Brevet FR3080886A1 — publié le 20191108

TURBOMACHINE A SOUFFLANTE CARENEE DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR La présente invention est relative au domaine des turbomachines. La recherche de la minimisation des émissions polluantes liées au transport aérien passe notamment par la voie de l'amélioration de toutes les efficacités des systèmes de propulsion, et plus particulièrement du rendement propulsif qui caractérise l'efficacité avec laquelle l'énergie qui est communiquée à l'air qui traverse le moteur est convertie en effort de poussée utile. Les éléments influençant au premier ordre ce rendement propulsif sont ceux liés aux parties basse pression du système propulsif, qui contribuent de manière immédiate à la génération de la poussée : turbine basse pression, système de transmission basse pression, rotor de soufflante et canal secondaire guidant l'écoulement de ce dernier. Le principe directeur connu permettant d'améliorer le rendement propulsif consiste à diminuer le taux de compression de la soufflante, diminuant par là-même la vitesse d'écoulement en sortie du moteur et les pertes par énergie cinétique qui lui sont liées. L'une des principales conséquences de cette diminution de vitesse d'écoulement en sortie du moteur est qu'il est nécessaire de faire traiter à la partie basse pression (flux secondaire) un débit massique d'air plus important afin d'assurer un niveau de poussée donnée, fixé par les caractéristiques de l'avion : ceci conduit donc à l'augmentation du taux de dilution du moteur. Cette augmentation de débit secondaire a pour effet direct de nécessiter l'augmentation du diamètre de la soufflante, et par conséquent des dimensions externes du carter de rétention l'entourant, ainsi que de la 30 nacelle constituant l'enveloppe aérodynamique du carter en question. Se pose alors avec de plus en plus d'acuité la question de la capacité à intégrer des systèmes propulsifs de dimensions de plus en plus importantes sous une aile d'avion, dans un contexte où la garde au sol est limitée. 2 Outre les aspects dimensionnels, l'augmentation du taux de dilution pénalise fortement la masse du système propulsif, via notamment une augmentation très significative de la masse du carter de soufflante, 5 dimensionné pour la rétention centrifuge en cas d'éjection d'aubage. Il est ainsi constaté que les taux de dilution les plus élevés, bien que synonymes des rendements propulsifs les meilleurs, s'accompagnent de pénalités de masse, de traînée et de difficultés d'installation sous aile tellement importantes que la majeure partie du gain ainsi espéré se 10 retrouve éclipsée par ces éléments fortement pénalisants. Une alternative à ce paradigme consiste à s'affranchir de la notion de carénage de la partie basse pression : l'architecture propulsive ainsi constituée porte le nom de turbopropulseur (cas d'un rotor basse pression 15 unique non caréné, qualifié d'hélice), ou de « open rotor » selon la terminologie anglosaxonne couramment utilisée (cas de deux rotors basse pression contrarotatifs, qualifiés d'hélices contrarotatives). Cette architecture alternative, si elle permet de s'affranchir des contraintes de masse et de traînée de frottement du carénage de la partie secondaire 20 désormais inexistant, pose toutefois d'autres problèmes : en premier lieu, l'absence de carénage rend le contexte de certification très différent vis-à-vis de l'éjection potentielle de pale du rotor basse pression, et nécessite la considération de technologies plus complexes sur le rotor (pale dite « fail safe » selon la terminologie anglosaxonne, par exemple) ; en second lieu, 25 l'absence de carénage autour de la partie basse pression rend le fonctionnement aérodynamique de son rotor très 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 carénage induit un débit spécifique beaucoup plus faible qu'une solution carénée, conduisant, 30 pour un niveau de poussée donné, à des dimensions externes beaucoup plus importantes qu'une solution carénée, aggravant donc la difficulté d'installation sur la cellule avion sur le plan dimensionnel. 3 La suppression totale du carénage de la partie basse pression, si elle apparaît comme une option acceptable pour des aéronefs de dimensions modérées et volant à des vitesses faibles à moyennes (applications de type régional / court courrier), semble induire trop de désavantages pour une 5 utilisation sur des classes de poussée supérieures (moyen - long courrier), pour lesquelles la capacité de vitesse de vol est une attente peu négociable des opérateurs. Un but général de l'invention est de proposer une solution permettant de pallier les inconvénients des techniques de l'art antérieur. 10 Notamment un but de l'invention est de proposer une solution de turbomachine à soufflante carénée, qui permet de simplifier le carénage autour de la soufflante, tout en assurant à la fois une bonne performance en vol et une marge suffisante au décollage, en particulier dans le cas d'une turbine basse pression couplée à un rotor de soufflante lent, à très faible 15 rapport de pression. On connait classiquement des structures de turbomachines à pales à calage variable. L'introduction d'un mécanisme de changement de pas pour les pales permet d'adapter l'architecture de la turbomachine et permet un pilotage 20 du point de fonctionnement de la soufflante selon les conditions de vol (y compris, le cas échéant, pour réaliser la fonction « reverse » en l'absence de portes ou de grilles d'inversion de poussée au niveau du carénage entourant la soufflante). Plusieurs problématiques peuvent toutefois apparaitre lorsque l'on 25 prévoit un calage variable pour les pales de la soufflante. Une découpe classique de tête de pale, complémentaire d'une veine cylindrique ou tronconique entraine, entre la tête de pale et le carénage, des jeux très importants, qui sont nécessaires pour permettre la variation de calage sans contact, mais qui entrainent une perte de rendement non 30 négligeable. Ces pertes de rendement, comme les bruits acoustiques qui en résultent, ne sont pas acceptables, en particulier dans le cas de turbomachine à rotor de soufflante lent et à très faible rapport de pression. 4 Par ailleurs, habituellement, dans une turbomachine, la partie intérieure de veine décrit un arc de cercle passant par le sommet du cône sur l'axe de la turbomachine et se terminant à la fin du compresseur basse pression en passant par la soufflante. 5 La forme de la veine en pied de pales entraine l'apparition d'une marche importante quand le calage est modifié. Cette marche est également source de perte de rendement. PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION 10 Un but général de l'invention est de proposer une solution permettant de pallier les inconvénients des techniques de l'art antérieur. Selon un aspect, l'invention propose à cet effet une turbomachine comportant une soufflante carénée, les pales du rotor de ladite soufflante étant à calage variable, caractérisée en ce que le carénage de ladite 15 soufflante présente un renfoncement annulaire sphérique en tête de pale, les têtes des pales étant de forme générale complémentaire Notamment, le jeu moyen entre la paroi du renfoncement annulaire sphérique et une tête de pale est inférieur à 0,35% de la corde en tête lorsque la turbomachine est arrêtée. 20 Par jeu moyen, on entend ici la valeur moyenne du jeu le long de la tête de pâle. On rappelle par ailleurs que la corde correspond à la longueur du profil, c'est-à-dire la distance la plus courte entre le bord d'attaque et le bord de fuite. Pour la corde en tête, c'est la distance entre l'extrémité en 25 tête du bord d'attaque et l'extrémité en tête du bord de fuite. En variante ou en complément, la soufflante et le renfoncement annulaire sphérique sont configurés de telle sorte que le jeu moyen entre la paroi du renfoncement annulaire sphérique et une tête de pale est inférieur à 0,65% de la corde en tête en régime de croisière de la turbomachine. On définit ici le régime de croisière comme compris entre 85% et 100% du régime nominal de la turbomachine. La phase de croisière débute au sommet de montée de l'aéronef, et se termine au début de la phase de descente de l'aéronef. 5 Egalement, la différence de hauteur entre le rayon au bord d'attaque en tête de pale et le rayon maximal en tête de pale au niveau de l'axe de calage peut être inférieure à la somme d'une part du jeu en tête de pale et d'autre part de la hauteur de cale sous le pied de la pale. 5 Par ailleurs, en complément ou selon un autre aspect, la veine définie entre le carénage et le moyeu peut être est sensiblement cylindrique en pied de pale. Notamment, l'angle de la pente du moyeu en pied de pale par rapport à l'axe de l'arbre de la turbomachine peut être nul ou inférieur à 50. 10 La solution proposée est particulièrement adaptée pour un rotor de soufflante lent et à très faible rapport de pression. Notamment, elle est particulièrement adaptée à une architecture dans laquelle un réducteur est interposé au sein du moyeu de la soufflante entre un rotor de soufflante et un arbre de turbine de compresseur basse 15 pression, sans innpacter de manière démesurée le rayon intérieur de la soufflante et tout en étant compatible avec le fonctionnement de ladite turbomachine dans toutes les conditions critiques. Ainsi, un but complémentaire de l'invention est de proposer une solution à rotor de soufflante caréné dans laquelle les impacts de masse et 20 de tramée du carénage sont limités. Notamment, un but de l'invention est de proposer une architecture qui permette un carénage assurant essentiellement une fonction de frontière aérodynamique autour du rotor de la soufflante, sans rôle de guidage de l'écoulement en amont de la soufflante (rôle généralement 25 assuré par l'entrée d'air) et/ou sans rôle de contrôle du champ de pression en aval du rotor de la soufflante (rôle généralement assuré par une tuyère secondaire). Ainsi, la turbomachine peut comprendre un compresseur basse pression distinct de la soufflante, ainsi qu'un réducteur qui est logé dans un 30 carter et est interposé entre le rotor de soufflante et un arbre de turbine du compresseur basse pression, le rotor de soufflante alimentant en flux d'air une veine primaire et une veine secondaire et comportant un moyeu de diamètre Dl. 6 Elle présente par exemple les caractéristiques suivantes : - le diamètre du rotor de soufflante est supérieur à 82 pouces (2,08 mètres), - le rapport de pression de la soufflante est compris entre 1.10 et 5 1.35, - le carter du réducteur est de diamètre externe D2 supérieur au diamètre D1 du moyeu, - le diamètre primitif de la couronne du réducteur étant compris entre 0,15 et 0,35 fois le diamètre du rotor de la soufflante. 10 Un tel réducteur permet d'assurer l'efficacité de la turbine basse pression. Son dimensionnement et positionnement évitent un encombrement qui serait rédhibitoire. Il permet une intégration compatible avec un rapport de moyeu 15 permettant les couples mach/débit de la soufflante nécessaires. Selon un autre aspect, la turbine comporte une nacelle compacte. Plus particulièrement, le carénage est un carénage de protection entourant le rotor de la soufflante, ledit carénage présentant une longueur limitée audit rotor. 20 De cette façon, la nacelle est réduite à sa plus simple expression, le carénage ne lui conférant plus qu'une fonction de frontière aérodynamique autour du rotor de soufflante. Il ne s'étend ni en amont, ni en aval dudit rotor et consiste en un carénage aérodynamique dimensionné pour assurer une protection contre 25 l'éjection des pales. La fonction de guidage de l'écoulement en amont du rotor de soufflante (rôle précédemment joué par l'entrée d'air) est supprimée. Il en est également de même pour les fonctions de contrôle du champ de pression aval (rôle précédemment joué par la tuyère secondaire) et de 30 réalisation de la fonction poussée inversée (rôle précédemment joué par un système spécifique intégré à la nacelle). 7 PRÉSENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles : 5 - la figure 1 est une représentation schématique en vue en coupe (demie-vue) illustrant l'intégration d'un réducteur de soufflante dans une turbomachine conforme à un mode de réalisation possible de l'invention ; - la figure 2 illustre un exemple de configuration à tête de pale sphérique ; 10 - les figures 3a et 3b illustrent la définition d'une corde en tête de pâle, ainsi que les jeux entre une tête de pale et la paroi du carénage ; - la figure 4 illustre une structure de maintien d'aube dans une alvéole au moyen d'une cale de maintien. 15 DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN OEUVRE ET DE RÉALISATION La turbomachine T illustrée sur la figure 1 présente une architecture à soufflante carénée à très haut taux de dilution (Architecture dite UHBR ou « Ultra High By-Pass Ratio » selon la terminologie anglosaxonne zo généralement utilisée). Elle comporte une nacelle 1, un rotor 2 de soufflante, ainsi qu'une veine primaire 3, définie dans un carter 5. On a également représenté sur la figure 1 un carter intercompresseur 8 de la turbomachine, un carter interturbine 9, ainsi qu'un carter 25 d'échappement 10. La nacelle 1 est compacte et en particulier de longueur réduite. Notamment, elle n'intègre pas d'entrée d'air ou de tuyère secondaire en amont ou en aval de la soufflante. Elle n'intègre pas non plus de mécanisme d'inversion de poussée. 30 Elle a pour fonctions principales d'assurer le carénage aérodynamique de la turbomachine et la rétention des aubes/pales de la soufflante et est uniquement dimensionnée à cet effet. 8 Un redresseur 4 est interposé entre la nacelle 1 et le carter 5 et permet de tenir ladite nacelle 1 Dans un mode de réalisation possible, une partie de la nacelle 1 peut être rendue commune avec une surface déjà existante sur l'aéronef, comme 5 par exemple l'intrados de la voilure. Les pales du rotor 2 de la soufflante sont des pales 6 à calage variable (mécanisme 6a). Le calage des pales 6 peut en particulier être commandé pour piloter 10 la soufflante en fonctionnement. Le très faible rapport de pression de celle-ci induit en effet des variations des paramètres de cycle entre les conditions sol et vol d'une ampleur inhabituelle, en particulier en ce qui concerne les températures de fonctionnement turbine HP et les taux de détente des tuyères. 15 La commande du calage des pales permet de s'adapter à ces écarts de conditions de fonctionnement. Egalement, elle est utilisée pour assurer le freinage de l'avion ou contribuer à celui-ci. Le diamètre D3 du rotor 2 de la soufflante est important : supérieur 20 à 82 pouces (2,08 mètres), et préférentiellement entre 90 (2,29 mètres) et 150 pouces (3,81 mètres). 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. 25 Compte tenu de ce dimensionnement, la vitesse de rotation du rotor 2 est faible. On prévoit par conséquent pour l'entrainement de l'arbre A de la turbine basse pression un réducteur 7. Ce réducteur 7 permet un régime de la turbine basse pression élevé : 30 entre 3,5 et 8 fois le régime du rotor 2 et de préférence entre 5 et 6 fois le régime de vitesse de celui-ci. Le rapport de réduction et le couple à transmettre définissent l'encombrement du réducteur. Ici le réducteur 7 est de type épicycloïdal et donc son rapport de réduction est défini par : 1+ (le 9 nombre de dents de la couronne / le nombre de dents du planétaire central). Le couple à transmettre définit la taille minimale des dents et le diamètre minimal du planétaire central or ici la puissance du réducteur doit être entre 10 et 40 MW. Le diamètre primitif de la couronne D4 est donc complexe à 5 intégrer pour un tel rapport de réduction et est compris entre 0,15 et 0,35 fois le diamètre de la soufflante. Le diamètre D3 de la soufflante est déterminé de façon classique, par projection de la composante radiale en tête d'une aube 6 de soufflante, sur une droite radiale passant par le bord d'attaque de l'aube, au niveau du pied 10 de celle-ci. Le rapport de moyeu est défini comme le rapport entre le rayon interne en pied d'aube 6 de soufflante, mesuré au bord d'attaque de l'aubage (à son calage de dessin, dans le cas où l'aubage possède un calage variable), et le rayon externe du bord d'attaque de l'aube 6 projeté sur la 15 même droite. Pour garantir un bon rendement de la turbomachine, on restreint au maximum le rapport de moyeu, on a donc un diamètre du moyeu compris entre 0,25 et 0,35 le diamètre de la soufflante. Notamment, le rayon en pied de soufflante peut être compris entre 300 et 600 mm. 20 Pour intégrer un réducteur avec un fort taux de réduction tout en conservant un rapport de moyeu le plus petit possible, sans nuire aux caractéristiques aérodynamiques de la veine primaire le carter entourant le réducteur (carter 9) comporte une excroissance limitée. Notamment, le rapport entre le diamètre externe (diamètre D2 du carter 9 du réducteur) 25 et le diamètre D1 du moyeu 10 de soufflante est supérieur à 1 (D2>D1) et compris entre 1 et 1.10, et de préférence inférieur à 1.04. Un tel rapport permet à la fois la forme aérodynamique souhaitée pour la veine primaire 3 et l'intégration des servitudes du réducteur (évacuation de l'huile, par exemple) et de la soufflante (système de 30 changement de pas), tout en conservant un rapport de moyeu le plus faible possible. Le carter d'entrée dans lequel s'intègre le réducteur est particulièrement encombré car il doit supporter le réducteur, reprendre la 10 poussée axiale générée par la soufflante par l'intermédiaire du palier à bille et supporter l'arbre basse pression. Par ailleurs, la puissance d'entrée du réducteur est comprise entre 10 et 40 MW (au décollage (@ T/0 ou « Take -Off » selon la terminologie 5 anglosaxonne - altitude 0, Mach compris entre 0.15 et 0.28)). Le système propulsif ainsi constitué répond aux objectifs suivants : - maximisation du rendement propulsif grâce à la soufflante à très faible rapport de pression ; - compétitivité en termes de consommation de carburant pour des 10 classes de poussée et de vitesse de vol d'applications moyen-courrier et plus grosses (poussée > 15 000 lbf en condition décollage 0 m / vitesse nulle / conditions ISA ; 0.65 REVENDICATIONS1. Turbomachine comportant une soufflante (2) carénée, les pales (6) du rotor de ladite soufflante (2) étant à calage variable, caractérisée en ce que le carénage (1) de ladite soufflante (2) présente un renfoncement annulaire sphérique (S) en tête de pale, les têtes des pales (6) étant de forme générale complémentaire. 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le jeu (3) moyen entre la paroi du renfoncement annulaire sphérique et une tête de pale est inférieur à 0,35% de la corde en tête (Co) lorsque la turbomachine est arrêtée. 3. Turbomachine selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le jeu moyen (J) entre la paroi du renfoncement annulaire sphérique et une tête de pale est inférieur à 0,65% de la corde en tête en régime de croisière de la turbomachine. 4. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la différence de hauteur entre le rayon au bord d'attaque en tête de pale et le rayon maximal en tête de pale au niveau de l'axe de calage est inférieure à la somme d'une part du jeu (J) en tête de pale et d'autre part la hauteur de cale sous le pied de la pale. 5. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la veine définie entre le carénage (1) et le moyeu (10) de la soufflante est sensiblement cylindrique en pied de pale. 6. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'angle de la pente du moyeu (10) de la soufflante en pied de 14 pale par rapport à l'axe de l'arbre de la turbomachine est nul ou inférieur à 5°. 7. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée 5 en ce qu'elle comprend un compresseur basse pression distinct de la soufflante, ainsi qu'un réducteur qui est logé dans un carter et est interposé entre le rotor de soufflante et un arbre de turbine du compresseur basse pression, le rotor de soufflante alimentant en flux d'air une veine primaire et une veine secondaire et comportant un moyeu 10 de diamètre D1, et en ce que - le diamètre du rotor de soufflante est supérieur à 82 pouces (2,08 mètres), - le rapport de pression de la soufflante est compris entre 1.10 et 15 1.35, - le carter du réducteur est de diamètre externe D2 supérieur au diamètre D1 du moyeu, - le diamètre primitif de la couronne du réducteur étant compris entre 0,15 et 0,35 fois le diamètre du rotor de la soufflante. 20 8. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le carénage est un carénage de protection entourant le rotor de la soufflante, ledit carénage présentant une longueur limitée audit rotor. 25 9. Aéronef comportant une turbomachine selon l'une des revendications précédentes. 30