Brevet FR3129180A1 — publié le 20230519

L’invention concerne un turbomoteur (110) pour un hélicoptère (100) comprenant un générateur de gaz (114) ayant un arbre de générateur de gaz (115), une turbine libre (124) destinée à être entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz et comportant un arbre de turbine libre (128) s’étendant coaxialement à l’intérieur de l’arbre de générateur de gaz (115) et adapté pour la transmission de puissance vers une boîte de transmission principale (112) de l’hélicoptère, et un dispositif de réduction de vitesse (140) destiné à être entrainé par la turbine libre et configuré pour réduire la vitesse de rotation de l’arbre de turbine libre, caractérisé en ce que le dispositif de réduction de vitesse est agencé en aval de la turbine libre (124). Figure pour l'abrégé : Figure 3 TURBOMOTEUR ÉQUIPÉ D’UNE TURBINE LIBRE AVEC ARBRE TRAVERSANT ET D’UN RÉDUCTEUR AVAL La présente invention concerne le domaine des turbines à gaz et notamment celui des turbomoteurs pour des engins volants tels des hélicoptères. La présente invention concerne plus particulièrement un turbomoteur, notamment pour un hélicoptère, comportant un générateur de gaz et une turbine libre entraînée en rotation par le flux de gaz généré par le générateur de gaz. Traditionnellement, le générateur de gaz comporte au moins un compresseur et une turbine couplés en rotation. Le principe de fonctionnement est le suivant : l'air frais entrant dans le turbomoteur est comprimé du fait de la rotation du compresseur avant d'être envoyé vers une chambre de combustion où il est mélangé à un carburant. Les gaz brûlés du fait de la combustion sont ensuite évacués à grande vitesse. Il se produit alors une première détente dans la turbine du générateur de gaz, durant laquelle cette dernière extrait l'énergie nécessaire à l'entraînement du compresseur et des équipements indispensables au bon fonctionnement du générateur de gaz. Ces équipements sont généralement disposés sur une boite d'accessoires de la turbine à gaz, cette dernière comportant un ensemble de pignons. La turbine du générateur de gaz n'absorbe pas toute l'énergie cinétique des gaz brûlés et l'excédent d'énergie cinétique correspond au flux de gaz généré par le générateur de gaz. Ce dernier fournit donc de l'énergie cinétique à la turbine libre de sorte qu'il se produit une seconde détente dans la turbine libre qui transforme cette énergie cinétique en énergie mécanique afin d'entraîner directement ou via un réducteur, un organe récepteur, tel la Boite de Transmission Principale (BTP) de l'hélicoptère. Traditionnellement, le générateur de gaz, la turbine libre, la boite d'accessoires et dans certain cas le réducteur, font partis d'un même ensemble « turbomoteur » qui est destiné à être fixé à l'hélicoptère. La boîte de transmission principale de l'hélicoptère a pour vocation d'une part de transmettre les efforts de sustentation du rotor à l'ensemble de la structure de l'hélicoptère, de réduire la vitesse entre le turbomoteur et le rotor par le biais de pignons, et de supporter un certain nombre d'équipements. La est une vue en coupe longitudinale d'un turbomoteur 10A d'hélicoptère de l'art antérieur. Ce turbomoteur 10A comporte un carter 12A dans lequel est logé un générateur de gaz 14A. Ce dernier comprend un arbre de générateur de gaz 15A portant une roue de compresseur centrifuge 16A ainsi qu'une turbine haute pression 18A. L'air frais pénètre dans le turbomoteur via une entrée d'air 20A. Il est ensuite comprimé par le compresseur 16A avant d'être envoyé dans une chambre de combustion 22A où il est mélangé avec du carburant. La combustion du mélange air comprimé/carburant génère un flux de gaz F qui provoque la rotation de la turbine haute pression 18A qui elle-même entraine le compresseur 16A. Par ailleurs, le turbomoteur comporte également une turbine libre 24A qui comporte une roue de turbine basse pression 26A fixée à un arbre de turbine libre 28A. Comme on le voit sur la , la roue de turbine basse pression 26A est disposée en aval de la roue de turbine haute pression 18A. Par conséquent, le flux de gaz brûlés sortant du générateur de gaz 14A entraine en rotation l'arbre de turbine libre 28A. L'extrémité de l'arbre de turbine libre 28A est pourvue d'un pignon 30A qui engrène avec des roues dentées 32A. Ces engrenages, logés dans le réducteur du turbomoteur, permettent de réduire la vitesse de rotation de l'arbre de la turbine libre. La sortie S de ce réducteur est destinée à être reliée à la BTP de l'hélicoptère (non représentée ici). Néanmoins, bien qu’une telle architecture de turbomoteur comportant un réducteur de vitesse à l’avant du turbomoteur et un arbre de turbine libre traversant permet de gagner en compacité globale du moteur, celle-ci nécessite néanmoins le dimensionnement d’un arbre sur-critique pour la turbine libre, c’est-à-dire un arbre adapté pour supporter les modes de flexion qui vont le traverser lors de la montée en vitesse de rotation de la turbine libre. Cette adaptation entraîne un diamètre important pour l’arbre de turbine libre, environ 50 mm de diamètre. Ce diamètre important conduit également à augmenter le diamètre de toutes les pièces du générateur de gaz et donc à augmenter son encombrement et sa masse. Un objectif de la présente invention est de proposer un turbomoteur pour un hélicoptère ayant un encombrement fortement réduit. À cet effet, l’invention concerne un turbomoteur pour un hélicoptère comprenant un générateur de gaz ayant un arbre de générateur de gaz, une turbine libre destinée à être entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz et comportant un arbre de turbine libre s’étendant coaxialement à l’intérieur de l’arbre de générateur de gaz et adapté pour la transmission de puissance vers une boîte de transmission principale de l’hélicoptère, et un dispositif de réduction de vitesse destiné à être entrainé par la turbine libre et configuré pour réduire la vitesse de rotation de l’arbre de turbine libre, caractérisé en ce que le dispositif de réduction de vitesse est agencé en aval de la turbine libre. L’invention permet ainsi d’atteindre l’objectif susmentionné. En particulier, la combinaison d’un arbre de turbine libre traversant et d’un réducteur de vitesse à l’arrière du turbomoteur permettent d’améliorer la compacité du turbomoteur. En effet, comme dans l’art antérieur, un arbre de turbine libre traversant permet d’améliorer la compacité du moteur. En outre, le réducteur de vitesse agencé à l’arrière du turbomoteur permet de faire fonctionner l’arbre de turbine libre à basse vitesse, en réduisant la vitesse de celui-ci de 35 000 tours/min à 8 000 tours/min, et d’éviter ainsi la présence des modes de flexion de l’arbre de turbine libre dans la plage de fonctionnement. L’arbre de turbine libre n’étant plus soumis aux problématiques de dynamique de ligne d’arbre évoqués pour l’art antérieur, son diamètre est alors réduit d’environ 10% contribuant également à la réduction générale du diamètre du turbomoteur et à sa masse. En effet, la diminution du diamètre de l’arbre de turbine libre autorise une diminution du diamètre de toutes les pièces du générateur de gaz et donc permet une diminution de l’encombrement et de la masse de celui-ci. Le turbomoteur selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : la vitesse de rotation de l’arbre de turbine libre est comprise entre 6000 et 8000 tr/min ; la longueur de l’arbre de turbine libre est inférieure à 100 cm, de préférence comprise entre 50 cm et 80 cm ; le diamètre de l’arbre de turbine libre est compris entre 20 mm et 40 mm ; le turbomoteur comporte un carter et au moins un palier disposé radialement entre le carter et l'arbre de turbine libre ; le turbomoteur comporte une tuyère d’éjection dans laquelle le dispositif de réduction de vitesse est agencé ; le turbomoteur comporte un capot de protection logeant le dispositif de réduction, le capot de protection étant rapporté sur le carter du turbomoteur ; le dispositif de réduction comporte des roues dentées supportées par le capot de protection. L’invention concerne également un hélicoptère comportant une boite de transmission principale et un turbomoteur selon l’invention et tel que décrit précédemment, le carter du turbomoteur étant fixé à la boîte de transmission principale de l'hélicoptère et l'arbre de turbine libre est configuré pour la transmission de puissance vers la boîte de transmission principale de l’hélicoptère. La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d’un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels : la , déjà décrite, est une vue en coupe axiale (ou longitudinale) d’un turbomoteur de l’art antérieur ; la illustre schématiquement un hélicoptère comportant un turbomoteur selon l’invention, la est une vue schématique d’un turbomoteur selon l’invention équipant l’hélicoptère de la ; la est une vue en coupe axiale (ou longitudinale) du turbomoteur de la ; et la est une vue agrandie de l’arrière du turbomoteur de la . Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différentes mises en œuvre ont les mêmes références dans les figures. Turbomoteur (110) pour un hélicoptère (100) comprenant un générateur de gaz (114) ayant un arbre de générateur de gaz (115), une turbine libre (124) destinée à être entraînée en rotation par un flux de gaz généré par le générateur de gaz et comportant un arbre de turbine libre (128) s’étendant coaxialement à l’intérieur de l’arbre de générateur de gaz (115) et adapté pour la transmission de puissance vers une boîte de transmission principale (112) de l’hélicoptère, et un dispositif de réduction de vitesse (140) destiné à être entrainé par la turbine libre et configuré pour réduire la vitesse de rotation de l’arbre de turbine libre, caractérisé en ce que le dispositif de réduction de vitesse est agencé en aval de la turbine libre (124). Turbomoteur selon la revendication 1, dans lequel la vitesse de rotation de l’arbre de turbine libre est comprise entre 6000 et 8000 tr/min. Turbomoteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la longueur de l’arbre de turbine libre est inférieure à 100 cm, de préférence comprise entre 50 cm et 80 cm. Turbomoteur selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le diamètre de l’arbre de turbine libre est compris entre 20 mm et 40 mm. Turbomoteur selon l’une des revendications précédentes, comportant une tuyère d’éjection (121) dans laquelle le dispositif de réduction de vitesse est agencé. Turbomoteur selon l’une des revendications précédentes, comportant un carter (112) et au moins un palier (P3, P4) disposé radialement entre le carter et l'arbre de turbine libre (128). Turbomoteur selon la revendication 6, comportant un capot de protection (150) logeant le dispositif de réduction (140), le capot de protection étant rapporté sur le carter (112) du turbomoteur. Turbomoteur selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif de réduction (140) comporte des roues dentées (144, 146, 148) supportées par le capot de protection (150). Hélicoptère (100) comportant une boîte de transmission principale (105) et un turbomoteur (110) selon l'une quelconque des revendications précédentes, le turbomoteur comportant un carter (112) fixé à la boîte de transmission principale de l'hélicoptère et l'arbre de turbine libre (128) est configuré pour la transmission de puissance vers la boîte de transmission principale de l’hélicoptère.