Brevet FR3065994A1 — publié le 20181109

TURBOMACHINE A ROTOR DE SOUFFLANTE ET REDUCTEUR ENTRAINANT UN ARBRE DE COMPRESSEUR BASSE PRESSION DOMAINE TECHNIQUE GÃNÃRAL ET ART ANTÃRIEUR La prÃ©sente invention est relative au domaine des turbomachines. La recherche de la minimisation des Ã©missions polluantes liÃ©es au transport aÃ©rien passe notamment par la voie de l'amÃ©lioration de toutes les efficacitÃ©s des systÃ¨mes de propulsion, et plus particuliÃ¨rement du rendement propulsif qui caractÃ©rise l'efficacitÃ© avec laquelle l'Ã©nergie qui est communiquÃ©e Ã l'air qui traverse le moteur est convertie en effort de poussÃ©e utile. Les Ã©lÃ©ments influenÃ§ant au premier ordre ce rendement propulsif sont ceux liÃ©s aux parties basse pression du systÃ¨me propulsif, qui contribuent de maniÃ¨re immÃ©diate Ã la gÃ©nÃ©ration de la poussÃ©e : turbine basse pression, systÃ¨me de transmission basse pression, rotor de soufflante et canal secondaire guidant l'Ã©coulement de ce dernier. Le principe directeur connu permettant d'amÃ©liorer le rendement propulsif consiste Ã diminuer le taux de compression de la soufflante, diminuant par lÃ -mÃªme la vitesse d'Ã©coulement en sortie du moteur et les 20 pertes par Ã©nergie cinÃ©tique qui lui sont liÃ©es. L'une des principales consÃ©quences de cette diminution de vitesse d'Ã©coulement en sortie du moteur est qu'il est nÃ©cessaire de faire traiter Ã la partie basse pression (flux secondaire) un dÃ©bit massique d'air plus important afin d'assurer un niveau de poussÃ©e donnÃ©e, fixÃ© par les 25 caractÃ©ristiques de l'avion : ceci conduit donc Ã l'augmentation du taux de dilution du moteur. Cette augmentation de dÃ©bit secondaire a pour effet direct de nÃ©cessiter l'augmentation du diamÃ¨tre de la soufflante, et par consÃ©quent des dimensions externes du carter de rÃ©tention l'entourant, ainsi que de la 30 nacelle constituant l'enveloppe aÃ©rodynamique du carter en question. Se pose alors avec de plus en plus d'acuitÃ© la question de la capacitÃ© Ã intÃ©grer 3065994 2 des systÃ¨mes propulsifs de dimensions de plus en plus importantes sous une aile d'avion, dans un contexte oÃ¹ la garde au sol est limitÃ©e. Outre les aspects dimensionnels, l'augmentation du taux de dilution 5 pÃ©nalise fortement la masse du systÃ¨me propulsif, via notamment une augmentation trÃ¨s significative de la masse du carter de soufflante, dimensionnÃ© pour la rÃ©tention centrifuge en cas d'Ã©jection d'aubage. Il est ainsi constatÃ© que les taux de dilution les plus Ã©levÃ©s, bien que synonymes des rendements propulsifs les meilleurs, s'accompagnent de 10 pÃ©nalitÃ©s de masse, de traÃ®nÃ©e et de difficultÃ©s d'installation sous aile tellement importantes que la majeure partie du gain ainsi espÃ©rÃ© se retrouve Ã©clipsÃ©e par ces Ã©lÃ©ments fortement pÃ©nalisants. Une alternative Ã ce paradigme consiste Ã s'affranchir de la notion de 15 carÃ©nage de la partie basse pression : l'architecture propulsive ainsi constituÃ©e porte le nom de turbopropulseur (cas d'un rotor basse pression unique non carÃ©nÃ©, qualifiÃ© d'hÃ©lice), ou de Â« open rotor Â» selon la terminologie anglosaxonne couramment utilisÃ©e (cas de deux rotors basse pression contrarotatifs, qualifiÃ©s d'hÃ©lices contrarotatives). Cette architecture alternative, si elle permet de s'affranchir des contraintes de masse et de traÃ®nÃ©e de frottement du carÃ©nage de la partie secondaire dÃ©sormais inexistant, pose toutefois d'autres problÃ¨mes : en premier lieu, l'absence de carÃ©nage rend le contexte de certification trÃ¨s diffÃ©rent vis-Ã -vis de l'Ã©jection potentielle de pale du rotor basse pression, et nÃ©cessite la considÃ©ration de technologies plus complexes sur le rotor (pale dite Â« fail safe Â» selon la terminologie anglosaxonne, par exemple) ; en second lieu, l'absence de carÃ©nage autour de la partie basse pression rend le fonctionnement aÃ©rodynamique de son rotor trÃ¨s sensible aux variations de conditions de vol (en particulier de vitesse), et limite la vitesse de vol maximale admissible par l'avion. Enfin, l'absence de carÃ©nage induit un dÃ©bit spÃ©cifique beaucoup plus faible qu'une solution carÃ©nÃ©e, conduisant, pour un niveau de poussÃ©e donnÃ©, Ã des dimensions externes beaucoup 3065994 3 plus importantes qu'une solution carÃ©nÃ©e, aggravant donc la difficultÃ© d'installation sur la cellule avion sur le plan dimensionnel. La suppression totale du carÃ©nage de la partie basse pression, si elle apparaÃ®t comme une option acceptable pour des aÃ©ronefs de dimensions 5 modÃ©rÃ©es et volant Ã des vitesses faibles Ã moyennes (applications de type rÃ©gional / court courrier), semble induire trop de dÃ©savantages pour une utilisation sur des classes de poussÃ©e supÃ©rieures (moyen - long courrier), pour lesquelles la capacitÃ© de vitesse de vol est une attente peu nÃ©gociable des opÃ©rateurs. 10 PRÃSENTATION GÃNÃRALE DE L'INVENTION Un but gÃ©nÃ©ral de l'invention est de proposer une solution permettant de pallier les inconvÃ©nients des techniques de l'art antÃ©rieur. Notamment un but de l'invention est de proposer une solution permettant d'assurer l'efficacitÃ© de la turbine basse pression couplÃ©e Ã un 15 rotor de soufflante lent, Ã faible rapport de pression. Selon un aspect, l'invention propose une turbomachine comportant - un rotor de soufflante alimentant en flux d'air une veine primaire de compresseur basse pression et une veine secondaire, comportant un moyeu de diamÃ¨tre D1 20 - un rÃ©ducteur interposÃ© entre le rotor de soufflante et un arbre de turbine du compresseur basse pression logÃ© dans un carter de diamÃ¨tre externe D2, caractÃ©risÃ©e en ce que - le diamÃ¨tre du rotor de soufflante est supÃ©rieur Ã 82 pouces (2,08 25 mÃ¨tres), - le rapport de pression de la soufflante est compris entre 1.10 et 1.35, - le diamÃ¨tre primitif de la couronne du rÃ©ducteur est compris entre 0,15 et 0,35 fois le diamÃ¨tre du rotor de la soufflante, et le diamÃ¨tre 30 externe D2 Ã©tant supÃ©rieur au diamÃ¨tre D1 du moyeu. 3065994 4 Un tel rÃ©ducteur permet d'assurer l'efficacitÃ© de la turbine basse pression. Son dimensionnement et positionnement Ã©vitent un encombrement qui serait rÃ©dhibitoire. 5 Il permet une intÃ©gration compatible avec un rapport de moyeu permettant les couples mach/dÃ©bit de la soufflante nÃ©cessaires. Selon un autre aspect, la turbine comporte une nacelle compacte. Plus particuliÃ¨rement, la nacelle est un carÃ©nage de protection entourant le rotor de la soufflante, ledit carÃ©nage prÃ©sentant une longueur 10 limitÃ©e audit rotor. De cette faÃ§on, la nacelle est rÃ©duite Ã sa plus simple expression, le carÃ©nage ne lui confÃ©rant plus qu'une fonction de frontiÃ¨re aÃ©rodynamique autour du rotor de soufflante. Il ne s'Ã©tend ni en amont, ni en aval dudit rotor et consiste en un 15 carÃ©nage aÃ©rodynamique dimensionnÃ© pour assurer une protection contre l'Ã©jection des pales. La fonction de guidage de l'Ã©coulement en amont du rotor de soufflante (rÃ´le prÃ©cÃ©demment jouÃ© par l'entrÃ©e d'air) est supprimÃ©e. Il en est Ã©galement de mÃªme pour les fonctions de contrÃ´le du champ 20 de pression aval (rÃ´le prÃ©cÃ©demment jouÃ© par la tuyÃ¨re secondaire) et de rÃ©alisation de la fonction poussÃ©e inversÃ©e (rÃ´le prÃ©cÃ©demment jouÃ© par un systÃ¨me spÃ©cifique intÃ©grÃ© Ã la nacelle). Par ailleurs, les pales sont avantageusement Ã calage variable. Ceci permet un pilotage du point de fonctionnement de la soufflante 25 selon les conditions de vol. On notera en effet que l'association d'une soufflante Ã trÃ¨s faible rapport de pression et de l'absence de tuyÃ¨re secondaire (dont l'un des rÃ´les clÃ©s est de piloter la position du point de fonctionnement du fan dans son champ) induit une forte variabilitÃ© des lignes de fonctionnement fan entre les conditions de basse altitude et de 30 haute altitude ; potentiellement, cette situation induit une difficultÃ© d'opÃ©rabilitÃ© (manque de marge au pompage) dans les conditions sol, et un dispositif de pilotage du point de fonctionnement du fan selon les conditions de vol se rÃ©vÃ¨le nÃ©cessaire 3065994 5 PRÃSENTATION DES FIGURES D'autres caractÃ©ristiques et avantages de l'invention ressortiront 5 encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit Ãªtre lue en regard de la figure 1 annexÃ©e, laquelle est une reprÃ©sentation schÃ©matique en vue en coupe (demie-vue) illustrant l'intÃ©gration d'un rÃ©ducteur de soufflante dans une turbomachine conforme Ã un mode de rÃ©alisation possible de l'invention. 10 DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN OEUVRE ET DE RÃALISATION La turbomachine T illustrÃ©e sur la figure 1 prÃ©sente une architecture Ã soufflante carÃ©nÃ©e Ã trÃ¨s haut taux de dilution (Architecture dite UHBR ou Â« Ultra High By-Pass Ratio Â» selon la terminologie anglosaxonne 15 gÃ©nÃ©ralement utilisÃ©e). Elle comporte une nacelle 1, un rotor 2 de soufflante, ainsi qu'une veine primaire 3, dÃ©finie dans un carter 5. On a Ã©galement reprÃ©sentÃ© sur la figure 1 un carter intercompresseur 8 de la turbomachine, un carter interturbine 9, ainsi qu'un carter 20 d'Ã©chappement 10. La nacelle 1 est compacte et en particulier de longueur rÃ©duite. Notamment, elle n'intÃ¨gre pas d'entrÃ©e d'air ou de tuyÃ¨re secondaire en amont ou en aval de la soufflante. Elle n'intÃ¨gre pas non plus de mÃ©canisme d'inversion de poussÃ©e. 25 Elle a pour fonctions principales d'assurer le carÃ©nage aÃ©rodynamique de la turbomachine et la rÃ©tention des aubes/pales de la soufflante et est uniquement dimensionnÃ©e Ã cet effet. Un redresseur 4 est interposÃ© entre la nacelle 1 et le carter 5 et permet de tenir ladite nacelle 1 3065994 6 Dans un mode de rÃ©alisation possible, une partie de la nacelle 1 peut Ãªtre rendue commune avec une surface dÃ©jÃ existante sur l'aÃ©ronef, comme par exemple l'intrados de la voilure. 5 Les pales du rotor 2 de la soufflante sont des pales 6 Ã calage variable (mÃ©canisme 6a). Le calage des pales 6 peut en particulier Ãªtre commandÃ© pour piloter la soufflante en fonctionnement. Le trÃ¨s faible rapport de pression de celle-ci induit en effet des variations des paramÃ¨tres de cycle entre les conditions 10 sol et vol d'une ampleur inhabituelle, en particulier en ce qui concerne les tempÃ©ratures de fonctionnement turbine HP et les taux de dÃ©tente des tuyÃ¨res. La commande du calage des pales permet de s'adapter Ã ces Ã©carts de conditions de fonctionnement. 15 Egalement, elle est utilisÃ©e pour assurer le freinage de l'avion ou contribuer Ã celui-ci. Le diamÃ¨tre D3 du rotor 2 de la soufflante est important : supÃ©rieur Ã 82 pouces (2,08 mÃ¨tres), et prÃ©fÃ©rentiellement entre 90 (2,29 mÃ¨tres) et 150 pouces (3,81 mÃ¨tres). 20 Le rapport de pression de la soufflante (ratio FPR ou Fan Pressure Ratio selon la terminologie anglosaxonne) est faible : compris entre 1.10 et 1.35. Compte tenu de ce dimensionnement, la vitesse de rotation du rotor 2 est faible. 25 On prÃ©voit par consÃ©quent pour l'entrainement de l'arbre 8 de la turbine basse pression un rÃ©ducteur 7. Ce rÃ©ducteur 7 permet un rÃ©gime de la turbine basse pression Ã©levÃ© : entre 3,5 et 8 fois le rÃ©gime du rotor 2 et de prÃ©fÃ©rence entre 5 et 6 fois le rÃ©gime de vitesse de celui-ci. Le rapport de rÃ©duction et le couple Ã 30 transmettre dÃ©finissent l'encombrement du rÃ©ducteur. Ici le rÃ©ducteur 7 est de type Ã©picycloÃ¯dal et donc son rapport de rÃ©duction est dÃ©fini par : 1+ (le nombre de dent de la couronne / le nombre de dent du planÃ©taire central). Le couple Ã transmettre dÃ©fini la taille minimale des dents et le diamÃ¨tre 3065994 7 minimal du planÃ©taire central or ici la puissance du rÃ©ducteur doit Ãªtre entre 10 et 40 MW. Le diamÃ¨tre primitif de la couronne D4 est donc complexe Ã intÃ©grer pour un tel rapport de rÃ©duction et est compris entre 0,15 et 0,35 fois le diamÃ¨tre de la soufflante. 5 Le diamÃ¨tre D3 de la soufflante est dÃ©terminÃ© de faÃ§on classique, par projection de la composante radiale en tÃªte d'une aube 6 de soufflante, sur une droite radiale passant par le bord d'attaque de l'aube, au niveau du pied de celle-ci. Le rapport de moyeu est dÃ©fini comme le rapport entre le rayon 10 interne en pied d'aube 6 de soufflante, mesurÃ© au bord d'attaque de l'aubage (Ã son calage de dessin, dans le cas oÃ¹ l'aubage possÃ¨de un calage variable), et le rayon externe du bord d'attaque de l'aube 6 projetÃ© sur la mÃªme droite. Pour garantir un bon rendement de la turbomachine, on restreint au maximum le rapport de moyeu, on a donc un diamÃ¨tre du 15 moyeu compris entre 0,25 et 0,35 le diamÃ¨tre de la soufflante. Notamment, le rayon en pied de soufflante peut Ãªtre compris entre 300 et 600 mm. Pour intÃ©grer un rÃ©ducteur avec un fort taux de rÃ©duction tout en conservant un rapport de moyeu le plus petit possible, les inventeurs ont 20 trouvÃ© qu'il Ã©tait possible de faire de faire une excroissance sur le carter entourant le rÃ©ducteur sans nuire sur les caractÃ©ristiques aÃ©rodynamiques de la veine primaire. Cependant cette excroissance doit Ãªtre limitÃ©e, on a ainsi un rapport entre le diamÃ¨tre externe (diamÃ¨tre D2 du du carter du rÃ©ducteur) et le diamÃ¨tre du moyeu de soufflante qui est supÃ©rieur Ã 1 25 (D2>D1) et compris entre 1 et 1.10, et de prÃ©fÃ©rence infÃ©rieur Ã 1.04. Un tel rapport permet Ã la fois la forme aÃ©rodynamique souhaitÃ©e pour la veine primaire 3 et l'intÃ©gration des servitudes du rÃ©ducteur (Ã©vacuation de l'huile, par exemple) et de la soufflante (systÃ¨me de changement de pas), tout en conservant un rapport de moyeu le plus faible 30 possible. Le carter d'entrÃ©e dans lequel s'intÃ¨gre le rÃ©ducteur est particuliÃ¨rement encombrÃ© car il doit supporter le rÃ©ducteur, reprendre la poussÃ©e axiale gÃ©nÃ©rÃ©e par la soufflante par l'intermÃ©diaire du palier Ã bille et supporter l'arbre basse pression. 3065994 8 Par ailleurs, la puissance d'entrÃ©e du rÃ©ducteur est compris entre 10 et 40 MW (au dÃ©collage (@ T/O ou Â« Take -Off Â» selon la terminologie anglosaxonne - altitude 0, Mach compris entre 0.15 et 0.28)). Le systÃ¨me propulsif ainsi constituÃ© rÃ©pond aux objectifs suivants : 5 - maximisation du rendement propulsif grÃ¢ce Ã la soufflante Ã trÃ¨s faible rapport de pression ; - compÃ©titivitÃ© en termes de consommation de carburant pour des classes de poussÃ©e et de vitesse de vol d'applications moyen-courrier et plus grosses (poussÃ©e > 15 000 lbf en condition dÃ©collage 0 m / vitesse 10 nulle / conditions ISA ; 0.65 REVENDICATIONS1. Turbomachine comportant - un rotor de soufflante alimentant en flux d'air une veine primaire de compresseur basse pression et une veine secondaire, comportant un moyeu de diamÃ¨tre Dl - un rÃ©ducteur interposÃ© entre le rotor de soufflante et un arbre de turbine du compresseur basse pression logÃ© dans un carter de diamÃ¨tre externe D2, caractÃ©risÃ©e en ce que - le diamÃ¨tre du rotor de soufflante est supÃ©rieur Ã 82 pouces (2,08 mÃ¨tres), - le rapport de pression de la soufflante est compris entre 1.10 et 1.35, - le diamÃ¨tre primitif de la couronne du rÃ©ducteur est compris entre 0,15 et 0,35 fois le diamÃ¨tre du rotor de la soufflante, et le diamÃ¨tre externe D2 Ã©tant supÃ©rieur au diamÃ¨tre D1 du moyeu. 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractÃ©risÃ© en ce que le diamÃ¨tre du rotor de soufflante est compris entre 90 pouces (2,29 mÃ¨tres) et 150 pouces (3,81 mÃ¨tres). 3. Turbomachine selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, caractÃ©risÃ© en ce qu'elle comporte une nacelle qui est un carÃ©nage de protection entourant le rotor de la soufflante, ledit carÃ©nage prÃ©sentant une longueur limitÃ©e audit rotor. 4. Turbomachine selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, caractÃ©risÃ© en ce que les pales du rotor de soufflante sont du type Ã calage variable. 5. Turbomachine selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, caractÃ©risÃ© en ce que le rÃ©ducteur est Ã©picycloÃ¯dal. 3065994 10 6. Turbomachine selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, caractÃ©risÃ© en ce que le rapport de moyeu de soufflante compris entre 0,25 et 0,35. 7. Turbomachine selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, 5 caractÃ©risÃ© en ce que le taux de rÃ©duction du rÃ©ducteur est compris entre 3,5 et 8. 8. Turbomachine selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, caractÃ©risÃ© en ce que le taux de rÃ©duction du rÃ©ducteur est de l'ordre de 5 ou 6. 10 9. Turbomachine selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes, caractÃ©risÃ© en ce que le rapport entre le rayon externe du rÃ©ducteur et le rayon en pied de soufflante est compris entre 1 et 1.10. 10.AÃ©ronef comportant une turbomachine selon l'une des revendications prÃ©cÃ©dentes. 15