (en tours par minute) de l'arbre basse pression 6a. Le mode M' de déformation en flexion de l'arbre de soufflante 2 étant situé dans la plage de fonctionnement du turboréacteur 1, le turboréacteur risque fortement d'être endommagé. 10 On a donc proposé de placer un découpleur 9 entre la soufflante 2 et le moyeu de carter d'entrée, typiquement au niveau du bec de séparation 8, afin de permettre à la soufflante 2 de fonctionner en mode dégradé malgré la présence d'un balourd important. A cet effet, quand la charge de rupture du découpleur 9 est atteinte en raison d'une perte d'aube de soufflante, 15 l'une des liaisons palier 26 est rompue (généralement la liaison du palier 26 avant de l'arbre 2a supportant la soufflante 2), ce qui permet de changer la situation dynamique de la soufflante 2 et de faire chuter le mode de déformation en flexion de l'arbre de soufflante 2 vers les basses fréquences. Après rupture de cette liaison, le rotor 20 de la soufflante 2 peut 20 alors se recentrer autour de son nouvel axe d'inertie, ce qui induit une réduction des efforts transmis aux structures. La distance H entre les aubes 22 de soufflante 2 et le carter de la soufflante 2 doit alors être suffisamment grand (de l'ordre d'une quarantaine de millimètres) entre la tête 22a des aubes 22 de la soufflante 2 et le carter 24 de soufflante pour permettre le 25 libre orbitage du rotor 20 et éviter que les aubes 22 de soufflante 2 viennent en contact avec le carter 24 de soufflante (voir Figure 2a). Il est donc possible de réaliser des carters de soufflante 2 de masse réduite, puisque ces derniers ne doivent pas tenir les efforts de contact avec les aubes en cas de FBO. Toutefois, une telle augmentation du diamètre du carter 24 de 30 soufflante implique une augmentation de la dimension de la nacelle, ce qui a un impact négatif sur la traînée du turboréacteur 1, sur sa masse et sur sa consommation spécifique. 3048999 3 Il existe également des moteurs dépourvus de découpleur 9 dans lesquels la soufflante tourne librement lors d'une perte d'aube et n'est entrainée que par l'écoulement du flux d'air (phénomène d'autorotation, ou « windmilling » en anglais). Dans ce type de moteur, en cas de FBO, la tête 5 22a des aubes de la soufflante 2 vient en appui contre la partie en regard du carter de la soufflante 2 (en raison du balourd). La zone de contact est toutefois aménagée pour supporter les efforts de contact et les frottements (voir Figure 2b), dans la mesure où le moteur transmet davantage d'effort à la structure de l'avion. De la sorte, la soufflante peut tourner librement en 10 mode dégradé jusqu'à l'atterrissage de l'aéronef. Afin de garantir la tenue des efforts de contact avec les aubes 22 de soufflante 2 par le carter 24 de soufflante en mode dégradé, la surface externe du carter 24 de soufflante est renforcée structurellement à l'aide de renforts 28 qui comprennent généralement une bride annulaire métallique rapportée et fixée sur sa face 15 externe. Un tel renfort 28 augmente cependant de manière conséquente la masse du carter 24 de soufflante et donc du turboréacteur 1, augmentant ainsi la consommation spécifique du turboréacteur 1. Par conséquent, aucune des solutions proposées ne permet d'obtenir un turboréacteur 1 de masse réduite dont la soufflante puisse tourner 20 librement en mode dégradé en cas de rupture d'une aube 22 de soufflante (FBO). RESUME DE L'INVENTION Un objectif de l'invention est de proposer un turboréacteur à double 25 flux qui présente une masse réduite en comparaison avec les turboréacteurs à double flux conventionnels tout en étant capable de tourner en mode dégradé en cas de rupture d'une aube de soufflante. Pour cela, l'invention propose un turboréacteur à double flux 30 comprenant : - une soufflante logée dans un carter de soufflante, ladite soufflante comprenant un disque pourvu d'aubes de soufflante à sa périphérie, chaque 3048999 4 aube de soufflante comportant une tête d'aube s'étendant à distance du disque, - un espace d'écoulement primaire et un espace d'écoulement secondaire concentriques, 5 - une turbine, logée dans l'espace d'écoulement primaire et en communication fluidique avec la soufflante, et - un mécanisme de réduction, couplant la turbine et la soufflante. Le turboréacteur présente un taux de dilution supérieur ou égal à 10. Par ailleurs, une distance entre la tête des aubes de soufflante et le carter Io de soufflante est inférieure ou égale à dix millimètres. Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du turboréacteur décrit ci-dessus sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison : 15 - il présente un taux de dilution compris entre 12 et 18, - la distance entre la tête des aubes de soufflante et le carter de soufflante est inférieure ou égale à six millimètres, de préférence égale comprise entre cinq et six millimètres, - une épaisseur du carter de soufflante est inférieure ou égale à quinze 20 millimètre, de préférence inférieure ou égale à douze millimètres, par exemple inférieure ou égale à dix millimètres, - un diamètre externe de la soufflante est compris entre quatre-vingt pouces (203.2 centimètres) et cent pouces (254.0 centimètres), de préférence entre quatre-vingt pouces (203.2 centimètres) et quatre-vingt-dix 25 pouces (228.6 centimètres). Optionnellement, le diamètre de la soufflante est compris entre quatre-vingt pouces (203.2 centimètres) et quatre-vingt-dix pouces (228.6 centimètres) et une épaisseur du carter de soufflante est comprise entre neuf millimètres et douze millimètres, par exemple égale à dix millimètres, 30 - une différence d'épaisseur du carter de soufflante, entre une extrémité amont et une extrémité aval dudit carter de soufflante, est inférieure ou égale à dix millimètres, 3048999 5 - le carter de soufflante est réalisé dans un matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, ledit renfort fibreux comprenant des fibres choisies dans le groupe suivant : carbone, verre, aramide, carbure de silice et/ou céramique, et/ou ladite matrice comprenant 5 un polymère choisi dans le groupe suivant : époxyde, bismaléimide et/ou polyim ide, - le carter de soufflante présente une épaisseur comprise entre huit et vingt millimètres, de préférence entre dix et dix-huit millimètres, par exemple entre douze millimètres et quinze millimètres, 10 - le mécanisme de réduction est épicycloïdal ou planétaire et présente un rapport de réduction compris entre 2.5 et 5, et/ou - le turboréacteur comprend en outre un bec de séparation s'étendant en aval de la soufflante et configuré pour séparer l'espace d'écoulement primaire et l'espace d'écoulement secondaire, ledit turboréacteur étant 15 dépourvu de découpleur entre la soufflante et ledit bec de séparation. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au 20 regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : La figure 1 illustre le chargement (en Newton N) appliqué par le disque de la soufflante d'un turboréacteur conforme à l'art antérieur sur le palier avant de la soufflante 2 avant la rupture du découpleur en fonction du 25 régime de l'arbre basse pression 6a (en tours par minute (tr/min)), La figure 2a est une vue partielle schématique de l'avant d'un premier exemple de turboréacteur conforme à l'art antérieur, sur laquelle sont visibles notamment une soufflante, un découpleur et des parties structurales du turboréacteur, 30 La figure 2b est une vue partielle schématique de l'avant d'un deuxième exemple de turboréacteur conforme à l'art antérieur, le turboréacteur étant dépourvu de découpleur, 3048999 6 La figure 3 illustre le chargement (en Newton N) appliqué par le disque de la soufflante d'un turboréacteur conforme à un mode de réalisation de l'invention sur le palier avant de la soufflante en fonction du régime de l'arbre basse pression (en tours par minute (tr/min)), 5 La figure 4 est une vue partielle schématique de l'avant d'un exemple de réalisation d'un turboréacteur conforme à l'invention, sur laquelle sont visibles notamment une soufflante et des parties structurales du turboréacteur, et La figure 5 est une vue en coupe partielle d'un exemple de réalisation 10 d'un turboréacteur conforme à l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION Dans ce qui suit, un turboréacteur 1 va à présent être décrit en référence aux figures 3 à 5 annexées. 15 Le turboréacteur 1 comprend, de manière conventionnelle, une soufflante 2 logée dans un carter 24 de soufflante, un espace annulaire d'écoulement primaire et un espace annulaire d'écoulement secondaire. L'espace d'écoulement primaire traverse un corps primaire. Le corps primaire ayant été décrit plus haut, il ne sera pas davantage détaillé ici. 20 La soufflante 2 comprend un disque 20 de soufflante pourvu d'aubes 22 de soufflante à sa périphérie qui, lorsqu'elles sont mises en rotation, entraînent le flux d'air dans les espaces d'écoulement primaire et secondaire du turboréacteur 1. Le disque 20 de soufflante est entraîné par 25 l'arbre basse pression 6a, qui est centré sur l'axe X du turboréacteur 1 par une série de paliers et est entrainé en rotation par la turbine basse pression 6. Le carter 24 de soufflante est de forme globalement annulaire et présente une face interne, s'étendant en regard des aubes 22 de la 30 soufflante 2, et une face externe, opposée à la face interne et s'étendant en regard de la nacelle. Un matériau abradable 25 peut être fixé sur la face interne du carter 24 de soufflante, en regard des aubes 22 de soufflante. 3048999 7 Afin d'améliorer le rendement propulsif du turboréacteur 1, de réduire sa consommation spécifique ainsi que le bruit émis par la soufflante 2, le turboréacteur 1 présente un taux de dilution (« bypass ratio » en terminologie anglosaxonne, qui correspond au rapport entre le débit du flux 5 secondaire (froid) et le débit du flux primaire (chaud, qui traverse le corps primaire) élevé. Par taux de dilution élevé, on comprendra ici un taux de dilution supérieur à 10, par exemple compris entre 12 et 18. A cet effet, la soufflante 2 est découplée de la turbine basse pression 6, permettant ainsi d'optimiser indépendamment leur vitesse de rotation 10 respective. Par exemple, le découplage peut être réalisé à l'aide d'un réducteur, tel qu'un mécanisme de réduction 10 épicycloïdal (« star gear reduction mecanism » en langue anglosaxonne) ou planétaire (« planetary gear reduction mecanism » en langue anglosaxonne), placé entre l'extrémité amont (par rapport au sens d'écoulement des gaz dans le 15 turboréacteur 1) de l'arbre basse pression 6a et la soufflante 2. La soufflante 2 est alors entrainée par l'arbre basse pression 6a par l'intermédiaire du mécanisme de réduction 10 et d'un arbre supplémentaire, dit arbre de soufflante 2a, qui est fixé entre le mécanisme de réduction 10 et le disque 20 de la soufflante 2. 20 Ce découplage permet ainsi de réduire la vitesse de rotation et le rapport de pression de la soufflante 2 (« fan pressure ratio » en terminologie anglosaxonne) et d'augmenter la puissance extraite par la turbine basse pression 6. Pour calculer le taux de dilution, le débit du flux secondaire et le débit 25 du flux primaire sont mesurés lorsque le turboréacteur 1 est stationnaire dans une atmosphère standard (telle que définie par le manuel de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI), Doc 7488/3, 3e édition) et au niveau de la mer. 30 Dans une forme de réalisation, le mécanisme de réduction 10 comprend un mécanisme de réduction 10 épicycloïdal. 3048999 8 Le rapport de réduction du mécanisme de réduction 10 est de préférence compris entre 2.5 et 5. Le diamètre de la soufflante 2 peut être compris entre quatre-vingt pouces (203.2 centimètres) et cent pouces (254,0 centimètres), de 5 préférence entre quatre-vingt pouces (203.2 centimètres) et quatre-vingt-dix pouces (228.6 centimètres). Par diamètre de la soufflante 2, on comprendra ici la distance radiale entre l'axe X de révolution du turboréacteur 1 et la tête 22a des aubes 22 de soufflante. Les Demandeurs se sont aperçus que, grâce au mécanisme de réduction 10 qui permet de réduire la vitesse de rotation de la soufflante 2 (de l'ordre de 30% par rapport à la vitesse de rotation de la soufflante d'un turboréacteur équivalent dépourvu de mécanisme de réduction) et de raidir le disque 20 de la soufflante 2 (l'arbre 2a étant court et sur deux appuis 26), la distance h entre la tête 22a des aubes 22 de soufflante et le carter 24 de 15 soufflante est nettement réduit lors d'une rupture d'aube 22 de soufflante (FBO). Par conséquent, il est possible de réduire la distance h entre la tête 22a des aubes 22 de soufflante et le carter 24 de soufflante de sorte que ladite distance h soit au plus égale à dix millimètres, voire inférieure à six millimètres, par exemple de l'ordre de cinq à six millimètres. On notera 20 qu'une distance h de cinq à six millimètres entre la tête 22a des aubes 22 de soufflante et la face interne du carter 24 de soufflante correspond globalement à l'épaisseur conventionnelle du matériau abradable 25 qui est fixé sur le carter 24 de soufflante. Grâce à cette faible distance h, le diamètre externe du carter 24 de 25 soufflante est donc plus faible que dans le cas où une distance importante est laissée afin d'éviter tout contact entre les aubes 22 de soufflante et le carter 24 de soufflante, ce qui permet également de limiter les dimensions de la nacelle dans laquelle est logé le carter 24 de soufflante, et donc la traînée du turboréacteur 1. 30 Une distance h de l'ordre de cinq à six millimètres permet de garantir, pour un turboréacteur 1 à taux de dilution élevé, que les aubes 22 de soufflante ne viennent pas en contact avec le carter de soufflante 24 en cas 3048999 9 de rupture d'aube 22 (FBO). Il n'est donc plus nécessaire pour le carter 24 de soufflante de jouer un rôle de rétention des aubes 22 en cas de rupture d'aube 22 de soufflante, ce qui permet de s'affranchir des renforts habituellement fixés sur la face externe du carter 24 de soufflante (en 5 particulier les renforts 28, qui sont visibles sur la figure 2b de l'art antérieur). Ainsi, le carter 24 de soufflante peut par exemple présenter une épaisseur e inférieure ou égale à quinze millimètres dans la zone s'étendant en regard des aubes 22 de soufflante, de préférence inférieure ou égale à treize millimètres, typiquement inférieure à dix millimètres dans le cas d'un carter 10 24 de soufflante réalisé dans un matériau métallique. Par épaisseur e, on comprendra ici la dimension s'étendant entre une face inférieure du carter 24 de soufflante (sur laquelle peut être fixé un matériau abradable 25) et une face extérieure (qui s'étend en regard de la nacelle). Par exemple, pour un diamètre de soufflante 2 compris entre quatre- 15 vingt pouces (203.2 centimètres) et quatre-vingt-dix pouces (228.6 centimètres), l'épaisseur e du carter 24 de soufflante est de préférence comprise entre neuf millimètres et douze millimètres, typiquement égale à dix millimètres. Pour un diamètre de soufflante 2 compris entre quatre-vingt-dix 20 pouces (228.6 centimètres) et cent pouces (254,0 centimètres), l'épaisseur e du carter 24 de soufflante est de préférence comprise entre douze millimètres et quinze millimètres. De plus, la différence d'épaisseur e entre la face externe et la face 25 interne du carter 24 de soufflante, le long du carter 24 de soufflante (c'est-à- dire suivant l'axe X du turboréacteur 1), peut être au plus de dix millimètres. Ceci est notamment permis par l'absence des renforts 28 sur la face externe du carter 24 de soufflante. Le carter 24 de soufflante n'étant plus susceptible tenir les efforts 30 d'appui des aubes 22 de soufflante en cas de FBO, il devient également possible de réaliser le carter 24 de soufflante dans un matériau composite du type renfort fibreux renforcé par une matrice. Un tel matériau permet 3048999 10 ainsi de réduire fortement la masse du carter 24 de soufflante, et donc la masse et la consommation spécifique du turboréacteur 1. Le renfort fibreux comprend des fibres configurées pour former l'armature du matériau composite et reprendre l'essentiel des efforts mécaniques. Les fibres 5 peuvent notamment être à base de carbone, de verre, d'aramide, de carbure de silicium et/ou de céramique. La matrice quant à elle a pour principal but de transmettre les efforts mécaniques au renfort, d'assurer la protection du renfort vis-à-vis des diverses conditions environnementales et de donner la forme voulue au produit réalisé. Par exemple, la matrice peut 10 comprendre un polymère, notamment du type époxyde, bismaléimide ou polyimide. Dans ce cas, le carter 24 de soufflante peut par exemple présenter une épaisseur e inférieure ou égale à dix millimètres, lorsque la soufflante 2 présente un diamètre externe d'environ 210 centimètres. 15 Les Demandeurs ont en outre établi que, dans un turboréacteur 1 à taux de dilution élevé, le découpleur situé entre les paliers 28 et le bec de séparation 8 peut être supprimé sans nuire à la reprise des efforts résultant d'une rupture d'aube 22 de soufflante (FBO). En effet, grâce au mécanisme de réduction 10 qui permet de réduire la vitesse de rotation de la soufflante 20 2 en fonctionnement ainsi que la longueur de l'arbre 2a qui entraine directement la soufflante 2 en rotation, les modes M de déformation des paliers 26 qui supportent l'arbre 2a de la soufflante sont repoussés en dehors des plages de fonctionnement du turboréacteur 1. On pourra notamment se référer à la figure 3, qui illustre le mode de déformation en 25 flexion M de la soufflante 2 par rapport à la vitesse maximale absolue RL rencontrée par l'arbre de soufflante 2a durant tout le vol (« redline » en anglais). En particulier, le mode de déformation M en FBO étant au-delà de la redline RL, il est en dehors de la plage de fonctionnement du turboréacteur 1. Le chargement du disque 20 aubagé de soufflante transmis 30 par l'arbre de soufflante 2a aux paliers 26 de la soufflante 2 est par conséquent fortement réduit et rend ainsi optionnel la rupture de l'une des liaisons palier 26 de la soufflante 2. 3048999 11 Dans l'exemple illustré sur la figure 3, la redline RL de l'arbre de soufflante 2a est comprise entre 2000 tours par minutes et 4000 tours par minutes, typiquement autour de 3000 tours par minutes. La suppression du découpleur participe ainsi à la réduction de la 5 masse du turboréacteur 1, et permet donc d'améliorer la consommation spécifique du turboréacteur 1. 10 REVENDICATIONS1. Turboréacteur (1) à double flux comprenant : - une soufflante (2) logée dans un carter (24) de soufflante, ladite soufflante (2) comprenant un disque (20) pourvu d'aubes (22) de soufflante à sa périphérie, chaque aube (22) de soufflante comportant une tête d'aube (22a) s'étendant à distance du disque (20), - un espace d'écoulement primaire et un espace d'écoulement secondaire concentriques, - une turbine (6), logée dans l'espace d'écoulement primaire et en communication fluidique avec la soufflante (2), et - un mécanisme de réduction (10), couplant la turbine (6) et la soufflante (2), le turboréacteur (1) présentant un taux de dilution supérieur ou égal à 10 et étant caractérisé en ce qu'une distance (h) entre la tête (22a) des aubes (22) de soufflante et le carter (24) de soufflante est inférieure ou égale à dix millimètres. 2. Turboréacteur (1) selon la revendication 1, présentant un taux de zo dilution compris entre 12 et 18. 3. Turboréacteur (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la distance (h) entre la tête (22a) des aubes (22) de soufflante et le carter (24) de soufflante est inférieure ou égale à six millimètres, de 25 préférence égale comprise entre cinq et six millimètres. 4. Turboréacteur (1) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel une épaisseur (e) du carter (24) de soufflante est inférieure ou égale à quinze millimètre, de préférence inférieure ou égale à douze millimètres, par 30 exemple inférieure ou égale à dix millimètres. 3048999 13 5. Turboréacteur (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel un diamètre externe de la soufflante (2) est compris entre quatre-vingt pouces (203.2 centimètres) et cent pouces (254.0 centimètres), de préférence entre quatre-vingt pouces (203.2 centimètres) et quatre-vingt-dix 5 pouces (228.6 centimètres). 6. Turboréacteur (1) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel une différence d'épaisseur (e) du carter (24) de soufflante, entre une extrémité amont et une extrémité aval dudit carter (24) de soufflante, est inférieure ou égale à dix millimètres. 7. Turboréacteur (1) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le carter (24) de soufflante est réalisé dans un matériau composite comprenant un renfort fibreux densifié par une matrice, ledit renfort fibreux 15 comprenant des fibres choisies dans le groupe suivant : carbone, verre, aramide, carbure de silice et/ou céramique, et/ou ladite matrice comprenant un polymère choisi dans le groupe suivant : époxyde, bismaléimide et/ou polyim ide. 8. Turboréacteur (1) selon la revendication 7, dans lequel le carter (24) de soufflante présente une épaisseur comprise entre huit et vingt millimètres, de préférence entre dix et dix-huit millimètres, par exemple entre douze millimètres et quinze millimètres. 9. Turboréacteur (1) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le mécanisme de réduction (10) est épicycloïdal ou planétaire et présente un rapport de réduction compris entre 2.5 et 5. 10. Turboréacteur (1) selon l'une des revendications 1 à 9, 30 comprenant en outre un bec de séparation (8) s'étendant en aval de la soufflante (2) et configuré pour séparer l'espace d'écoulement primaire et 3048999 14 l'espace d'écoulement secondaire, ledit turboréacteur (1) étant dépourvu de découpleur entre la soufflante (2) et ledit bec de séparation (8).