FR3039209A1 - Manche d’entree d’air pour un turbopropulseur d’aeronef - Google Patents

Abstract

Manche d'entrée d'air (32') pour un turbopropulseur d'aéronef comprenant un premier canal (36) d'entrée d'air orienté sensiblement selon un premier axe (A) et au moins un second canal (38) de sortie d'air situé sur un côté supérieur de la manche et orienté sensiblement selon un second axe (B) à distance du premier axe et sensiblement parallèle au premier axe, ledit premier canal comportant une extrémité aval raccordée audit second canal et une extrémité amont comportant une lèvre périphérique (46') définissant une section d'entrée d'air dans la manche, ladite manche présentant un plan longitudinal (P) de symétrie passant sensiblement par lesdits premier et second axes, caractérisée en ce que ladite lèvre comprend une portion inférieure (56'), traversée par ledit plan longitudinal, qui est située en amont d'un plan transversal (H) perpendiculaire audit premier axe et passant sensiblement par une portion supérieure (54') de ladite lèvre traversée par ledit plan longitudinal.

Description

Manche d’entrée d’air pour un turbopropulseur d’aéronef

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne une manche d’entrée d’air pour un turbopropulseur d’aéronef.

ETAT DE L’ART L’état de l’art comprend notamment les documents FR-A1-2 951 504 et FR-A1-3 012 174.

Une manche d’entrée d’air de turbopropulseur d’aéronef comprend en général un premier canal d’entrée d’air ou de prélèvement d’air orienté sensiblement selon un premier axe et au moins un canal sortie d’air qui est un canal d’alimentation en air d’un compresseur du moteur du turbopropulseur. Le second canal est orienté sensiblement selon un second axe, à distance du premier axe et sensiblement parallèle au premier axe, en particulier pour laisser de la place à un boîtier de transmission de puissance (PGB), qui prélève sa puissance sur une turbine du moteur pour la délivrer à une hélice du turbopropulseur.

Le premier canal reçoit de l’air qui est acheminé jusqu’au second pour délivrer un flux d’air de prélèvement au moteur du turbopropulseur. Cette manche peut comprendre en outre un troisième canal de sortie d’air ou canal d’évacuation de particules. Ce troisième canal s’étend sensiblement selon le premier axe et permet d’évacuer des corps étrangers, tels que des oiseaux, afin qu’ils n’entrent pas dans le moteur du turbopropulseur.

La manche d’entrée d’air comprend un canal intermédiaire de forme relativement complexe, qui raccorde les premier et second canaux. Ce canal intermédiaire a, vu de côté, une forme générale en S dont l’extrémité amont et inférieure est raccordée au premier canal et dont l’extrémité aval et supérieure est raccordée au second canal. Lorsque la manche d’entrée d’air comprend un troisième canal du type précité, ce troisième canal s’étend dans le prolongement du premier canal et le second canal est situé au-dessus du troisième canal. Dans la présente demande, les termes amont et aval font référence à l’écoulement des gaz dans le turbopropulseur.

La fonction principale de la manche d’entrée d’air est de permettre l’alimentation en air du moteur, et ce sur l’ensemble de sa plage de fonctionnement, tout en minimisant pertes et traînée. Dans le cas d’une manche d’entrée d’air d’un turbopropulseur, la manche alimente directement le moteur, et aucun composant n’est interposé entre la manche et le premier étage du compresseur. Cela signifie que tout objet ingéré (débris, oiseaux, sable, grêle, gouttes d’eau, etc.) peut en principe impacter le compresseur, et avoir comme conséquence la dégradation de ses performances, ou, dans le pire cas, la destruction d’un ou plusieurs composants.

Le troisième canal précité permet de limiter la captation d’éléments externes dans le compresseur en formant un piège à particules. La majorité du débit d’air entrant dans la manche est déviée vers le second canal pour alimenter le compresseur, alors qu’une portion réduite et contrôlable de ce débit d’air passe dans le troisième canal.

En raison de leur inertie, la majorité des objets solides et des gouttes d’eau ne suit pas la déviation de la veine principale, rentrant ainsi dans le piège pour être évacuée sans endommager le moteur.

On a constaté que les manches d’entrée d’air de la technique actuelle sont conçues pour n’empêcher qu’en partie l’ingestion directe d’un corps étranger tel qu’un oiseau dans le compresseur. Il existe en effet au moins une trajectoire rectiligne directe qui permettrait à un oiseau de pénétrer directement dans le compresseur. Il existe donc un besoin de reconfigurer ce type de manche d’entrée d’air pour éviter cet inconvénient.

Pour résoudre ce problème, il serait envisageable de modifier des paramètres géométriques de la manche, mais plusieurs contraintes doivent être prises en considération, à savoir la position des équipements (PGB, échangeurs de chaleur, etc.), le respect des critères de certification (fonction de protection), les critères de dimensionnement (encombrement, masse, distance de l’hélice, etc.), et les performances de la manche (traînée, rendement, distorsion, etc.).

La présente invention propose une solution simple, efficace et économique au besoin précité et qui tient compte des contraintes précitées.

EXPOSE DE L’INVENTION L’invention propose une manche d’entrée d’air pour un turbopropulseur d’aéronef comprenant un premier canal d’entrée d’air orienté sensiblement selon un premier axe et au moins un second canal de sortie d’air orienté sensiblement selon un second axe à distance du premier axe et sensiblement parallèle au premier axe, ledit premier canal comportant une extrémité aval raccordée audit second canal et une extrémité amont comportant une lèvre périphérique définissant une section d’entrée d’air dans la manche, ladite manche présentant un plan longitudinal de symétrie passant sensiblement par lesdits premier et second axes, caractérisée en ce que ladite lèvre comprend une portion inférieure, traversée par ledit plan longitudinal, qui est située en amont d’un plan transversal perpendiculaire audit premier axe et passant sensiblement par une portion supérieure de ladite lèvre traversée par ledit plan longitudinal.

Comme cela sera expliqué plus en détail dans ce qui suit, la présente invention permet de réaliser la fonction de protection d’impact direct d’un corps étranger tel qu’un oiseau contre le premier étage du compresseur. Elle permet en outre de minimiser la dégradation des performances aérodynamiques de la manche d’entrée d’air par rapport à la géométrie de base, et de minimiser l’impact sur la masse et l’encombrement de la manche par rapport à la géométrie de base.

La manche selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - ledit second canal de sortie d’air est situé sur un côté supérieur de la manche, - ladite extrémité aval dudit premier canal est raccordée également à un troisième canal de sortie d’air orienté sensiblement selon ledit premier axe, lesdits second et troisième canaux s’étendant l’un au-dessus de l’autre, - lesdits second et troisième canaux sont séparés l’un de l’autre par un séparateur, lesdits premier et second canaux étant raccordés entre eux par une veine s’étendant en amont dudit séparateur, - ladite portion inférieure a une longueur ou dimension longitudinale, mesurée le long dudit premier axe et entre une extrémité amont de ladite portion et ledit plan transversal (H), qui répond à la formule suivante :

dans laquelle : - Lveine est la longueur ou dimension longitudinale, de préférence maximale, mesurée le long dudit premier axe, de ladite veine, - Hveine est la hauteur ou dimension transversale, de préférence maximale, mesurée dans ledit plan longitudinal, de ladite veine, - Hinlet est la hauteur ou dimension transversale, de préférence maximale, mesurée dans ledit plan longitudinal, dudit premier canal, de préférence au niveau de ladite lèvre, - Linlet est la longueur ou dimension longitudinale, de préférence maximale, mesurée le long dudit premier axe, entre ledit plan transversal et ledit séparateur, - R est le rayon d’un corps étranger dont l’ingestion dans ledit second canal est à éviter, - A est un coefficient compris entre 0 et 1, - B est un coefficient compris entre 1 et 2, et - k est un coefficient de calibration. - k est égal à 1, - A est égal à 1, - B est égal à 1, - Lveine et Hveine sont mesurées entre une extrémité amont de ladite veine, située dans une zone de raccordement dudit premier canal à ladite veine, et un point supérieur dudit séparateur, situé légèrement en aval d’un bord d’attaque de ce dernier, - Linlet est mesurée entre ledit plan transversal et ledit point supérieur dudit séparateur, - ladite section est plane, - ladite section est incurvée avec une concavité orientée vers l’amont, et - ladite lèvre présente des portions latérales, s’étendant de part et d’autre dudit plan longitudinal, qui sont incurvées avec des concavités orientées vers l’amont.

La présente invention concerne également un turbopropulseur d’aéronef, caractérisé en ce qu’il comprend une manche telle que décrite ci-dessus.

DESCRIPTION DES FIGURES L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention 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 est une vue très schématique d’un turbopropulseur d’aéronef, - la figure 2 est une vue schématique de la manche d’entrée d’air du turbopropulseur de la figure 1, - les figures 3a à 3e sont des vues schématiques en coupe selon les lignes llla-llla, lllb-lllb, lllc-lllc, llld-llld et llle-llle, respectivement, de la manche d’entrée d’air de la figure 2, - la figure 4 est une vue schématique en perspective et en coupe longitudinale d’une manche d’entrée d’air selon la technique antérieure, - la figure 5 est une vue schématique en perspective et en coupe longitudinale d’une manche d’entrée d’air selon l’invention, - les figures 6 et 7 sont des vues très schématiques partielles et en coupe longitudinale de l’extrémité amont de variantes de réalisation de la manche d’entrée d’air selon l’invention, - la figure 8 est une vue explicative des paramètres de dimensionnement

DESCRIPTION DETAILLEE

On se réfère d’abord à la figure 1 qui représente un turbopropulseur 10 pour un aéronef.

Le turbopropulseur 10 est ici du type double corps et comprend un corps basse pression 12 et un corps haute pression 14, le corps basse pression 12 entraînant une hélice de propulsion par l’intermédiaire d’une boîte d’engrenages 16 ou boîte de réduction, appelée couramment PGB (pour Propeller Gear Box). Seul l’arbre 18 de l’hélice de propulsion est représenté en figure 1.

Le corps basse pression 12 comprend ici seulement un rotor de turbine relié par un arbre à la boîte d’engrenages 16. Le corps haute pression 14 comprend un rotor de compresseur relié par un arbre à un rotor de turbine. L’arbre du corps haute pression 14, appelé arbre HP 20, est tubulaire et traversé coaxialement par l’arbre du corps basse pression 12, appelé arbre BP 22 ou de puissance. L’arbre BP 22 comprend à une extrémité un pignon (non représenté) accouplé par l’intermédiaire d’une série de pignons de la boîte d’engrenages 16 à l’arbre 18 de l’hélice de propulsion.

Le turbopropulseur 10 comprend un boîtier 24 d’entraînement d’équipements accessoires (appelé boîtier d’accessoires ou AGB pour Accessory Gear Box) qui est accouplé au corps haute pression de la turbomachine 14, et en particulier à l’arbre HP, par l’intermédiaire d’un arbre radial 26. Le boîtier d’accessoires 24 est monté dans la nacelle 28 du turbopropulseur 10, qui est schématiquement représentée par un rectangle.

Le turbopropulseur 10 comprend en outre une manche d’entrée d’air 32 pour l’alimentation en air du moteur, et une tuyère 34 d’échappement des gaz de combustion. Le turbopropulseur 10 comprend en outre une chambre de combustion 30, entre le compresseur HP et la turbine HP.

La présente invention concerne la manche d’entrée d’air 32 d’un turbopropulseur, dont une est très schématiquement représentée à la figure 2.

La manche d’entrée d’air 32 comprend un premier canal 36 amont d’entrée ou de prélèvement d’air orienté sensiblement selon un premier axe A et au moins un second canal 38 aval de sortie d’air ou d’alimentation en air du compresseur. Ce second canal 38 est orienté sensiblement selon un second axe B, à distance de l’axe A et sensiblement parallèle à l’axe A. Dans l’exemple représenté, la manche 32 comprend un troisième canal 40 aval de sortie d’air ou d’évacuation de particules, qui s’étend sensiblement selon l’axe A. Ce troisième canal 40 est représenté par des traits pointillés en figure 1.

Les canaux 36 et 38 sont raccordés entre eux par un canal intermédiaire 42 de forme relativement complexe. Vu de côté en figure 2, le canal intermédiaire 42 a une forme générale en S dont l’extrémité amont et inférieure est raccordée à l’extrémité aval du canal 36 et dont l’extrémité aval et supérieure est raccordée à l’extrémité amont du canal 40. C’est une extrémité aval et inférieure du canal intermédiaire 42 qui est raccordée au canal 40.

Le canal 38 est déporté du canal 40 pour laisser de la place à un boîtier de transmission de puissance, qui prélève sa puissance sur la turbine pour la délivrer à l’hélice du turbopropulseur. Les canaux 38, 40 sont séparés l’un de l’autre par un séparateur 44 définissant un bord d’attaque à son extrémité amont.

Le canal intermédiaire 42 forme une partie de raccordement, ici « montante », du canal 36 au canal 38. Les figures 3a à 3e montrent l’évolution de la section de passage du flux d’air dans la manche. La figure 3a représente la section, ici elliptique, du canal 36 qui définit une veine V1. La figure 3e représente les sections des canaux 38, 40, le canal 38 ayant une section annulaire et définissant une veine V3 et le canal 40 ayant une section de forme elliptique et définissant une veine V2. Les figures 3b à 3d montrent l’évolution de la section du canal intermédiaire 42. Aux figure 3c et 3d, le canal intermédiaire 42 a une forme en C dont l’ouverture est orientée vers le haut sur les dessins. La section du canal 42 évolue d’amont en aval de sorte que ses extrémités libres se rejoignent petit à petit jusqu’à former la section annulaire de la figure 3e.

On comprend ainsi que la veine V1 est destinée à se diviser dans le canal intermédiaire 42 en une veine V2 dans le canal 40 et en une veine V3 dans le canal 38, la veine V3 étant la seule veine annulaire comme cela est visible en figure 3e.

Par ailleurs, le canal intermédiaire 42 définit une veine « montante >> V4, hachurée à la figure 2, et qui s’étend sensiblement en amont du séparateur 44.

Le canal 36 comprend à son extrémité amont une lèvre périphérique 46 définissant une section d’entrée d’air, de forme elliptique dans l’exemple représenté, dans la manche 32. Le canal 38 comprend à son extrémité aval un bord périphérique 48 définissant une section de sortie d’air de la manche 32, cette section étant de forme annulaire dans l’exemple représenté.

La figure 4 représente une trajectoire rectiligne directe 50 d’un corps étranger tel qu’un oiseau, depuis la section d’entrée d’air de la manche 32 jusqu’à sa section de sortie. On comprend ainsi que la manche 32 de la figure 4 n’est pas configurée pour empêcher l’ingestion directe d’un corps selon la trajectoire 50, ce corps pouvant impacter directement le premier étage du compresseur. Cette trajectoire 50 est inclinée par rapport aux axes A et B. Elle est ici représentée par un cylindre qui a un diamètre proche d’un corps étranger susceptible de pénétrer dans la manche, comme c’est le cas d’un oiseau. La trajectoire 50 s’étend longitudinalement depuis le voisinage de la portion inférieure de la lèvre 46 jusqu’à la portion inférieure du bord 48. L’invention propose de résoudre ce problème, la figure 5 représentant un exemple de réalisation de l’invention.

On définit par P, le plan longitudinal de symétrie passant sensiblement par les axes A et B.

On définit en outre par H, le plan transversal perpendiculaire à l’axe A et passant sensiblement par une portion supérieure 54 de la lèvre et en particulier par le bord d’attaque de cette lèvre. Cette portion supérieure 54 est traversée par le plan P. La lèvre comprend en outre une portion inférieure 56 traversée par le plan P.

On constate à la figure 4 que le bord d’attaque de la lèvre 46 est inscrit dans le plan H. Autrement dit, les portions supérieure 54 et inférieure 56 sont situées sur la même abscisse si on considère l’axe A comme un axe des abscisses.

Selon l’invention, la lèvre 46’ comprend une portion inférieure 56’ qui est située en amont du plan H. Autrement dit, les portions supérieure 54’ et inférieure 56’ de la manche 32’ selon l’invention sont situées à des abscisses différentes sur l’axe A.

Dans l’exemple représenté, cela se traduit par un prolongement vers l’amont de la lèvre 46’. La portion inférieure 56’ de la lèvre 46’ a été allongée, son allongement étant noté Ae. Ce prolongement ne dégrade pas les performances aérodynamiques par rapport à la géométrie de base.

Lorsqu’on reporte la trajectoire 50 précitée sur le manche 32’, comme représenté en figure 5, on constate que l’ingestion directe de corps étranger n’est plus possible car cette trajectoire traverse la portion inférieure 56’ de la lèvre 46’. Ainsi, un corps étranger qui aurait cette trajectoire impacterait la portion inférieure 56’ et ne serait pas directement ingéré dans le compresseur du moteur.

Les figures 6 et 7 représentent des variantes de réalisation de la manche d’entrée d’air.

Dans le cas de la figure 6, le bord d’attaque de la lèvre 46’ s’inscrit dans un plan, qui est incliné par rapport au plan H. Ce bord ou cette lèvre définit une section plane d’entrée d’air. Ceci est dû au fait que les portions latérales 58 de la lèvre 46’, s’étendant de part et d’autre du plan P, et reliant les portions 54’, 56’, s’inscrivent elles-mêmes dans un plan commun.

Dans la variante de réalisation de la figure 7, le bord d’attaque de la lèvre 46’ définit une section d’entrée d’air qui a une forme incurvée dont la concavité est orientée vers l’amont et ici aussi vers le haut. Ceci est dû au fait que les portions latérales 58’ de la lèvre 46’ ont elles-mêmes une forme arrondie concave.

Le raccordement entre les portions 54’, 56’ peut respecter différentes lois géométriques. La figure 6 représente la solution la plus simple (linéaire) mais des évolutions alternatives sont également possibles, comme représenté par la figure 7. D’ailleurs, les raccordements des côtés droit et gauche de la lèvre peuvent suivre des lois géométriques différentes.

Du point de vue aérodynamique, l’invention peut impliquer l’épaississement de la couche limite en aval de la portion inférieure 56’ de la lèvre 46’, mais cela n’impacte pas les performances de la manche 32’, vu que l’écoulement passant à proximité de la portion inférieure 56’ est évacué par le troisième canal 40. L’allongement td précité doit être suffisant pour assurer la fonction de protection, mais limité pour des questions de dimensionnement (notamment vis-à-vis de la distance du plan de l’hélice du turbopropulseur). Aussi, cet allongement td dépend fortement de la géométrie de base : hauteur des veines, longueur du canal d’entrée 36, forme et position du séparateur 44.

La loi suivante pour le calcul de l’allongement td a été identifiée, en fonction des paramètres géométriques montrés à la figure 8 :

dans laquelle : - Lveine est la longueur ou dimension longitudinale, de préférence maximale, mesurée le long de l’axe A, de la veine V4, - Hveine est la hauteur ou dimension transversale, de préférence maximale, mesurée dans le plan P, de la veine V4, - Hinlet est la hauteur ou dimension transversale, de préférence maximale, mesurée dans le plan P, du canal 36, de préférence au niveau de la lèvre 46’, - Linlet est la longueur ou dimension longitudinale, de préférence maximale, mesurée le long de l’axe A, entre le plan H et le séparateur 44, - R est le rayon d’un corps étranger dont l’ingestion dans le canal 38 est à éviter, - A est un coefficient compris entre 0 et 1 - B est un coefficient compris entre 1 et 2, et - k est un coefficient de calibration.

Dans l’exemple représenté : - Lveine et Hveine sont mesurées entre une extrémité amont de la veine V4, située dans une zone de raccordement du canal 36 à la veine V4, et un point supérieur X du séparateur 44, situé légèrement en aval du bord d’attaque de ce dernier, et - Linlet est mesurée entre le plan H et ce point supérieur X.

Un coefficient k égal à 1 permet normalement d’obtenir un allongement capable d’assurer la fonction de protection, mais il peut être augmenté pour ajouter un facteur de sécurité, ou dans le cas où des trajectoires d’impact direct sont encore présentes. La valeur de k peut être également diminuée si d’autres effets technologiques ne sont pas compatibles avec un allongement excessif, si des allongements inférieurs sont acceptables en raison d’une contribution à la fonction protection par un autre élément du design de la manche, etc.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Manche d’entrée d’air (32’) pour un turbopropulseur d’aéronef (10) comprenant un premier canal (36) d’entrée d’air orienté sensiblement selon un premier axe (A) et au moins un second canal (38) de sortie d’air orienté sensiblement selon un second axe (B) à distance du premier axe et sensiblement parallèle au premier axe, ledit premier canal comportant une extrémité aval raccordée audit second canal et une extrémité amont comportant une lèvre périphérique (46’) définissant une section d’entrée d’air dans la manche, ladite manche présentant un plan longitudinal (P) de symétrie passant sensiblement par lesdits premier et second axes, caractérisée en ce que ladite lèvre comprend une portion inférieure (56’), traversée par ledit plan longitudinal, qui est située en amont d’un plan transversal (H) perpendiculaire audit premier axe et passant sensiblement par une portion supérieure (54’) de ladite lèvre traversée par ledit plan longitudinal.
2. 2. Manche (32) selon la revendication 1, dans laquelle ladite extrémité aval dudit premier canal (36) est raccordée également à un troisième canal (40) de sortie d’air orienté sensiblement selon ledit premier axe (A), lesdits second et troisième canaux s’étendant l’un au-dessus de l’autre.
3. 3. Manche (32) selon la revendication précédente, dans lequel lesdits second et troisième canaux (36, 38) sont séparés l’un de l’autre par un séparateur (44), lesdits premier et second canaux étant raccordés entre eux par une veine (V4) s’étendant en amont dudit séparateur.
4. 4. Manche (32) selon la revendication précédente, dans laquelle ladite portion inférieure (56’) a une longueur ou dimension longitudinale (Δή, mesurée le long dudit premier axe (A) et entre une extrémité amont de ladite portion et ledit plan transversal (H), qui répond à la formule suivante :

   dans laquelle : - Lveine est la longueur ou dimension longitudinale, de préférence maximale, mesurée le long dudit premier axe, de ladite veine (V4), - Hveine est la hauteur ou dimension transversale, de préférence maximale, mesurée dans ledit plan longitudinal (P), de ladite veine, - Hinlet est la hauteur ou dimension transversale, de préférence maximale, mesurée dans ledit plan longitudinal, dudit premier canal (36), de préférence au niveau de ladite lèvre (46’), - Linlet est la longueur ou dimension longitudinale, de préférence maximale, mesurée le long dudit premier axe, entre ledit plan transversal et ledit séparateur (48), - R est le rayon d’un corps étranger dont l’ingestion dans ledit second canal (38) est à éviter, - A est un coefficient compris entre 0 et 1 - B est un coefficient compris entre 1 et 2, et - k est un coefficient de calibration.
5. 5. Manche (32) selon la revendication précédente, dans laquelle k est égal à 1.
6. 6. Manche (32) selon la revendication 4 ou 5, dans laquelle : - Lveine et Hveine sont mesurées entre une extrémité amont de ladite veine V4, située dans une zone de raccordement dudit premier canal (36) à ladite veine, et un point supérieur (X) dudit séparateur (44), situé légèrement en aval d’un bord d’attaque de ce dernier, et - Linlet est mesurée entre ledit plan transversal (H) et ledit point supérieur dudit séparateur.
7. 7. Manche (32) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite section est plane.
8. 8. Manche (32) selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle ladite section est incurvée avec une concavité orientée vers l’amont.
9. 9. Manche (32) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite lèvre (46’) présente des portions latérales (58), s’étendant de part et d’autre dudit plan longitudinal (P), qui sont incurvées avec des concavités orientées vers l’amont.
10. 10. Turbopropulseur d’aéronef (10), caractérisé en ce qu’il comprend une manche (32’) selon l’une des revendications précédentes.