FR3067056B1 - 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 àrotor non caréné ainsi qu'un aéronef comprenant un tel turboréacteur.

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

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

[0003] Les turboréacteurs à rotor non caréné, communémentappelés « open-rotor », sont généralement munis de deux hélicescontrarotatives de grande taille prévues toutes deux soit à l'avant duturboréacteur (configuration traction) soit à l'arrière du turboréacteur(configuration propulsion).

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

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

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

[0007] Par ailleurs, un autre inconvénient des configurationsconnues est que le réducteur utilisé doit entraîner, à partir d'un seul arbremoteur, deux hélices distinctes : le réducteur se comporte ainsi endifférentiel, une unique relation mathématique liant la vitesse de l'arbremoteur et la vitesse de chacune des hélices. Dès lors, il n'est pas possiblede régler la vitesse d'une hélice indépendamment de l'autre, ce quinécessite de réaliser des compromis entre les points de fonctionnementoptimaux de chacune des hélices.

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

PRESENTATION DE L’INVENTION

[0009] Le présent exposé concerne un turboréacteur du type àrotor non caréné, comprenant un générateur de gaz, une première hélice,non carénée, connectée à un arbre du générateur de gaz parl'intermédiaire d'un premier réducteur, et une deuxième hélice, noncarénée, connectée à un arbre du générateur de gaz par l'intermédiaired'un deuxième réducteur, dans lequel la première hélice et le premierréducteur sont montés en l'avant du générateur de gaz, et dans lequel ladeuxième hélice et le deuxième réducteur sont montés en arrière dugénérateur de gaz.

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

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

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

[0013] De plus, dans une telle configuration, chaque hélice estmunie d'un réducteur dédié. L'architecture de chaque réducteur est ainsisimplifiée et il est désormais possible de choisir librement le rapport deréduction de chaque réducteur afin de permettre à chaque hélice detourner à une vitesse proche ou égale à son régime de fonctionnementoptimal. A ce sujet, de préférence, chaque hélice est connectée à unmême arbre du générateur de gaz, typiquement son arbre de puissance,par l'intermédiaire de son réducteur respectif. Toutefois, il pourraitégalement s'agir de deux arbres différents.

[0014] Dans le présent exposé, sauf indication contraire, lestermes « axial », « radial », « tangentiel », « intérieur », « extérieur » etleurs 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 laturbomachine et par « plan radial » un plan perpendiculaire à cet axeprincipal ; enfin, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapportà la circulation de l'air dans la turbomachine.

[0015] Dans certains modes de réalisation, au moins un réducteurest du type train épicycloïdal comprenant trois éléments de transmissionformés respectivement par un pignon planétaire, une couronne et unepluralité 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 deces éléments de transmission est bloquée. On simplifie ainsi l'architecturedu réducteur et la relation mathématique reliant la vitesse de l'hélice àvitesse de l'arbre moteur.

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

[0018] Dans certains modes de réalisation, la rotation du porte-satellites 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 etdeuxième réducteurs sont différents. Ceci permet d'adapter chaqueréducteur à son hélice afin de se rapprocher au mieux du régime optimalde chaque hélice. Ceci est également un moyen d'entraîner les deuxhélices de manière contrarotatives.

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

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

[0024] Dans certains modes de réalisation, les rapports deréduction des premier et deuxième réducteurs sont différents de sorte queles vitesses de rotation des première et deuxième hélices soientdifférentes.

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

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

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

[0028] Dans certains modes de réalisation, un point de fixation estprévu sur un carter entourant le premier réducteur et un point de fixationest prévu sur un carter entourant le deuxième réducteur. Ces deux cartersétant prévu à proximité de chacune des extrémités du turboréacteur, cettearchitecture permet de réduire d'autant plus la masse du turboréacteursituée en porte-à-faux.

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

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

[0031] Dans certains modes de réalisation, le générateur de gazcomprend un compresseur basse-pression, un compresseur haute-pression, une chambre de combustion, une turbine haute-pression, uneturbine basse-pression et une turbine de puissance, l'arbre moteurconnecté à chaque réducteur étant de préférence entraîné par la turbinede puissance.

[0032] Dans certains modes de réalisation, le turboréacteur estconfiguré 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 modesde réalisation précédents.

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

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

[0035] Les dessins annexés sont schématiques et visent avant toutà 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 deréférence.

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 montésur un aéronef.

DESCRIPTION DETAILLEE D’EXEMPLE(S) DE REALISATION

[0037] Afin de rendre plus concrète l'invention, un exemple deturboréacteur est décrit en détail ci-après, en référence aux dessinsannexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.

[0038] La FIG 1 représente, en coupe selon un plan verticalpassant par son axe principal A, un turboréacteur du type open-rotor 1selon l'invention. Il comporte, d'amont en aval selon la circulation du fluxd'air, un ensemble de propulsion avant 2, un compresseur basse pression3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, uneturbine haute pression 6, une turbine basse pression 7, une turbine depuissance 8 et un ensemble de propulsion arrière 9. L'ensemble des deuxcompresseurs, de la chambre de combustion et des trois turbines forme legénérateur de gaz du turboréacteur.

[0039] Chaque ensemble de propulsion 2, 9 comprend une hélice21, 91, un mécanisme de changement de pas 22, 92, un réducteur 23, 93et un carter rotatif 24, 94. Ces hélices 21, 91 peuvent être identiques oudifférentes, et notamment avoir un nombre de pales et/ou un diamètredifférent. Comme les appellations « open rotor » ou « turboréacteur àrotor non-caréné » l'indiquent, les hélices 21, 91 de chaque ensemble depropulstion 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 pourleur 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 àl'arrêt qu'au cours du fonctionnement du turboréacteur 1.

[0041] Le turboréacteur 1 comprend en outre quatre parties decarter fixe : une première partie de carter fixe 11, localisée sensiblementautour du réducteur avant 23, porte l'ensemble de propulsion avant 2 et lecompresseur haute-pression 3 ; une deuxième partie de carter fixe 12,localisée à l'interface entre le compresseur basse-pression 3 et lecompresseur haute-pression 4, porte les deux compresseurs 3, 4 et lachambre de combustion 5 ; une troisième partie de carter fixe 13,localisée à l'interface entre la turbine haute-pression 6 et le compresseurbasse-pression 7, porte la chambre de combustion 5 ainsi que ces deuxturbines 6, 7 ; et une quatrième partie de carter fixe 14, localisée sensiblement autour du réducteur arrière 93, porte la turbine de puissance8 et l'ensemble de propulsion arrière 9.

[0042] En outre, les première et quatrième parties de carter fixe11, 14 sont munies chacune d'une structure de fixation lia, 14apermettant leur accrochage sur un pylône 101 d'un aéronef 100. Lesstructures de fixation 14a, lia sont chacune dimensionnées pourreprendre les efforts axiaux et radiaux de la turbomachine.Préférentiellement les deux structures de fixation 14a, lia sontdimensionnées pour reprendre des efforts axiaux très prépondérants vis-à-vis des efforts radiaux. Une bielle de structure 15 connecte également ladeuxième partie de carter fixe 12 à la structure de fixation 14a de laquatrième partie de carter fixe 14.

[0043] Le turboréacteur 1 comprend en outre trois arbresmoteurs : un arbre haute-pression 61, connectant la turbine haute-pression 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 àchaque réducteur 23, 93.

[0044] L'arbre haute-pression 61 est porté en amont par ladeuxième partie de carter fixe 12 par l'intermédiaire d'un palier à billes 41d'une part et d'un palier à rouleaux 42 d'autre part et en aval par latroisième partie de carter fixe 13 par l'intermédiaire d'un palier à rouleaux42 d'autre part.

[0045] L'arbre basse-pression 71 est porté en amont par lapremière partie de carter fixe 11 par l'intermédiaire d'un palier à rouleaux42 ; il est également porté par la deuxième partie de carter fixe 12 parl'intermédiaire d'un palier à billes 41 ainsi que par la troisième partie decarter fixe 13 par l'intermédiaire d'un palier à rouleaux 42.

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

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

[0048] La figure 1 montre plusieurs exemples de réalisation pourle 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 enamont dans la première partie de carter fixe 11 et par un palier à rouleaux42 encastré en aval dans la quatrième partie de carter fixe 14. Dans unsecond exemple, l'arbre de puissance 81 est porté par deux paliers à billes41, le premier encastré en amont dans la première partie de carter fixe 11et 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 fûtsemmanchés l'un dans l'autre par des cannelures, la liaison par cannelureou une liaison de même type permettant la transmission de couple tout enautorisant un déplacement relatif axial des deux fûts.

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

[0050] L'arbre de sortie 21a du réducteur avant 23 est porté par lapremière partie de carter fixe 11 par l'intermédiaire d'un palier à rouleaux42 d'une part et d'un palier à billes 41 d'autre part. L'arbre de sortie 91adu réducteur arrière 93 est pour sa part porté par la quatrième partie decarter fixe 14 par l'intermédiaire d'un palier à billes 41 d'une part et d'unpalier à rouleaux 42 d'autre part.

[0051] Dans le présent exposé, le réducteur avant 23 est configuréde la manière suivante, comme cela est illustré sur la FIG 2A : l'arbre depuissance 81 est connecté au porte-satellites 23c, l'arbre de sortie 21a estconnecté au pignon planétaire 23a, tandis que la couronne 23d estimmobile, fixée à la première partie de carter fixe 11. Le réducteur arrière93 est configuré pour sa part de la manière suivante, comme cela estillustré 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, tandisque le porte-satellites 93c est immobile, fixé à la quatrième partie decarter fixe 14.

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

[0053] Le mécanisme de changement de pas 22 de l'hélice avant21 va maintenant être décrit. Il convient de noter que le mécanisme dechangement de pas 92 de l'hélice arrière est tout à fait analogue.

[0054] Chaque aube de l'hélice est montée sur le carter rotatif 24de manière mobile en rotation autour d'un axe sensiblement radial, parexemple au moyen d'un palier à roulements, non représenté. Un bras demise 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 portantla piste inférieure d'un palier de transfert de charge 55.

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

[0056] La FIG 3 illustre le turboréacteur 1 décrit ci-avant montésur un aéronef 100 du type avion de ligne. L'aéronef 100 possède unpylône 101 s'étendant horizontalement depuis le fuselage 102 de l'aéronef1, à l'arrière de celui-ci, sensiblement au niveau de son empennage.L'aéronef 100 possède par ailleurs un deuxième pylône s'étendantsymétriquement au premier, de l'autre côté du fuselage 102.

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

[0058] Bien que la présente invention ait été décrite en se référantà des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que desmodifications et des changements peuvent être effectués sur cesexemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles desdifférents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent êtrecombinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, ladescription et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratifplutôt que restrictif.

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

Claims (3)

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) dugénérateur 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) sontmontés 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 moinsun réducteur (23) est du type train épicycloïdal comprenant trois élémentsde transmission formés respectivement par un pignon planétaire (23a),une couronne (23d) et une pluralité de pignons satellite (23b) portés parun porte-satellites (23c), la rotation de l'un de ces éléments detransmission étant bloquée. 3. Turboréacteur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lespremier et deuxième réducteurs (23, 93) sont différents. 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 premièreet deuxième hélices (21, 91) soient différentes. 5. Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,comprenant au moins deux points de fixation (lia, 14a) configurés pourfixer le turboréacteur sur un aéronef, et dans lequel le centre de gravité du turboréacteur est situé entre lesdeux points de fixation (lia, 14a) axialement les plus externes duturboréacteur.
3. 6. Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,dans lequel le centre de gravité du turboréacteur est situé à une distanceaxiale du centre géométrique axial du turboréacteur inférieure à 20%, depréférence 10%, de la longueur axiale du turboréacteur. 7. Turboréacteur selon la revendication 5, dans lequel un point defixation (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 ledeuxième réducteur (93). 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 degaz (3-8). 9. Turboréacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,configuré pour être fixé à l'arrière du fuselage d'un aéronef. 10. Aéronef, comprenant au moins un turboréacteur (1) selon l'unequelconque des revendications précédentes.