FR2962109A1 - Turbomoteur a helices non carenees - Google Patents

Abstract

La présente invention porte sur un turbomoteur comprenant deux hélices (7, 9) externes non carénées coaxiales et contrarotatives, respectivement amont et aval. Le moteur est caractérisé par le fait que l'hélice aval (7) est rétractable, de manière à réduire son diamètre. Les pales (7a) de l'hélice aval sont montées pivotantes autour d'un pivot (71) dont l'axe forme un angle non nul, notamment perpendiculaire, avec l'axe (2) de rotation de l'hélice, les pales en position rétractée étant basculées autour du pivot (71)

Description

La présente invention concerne le domaine des turbomoteurs d'aéronef à hélices doubles non carénées.

Un moteur de ce type, désigné dans le présent domaine par les termes « open rotor » ou « unducted fan » comprend un moteur à turbine à gaz alimentant une turbine libre avec des rotors coaxiaux contrarotatifs associés chacun à une hélice. Les deux hélices s'étendent sensiblement radialement à l'extérieur de la nacelle du turbomoteur et sont elles mêmes coaxiales et contrarotatives. L'entraînement des deux hélices est soit direct, les deux hélices sont montées à la périphérie des deux rotors de turbine, soit par l'intermédiaire d'une boîte mécanique à engrenages, les deux hélices étant reliées chacune à une sortie de la boîte à engrenages.

Les turbomoteurs à hélices non carénées sont à l'étude actuellement car ils ont l'avantage d'être performants en étant capables de fournir une poussée importante et de consommer moins de carburant que d'autres turboréacteurs à soufflante carénée équivalents.

Cependant les forts niveaux acoustiques engendrés par les 20 mécanismes d'interaction aérodynamique entre les deux hélices sont pénalisants pour ce type de propulsion.

L'une des sources de ce bruit provient de l'interaction de tourbillons, générés au niveau des têtes des pales de l'hélice amont, avec les pales de 25 l'hélice aval. Le vortex généré par l'hélice amont interagit avec l'hélice aval de façon très énergique ce qui génère de forts niveaux de bruit.

Des voies de réduction du bruit d'hélices visent le contrôle des écoulements autour des profils, ces moyens ne sont pas mâtures en l'état de 30 la technique actuelle.

Une solution pour supprimer ce bruit consiste à réduire le diamètre externe de l'hélice aval de façon à ce que les tourbillons générés par l'hélice amont passent à l'extérieur de l'enveloppe de l'hélice aval et 35 n'interagissent pas avec celle-ci. Une telle solution n'est pas satisfaisante car elle se traduit pas une réduction de la poussée produite par l'hélice aval et donc par une diminution des performances du moteur. Il serait possible d'augmenter la charge de l'hélice aval pour compenser la réduction de son diamètre mais on augmenterait aussi la difficulté aéromécanique du dessin 40 du doublet d'hélice et elle deviendrait très complexe et difficile à réaliser.

L'objectif de l'invention est donc de réduire les niveaux de bruit générés par les hélices de manière, en particulier, à respecter les normes de certification acoustique relativement sévères qui s'appliquent aux phases de décollage et d'atterrissage de l'aéronef équipé de ce moteur. Un autre objectif est de fournir de bonnes performances aérodynamiques en croisière.

On parvient à ces objectifs conformément à l'invention, avec un 10 turbomoteur comprenant deux hélices externes non carénées coaxiales et contrarotatives, respectivement amont et aval, caractérisé par le fait que l'hélice aval est rétractable de manière à réduire son diamètre.

Par l'invention, on permet de réduire le diamètre de l'hélice aval de 15 manière suffisante pour qu'elle ne voie pas les tourbillons dans les phases où l'on souhaite atténuer le bruit du moteur, c'est-à-dire pendant le décollage et l'atterrissage de l'aéronef On rétracte l'hélice aval de préférence suffisamment pour n'avoir au cours de ces phases à l'entour des aéroports qu'une seule hélice. De cette façon la totalité des interactions est 20 supprimée.

Selon le mode de réalisation préféré, les pales de l'hélice aval sont montées pivotantes autour d'un pivot dont l'axe forme un angle non nul avec l'axe de rotation de l'hélice, les pales en position rétractée étant 25 basculées autour du pivot. Avantageusement l'axe du pivot est perpendiculaire à celui de rotation de l'hélice. Dans ce dernier cas les pales peuvent être disposées le long de la nacelle en réduisant la traînée.

Pour ce qui concerne le mécanisme d'actionnement de l'hélice aval 30 en position rétractée, il comprend un frein pour freiner la rotation du rotor, et un moyen d'actionnement des pales dans une position rétractée. Ainsi on peut freiner l'hélice jusqu'à l'arrêt de sa rotation pour rendre la rétraction plus aisée.

35 Le mécanisme d'actionnement comprend un moyen pour compenser le freinage de l'hélice aval par une accélération de l'hélice amont. Un tel agencement permet de conserver la puissance du rotor dans une phase délicate du vol.

40 Le moyen d'actionnement comprend des ressorts agissant en opposition à la force centrifuge ou bien des vérins.5 Selon un mode de réalisation préféré, le frein est agencé entre le rotor de turbine entraînant l'hélice aval et l'arbre de l'hélice aval de manière à réduire la vitesse de rotation de l'hélice par rapport à la vitesse de rotation du rotor de turbine. Plus particulièrement l'hélice aval est entraînée par l'intermédiaire d'un train à engrenages épicycloïdal. Le train peut entraîner les deux hélices. Ainsi le train épicycloïdal comprend des pignons satellites montés sur un porte satellites entre une couronne et un pignon central, l'hélice aval étant entraînée par les pignons satellites et le frein étant agencé pour freiner la rotation du porte satellites. L'hélice amont est reliée à ladite couronne de manière à être entraînée en rotation par la couronne.

On décrit maintenant l'invention plus en détail sans que cela soit limitatif à l'aide des dessins annexés sur lesquels La figure 1 représente en coupe axiale le schéma d'un turbomoteur à double hélices non carénées ; La figure 2 montre le moteur de la figure 1 avec la transmission par un train à engrenages épicycloïdal.

En référence à la figure 1, on peut apercevoir une turbomachine 1 du type à « open rotor », selon un mode de réalisation préféré de la présente invention.

Sur les figures, la direction A correspond à la direction longitudinale ou direction axiale, parallèle à l'axe longitudinal 2 de la turbomachine. La direction B correspond quant à elle à la direction radiale de la turbomachine. De plus, la flèche 4 schématise la direction d'avancement de l'aéronef sous l'action de la poussée du turbomoteur 1, cette direction d'avancement étant opposée au sens principal d'écoulement des gaz au sein du moteur. Les termes « avant », « amont », « arrière », « aval » utilisés dans la suite de la description sont à considérer par rapport à ladite direction d'avancement 4.

En partie avant, la turbomachine présente une entrée d'air 6 se 35 poursuivant vers l'arrière par une nacelle 8, celle-ci comportant globalement une enveloppe extérieure 10 centrée sur l'axe 2.

Le turbomoteur comprend un générateur de gaz 14 constitué par un moteur à turbine à gaz. Celui-ci est ici à double corps avec un compresseur 40 basse pression 16, un compresseur haute pression 18, une chambre de combustion 20, une turbine haute pression 22, et une turbine de pression intermédiaire 24. Le compresseur 16 et la turbine 24 sont reliées mécaniquement par un arbre 26, formant ainsi un premier corps à faible pression, tandis que le compresseur 18 et la turbine 22 sont reliées mécaniquement par un tambour 28, formant un corps de pression plus élevée.

En aval de la turbine 24, se trouve un système d'hélices contrarotatives 30, formant récepteur du générateur de gaz.

Ce système 30 comprend une turbine libre de puissance 32, formant turbine basse pression, et qui a la particularité d'être contrarotative. En effet, en référence plus précisément à la figure 2, elle comporte un premier rotor 32a constituant le rotor interne de la turbine contrarotative, ainsi qu'un second rotor 32b constituant le rotor externe de cette turbine.

Le système d'hélices 30 comprend un stator ou carter 34, centré sur l'axe longitudinal 2 du système, et renfermant notamment ladite turbine libre de puissance 32. Ce stator 34 est de façon connue destiné à être solidaire des autres carters de la turbomachine. A cet égard, il est indiqué que le système d'hélices 30 est de préférence conçu de sorte que les hélices soient dépourvues de carénage radial extérieur les entourant, comme cela visible sur les figures.

De plus, en aval de la turbine contrarotative 32, le système d'hélices 30 intègre une première hélice 7 ou hélice aval, portant des pales 7a. De manière analogue, le système 30 comprend une seconde hélice 9 ou hélice amont, portant des pales 9a. Ainsi, les hélices 7, 9 sont décalées l'une de l'autre selon la direction 4, et toutes les deux situées en aval de la turbine libre 32.

Les deux hélices 7, 9 sont destinées à tourner dans des sens opposés autour de l'axe 2 sur lequel elles sont centrées, les rotations s'effectuant par rapport au stator 34 restant immobile.

Conformément à l'invention, il est prévu de permettre la rétraction de l'hélice aval 7 dans le but de réduire le bruit émis par l'interaction de l'hélice amont sur l'hélice aval. On a représenté sur la figure 1 les deux configurations possibles de l'hélice aval. Les pales de l'hélice aval sont montées chacune sur un pivot 71, d'axe perpendiculaire à l'axe de rotation 2, et sont articulées autour de celui-ci de manière à pouvoir prendre une position déployée dans le plan transversal, et une position rétractée vers l'aval le long de la nacelle. Dans cette dernière position, avec une pale représentée en pointillée, le diamètre de l'hélice est donc réduit. Ainsi les lignes de courant longent la tête de pale et donnent naissance à des tourbillons de bout de pale sur l'hélice amont. Lorsque l'hélice aval est en position rétractée, on évite l'impact de ces tourbillons sur l'hélice aval et la source de bruit.

En configuration de croisière, pendant laquelle il n'est pas nécessaire d'atténuer le bruit des hélices et qui correspond à plus de 90% de la mission, les deux hélices sont déployées ; en particulier les pales de l'hélice aval 7 s'étendent en direction radiale par rapport à l'axe du moteur. C'est au décollage ou à l'atterrissage que la position rétractée de l'hélice aval est activée et cela ne représente que 10% de la mission en général.

Divers mécanismes permettent la rétraction de l'hélice aval. Un moyen d'actionnement des pales dans la position rétractée comprend par exemple des moyens ressorts, non représentés, qui exercent une force de basculement des pales autour de leur pivot 71 vers l'aval. Ces moyens ressorts sont avantageusement associés à un moyen de freinage 72 de l'hélice aval pour constituer le mécanisme d'actionnement de l'hélice aval en position rétractée. De cette manière, quand le frein est actionné les moyens ressorts excèdent les efforts centrifuges appliqués sur les pales ce qui entraîne leur basculement vers l'aval.

Les moyens ressorts peuvent être renforcés par des vérins ou tout autre moyen équivalant, exerçant un couple de rotation sur la pale. Selon un autre mode de réalisation ces derniers peuvent même s'y substituer.

Selon le mode de réalisation représenté ici, le moyen de freinage 72 30 agit sur l'arbre 29 d'entraînement de l'hélice 7.

Le mode d'entraînement des hélices selon ce mode de réalisation n'est pas direct mais se fait par l'intermédiaire d'un mécanisme à engrenage tel qu'un boîtier réducteur de vitesse et plus particulièrement par 35 l'intermédiaire d'un mécanisme à engrenage épicycloïdal.

En référence à la figure 2, pour l'entraînement en rotation de ces deux hélices 7, 9, il est prévu un dispositif de transmission 13, formant réducteur et comprenant notamment un train épicycloïdal 15. Un tel 40 entraînement par train épicycloïdal est décrit dans la demande de brevet au nom de Snecma FR200080058822 déposée le 1912/2008.

Le train 15 est muni d'un planétaire 17 centré sur l'axe longitudinal 2, et porté par un arbre planétaire 19 de même axe, relié solidairement vers l'amont au premier rotor 32a, par le biais d'une bride 38. Ainsi, le rotor 32a entraîne directement le planétaire 17 en rotation, ce dernier prenant la forme d'une roue dentée extérieurement.

Le train 15 comporte également un satellite 21, et de préférence plusieurs comme cela est visible sur la figure 2, chacun d'eux engrenant avec le planétaire 17. Chaque satellite 21 est porté par un arbre satellite 23 d'axe excentré par rapport à l'axe 2, et prend la forme d'une roue dentée extérieurement.

En outre, le train 15 est équipé d'un porte-satellites 25 centré sur l'axe longitudinal 2, et portant de manière rotative chacun des satellites 21, par l'intermédiaire des arbres 23, respectivement. Le porte-satellites 25 est porté par un arbre de porte-satellites 29 de même axe, solidaire de la première hélice 7, comme cela est visible sur la figure 2, de manière à pouvoir l'entraîner directement en rotation.

Enfin, le train 15 dispose d'une couronne 31 centrée sur l'axe 2 et portée par un arbre de couronne 33 de même axe, cette couronne 31 engrenant avec chaque satellite 21. L'arbre 33 s'étend vers l'aval en étant solidaire de la seconde hélice 9, de manière à pouvoir l'entraîner directement en rotation. Par exemple, cet arbre 33 se trouve situé autour de l'arbre de porte-satellites 29 avec lequel il est concentrique, comme montré sur les figures.

La couronne 31, prenant la forme d'une roue dentée intérieurement, présente la particularité additionnelle d'être également portée par un autre arbre de couronne 35, de même axe, et s'étendant quant à lui vers l'amont. Cet arbre de couronne 35, situé autour de l'arbre planétaire 19 avec lequel il est concentrique, est relié solidairement au second rotor 32b, par le biais d'une bride 40. Ainsi, le rotor 32b participe également directement à l'entraînement de la couronne 31, et donc à l'entraînement de l'hélice amont 9. Cela permet d'obtenir un rapport unitaire entre les couples transmis respectivement à l'hélice aval 7 et à l'hélice amont 9, pour l'obtention d'un meilleur rendement de la turbomachine.

Lorsque le moyen de freinage 72 est activé le porte satellite 25 ne tourne plus autour du planétaire 17 entraînant une augmentation de la vitesse de rotation de l'hélice amont 9. On compense ainsi la réduction de poussée résultant de l'hélice aval. Afin de compléter le dispositif, les pales au moins de l'hélice amont sont à calage variable pour optimiser les performances de cette dernière.

Enfin, il est noté que dans ce mode de réalisation préféré, dans lequel chaque hélice est équipée d'un système de calage variable de ses pales, le train épicycloïdal 15 se situe au droit et à l'intérieur d'un carter 42 séparant la turbine libre de puissance contrarotative 32 et les hélices 7, 9. Ce carter 42, également dénommé carter d'échappement ou encore « static frame », porte une attache moteur 44 destinée à assurer l'accrochage de la turbomachine sur la structure de l'aéronef

Claims (10)

1. REVENDICATIONS. 1. Turbomoteur comprenant deux hélices (7, 9) externes non carénées coaxiales et contrarotatives, respectivement amont et aval, caractérisé par le fait que l'hélice aval (7) est rétractable, de manière à réduire son diamètre.
2. 2. Turbomoteur selon la revendication précédente dont les pales (7a) de l'hélice aval sont montées pivotantes autour d'un pivot (71) dont l'axe forme un angle non nul, notamment perpendiculaire, avec l'axe (2) de rotation de l'hélice, les pales en position rétractée étant basculées autour du pivot (71).
3. 3. Turbomoteur selon l'une des revendications 1 et 2, comprenant un mécanisme d'actionnement de l'hélice aval en position rétractée avec un moyen de freinage (72) pour freiner la rotation de l'hélice (7), et un moyen d'actionnement des pales dans une position rétractée.
4. 4. Turbomoteur selon la revendication précédente dont le mécanisme d'actionnement comprend un moyen pour compenser le freinage de l'hélice aval par une accélération de l'hélice amont.
5. 5. Turbomoteur selon la revendication 3 dont le moyen d'actionnement des pales comprend des ressorts agissant en opposition à la force centrifuge.
6. 6. Turbomoteur selon l'une des revendications 3, 4 et 5 dont le moyen d'actionnement comprend des vérins.
7. 7. Turbomoteur selon l'une des revendications 3 à 5 dont le frein (72) est agencé entre le rotor de turbine (32) entraînant l'hélice aval (7) et l'arbre (29) de l'hélice aval de manière à réduire la vitesse de rotation de l'hélice par rapport à la vitesse de rotation du rotor de turbine.
8. 8. Turbomoteur selon la revendication précédente dont au moins l'hélice aval est entraînée par l'intermédiaire d'un train à engrenage épicycloïdal (15).40
9. 9. Turbomoteur selon la revendication précédente dont le train épicycloïdal comprend des pignons satellites(21) montés sur un porte satellites (25) entre une couronne (31) et un planétaire (17), l'hélice aval étant entraînée par les pignons satellites et le frein étant agencé pour freiner la rotation du porte satellites.
10. 10.Turbomoteur selon la revendication précédente dont l'hélice amont (9) est reliée à ladite couronne (31) de manière à être entraînée en rotation par la couronne.