FR2978495A1 - Carter, notamment carter intermediaire, de turboreacteur - Google Patents

Abstract

La présente invention porte sur un carter (20) annulaire de turboréacteur multiflux comprenant un premier élément (22) formant moyeu, un second élément (24) formant enveloppe cylindrique, radialement externe et concentrique au premier élément, des bras (23) radiaux reliant le premier élément (22) au second élément (24), au moins une partie desdits bras étant structuraux et ayant un profil aérodynamique d'aubage redresseur de flux, caractérisé par le fait qu'il comprend un premier secteur (20C) d'anneau du carter et un second secteur (20T) d'anneau, le premier secteur d'anneau étant réalisé en matériau composite et le second secteur d'anneau en métal, lesdits bras (23T) radiaux du second secteur (20T) d'anneau étant structuraux.

Description

La présente invention concerne le domaine des turboréacteurs multiflux et vise plus particulièrement un élément de carter qui est désigné habituellement par l'expression carter intermédiaire.

Etat de la technique

Un turboréacteur multiflux tel qu'à double flux avec soufflante avant comprend une manche d'entrée d'air fixée à un carter de soufflante lui-même boulonné sur la virole externe du carter dit carter intermédiaire. Le canal en aval de la soufflante communique 1 o avec deux canaux concentriques : le canal de flux primaire et le canal de flux secondaire. Le canal de flux primaire conduit aux étages de compression et à la chambre de combustion. Celle-ci débouche dans la veine des gaz chauds comprenant les roues de turbine entraînant les compresseurs dont le rotor de soufflante. Après détente, les gaz du flux primaire sont éjectés par une tuyère centrale. Le canal de flux 15 secondaire annulairement extérieur à celui du flux primaire est redressé axialement puis passe à travers les bras du carter intermédiaire avant d'être éjecté à travers une tuyère de flux secondaire si le moteur est à flux séparés.

Les parties tournantes d'un turboréacteur sont guidées en rotation par des roulements 20 qui sont supportés généralement par deux éléments de carter disposés l'un, à l'avant, qui forme le carter intermédiaire et l'autre, à l'arrière, qui forme le carter d'échappement. En outre, la transmission des efforts entre le moteur et l'aéronef est assurée par des attaches solidaires de ces deux éléments de carter.

25 Le carter intermédiaire est une pièce qui peut être de grand diamètre dans la mesure où son diamètre externe est celui de la soufflante. Il comprend un moyeu traversé par les arbres tournants du moteur tout en en supportant les paliers, et traversé également par le canal de flux primaire. Des bras structuraux s'étendent radialement du moyeu pour rejoindre une enveloppe cylindrique extérieure. Celle-ci est formée d'une virole 30 sur laquelle sont ménagées des ferrures pour la fixation à un mât de suspension à un aéronef. Une grande partie des efforts entre le moteur et l'aéronef transite ainsi par ce carter.

Par son rôle structurant et par sa taille, le carter contribue de manière significative à la masse du moteur. Ce caractère est encore plus marqué pour les moteurs à grand taux de dilution dont le rapport entre flux secondaire froid et flux primaire chaud est élevé, de l'ordre de 12 à 16, que l'on cherche à développer pour leur faible consommation spécifique de carburant.

Il apparaît que l'on ne peut augmenter de façon sensible, le diamètre de ces pièces par simple extrapolation des structures connues.

Le problème est donc de trouver une structure de carter intermédiaire suffisamment légère pour pouvoir être intégrée notamment en tant que carter intermédiaire dans un moteur à grand taux de dilution sans en pénaliser la consommation spécifique.

Selon un art antérieur, on dispose dans le canal de flux secondaire une roue d'aubages fixes agencés pour redresser, avant son éjection dans l'atmosphère, le flux d'air mis en rotation autour de l'axe moteur par sa traversée de la soufflante. Ces aubages sont souvent désignés par le sigle OGV pour « Outlet Guide Vane ». Ces aubes ne jouent qu'un rôle aérodynamique et sont liées au carter de soufflante par des liaisons boulonnées. Le carter intermédiaire est dans ce cas une pièce métallique monobloc assemblée par mécano-soudage. Cette solution n'est pas souhaitable pour les moteurs à grand taux de dilution car les bras structuraux du carter intermédiaire provoquent une perte de charge aérodynamique et dégradent ainsi le rendement propulsif du moteur.

Selon un autre art antérieur, les aubages formant redresseurs sont agencés pour assurer également le rôle de bras structuraux. Ils sont liés par des liaisons boulonnées à la virole externe et au moyeu du carter. Cependant, malgré la présence des boulons, ces aubages ne peuvent pas être démontés sans que le moteur soit déposé de la voilure de l'avion. Les aubages sont en métal ainsi que la virole et le moyeu du carter.

Cette solution a comme inconvénient d'ajouter la masse des liaisons boulonnées. De plus, il faut reconstituer la veine au dessus des têtes de vis afin d'éviter l'effet de traîne par le flux moteur.

Une solution améliorant la solution précédente est décrite dans la demande de brevet WO 2010/122053 au nom du présent demandeur. Le carter intermédiaire comprend des bras structuraux de raccord entre le moyeu et la virole externe. Ces bras combinent la fonction mécanique de transmission des efforts et la fonction aérodynamique. Pour cela, ils comprennent, d'une part, une pluralité de tirants métalliques s'étendant radialement dans la longueur des bras et, d'autre part, une coque en matériau composite entourant les tirants et formant la surface extérieure aérodynamique. On retrouve cependant dans ce mode de réalisation les liaisons par boulonnage.

Une autre solution permettrait d'éliminer les liaisons boulonnées de la solution précédente et d'intégrer les aubages-redresseurs avec le moyeu et la virole extérieure. Elle consisterait à concevoir un carter monobloc en matériau composite qui présenterait l'avantage supplémentaire d'un gain de masse. Cependant cette solution serait complexe à fabriquer et il serait difficile de garantir une qualité reproductible d'un carter à l'autre. En outre, si toutes les aubages-redresseurs étaient en matériau composite il faudrait prévoir une épaisseur plus importante entre le moyeu et la virole extérieure. Cela impliquerait une perte de charge non négligeable dans la veine Exposé de l'invention

L'invention a pour but d'améliorer les solutions existantes en termes de masse et d'efficacité aérodynamique.

C'est ainsi que l'invention a pour objet un carter annulaire de turboréacteur multiflux comprenant un premier élément formant moyeu, un second élément formant enveloppe cylindrique, radialement extérieur et concentrique au premier élément, des bras radiaux reliant le premier élément annulaire au second élément annulaire, au moins une partie desdits bras étant structuraux et ayant un profil aérodynamique d'aubage redresseur de flux.

Conformément à l'invention, le carter annulaire est caractérisé par le fait qu'il comprend un premier secteur d'anneau et un second secteur d'anneau ; le premier secteur d'anneau est réalisé au moins en partie en matériau composite et le second secteur d'anneau est en métal, lesdits bras du second secteur d'anneau étant structuraux.

Plus précisément, le premier secteur d'anneau de carter comprend une structure fibreuse imprégnée de résine et il est notamment monobloc avec les bras reliant les éléments annulaires conformés de manière à former des aubages redresseurs de flux et étant intégrés aux deux éléments, moyeu et enveloppe cylindrique, du premier secteur d'anneau.

Par l'invention, on concentre l'essentiel de la transmission des efforts sur la partie métallique du second secteur d'anneau. En outre en réalisant le premier secteur d'anneau de manière monobloc on évite les liaisons par boulonnage ce qui est favorable en terme de masse.

Conformément à une autre caractéristique, le second secteur d'anneau est monobloc ; plus particulièrement, il s'agit d'une pièce venue de fonderie et est notamment en alliage de titane.

Conformément à une autre caractéristique, les deux secteurs d'anneau sont liés l'un à l'autre par boulonnage ; plus particulièrement ils sont liés entre eux par l'intermédiaire d'éclisses.

Conformément à une autre caractéristique, le second élément du second secteur d'anneau comprend des moyens d'attache pour la fixation du turboréacteur à la structure d'un aéronef. Avantageusement dans le cadre de cette application, l'angle au centre du second secteur d'anneau est compris entre 30° et 120°.

L'invention porte également sur le turboréacteur intégrant le nouveau carter en tant que carter intermédiaire. Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d'un mode de réalisation non limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels30 La figure 1 représente en demi coupe axiale la partie avant d'un turboréacteur à double flux à soufflante avant montrant des éléments de carter intermédiaire ; La figure 2 représente, vu en perspective de trois quart avant, un carter selon l'invention, formant carter intermédiaire ; Les figures 3 et 4 montrent le détail du carter de la figure 2 ; La figure 5 montre une étape de réalisation du premier secteur d'anneau selon un mode de fabrication.

1 o Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention

La figure 1 est reprise de la demande de brevet W02010/122053 qui porte sur une structure de carter intermédiaire avec des bras reliant mécaniquement le moyeu à l'enveloppe cylindrique extérieure. Ces bras combinent la fonction structurale de 15 transmission des efforts entre le moyeu et l'enveloppe et la fonction aérodynamique de redresseur du flux secondaire. La présente invention vise une structure de carter formant carter intermédiaire améliorée par rapport à la solution présentée dans cette demande.

20 Ainsi le turboréacteur 1, d'axe 3, de la figure 1 comprend, en suivant la direction générale d'écoulement F de l'air de la gauche vers la droite sur la figure, une entrée d'air 2, une soufflante 4, un bec de séparation de flux 6 entre un canal annulaire 8 de flux primaire F1 et un canal annulaire 10 de flux secondaire F2 radialement extérieur au canal 8 de flux primaire. Le flux primaire F1 est comprimé par des moyens de 25 compression 7 qui conduisent à la chambre de combustion, non représentée, en aval. La soufflante est contenue dans un carter de soufflante 5 qui délimite le canal 10 de flux secondaire F2 avec le carénage du canal de flux primaire. Le carter de soufflante 5 est boulonné sur la virole extérieure 14 du carter intermédiaire 12. Ce carter 12 comprend un moyeu 15 centré sur l'axe 3 du moteur et des bras radiaux 13 reliant 30 mécaniquement le moyeu 15 à la virole 14 en étant répartis régulièrement autour de l'axe du moteur. La virole extérieure 14 forme une enveloppe cylindrique dans le prolongement aérodynamique de la paroi interne du carter de soufflante 5. Comme on le voit sur la figure, le moyeu 15 comprend des ouvertures pour le canal de flux primaire 8 et une ouverture centrale pour les arbres des rotors du moteur avec leurs paliers.

Dans la structure exposée dans la demande WO 2010/122053, chaque bras 13 comprend une âme métallique formée de tirants boulonnés à leurs deux extrémités sur le moyeu et la virole et une coque en matériau composite dont la surface extérieure est de forme aérodynamique pour assurer la fonction de redresseur de flux.

La structure du carter de l'invention est illustrée sur les figures 2 à 4. Le carter 20, de 1 o forme annulaire autour d'un axe susceptible de se confondre avec celui du moteur sur lequel il est monté, comprend un premier élément formant moyeu 22 et un second élément formant une enveloppe cylindrique 24 ménageant un espace annulaire avec le moyeu. Des bras 23 radiaux relient mécaniquement le moyeu et l'enveloppe 24 et sont répartis circonférentiellement autour de l'axe du carter. Ces bras 23 ont un profil 15 aérodynamique qui leur permet de redresser un flux d'air incident tournant autour de l'axe, c'est-à-dire qui a une direction axiale avec une composante circonférentielle. Le flux d'air ayant traversé l'espace annulaire du carter se retrouve en aval orienté sensiblement dans l'axe du carter. Le nombre et le profil des bras sont ainsi conditionnés par la fonction d'aubage redresseur de flux qui leur est conférée. 20 Conformément à l'invention, le carter est composé ici de deux secteurs d'anneau centrés sur l'axe du carter. Le premier secteur d'anneau 20C est monobloc en ce sens que les bras 23C sont intégrés aux parties du premier élément formant moyeu 22C et du second élément formant enveloppe 24C du secteur, en formant une seule pièce ; le 25 secteur est par ailleurs constitué principalement en un matériau composite avec une structure fibreuse imprégnée d'une résine. Eventuellement un revêtement métallique est disposé sur le bord d'attaque des aubages redresseurs afin d'augmenter leur résistance à l'érosion et l'impact. Ce revêtement du bord d'attaque est de préférence rapporté afin de faciliter son remplacement en cas d'endommagement. 30 Le second secteur d'anneau 20T est métallique. Avantageusement, ce secteur est également monobloc. Les bras radiaux 23T reliant mécaniquement le moyeu et l'enveloppe sont intégrés aux parties du premier élément formant moyeu 22T et du second élément formant enveloppe 24T du secteur d'anneau 20T. Le secteur d'anneau est de préférence obtenu par la technique de fonderie et est en alliage de titane. La fonction des bras 23T est double : aérodynamique et structurale. Par leur profil aérodynamique les bras 23T assurent la fonction d'aubage redresseur de la même façon que les bras radiaux 23C. Par leur structure métallique ils assurent la transmission des efforts entre le moyeu et l'enveloppe.

Les deux secteurs 20C et 20T sont montés l'un avec l'autre pour former le carter 20 des moyens d'attache entre les deux pièces peuvent être constitués d'éclisses 26 reliant les seconds éléments d'enveloppe 24C et 24T l'un à l'autre. Eventuellement les 1 o éléments de moyeu sont également liés l'un à l'autre. Les éclisses sont fixées par exemple par boulonnage.

Lorsque le carter est utilisé en tant que carter intermédiaire, il comprend un moyen d'attache 28 sur l'élément d'enveloppe 24T. Ce moyen d'attache permet la suspension 15 du moteur à un mât d'aéronef par exemple. Il peut être venu de fonderie avec le reste du second secteur d'anneau. Par ce biais la majorité des efforts transite par les bras radiaux 23T.

Pour assurer cette transmission des efforts entre le moyeu et l'enveloppe, l'angle 20 d'ouverture du second secteur d'anneau est de préférence compris entre 30° et 120° par rapport à l'attache 28, soit de préférence entre 15° et 60° de chaque côté de l'attache.

Concernant le mode de fabrication du premier secteur d'anneau en matériau 25 composite.

Un procédé, non limitatif, de fabrication, consiste à réaliser une structure fibreuse en mettant en oeuvre par exemple une technique de tissage tridimensionnel avec une armure de type interlock à plusieurs couches de fils de chaîne et de fils de trame. Une 30 application de cette technique de tissage tridimensionnel est décrite dans le brevet FR 2 913 053 au nom du présent déposant pour la fabrication d'un carter de soufflante.

Dans la présente application, deux nappes textiles 3D sont tissées de manière à faire sortir du plan de tissage des boucles de fils de chaine. Ces boucles forment des protubérances saillantes par rapport au plan de tissage et vont servir de structures d'encrage des aubages redresseurs. L'agencement des boucles et leur espacement sont ainsi déterminés par les aubages à recevoir.

En se reportant à la figure 5, on voit deux structures fibreuses, 122c et 124c, cylindriques et concentriques qui ont été formées à partir des nappes pour constituer les viroles formant les premier et second éléments du carter. Sur la nappe du cylindre intérieur 122c, les protubérances 122c' formées par les boucles sont orientées vers l'extérieur. Sur la nappe cylindrique extérieure 124c, les protubérances 124c' sont orientées vers l'intérieur. Les protubérances 122c' et 124c' sont alignées selon des directions radiales.

Des structures fibreuses 123, composées de fibres telles que de fibres de carbone tressées et en forme de chaussettes, sont ensuite glissées autour de chaque couple de protubérances alignées sur un même rayon. Elles forment des liaisons entre la structure fibreuse cylindrique intérieure et la structure fibreuse cylindrique extérieure. Ces chaussettes sont conformées de manière à former, après moulage, les aubages redresseurs. Une fois toutes les chaussettes en place sur les structures cylindriques, l'ensemble est placé dans un moule approprié, dont le volume correspond à celui des viroles, premier et second éléments 22c et 24c, reliées entre elles par des aubages redresseurs, et une résine est injectée dans le moule.

La pièce obtenue est découpée pour former le premier secteur d'anneau auquel est associé le second secteur d'anneau, l'ensemble constituant le carter composite de l'invention. Selon une variante, le secteur d'anneau est formé directement par moulage.

La structure de carter de l'invention permet ainsi un gain en masse important par rapport à l'art antérieur, notamment en cas d'application en tant que carter intermédiaire sur un moteur à grand taux de dilution.30

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1 Carter (20) annulaire de turboréacteur multiflux comprenant un premier élément (22) formant moyeu, un second élément (24) formant enveloppe cylindrique, radialement extérieure et concentrique au premier élément, des bras (23) radiaux reliant le premier élément (22) au second élément (24), au moins une partie desdits bras étant structuraux et ayant un profil aérodynamique d'aubage redresseur de flux, caractérisé par le fait qu'il comprend un premier secteur (20C) d'anneau du carter et un second secteur (20T) d'anneau, le premier secteur d'anneau étant réalisé au moins en partie en matériau composite et le second secteur d'anneau en métal, lesdits bras (23T) radiaux du second secteur (20T) d'anneau étant structuraux. 15
2. 2. Carter selon la revendication précédente, dont le premier secteur (20C) d'anneau de carter comprend une structure fibreuse imprégnée de résine.
3. 3. Carter selon la revendication précédente, dont le premier secteur (20C) d'anneau est monobloc et les bras radiaux (23C) du premier secteur 20 forment des aubages redresseurs de flux.
4. 4. Carter selon l'une des revendications précédentes, dont le second secteur (20T) d'anneau est monobloc. 25
5. 5. Carter selon la revendication précédente, dont le second secteur (20T) d'anneau est une pièce venue de fonderie.
6. 6. Carter selon l'une des revendications 4 et 5, dont le second secteur d'anneau est en alliage de titane
7. 7. Carter selon l'une des revendications précédentes, dont les deux secteurs d'anneau sont liés l'un à l'autre par boulonnage. 10 30 510
8. 8. Carter selon l'une des revendications précédentes, dont les deux secteurs d'anneau sont liés entre eux par l'intermédiaire d'éclisses (26).
9. 9. Carter selon l'une des revendications précédentes, dont le second élément (24T) du second secteur (20T) d'anneau comprend des moyens d'attache (28) pour la fixation du turboréacteur, sur lequel le carter est monté, à la structure d'un aéronef ; l'angle au centre du second secteur (20T) d'anneau étant compris entre 30° et 120°.
10. 10. Turboréacteur multiflux comprenant un carter intermédiaire incorporant au moins en partie un carter selon l'une des revendications 1 à 9.