FR3051771A1 - Turbomachine a propulsion electrique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une turbomachine du type comprenant un moteur électrique, et comprenant un pylône de suspension à une aile d'aéronef, et : au moins une aube (20) de redressement de flux, et un bras de support (30) d'un moyeu du moteur électrique, dans laquelle l'aube et le bras de support s'étendent radialement autour d'un axe (X-X) de la turbomachine, et le bras de support présente : - une partie d'extrémité amont (31) présentant un profil d'aube de redressement de flux, - une partie aval (32) dimensionnée pour former un carénage du pylône de suspension, et - une partie intermédiaire (33) reliant entre elles la partie d'extrémité amont et la partie aval, et comprenant une paroi intrados (331) et une paroi extrados (330) présentant une continuité de tangence avec respectivement les parois intrados (311, 321) et extrados (310, 320) de la partie d'extrémité amont et de la partie aval.
Description
DOMAINE DE L’INVENTION L’invention concerne une turbomachine du type à propulsion électrique, comprenant des aubes de redressement de flux d’air et un ou plusieurs bras de support d’un moyeu d’un moteur électrique de la turbomachine. L’invention s’applique en particulier aux turbomachines à moteur électrique monoflux.
ETAT DE LA TECHNIQUE
En référence à la figure 1a, on a représenté schématiquement une turbomachine 1 à propulsion électrique. Cette turbomachine comprend typiquement une nacelle 10 annulaire s’étendant selon un axe X-X, et un moteur électrique 11 comprenant un arbre rotatif (non représenté) autour de l’axe X-X. Le moteur électrique 11 entraîne en rotation autour de l’axe X-X une hélice carénée 12.
La rotation de l’hélice entraîne l’admission, dans la veine annulaire s’étendant entre le moteur 11 et la nacelle 10, d’un flux d’air F permettant de propulser la turbomachine. Des aubes fixes 13 de redressement de flux d’air s’étendent dans la veine, autour de l’axe X-X, pour redresser le flux d’air et ainsi améliorer la propulsion.
Sur la figure 1b, la turbomachine comporte également au moins un bras de support 14 du moyeu du moteur électrique, permettant de monter le moteur dans la nacelle. Ce bras de support est dimensionné pour permettre la reprise des efforts exercés par le moteur électrique. De plus, il est utilisé pour faire passer des servitudes, c’est-à-dire qu’il présente une zone creuse permettant de loger des câbles électriques, ou éventuellement des canalisations d’huile, etc. Cette zone est très contrainte du fait de l’encombrement des servitudes, des épaisseurs de matière, etc., elle donc dite interdite de dessin (ou selon la terminologie anglaise : « keep-out zone »), c’est-à-dire qu’elle doit être maintenue inchangée en cas de changement de géométrie du bras de support.
Par rapport à une turbomachine classique du type fonctionnant au moyen de combustion de carburant dérivé de pétrole, la géométrie du bras de support est néanmoins assez différente. Le bras de support est en effet plus petit car la reprise d’effort à effectuer est moins importante que pour une turbomachine classique. De plus la zone interdite de dessin ne comprend aucune canalisation de carburant, ce qui la rend également plus petite. Néanmoins, le bras de support 14 cause des pertes aérodynamiques importantes dans la veine, et notamment un décollement de la couche limite du flux d’air sur sa paroi ainsi qu’un phénomène de giration du flux d’air, du fait de son profil inadapté.
En effet, comme visible sur la figure 1b, le bras de support comprend typiquement, dans un plan transversal à la direction axiale selon laquelle il s’étend, un bord d’attaque aligné avec le bord d’attaque des aubes de redressement de flux, l’angle formé entre le bord d’attaque du bras et l’axe X-X étant sensiblement nul, tandis que l’angle formé entre le bord d’attaque des aubes de redressement de flux et l’axe X-X est non nul pour améliorer l’aérodynamique des aubes de redressement de flux d’air.
Il existe donc un besoin de remédier aux problématiques posées par cette géométrie.
PRESENTATION DE L’INVENTION L’invention a pour but de pallier aux inconvénients de l’art antérieur, en proposant une turbomachine à propulsion électrique comprenant un bras de support et au moins une aube de redressement de flux d’air présentant des performances aérodynamiques améliorées par rapport à l’art antérieur.
Un but de l’invention est de proposer une turbomachine dont la géométrie des bras de support du moyeu du moteur électrique supprime les risques de décollement de la couche limite du flux d’air. A cet égard, l’invention a pour objet une turbomachine du type à moteur électrique comprenant un pylône de suspension à une aile d’aéronef, et comprenant : - au moins une aube de redressement de flux, et - un bras de support d’un moyeu du moteur électrique, dans laquelle l’aube et le bras de support s’étendent radialement autour d’un axe de la turbomachine, ladite turbomachine étant caractérisée en ce que le bras de support présente : - une partie d’extrémité amont, par rapport à la direction d’écoulement de l’air dans la turbomachine, présentant un profil d’aube de redressement de flux. une partie aval dimensionnée pour former un carénage du pylône de suspension, et une partie intermédiaire reliant entre elles la partie d’extrémité amont et la partie aval, ladite partie intermédiaire comprenant une paroi intrados et une paroi extrados présentant une continuité de tangence avec respectivement les parois intrados et extrados de la partie d’extrémité amont et de la partie aval.
Avantageusement, mais facultativement, la turbomachine selon l'invention peut en outre comprendre au moins l’une des caractéristiques suivantes : - l’aube de redressement de flux comprend un bord d’attaque, et la partie d’extrémité amont du bras de support comprend un bord d’attaque aligné axialement avec le bord d’attaque de l’aube de redressement de flux, les parois intrados et extrados de la partie intermédiaire s’étendent entre une position axiale amont et une position axiale aval et la position axiale amont est disposée à une distance du bord d’attaque du bras de support inférieure à la moitié de la longueur de la corde axiale de l’aube de redressement de flux. les parois intrados et extrados de la partie intermédiaire s’étendent entre une position axiale amont et une position axiale aval, et la position axiale aval est disposée à une distance du bord d’attaque du bras de support comprise entre 0,3C et 0,6C, où C est la longueur de la corde axiale du bras de support. le bras de support comprend en outre une zone de logement de servitudes s’étendant dans la partie intermédiaire et dans la partie aval.
La turbomachine proposée présente des performances aérodynamiques améliorées.
Le bras de support présentant une extrémité amont de profil identique au profil d’une aube de redressement de flux d’air, tout en respectant une continuité de tangence avec la partie aval, permet de limiter les perturbations de l’écoulement d’air et notamment d’éviter un décollement de la couche limite au niveau de la surface du bras de support.
Pour autant, cette forme ne produit aucune modification sur celle de la zone interdite de dessins et permet donc de préserver les contraintes liées à celle-ci.
DESCRIPTION DES FIGURES D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d’un mode de réalisation préférentiel. Cette description sera donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1a précédemment décrite représente un exemple de turbomachine à moteur électrique, - La figure 1b précédemment décrite représente une vue en développé d’un ensemble de redressement de flux d’air d’une turbomachine à moteur électrique de l’art antérieur.
La figure 2 représente une vue en coupe développée d’un ensemble de redressement de flux d’air d’une turbomachine selon un mode de réalisation de l’invention,
DESCRIPTION DETAILLEE D’AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L’INVENTION
En référence à la figure 2, on a représenté une vue en développé d’un secteur d’angle autour de l’axe X-X d’une turbomachine de type à propulsion électrique, c’est-à-dire comprenant un moteur électrique entrainant en rotation une hélice comme dans la figure la. Par moteur électrique, on entend un moteur dont la source d’énergie entrainant en rotation l’hélice est de l’électricité stockée dans une ou plusieurs batteries ou générée pendant le vol par des cellules photovoltaïques, des réactions chimiques ou via un alternateur par un moyen mécanique, par opposition aux moteurs dont l’énergie résulte de la combustion de carburant fossile.
Le secteur d’angle de la figure 2 est couvert par deux aubes 20 de redressement de flux d’air, entre lesquelles se trouve un bras de support 30 du moyeu du moteur électrique de la turbomachine. Le bras de support 30 représenté en traits pleins est conforme à un mode de réalisation de l’invention, tandis que les lignes pointillées représentent un bras de support 30 de l’art antérieur.
La turbomachine comprend une pluralité d’aubes de redressement 20, et au moins un bras de support 30, chacun s’étendant autour de l’axe X-X de la turbomachine correspondant à l’axe de l’arbre moteur. Les aubes et le bras de support peuvent s’étendre sensiblement radialement autour de l’axe X-X, ou s’étendre dans un plan orthogonal à l’axe X-X en formant un angle non-nul avec une direction radiale par rapport à cet axe.
Plus précisément, la turbomachine 1 comprend une pluralité de bras de support 30 s’étendant sensiblement radialement autour de l’axe X-X. Un de ces bras de support 30 a pour fonction de fournir un carénage à un pylône permettant de suspendre la turbomachine à l’aile de l’avion sur lequel elle est montée, et qui est dimensionné pour soutenir le poids du moteur. Le pylône sert également de lieu de passage de certaines servitudes.
Le bras de support qui carène le pylône de suspension du moteur s’étend dans une direction verticale entre l’aile de l’avion et l’axe X-X de la turbomachine. En regardant la turbomachine depuis l’avant ou l’arrière en direction de l’axe, ce bras s’étend à « douze heures ».
La turbomachine 1 peut comporter au moins un autre bras de support 30, par exemple disposé à « six heures », c’est-à-dire verticalement, et entre l’axe X-X et le sol, en étant aligné avec le premier bras de support. Ce bras de support 30 ne sert pas à caréner un pylône de suspension du moteur mais présente néanmoins une forme identique au premier bras décrit ci-avant. La turbomachine peut aussi comporter un ou plusieurs autres bras de support identiques 30 au premier bras décrit ci-avant et à d’autres positions angulaires par rapport à l’axe X-X.
Chaque aube 20 située de part et d’autre d’un bras 30 définit avec lui une veine d’écoulement l’air dans lequel l’air se déplace d’amont en aval, représenté sur la figure de gauche à droite.
Dans la suite, les termes amont et aval sont toujours utilisés par rapport à la direction du flux d’air dans la turbomachine, et en particulier par rapport à la direction du flux d’air dans les veines, de gauche à droite sur la figure.
Chaque aube 20 comprend classiquement un bord d’attaque 21 et un bord de fuite 22. La corde axiale d’une aube 20 est le segment s’étendant parallèlement à l’axe X-X, de la position axiale du bord d’attaque 21 à la position axiale du bord de fuite 22. On note c la longueur de la corde axiale des aubes 20.
Comme visible sur la figure 2, le bras de support 30 comporte une partie d’extrémité amont 31, présentant le profil d’une aube 20 de redressement de flux d’air. Ainsi, la partie d’extrémité amont 31 du bras de support 30 est identique à l’extrémité amont de chaque aube 20 de redressement de flux d’air.
En particulier, la partie d’extrémité amont 31 du bras 30 présente un bord d’attaque BA aligné avec celui 21 des aubes 20, c’est-à-dire à la même position axiale sur l’axe X-X, et présente, au moins au niveau de son bord d’attaque, la même épaisseur et le même angle de cambrure qu’une aube 20, l’angle de cambrure étant l’angle entre la ligne de cambrure, à mi-distance entre la surface intrados et la surface extrados d’une aube avec l’axe X-X.
La partie d’extrémité amont 31 du bras 30 est délimitée axialement en aval par un point Ae de la paroi extrados 310 de cette partie et un point A, de la paroi intrados 311 de cette partie. Le terme de « point » est utilisé en référence à la figure 2 qui représente une coupe du bras 30. Cependant on comprendra que chaque point correspond en réalité à une ligne s’étendant sur toute la hauteur du bras, autour de l’axe X-X.
Avantageusement, les points Ae et Ai présentent une même position axiale.
Toute la partie du bras formée par la paroi extrados 310 et la paroi intrados 311 de la partie d’extrémité amont et s’étendant, axialement, du bord d’attaque à la position axiale des points Ae et A-, est donc contrainte géométriquement pour être identique à la portion des aubes 20 s’étendant du bord d’attaque de chaque aube à une section se trouvant à la même position axiale que les points Ae et A|.
Ainsi, le bras de support a également une fonction de redresseur de flux d’air, intégrée à sa géométrie.
Le bras de support comprend également une partie aval 32, et une partie intermédiaire 33 reliant la partie d’extrémité amont avec la partie aval 32. Une zone de logement de servitudes 34 ou zone interdite de dessin ou encore KOZ (pour Keep-Out-Zone) peut être disposée à l’intérieur du bras, pour partie dans la partie intermédiaire et pour partie dans la partie aval 32. Cette zone est typiquement de forme cylindrique. Comme visible sur la figure 2, l’axe du cylindre peut se trouver approximativement confondu avec la section du bras à la liaison entre la partie intermédiaire 33 et la partie aval 32 de sorte que chaque partie comprenne une moitié de la zone de logement de servitudes 34.
La partie aval 32 comprend une paroi intrados 321 et une paroi extrados 320. Elle est délimitée axialement en aval par un point Be de la paroi extrados 320 de cette partie et un point Bj de la paroi intrados 321 de cette partie. Comme pour les points A, et Ae, on comprendra que chaque point Bj, Be de la figure 2 correspond en réalité à une ligne s’étendant sur toute la hauteur du bras, autour de l’axe X-X.
Avantageusement, les points B, et Be ont la même position axiale.
Comme indiqué ci-avant, tous les bras de support 30 de la turbomachine ont une géométrie identique à celle du bras carénant le pylône de suspension du moteur. Or, la géométrie de la partie aval 33 est déterminée par l’avionneur en fonction de la géométrie du pylône et du type d’avion sur lequel la turbomachine est montée. De ce fait, tous les bras de support 30 présentent une partie aval 32 identique et dont la géométrie est dimensionnée pour caréner un pylône de suspension de la turbomachine, même si le bras de support concerné n’est pas en réalité celui remplissant cette fonction.
La partie intermédiaire 33 comprend également une paroi intrados 331 et une paroi extrados 330.
La partie intermédiaire 33 a pour fonction de relier la partie amont 31 à la partie aval 32.
Elle présente donc une section transversale à l’axe X-X, de largeur et d’aire croissantes le long de l’axe X-X, depuis la section de liaison avec la partie d’extrémité amont 31, où elle présente une section identique à celle d’une aube de redressement d’air, à la section de liaison avec la partie aval 32, où elle est au moins aussi large que la section maximale de la zone de logement des servitudes 34.
De plus, la partie intermédiaire doit assurer une continuité de la surface du bras 30 et de la tangente à cette surface, notamment au niveau des liaisons entre les zones, tout en respectant la géométrie de la zone de logement de servitudes 34.
En particulier, la paroi intrados 331 (respectivement extrados 330) de la partie intermédiaire 33 est reliée à la paroi intrados 311 (respectivement extrados 310) de la partie amont 31 au niveau du point A, (respectivement Ae) de telle sorte que la tangente au point Ai (resp. Ae) de la paroi intrados 331 (resp. extrados 330) de la partie intermédiaire soit égale à la tangente au point A-, (resp. Ae) de la paroi intrados 311 (resp. extrados 310) - de la partie amont 31.
De même, la paroi intrados 331 (respectivement extrados 330) de la partie intermédiaire 33 est reliée à la paroi intrados 321 (respectivement extrados 320) de la partie aval 32 au niveau du point B| (respectivement Be) de telle sorte que la tangente au point Bj (resp. Be) de la paroi intrados 331 (resp. extrados 330) de la partie intermédiaire 33 soit égale à la tangente au point Bj (resp. Be) de la paroi intrados 321 (resp. extrados 320) de la partie aval 32.
La continuité des tangentes au niveau des liaisons entre la partie intermédiaire 33 et les parties amont 31 et aval 32 du bras 30 permet de limiter les fortes variations de section du bras et ainsi le risque de décollement de la couche limite du flux d’air.
De plus la forme du bras ainsi proposée permet de réduire la giration du flux d’air en sortie du bras de l’ordre de 5°, ce qui entraîne une amélioration de l’ordre de 10% de l’efficacité propulsive de la turbomachine.
Pour améliorer encore les performances aérodynamiques de la turbomachine, la position axiale des points A, et Ae est avantageusement située à une distance du bord d’attaque du bras 30 inférieure à la moitié de la longueur de la corde axiale d’une aube de redressement de flux, ceci afin d’éviter une trop forte variation de section. En notant c la longueur de la corde axiale d’une aube de redressement de flux et Xba la position du bord d’attaque BA du bras 30 on a :
De plus, la position axiale des points Bi et Be est avantageusement située à une distance du bord d’attaque BA du bras 30 comprise entre 0,3 et 0,6 fois la longueur de la corde axiale du bras, ceci afin d’assurer le respect des dimensions de la zone de logement des servitudes 34. En notant C la longueur de la corde axiale du bras 30 on a ;
Le dimensionnement proposé permet donc une amélioration significative des performances aérodynamiques de la turbomachine, tout en respectant la géométrie de la zone de logement des servitudes 34.
Claims (5)
- REVENDICATIONS1. Turbomachine, comprenant un pylône de suspension à une aile d’aéronef, la turbomachine étant du type comprenant un moteur électrique, et comprenant : au moins une aube (20) de redressement de flux, et un bras de support (30) d’un moyeu du moteur électrique, dans laquelle l’aube (20) et le bras de support (30) s’étendent radialement autour d’un axe (X-X) de la turbomachine, ladite turbomachine étant caractérisée en ce que le bras de support (30) présente : une partie d’extrémité amont (31), par rapport à la direction d’écoulement de l’air dans la turbomachine, présentant un profil d’aube (20) de redressement de flux, une partie aval (32)dimensionnée pour former un carénage du pylône de suspension, et une partie intermédiaire (33) reliant entre elles la partie d’extrémité amont (31) et la partie aval (32), ladite partie intermédiaire (33) comprenant une paroi intrados (331) et une paroi extrados (330) présentant une continuité de tangence avec respectivement les parois intrados (311, 321) et extrados (310, 320) de la partie d’extrémité amont (31) et de la partie aval (32).
- 2. Turbomachine selon la revendication 1, dans laquelle l’aube (20) de redressement de flux comprend un bord d’attaque (21), et la partie d’extrémité amont (31) du bras de support (30) comprend un bord d’attaque (BA) aligné axialement avec le bord d’attaque (21) de l’aube (20) de redressement de flux.
- 3. Turbomachine selon la revendication 2, dans laquelle les parois intrados (331) et extrados (330) de la partie intermédiaire (33) s’étendent entre une position axiale amont (xaî, χαθ) et une position axiale aval (xbî, χβθ) et la position axiale amont (xaî, XAe) est disposée à une distance du bord d’attaque (BA) du bras de support (30) inférieure à la moitié de la longueur de la corde axiale (c) de l’aube de redressement de flux (20).
- 4. Turbomachine selon l’une des revendications 2 ou 3, dans laquelle les parois intrados (331) et extrados (330) de la partie intermédiaire (33) s’étendent entre une position axiale amont (xa,, Χαθ) et une position axiale aval (xb,, Χβθ), et la position axiale aval (xb,, Χβθ) est disposée à une distance du bord d’attaque (BA) du bras de support (30) comprise entre 0,3C et 0,6C, où C est la longueur de la corde axiale (C) du bras de support (30).
- 5. Turbomachine selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le bras de support (30) comprend en outre une zone de logement de servitudes (24) s’étendant dans la partie intermédiaire (33) et dans la partie aval (32).
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Owner name: SAFRAN AIRCRAFT ENGINES, FR Effective date: 20200304 |
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