Brevet FR3090750A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : MOTEUR À TURBINE À GAZ OPTIMISÉ POUR AÉRONEF [0001] La présente description concerne un moteur à turbine à gaz pour un aéronef, et plus spécifiquement un moteur à turbine à gaz avec des dimensions spécifiées de composants relatifs. [0002] L'homme du métier appréciera qu'une simple augmentation de taille de composants d'un type de moteur connu ne peut pas entrainer une élévation correspondante de la puissance/poussée et/ou de l'efficacité, et peut introduire des problèmes tels qu'une augmentation dc la traînée ou une difficulté d'installation. H peut donc être approprié de repenser les paramètres du moteur. [0003] Par exemple, l'homme du métier appréciera que, si la taille globale d'un moteur à turbine à gaz est augmentée, un problème devant être abordé est la manière dc réduire la traînée globale produite par une nacelle plus grande du moteur plus grand lorsqu'il est en service. Si les composants du moteur sont agrandis proportionnellement, par une simple augmentation de volume d'un type de moteur connu, la traînée accrue peut affecter négativement les performances de l'aéronef sur lequel le moteur est monté. En outre ou en variante, le moteur peut ne plus être adapté pour être monté sous l'aile de l'aéronef à moins que les dimensions ne soient ajustées. [0004] Tel qu'elle est utilisée ici, une plage « de la valeur X à la valeur Y » ou « entre la valeur X et la valeur Y », ou similaires, désigne une plage inclusive ; y compris les valeurs limites X et Y. Telle qu'elle est utilisée ici, l'expression « plan axial » désigne un plan s'étendant le long de la longueur d'un moteur, parallèle à et contenant une ligne médiane axiale du moteur, et l'expression « plan radial » désigne un plan s'étendant perpendiculairement à la ligne médiane axiale du moteur, de sorte qu'il comporte toutes les lignes radiales à la position axiale du plan radial. Les plans axiaux peuvent également être appelés plans longitudinaux, tant qu'ils s'étendent le long de la longueur du moteur. Une distance radiale ou une distance axiale est donc une distance dans un plan radial ou axial, respectivement. [0005] Selon un aspect, l'invention concerne un moteur à turbine à gaz pour aéronef, le moteur comprenant un coeur de moteur ayant une longueur de coeur et comprenant une turbine, un compresseur et un arbre de coeur reliant la turbine au compresseur, la turbine comprenant un étage de rotor de pression la plus basse, la turbine ayant un diamètre de turbine à l'étage de rotor de pression la plus basse ; et une soufflante située en amont du coeur de moteur, la soufflante comprenant une pluralité d'aubes de soufflante s'étendant à partir d'un moyeu, le moyeu et les aubes de soufflante dé- 2 finissant ensemble une face de soufflante ayant une aire de face de soufflante et un rayon d'extrémité de soufflante. Un rapport de surface moteur :[Math. 1] faire de f ace de soufflante le diamètre de la turbine (à létage de rotor de pression la plus basse) z la longueur du noyau [0006] se situe dans la plage allant de 1,7 à 3. [0007] Le présent aspect concerne un moteur à turbine à gaz ayant des tailles relatives spécifiées de face de soufflante et de moteur. L'homme du métier appréciera qu'une grande soufflante peut fournir un rendement propulsif amélioré. L'homme du métier appréciera qu'un diamètre de turbine relativement faible, par rapport à la taille de la soufflante, peut améliorer la facilité d'installation. L'homme du métier appréciera qu'une longueur de coeur relativement courte, et/ou un diamètre de coeur relativement étroit, par rapport à la taille de la soufflante, peuvent bénéficier d'une installation à couplage court. [0008] L'homme du métier appréciera que le diamètre de la turbine x longueur de coeur peut fournir une zone (le moteur efficace dans un plan axial, et que la réduction de cette zone peut être positive pour une installation à couplage court. En particulier, la soufflante peut être montée plus près de l'aile lorsque la zone de moteur est plus petite (montée plus à l'arrière et plus haut qu'habituellement), cc qui réduit le moment appliqué à l'aile par la masse du moteur. [0009] L'homme du métier appréciera que des unités équivalentes doivent être sélectionnées pour l'aire de face de soufflante, le diamètre de la turbine et la longueur du coeur, par exemple si l'aire est donnée en m2, les longueurs doivent être toutes deux prévues en mètres. [0010] Lc rapport de surface de moteur peut être supérieur à celui des moteurs à turbine à gaz d'aéronef connus. [0011] Lc rapport de surface de moteur peut se situer dans la plage allant de 1,7 à 3,0, et éventuellement de 1,70 à 3,00. Lc rapport de surface de moteur peut se situer dans la plage allant de 1,8 à 3, ou de 1,9 à 3 (ou éventuellement 3,0). [0012] Lc rapport de surface de moteur peut se situer dans la plage allant de 2 à 3. Le rapport de surface de moteur peut se situer dans la plage allant de 2,1 à 2,7. [0013] Lc rayon d'extrémité de soufflante peut être mesuré entre une ligne centrale du moteur et une extrémité la plus extérieure de chaque aube de soufflante au niveau de son bord d'attaque ; de manière équivalente, la description peut être que le rayon d'extrémité de soufflante est défini comme la distance radiale entre une ligne centrale du moteur et une extrémité la plus extérieure de chaque aube de soufflante au niveau de son bord d'attaque. L'aire de face de soufflante peut être égale à n multiplié par le carré du rayon d'extrémité de soufflante. [0014] Le rayon d'extrémité de soufflante, mesuré entre une ligne centrale du moteur et une 3 extrémité la plus extérieure de chaque aube de soufflante au niveau de son bord d'attaque, peut être dans la plage allant de 95 cm à 200 cm, par exemple dans la plage allant de 110 cm à 150 cm, ou encore dans la plage allant de 155 cm à 200 cm. Le rayon d'extrémité de soufflante peut être supérieur à l'un quelconque de : 110 cm, 115 cm, 120 cm, 125 cm, 130 cm, 135 cm, 140 cm, 145 cm, 150 cm, 155 cm, 160 cm, 165 cm, 170 cm, 175 cm, 180 cm, 185 cm, 190 cm ou 195 cm. Le rayon d'extrémité de soufflante peut être de l'ordre de 110 cm, 115 cm, 120 cm, 125 cm, 130 cm, 135 cm, 140 cm, 145 cm, 150 cm, 155 cm, 160 cm, 165 cm, 170 cm, 175 cm, 180 cm, 185 cm, 190 cm ou 195 cm. Lc rayon d'extrémité de soufflante peut être supérieur à 160 cm. [0015] Le rayon d'extrémité de soufflante peut être dans la plage allant de 95 cm à 150 cm, éventuellement dans la plage allant de 110 cm à 150 cm, éventuellement dans la plage allant de 110 cm à 145 cm, et en outre éventuellement dans la plage allant de 120 cm à 140 cm. [0016] Le rayon d'extrémité de soufflante peut être dans la plage allant de 155 à 200 cm, éventuellement dans la plage allant de 160 cm à 200 cm, et en outre éventuellement dans la plage allant de 165 cm à 190 cm. [0017] Facultativement, par exemple pour un moteur ayant un rayon d'extrémité de soufflante dans la plage de 110 cm à 150 cm, le rapport de surface de moteur peut être dans la plage allant de 1,7 à 3, éventuellement de 1,7 à 2,7, éventuellement de 2,1 à 2,7, et en outre éventuellement de 2,2 à 3. [0018] Facultativement, par exemple pour un moteur à rayon d'extrémité de soufflante dans la plage allant de 155 à 200 cm, le rapport de surface de moteur peut être dans la plage allant de 2 à 3, éventuellement 2,2 à 3, éventuellement 2,3 à 2,6, et éventuellement de 2,5 à 2,6. [0019] Le diamètre de turbine à l'étage de rotor de plus basse pression peut être mesuré à l'emplacement axial de bords de fuite d'extrémité d'aube de rotor de l'étage de rotor de plus basse pression. Dans des modes de réalisation dans lesquels le rotor (de l'étage de rotor de plus basse pression) est caréné, le diamètre de turbine de la turbine à l'étage de rotor de plus basse pression peut être mesuré sur la face inférieure du carénage. Dans des modes de réalisation dans lesquels le rotor (de l'étage de rotor de plus basse pression) est non caréné, le diamètre de turbine de la turbine à l'étage de rotor de plus basse pression peut être mesuré sur les extrémités d'aubes du rotor. L'étage de rotor de plus basse pression peut être l'étage de rotor axialement le plus vers l'arrière du rotor (ou plus en aval). [0020] Le diamètre de turbine à l'étage de rotor de plus basse pression peut être dans la plage allant de 70 cm à 170 cm. Éventuellement, par exemple pour un moteur de rayon d'extrémité de soufflante dans la plage allant del 10 cm à 140 cm, le diamètre de turbine à l'étage de rotor de plus basse pression peut être dans la plage allant de 70 cm à 120 cm, par exemple de 80 cm à 115 cm. Éventuellement, par exemple pour un moteur de rayon d'extrémité de soufflante dans la plage allant de 155 cm à 200 cm, le diamètre de turbine à l'étage de rotor de plus basse pression peut être dans la plage allant de 120 cm à 170 cm, par exemple de 130 cm à 160 cm. [0021] Le rapport du rayon d'extrémité de soufflante au diamètre de turbine à l'étage de rotor de plus basse pression [Math. 2] (rayon d'extrémité de soufi f tante) diamètre de turbine [0022] peut être dans la plage de 0,8 à 2,1. Éventuellement, par exemple pour un moteur ayant un rayon d'extrémité de soufflante dans la plage allant de 95 cm à 150 cm, le rapport du rayon d'extrémité de soufflante au diamètre de turbine peut être compris entre 0,8 et 2,1. Éventuellement, par exemple pour un moteur ayant un rayon d'extrémité de soufflante dans la plage allant de 155 cm à 200 cm, le rapport du rayon d'extrémité de soufflante au diamètre de turbine peut être compris entre 0,9 et 1,7. [0023] La longueur de coeur peut être définie comme la distance axiale entre une région avant (lu compresseur et une région arrière de la turbine. La longueur de coeur peut être mesurée le long d'une ligne centrale du moteur depuis un point de rayon moyen du premier étage du bord d'attaque d'aube de compresseur au point de rayon moyen du bord de fuite d'aube d'étage de rotor de plus basse pression (le turbine. La longueur de coeur peut être dans la plage allant de 150 cm à 350 cm, et éventuellement 160 cm à 320 cm. Éventuellement, par exemple pour un moteur ayant un rayon d'extrémité de soufflante dans la plage allant de 95 cm à 150 cm, la longueur de coeur peut être dans la plage allant de 160 cm à 260 cm, par exemple 200 cm à 250 cm. Éventuellement, par exemple pour un moteur ayant un rayon d'extrémité de soufflante dans la plage allant de 155 à 200 cm, la longueur de coeur peut être dans la plage allant de 240 cm à 320 cm, par exemple 260 cm à 300 cm. 100241 Le rapport du rayon d'extrémité de soufflante à la longueur de coeur I Math. 3] 1 rayon d extrémité de souf f lame) longueur de coeur [0025] peut être dans la plage de 0,3 à 1. et éventuellement de 0.4 à 0.9. éventuellement de 0,5 à 0.8. Éventuellement, par exemple pour un moteur ayant un rayon d'extrémité de soufflante dans la plage allant de 95 cm à 150 cm, le rapport du rayon d'extrémité de soufflante à la longueur de coeur peut être dans la plage allant de 0,4 à 0.9, éventuellement 0,5 à 0,8, ou 0.55 à 0,75. Facultativement, par exemple pour un moteur ayant un rayon d'extrémité de soufflante dans la plage allant de 155 cm à 200 cm, le rapport du rayon d'extrémité de soufflante à la longueur de coeur peut être compris dans la plage allant de 0,5 à 0,8, éventuellement de 0.60 à 0,80. [0026] Le moteur à turbine à gaz peut comprendre en outre, un réducteur. Le réducteur peut être connecté entre l'arbre de coeur et la soufflante. Le réducteur peut être agencé pour recevoir une entrée depuis l'arbre de coeur et pour fournir une sortie destinée à entraîner la soufflante à une vitesse de rotation inférieure à celle de l'arbre de coeur. Le réducteur peut aider à faciliter les rapports (par exemple le rapport de surface de moteur) décrits et/ou revendiqués ici. [0027] La soufflante peut comprendre une pluralité d'aubes de soufflante s'étendant ra- dialement à partir d'un moyeu, chaque aube de soufflante ayant un bord d'attaque et un bord de fuite. L'étage de turbine de plus basse pression peut comprendre une rangée d'aubes de rotor, chacune des aubes s'étendant radialemcnt et ayant un bord d'attaque et un bord de fuite. Le moteur à turbine à gaz peut avoir un axe d'extrémité de soufflante, qui relie une extrémité radialemcnt extérieure du bord d'attaque d'une de la pluralité d'aubes de soufflante et l'extrémité radialemcnt extérieure du bord de fuite d'une des aubes de rotor de l'étage de plus basse pression de la turbine. L'axe d'extrémité de soufflante peut se trouver dans un plan longitudinal qui contient une ligne centrale du moteur à turbine à gaz. Un angle d'axe d'extrémité de soufflante peut être défini comme l'angle entre l'axe d'extrémité de soufflante et la ligne centrale, et l'angle d'axe de soufflante se situe dans une plage allant de 10 à 20 degrés, éventuellement 11 à 18 degrés, 12 à 17 degrés, ou 12 à 16 degrés. L'angle d'axe d'extrémité de soufflante peut être tel que décrit ci-dessous. [0028] Le coeur de moteur peut comprendre en outre plus d'une turbine. La turbine peut être une première turbine, le compresseur peut être un premier compresseur, et l'arbre de coeur peut être un premier arbre de coeur. Le coeur de moteur peut comprendre en outre une deuxième turbine, un deuxième compresseur et un deuxième arbre de coeur reliant la deuxième turbine au deuxième compresseur. La deuxième turbine, le deuxième compresseur et le deuxième arbre de coeur peuvent être agencés pour tourner à une vitesse de rotation plus élevée que le premier arbre de coeur. [0029] Selon un autre aspect, l'invention concerne un moteur à turbine à gaz pour un aéronef comprenant un coeur de moteur comprenant une turbine, un compresseur, un arbre de coeur reliant la turbine au compresseur, et une tuyère d'échappement de coeur ayant une sortie de tuyère d'échappement de coeur, la tuyère d'échappement de coeur ayant un rapport de pression de tuyère d'échappement de coeur calculé en utilisant la pression totale à la sortie de tuyère de coeur ; une soufflante située en amont du noyau central, la soufflante comprenant une pluralité d'aubes de soufflante ; et une nacelle entourant la soufflante et le coeur de moteur et définissant un conduit de contournement situé radialement à l'extérieur du coeur de moteur, le conduit de contournement comprenant une tuyère d'échappement de contournement ayant une sortie de tuyère d'échappement de contournement, la tuyère d'échappement de contournement ayant un rapport de pression de tuyère d'échappement de contournement calculé en utilisant la pression totale à la sortie de la tuyère de contournement. Le rapport contournement-coeur [Math. 6 4] : rcappori de pression de tuyère d échappement de contournement rapport de pression de tuyère d échappement de coeur [0030] est configure pour sc situer dans la plage allant de 1,1 à 2 dans des conditions de croisière de l'aéronef. [0031] Le présent aspect concerne un moteur à turbine à gaz ayant des rapports spécifiés des pressions relatives de tuyère d'échappement de coeur et de contournement. L'homme du métier appréciera qu'un rapport de pression de tuyère (NPR) est défini comme [Math. 5] :pression totale à la sortie de la tuyère, pression ambiante de lenvironnement [0032] L'homme du métier appréciera que la norme dans le domaine définit la « pression totale » à une sortie de tuyère comme la somme des pressions statiques et dynamiques au niveau de la sortie de la tuyère. Étant donné que la pression ambiante de l'environnement est la même pour la tuyère d'échappement de coeur et la tuyère d'échappement de contournement, le rapport contournement-coeur peut donc être simplifié comme suit [Math. 6] : rY pr frdal. torup udaie a Id v a imoi NPR PUY" rowle a la ,rrie de la neoére P ressure, foidie [0033] Le rapport [Math 7] pression totale à. la sortie de la tuyère de contournement pression totale à la sottie de la tuyère de coeur [0034] peut également être appelé taux d'extraction. La pression ambiante (ou pression de l'environnement) peut également être appelée pression statique de sortie. [0035] L'homme du métier appréciera que la relation spécifiée entre les NPR peut améliorer l'efficacité du moteur par rapport aux turbomoteurs connus, par exemple en améliorant la combustion du carburant. L'homme du métier appréciera que la relation spécifiée entre des NPR peut permettre de déduire des limitations de dimension du coeur de moteur et/ou de la soufflante ; la relation spécifiée n'est donc pas limitée dans son application au moment où l'aéronef est dans des conditions de croisière ; au contraire, qu'un moteur tombe ou non dans le domaine d'application des revendications, peut être déduit de ces dimensions lorsque l'aéronef/moteur n'est pas utilisé. [0036] Le rapport contournement-coeur peut être supérieur à celui de moteurs à turbine à gaz d'aéronef connus. [0037] Le rapport contournement-coeur peut se situer dans la plage allant de 1,1 à 2,0 dans des conditions de croisière de l'aéronef. Le rapport contournement-coeur peut se situer dans la plage allant de 1,10 à 2,00 dans des conditions de croisière de l'aéronef. Le rapport contournement-coeur peut être supérieur à 1,15 dans des conditions de croisière de l'aéronef. Le rapport contournement-coeur peut se situer dans la plage allant de 1,2 à 1,5 dans des conditions de croisière de l'aéronef. Le rapport contournement-coeur peut 7 se situer dans la plage allant de 1,1 à 1,6 dans des conditions de croisière de l'aéronef. Éventuellement, par exemple pour un moteur ayant un rayon d'extrémité de soufflante dans la plage allant de 110 cm à 150 cm, le rapport contournement-coeur peut se situer dans la plage allant de 1,0 à 1,4 ; par exemple de 1,1 à 1,4 ou de 1,0 à 1,3. Éventuellement, par exemple pour un moteur ayant un rayon d'extrémité de soufflante dans la plage allant de 155 à 200 cm, le rapport contournement-coeur peut se situer dans la plage allant de 1,3 à 1,6. [0038] Éventuellement, par exemple pour un moteur ayant un rayon d'extrémité de soufflante dans la plage allant de 110 cm à 150 cm, NPR tuyère' a:eh:happement cle contournement peut être situé dans la plage allant de 2,0 à 2,3. Éventuellement, par exemple pour un moteur ayant un rayon d'extrémité de soufflante dans la plage allant de 155 cm à 200 cm, N R je, bai? peut être situé dans la plage allant de 2,1 à.è 100391 Éventuellement, par exemple pour un moteur ayant un rayon d'extrémité de soufflante dans la plage allant de 110 cm à 150 cm, N PR p peiner fa,