Brevet FR3096959A1 — publié le 20201211

Description Titre de l'invention : Capot de protection de moteur électrique d'aéronef à décollage et atterrissage verticaux et moteur électrique comportant un tel capot de protection Domaine technique 100011 La présente invention concerne un capot de protection pour moteur électrique d'aéronef à décollage et atterrissage verticaux, ou VTOL (acronyme de l'expression anglo-saxonne «Take-off and Landing Aircraft»). Elle concerne également un moteur électrique pour VTOL, équipé d'un tel capot de protection. 100021 L'invention trouve des applications dans le domaine de l'aéronautique et, en par- ticulier, dans le domaine des moteurs pour VTOL. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION 100031 Les constructeurs aéronautiques cherchent à développer des aéronefs à décollage et atterrissage verticaux (VTOL) qui peuvent s'affranchir des pistes habituellement nécessaires pour le décollage et l'atterrissage des aéronefs classiques. Il existe plusieurs types de VTOL répertoriés en fonction des moteurs utilisés. Selon un de ces types, l'aéronef comporte au moins deux moteurs élévateurs positionnés verticalement sur la voilure pour assurer le décollage et l'atterrissage de l'aéronef et un ou plusieurs moteurs de propulsion, classiques, positionnés horizontalement pour assurer le vol de l'aéronef en mode croisière. 100041 Les figures 1 et 2 représentent, respectivement, une vue de face et une vue de dessus d'un exemple de VTOL référencé 10. Ce VTOL 10, appelé par la suite plus simplement aéronef, est équipé d'un moteur de propulsion 14 monté de sorte que son axe dc rotation soit parallèle au fuselage 15 de l'aéronef. L'aéronef 10 est équipé, en outre, de quatre moteurs élévateurs 11 montés chacun sur une des ailes 12 dc la voilure dudit aéronef Chacun des moteurs élévateurs 11 est un moteur électrique qui comporte un axe de rotation sensiblement perpendiculaire au plan de la voilure et surmonté d'une hélice 13. 11 comporte en outre, comme représenté sur les figures 3 et 4, divers composants internes dont un stator 20 et un carter 21, ceints par un capot de protection 25. Le stator et/ou le carter comporte(nt) généralement, sur leur surface externe, des ailettes dc refroidissement 22 assurant une fonction de canalisation du flux d'air dc refroidissement. Ce flux d'air de refroidissement est généralement généré par une roue de ventilation 23 entraînée en rotation, en amont. Le capot de protection 25, de forme habituellement cylindrique ou parallélépipédique, enveloppe au moins partiellement le stator et le carter de sorte à protéger les composants internes du moteur du flux d'air extérieur. 2 100051 Comme représenté sur la figure 2, en mode croisière, les moteurs de propulsion 14 du VTOL 10 sont dans un écoulement d'air (représenté par la flèche E) parallèle à leur axe de rotation. Au contraire, les moteurs élévateurs 11 sont dans un écoulement d'air perpendiculaire à leur axe de rotation, ce qui génère, en aval de chacun desdits moteurs élévateurs, une tramée aérodynamique. La tramée aérodynamique Ta est d'autant plus importante que, non seulement le positionnement du moteur élévateur est vertical, mais aussi que le capot de protection 25 dudit moteur est de section circulaire ou rectangulaire. Or, les tramées aérodynamiques générées par chacun des moteurs élévateurs 11 entraînent une surconsommation de l'énergie nécessaire au vol de l'aéronef et cette surconsommation d'énergie, en plus d'être couteuse, a un impact direct sur l'autonomie du moteur, dès lors que l'énergie est une énergie électrique. [0006] De plus, en mode croisière, le refroidissement du moteur élévateur 11 n'est pas cor- rectement assuré car le flux d'air de refroidissement n'est pas dans l'axe de l'écoulement de l'air extérieur. En effet, les moteurs élévateurs de VTOL sont généralement amenés à tourner dans les deux sens selon que l'hélice 13 est positionnée au-dessus du moteur (configuration « traction ») ou positionnée en dessous du moteur (configuration « propulsion »), ce qui a pour conséquence que la roue de ventilation 23 ne peut plus être utilisée car, même si elle est entrainée de manière indépendante du moteur, l'écoulement de ventilation a tendance à aller en sens inverse du sens généré par l'hélice. En outre, pour les mêmes misons, les ailettes de refroidissement 22 du moteur ne peuvent pas être inclinées par rapport à l'axe moteur, mais doivent être parallèles dans un plan radial. Ll est donc nécessaire de modifier la forme de l'hélice pour générer l'écoulement de ventilation dans un sens ou dans l'autre et d'assurer le refroidissement par un autre dispositif, après l'arrêt moteur et pendant la phase de démarrage du moteur. Résumé de l'invention [OOO7j Pour répondre aux problèmes évoqués ci-dessus de génération d'une tramée aéro- dynamique importante et du refroidissement altéré des moteurs élévateurs, le demandeur propose un capot de protection pour moteur électrique de VTOL dont la forme permet à la fois une meilleure pénétration dans l'air et la génération d'un flux d'air turbulent permettant de refroidir le moteur. [0008] Selon un premier aspect, l'invention concerne un capot de protection de moteur électrique d'aéronef à décollage et atterrissage verticaux (VTOL), caractérisé en ce qu'il comporte un profil NACA comprenant une surface externe dont une zone médiane, située entre un bord d'attaque et un bord de fuite dudit profil NACA, est pourvue d'alvéoles réparties de façon homogène sur ladite zone médiane. [0009] Ce capot de protection présente un profil aérodynamique limitant la tramée aéro- 3 dynamique engendrée par les éléments qu'il protège. [0010] Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un moteur électrique pour aéronef à décollage et atterrissage verticaux (VTOL) comprenant un capot de protection ayant une forme adaptée pour ceindre et protéger au moins un carter et un stator dudit moteur. Ce moteur électrique se caractérise par le fait que la forme du capot de protection présente un profil NACA, ledit profil NACA comportant une surface externe dont une zone médiane, située entre un bord d'attaque et un bord de fuite dudit profil NACA, est pourvue d'alvéoles réparties de façon homogène sur ladite zone médiane. [0011] Ce moteur électrique, par exemple un moteur élévateur, présente l'avantage de ne générer qu'une tramée aérodynamique minime et donc de ne pas entraîner de surconsommation d'énergie électrique. [0012] Outre les caractéristiques qui viennent d'être évoquées dans le paragraphe précédent, le moteur électrique selon un aspect de l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : une au moins des alvéoles est équipée d'un orifice assurant une pénétration, à l'intérieur du capot de protection, d'un flux d'air rendu turbulent par les alvéoles ; la zone médiane couvre une surface comprise entre environ 25% et 67% de la corde du capot de protection ; chaque alvéole est constituée d'une dépression d'un périmètre et d'une profondeur prédéfinis, petits par rapport aux dimensions du capot de protection ; au moins une des alvéoles comporte une bordure incurvée ; au moins une des alvéoles comporte une bordure non-incurvée ; au moins un orifice d'alvéole est de forme cylindrique ou conique ; au moins un orifice d'alvéole comporte une forme en double cônes inversés, favorisant un effet Venturi ; le profil NACA du capot de protection est un profil symétrique ; le bord d'attaque et le bord de fuite sur la surface externe du profil NACA sont des surfaces lisses ; le capot de protection enceint une hélice montée sur le moteur électrique, ledit capot de protection étant ouvert en amont de l'hélice ; le capot de protection enceint au moins deux ensembles de carter et stator positionnés coaxialement l'un à l'autre. [0013] Selon un troisième aspect, l'invention concerne un aéronef à décollage et atterrissage verticaux (VTOL) comportant au moins un moteur électrique tel que défini pré- cédemment. Brève description des dessins [0014] D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures dans lesquelles : [0015] [fig.11 La figure 1, déjà décrite, représente une vue schématique de face d'un exemple de VTOL; [0016] [fig.21 La figure 2, déjà décrite, représente une vue schématique de dessus du VTOL de la figure 1; [0017] [fig.11 La figure 3, déjà décrite, représente une vue schématique en perspective d'un exemple de moteur élévateur selon l'art antérieur ; [0018] Lfig.4] La figure 4, déjà décrite, représente une vue schématique cn perspective d'un autre exemple de moteur élévateur selon Fart antérieur ; [0019] Lfig.51 La figure 5 représente une vue schématique d'un exemple de capot de protection avec un profil NACA ; [0020] Lfig.6] La figure 6 représente une vue schématique d'une comparaison de tramées aé- rodynamiques générées par un moteur élévateur selon l'art antérieur par un moteur élévateur selon l'invention ; [0021] Lfig.7] La figure 7 représente plusieurs exemples de profils NACA ; [0022] W8.81 La figure 8 représente une vue schématique d'un capot de protection selon l'invention, vu de dessus et vu de côté ; [0023] Lfig.9] La figure 9 représente des vues schématiques de côté et de dessus d'alvéoles réparties sur la zone médiane du capot de protection selon l'invention ; et [0024] Lfig.10] La figure 10 représente une vue schématique du flux d'air turbulent au voisinage des alvéoles du capot de protection selon l'invention. Description des modes de réalisation 100251 Un exemple de réalisation d'un capot de protection pour moteur électrique de VTOL configuré pour limiter la tramée aérodynamique et permettre un refroidissement du moteur est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Cet exemple illustre les caractéristiques et avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple. 100261 Sur les figures, les éléments identiques sont repérés par des références identiques. Pour des questions de lisibilité des figures, les échelles de taille entre éléments représentés ne sont pas respectées. 100271 Le capot de protection selon l'invention est une structure entourant au moins par- tiellement le carter et le stator d'un moteur électrique tel qu'un moteur élévateur d'aéronef. La figure 5 représente un exemple d'un capot de protection 200 dont la forme permet de limiter la tramée aérodynamique générée par le moteur électrique lorsque le VTOL est en configuration dc croisière, présente un profil NACA, référencé 210 sur la figure 5. On appelle « profil NACA » un profil aérodynamique, bien connu de l'homme du métier, développé par le Comité consultatif national pour l'aéronautique (National Advisory Committee for Aeronautics, en termes anglo-saxons) pour déterminer un profil d'aile d'aéronef en fonction de paramètres de vol souhaitez (portance, vitesse, tramée, etc.). [0028] Le profil NACA est un profil dit « en aile d'avion » qui peut être symétrique, asy- métrique, convexe, biconvexe, etc., et qui permet d'obtenir une forme d'aile d'aéronef présentant notamment la portance et la tramée aérodynamique prédéfinics. Il existe de nombreux profils NACA qui correspondent chacun à une forme différente répondant aux critères aérodynamiques. La forme d'un profil NACA est décrite à l'aide d'une série de chiffres (par exemple quatre, cinq ou six chiffres) placée après le mot «NACA ». Chaque chiffre correspond à la valeur d'un paramètre qui, saisi dans des équations spécifiques connues de l'homme du métier, permettent dc générer précisément la section de l'aile d'aéronef et de calculer ses propriétés. Les valeurs des paramètres, données généralement en pourcentage, correspondent, par exemple, à la cambrure du profil en pourcentage de la longueur dc la corde, à la position de la cambrure maximale en dixième de la corde et à l'épaisseur maximale du profil en pourcentage de la corde. Typiquement, un profil NACA à quatre chiffres s'écrit « NACA x, y, zz » où x correspond à la flèche maximale, y correspond à la position de cette flèche sur la corde et zz correspond à l'épaisseur relative de la corde. [0029] Un exemple d'une forme correspondant à un profil NACA est représenté sur la figure 5. Dans cet exemple, le profil NACA du capot de protection 200 est asymétrique avec un extrados 204 présentant une première courbure, un intrados 203 présentant une deuxième courbure, une corde 206 sensiblement plane et une épaisseur 205 variable entre le bord d'attaque 201 et le bord de fuite 202. Le bord d'attaque 201 du capot de protection 200 a une forme sensiblement parabolique et le bord de fuite 202 une forme sensiblement conique, non-symétriques. Divers autres exemples de profils NACA sont représentés sur la figure 7. [0030] Dans d'autres exemples, le capot de protection peut présenter un profil NACA sy- métrique, comme celui représenté schématiquement sur les figures 6 et 8, qui confère audit capot de protection sensiblement la forme d'une goutte d'eau. Selon l'invention, le profil de type NACA du capot de protection 200 permet une bonne pénétration dudit capot dans l'air. Ainsi, le moteur électrique 250 muni d'un tel capot de protection génère, dans le flux d'air E s'écoulant de l'amont vers l'aval, une tramée aérodynamique minimisée par rapport à la tramée aérodynamique générée par un moteur électrique de l'art antérieur. La figure 6 représente schématiquement la tramée aérodynamique Tal obtenue avec un moteur électrique à capot de protection cylindrique 11 6 (selon l'art antérieur), comparée à la tramée aérodynamique Ta2 obtenue avec un moteur électrique 250 ayant un capot de protection à profil NACA 200 (selon l'invention). On voit sur cette figure 6 que, dans le cas de l'invention, la tramée aérodynamique Ta2 est suffisamment minime pour ne pas avoir d'effet en aval du moteur électrique 250 et, par conséquent, ne pas générer une surconsommation d'énergie lorsque r aéronef est en mode croisière. [0031] Le capot de protection 200 de l'invention comporte, dans la partie médiane 220 du profil NACA 210, une pluralité d'alvéoles 300, comme représenté sur la figure 8. Le nombre d'alvéoles dépend des dimensions et de la puissance du moteur élévateur ; il peut varier de quelques alvéoles (moins d'une dizaine) à plusieurs dizaines d'alvéoles, par exemple. Quel que soit leur nombre, les alvéoles 300 sont réparties de façon homogène, c'est-à-dire qu'elles sont réparties avec un espace régulier entre elles, sur la surface externe du capot de protection. On entend par « surface externe du capot de protection » la surface du capot de protection en contact avec le flux d'air, cette surface comprenant l'extrados 204, l'intrados 203 et toute la surface latérale entre l'extrados et l'intrados. [0032] Comme représenté dans l'exemple de la figure 8, où les parties A et B représentent, respectivement, une vue de dessus et une vue de côté d'un capot de protection avec un profil NACA symétrique, les alvéoles 300 sont des dépressions peu profondes, de faibles dimensions par rapport aux dimensions du capot de protection. Les alvéoles 300 sont formées à la surface du capot de protection 200, dans une zone médiane 220 située entre le bord d'attaque 201 et le bord de fuite 202 dudit capot de protection. La zone médiane 220, ou partie médiane, s'étend longitudinalement entre le bord d'attaque 201 et le bord de fuite 202 sur une longueur variable en fonction du profil NACA choisi de façon à recouvrir environ 25 à 67% de la corde 206 dudit profil. La zone médiane 220 s'étend transversalement sur toute la circonférence du profil NACA 210. [0033] Comme montré sur la figure 8, hors zone médiane 220, en particulier au niveau du bord d'attaque 201 et du bord de fuite 202, la surface externe du capot de protection 200 est lisse et dépourvue de toutes aspérités ou rugosités de façon à optimiser l'écoulement de l'air. Au contraire, dans la zone médiane 220, l'écoulement de l'air est rendu turbulent par la présence des alvéoles 300. Cet ensemble de caractéristiques (profil NACA et alvéoles en zone médiane) permettent de minimiser la tramée aérodynamique. [0034] Les turbulences d'air générées par les alvéoles sont également utilisées pour refroidir le moteur logé en intérieur du capot de protection 200. Selon certains modes de réalisation, certaines au moins des alvéoles 300 sont munies d'un orifice traversant 350 permettant à l'air extérieur de pénétrer à l'intérieur du capot de protection pour 7 refroidir le moteur. En effet, l'air qui s'écoule autour de la partie médiane 220 du profil NACA 210 est rendu turbulent par la présence des alvéoles 300 et cet air turbulent pénètre à l'intérieur du capot de protection via le ou les orifices 350 d'alvéoles afin de refroidir le moteur. Sur la figure 10, on a représenté schématiquement un exemple de capot de protection 200 dont certaines alvéoles sont équipées d'un orifice 350 par lequel le flux d'air turbulent T traverse la paroi du capot de protection. Cette figure 10 montre les turbulences T créées au voisinage de la zone médiane 220 par les alvéoles et ayant pénétré à l'intérieur du capot de protection. [0035] Dans certains modes de réalisation, toutes les alvéoles comportent un orifice 350. Dans d'autres modes de réalisation, aucune alvéole ne comporte un orifice 350. Dans encore d'autres modes de réalisation, certaines des alvéoles 300 comportent un orifice 350. Le nombre d'alvéoles percées d'un orifice 350 est déterminé en fonction de la puissance du moteur et donc de la quantité de calories à évacuer. De même, le choix des alvéoles devant être percées et le périmètre des orifices 350 sont déterminés en fonction de la puissance et du type de moteur afin que le flux d'air turbulent soit orienté le plus efficacement vers le moteur. [0036] Les alvéoles 300 peuvent prendre des formes et des profondeurs diverses. Toutes les alvéoles d'une même zone médiane 220 peuvent être identiques. Au contraire, les alvéoles d'une zone médiane 220 peuvent ne pas être identiques, ce qui permet de moduler les effets de turbulence recherchés. Des exemples de formes d'alvéoles sont représentés sur la figure 9. Les alvéoles 300 peuvent présenter, par exemple, vu de dessus, une forme circulaire ou ovoïde comme sur les parties A, B et C de la figure 9. Elles peuvent également présenter, vu de dessus, une forme sensiblement carrée avec des angles arrondis, comme représenté sur la partie D de la figure 9, ou une forme sensiblement hexagonale. Les alvéoles 300 peuvent comporter des bords incurvés, c'est-à-dire dont la pente présente une courbure (comme sur les parties A et C de la figure 9) ou, au contraire, des bords non-incurvés, c'est-à-dire dont la pente est proche de 90° (comme sur les parties B et D de la figure 9). Une géométrie possible des alvéoles peut être la géométrie des balles de golf comme, par exemple, la géométrie décrite dans le document FR2627092A1 ou dans le document FR2627093A1. [0037] La géométrie des orifices 350 des alvéoles peut également être adaptée en fonction des besoins de refroidissement et donc de la puissance et du type de moteur. En effet, non seulement le périmètre des orifices 350 peut varier, mais également la forme de l'orifice. Par exemple, l'orifice percé dans l'alvéole peut être cylindrique ou bien avoir une forme conique, comme représenté sur la partie B de la figure 9, qui a l'avantage de favoriser la turbulence à la sortie de l'orifice. Il peut également avoir la forme d'un double cônes inversés qui a l'avantage de favoriser un effet Venturi. Dans certains modes de réalisation, des orifices 350 de géométries différentes sont réalisés dans les 8 alvéoles 300 de la zone médiane : des orifices coniques avec leurs sommets dirigés vers l'intérieur du capot de protection, des orifices coniques avec leurs sommets dirigés vers l'alvéole et des orifices cylindriques, peuvent, par exemple, être répartis sur la zone médiane afin d'engendrer des turbulences particulières. [0038] Selon certains modes de réalisation de l'invention, le capot de protection 200 enceint, en plus du moteur élévateur, l'hélice 13 montée sur ledit moteur. Le capot de protection 200 est alors ouvert en amont de l'hélice et d'une dimension suffisamment grande pour ne pas entraver la rotation de l'hélice. Lorsque le moteur est en configuration « traction » avec l'hélice 13 fixée au-dessus du moteur, le capot de protection 200 s'étend à la verticale au-dessus du moteur et ceint l'hélice. Le capot de protection est alors ouvert au-dessus de l'hélice. Lorsque le moteur est en configuration « propulsion » avec l'hélice 13 fixée en-dessous du moteur, le capot de protection 200 s'étend à la verticale en-dessous du moteur et ceint l'hélice. Le capot de protection est alors ouvert en-dessous de l'hélice. [0039] Selon certains modes de réalisation, le capot de protection 200 enceint au moins deux ensembles de carter et stator positionnés coaxialernent l'un à l'autre. Autrement dit, lorsque l'aéronef comporte plus de deux moteurs élévateurs, les deux moteurs élévateurs coaxiaux peuvent comporter un seul et même capot de protection 200, ce capot s'étendant longitudinalement depuis l'avant du moteur amont (c'est-à-dire le plus proche du nez de l'aéronef) jusqu'à l'arrière du moteur aval (c'est-à-dire le plus éloigné du nez de l'aéronef). [0040] Bien que décrit à travers un certain nombre d'exemples, variantes et modes de réa- lisation, le capot de protection de moteur électrique de VTOL selon l'invention comprend divers variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme du métier, étant entendu que ces variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention. 9 REVENDICATIONS[Revendication 1] Capot dc protection (200) de moteur électrique d'aéronef à décollage et atterrissage verticaux (VTOL), caractérisé en ce qu'il comporte un profil NACA (210) comprenant une surface externe dont une zone médiane (220), située entre un bord d'attaque (201) et un bord de fuite (202) dudit profil NACA, est pourvue d'alvéoles (300) réparties de façon homogène sur ladite zone médiane. [Revendication 2] Moteur électrique (250) pour aéronef à décollage et atterrissage verticaux (VTOL) comprenant un capot de protection (200) ayant une forme adaptée pour ceindre et protéger au moins un carter et un stator dudit moteur, caractérisé en ce que la forme du capot de protection (200) présente un profil NACA, ledit profil NACA comportant une surface externe dont une zone médiane (220), située entre un bord d'attaque (201) et un bord de fuite (202) dudit profil NACA, est pourvue d'alvéoles (300) réparties de façon homogène sur ladite zone médiane. [Revendication 3] Moteur électrique selon la revendication 2, caractéiisé en ce qu'une au moins des alvéoles (300) est équipée d'un orifice (350) assurant une pénétration, à l'intérieur du capot de protection (200), d'un flux d'air rendu turbulent par les alvéoles. [Revendication 4] Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, ca- ractérisé en ce que la zone médiane (220) couvre une surface comprise entre environ 25% et 67% de la corde (206) du capot de protection (200). [Revendication 5] Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, ca- ractérisé en ce que chaque alvéole (300) est constituée d'une dépression d'un périmètre et d'une profondeur prédéfinis, petits par rapport aux dimensions du capot de protection. [Revendication 6] Moteur électrique selon la revendication 5, caractéiisé en ce que au moins une alvéole (300) comporte une bordure incurvée. [Revendication 7] Moteur électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que au moins une alvéole (300) comporte une bordure non-incurvée. [Revendication 8] Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, ca- ractérisé en ce que au moins un orifice (350) d'alvéole est de forme cylindrique ou conique. [Revendication 9] Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, ca- ractérisé en ce que au moins un orifice (350) d'alvéole comporte une 10 forme en double cônes inversés, favorisant un effet Venturi. [Revendication 10] Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, ca- ractérisé en ce que le profil NACA du capot de protection est un profil symétrique. [Revendication 11] Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, ca- ractérisé en ce que le bord d'attaque et le bord de fuite sur la surface externe du profil NACA sont des surfaces lisses. [Revendication 12] Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, ca- ractérisé en ce que le capot de protection (200) enceint une hélice montée sur le moteur électrique (250), ledit capot de protection étant ouvert en amont de l'hélice. [Revendication 13] Moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 12, ca- ractérisé en ce que le capot de protection (200) enceint au moins deux ensembles de carter et stator positionnés coaxialemcnt l'un et l'autre. [Revendication 14] Aéronef à décollage et atterrissage verticaux (VTOL) comportant au moins un moteur électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 13.