Brevet FR3161897A1 — publié le 20251107

Ensemble propulsif d’aéronef d’axe (X), comprenant : -un moteur électrique (14), -une hélice (12) positionnée en amont ou en aval du moteur configuré pour entrainer en rotation l’hélice autour de l’axe (X), -un cône interne (20) positionné en amont du moteur (14), -un carénage externe (22) monté autour du cône interne (20) et ménageant avec ce dernier un passage annulaire (P), le carénage externe (22) définissant, à une extrémité amont (22a) du passage, une entrée pour l’air extérieur (E) s’écoulant d’amont en aval dans le passage. Plusieurs éléments de support mécanique (24, 26) sont agencés dans le passage (P) entre le carénage externe (22) et le cône interne (20). Le passage (P) et les éléments de support mécanique (24, 26) sont configurés pour générer, à une extrémité aval (22b) du passage, un flux d’air de refroidissement amont-aval (F2) ayant un débit suffisant pour refroidir le moteur électrique. Figure pour l’abrégé : Fig.3. ENSEMBLE PROPULSIF D’AERONEF COMPORTANT UNE HELICE Le présent exposé concerne un ensemble propulsif d’aéronef comportant une hélice. Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s’applique à la fois aux nouveaux types d’avions mais aussi à ceux en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique. Les efforts de recherches technologiques ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactants dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l’intégration et l’utilisation dans l’aviation civile ont des conséquences environnementales modérées dans un but d’amélioration de l’efficacité énergétique des avions. Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son incidence climatique négative par l’emploi de méthodes et l’exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire l’empreinte environnementale de son activité. Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’avions, l’allégement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion et, indispensables compléments aux progrès technologiques, les biocarburants aéronautiques. On connaît du document WO 2023/006473 A1 un ensemble propulsif d’aéronef qui comprend un moteur électrique associé à une hélice non carénée disposée en amont du moteur. Le moteur électrique assure l’entrainement en rotation de l’hélice qui, en tournant, va assurer la propulsion de l’aéronef équipé de cet ensemble propulsif. Dans ce document, l’ensemble propulsif comprend, dans sa partie amont, un cône d’hélice sur lequel des pales d’hélice sont réparties angulairement. Un carénage est disposé extérieurement au cône d’hélice et coaxialement par rapport à ce dernier de manière à ménager entre eux un espace interne annulaire. Ce carénage externe a une forme générale tronquée au niveau de sa partie amont afin de ménager une entrée d’air extérieur. L’air extérieur empruntant cette entrée d’air va s’écouler, de l’amont vers l’aval, à l’intérieur de l’espace interne annulaire qui forme une veine de guidage. Par ailleurs, l’ensemble propulsif comprend des aubes de compresseur solidaires du cône d’hélice et qui sont positionnées dans la veine de guidage afin de créer, à partir de l’air extérieur entrant, un flux d’air accéléré qui sert à refroidir le moteur électrique placé en aval. Cette solution s’applique à tout le domaine de vol, et en particulier lorsque l’aéronef est à très basse vitesse. Lorsque l’aéronef est en phase de montée, le moteur électrique est fortement sollicité et donc chauffe beaucoup, nécessitant ainsi un refroidissement particulièrement efficace. Or, les inventeurs ont constaté que, lors d’une phase de montée, le débit d’air de refroidissement qui parvient au moteur électrique après avoir traversé la veine de guidage n’est pas forcément suffisant pour assurer un refroidissement efficace du moteur électrique. Il existe donc un besoin d’améliorer l’ensemble propulsif précité afin de pouvoir refroidir efficacement la machine électrique lorsque l’aéronef est en phase de montée et ce, en contribuant à la réduction de l’impact environnemental des aéronefs. A cet effet, le présent exposé concerne un ensemble propulsif d’aéronef s’étendant longitudinalement selon un axe X, comprenant : -un moteur électrique, -une hélice positionnée en amont ou en aval du moteur électrique selon une direction d’écoulement d’air amont-aval dans l’hélice, le moteur électrique étant configuré pour entrainer en rotation l’hélice autour de l’axe X, -un cône interne positionné en amont du moteur électrique, -un carénage externe en forme générale de cône externe tronqué monté autour du cône interne et ménageant avec ce dernier un passage annulaire P, le cône externe tronqué définissant, à une extrémité amont du passage annulaire, une entrée d’air E pour permettre à l’air extérieur F1 d’entrer dans le passage annulaire et de s’écouler d’amont en aval à l’intérieur du passage annulaire, caractérisé en ce que plusieurs éléments de support mécanique distincts sont agencés dans le passage annulaire P entre le cône externe tronqué et le cône interne afin de maintenir mécaniquement le cône externe tronqué sur le cône interne tout en limitant la perte de charge sur l’écoulement d’air dans le passage annulaire, le passage annulaire P et les éléments de support mécanique agencés dans ce passage annulaire étant configurés pour générer, à une extrémité aval du passage annulaire, un flux d’air de refroidissement amont-aval F2 destiné à traverser le moteur électrique et ayant un débit suffisant pour refroidir le moteur électrique, notamment lorsque l’aéronef intégrant l’ensemble propulsif est en phase de vol de montée. Le passage annulaire comportant uniquement des éléments de support mécanique entre le cône externe tronqué et le cône interne, l’écoulement d’air qui se propage dans le passage annulaire n’est pas, ou très peu, freiné par ces éléments distincts éloignés les uns des autres et qui n’ont pas pour fonction de dévier l’écoulement au fur et à mesure de sa progression dans le passage entre l’extrémité amont (entrée d’air) et l’extrémité aval (sortie d’air) . Les éléments de support mécanique locaux sont uniquement profilés pour ne pas induire de perte de charge significative sur la fraction d’écoulement qui les rencontre. Ainsi, le flux d’air qui traverse le passage annulaire sort de ce dernier en ayant été uniquement canalisé, sans changement de direction significatif et donc sans perte de charge importante, et ce, même lorsque l’aéronef intégrant l’ensemble propulsif atteint des vitesses importantes. Ceci rend le flux d’air particulièrement apte à refroidir le moteur électrique, même lorsque l’aéronef est en phase de montée. L’ensemble propulsif ainsi configuré permet d’améliorer le comportement en vol d’un un aéronef qui incorpore un tel l’ensemble propulsif. L’ensemble propulsif est ainsi amélioré par rapport à celui décrit dans le document d’art antérieur comme déjà expliqué ci-dessus. Selon d’autres caractéristiques possibles : - le passage annulaire est dépourvu d’aubes ; - le cône externe tronqué comporte, au niveau de l’entrée d’air amont, une lèvre qui est profilée aérodynamiquement, par exemple suivant un profil de type NACA ; -le moteur électrique est muni à sa périphérie externe d’ailettes thermiquement conductrices qui sont positionnées sur le trajet du flux d’air de refroidissement provenant du passage annulaire de l’hélice ; - le moteur électrique est équipé d’une nacelle ; - l’ensemble propulsif d’aéronef est possiblement équipé d’un échappement d’air configuré pour collecter le flux d’air de refroidissement après avoir traversé le moteur électrique ; -l’hélice peut être positionnée en amont du moteur électrique et comporte plusieurs pales s’étendant radialement relativement à l’axe longitudinal X à partir d’un arbre du moteur, au travers du cône interne et du cône externe tronqué et en éloignement de ce dernier; -l’hélice peut être positionnée en aval du moteur électrique. L’invention concerne aussi un aéronef comportant un ensemble propulsif d’aéronef tel que brièvement exposé ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'objet du présent exposé ressortiront de la description suivante de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux figures annexées. FIG. 1 La FIG. 1 est une vue schématique d’un aéronef selon un mode de réalisation de l’invention. FIG. 2 La FIG. 2 est une vue schématique d’un ensemble propulsif intégré dans l’aéronef de la FIG. 1 et comportant une hélice tractive selon un mode de réalisation de l’invention. FIG. 3 La FIG. 3 est une vue schématique générale en coupe longitudinale d’une partie de l’ensemble propulsif de la FIG. 2 . FIG. 4 La FIG. 4 est une vue schématique générale en coupe longitudinale montrant un échappement en aval de l’ensemble propulsif de la FIG. 3 . FIG. 5 La FIG. 5 est une vue schématique générale en coupe longitudinale montrant un autre mode de réalisation possible d’un ensemble propulsif intégré dans l’aéronef de la FIG. 1 comportant une hélice propulsive en aval du moteur. La FIG. 1 illustre de manière schématique un aéronef A comprenant une voilure formée par deux ailes W sur chacune desquelles plusieurs ensembles propulsifs d’aéronef 10 selon un mode de réalisation de l’invention peuvent être montés. Le nombre d’ensembles propulsifs peut varier selon les besoins. D’autres types d’aéronefs peuvent bien entendu convenir pour l’intégration de tels ensembles propulsifs. L’aéronef A peut également comprendre au niveau de la pointe avant du fuselage un ensemble propulsif central 50 connu en soi. L’ensemble propulsif 10 représenté schématiquement à la FIG. 2 s’étend longitudinalement selon un axe X dont la flèche indique un sens d’orientation aval-amont. L’écoulement d’air extérieur à l’ensemble propulsif 10 et qui pénètre dans ce dernier comme on le verra plus loin est repéré par la flèche F1 dirigée de l’amont vers l’aval. L’ensemble propulsif 10 comprend, de manière générale, une hélice 12 positionnée dans la partie amont de l’ensemble 10 et un moteur électrique 14 positionné dans la partie aval de cet ensemble et configuré pour entrainer l’hélice 12 en rotation autour de l’axe X. Le moteur électrique 14 est par exemple renfermé à l’intérieur d’un capotage externe ou nacelle 16. Le moteur électrique 14 comportent, de manière connue, une partie formant stator et une partie formant rotor qui comporte un arbre de rotor relié à l’hélice 12. Le moteur électrique 14 comporte des composants qui nécessitent d’être refroidis, par exemple, des composants électriques, des composants de puissance, des enroulements magnétiques et autres. L’hélice 12 comporte, quant à elle, une pluralité de pales d’hélice 18 qui s’étendent radialement, relativement à l’axe longitudinal X, en éloignement de l’ensemble propulsif 10. Comme représenté sur les figures 2 et 3, l’hélice 12 comprend un cône interne, appelé dans ce mode, cône d’hélice 20 (dont on aperçoit l’extrémité amont sur la FIG. 2 ). Les pales d’hélice 18 sont montées sur l’arbre moteur (non visible sur la FIG. 2 ) et traversent ce cône pour s’étendre radialement à partir de ce cône, en éloignement de celui-ci. Les pales 18 sont réparties angulairement autour du cône d’hélice 20 de manière régulière et sont, par exemple, au nombre de trois, bien que ce nombre puisse différer selon les configurations. Le moteur électrique 14 est par exemple relié mécaniquement à l’hélice 12 pour son entrainement en rotation par l’intermédiaire de l’arbre de rotor du moteur qui s’étend axialement à l’intérieur du cône d’hélice et coopère mécaniquement avec ce dernier de manière connue. Comme représenté sur la FIG. 3 , le moteur électrique 14 est muni, à sa surface radialement externe, d’ailettes thermiquement conductrices 15 qui sont aménagées en saillie sur sa surface externe. Les ailettes 15 sont configurées pour drainer par conduction thermique la chaleur produite par le moteur électrique, notamment par ses composants fonctionnels, à l’extérieur de l’enveloppe externe du moteur. Ces ailettes peuvent être, par exemple, en contact avec le carénage 16, pour améliorer encore l’échange thermique, comme décrit dans le brevet FR2208181. L’hélice 12 comprend un carénage externe 22 en forme générale de cône externe qui est tronqué à une extrémité amont 22a. Le cône externe tronqué 22 est monté autour du cône d’hélice 20 (interne), de manière coaxiale avec ce dernier et ménage, avec lui, un passage annulaire P qui s’étend de l’extrémité amont 22a jusqu’à l’extrémité aval 22b du cône externe tronqué 22. Le cône externe tronqué 22 définit, à son extrémité amont 22a, une entrée d’air E qui est configurée pour permettre à l’air extérieur (symbolisé par les flèches F1 dirigées de l’amont vers l’aval suivant le sens d’écoulement de l’air entrant) d’entrer dans le passage annulaire P et de s’écouler d’amont en aval à l’intérieur du passage annulaire jusqu’à l’extrémité aval 22b par laquelle le flux d’air annulaire, noté F2, est évacué en direction du moteur électrique 14. Comme représenté sur la FIG. 3 , le passage annulaire a une dimension radiale qui décroît de l’amont vers l’aval, entre les deux extrémités amont 22a et aval 22b afin d’accélérer le flux d’air entrant F1. A titre de variante, la section de passage pour la veine d’air peut être à section constante. Par ailleurs, le cône externe tronqué 22 comporte, au niveau de l’entrée d’air amont E, une lèvre amont 22a1 qui est profilée aérodynamiquement de manière à permettre une admission d’air dans le passage annulaire qui est optimale pour différentes incidences du flux d’air entrant F1 et pour différents points de fonctionnement de l’ensemble propulsif. Le profil de la lèvre amont est de type NACA. Dans la mesure où les incidences et les points de fonctionnement sont susceptibles de varier d’un aéronef à l’autre, la forme du profil est elle aussi suceptible de varier. On notera que les pales 18 de l’hélice 12 traversent des orifices traversants qui sont pratiqués dans la paroi du cône externe tronqué 22. Selon une variante non représentée, les pales 18 sont directement montées sur le cone externe 22. Les éléments appelés bras 24 et 26 qui seront définis plus loin sont alors dimensionnés mécaniquement de sorte à supporter les efforts dûs au travail des pales 18. Par ailleurs, l’hélice 12 comprend pour sa tenue mécanique plusieurs éléments de support mécanique 24, 26 formant des bras structurels radiaux distincts les uns des autres et qui sont agencés dans le passage annulaire P de manière éloignée les uns des autres. Ces éléments de support mécanique 24, 26 s’étendent radialement entre le cône externe tronqué 22 et le cône d’hélice 20 afin de maintenir mécaniquement, dans une position fixe, le cône externe tronqué 22 relativement au cône d’hélice 20. Ces éléments 24, 26 sont par exemple agencés le long du passage annulaire à distance les uns des autres, comme illustré sur la FIG. 3 . En outre, plusieurs élements 24, 26 peuvent être positionnés dans un même plan transversal relativement à l’axe longitudinal X. Ils sont alors répartis suivant une même circonférence du cône interne 20, comme les pales 18 montées sur le cône interne 20. On notera que les éléments 24 qui sont positionnés dans le passage annulaire en amont des éléments 26 sont, de manière générale, positionnés de manière à minimiser les pertes de charge. A cet effet, ils sont, de préférence, positionnés dans l’alignement les uns par rapport aux autres (même position angulaire entre les éléments 24 et les 26). Selon une variante non représentée, les éléments 24 sont décalés angulairement par rapport aux éléments aval 26. Ceci permet de créer un flux turbulent qui améliore l’échange thermique au niveau du moteur. Ces éléments 24, 26, appelés bras, ont principalement une fonction mécanique de transmission des efforts entre les deux cônes 20 et 22 et sont conçus pour limiter la perte de charge sur l’écoulement d’air qui se propage dans le conduit annulaire P et rencontre ces éléments. Ainsi, ces éléments sont profilés aérodynamiquement et présentent, par exemple, suivant l’axe longitudinal une forme profilée d’amont en aval (comme un profil d’aile d’avion) avec un bord d’attaque et un bord de fuite réunis par deux surfaces latérales, par exemple convexes. Les bras 26 et 24 sont répartis angulairement autour du cône d’hélice 20 de manière régulière et sont, par exemple, au nombre de trois, bien que ce nombre puisse différer selon les configurations. Le flux d’air qui traverse le passage annulaire P peut s’écouler librement à l’intérieur de ce dernier (exception faite des éléments 24,26 disposés ponctuellement sur le trajet du flux d’air mais qui représentent une surface relativement faible comparativement à la section de passage libre offerte à l’écoulement) sans rencontrer d’obstacles majeurs (aubes ou tout autre élément profilé aérodynamiquement dans le but de dévier fortement l’orientation angulaire du flux par rapport à une orientation axiale) et sans que la direction de ce flux d’air soit fortement déviée comme c’était le cas dans le document d’art antérieur WO 2023/006473 discuté ci-dessus avec des aubes de compresseur. Il s’ensuit que le flux d’air n’est pas freiné, comme c’était le cas antérieurement, lorsque l’aéronef est en phase de vol de montée et qu’il atteint des vitesses importantes (ces vitesses sont très dépendantes du type d’avion et de sa mission), mais seulement canalisé par le passage annulaire P. Ceci permet de disposer, en sortie du passage annulaire P (extrémité aval 22b), d’un flux d’air ayant un débit suffisant pour pouvoir refroidir le moteur électrique 14 disposé en aval, en particulier lorsque l’aéronef est en phase de vol de montée et que le moteur dégage une puissance thermique considérable A titre d’exemple, le débit d’air peut être compris entre 0,5 et 2 kg/s. On notera par ailleurs que le débit d’air circulant dans le passage annulaire P est préférentiellement accéléré du fait de la réduction de section de passage de l’amont vers l’aval. Le flux d’air de refroidissement F2 s’écoule annulairement à partir de l’extrémité aval 22b de l’hélice et pénètre axialement dans la nacelle du bloc moteur formé par le capotage externe 16 entourant le moteur électrique 14, plus particulièrement dans l’espace annulaire entourant le moteur et qui est occupé par les ailettes 15 disposées radialement dans cet espace et qui s’étendent axialement de manière à être écartées angulairement les unes des autres. Le flux d’air F2 est réparti dans les zones situées entre deux ailettes consécutives et positionnées sur le trajet du flux d’air de refroidissement et longe ces ailettes en effectuant un échange de chaleur avec elles afin de les refroidir. On notera par ailleurs que la nacelle du bloc moteur comporte, par exemple, dans sa partie aval un échappement 30 représenté sur la FIG. 4 permettant de collecter le flux d’air de refroidissement F2 qui a traversé le moteur électrique afin de l’évacuer à l’extérieur de l’ensemble propulsif. Cet échappement permet de limiter les pertes de charges dues aux brusques changements de section de passage de l’air. Cet échappement est ici représenté sous la forme d’un carénage aval 30 positionné derrière le moteur 14 équipé de son capotage externe 16, dans l’alignement de ce dernier. Le carénage 30 récupère le flux F2 en sortie du conduit annulaire dans lequel sont agencées les ailettes de refroidissement 15 et l’éjecte vers l’aval à travers une tuyère d’échappement 32 sous la forme d’un flux F3. D’autres formes de réalisation d’échappement sont bien entendu envisageables. La configuration des figures 3 et 4 montre que le moteur est disposé immédiatement derrière l’hélice (en aval), sans avoir besoin d’aménager entre les deux un dispositif de redressement de flux . En effet, ceci est rendu possible par le fait que l’écoulement du flux F2 n’est pas fortement dévié par sa canalisation dans le passage P avec un angle de giration de sortie qui nécessiterait un redressement, comme c’est la cas dans le document WO 2023/006473. Ainsi, l’ensemble propulsif résultant 10 peut être raccourci axialement et avoir un poids réduit. La FIG. 5 illustre un autre mode de réalisation dans lequel les pales de l’hélice 18’ et leur cone 28 sont positionnés en aval du moteur électrique 14. La partie amont de l’ensemble propulsif représentée sur les figures 3 et 4 reste identique, excepté le fait que les pales de l’hélice tractive 18 de ces figures sont supprimées. Cette partie amont 22’ devient statique et reliée au moteur et à sa nacelle. L’hélice devient alors propulsive, et les pales d’hélice 18’ sont montées au travers du cône externe aval 28 disposé dans l’alignement axial du moteur 14 et raccordées à ce dernier par l’arrière sur l’arbre du moteur, comme étaient raccordées les pales de l’hélice 18 des figures 3 et 4. Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. Ensemble propulsif d’aéronef s’étendant longitudinalement selon un axe (X), comprenant : -un moteur électrique (14), -une hélice (12) positionnée en amont ou en aval du moteur électrique (14) selon une direction d’écoulement d’air amont-aval dans l’hélice, le moteur électrique étant configuré pour entrainer en rotation l’hélice autour de l’axe (X), -un cône interne (20) positionné en amont du moteur électrique (14), -un carénage externe (22) en forme générale de cône externe tronqué monté autour du cône interne (20) et ménageant avec ce dernier un passage annulaire (P), le cône externe tronqué (22) définissant, à une extrémité amont (22a) du passage annulaire, une entrée d’air (E) pour permettre à l’air extérieur (F1) d’entrer dans le passage annulaire et de s’écouler d’amont en aval à l’intérieur du passage annulaire, caractérisé en ce que plusieurs éléments de support mécanique (24, 26) distincts sont agencés dans le passage annulaire (P) entre le cône externe tronqué (22) et le cône interne (20) afin de maintenir mécaniquement le cône externe tronqué sur le cône interne tout en limitant la perte de charge sur l’écoulement d’air dans le passage annulaire, le passage annulaire (P) et les éléments de support mécanique (24, 26) agencés dans ce passage annulaire étant configurés pour générer, à une extrémité aval (22b) du passage annulaire, un flux d’air de refroidissement amont-aval (F2) destiné à traverser le moteur électrique (14) et ayant un débit suffisant pour refroidir le moteur électrique, notamment lorsque l’aéronef intégrant l’ensemble propulsif est en phase de vol de montée. Ensemble propulsif d’aéronef selon la revendication précédente, dans lequel le passage annulaire (P) est dépourvu d’aubes. Ensemble propulsif d’aéronef selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le cône externe tronqué (22) comporte, au niveau de l’entrée d’air amont (E), une lèvre (22a1) qui est profilée aérodynamiquement, par exemple suivant un profil de type NACA. Ensemble propulsif d’aéronef selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le moteur électrique est muni à sa périphérie externe d’ailettes thermiquement conductrices (15) qui sont positionnées sur le trajet du flux d’air de refroidissement (F2) provenant du passage annulaire (P). Ensemble propulsif d’aéronef selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le moteur électrique (14) est équipé d’une nacelle (16). Ensemble propulsif d’aéronef selon l’une des revendications précédentes, comportant un échappement d’air configuré pour collecter le flux d’air de refroidissement après avoir traversé le moteur électrique (14). Ensemble propulsif d’aéronef selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’hélice (12) est positionnée en amont du moteur électrique (14) et comporte plusieurs pales (18) s’étendant radialement relativement à l’axe longitudinal (X) à partir d’un arbre du moteur (14), au travers du cône interne (20) et du cône externe tronqué (22) et en éloignement de ce dernier. Ensemble propulsif d’aéronef selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’hélice (18’) est positionnée en aval du moteur électrique (14). Aéronef (A) comprenant un ensemble propulsif d’aéronef selon l’une quelconque des revendications précédentes.