FR3052191A1 - Inversion de poussee dans une turbomachine avec soufflante a calage variable - Google Patents

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Abstract

Dans une turbomachine comportant un moteur à turbine à gaz (10) et une nacelle annulaire (12) disposée concentriquement autour du moteur, le moteur comportant une soufflante à calage variable apte à délivrer un mode de poussée en jet direct ou en jet inversé à la turbomachine, la nacelle comportant une partie fixe (34) et une partie mobile (32) disposée en aval dans le prolongement de la partie fixe pour former une surface aérodynamique externe de la nacelle qui, dans le mode de poussée en jet direct, comporte une extrémité formant un bord de fuite fin, il est prévu que la partie mobile de nacelle soit apte à se déplacer longitudinalement vers l'amont au moins partiellement dans la partie fixe de nacelle, d'une distance d, de façon à former un bord de fuite épais facilitant l'entrée de l'air dans la turbomachine lorsque la soufflante à calage variable est positionnée dans le mode de poussée en jet inversé.

Description

Arrière-plan de l'invention
La présente invention concerne une turbomachine aéronautique à double flux comportant un moteur à turbine à gaz et une nacelle et dans laquelle le flux d'air entrant en amont dans la nacelle et séparé en aval d'une soufflante à calage variable est éjecté en aval par une tuyère secondaire de la turbomachine.
Il est bien connu qu'une soufflante à calage variable trouve une grande partie de son intérêt dans la réalisation de l'inversion de poussée par inversion du pas de la soufflante. Cela permet la suppression du système d'inversion de poussée tel que classiquement installé sur la nacelle de la plupart des turbomachines aéronautiques actuelles. Les gains associés à cette suppression sont multiples, notamment une masse moindre et un encombrement plus faible permettant d'obtenir une nacelle moins longue. Néanmoins, la forme de la tuyère secondaire qui est optimisée pour le mode de poussée en jet direct, se trouve totalement inadaptée en jet inversé pour réaliser (Inversion de poussée, avec une aspiration de l'air par l'arrière de la nacelle. Notamment, le contournement du bord de fuite de la nacelle implique des décollements qui conduisent à une réduction de la section efficace d'aspiration. De ce fait, la qualité de l'écoulement est fortement dégradée et la soufflante n'aspire plus le débit nécessaire pour maintenir la performance souhaitée en contrepoussée.
Aussi, différentes configurations de nacelle ont été développées pour résoudre cette problématique du contournement du bord de fuite en jet inversé. La plus connue est illustrée par le brevet US 3,820,719 qui consiste en un déplacement vers l'arrière d'un élément de capotage (ou transcowl) réalisant la surface aérodynamique externe de la nacelle, de sorte à obtenir un jet inversé. Cette configuration permet en effet de découvrir une entrée d'air additionnelle latérale permettant un apport supplémentaire d'air améliorant la qualité de l'écoulement. La taille et la position de cet élément de capotage coulissant conduit malheureusement à un accès dégradé au compartiment moteur qui est susceptible de renfermer une grande quantité d'équipements et dont la maintenance est alors rendue difficile voire impossible.
Objet et résumé de l'invention L'invention a donc pour but de proposer un moyen permettant de faciliter l'aspiration de l'air par l'arrière de la nacelle d'un turboréacteur à double flux lors du fonctionnement de la tuyère secondaire en jet inversé.
Ce but est atteint grâce à une turbomachine comportant un moteur à turbine à gaz et une nacelle annulaire disposée concentriquement autour dudit moteur, ledit moteur comportant une soufflante à calage variable apte à délivrer un mode de poussée en jet direct ou en jet inversé à ladite turbomachine, ladite nacelle comportant une partie fixe et une partie mobile disposée en aval dans le prolongement de ladite partie fixe pour former une surface aérodynamique externe de ladite nacelle, ladite partie mobile comportant une extrémité formant un bord de fuite fin de ladite nacelle dans ledit mode de poussée en jet direct, caractérisée en ce que ladite partie mobile de nacelle est apte à se déplacer longitudinalement vers l'amont au moins partiellement dans ladite partie fixe de nacelle, d'une distance d, de façon à former un bord de fuite épais facilitant l'entrée de l'air dans la turbomachine lorsque ladite soufflante à calage variable est positionnée dans ledit mode de poussée en jet inversé.
Ainsi, en faisant avancer la partie mobile dans la nacelle et plus particulièrement dans le compartiment de soufflante, il devient possible de masquer une partie de la partie mobile de la nacelle comportant le bord fin au flux d'air et d'assurer la performance en jet inversé.
Avantageusement, ladite extrémité de ladite partie mobile est agencée pour se déplacer en-deçà d'une partie de plus fort diamètre d'une paroi annulaire externe dudit moteur définissant avec une paroi annulaire interne de ladite nacelle une veine d'air annulaire qui de préférence est la veine secondaire d'un turboréacteur à double flux.
De préférence, ladite partie mobile est constituée d'un anneau ou d'au moins deux secteurs d'anneau adjacents, de préférence haut et bas.
Avantageusement, en mode de poussée en jet inversé, ladite partie mobile s'inscrit entièrement à l'intérieur de ladite partie fixe de nacelle.
De préférence, ladite distance d est comprise entre 50 cm et 120 cm de sorte à libérer un espace autorisant un accès au moteur pour les opérations de maintenance.
Avantageusement, ladite partie fixe comporte un ensemble de vérins permettant ledit déplacement longitudinal vers l'amont de ladite partie mobile de la nacelle.
De préférence, ledit ensemble de vérin est enfermé dans des parois internes de ladite partie fixe de la nacelle et solidarisé auxdites parois internes.
Avantageusement, ladite partie mobile comporte un cadre permettant de la rigidifier et de transmettre des efforts structuraux audit ensemble de vérins et un appui de butée solidaire dudit cadre et coopérant avec des doigts de butée disposés axialement sur ladite partie fixe pour empêcher tout déplacement supplémentaire vers l'aval de ladite partie mobile.
De préférence, il est prévu un joint positionné à l'interface entre ladite partie mobile et une surface interne de ladite partie fixe.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l’invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une turbomachine aéronautique à double flux conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue externe de la turbomachine de la figure 1, la nacelle étant disposée en mode de poussée en jet direct sur sa demi partie supérieure et en mode de poussée en jet inversé sur sa demi partie inférieure, - les figures 3A à 3D illustrent schématiquement différents exemples de déplacement de la partie mobile de la nacelle de la figure 2, et - les figures 4A à 4C montrent différents systèmes de butée limitant le déplacement de la partie mobile de la nacelle de la figure 2.
Description détaillée de modes de réalisation
La figure 1 montre en coupe longitudinale une turbomachine aéronautique (turboréacteur) à double flux qui définit un axe longitudinal A et des directions amont (ou avant - à gauche sur la figure) et aval (ou arrière - à droite sur la figure) par rapport au sens d'écoulement du flux d'air F traversant la turbomachine.
Comme il est connu, un tel turboréacteur se compose d'un moteur à turbine à gaz 10 et d'une nacelle annulaire 12 disposée de façon concentrique autour de ce moteur et dont l'entrée d'air au niveau de la partie amont du turboréacteur va, à partir du flux d'air F et en aval d'une soufflante à calage variable 14, générer des flux primaire 16 et secondaire 18 séparés par un carénage 20 du moteur et participant ensemble à la fonction de propulsion normale, c'est à dire en mode de poussée en jet direct, du turboréacteur.
Le flux primaire 16 traverse successivement un compresseur 22 (formé classiquement de compresseurs basse et haute pression), une chambre de combustion 24 et une turbine 26, avant d'être éjecté au niveau d'une section primaire d’éjection 28 à la partie aval du moteur du turboréacteur. Le flux secondaire 18 s'écoule entre la paroi annulaire externe du carénage 20 du moteur (dénommée IFS pour Inner Fixed Structure) et la paroi annulaire interne de la nacelle 12 (dénommée OFS pour Outer Fixed Structure) avant d'être éjecté à son tour en aval de la nacelle au niveau d'une section secondaire d'éjection 30 (dite section A18). Ces deux parois annulaires structurelles forment classiquement entre elles le conduit de la tuyère secondaire dont le col correspondant à la section transversale minimale de ce conduit est formé au point de plus fort diamètre 20A (ou légèrement en aval de celui-ci) de la paroi annulaire externe du carénage 20 qui, dans le mode de poussée en jet direct illustré à la figure, se trouve disposée en amont de l'extrémité (ou bord de fuite) de la nacelle 12.
Conformément à l'invention et comme l'illustre la figure 2 qui est une vue externe du turboréacteur, la nacelle 12 étant disposée en mode de poussée en jet direct sur sa demi partie supérieure et en mode de poussée en jet inversé sur sa demi partie inférieure, il est prévu que la nacelle comporte une partie mobile 32 disposée dans le prolongement longitudinal d'une partie fixe 34 de cette nacelle et qui peut se déplacer longitudinalement vers l'amont en-deçà du col 20A de la tuyère secondaire de façon à former un bord de fuite épais facilitant le contournement de l'air lorsque la soufflante à calage variable est positionnée en mode de poussée en jet inversé.
Ce déplacement de la section transversale minimum, par rapport au col de la tuyère secondaire, a en outre pour conséquence une augmentation de la section d'éjection A18 devenue section d'entrée de la nacelle en mode de poussée en jet inversé. De plus, ce déplacement vers l'amont permet de définir une zone de dégagement d autour du moteur d'au moins 50 cm (20 inches), correspondant à une valeur minimale considérée comme à même de faciliter la maintenance de ce moteur. En pratique toutefois, cette distance d est variable en fonction du by-pass ratio et donc du diamètre de la turbomachine ainsi que de la longueur de sa nacelle. Ainsi, un distance comprise entre 50cm et 120cm, et préférentiellement d'un mètre, permet de libérer un espace suffisant pour accéder aux moteurs à fort taux de dilution et donc à nacelles courtes dans le cadre de ces opérations de maintenance.
Les figures 3A et 3B illustrent plus en détail, dans les deux positions de poussée, respectivement en jet normal et en jet inversé, différents moyens permettant le déplacement longitudinal vers l'amont de la partie mobile 32 de la nacelle au moins partiellement dans la partie fixe de nacelle. Plus particulièrement, il est avantageusement prévu un ensemble de vérins 36 fixé sur la partie fixe 34 de la nacelle et permettant d'obtenir, sous l'action d'un dispositif de commande adéquat (non représenté), un déplacement de la partie mobile 32 entre ces deux positions de poussée en jet direct et en jet inversé. Dans cet exemple, l'ensemble de vérin 36 est enfermé dans des parois internes 38 de la partie fixe de la nacelle assurant une étanchéité de la partie fixe de la nacelle 12, la tige de poussée/traction du vérin étant fixée à la partie mobile. L'ensemble de vérins 36 qui est réparti régulièrement autour de la surface interne de la nacelle peut par exemple être solidarisé à ces parois internes.
En mode de poussée en jet direct (figure 3A), la partie mobile 32 de la nacelle est en position normale arrière, c'est-à-dire que la nacelle a la forme habituelle d'une nacelle dans un turboréacteur correspondant à une position dite « nominale » optimisée généralement pour un vol de croisière. Sur cette figure, la zone entourée A montre le bord de fuite fin existant à l'arrière de la nacelle dans cette position et à l'origine des décollements préjudiciables dans le mode de poussée en jet inversé. En outre, afin d'éviter une dégradation significative des performances du moteur, il est nécessaire de disposer d'une étanchéité au moins coté veine secondaire. De façon classique, celle-ci est obtenue par un joint 40a et un appui de joint 40b positionnés à l'interface entre la partie mobile 32 et la surface interne de la partie fixe 34 de la nacelle (surface interne de l'OFS), les hauteur et épaisseur du joint étant de préférence également définis pour pouvoir résister aux efforts accidentels des vérins et aux efforts aérodynamiques. Une étanchéité semblable (non représentée) peut aussi être disposée coté capotage externe de la nacelle notamment dans le cas où cette nacelle et plus particulièrement son compartiment de soufflante est déclaré comme un compartiment feu.
Par contre, lors du passage de cette position nominale à la position de poussée en jet inversé (figure 3B), la partie mobile 32 se déplace vers l'amont du turboréacteur en-deçà de la bosse 20A de IIFS, de manière à supprimer (ou tout au moins de réduire, suivant la forme de la veine secondaire) le bord de fuite fin existant en mode de poussée en jet direct et de le remplacer par un bord de fuite épais (illustrée à la zone entourée B), qui, sans être de forme idéale, facilite grandement le contournement de la nacelle dans ce mode de poussée en jet inversé. On notera toutefois la situation transitoire dans laquelle la section d'éjection est passagèrement diminuée lorsque le bord de fuite de la nacelle passe au-dessus de la bosse de I1FS.
Un des avantages de l'invention est que le mouvement de la partie mobile 32 pour passer en mode de poussée en jet inversé illustrée à la figure 3B résulte d'une simple translation coordonnée par l'ensemble de vérins. Une traction axiale sur les vérins 36 suivant Taxe du turboréacteur suffit donc pour faire passer la partie mobile en position d'inversion de poussée. Lorsqu'à l’inverse les pistons des vérins 36 sont sortis comme le montre la figure 3A, la partie mobile 32 est ramenée vers l'arrière du turboréacteur dans sa position normale, et la nacelle 12 reprend une forme fonctionnelle permettant le fonctionnement propulsif du turboréacteur. Bien entendu, cette disposition des vérins ne saurait être limitative et il est aussi possible d'envisager de positionner ces vérins dans la partie mobile de la nacelle, la tige de poussée/traction étant alors solidaire de la partie fixe, de sorte que les vérins soient rentrés en mode de jet direct et sortis en mode de jet inversé.
On notera que l’ensemble des vérins qui agissent de concert pour réaliser la translation de la partie mobile sont des moyens relativement simples, ont un poids limité, et sont en outre d'un coût modéré.
On pourra également noter que la structure ainsi obtenue est remarquablement compacte du fait que la partie arrière mobile 32 de la nacelle, en mode de poussée en jet inversé, peut s'inscrire à l'intérieur de cette nacelle et préférentiellement dans le compartiment de soufflante formé de façon générale par le capot de soufflante 12A d'un côté, et par le carter de soufflante 12B de l'autre (voir la figure 1).
Préférentiellement, cette partie mobile 32 est avantageusement annulaire (c'est-à-dire disposée sur 360°), la prise en compte du pylône positionné sur la partie haute de la nacelle pouvant limiter cette partie mobile à 320°, ou bien découpée en secteurs d'anneau adjacents liés les uns aux autres par des moyens de fixation de type vis/écrou, par exemple en deux secteurs adjacents d'anneau haut et bas, de sorte qu'elle puisse pénétrer facilement à l'intérieur de la nacelle (entièrement ou simplement de façon partielle) et plus précisément dans le compartiment de soufflante, étant entendu que les capot et carter de soufflante disposent de brides et de renforts, non représentés sur les schémas, qui peuvent impacter le choix des lignes de coupures, de même que la présence éventuelle de la virole de carter intermédiaire (non représentée). Pour ce faire, la forme de la tuyère secondaire sera de préférence configurée pour avoir une paroi externe légèrement bombée.
Les figures 3C et 3D montrent deux autres exemples de réalisation de l'invention permettant le déplacement de la partie mobile 32 lorsque l'ensemble de vérins 36 n'est pas enfermé, ce qui peut être le cas si des contraintes de résistance au feu ne sont pas exigées. Sur la figure 3C, la partie mobile 32 présente avantageusement un cadre 42 permettant de la rîgîdifier et de transmettre les efforts structuraux aux vérins 36. Lorsque les contraintes géométriques de la nacelle (par exemple du fait de la disposition des brides et renforts comme évoquée précédemment) contrarient un déplacement complet de la partie mobile, seul un avancement partiel est alors possible. Sur la figure 3D, le cadre 42 est avancé dans la partie mobile de façon à permettre un déplacement vers l'amont plus important de cette partie mobile 32 qui s'inscrit alors entièrement dans la nacelle.
De même, comme illustré sur les figures 4A à 4C, pour éviter le déplacement en vol de la partie mobile, la partie mobile et la partie fixe de la nacelle pourront être réalisées de sorte que l'ensemble présente des butées structurales évitant la mise en place de verrous redondés. La figure 4A illustre une première version de ces butées dans laquelle un appui circulaire de butée 44a est rattaché au cadre 42 et des doigts de butée 44b sont montés sur la partie mobile 34 en avant de l'appui de joint 40b. Les doigts de butée sont disposés axialement de façon à garantir la compression optimale du joint (de l'ordre de 30 à 40%) mais empêcher tout déplacement supplémentaire vers l'aval. Sur la version de la figure 4B, les doigts de butée 44b sont montés en arrière de l'appui de joint 40b et l'appui de butée 44a est alors disposé lui-même en arrière du joint 40a. La version de la figure 4C est semblable à celle de la figure 4A à la différence que les doigts de butée 44b sont maintenant montés sur le capot 12A de la nacelle 12.
Avec l'invention, la problématique du contournement du bord de fuite de la nacelle par l'écoulement en jet inversé est résolue en permettant la génération d'une zone plus épaisse à contourner. Il en résulte un meilleur accès au moteur qui est alors dégagé pour en faciliter la maintenance.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    1. Turbomachine comportant un moteur à turbine à gaz (10) et une nacelle annulaire (12) disposée concentriquement autour dudit moteur, ledit moteur comportant une soufflante à calage variable (14) apte à délivrer un mode de poussée en jet direct ou en jet inversé à ladite turbomachine, ladite nacelle comportant une partie fixe (34) et une partie mobile (32) disposée en aval dans le prolongement de ladite partie fixe pour former une surface aérodynamique externe de ladite nacelle, ladite partie mobile comprenant une extrémité (32A) formant un bord de fuite fin (A) de ladite nacelle dans ledit mode de poussée en jet direct, caractérisée en ce que ladite partie mobile de nacelle est apte à se déplacer longitudinalement vers l'amont au moins partiellement dans ladite partie fixe de nacelle, d'une distance d, de façon à former un bord de fuite épais (B) facilitant l'entrée de l'air dans la turbomachine lorsque ladite soufflante à calage variable est positionnée dans ledit mode de poussée en jet inversé.
  2. 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite extrémité de ladite partie mobile est agencée pour se déplacer en-deçà d'une partie de plus fort diamètre (20A) d'une paroi annulaire externe (IFS) dudit moteur définissant avec une paroi annulaire interne (OFS) de ladite nacelle une veine d'air annulaire (18).
  3. 3. Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce que ladite veine d'air annulaire est la veine secondaire d'un turboréacteur à double flux.
  4. 4. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que, ladite partie mobile est constituée d'un anneau ou d'au moins deux secteurs d'anneau adjacents, de préférence haut et bas.
  5. 5. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que, en mode de poussée en jet inversé, ladite partie mobile s'inscrit entièrement à l'intérieur de ladite partie fixe de nacelle.
  6. 6. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite distance d est comprise entre 50cm et 120cm de sorte à libérer un espace autorisant un accès au moteur pour les opérations de maintenance.
  7. 7. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite partie fixe comporte un ensemble de vérins (36) permettant ledit déplacement longitudinal vers l'amont de ladite partie mobile de la nacelle.
  8. 8. Turbomachine selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit ensemble de vérin est enfermé dans des parois internes (38) de ladite partie fixe de la nacelle et solidarisé auxdites parois internes.
  9. 9. Turbomachine selon la revendication 8, caractérisée en ce que ladite partie mobile comporte un cadre (42) permettant de la rigidifier et de transmettre des efforts structuraux audit ensemble de vérins.
  10. 10. Turbomachine selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un appui de butée (44a) solidaire dudit cadre et coopérant avec des doigts de butée (44b) disposés axialement sur ladite partie fixe pour empêcher tout déplacement supplémentaire vers l'aval de ladite partie mobile.
  11. 11. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un joint (40a) et un appui de joint (40b) positionnés à l'interface entre ladite partie mobile et une surface interne de ladite partie fixe.
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