FR3067056A1 - Turboreacteur du type a rotor non carene - Google Patents

Abstract

Turboréacteur du type à rotor non caréné ainsi qu'un aéronef comprenant un tel turboréacteur, le turboréacteur comprenant un générateur de gaz (3-8), une première hélice (21), non carénée, connectée à un arbre (81) du générateur de gaz (3-8) par l'intermédiaire d'un premier réducteur (23), et une deuxième hélice (91), non carénée, connectée à un arbre (81) du générateur de gaz (3-8) par l'intermédiaire d'un deuxième réducteur (93), dans lequel la première hélice (21) et le premier réducteur (23) sont montés en avant du générateur de gaz (3-8), et dans lequel la deuxième hélice (91) et le deuxième réducteur (93) sont montés en arrière du générateur de gaz (3-8).

Description

DOMAINE DE L'INVENTION [0001] Le présent exposé concerne un turboréacteur du type à rotor non caréné ainsi qu'un aéronef comprenant un tel turboréacteur.

[0002] Un tel turboréacteur peut notamment équiper un avion de ligne.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0003] Les turboréacteurs à rotor non caréné, communément appelés « open-rotor », sont généralement munis de deux hélices contrarotatives de grande taille prévues toutes deux soit à l'avant du turboréacteur (configuration traction) soit à l'arrière du turboréacteur (configuration propulsion).

[0004] Or, ces deux hélices sont très lourdes de telle sorte qu'elles engendrent un porte-à-faux important entraînant d'importantes contraintes mécaniques sur la structure du turboréacteur lui-même ainsi que sur le pylône fixant le turboréacteur sur l'aéronef. En outre, ce porteà-faux est d'autant plus important que les hélices sont généralement munies de mécanismes de changement de pas, également assez lourds, ainsi que d'un réducteur interposé entre le générateur de gaz du turboréacteur et les hélices.

[0005] Ainsi, les mécanismes de changement de pas des hélices d'un tel turboréacteur sont généralement complexes. En particulier, l'intégration de ces mécanismes de changement de pas nécessite de mettre en place de nombreux paliers intermédiaires pour amener les servitudes au plus près des actionneurs de ces mécanismes et pour soutenir ces derniers ; des paliers inter-arbres sont également nécessaires entre les deux moyeux des hélices. Par ailleurs, le mécanisme de changement de pas de l'hélice extrême est dépourvu de carter fixe externe ce qui nécessite d'amener les servitudes par un carter fixe interne à l'axe d'hélice ou de mettre en place des actionneurs tournants. Tout ceci augmente ainsi la complexité, le poids et le coût d'un tel turboréacteur.

[0006] De plus, une configuration parmi les plus prometteuses vise une fixation d'un tel turboréacteur à l'arrière du fuselage de l'aéronef avec un pylône horizontal. Dès lors, le porte-à-faux ainsi engendré entraîne des contraintes de torsion particulièrement néfaste dans le pylône.

[0007] Par ailleurs, un autre inconvénient des configurations connues est que le réducteur utilisé doit entraîner, à partir d'un seul arbre moteur, deux hélices distinctes : le réducteur se comporte ainsi en différentiel, une unique relation mathématique liant la vitesse de l'arbre moteur et la vitesse de chacune des hélices. Dès lors, il n'est pas possible de régler la vitesse d'une hélice indépendamment de l'autre, ce qui nécessite de réaliser des compromis entre les points de fonctionnement optimaux de chacune des hélices.

[0008] Il existe donc un réel besoin pour un turboréacteur du type à rotor non caréné, ainsi qu'un aéronef comprenant un tel turboréacteur, qui soient dépourvus, au moins en partie, des inconvénients inhérents aux configurations connues précitées.

PRESENTATION DE L’INVENTION [0009] Le présent exposé concerne un turboréacteur du type à rotor non caréné, comprenant un générateur de gaz, une première hélice, non carénée, connectée à un arbre du générateur de gaz par l'intermédiaire d'un premier réducteur, et une deuxième hélice, non carénée, connectée à un arbre du générateur de gaz par l'intermédiaire d'un deuxième réducteur, dans lequel la première hélice et le premier réducteur sont montés en l'avant du générateur de gaz, et dans lequel la deuxième hélice et le deuxième réducteur sont montés en arrière du générateur de gaz.

[0010] Ainsi, grâce à une telle configuration, le poids des hélices, ainsi que de leurs réducteurs, est réparti aux deux extrémités du turboréacteur, ce qui permet de recentrer le centre du gravité du turboréacteur, réduisant ou annulant complètement le porte-à-faux subi par le turboréacteur. En conséquence, les contraintes subies par le turboréacteur et son pylône sont plus faibles.

[0011] Par ailleurs, de telles contraintes réduites permettent d'alléger la structure du turboréacteur, notamment ses carters, ainsi que son pylône. Ainsi, les inventeurs ont calculé que les gains de masse ainsi obtenus permettent de compenser la masse additionnelle engendrée par la mise en place d'un deuxième réducteur.

[0012] Cette configuration permet également de simplifier grandement les mécanismes de changement de pas, les deux mécanismes de changement de pas n'étant plus imbriqués. En particulier, le nombre de paliers nécessaire est largement réduit.

[0013] De plus, dans une telle configuration, chaque hélice est munie d'un réducteur dédié. L'architecture de chaque réducteur est ainsi simplifiée et il est désormais possible de choisir librement le rapport de réduction de chaque réducteur afin de permettre à chaque hélice de tourner à une vitesse proche ou égale à son régime de fonctionnement optimal. A ce sujet, de préférence, chaque hélice est connectée à un même arbre du générateur de gaz, typiquement son arbre de puissance, par l'intermédiaire de son réducteur respectif. Toutefois, il pourrait également s'agir de deux arbres différents.

[0014] Dans le présent exposé, sauf indication contraire, les termes « axial », « radial », « tangentiel », « intérieur », « extérieur » et leurs dérivés sont définis par rapport à l'axe principal de la turbomachine ; on entend par « plan axial » un plan passant par l'axe principal de la turbomachine et par « plan radial » un plan perpendiculaire à cet axe principal ; enfin, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation de l'air dans la turbomachine.

[0015] Dans certains modes de réalisation, au moins un réducteur est du type train épicycloïdal comprenant trois éléments de transmission formés respectivement par un pignon planétaire, une couronne et une pluralité de pignons satellite portés par un porte-satellites. De préférence, les deux réducteurs sont configurés de la sorte.

[0016] Dans certains modes de réalisation, la rotation de l'un de ces éléments de transmission est bloquée. On simplifie ainsi l'architecture du réducteur et la relation mathématique reliant la vitesse de l'hélice à vitesse de l'arbre moteur.

[0017] Dans certains modes de réalisation, la rotation de la couronne est bloquée.

[0018] Dans certains modes de réalisation, la rotation du portesatellites est bloquée.

[0019] Dans certains modes de réalisation, les première et deuxième hélices sont contrarotatives.

[0020] Dans certains modes de réalisation, les première et deuxième hélices sont corotatives.

[0021] Dans certains modes de réalisation, les premier et deuxième réducteurs sont différents. Ceci permet d'adapter chaque réducteur à son hélice afin de se rapprocher au mieux du régime optimal de chaque hélice. Ceci est également un moyen d'entraîner les deux hélices de manière contrarotatives.

[0022] Dans certains modes de réalisation, les premier et deuxième réducteurs sont identiques.

[0023] Dans certains modes de réalisation, un engrenage inverseur est prévu en entrée ou en sortie de l'un des réducteurs.

[0024] Dans certains modes de réalisation, les rapports de réduction des premier et deuxième réducteurs sont différents de sorte que les vitesses de rotation des première et deuxième hélices soient différentes.

[0025] Dans certains modes de réalisation, le turboréacteur comprend au moins deux points de fixation configurés pour fixer le turboréacteur sur un aéronef.

[0026] Dans certains modes de réalisation, le centre de gravité du turboréacteur est situé entre les deux points de fixation axialement les plus externes du turboréacteur. On réduit ainsi le porte-à-faux du turbomoteur et donc les contraintes subies par ce dernier.

[0027] Dans certains modes de réalisation, le centre de gravité du turboréacteur est situé à une distance axiale du centre géométrique axial du turboréacteur inférieure à 20%, de préférence 10%, de la longueur axiale du turboréacteur. Le centre géométrique axial du turboréacteur est la projection de son centre géométrique sur son axe principal. De plus, par définition, la longueur axiale du turboréacteur est la distance, mesurée le long de l'axe principal, entre l'extrémité amont et l'extrémité aval du turboréacteur et donc, en général, entre l'extrémité amont de l'hélice amont et l'extrémité aval de l'hélice aval.

[0028] Dans certains modes de réalisation, un point de fixation est prévu sur un carter entourant le premier réducteur et un point de fixation est prévu sur un carter entourant le deuxième réducteur. Ces deux carters étant prévu à proximité de chacune des extrémités du turboréacteur, cette architecture permet de réduire d'autant plus la masse du turboréacteur située en porte-à-faux.

[0029] Dans certains modes de réalisation, le turboréacteur comprend une bielle de structure connectant le carter entourant le deuxième réducteur et un carter du générateur de gaz, par exemple celui prévu à l'interface entre les compresseurs basse-pression et hautepression. Ceci permet de renforcer la tenue mécanique du turboréacteur.

[0030] Dans certains modes de réalisation, chaque hélice est équipée d'un mécanisme de changement de pas.

[0031] Dans certains modes de réalisation, le générateur de gaz comprend un compresseur basse-pression, un compresseur hautepression, une chambre de combustion, une turbine haute-pression, une turbine basse-pression et une turbine de puissance, l'arbre moteur connecté à chaque réducteur étant de préférence entraîné par la turbine de puissance.

[0032] Dans certains modes de réalisation, le turboréacteur est configuré pour être fixé à l'arrière du fuselage d'un aéronef.

[0033] Le présent exposé concerne également un aéronef, comprenant au moins un turboréacteur selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents.

[0034] Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d’autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d’exemples de réalisation du turboréacteur et de l'aéronef proposés. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS [0035] Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l'invention.

[0036] Sur ces dessins, d'une figure (FIG) à l'autre, des éléments (ou parties d'élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence.

La FIG 1 est un plan en coupe d'un turboréacteur selon l'exposé.

Les FIG 2A et 2B sont des schémas de deux réducteurs possibles.

La FIG 3 est un plan en coupe du turboréacteur de la FIG 1 monté sur un aéronef.

DESCRIPTION DETAILLEE D’EXEMPLE(S) DE REALISATION [0037] Afin de rendre plus concrète l'invention, un exemple de turboréacteur est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.

[0038] La FIG 1 représente, en coupe selon un plan vertical passant par son axe principal A, un turboréacteur du type open-rotor 1 selon l'invention. Il comporte, d'amont en aval selon la circulation du flux d'air, un ensemble de propulsion avant 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6, une turbine basse pression 7, une turbine de puissance 8 et un ensemble de propulsion arrière 9. L'ensemble des deux compresseurs, de la chambre de combustion et des trois turbines forme le générateur de gaz du turboréacteur.

[0039] Chaque ensemble de propulsion 2, 9 comprend une hélice 21, 91, un mécanisme de changement de pas 22, 92, un réducteur 23, 93 et un carter rotatif 24, 94. Ces hélices 21, 91 peuvent être identiques ou différentes, et notamment avoir un nombre de pales et/ou un diamètre différent. Comme les appellations « open rotor » ou « turboréacteur à rotor non-caréné » l'indiquent, les hélices 21, 91 de chaque ensemble de propulstion 2, 9 s'étendent depuis et à l'extérieur des carters rotatifs 24, 94, ces carters rotatifs 24, 94 tournant solidairement avec les hélices 21, 91.

[0040] Les mécanismes de changement de pas 22, 92 sont pour leur part configurés pour régler le pas de chaque pale des hélices 21, 91, c'est-à-dire son orientation autour de son axe principal radial, aussi bien à l'arrêt qu'au cours du fonctionnement du turboréacteur 1.

[0041] Le turboréacteur 1 comprend en outre quatre parties de carter fixe : une première partie de carter fixe 11, localisée sensiblement autour du réducteur avant 23, porte l'ensemble de propulsion avant 2 et le compresseur haute-pression 3 ; une deuxième partie de carter fixe 12, localisée à l'interface entre le compresseur basse-pression 3 et le compresseur haute-pression 4, porte les deux compresseurs 3, 4 et la chambre de combustion 5 ; une troisième partie de carter fixe 13, localisée à l'interface entre la turbine haute-pression 6 et le compresseur basse-pression 7, porte la chambre de combustion 5 ainsi que ces deux turbines 6, 7 ; et une quatrième partie de carter fixe 14, localisée sensiblement autour du réducteur arrière 93, porte la turbine de puissance 8 et l'ensemble de propulsion arrière 9.

[0042] En outre, les première et quatrième parties de carter fixe 11, 14 sont munies chacune d'une structure de fixation lia, 14a permettant leur accrochage sur un pylône 101 d'un aéronef 100. Les structures de fixation 14a, lia sont chacune dimensionnées pour reprendre les efforts axiaux et radiaux de la turbomachine. Préférentiellement les deux structures de fixation 14a, lia sont dimensionnées pour reprendre des efforts axiaux très prépondérants vis-àvis des efforts radiaux. Une bielle de structure 15 connecte également la deuxième partie de carter fixe 12 à la structure de fixation 14a de la quatrième partie de carter fixe 14.

[0043] Le turboréacteur 1 comprend en outre trois arbres moteurs : un arbre haute-pression 61, connectant la turbine hautepression 6 au compresseur haute-pression 4, un arbre basse-pression 71, connectant la turbine basse-pression 7 au compresseur basse-pression 3, et un arbre de puissance 81, connectant la turbine de puissance 8 à chaque réducteur 23, 93.

[0044] L'arbre haute-pression 61 est porté en amont par la deuxième partie de carter fixe 12 par l'intermédiaire d'un palier à billes 41 d'une part et d'un palier à rouleaux 42 d'autre part et en aval par la troisième partie de carter fixe 13 par l'intermédiaire d'un palier à rouleaux 42 d'autre part.

[0045] L'arbre basse-pression 71 est porté en amont par la première partie de carter fixe 11 par l'intermédiaire d'un palier à rouleaux 42 ; il est également porté par la deuxième partie de carter fixe 12 par l'intermédiaire d'un palier à billes 41 ainsi que par la troisième partie de carter fixe 13 par l'intermédiaire d'un palier à rouleaux 42.

[0046] L'arbre de puissance 81 est porté en amont par la première partie de carter fixe 11 par l'intermédiaire d'un palier à billes 41 et en aval par la quatrième partie de carter fixe 14 par l'intermédiaire d'un palier à rouleaux 42 d'une part et d'un palier à billes 41 d'autre part.

[0047] Les paliers à billes 41 permettent de reprendre les efforts axiaux et radiaux s'exerçant sur l'arbre tandis que les paliers à rouleaux 42 reprennent uniquement les efforts radiaux.

[0048] La figure 1 montre plusieurs exemples de réalisation pour le support aval de l'arbre de puissance 81. Dans un premier exemple, l'arbre de puissance 81 est porté par un palier à billes 41 encastré en amont dans la première partie de carter fixe 11 et par un palier à rouleaux 42 encastré en aval dans la quatrième partie de carter fixe 14. Dans un second exemple, l'arbre de puissance 81 est porté par deux paliers à billes 41, le premier encastré en amont dans la première partie de carter fixe 11 et le deuxième encastré en aval dans la quatrième partie de carter fixe 14. Afin d'éviter une potentielle torsion de l'arbre entre ces deux arrêts axiaux, l'arbre de puissance 81 est ici en deux parties : il comprend ainsi deux fûts emmanchés l'un dans l'autre par des cannelures, la liaison par cannelure ou une liaison de même type permettant la transmission de couple tout en autorisant un déplacement relatif axial des deux fûts.

[0049] Les réducteurs 23, 93 sont de préférence des trains épicycloïdaux comprenant un pignon planétaire 23a, 93a, une pluralité de pignons satellite 23b, 93b portés par un porte-satellites 23c, 93c et une couronne 23d, 93d. Ils comprennent une entrée, connectée à l'arbre de puissance 81, et une seule sortie, connectée à son hélice respective 21, 91 via un arbre de sortie 21a, 91a. Ces trains épicycloïdaux sont configurés différemment entre le réducteur avant 23 et le réducteur arrière 93 de manière, d'une part, que les deux hélices 21, 91 tournent de manière contrarotative, c'est-à-dire dans deux sens différents, et, d'autre part, que les deux hélices 21, 91 aient des vitesses de rotation différentes.

[0050] L'arbre de sortie 21a du réducteur avant 23 est porté par la première partie de carter fixe 11 par l'intermédiaire d'un palier à rouleaux 42 d'une part et d'un palier à billes 41 d'autre part. L'arbre de sortie 91a du réducteur arrière 93 est pour sa part porté par la quatrième partie de carter fixe 14 par l'intermédiaire d'un palier à billes 41 d'une part et d'un palier à rouleaux 42 d'autre part.

[0051] Dans le présent exposé, le réducteur avant 23 est configuré de la manière suivante, comme cela est illustré sur la FIG 2A : l'arbre de puissance 81 est connecté au porte-satellites 23c, l'arbre de sortie 21a est connecté au pignon planétaire 23a, tandis que la couronne 23d est immobile, fixée à la première partie de carter fixe 11. Le réducteur arrière 93 est configuré pour sa part de la manière suivante, comme cela est illustré sur la FIG 2B : l'arbre de puissance 81 est connecté à la couronne

93d, l'arbre de sortie 91a est connecté au pignon planétaire 93a, tandis que le porte-satellites 93c est immobile, fixé à la quatrième partie de carter fixe 14.

[0052] Toutefois, dans d'autres exemples, les configurations des réducteurs avant et arrière 23, 93 pourraient être inversées ou bien encore différentes. Un engrenage inverseur pourrait également être inclus de manière à inverser le sens de rotation entre la sortie du train épicycloïdal et l'arbre de sortie, ou entre l'arbre de puissance et l'entrée du train épicycloïdal.

[0053] Le mécanisme de changement de pas 22 de l'hélice avant 21 va maintenant être décrit. Il convient de noter que le mécanisme de changement de pas 92 de l'hélice arrière est tout à fait analogue.

[0054] Chaque aube de l'hélice est montée sur le carter rotatif 24 de manière mobile en rotation autour d'un axe sensiblement radial, par exemple au moyen d'un palier à roulements, non représenté. Un bras de mise en rotation de l'aube 51, comprenant un ensemble bielle-manivelle, connecte l'arbre de pivot de l'aube à un anneau de commande 52 portant la piste inférieure d'un palier de transfert de charge 55.

[0055] Le dispositif est complété par un vérin axial 53 entraînant une pièce annulaire 54 portant la piste supérieure du palier de transfert de charge 55, de telle sorte que le mouvement axial de la pièce annulaire 54 entraîne axialement l'anneau de commande 52 tout en lui permettant de tourner avec le carter rotatif 24.

[0056] La FIG 3 illustre le turboréacteur 1 décrit ci-avant monté sur un aéronef 100 du type avion de ligne. L'aéronef 100 possède un pylône 101 s'étendant horizontalement depuis le fuselage 102 de l'aéronef 1, à l'arrière de celui-ci, sensiblement au niveau de son empennage. L'aéronef 100 possède par ailleurs un deuxième pylône s'étendant symétriquement au premier, de l'autre côté du fuselage 102.

[0057] Le turboréacteur 1 est alors monté sur le pylône 101 en fixant les structures de fixation lia, 14a du turboréacteur sur l'extrémité du pylône 101.

[0058] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif 5 plutôt que restrictif.

[0059] Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en 10 combinaison, à un procédé.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Turboréacteur du type à rotor non caréné, comprenant un générateur de gaz (3-8), une première hélice (21), non carénée, connectée à un arbre (81) du générateur de gaz (3-8) par l'intermédiaire d'un premier réducteur (23), et une deuxième hélice (91), non carénée, connectée à un arbre (81) du générateur de gaz (3-8) par l'intermédiaire d'un deuxième réducteur (93), dans lequel la première hélice (21) et le premier réducteur (23) sont montés en avant du générateur de gaz (3-8), et dans lequel la deuxième hélice (91) et le deuxième réducteur (93) sont montés en arrière du générateur de gaz (3-8).
2. 2. Turboréacteur selon la revendication 1, dans lequel au moins un réducteur (23) est du type train épicycloïdal comprenant trois éléments de transmission formés respectivement par un pignon planétaire (23a), une couronne (23d) et une pluralité de pignons satellite (23b) portés par un porte-satellites (23c), la rotation de l'un de ces éléments de transmission étant bloquée.
3. 3. Turboréacteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les premier et deuxième réducteurs (23, 93) sont différents.
4. 4. Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les rapports de réduction des premier et deuxième réducteurs (23, 93) sont différents de sorte que les vitesses de rotation des première et deuxième hélices (21, 91) soient différentes.
5. 5. Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant au moins deux points de fixation (lia, 14a) configurés pour fixer le turboréacteur sur un aéronef, et dans lequel le centre de gravité du turboréacteur est situé entre les deux points de fixation (lia, 14a) axialement les plus externes du turboréacteur.
6. 6. Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le centre de gravité du turboréacteur est situé à une distance axiale du centre géométrique axial du turboréacteur inférieure à 20%, de préférence 10%, de la longueur axiale du turboréacteur.
7. 7. Turboréacteur selon la revendication 5, dans lequel un point de fixation (lia) est prévu sur un carter (11) entourant le premier réducteur (23) et un point de fixation (14a) est prévu sur un carter (14) entourant le deuxième réducteur (93).
8. 8. Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant une bielle de structure (15) connectant le carter (14) entourant le deuxième réducteur (93) et un carter (12) du générateur de gaz (3-8).
9. 9. Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, configuré pour être fixé à l'arrière du fuselage d'un aéronef.
10. 10. Aéronef, comprenant au moins un turboréacteur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes.