Brevet FR3131755A1 — publié le 20230714

Turbomoteur (1) pour aéronef (2) comprenant : - un générateur de gaz (3) comprenant un compresseur (4), une chambre de combustion (5) et une turbine de détente (6) ; - une turbine de puissance (8) entrainant en rotation une prise de mouvement (9) via un réducteur (10) ; - un échangeur de chaleur (11) comportant un premier circuit (12) et un second circuit (17) ; caractérisé en ce que le compresseur (4) comprend un premier arbre (22) entrainé en rotation par un second arbre (23) de la turbine de détente (6) via un mécanisme de transmission (24), ledit mécanisme de transmission (24) et ledit réducteur (10) faisant partie d’un boitier de transmission (25) qui est disposé axialement à une extrémité avant (20) du turbomoteur (1), de sorte que le compresseur (4) soit axialement disposé entre le boitier de transmission (25) et la turbine de puissance (8). Figure pour l'abrégé : 1 TURBOMOTEUR A CYCLE RÉCUPÉRÉ Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte à un turbomoteur à cycle récupéré pour un aéronef. Arrière-plan technique La demande FR2962487A1 au nom de la demanderesse décrit une première architecture de turbomoteur à cycle récupéré. Une telle architecture de turbomoteur comprend notamment d’avant en arrière une entrée d’air, un compresseur, une chambre de combustion, une turbine de détente (turbine liée ou turbine haute pression), une turbine de puissance (turbine libre ou turbine basse pression), et enfin une tuyère d’échappement. Le compresseur, la chambre de combustion et la turbine de détente forment un générateur de gaz dans lequel le rotor du compresseur est entrainé mécaniquement par le rotor de la turbine de détente via un arbre de transmission. La turbine de puissance est indépendante du générateur de gaz, et est destinée à entrainer une prise de mouvement (ou prise de force) du turbomoteur sur laquelle sont par exemple connectés le ou les propulseurs de l’aéronef. L'air qui pénètre par l’entrée d’air est comprimé par le compresseur, puis injecté dans la chambre de combustion pour être mélangé avec du carburant. Le mélange air/carburant est brûlé et détendu dans la turbine de détente puis dans la turbine de puissance avant d’être évacué du turbomoteur par la tuyère d’échappement. La turbomoteur est dit « à cycle récupéré » car l’énergie thermique résiduelle des gaz d’échappement est récupérée via des échangeurs chaleur placés dans la tuyère d’échappement, puis réinjectée dans le turbomoteur pour optimiser son rendement. La demande US20090277154A1 décrit une seconde architecture de turbomoteur à cycle récupéré. Cette seconde architecture présente la particularité d’avoir sa chambre de combustion à une extrémité arrière du turbomoteur, les turbines de détente et de puissance se trouvant axialement entre le compresseur et la chambre de combustion, les gaz d’échappement étant évacués du turbomoteur via deux tuyères en V disposées sensiblement au milieu du turbomoteur. Dans une telle architecture, l'air comprimé par le compresseur est acheminé vers l’arrière dans la chambre de combustion par des conduits d’alimentation disposés autour des turbines, l’air comprimé étant dévié avant son entrée dans la chambre de combustion. L’énergie thermique récupérée par les échangeurs de chaleur est ici utilisée pour réchauffer l’air comprimé sortant du compresseur avant son entrée dans la chambre de combustion. Une telle architecture permet d’améliorer les performances du turbomoteur puisque la quantité de carburant à injecter pour atteindre les températures de fonctionnement est inférieure à celle nécessaire dans le cas d’un turbomoteur à cycle classique (c’est-à-dire un turbomoteur dans lequel l’air comprimé sortant du compresseur alimente directement la chambre de combustion sans être réchauffé préalablement). La prise de mouvement est entrainée par la turbine de puissance via un réducteur disposé axialement entre le compresseur et les turbines. En comparaison à la première architecture décrite ci-dessus, cette seconde architecture décrite dans US20090277154A1 présente l’avantage de faire croiser le flux d’air sorti du compresseur, qui est amené vers la chambre de combustion par l’intermédiaire de deux conduits d’alimentation, avec le flux de gaz chauds sorti des deux tuyères d’échappement. Elle se prête donc particulièrement à l’intégration d’échangeurs de chaleur pour le cycle récupéré, tout en minimisant les longueurs de conduits nécessaires et donc la masse et l’encombrement du système à cycle récupéré. Toutefois, la seconde architecture présente des inconvénients. En effet, premièrement, le réducteur précité est généralement associé à une boite d’accessoires qui est destinée à transmettre une puissance mécanique prélevée sur les turbines à divers accessoires du turbomoteur tels qu’une pompe, un alterno-démarreur, un séparateur air/huile, etc. Le réducteur et la boite d’accessoires sont volumineux, ce que limite significativement l’espace disponible autour du compresseur et des turbines, et donc les possibilités pour implanter le ou les échangeurs de chaleur destinés à la récupération de l’énergie thermique résiduelle des gaz d’échappement. Deuxièmement, l’agencement du réducteur sensiblement au milieu du turbomoteur oblige un déport conséquent de la prise de mouvement pour contourner notamment le compresseur et les conduits d’alimentation, au détriment de la masse et de l’équilibre (ou répartition des masses) du turbomoteur. L’objectif de la présente invention est donc d’apporter une solution simple, efficace et économique permettant de répondre aux inconvénients précités. L’invention propose ainsi un turbomoteur pour un aéronef, le turbomoteur comprenant : - un générateur de gaz comprenant un compresseur, une chambre de combustion et une turbine de détente, le compresseur et la turbine de détente s’étendant selon un même axe longitudinal X et étant reliés mécaniquement l’un à l’autre, la chambre de combustion étant disposée axialement à une extrémité arrière du turbomoteur ; - une turbine de puissance disposée axialement entre le compresseur et la turbine de détente, la turbine de puissance entrainant en rotation une prise de mouvement via un réducteur ; - un échangeur de chaleur comportant : - un premier circuit comportant une entrée reliée à une sortie du compresseur, et une sortie reliée à une entrée de la chambre de combustion, et - un second circuit comportant une entrée reliée à une sortie de la turbine de puissance, caractérisé en ce que le compresseur comprend un premier arbre entrainé en rotation par un second arbre de la turbine de détente via un mécanisme de transmission, ledit mécanisme de transmission et ledit réducteur faisant partie d’un boitier de transmission qui est disposé axialement à une extrémité avant du turbomoteur, de sorte que le compresseur soit axialement disposé entre le boitier de transmission et la turbine de puissance. Un tel mécanisme de transmission permet de transmettre le mouvement de rotation initié par la turbine de détente jusqu’au compresseur tout en ayant la possibilité de modifier sa vitesse, de manière à faire fonctionner le compresseur dans la plage de fonctionnement souhaitée. Il est par exemple possible d’accroitre la vitesse du premier arbre du compresseur, de sorte à minimiser le nombre d’étages de compression nécessaire, au bénéfice notamment de l’encombrement axial du turbomoteur. Un tel agencement du boitier de transmission (réducteur et mécanisme de transmission) permet notamment de libérer de l’espace autour du compresseur et des turbines pour implanter l’échangeur de chaleur. Il est désormais possible d’envisager l’implantation d’un échangeur de chaleur annulaire autour de l’axe X. Un tel agencement du boitier de transmission permet également de simplifier l’accès et l’entrainement de la prise de mouvement. Une telle architecture de turbomoteur est dit à « cycle récupéré » car l’énergie thermique résiduelle des gaz d’échappement est récupérée via l’échangeur de chaleur pour réchauffer l’air comprimé sortant du compresseur avant son entrée dans la chambre de combustion. Une telle architecture à cycle récupéré permet d’améliorer les performances du turbomoteur puisque la quantité de carburant à injecter pour atteindre les températures de fonctionnement est inférieure à celle nécessaire dans le cas d’un turbomoteur à cycle classique. Le turbomoteur selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - la turbine de puissance comprend un troisième arbre, les premier, second et troisième arbres étant coaxiaux avec ledit axe longitudinal X ; - le troisième arbre de la turbine de puissance est disposé radialement entre les premier et second arbres ; - ledit mécanisme de transmission présente un rapport de transmission supérieur à 1, de sorte que la vitesse du premier arbre du compresseur soit supérieure à la vitesse du second arbre de la turbine de détente ; - ledit mécanisme de transmission est un mécanisme à engrenages ; - ledit mécanisme de transmission comprend une première roue dentée solidaire du premier arbre du compresseur et une seconde roue dentée solidaire du second arbre de la turbine de détente, ledit réducteur comprenant une troisième roue dentée solidaire d’un troisième arbre de la turbine de puissance, la troisième roue dentée du réducteur étant disposée axialement entre lesdites première et seconde roues dentées du mécanisme de transmission ; - le boitier de transmission présente, d’avant en arrière, la seconde roue dentée, la troisième roue dentée et la première roue dentée ; - ladite prise de mouvement est coaxiale ou verticalement alignée avec ledit axe longitudinal X ; - le premier arbre du compresseur est guidé en rotation via un premier palier et un second palier disposés dans le boitier de transmission ; - ledit second arbre de la turbine de détente est guidé en rotation via un troisième palier disposé dans le boitier de transmission, et un quatrième palier disposé soit entre les turbines de détente et de puissance soit à une extrémité arrière dudit second arbre se trouvant du côté opposé à la turbine de puissance ; - ledit troisième arbre de la turbine de puissance est guidé en rotation via un cinquième palier disposé dans le boitier de transmission, et un sixième palier disposé axialement entre le compresseur et la turbine de puissance ; - l’échangeur de chaleur est annulaire autour dudit axe longitudinal X ; - l’échangeur de chaleur est disposé au moins en partie autour de la turbine de puissance ; - l’échangeur de chaleur est sectorisé et comprend au moins deux secteurs mis circonférentiellement bout à bout ou distants circonférentiellement l’un de l’autre, chaque secteur de l’échangeur de chaleur comprenant une sous-entrée du premier circuit reliée à la sortie du compresseur ; - l’échangeur de chaleur est monobloc ; - le turbomoteur comprend au moins un premier conduit de dérivation comportant une entrée reliée à la sortie du compresseur et une sortie reliée à l’entrée de la chambre de combustion, de sorte que le premier conduit de dérivation alimente la chambre de combustion en air comprimé sortant du compresseur sans passer par l’échangeur de chaleur ; - le turbomoteur comprend au moins un second conduit de dérivation comportant une entrée reliée à la sortie de la turbine de puissance et une sortie reliée à la tuyère, de sorte que le second conduit de dérivation alimente la tuyère en gaz d’échappement sortant de la turbine de puissance sans passer par l’échangeur de chaleur ; - le réducteur fait partie d’un boitier de transmission, le boitier de transmission comprenant une boite d’accessoires destinée à transmettre une puissance mécanique prélevée sur le compresseur et/ou la turbine de détente et/ou la turbine de puissance à divers accessoires du turbomoteur ; - l’échangeur comprend un blindage de rétention de pales mobiles de la turbine de puissance configuré pour contenir lesdites pales mobiles en cas de survitesse de la turbine de puissance ; - l’échangeur de chaleur comprend une couche d’atténuation acoustique. La présente invention concerne encore un aéronef , de préférence un hélicoptère monomoteur, comprenant un turbomoteur tel que décrit précédemment. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la est une vue schématique d’un turbomoteur selon l’invention ; la est une vue de détail d’une première variante de réalisation ; la est une vue de détail d’une seconde variante de réalisation ; la est une vue de détail d’une troisième variante de réalisation ; la est une vue de détail d’une quatrième variante de réalisation. Turbomoteur (1) pour aéronef (2), le turbomoteur (1) comprenant : - un générateur de gaz (3) comprenant un compresseur (4), une chambre de combustion (5) et une turbine de détente (6), le compresseur (4) et la turbine de détente (6) s’étendant selon un même axe longitudinal (X) et étant reliés mécaniquement l’un à l’autre, la chambre de combustion (5) étant disposée axialement à une extrémité arrière (7) du turbomoteur (1) ; - une turbine de puissance (8) disposée axialement entre le compresseur (4) et la turbine de détente (6), la turbine de puissance (8) entrainant en rotation une prise de mouvement (9) via un réducteur (10) ; - un échangeur de chaleur (11) comportant : - un premier circuit (12) comportant une entrée (13) reliée à une sortie (14) du compresseur (4), et une sortie (15) reliée à une entrée (16) de la chambre de combustion (5), et - un second circuit (17) comportant une entrée (18) reliée à une sortie (19) de la turbine de puissance (8), caractérisé en ce que le compresseur (4) comprend un premier arbre (22) entrainé en rotation par un second arbre (23) de la turbine de détente (6) via un mécanisme de transmission (24), ledit mécanisme de transmission (24) et ledit réducteur (10) faisant partie d’un boitier de transmission (25) qui est disposé axialement à une extrémité avant (20) du turbomoteur (1), de sorte que le compresseur (4) soit axialement disposé entre le boitier de transmission (25) et la turbine de puissance (8). Turbomoteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la turbine de puissance (8) comprend un troisième arbre (26), les premier, second et troisième arbres (22, 23, 26) étant coaxiaux avec ledit axe longitudinal (X). Turbomoteur (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le troisième arbre (26) de la turbine de puissance (8) est disposé radialement entre les premier et second arbres (22, 23). Turbomoteur (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit mécanisme de transmission (24) présente un rapport de transmission supérieur à 1, de sorte que la vitesse du premier arbre (22) du compresseur (4) soit supérieure à la vitesse du second arbre (23) de la turbine de détente (6). Turbomoteur (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit mécanisme de transmission (24) est un mécanisme à engrenages. Turbomoteur (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit mécanisme de transmission (24) comprend une première roue dentée (39) solidaire du premier arbre (22) du compresseur (4) et une seconde roue dentée (40) solidaire du second arbre (23) de la turbine de détente (6), ledit réducteur (10) comprenant une troisième roue dentée (41) solidaire d’un troisième arbre (26) de la turbine de puissance (8), la troisième roue dentée (41) du réducteur (10) étant disposée axialement entre lesdites première et seconde roues dentées (39, 40) du mécanisme de transmission (24). Turbomoteur (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que le boitier de transmission (25) présente, d’avant en arrière, la seconde roue dentée (40), la troisième roue dentée (41) et la première roue dentée (39). Turbomoteur (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite prise de mouvement (9) est coaxiale ou verticalement alignée avec ledit axe longitudinal (X). Turbomoteur (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier arbre (22) du compresseur (4) est guidé en rotation via un premier palier (49) et un second palier (50) disposés dans le boitier de transmission (25). Turbomoteur (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit second arbre (23) de la turbine de détente (6) est guidé en rotation via un troisième palier (51) disposé dans le boitier de transmission (25), et un quatrième palier (52) disposé soit entre les turbines de détente et de puissance (6, 8) soit à une extrémité arrière dudit second arbre (23) se trouvant du côté opposé à la turbine de puissance (8). Turbomoteur (1) selon l’une des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que ledit troisième arbre (26) de la turbine de puissance (8) est guidé en rotation via un cinquième palier (53) disposé dans le boitier de transmission (25), et un sixième palier (54) disposé axialement entre le compresseur (4) et la turbine de puissance (8). Aéronef (2), de préférence un hélicoptère monomoteur, comprenant un turbomoteur (1) selon l’une des revendications précédentes.