FR2968364A1 - Element de soufflante de turboreacteur a double flux - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne le domaine des soufflantes (2) de turboréacteur à double flux (1) et, en particulier, un élément de soufflante de turboréacteur (1) à double flux, comportant, en une même pièce monobloc (13) en matériau composite, un carter (7) de soufflante (2) et une virole extérieure (8) de carter intermédiaire apte à être directement reliée à des aubes de guidage (5) situées en aval d'aubes tournantes (4) de soufflante. L'élément de soufflante incorpore aussi, sur un périmètre extérieur de ladite pièce monobloc (13), au moins un raidisseur radial (14) présentant au moins un point de fixation (17) d'équipements (16).

Description

La présente invention concerne un élément de soufflante d'un turboréacteur à double flux.
Un turboréacteur à double flux comprend une soufflante qui est normalement située à l'avant du turboréacteur. Elle délivre alors un flux d'air divisé en un flux primaire et un flux secondaire annulaire autour du flux primaire. Le flux primaire est guidé vers un compresseur, une chambre de combustion, une turbine entraînant le compresseur et la soufflante, et éjecté, avec les gaz de combustion, à travers une tuyère d'échappement afin de produire une poussée de réaction. Le flux secondaire est redressé en aval de la soufflante et éjecté sensiblement dans la même direction. Ainsi, la majorité de la poussée est due au flux secondaire d'air frais impulsé par la soufflante, une moindre partie provenant du flux primaire avec les gaz de combustion chauds.
Dans la description qui suit les termes "amont" et "aval" sont définis par rapport au sens de circulation normal de l'air à travers la soufflante, et les termes "intérieur" et "extérieur" indiquent la région à l'intérieur et à l'extérieur du carter de soufflante, respectivement. On entend comme « taux de dilution » le rapport entre les débits massiques du flux secondaire et primaire. Sauf à très hautes vitesses, notamment supersoniques, le rendement propulsif d'un turboréacteur à double flux augmente avec ledit taux de dilution. L'augmentation du taux de dilution constitue donc une voie indiquée pour réduire la consommation énergétique des turboréacteurs à double flux, et en réduire en conséquence tant les frais d'exploitation que les émissions de gaz polluants et à effet de serre. Un taux de dilution élevé présente aussi des avantages additionnels, tels qu'un moindre impact sonore.
Toutefois, pour augmenter le taux de dilution il est normalement nécessaire d'augmenter aussi le diamètre de la soufflante. Ceci présente toutefois plusieurs inconvénients, dont notamment une augmentation de la masse et de la traînée du carter et de la nacelle qui entourent les aubes de la soufflante. Dans ce domaine, on considère normalement qu'au delà d'un taux de dilution de 10, le gain en rendement propulsif se trouve compromis par ces inconvénients.
L'invention vise à proposer un élément de soufflante dans lequel soit intégré le carter de soufflante et qui permette de réduire la masse de l'ensemble de la soufflante.
Ce but est atteint grâce au fait que l'élément de soufflante comporte en outre une virole extérieure de carter intermédiaire formant une seule pièce monobloc en matériau composite avec ledit carter de soufflante et apte à être directement reliée à des aubes de guidage situées en aval d'aubes tournantes de soufflante, et à ce qu'il comporte aussi, sur un périmètre extérieur de ladite pièce monobloc, au moins un raidisseur radial présentant au moins un point de fixation d'équipements.
Les aubes de guidage de la soufflante (généralement nommées OGV, de l'anglais « outlet guide vanes ») sont normalement entre 30 et 50 et ont un double rôle dans les turboréacteurs à double flux : structurellement elles forment un lien entre le carter de soufflante et le reste du turboréacteur, et aérodynamiquement elles redressent le flux en aval des aubes tournantes de soufflante, améliorant ainsi le rendement propulsif de la soufflante. Toutefois, dans les turboréacteurs à double flux de l'état de la technique, elles ne sont pas directement reliées au carter de soufflante, mais à une virole de carter intermédiaire, ou VCI, en prolongation du carter de soufflante dans la direction d'écoulement de l'air à travers la soufflante. Cette virole est à son tour, dans les moteurs de l'état de la technique, reliée au carter de soufflante par des boulons traversant des brides radiales de la virole et du carter mises face-à-face, ce qui a toutefois l'inconvénient d'alourdir l'ensemble de la soufflante. Ces brides radiales servent aussi à fixer des équipements secondaires à la soufflante, p.ex. des équipements électriques.
Grâce à l'intégration de la virole extérieure de carter intermédiaire en une pièce monobloc avec le carter de soufflante selon au moins un mode de réalisation de l'invention, il est possible de réduire sensiblement la masse de la soufflante, en particulier pour des grands diamètres et taux de dilution. Le point de fixation sur le raidisseur radial permet de continuer à assurer la fixation d'équipements secondaires à la soufflante.
Le matériau composite peut en particulier comporter des fibres, par exemple tissées, noyées dans une matrice en plastique. Un tel matériau composite présente les avantages de légèreté et rigidité, ainsi que celui de permettre la création de formes complexes avec un minimum de rebut.
Parmi les fibres pouvant être utilisées dans ce matériau composite, on compte notamment les fibres de carbone, de verre, d'aramide ou de polyéthylène, bien que les fibres de carbone soient particulièrement avantageuses grâce à leur rigidité, coefficient de dilatation thermique négatif, et conductivité électrique. Parmi les plastiques pouvant être utilisés comme matrice, on compte tant les résines thermodurcissables que les thermoplastiques, et en particulier, parmi les résines thermodurcissables, les résines époxy. Avantageusement, un bord de déviation d'un inverseur de poussée, en aval de ladite virole, et/ou au moins une partie d'une manche d'entrée et/ou de panneaux acoustiques de la soufflante, en amont dudit carter de soufflante, peuvent aussi être intégrés dans la pièce monobloc, ce qui permet d'encore réduire la masse, et la complexité de l'ensemble de la soufflante, ainsi que le nombre d'étapes de travail nécessaires pour son assemblage. Les aubes de guidage peuvent aussi être avantageusement intégrées à la pièce monobloc sur un périmètre intérieur du dispositif de carter de soufflante pour les mêmes raisons. Avantageusement, le raidisseur radial peut être intégré à la pièce monobloc sur un diamètre extérieur de la pièce monobloc, en particulier situé axialement en amont d'au moins un point de fixation d'aube de guidage à la virole extérieure. Ceci permet aussi de réduire la masse, et la complexité de la soufflante, et de faciliter sa production. Alternativement, ou bien en supplément, l'élément de soufflante selon au moins un mode de réalisation de l'invention peut aussi comporter lesdites aubes de guidage, situées sur un périmètre intérieur de la virole, au moins un raidisseur radial situé sur un périmètre extérieur du dispositif de carter de soufflante, et au moins un dispositif de fixation commun d'au moins une desdites aubes de guidage et l'au moins un raidisseur radial au dispositif de carter de soufflante. En particulier, ledit dispositif de fixation commun peut comporter au moins une tige de fixation traversant radialement ladite pièce monobloc. De cette manière il est possible de minimiser la masse et la complexité de la soufflante même quand il n'est pas possible d'intégrer le raidisseur radial et/ou les aubes de guidage à la pièce monobloc. L'invention concerne également un turboréacteur à double flux comportant une soufflante avec une telle pièce monobloc, et un procédé de production d'un élément de soufflante de turboréacteur à double flux, comportant la fabrication en matériau composite d'une pièce monobloc dans laquelle sont intégrés au moins un carter de soufflante et une virole extérieure de carter intermédiaire apte à être directement reliée à des aubes de guidage situées en aval d'aubes tournantes de soufflante, et l'incorporation d'au moins un raidisseur radial, comportant au moins un point de fixation d'équipement, à l'élément de soufflante sur un périmètre extérieur de la pièce monobloc. En particulier, dans l'étape de fabrication de la pièce monobloc, un bord de déviation d'un inverseur de poussée peut aussi être formé intégralement à cette pièce monobloc. En outre, l'incorporation du raidisseur radial à l'élément de soufflante peut aussi éventuellement s'effectuer lors de l'étape de fabrication de la pièce monobloc, le raidisseur radial étant alors formé intégralement à cette pièce monobloc. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de plusieurs modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une section longitudinale d'un turboréacteur à double flux de l'état de la technique ; la figure 2 est une section longitudinale d'un turboréacteur à double flux selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 est une section longitudinale d'un turboréacteur à double flux selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; la figure 4 est une section longitudinale d'un turboréacteur à double flux selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; la figure 5 illustre schématiquement une liaison par pièce rapportée dans une préforme fibreuse ; la figure 6 illustre schématiquement une liaison en biseau dans une préforme fibreuse ; la figure 7 illustre schématiquement une liaison par interpénétration de couches dans une préforme fibreuse ;
la figure 8 illustre schématiquement illustre schématiquement une première alternative pour l'intégration d'un raidisseur radial dans une préforme fibreuse ; les figures 9a et 9b illustrent schématiquement une deuxième alternative pour l'intégration d'un raidisseur radial dans une préforme fibreuse ; et la figure 10 illustre schématiquement une troisième alternative pour l'intégration d'un raidisseur radial dans une préforme fibreuse.
Un turboréacteur 1 à double flux de l'état de la technique est illustré sur la figure 1. Ce turboréacteur 1 comporte une soufflante 2 avec un rotor 3 d'aubes tournantes 4, entraîné par un étage de turbine (non-illustré) du turboréacteur 1, et des aubes de guidage 5 (en anglais « outlet guide vanes » ou OGV) en aval des aubes tournantes 4. A part redresser le flux d'air en aval des aubes tournantes 4, les aubes de guidage relient aussi le noyau 6 du turboréacteur au carter 7 de soufflante, à travers une virole extérieure 8 de carter intermédiaire. Les extrémités extérieures des aubes de guidage 5 sont reliées à un périmètre intérieur de la virole 8 par des boulons 9. Une bride radiale 10 sur une face axiale de la virole 8 est plaquée contre une bride radiale 11 correspondante du carter 7 de soufflante, et reliée à celle-ci par des tiges 12 de boulons traversant les deux brides 10,11. Ces mêmes boulons fixent aussi un équipement secondaire 16 aux brides radiales 10,11.
Par contre, dans un premier mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 2, le turboréacteur 1 comporte aussi une soufflante 2 avec un rotor 3 d'aubes tournantes 4, et des aubes de guidage 5 fixes, ainsi qu'un noyau 6, mais le carter 7 de soufflante et la virole extérieure 8 de carter intermédiaire sont intégrés en une seule pièce monobloc 13 d'un élément de soufflante. Cette pièce monobloc 13 est en matériau composite comportant des fibres noyées dans une matrice en plastique. De manière analogue aux soufflantes de l'état de la technique, les extrémités extérieures des aubes de guidage 5 sont reliées à un périmètre intérieur de ladite pièce monobloc 13 par des tiges 9. Afin d'optimiser la rigidité de la pièce monobloc, un raidisseur radial 14 y est intégré sur un
périmètre extérieur, entre le carter 7 de soufflante et la virole extérieure 8. Ce raidisseur radial 14 comporte des points de fixation 17 permettant la fixation de l'élément secondaire 16 au raidisseur radial par des tiges 18 de boulons.
Dans un deuxième mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 3, le turboréacteur 1 comporte aussi une soufflante 2 avec un rotor 3 d'aubes tournantes 4, et des aubes de guidage 5 fixes, ainsi qu'un noyau 6, et un carter 7 de soufflante et une virole extérieure 8 de carter intermédiaire intégrés en une seule pièce monobloc 13 en matériau composite. Toutefois, dans ce deuxième mode de réalisation, le raidisseur radial 14, qui présente aussi des points 17 de fixation de l'élément secondaire 16, n'est pas intégré à la pièce monobloc 13, mais fixé à son périmètre extérieur par les mêmes boulons 9 fixant les extrémités extérieures des aubes de guidage 5 au périmètre intérieur de la pièce monobloc 13.
Dans un troisième mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 4, le turboréacteur 1 comporte aussi une soufflante 2 avec un rotor 3 d'aubes tournantes 4, et des aubes de guidage 5 fixes, ainsi qu'un noyau 6, et un carter 7 de soufflante et une virole extérieure 8 de carter intermédiaire intégrés en une seule pièce monobloc 13 en matériau composite. Dans ce troisième mode de réalisation, deux raidisseurs radiaux 14, dont un présentant aussi des points 17 de fixation de l'élément secondaire 16, sont fixés au périmètre extérieur de la pièce monobloc par les mêmes tiges 9 fixant les extrémités extérieures des aubes de guidage 5 au périmètre intérieur de la pièce monobloc 13 de l'élément de soufflante. En outre, un bord de déviation 15 d'un inverseur de poussée en aval de la virole 8.
Pour fabriquer la pièce monobloc 13 de l'un quelconque des trois modes de réalisation précités, plusieurs matériaux et procédés de fabrication peuvent être utilisés. Les fibres peuvent comporter de préférence des fibres de carbone, qui présentent notamment les avantages d'une haute rigidité et résistance mécanique. Toutefois d'autres types de fibres pourraient aussi éventuellement être utilisés individuellement ou en combinaison, telles que, notamment, des fibres de
verre, de polyéthylène haute densité, ou d'aramide. La matrice en plastique peut préférablement comporter une résine thermodurcissable de type epoxy, quoique d'autres types de résines thermodurcissables ou de thermoplastiques pourraient aussi être utilisés seuls ou en combinaison selon les circonstances.
Les fibres sont d'abord arrangées de manière à créer une préforme 50 de la pièce monobloc. Cette préforme est de préférence tissée en trois dimensions, bien d'autres procédés textiles puissent être utilisés, tels que, par exemple le tressage, en particulier le tressage multicouches, avec des couches liées dans le sens de l'épaisseur ou non, ou le drapage d'une pluralité de plis bidimensionnels. Par « bidimensionnel », on n'entend bien sûr pas, dans le contexte de la présente divulgation, un pli à épaisseur nulle, mais un pli, tissé ou non, ne présentant pas une pluralité de couches liées dans le sens de l'épaisseur. La préforme 50 peut être formée d'un seul tenant, ou bien en plusieurs éléments. La jonction entre deux éléments adjacents 50a, 50b présentant chacun une pluralité de couches 51 peut être faite par exemple par une pièce rapportée 50c, comme illustré sur la figure 5, par joint biseauté, comme illustré sur la figure 6, et/ou par interpénétration des couches 51 des deux éléments 50a, 50b, comme illustré sur la figure 7, les éléments 50a et 50b étant de préférence cousus ensuite l'un à l'autre dans chaque cas. Si au moins un premier élément 50a est tissé en trois dimensions, ses couches 51 peuvent être déliées les unes des autres localement sur le bord du premier élément avant une liaison par interpénétration avec l'élément adjacent 50b. Les mêmes procédés peuvent aussi être utilisés pour fermer la circonférence de la préforme 50, qui est normalement annulaire comme la pièce monobloc 13.
Quand la préforme 50 comporte plusieurs éléments 50a, 50b joints de cette manière, il est notamment possible d'utiliser des procédés et/ou fibres différents pour les différents éléments. Par exemple, une partie amont de la préforme 50 pourrait être produite en tissu tridimensionnel, tandis qu'une partie aval serait produite en drapant ensemble plusieurs plis bidimensionnels.
Quand un raidisseur radial 14 est intégré dans la pièce monobloc 13, comme, en particulier, dans le premier mode de réalisation, illustré sur la figure 2, une préforme textile 50d du raidisseur radial 14 peut aussi être intégrée à la préforme 50 par couture, comme illustré sur la figure 8. Dans ce cas, la préforme textile 50d du raidisseur radial peut être produite avec un procédé et/ou type de fibres différent au reste de la préforme 50. Toutefois, si la préforme 50 est en tissu ou tressé tridimensionnel, le raidisseur radial 14 peut aussi être formé en déliant dans l'épaisseur un segment 50d de cette préforme 50, comme illustré sur la figure 9a, pour ensuite plier le segment 50d délié de manière à mettre en forme la partie de la préforme 50 correspondant au raidisseur radial 14, comme illustré sur la figure 9b. Dans une préforme 50 dans laquelle les couches 51 sont des plis bidimensionnels déliés dans le sens de l'épaisseur de la préforme 50, le raidisseur radial peut aussi être formé en pliant au moins une partie des couches 51, comme illustré sur la figure 10.
De préférence, la préforme 50 est ensuite placée contre au moins une surface de moule, position dans laquelle elle sera injecté ou infusée de résine liquide pour former la pièce monobloc 13. Alternativement, la préforme 50 peut aussi être préalablement imprégnée de résine. Dans les deux cas, la préforme imprégnée de résine durcit dans la position de moulage, et, après durcissement de la résine, la pièce monobloc 13 pourra être démoulée.
Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Par exemple, d'autres parties de la soufflante pourraient être incorporés à la pièce monobloc, tels qu'une partie d'une manche d'entrée et/ou de panneaux acoustiques de la soufflante, en amont dudit carter de soufflante, ou même au moins une partie des aubes de soufflante. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.35

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Elément de soufflante de turboréacteur (1) à double flux, comportant un carter (7) de soufflante (2) et caractérisé en ce qu'il comporte en outre une virole extérieure (8) de carter intermédiaire formant une seule pièce monobloc (13) en matériau composite avec ledit carter (7) de soufflante et apte à être directement reliée à des aubes de guidage (5) situées en aval d'aubes tournantes (4) de soufflante, et en ce qu'il comporte aussi, sur un périmètre extérieur de ladite pièce monobloc (13), au moins un raidisseur radial (14) présentant au moins un point de fixation (17) d'équipements (16).
  2. 2. Elément de soufflante selon la revendication 1, dans lequel un bord de déviation (15) d'un inverseur de poussée est aussi intégré dans ladite pièce monobloc.
  3. 3. Elément de soufflante selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel ledit raidisseur radial (14) est situé axialement en amont d'au moins un point de fixation d'aube de guidage à la virole extérieure (8)
  4. 4. Elément de soufflante selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ledit au moins un raidisseur radial (14) est aussi intégré dans ladite pièce monobloc (13).
  5. 5. Elément de soufflante selon une quelconque des revendications 1 à 4, comportant en outre lesdites aubes de guidage (5), situées sur un périmètre intérieur de la virole (8), et au moins un dispositif de fixation commun d'au moins une desdites aubes de guidage (5) et l'au moins un raidisseur radial (14) au dispositif (13).
  6. 6. Soufflante (2) comportant un élément de soufflante selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
  7. 7. Turboréacteur (1) à double flux, comportant une soufflante (2) 30 selon la revendication 6.
  8. 8. Procédé de fabrication d'un élément de soufflante de turboréacteur à double flux, comportant : la fabrication en matériau composite d'une pièce monobloc (13) dans laquelle sont intégrés au moins un carter (7) de soufflante et une virole 35 extérieure (8) de carter intermédiaire apte à être directement reliée à desaubes de guidage (5) situées en aval d'aubes tournantes (4) de soufflante, et l'incorporation d'au moins un raidisseur radial (14), comportant au moins un point (17) de fixation d'équipement (16), sur un périmètre extérieur de la pièce monobloc (13).
  9. 9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, dans lequel, dans l'étape de fabrication de la pièce monobloc (13), un bord de déviation (15) d'un inverseur de poussée est aussi formé intégralement à cette pièce monobloc (13).
  10. 10. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, dans lequel l'incorporation du raidisseur radial (14) à l'élément de soufflante s'effectue lors de l'étape de fabrication de la pièce monobloc (13), le raidisseur radial (14) étant formé intégralement à cette pièce monobloc (13).15
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