Brevet FR3041934A1 — publié le 20170407

Ensemble de propulsion d'un aéronef Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine aéronautique et vise un ensemble propulsif comportant une soufflante entraînée par une turbine alimentée en gaz moteur par un générateur de gaz. Elle vise plus particulièrement un moyen pour employer, dans un moteur à turbosoufflante, un générateur de gaz développé et utilisé dans un moteur turbopropulseur. Etat de l'art Pour des raisons économiques, le présent déposant a examiné la possibilité de réutiliser sur une architecture de type turbosoufflante un corps HP formé d'un compresseur HP d'une chambre de combustion et d'une turbine HP, et développé initialement pour être utilisé dans un turbopropulseur. L'architecture d'un système propulsif turbopropulseur dont il s'agit, est représentée de façon schématique sur la figure 1. Le moteur 1 comprend une hélice 2, un corps haute pression, HP, 3 formé d'un compresseur HP 31, d'une chambre de combustion 33 et d'une turbine HP 35 entraînant le compresseur 31. En aval, une turbine basse pression 4 est mise en rotation par les gaz issus du corps HP 3 et entraîne l'hélice 2 par un arbre 5 qui traverse le corps HP auquel il est coaxial. Ici l'arbre entraîne directement l'hélice 2 mais selon la vitesse de rotation requise pour l'hélice, un réducteur de vitesse peut être prévu entre cette dernière et l'arbre. Une façon de réaliser un moteur à turbosoufflante à partir du corps HP 3 de turbopropulseur est illustrée par la figure 2. Le moteur 6 comprend une soufflante amont 7, le corps HP 3 réutilisé et une turbine basse 3041934 2 pression, BP, 8. La turbine 8 entraîne la soufflante 7 par un arbre 9 qui traverse le corps HP 3, les deux étant coaxiaux. L'air comprimé par la soufflante 7 est séparé en deux flux: le flux primaire qui est guidé au 5 travers du corps HP puis de la turbine 8 avant d'être éjecté dans la tuyère d'éjection non représentée. Le flux secondaire, coaxial, qui est guidé dans le canal de flux secondaire et éjecté dans l'atmosphère soit directement soit après avoir été mélangé au flux 10 primaire selon la longueur de la carène du flux secondaire. Cette réalisation n'est cependant pas satisfaisante pour la raison suivante. 15 Pour que le corps HP fonctionne de manière optimale dans la nouvelle utilisation, ses caractéristiques doivent correspondre à son point de dessin, c'est-à-dire ces conditions de fonctionnement normales avec des données 20 de température, de vitesse et de pression. . En particulier il doit fonctionner à même régime réduit XNR NFlp) du compresseur HP (XNR = x /To où XNHP est le régime ', physique, la vitesse de rotation du rotor, et TO la température d'entrée du compresseur HP). 25 Dans l'hypothèse illustrée par la figure 2 où une soufflante a été placée de façon conventionnelle devant le corps HP, la température d'entrée compresseur HP correspond à la température de sortie de la soufflante 30 (T_exit_fan). Or, en raison de la compression effectuée par la soufflante, la température du flux d'air en sortie de la soufflante (T_exit_fan) est plus élevée que la température (T_amb) de celui-ci en entrée moteur, vue par le compresseur HP dans le cas d'une utilisation sur 35 un turbopropulseur. Cette augmentation de température en entrée du compresseur a tendance à accélérer le corps HP sur le point de dessin à iso XNR, conformément à la relation 40 ci-dessus, mais cela n'est pas admissible d'un point de 3041934 3 vue mécanique. Il en résulte que la disposition conventionnelle d'une soufflante devant un corps HP développé pour un turbopropulseur, rend nécessaire l'abaissement du régime réduit pour rester à régime 5 physique constant. Cela a pour conséquence de dégrader le rendement du corps HP dont la conception prévoit une admission d'air à T_amb. L'invention a pour objet d'utiliser un corps HP de 10 turbopropulseur pour des applications de type turbofan sans dégrader le rendement du compresseur HP. Exposé de l'invention 15 On parvient à l'objectif visé, conformément à l'invention par l'utilisation d'un corps de turbomachine, formé d'un compresseur, d'une chambre de combustion et d'une turbine liée audit compresseur, 20 développé initialement pour constituer le corps HP d'un moteur turbopropulseur dans lequel ledit corps HP alimente une turbine BP entraînant mécaniquement l'hélice du turbopropulseur, dans un moteur à turbosoufflante comprenant un 25 corps HP et une turbine de puissance entraînant le rotor de la soufflante, caractérisée par le fait que ledit corps de turbomachine constitue le corps HP du moteur à turbosoufflante, est alimenté en air aux conditions 30 ambiantes et qu'il forme générateur de gaz alimentant ladite turbine de puissance. En agençant le moteur à turbosoufflante de telle manière que l'entrée du corps de turbomachine soit disposée à 35 l'entrée du moteur, on permet une réutilisation du corps de turbomachine tel quel sans avoir à apporter de modification aux caractéristiques thermodynamiques de celui-ci. Le rendement est conservé en restant sur le point de dessin du compresseur. 40 3041934 4 Plus particulièrement, en déplaçant l'axe du rotor de la soufflante par rapport à celui du moteur et en le disposant de manière à ce qu'il soit déporté par rapport à l'axe de la turbine de puissance, on bénéficie d'une 5 liberté suffisante d'agencement pour que l'entrée d'air du corps de turbomachine ne soit pas dans le sillage de la soufflante. Par le terme déporté, il doit être compris que les axes ne sont pas coaxiaux. Ils peuvent être parallèles. 10 Avantageusement, l'axe du rotor de la soufflante est parallèle à l'axe de la turbine de puissance et aussi du moteur quand la turbine de puissance et le corps de turbomachine sont coaxiaux. 15 Conformément à un mode de réalisation préféré, le moteur à turbosoufflante comprenant un carter d'échappement, la transmission de mouvement de la turbine de puissance au rotor de la soufflante comprend un engrenage avec renvoi 20 d'angle logé dans le carter d'échappement. Ce mode de réalisation permet, le carter d'échappement comprenant au moins un bras radial traversant la veine de gaz, de disposer l'arbre radial du mécanisme de 25 transmission de mouvement dans ledit bras radial. On optimise ainsi le volume occupé par le mécanisme de transmission de mouvement entre la turbine de puissance et le rotor de la soufflante. 30 L'invention a également pour objet de fournir une solution intégrée permettant d'assurer le transfert du couple de l'arbre de la turbine vers le module de soufflante offrant une bonne tolérance aux désalignements de toutes natures. 35 Conformément à un mode de réalisation, le mécanisme de transmission comprend en série deux joints homocinétiques avec une liaison à glissière. 3041934 5 Le mécanisme de transmission de puissance ainsi défini permet la transmission du couple de la turbine à l'arbre de l'hélice tout en autorisant aussi bien un désalignement angulaire entre les arbres, grâce aux 5 joints homocinétique qu'un déplacement axial grâce à la liaison avec glissière. Plus particulièrement, le mécanisme de transmission est interposé entre un premier élément d'arbre, proximal, 10 entraîné par la turbine, et un second élément d'arbre, distal, d'entraînement de l'hélice. Les deux éléments, proximal et distal, d'arbre et le mécanisme de transmission de puissance sont, avantageusement, alignés et disposés radialement par rapport à l'axe de la 15 turbine. Par exemple, au moins l'un des deux joints homocinétiques est un joint de Rzeppa. Un tel joint, connu en soi, assure la transmission du couple entre son 20 arbre d'entrée et son arbre de sortie tout en admettant un désalignement angulaire entre ces derniers. Par exemple aussi, au moins un des deux joints homocinétiques est un joint de type VL coulissant. Un 25 tel joint également connu en soi admet en outre un déplacement axial entre les deux arbres, d'entrée et de sortie. De préférence le mécanisme de transmission de puissance 30 comprend un joint de Rzeppa et un joint de type VL coulissant disposés en série. L'invention porte également sur une utilisation d'un corps de turbomachine tel que défini plus haut, dans 35 laquelle un réducteur de vitesse est interposé entre la turbine de puissance et l'arbre de la soufflante. L'invention vise également un ensemble comprenant un moteur à turbosoufflante et un moteur turbopropulseur 3041934 6 caractérisé en ce que lesdits moteurs comprennent un générateur de gaz identique. Un générateur de gaz requiert un temps de conception et 5 de certification assez lent. Le fait d'avoir un générateur de gaz identique pour plusieurs moteurs permet donc d'obtenir un gain de temps pour la conception et la certification. 10 Le générateur de gaz est optimisé pour que la vitesse maximale soit celle du décollage. De manière avantageuse, la puissance du générateur de gaz est inférieure à 3500 kW. Au-delà d'une telle 15 puissance il sera difficile de mettre en oeuvre l'invention. L'installation serait complexifiée telle que par exemple, l'emploi de systèmes de retenue d'aubes complexes. 20 La vitesse de rotation du générateur de gaz peut être comprise entre 10000 et 30000 tr/min . Une telle vitesse nécessite des systèmes de retenue d'aubes complexes. 25 Selon une caractéristique de cet ensemble, le générateur de gaz est monocorps et présente un taux de compression entre l'entrée d'air et la chambre de combustion de l'ordre de 15. 30 Présentation des figures D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit de modes réalisation de l'invention, non limitatifs, en référence aux dessins 35 annexés sur lesquels La figure 1 est une représentation schématique d'une architecture de type turbopropulseur d'ensemble de propulsion d'aéronef ; 3041934 7 La figure 2 est une représentation schématique d'une architecture de type turbosoufflante d'ensemble de propulsion d'aéronef dans laquelle le corps de turbomachine du turbopropulseur serait susceptible 5 d'être utilisé mais qui ne conviendrait pas en raison des paramètres thermodynamiques non appropriés; La figure 3 est une représentation schématique d'une architecture pour une utilisation conforme à l'invention, des pignons coniques dans l'entraînement de 10 l'arbre d'une soufflante par l'arbre de la turbine selon l'architecture de la figure 1 ; La figure ibis est une représentation schématique d'une architecture pour une utilisation conforme à l'invention, des pignons coniques dans l'entraînement de 15 l'arbre d'une soufflante par l'arbre de la turbine sans carénage des soufflantes ; La figure 4 montre une représentation schématique de la transmission de puissance conforme à un autre mode de réalisation de l'invention ; 20 Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention. En se reportant à la figure 3, on voit représenté un 25 moteur 10 à turbo soufflante résultant de l'utilisation conforme à l'invention. Le corps de turbomachine 3 est le même que dans le turbopropulseur de la figure 1. Il comprend le 30 compresseur 31, la chambre de combustion 33 et la turbine 35. L'entrée du corps de turbomachine 3 correspond à l'entrée du moteur 10. Les conditions sont celles de l'ambiance. 35 En aval du corps 3, par rapport au sens de l'écoulement d'air figuré par les flèches, une turbine de puissance 11 reçoit les gaz issus de la turbine du corps 3 fonctionnant en générateur de gaz. Cette turbine de puissance comprend un arbre 111. L'axe du corps de 40 turbomachine 3 et l'arbre sont coaxiaux. Le carter 3041934 8 d'échappement 12 du moteur comprend les supports de paliers des organes tournant de la turbine de puissance et comprend également un canal par lequel les gaz issus de la turbine de puissance sont éjectés vers 5 l'extérieur. Le moteur 10 comprend également une soufflante avec un rotor de soufflante 17 à l'intérieur du carter de soufflante 171. L'arbre 173 du rotor de la soufflante 10 est déporté par rapport à l'arbre 111 de la turbine de puissance. Il est parallèle à l'arbre 111 mais les deux ne sont pas coaxiaux. Cette configuration permet d'améliorer les performances de la turbine puissance. 15 Le mouvement de rotation de l'arbre 111 est transmis à l'arbre 173 du rotor par un mécanisme de transmission de mouvement. Ce mécanisme comprend un arbre radial 18 relié à chacun des deux arbres par des engrenages avec renvoi d'angle 181 et 183 respectivement. Ceux-ci sont 20 schématisés chacun par une paire de pignons coniques engrenant l'un avec l'autre. Cette configuration permet d'alimenter le compresseur HP, tel qu'il a été développé pour un système 25 turbopropulseur, en air à température ambiante et de ce fait de conserver son rendement dans le cas d'une application de type turbosoufflante en restant sur le point de dessin du compresseur HP. 30 En utilisant ainsi le corps de turbomachine 3 du moteur turbopropulseur de la figure 1, on étend le domaine d'utilisation de celui-ci sans avoir à apporter de corrections aux paramètres thermodynamiques de celui-ci. Le bénéfice économique est important. 35 Des variantes de réalisation sont possibles. L'agencement simplifié proposé en figure 3 ne permet pas de prendre en compte les importants déplacements qui ont 40 lieu en fonctionnement entre le module de soufflante et 3041934 9 le module du générateur de gaz en raison des chargements thermiques et mécaniques de l'ensemble - Il peut y avoir des déplacements relatifs entre le générateur de gaz et le module de soufflante. 5 Des accouplements entre les arbres par des brides flexibles formant des flectors permettent de réduire le niveau des contraintes dans les dentures des pignons par des déformations localisées en cas de désalignement 10 angulaire. Cependant cette solution resterait insuffisante car elle serait limitée en amplitude et ne permettrait pas de compenser efficacement les désalignements axiaux. Des contraintes importantes dans la bride flexible en cas de désalignement et celles-ci 15 peuvent générer des problèmes de fatigue du matériau. La variante représentée sur la figure 3 bis représente également un moteur 10 à turbo soufflante résultant de l'utilisation conforme à l'invention. Les références de 20 la figure 3 sont utilisées pour décrire des pièces identiques. Dans cette variante, le moteur 10 comprend également une soufflante avec un rotor de soufflante 17 dont l'arbre est déporté par rapport à l'arbre 111 de la turbine de puissance. Ces arbres sont également 25 parallèles mais non coaxiaux. La différence de cette variante par rapport au moteur illustré sur la figure 3 réside dans le fait que le rotor de soufflante n'est pas installé à l'intérieur d'un carter de soufflante à la périphérie des aubes. Par ailleurs, le diamètre du rotor 30 de soufflante est plus important que celui illustré sur la figure 3. La variante représentée sur la figure 4 a pour objet de fournir une solution intégrée permettant d'assurer le 35 transfert du couple de l'arbre de la turbine vers le module de soufflante offrant une bonne tolérance aux désalignements de toutes natures. On retrouve la turbine 11 avec une ligne d'arbre turbine 111 solidaire d'un engrenage 181 à renvoi d'angle à 90° par le moyen de 40 pignons coniques. Un premier élément d'arbre radial 182 3041934 10 est entraîné par l'engrenage 181. Ce premier élément d'arbre 182 est relié à un second élément d'arbre radial 184 par l'intermédiaire d'un mécanisme 186 de transmission de puissance. Le second élément d'arbre 184 5 est relié à un engrenage 183 à renvoi d'angle à 90° formé de pignons coniques, qui entraîne l'arbre de soufflante déporté 173. Les éléments d'arbres radiaux 182 et 184 sont supportés 10 par des paliers supports appropriés qui ne sont pas représentés pour la clarté de la figure. Le mécanisme 186 de transmission de puissance entre les deux éléments d'arbres 182 et 184 est schématisé par 15 deux joints homocinétiques 185 et 187 de type rotule à doigt reliés par une liaison à glissière. Cette combinaison permet de rattraper les déplacements angulaires entre les deux éléments d'arbres 182 et 184 et aussi les déplacements axiaux et radiaux entre eux, 20 qui sont susceptibles de survenir en fonctionnement de l'ensemble propulsif en raison des chargements thermiques et mécaniques. Par exemple, le premier joint homocinétique 185 est un 25 joint Rzeppa connu en soi. Brièvement, il comprend un axe d'entraînement et un axe entraîné ; un bol est solidaire de l'axe d'entraînement et une noix est solidaire de l'axe entraîné. Entre les deux sont disposées des billes retenues dans une cage. 30 L'agencement entre ces éléments est réalisé de façon à permettre un entraînement de l'axe entraîné à la même vitesse de rotation que l'axe d'entraînement tout en admettant un désalignement angulaire entre eux. 35 Par exemple également, le second joint homocinétique 187 est un joint VL coulissant connu en soi. Il comprend un axe d'entraînement et un axe entraîné ; des billes retenues dans une cage sont mobiles a l'intérieur de gorges croisées, respectivement extérieures sur un des 40 deux axes et intérieures sur l'autre axe. Les gorges 3041934 11 permettent un déplacement axial des deux axes entre eux, tout en assurant la transmission de couple. Le second joint peut aussi être un joint de Rzeppa, la 5 liaison entre les deux joints étant alors coulissante, par exemple par le moyen de cannelures glissantes. La liaison à glissière peut aussi être disposée d'un côté ou de l'autre de l'ensemble des deux joints homocinétiques. 10 Le mécanisme de transmission peut entraîner directement l'arbre de la soufflante ou bien ainsi que cela est représenté sur la figure 4, comprendre un réducteur de vitesse 15 L'élément d'arbre radial 184 est relié par le renvoi d'angle 183 à un élément d'arbre 19 d'entrainement de soufflante 17. 20 La soufflante 17 est entrainée par son arbre de soufflante 173 qui est lui-même entrainé par l'élément d'arbre 19 au travers d'un réducteur de vitesse 30 supporté par le module de soufflante. Le réducteur est de préférence à train épicycloïdal avec un planétaire 25 31, une couronne 35 et des satellites 33. Les satellites 33 sont supportés par un châssis fixe 34, attaché au carter de l'ensemble propulsif. Les roues formant les satellites 23 engrènent d'une part sur les dents du pignon planétaire 31 et d'autre part sur les dents de la 30 couronne 35. Le planétaire engrène avec le jeu de satellites, dont le nombre dépend de la dimension du réducteur, du rapport de réduction et du couple en entrée. 35 Ces satellites sont, selon un mode de réalisation, à dentures hélicoïdales à double chevrons. Dans ce cas il y a blocage du degré de liberté en translation sur l'axe de la soufflante entre les différents composants du réducteur. Afin de ne pas subir d'importantes 40 contraintes internes lors de la dilatation axiales de 3041934 12 l'environnement sous charge thermique, on restaure le degré de liberté en translation axiale entre chaque composant. On peut par exemple dans ce but utiliser un guidage des satellites par des paliers lisses sans butée 5 axiale et une liaison rotor de soufflante / couronne réalisée à l'aide d'une cannelure non bloquée axialement et donc glissante sur l'axe de la soufflante. Ces satellites sont selon un autre mode de réalisation à 10 dentures droites. Le degré de liberté en translation axiale est maintenu entre planétaire/satellites et satellites/couronne. Il n'est dans ce cas pas nécessaire d'utiliser des cannelures glissantes et il est possible de privilégier par exemple l'emploi de paliers à 15 rouleaux sphériques pour le guidage de satellites. L'élément d'arbre 19 est en prise, en entrée du réducteur, avec le planétaire 31 et, en sortie, l'arbre 173 de soufflante est entrainé par la couronne 35 de 20 laquelle il est solidaire. Les arbres 173 et 19, supportés par des paliers à la structure fixe de l'ensemble propulsif, sont ici coaxiaux selon la direction XX qui est parallèle et décalée par rapport à la direction de l'arbre de la turbine. 25 La partie statorique du réducteur épicycloïdal peut être le porte satellite 34 comme cela est représenté sur la figure 4 ou, selon un autre mode de réalisation non représenté la couronne, en fonction du rapport de 30 réduction à atteindre. La chaine cinématique entre la turbine et la soufflante comprend ainsi l'arbre de turbine, la transmission radiale, l'élément d'arbre 19, le réducteur de vitesse 35 30 et l'arbre de soufflante 173. Au lieu d'un réducteur plan, on réduit l'encombrement radial de cet ensemble mécanique en disposant un réducteur, dit sphérique, dans lequel les satellites ont 3041934 13 leur axe de rotation incliné par rapport à l'axe de la roue planétaire. REVENDICATIONS1. Utilisation d'un corps (3) de turbomachine, formé d'un compresseur (31), d'une chambre de combustion (33) et d'une turbine (35) liée audit compresseur, développé pour constituer le corps HP d'un moteur turbopropulseur dans lequel ledit corps HP alimente une turbine BP entraînant mécaniquement l'hélice du moteur turbopropulseur et ledit corps HP formant un générateur de gaz du moteur turbopropulseur, dans un moteur à turbosoufflante comprenant un corps HP et une turbine de puissance (11) entraînant le rotor de la soufflante (17), caractérisée par le fait que ledit corps de turbomachine (3) constitue le corps HP du moteur à turbosoufflante, est alimenté en air aux conditions ambiantes et qu'il forme un générateur de gaz alimentant ladite turbine de puissance (11), le générateur de gaz du moteur à turbosoufflante étant ainsi identique à celui du moteur turbopropulseur. 2. Utilisation selon la revendication précédente dans laquelle l'axe (173) du rotor de la soufflante est déporté par rapport à l'axe de la turbine de puissance (11). 3. Utilisation selon la revendication précédente dans laquelle l'axe (173) est parallèle à l'axe de la turbine de puissance (11). 4. Utilisation selon l'une des revendications 2 et 3, le moteur à turbo soufflante comprenant un carter d'échappement (12), dans laquelle la transmission de mouvement de la turbine de puissance au rotor de la soufflante comprend un engrenage avec renvoi d'angle (181) logé dans le carter d'échappement (12). 3041934 1559455 15 5. Utilisation selon la revendication précédente, le carter d'échappement (12) comprenant au moins un bras radial traversant la veine de gaz issue de la turbine de puissance (il), dans laquelle la 5 transmission de mouvement comprend un arbre (18) disposé radialement par rapport à l'axe de la turbine de puissance, ledit arbre traversant le carter d'échappement par ledit bras radial. 10 6. Utilisation selon l'une des revendications précédentes dans laquelle le mécanisme de transmission de puissance entre la turbine et la soufflante comprend en série deux joints homocinétiques (185, 187) avec une liaison à 15 glissière. 7. Utilisation selon la revendication précédente dans laquelle le mécanisme de transmission est interposé entre un premier élément d'arbre (182) entraîné par 20 la turbine, et un second élément d'arbre (184) d'entraînement de la soufflante. 8. Utilisation selon la revendication précédente dans laquelle les deux éléments d'arbre (182,184) et le 25 mécanisme de transmission de puissance sont alignés et disposés radialement par rapport à l'axe de la turbine de puissance. 9. Utilisation selon l'une des revendications 30 précédentes dans laquelle un réducteur de vitesse (30) est interposé entre la turbine de puissance et l'arbre de la soufflante. 10. Ensemble comprenant : 35 - un moteur à turbosoufflante comprenant un générateur de gaz et une hélice ; et, - un moteur turbopropulseur comprenant un générateur de gaz et une soufflante caractérisé en ce que les générateurs de gaz sont identiques. 3041934 1559455 16 11. Ensemble selon la revendication précédente caractérisé en ce que la puissance des générateurs de gaz est inférieure à 3500 kW.