FR2948921A1 - Systeme d'helices contrarotatives comprenant des moyens ameliores d'equilibrage de couple - Google Patents

Systeme d'helices contrarotatives comprenant des moyens ameliores d'equilibrage de couple Download PDF

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Abstract

Système d'hélices contrarotatives pour turbomachine d'aéronef, comprenant une turbine (14), une première hélice (10) et une seconde hélice (12) contrarotatives en aval de ladite turbine (14) et comprenant chacune un moyeu interne (26, 28) et une virole extérieure (30, 32), ainsi qu'un dispositif de transmission mécanique (16) entraîné par ladite turbine (14) pour appliquer à la première hélice (10) un premier couple, et à la seconde hélice (12) un second couple supérieur au premier. La première hélice (10) comprend des aubes aérodynamiques (52) reliant sa virole extérieure (30) à son moyeu interne (26) et configurées pour appliquer à l'hélice un troisième couple, de même sens que le premier, lorsque lesdites aubes (52) sont traversées par un flux d'air (37) provenant de la turbine (14).

Description

SYSTEME D'HELICES CONTRAROTATIVES COMPRENANT DES MOYENS AMELIORES D'EQUILIBRAGE DE COUPLE
DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte à un système d'hélices contrarotatives, pour turbomachine d'aéronef. L'invention concerne également une 10 turbomachine pour aéronef, telle par exemple qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur, comprenant un tel système d'hélices contrarotatives montées en aval d'une turbine de puissance destinée à l'entraînement des deux hélices contrarotatives par l'intermédiaire d'un 15 dispositif de transmission mécanique formant réducteur et comprenant notamment un train épicycloïdal. L'invention peut notamment être appliquée aux turbomachines dites à open rotor , dont les hélices sont dépourvues de carénage au niveau de leurs 20 extrémités radiales externes. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La figure 1 illustre une turbomachine d'aéronef d'un type connu comprenant un système d'hélices contrarotatives, dont les hélices 10 et 12 25 sont montées en aval d'une turbine de puissance 14 et sont entraînées par un dispositif de transmission mécanique 16, prenant la forme d'un réducteur différentiel. Ce réducteur différentiel 16 comporte un train épicycloïdal particulier, dont le planétaire 18 30 est entraîné en rotation par un rotor 20 de la turbine 2 de puissance 14, dont la couronne 22 entraîne une première des hélices 10 en lui appliquant un premier couple moteur Cl, et dont le porte-satellites 24 entraîne la seconde hélice 12 en lui appliquant un second couple moteur C2. La première hélice 10 constitue en général l'hélice amont et la seconde hélice 12, l'hélice aval. On notera que dans ces systèmes, à la différence d'un train épicycloïdal simple, la couronne n'est pas fixe, mais mobile.
D'une manière conventionnelle, chacune des deux hélices 10, 12 comprend un moyeu interne 26, 28 et une virole extérieure 30, 32 centrés sur l'axe longitudinal 34 de la turbomachine et participant à la délimitation radiale, respectivement vers l'intérieur et vers l'extérieur, d'une veine annulaire 36 d'écoulement d'un flux primaire 37 de la turbomachine, chaque hélice comprenant en outre des bras de raccord 38, 40 reliant la virole extérieure au moyeu interne de l'hélice.
La turbine de puissance 14 comprend en général des rangées annulaires d'aubes statiques de distributeur 42 intercalées entre des rangées d'aubes mobiles 44 du rotor 20 de cette turbine. Cependant, avec un réducteur à train épicycloïdal du type décrit ci-dessus, les deux hélices ne subissent pas les mêmes couples moteurs. Les équations d'équilibre mécanique des satellites montrent que ces deux couples ont nécessairement un rapport constant, dépendant des caractéristiques géométriques du réducteur. Ce rapport est nécessairement différent du rapport unitaire. En effet, le rapport entre le 3 couple Cl appliqué à la première hélice et le couple C2 appliqué à la seconde hélice s'exprime de la manière suivante : C2/C1 = (R + 1)/(R - 1) ; avec R correspondant au rapport de réduction défini par le train épicycloïdal. Une méthode pour atteindre un rapport entre les deux couples qui soit proche de l'unité consiste à augmenter le rapport de réduction R, mais ce dernier ne peut toutefois pas être supérieur à 10, pour des questions de faisabilité mécanique. De plus, l'augmentation du rapport de réduction R se traduit inévitablement par une augmentation de la masse globale du système d'hélices, pénalisant la turbomachine.
Du fait du rapport non-unitaire entre les couples, la seconde des deux hélices génère plus de giration du flux d'air extérieur 46 traversant les hélices et couramment appelé flux secondaire , que la première hélice, ce qui se traduit par une giration résiduelle du flux de sortie, de nature à limiter le rendement propulsif de la turbomachine et à augmenter de façon néfaste le niveau des émissions sonores de cette turbomachine. En outre, cette différence entre les deux couples génère également une sollicitation accrue des moyens 50 servant à l'accrochage de la turbomachine sur l'aéronef, ces moyens devant par conséquent être surdimensionnés pour supporter la surcharge qui leur est appliquée.30 4 Par ailleurs, la turbine de puissance est en général conçue de sorte que le flux primaire 37 s'écoule en sortie de cette turbine d'une manière sensiblement rectiligne, c'est-à-dire sans phénomène de giration, ce qui limite le rendement maximal de la turbine et augmente la charge appliquée aux étages amont de cette turbine. De plus, la puissance mécanique développée par la turbine de puissance d'un système du type décrit ci-dessus est en général d'un niveau tel que le réducteur mécanique doit être de dimensions relativement grandes pour pouvoir transmettre cette puissance. En outre, la dissipation de la chaleur dégagée par le réducteur d'un tel système requiert l'utilisation d'un échangeur de chaleur qui soit particulièrement performant, et donc également de dimensions relativement grandes. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à une partie au moins de ces problèmes. L'invention propose à cet effet un système d'hélices contrarotatives pour turbomachine d'aéronef, comprenant : - une turbine de puissance ; - une première hélice et une seconde hélice contrarotatives montées en aval de la turbine de puissance et destinées à être mises en rotation autour d'un axe longitudinal du système d'hélices, chacune des première et seconde hélices comprenant un moyeu interne et une virole extérieure centrés sur ledit axe et participant à la délimitation radiale, respectivement vers l'intérieur et vers l'extérieur, d'une veine annulaire d'écoulement d'un flux d'air provenant de la turbine, couramment appelé flux 5 primaire ; et - un dispositif de transmission mécanique entraîné par la turbine de puissance pour appliquer à la première hélice un premier couple moteur, et à la seconde hélice un second couple moteur supérieur au premier couple moteur précité. Selon l'invention, la première hélice comprend une rangée annulaire d'aubes aérodynamiques d'entraînement reliant la virole extérieure au moyeu interne de l'hélice et configurées pour appliquer à l'hélice un troisième couple moteur, de même sens que le premier couple moteur précité, lorsque la rangée annulaire d'aubes aérodynamiques est traversée par le flux d'air provenant de la turbine. L'invention propose ainsi de faire travailler au niveau de la première hélice le flux d'air provenant de la turbine, afin d'augmenter le couple total appliqué à cette hélice, qui résulte alors de l'addition du premier couple appliqué à celle-ci par le dispositif de transmission mécanique et du troisième couple appliqué à cette hélice par les aubes aérodynamiques de celle-ci. De ce fait, l'invention rend possible une réduction, voire une annulation, de la différence de niveau des couples respectivement appliqués aux deux hélices contrarotatives. 6 L'effet de giration du flux secondaire en sortie du système d'hélices contrarotatives peut ainsi être atténué, voire supprimé. Cela permet d'accroître le rendement propulsif du système d'hélices contrarotatives, tout en réduisant la sollicitation mécanique des moyens permettant l'accrochage de la turbomachine équipée de ce système d'hélices contrarotatives. De plus, la détente du flux primaire s'effectuant en partie hors de la turbine au moyen des aubes aérodynamiques d'entraînement de la première hélice, la turbine peut éventuellement être conçue pour développer une puissance inférieure à celle des turbines de puissance des systèmes d'hélices contrarotatives de type connu, ce qui permet alors une réduction des charges appliquées au dispositif de transmission mécanique et de la chaleur dégagée par ce dispositif. Cela rend ainsi possible l'utilisation d'un dispositif de transmission mécanique de dimensions relativement réduites, s'accompagnant d'un gain sur la masse globale du système d'hélices contrarotatives et d'une réduction de la traînée de la turbomachine équipée de ce système. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif de transmission mécanique comprend un réducteur à train épicycloïdal comprenant une couronne d'entraînement reliée à la première hélice, un porte-satellites relié à la seconde hélice, et un planétaire central entraîné par un rotor de la turbine de puissance du système d'hélices contrarotatives. 7 Dans un tel dispositif, la couronne étant entraînée en rotation dans le sens inverse de celui du rotor de la turbine de puissance, il n'est pas nécessaire de redresser le flux d'air en sortie du rotor de la turbine pour le faire travailler au niveau des aubes aérodynamiques de la première hélice. En effet, en sortie du rotor de la turbine, si le flux d'air présente un effet de giration, celui-ci est de sens inverse à la rotation du rotor, et est donc approprié à l'entraînement des aubes aérodynamiques de la première hélice. La giration éventuelle du flux d'air en sortie de la turbine pouvant être mise à profit pour entraîner les aubes aérodynamiques de la première hélice, cette giration peut être accentuée pour autoriser une conception de la turbine qui soit plus simple et/ou qui développe plus de puissance que dans les systèmes d'hélices contrarotatives de type connu. Pour ces raisons, la turbine est de préférence configurée de sorte que le flux d'air en sortie de cette turbine présente un effet de giration. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la première hélice est agencée en amont de la seconde hélice. Cela permet des liaisons mécaniques relativement simples entre les hélices et les parties correspondantes du réducteur à train épicycloïdal précité. En variante, la première hélice peut toutefois être agencée en aval de la seconde hélice lorsque cela présente un intérêt. 8 La rangée annulaire d'aubes aérodynamiques est avantageusement agencée en amont d'une pluralité de bras de raccord reliant la virole extérieure au moyeu interne de la première hélice.
D'une manière connue en soi, ces bras de raccord permettent d'assurer la liaison mécanique structurale entre la virole extérieure et le moyeu interne précités, et permettent éventuellement le passage d'organes de réglage du calage des pales des hélices contrarotatives dans la veine annulaire précitée. En variante, les aubes aérodynamiques peuvent être agencées circonférentiellement entre les bras de raccord précités. En variante encore, certaines au moins des aubes aérodynamiques peuvent intégrer une structure rigide de transmission d'efforts de manière à former des bras de raccord reliant la virole extérieure au moyeu interne de la première hélice. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le système d'hélices contrarotatives comprend en outre une rangée annulaire d'aubes statiques déflectrices agencée en amont de la rangée annulaire d'aubes aérodynamiques de la première hélice 25 de manière à accroître le couple aérodynamique appliqué auxdites aubes aérodynamiques par le flux d'air les traversant. Les aubes statiques déflectrices permettent d'optimiser l'angle d'incidence du flux d'air sur les 30 aubes aérodynamiques de la première hélice de manière à 20 9 accroître le couple aérodynamique appliqué à ces aubes aérodynamiques. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, les aubes statiques déflectrices sont configurées de manière à accroître l'effet de giration du flux d'air les traversant. Le flux d'air sortant de la turbine présentant dans ce mode de réalisation préféré un effet de giration de même sens que le sens de rotation de la première hélice, un accroissement de cet effet de giration permet d'accroître le couple aérodynamique appliqué aux aubes aérodynamiques par ce flux d'air. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la turbine de puissance comporte un carter de sortie qui comprend une virole interne et une virole externe délimitant ladite veine annulaire, ainsi que des bras de raccord reliant entre elles ces viroles, les aubes statiques déflectrices étant agencées en aval de ces bras de raccord.
En variante, les aubes statiques déflectrices peuvent être agencées circonférentiellement entre les bras de raccord du carter de sortie précité de la turbine de puissance. En variante encore, certaines au moins des aubes statiques déflectrices peuvent intégrer une structure rigide de transmission d'efforts de manière à former des bras de raccord. L'invention concerne également une turbomachine, comprenant un système d'hélices contrarotatives du type décrit ci-dessus. 10 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise, et d'autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1, déjà décrite, est une vue schématique partielle en coupe axiale d'une turbomachine comprenant un système d'hélices contrarotatives d'un type connu ; la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'une turbomachine comprenant un système d'hélices contrarotatives selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; la figure 3 est une vue schématique illustrant l'écoulement du flux primaire dans la turbomachine de la figure 2. Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PREFERES La figure 2 illustre une turbomachine semblable à celle de la figure 1, mais dont le système d'hélices contrarotatives comprend en outre une rangée annulaire d'aubes aérodynamiques 52 d'entraînement de la première hélice 10 de ce système, ainsi qu'une rangée annulaire d'aubes statiques déflectrices 54 agencées en amont desdites aubes aérodynamiques 52, conformément à un mode de réalisation préféré de l'invention. 11 Chaque aube aérodynamique 52 présente une extrémité radialement interne raccordée à une virole interne 26a fixée au moyeu interne 26 de l'hélice 10 de manière à le prolonger vers l'amont, ainsi qu'une extrémité radialement externe raccordée à une virole externe 30a fixée à la virole extérieure 30 de cette hélice 10 de manière à la prolonger vers l'amont. Les aubes aérodynamiques 52 sont configurées de telle sorte que lorsqu'elles sont traversées par le flux primaire 37, ces aubes 52 appliquent à la première hélice 10 un couple moteur additionnel, de même sens que le couple appliqué à cette hélice par la couronne 22 du réducteur 16, à laquelle l'hélice 10 est reliée mécaniquement.
Plus précisément, les aubes aérodynamiques 52 sont configurées de telle sorte que le couple résultant de l'addition du couple qu'elles appliquent à la première hélice 10 et du couple appliqué par la couronne 22 du réducteur 16 soit aussi proche que possible du couple appliqué par le porte-satellites 24 de ce réducteur 16 à la seconde hélice de la turbomachine, au moins à certains régimes de fonctionnement de cette dernière. D'une manière facultative, la première hélice peut avantageusement intégrer des moyens 55 de réglage du calage des aubes aérodynamiques 52, pour une meilleure efficacité de ces aubes sur l'ensemble des régimes de fonctionnement de la turbomachine. Les aubes statiques déflectrices 54 sont 30 raccordées par leurs extrémités radialement internes et externes, respectivement à une virole interne 56 et à 12 une virole externe 58. L'ensemble de ces aubes statiques 54 et des viroles 56 et 58 précitées forme ainsi un distributeur annulaire 60 associé à la rangée annulaire d'aubes aérodynamiques 52 de la première hélice 10. Les deux viroles 56 et 58 du distributeur annulaire 60 précité sont rapportées sur des viroles concentriques correspondantes, respectivement interne 62 et externe 64, d'un carter de sortie 66 de la turbine de puissance 14, qui comprend en outre des bras de raccord 68 reliant entre elles les viroles 62, 64 de ce carter 66. En outre, les deux viroles 56 et 58 du distributeur annulaire 60 coopèrent sensiblement à étanchéité respectivement avec les viroles interne 26a et externe 30a portant les aubes aérodynamiques 52, au moyen de joints tournants 69. Par ailleurs, la turbine de puissance 14 est configurée de sorte que le flux primaire en sortie de cette turbine suive un mouvement de giration de sens opposé au sens de rotation du rotor de la turbine. De cette façon, la giration du flux primaire en sortie de la turbine peut ainsi être mise à profit d'une manière simple et efficace pour l'entraînement des aubes aérodynamiques 52 de la première hélice 10. De plus, la turbine 14 peut ainsi développer une puissance supérieure et/ou être d'une conception plus simple par rapport aux turbines de l'art antérieur configurées pour que le flux en sortie de turbine s'écoule d'une manière rectiligne. 13 Les aubes statiques déflectrices 54 sont configurées de manière à accroître la giration du flux primaire 37 les traversant, ce qui permet d'accroître le couple appliqué aux aubes aérodynamiques 52 par ce flux primaire 37. En fonctionnement, comme l'illustre la figure 3 représentant très schématiquement le système d'hélices contrarotatives en section selon un plan longitudinal perpendiculaire au plan de la figure 2, le flux primaire 37a incident sur la dernière rangée d'aubes 44 du rotor de la turbine 14 présente un mouvement de giration de même sens que celui de ce rotor. A la traversée de ces aubes 44, le flux primaire 37a transmet un couple 70 à ces aubes et le sens de giration de ce flux s'inverse de sorte que le flux primaire 37b sortant de la turbine 14 suive un mouvement de giration de sens opposé au sens de rotation du rotor de la turbine.
La giration du flux primaire 37b est ensuite accentuée par les aubes statiques déflectrices 54, comme l'illustre la flèche 37c sur la figure 3. A la traversée des aubes aérodynamiques 52 de la première hélice 10, le flux primaire 37c transmet un couple 72 à ces aubes, et donc à l'hélice 10, et ce flux est redressé comme l'illustre la flèche 37d. Le couple 72 s'ajoute au couple transmis à la première hélice 10 par la couronne 22 du réducteur 16, de sorte que la différence entre les niveaux des couples résultants respectivement appliqués aux deux 14
hélices contrarotatives 10 et 12 peut être réduite, voire sensiblement annulée. D'une manière générale, l'invention permet ainsi de réduire l'écart entre les couples appliqués 5 aux deux hélices contrarotatives 10,12.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Système d'hélices contrarotatives pour turbomachine d'aéronef, comprenant : ù une turbine de puissance (14) ; ù une première hélice (10) et une seconde hélice (12) contrarotatives montées en aval de ladite turbine de puissance (14) et destinées à être mises en rotation autour d'un axe longitudinal (34) du système d'hélices, chacune des première et seconde hélices comprenant un moyeu interne (26, 28) et une virole extérieure (30, 32) centrés sur ledit axe (34) et participant à la délimitation radiale, respectivement vers l'intérieur et vers l'extérieur, d'une veine annulaire (36) d'écoulement d'un flux d'air (37, 37b, 37c, 37d) provenant de ladite turbine (14) ; et ù un dispositif de transmission mécanique (16) entraîné par ladite turbine de puissance (14) pour appliquer à ladite première hélice (10) un premier couple moteur, et à ladite seconde hélice (12) un second couple moteur supérieur audit premier couple moteur ; caractérisé en ce que ladite première hélice (10) comprend une rangée annulaire d'aubes aérodynamiques d'entraînement (52) reliant ladite virole extérieure (30) audit moyeu interne (26) de l'hélice (10) et configurées pour appliquer à l'hélice un troisième couple moteur, de même sens que ledit premier couple moteur, lorsque ladite rangée annulaire d'aubes aérodynamiques (52) est traversée par ledit flux d'air (37, 37c) provenant de la turbine (14). 16
  2. 2. Système d'hélices contrarotatives selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif de transmission mécanique comprend un réducteur à train épicycloïdal (16) comprenant une couronne d'entraînement (22) reliée à ladite première hélice (10), un porte-satellites (24) relié à ladite seconde hélice (12), et un planétaire central (18) entraîné par un rotor (20) de ladite turbine de puissance (14).
  3. 3. Système d'hélices contrarotatives selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite rangée annulaire d'aubes aérodynamiques (52) est agencée en amont d'une pluralité de bras de raccord (38) reliant ladite virole extérieure (30) audit moyeu interne (26) de la première hélice (10).
  4. 4. Système d'hélices contrarotatives selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une rangée annulaire d'aubes statiques déflectrices (54) agencée en amont de ladite rangée annulaire d'aubes aérodynamiques (52) de ladite première hélice (10) de manière à accroître le couple aérodynamique appliqué auxdites aubes aérodynamiques (52) par ledit flux d'air (37, 37c) les traversant.
  5. 5. Système d'hélices contrarotatives selon 30 la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites aubes statiques déflectrices (54) sont configurées de 17 manière à accroître l'effet de giration du flux d'air (37, 37b) les traversant.
  6. 6. Système d'hélices contrarotatives selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ladite turbine de puissance (14) comporte un carter de sortie (66) qui comprend une virole interne (62) et une virole externe (64) délimitant ladite veine annulaire (36), ainsi que des bras de raccord (68) reliant entre elles lesdites viroles (62, 64), et en ce que lesdites aubes statiques déflectrices (54) sont agencées en aval desdits bras de raccord (68) dudit carter de sortie (66).
  7. 7. Turbomachine, caractérisé en ce qu'elle comprend un système d'hélices contrarotatives selon l'une quelconque des revendications précédentes.20
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