FR3008069A1 - Ensemble propulsif pour aeronef comprenant un moteur a helice et un mat monte en amont. - Google Patents

Abstract

- Ensemble propulsif pour aéronef comprenant un moteur à hélice et un mât monté en amont. - L'ensemble propulsif (1) comprend un moteur (M) pourvu d'au moins une hélice (2) et un mât (3), ledit mât (3) étant agencé en amont et l'hélice (2) du moteur (M) en aval d'un même axe, cet axe étant défini par une direction d'écoulement (E) de l'air lorsque l'aéronef est en vol, l'amont et l'aval étant définis par rapport au sens dudit écoulement (E), ledit mât (3) comprenant en aval un bord de fuite (4), ledit bord de fuite (4) étant muni d'encoches.

Description

La présente invention concerne un ensemble propulsif d'un aéronef comprenant un moteur à hélice et un mât, ainsi qu'un aéronef comportant un tel ensemble propulsif. Certains aéronefs sont munis d'un ou de plusieurs moteurs de type turbopropulsif à hélice qui sont disposés soit à l'arrière de l'aéronef, soit à l'arrière d'un élément de l'aéronef. On sait notamment que dans un certain nombre de cas, un mât est disposé en amont de l'hélice par rapport au flux d'air qui s'écoule lorsque l'aéronef est en vol. Or la présence d'un mât placé dans un écoulement non nul génère dans la direction de l'écoulement, un sillage dont la forme et l'intensité dépendent de la géométrie du mât. Ainsi, lorsqu'une hélice est installée en aval d'un mât, le champ aérodynamique ingéré par l'hélice est inhomogène du fait d'un déficit de vitesse local induit par le sillage. Cette inhomogénéité est à l'origine d'une instabilité des forces aérodynamiques agissant sur les pales de l'hélice et, par conséquent, génère une source de bruit dite instationnaire, dont l'intensité est considérable. On connaît différentes solutions susceptibles d'être utilisées pour réduire un tel bruit. En particulier, une technique de soufflage de bord de fuite, qui est une technique permettant de combler le déficit de vitesse induit par le mât sur le plan des hélices, présente un fort potentiel de réduction de bruit. Cette technique consiste à injecter de l'air en aval du mât afin de combler le déficit de vitesse local de l'écoulement dirigé vers l'hélice. Cependant, cette technologie présente certains inconvénients. En effet, le débit d'air utilisé pour le soufflage pénalise les performances de l'aéronef, non seulement en basse vitesse, mais aussi en phase de croisière. En outre, un concept d'aspiration de couche limite à l'intrados et à l'extrados du mât a également été envisagé. Mais bien que le potentiel acoustique d'une telle approche soit prouvé, sa mise en oeuvre reste complexe en raison notamment de la difficulté d'évacuer l'air aspiré sans répercutions sur les performances aéro-structurales du mât.

Par ailleurs, on connaît des technologies alternatives prévoyant une modification locale du bord de fuite du mât. Ces technologies s'appuient, pour la plupart, sur des géométries de mât « bidimensionnelles ». Autrement dit, elles génèrent un sillage de forme constante sur toute l'envergure de l'hélice.

De récentes observations expérimentales et numériques ont montré que lorsque la géométrie du bord de fuite est optimisée en conservant cette caractéristique bidimensionnelle, elle ne présente que peu d'intérêt en termes de réduction de bruit. En effet, le gain acoustique réalisé à certaines fréquences induit généralement des pénalités à d'autres fréquences, limitant ainsi la performance acoustique globale de la technologie. Ainsi, la modification de l'épaisseur d'un sillage, n'a pour effet qu'un transfert d'énergie vers les plus hautes ou plus basses fréquences. Aucune de ces solutions usuelles ne permet donc d'obtenir une réduction importante du bruit d'un ensemble propulsif tel que précité, sans effet négatif sur les performances dudit ensemble propulsif. La présente invention a pour objet de remédier à cet inconvénient. Elle concerne un ensemble propulsif d'un aéronef comprenant un moteur pourvu d'au moins une hélice et un mât, ledit mât étant agencé en amont et l'hélice du moteur en aval d'un même axe, cet axe étant défini par une direction d'écoulement de l'air lorsque l'aéronef est en vol, l'amont et l'aval étant définis par rapport au sens dudit écoulement, ledit mât comprenant en aval un bord de fuite. Selon l'invention, ledit ensemble propulsif est remarquable en ce que le bord de fuite du mât est muni d'encoches.

Ainsi, en complexifiant la géométrie de bord du fuite du mât par l'intermédiaire de l'agencement d'encoches, on induit des phénomènes d'interférence acoustique à l'émission du bruit d'interaction mât-hélice, comme précisé ci-dessous, ce qui permet d'obtenir une réduction importante du bruit, sans effets sur les performances aérodynamiques de l'ensemble propulsif.

Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris individuellement ou en combinaison : - les encoches sont pratiquées périodiquement le long dudit bord de fuite. De préférence, lesdites encoches sont configurées pour créer une extrémité de bord de fuite de forme sinusoïdale, ou bien de forme sensiblement triangulaire, - le rapport entre la période et l'amplitude des encoches (pratiquées périodiquement) est inférieur à 10, - le rapport entre l'épaisseur du bord de fuite et l'amplitude des encoches est inférieur à 0,5. L'invention se rapporte également à un aéronef comportant un tel ensemble propulsif. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 est une vue de côté d'un ensemble propulsif illustrant l'invention. La figure 2 est une vue en perspective d'un mât et de son bord de fuite selon un mode de réalisation particulier de l'invention. La figure 3 est une représentation de l'interaction du sillage du mât avec une pale de l'hélice.

Les figures 4 et 5 sont des graphiques représentant des interférences générées, respectivement, par un mât selon l'invention et par un mât usuel. Sur la figure 1, l'ensemble propulsif 1 illustrant l'invention, comprend un moteur M à hélice et un mât 3. Un moteur M à hélice peut comporter une seule hélice ou bien deux hélices contrarotatives 2, tel que représenté à titre d'exemple sur la figure 1. Pour des raisons de simplification, la description ci- après fait référence à une seule hélice 2, mais s'appliquerait de façon similaire à un ensemble à deux hélices 2. Le mât 3 et l'hélice 2 du moteur M sont agencés sensiblement sur un même axe, cet axe étant défini par une direction d'écoulement E de l'air lorsque l'aéronef est en mouvement.

Lorsque l'aéronef est en phase de vol (croisière, décollage, atterrissage), le mât 3 et l'hélice 2 sont sensiblement l'un derrière l'autre, par rapport à l'air qui s'écoule autour de l'aéronef, l'air s'écoulant dans le sens inverse de celui du mouvement de l'aéronef.

Le mât 3 est agencé en amont et l'hélice 2 en aval, l'amont et l'aval étant définis par rapport au sens dudit écoulement E d'air autour de l'aéronef. L'hélice 2 du moteur est donc dans le sillage du mât 3, et reçoit l'air perturbé par le mât 3 lorsque l'aéronef est en vol. Le mât 3 présente une forme profilée pour répondre aux contraintes aérodynamiques. En outre, il comporte un bord de fuite 4 à sa partie aval, qui est plus profilée que la partie amont. L'air circule autour du mât 3, de la partie amont vers la partie aval, le bord de fuite 4 étant en regard de l'hélice 2. Ce bord de fuite 4 est donc la dernière partie du mât 3 à perturber l'air avant que celui-ci ne parvienne à l'hélice 2. Le bord de fuite 4 présente une longueur L et une épaisseur e, dans un plan sensiblement orthogonal à l'écoulement E. Selon l'invention, afin de modifier cette perturbation, le bord de fuite 4 du mât 3 est muni d'encoches 5, comme représenté sur la figure 2. En complexifiant ainsi la géométrie du bord de fuite 4 du mât 3, on induit des phénomènes d'interférence acoustique à l'émission du bruit d'interaction mât-hélice. Grâce à la distorsion du sillage, qui modifie le schéma interférentiel de l'hélice 2, on aboutit à une réduction notable du bruit, sans apport de vitesse local par soufflage, c'est-à-dire sans réduction de l'intensité du sillage. De préférence, les encoches 5 sont agencées périodiquement le long de la longueur L du bord de fuite 4, de façon à obtenir un bord de fuite 4 présentant une extrémité 6 de forme sensiblement périodique. La perturbation de l'air qui en découle est, elle-aussi, périodique. Grâce à la forme tridimensionnelle périodique du bord de fuite 4 du mât 3, des tronçons de pale de l'hélice 2 impactent le sillage du mât 3 à des instants différents.

Dans un mode de réalisation préféré, l'extrémité 6 du bord de fuite 4 présente une forme sinusoïdale comme représenté sur la figure 2. Elle peut également présenter une autre forme, par exemple une forme sensiblement triangulaire.

Le principe d'optimisation acoustique du bord de fuite 4 du mât 3 s'appuie, d'une part, sur la caractérisation aérodynamique de l'écoulement E induite par le mât 3 sur le plan de l'hélice 2, et d'autre part, sur la réponse instationnaire acoustique de l'hélice 2 à cette excitation. La caractérisation acoustique peut être réalisée à l'aide d'outils basés respectivement sur la théorie de la ligne portante et le formalisme de Fowcs Williams et Hawkings. La figure 3 montre la façon dont des décalages de phase sont induits à l'émission. Une pale 7 de l'hélice 2 est en interaction avec quatre portions P1, P2, P3, P4 du sillage 8 induit par le mât 3. Ainsi, différents tronçons (de longueurs égales) de la pale 7, en l'occurrence quatre correspondant au nombre de portions P1, P2, P3, P4, interagissent avec le sillage 8 de façon décalée. Chaque tronçon, défini par sa position en longueur, émet un bruit d'interaction à un instant qui lui est propre, du fait du caractère tridimensionnel du sillage 8. Ainsi, comme représenté sur la figure 4, les courbes d'évolution Cl a, C2a, C3a, C4a de la pression acoustique P(T) en fonction du temps T de chacun de ces tronçons de pale 7, montrent que les tronçons de pale 7 émettent en opposition de phase. Sur la figure 5, sont représentées les courbes d'évolution Cl b, C2b, C3b, C4b de la pression acoustique P(T) en fonction du temps T des mêmes tronçons de pale, en interaction avec le sillage d'un mât usuel (c'est-à-dire sans encoches 5). On observe une interférence de type constructive qui aboutit à une intensité sonore beaucoup plus importante. La comparaison des figures 4 et 5 permet de comprendre l'effet obtenu, à savoir une diminution de l'intensité sonore, grâce à l'ensemble propulsif 1 selon l'invention.

Dans un mode de réalisation particulier, le rapport entre la période p et l'amplitude des encoches 5 est inférieur à 10. La dynamique tridimensionnelle du sillage étant plus marquée lorsque la période p des encoches 5 est réduite, un rapport relativement faible (entre la période et l'amplitude des encoches 5), a des répercutions sur l'intensité sonore et améliore les performances acoustiques de l'ensemble propulsif 1.

En outre, dans un autre mode de réalisation particulier, le rapport entre l'épaisseur e de l'extrémité 6 du bord de fuite 4 et l'amplitude des encoches 5 est inférieur à 0,5. La sensibilité du sillage du mât 3 à la présence des encoches 5 est accrue par la réduction de l'épaisseur e du bord de fuite 4. En particulier, la dynamique tridimensionnelle du sillage est accentuée par l'affinement du bord de fuite 4, l'intensité du sillage étant notamment réduite par l'affinement du bord de fuite 4. Une réduction de l'intensité du sillage permet de réduire l'intensité acoustique des basses fréquences et d'augmenter celle des hautes fréquences. Mais cette augmentation du niveau des hautes fréquences est compensée par la forme tridimensionnelle du sillage, qui est surtout efficace pour les hautes fréquences. Ainsi, une configuration de bord de fuite 4 avec une épaisseur e et une période p importantes des encoches 5 présente une distorsion de sillage faible. En revanche, un bord de fuite 4 affiné permet de réduire l'intensité du sillage et de l'émission acoustique. On notera qu'une trop grande période p ne permet pas de générer des décalages de phase suffisants le long de la pale 7 pour obtenir des interférences destructives efficaces pour réduire l'intensité sonore.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Ensemble propulsif (1) d'un aéronef comprenant un moteur (M) pourvu d'au moins une hélice (2) et un mât (3), ledit mât (3) étant agencé en amont et l'hélice (2) du moteur (M) en aval d'un même axe, cet axe étant défini par une direction d'écoulement (E) de l'air lorsque l'aéronef est en vol, l'amont et l'aval étant définis par rapport au sens dudit écoulement (E), ledit mât (3) comprenant en aval un bord de fuite (4), caractérisé en ce que le bord de fuite (4) du mât (3) est muni d'encoches (5).
2. 2. Ensemble propulsif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les encoches (5) sont pratiquées périodiquement le long dudit bord de fuite (4).
3. 3. Ensemble propulsif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les encoches (5) sont configurées pour créer une extrémité (6) du bord de fuite (4) de forme sinusoïdale.
4. 4. Ensemble propulsif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les encoches (5) sont configurées pour créer une extrémité (6) du bord de fuite (4) de forme sensiblement triangulaire.
5. 5. Ensemble propulsif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le rapport entre la période (p) et l'amplitude des encoches (5) est inférieur à 10.
6. 6. Ensemble propulsif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le rapport entre l'épaisseur (e) du bord de fuite (4) et l'amplitude des encoches (5) est inférieur à 0,5.
7. 7. Aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble propulsif (1) tel que celui spécifié sous l'une quelconque des revendications 1 à 6.