FR3068735B1

FR3068735B1 - Turboreacteur a faible bruit de soufflante

Info

Publication number: FR3068735B1
Application number: FR1756401A
Authority: FR
Inventors: Philippe Gerard CHANEZ; Claude SENSIAU
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2019-07-26
Anticipated expiration: 2037-07-06
Also published as: US10859037B2; GB2566354A; GB2566354B; FR3068735A1; US20190010896A1; GB201811088D0

Abstract

L'invention concerne un turboréacteur (1) à double flux comprenant : - une soufflante (2) comprenant un disque (20) centré sur un axe de la soufflante qui est pourvu d'aubes (22) de soufflante à sa périphérie, lesdites aubes (22) présentant un bord d'attaque, et - une manche d'entrée d'air (30), s'étendant en amont de la soufflante (2) et configurée pour délimiter un écoulement gazeux destiné à entrer dans la soufflante (2), ladite manche d'entrée d'air (30) présentant une surface de captation (32), le turboréacteur (1) présentant un rapport de section S2/Scol compris dans l'intervalle [1.0; 1.0 + 0.4 (L/D)], où L/D est le facteur de forme de la manche d'entrée d'air (30).

Description

DOMAINE DE L’INVENTION L’invention concerne le domaine des moteurs pour aéronef, et plus particulièrement la réduction du bruit des soufflantes des turboréacteurs présentant un taux de dilution élevé.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE

Comme visible sur la figure 3 annexée, un turboréacteur 1 à double flux comprend généralement, d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz, une soufflante 2 logée dans un carter de soufflante. La soufflante 2 comporte un disque 20 de soufflante (ou rotor) pourvu d'aubes 22 à sa périphérie qui, lorsqu'elles sont mises en rotation, entraînent un flux d’air dans le turboréacteur 1. La masse d’air aspirée par la soufflante 2 est divisée en un flux primaire, qui circule dans un espace d’écoulement primaire, et en un flux secondaire, qui est concentrique avec le flux primaire et circule dans un espace d’écoulement secondaire. L’espace d’écoulement primaire traverse un corps primaire comprenant un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression 4 et un compresseur haute pression 3, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression 5 et une turbine basse pression 6, et une tuyère 7 d’échappement des gaz.

Typiquement, la turbine haute pression 5 entraîne en rotation le compresseur haute pression 3 par l’intermédiaire d’un premier arbre, dit arbre haute pression, tandis que la turbine basse pression 6 entraîne en rotation le compresseur basse pression 4 et la soufflante 2 par l’intermédiaire d’un deuxième arbre, dit arbre basse pression. L’arbre basse pression est généralement logé dans l’arbre haute pression, lesdits arbres étant fixés aux parties structurales (dont le carter d’entrée, qui comprend une roue d’aubes fixes qui soutient le carter de soufflante) du turboréacteur 1 par l’intermédiaire de paliers, typiquement en aval du bec de séparation 8 configuré pour séparer le flux primaire et le flux secondaire.

Afin d’améliorer le rendement propulsif du turboréacteur 1, de réduire sa consommation spécifique ainsi que le bruit émis par la soufflante 2, le turboréacteur 1 présente un taux de dilution « bypass ratio » en anglais, qui correspond au rapport entre le débit du flux secondaire (froid) et le débit du flux primaire (chaud), qui traverse le corps primaire élevé. Par taux de dilution élevé, on comprendra ici un taux de dilution supérieur à 10, par exemple compris entre 12 et 18. A cet effet, la soufflante 2 est découplée de la turbine basse pression 6, permettant ainsi d’optimiser indépendamment leur vitesse de rotation respective. Par exemple, le découplage peut être réalisé à l’aide d’un réducteur 10, tel qu’un mécanisme de réduction épicycloïdal (« star gear réduction mecanism » en anglais) ou planétaire (« planetary gear réduction mecanism » en anglais), placé entre l’extrémité amont (par rapport au sens d’écoulement des gaz dans le turboréacteur 1) de l’arbre basse pression et la soufflante 2. La soufflante 2 est alors entraînée par l’arbre basse pression par l’intermédiaire du mécanisme de réduction 10 et d’un arbre supplémentaire, dit arbre de soufflante, qui est fixé entre le mécanisme de réduction 10 et le disque 20 de la soufflante 2.

Ce découplage permet ainsi de réduire la vitesse de rotation et le rapport de pression de la soufflante 2 (« fan pressure ratio » en anglais) et d’augmenter la puissance extraite par la turbine basse pression 6.

Le taux de dilution élevé du turboréacteur a également pour effet d’augmenter de manière importante le diamètre D de la soufflante 2, et donc de la nacelle qui loge ladite soufflante 2, ce qui a un effet négatif à la fois sur la traînée du turboréacteur 1 et sur sa masse, et donc sa consommation spécifique.

RESUME DE L’INVENTION

Un objectif de l’invention est de proposer un turboréacteur présentant un taux de dilution élevé et donc un diamètre de soufflante important sans pour autant trop pénaliser sa traînée et sa consommation spécifique, ni poser de problèmes du point de vue acoustique.

Pour cela, l’invention propose un turboréacteur à double flux comprenant : - une soufflante comportant un rotor de soufflante comprenant un disque centré sur un axe de la soufflante comprenant un côté d’entrée, le disque étant pourvu d’aubes de soufflante à sa périphérie, lesdites aubes présentant un bord d’attaque, et - une manche d’entrée d’air s’étendant en amont de la soufflante et configurée pour délimiter un écoulement gazeux destiné à entrer dans la soufflante, ladite manche d’entrée d’air présentant une surface de captation, le turboréacteur étant caractérisé en ce qu’un rapport de section du turboréacteur est compris dans l’intervalle suivant :

où : S2 est la section de soufflante, définie comme une section de passage de l’écoulement prise au niveau d’une intersection entre le bord d’attaque des aubes de la soufflante et le cône d’entrée,

Scoi est la section de col, définie comme la section minimale de la manche d’entrée d’air entre la surface de captation et la soufflante D correspond au diamètre de la soufflante L correspond à une distance entre un point amont défini par une intersection de la surface de captation et l’axe de la soufflante et un point aval défini par l’intersection entre le bord d’attaque d’une des aubes de la soufflante et le cône d’entrée

est le facteur de forme de la manche d’entrée d’air, défini comme le rapport entre la longueur de la manche d’entrée d’air et le diamètre de la soufflante.

Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du turboréacteur décrit ci-dessus sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison : - le facteur de forme est compris entre 0.1 et 0.45, de préférence entre 0.2 et 0.37, - le turboréacteur présente un taux de dilution supérieur ou égal à 10, de préférence compris entre 12 et 18, - le diamètre de la soufflante est compris entre 203.2 centimètres et 279.4 centimètres, de préférence entre 203.2 centimètres et 228.6 centimètres, - une portion amont de la manche d’entrée d’air n’est pas symétrique, - une portion aval de la manche d’entrée d’air est axisymétrique, un raccord entre la partie amont, non symétrique, de la manche d’entrée d’air et sa partie aval, axisymétrique, s’étendant à une distance comprise entre un et cinq centimètres d’un plan situé à l’intersection entre une paroi radialement interne de la manche d’entrée d’air et un point le plus en amont du bord d’attaque des aubes de soufflante, - le turboréacteur comprend en outre : un espace d’écoulement primaire et un espace d’écoulement secondaire concentriques, une turbine, logée dans l’espace d’écoulement primaire et en communication fluidique avec la soufflante , et un mécanisme de réduction, couplant la turbine et la soufflante, ledit mécanisme de réduction comprenant un mécanisme de réduction épicycloïdal ou planétaire présentant un rapport de réduction compris entre 2.5 et 5.

Selon un deuxième aspect, l’invention propose également un aéronef comprenant un tel turboréacteur.

Selon un troisième aspect, l’invention propose un procédé de dimensionnement d’une manche d’entrée d’air d’un turboréacteur comme décrit ci-dessus comprenant les étapes suivantes : - déterminer un diamètre de la soufflante, et - définir la manche d’entrée d’air de sorte qu’un rapport de section du turboréacteur est compris dans l’intervalle suivant :

Optionnellement, le procédé comprend en outre une étape au cours de laquelle le facteur de forme est défini de sorte que ledit rapport est compris entre 0.1 et 0.45, de préférence entre 0.2 et 0.37.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :

La figure 1 est une vue en coupe schématique d’un exemple de turboréacteur conforme à l’invention,

La figure 2 est un organigramme illustrant des étapes d’un exemple de procédé de dimensionnement d’un turboréacteur conforme à l’invention, et

La figure 3 est une vue en coupe schématique d’un exemple de turboréacteur conventionnel.

DESCRIPTION DETAILLEE D’UN MODE DE REALISATION

Dans ce qui suit, un turboréacteur 1 va à présent être décrit en référence à la figure 1 annexée.

Le turboréacteur 1 comprend, de manière conventionnelle, une soufflante 2 logée dans un carter de soufflante, un espace annulaire d’écoulement primaire et un espace annulaire d’écoulement secondaire. L’espace d’écoulement primaire traverse un corps primaire, qui peut être conventionnel. Un corps primaire conventionnel ayant été décrit plus haut en référence à la figure 3, il ne sera pas davantage détaillé ici.

La soufflante 2 comprend un rotor de soufflante comprenant un disque 20 de soufflante centré sur un axe de révolution X de la soufflante et pourvu d'aubes 22 de soufflante à sa périphérie qui, lorsqu'elles sont mises en rotation, entraînent le flux d’air dans les espaces d’écoulement primaire et secondaire du turboréacteur 1. Le disque 20 de soufflante est entraîné par l’arbre basse pression, qui est entraîné en rotation par la turbine basse pression 6. Le disque de soufflante comporte par ailleurs un cône d’entrée (« spinner » en anglais), qui forme la partie tournante la plus en amont de la turbomachine. De manière connue en soi, le cône d’entrée favorise, de par sa forme, l’aérodynamisme de la turbomachine.

Une aube 22 de soufflante comprend, de manière conventionnelle, un bord d’attaque 24 qui fait face au flux d’air F entrant dans la soufflante 2, un bord de fuite 26 opposé au bord d’attaque 24 et des parois d’intrados et d’extrados reliant le bord d’attaque 24 et le bord de fuite 26. L’aube 22 comprend également un pied connecté au disque de soufflante 20 et une tête s’étendant en regard du carter de soufflante. Le pied peut être rapporté et fixé sur le disque de soufflante 20 ou en variante être formé intégralement et en une seule pièce avec celui-ci.

Le turboréacteur 1 comprend en outre, en amont de la soufflante 2 (par rapport au sens d’écoulement des gaz dans le turboréacteur 1), une manche d’entrée d’air 30 configurée pour délimiter un écoulement gazeux destiné à entrer dans le turboréacteur 1. La manche d’entrée d’air 30 sépare le flux d’air incident sur le turboréacteur 1 entre un premier écoulement, qui entre dans le turboréacteur 1, et un deuxième écoulement, qui contourne ledit turboréacteur 1. Cette séparation du premier et du deuxième écoulement s’effectue au niveau d’une extrémité amont de la manche d’entrée d’air 30 dont le contour définit une surface de captation 32 de ladite manche d’entrée d’air 30. Généralement, la surface de captation 32 d’une manche d’entrée d’air 30 forme un angle compris entre 4° et 6° avec un plan perpendiculaire à l’axe de la soufflante.

Dans une forme de réalisation, afin d’améliorer le rendement propulsif du turboréacteur 1, de réduire sa consommation spécifique ainsi que le bruit émis par la soufflante 2, le turboréacteur 1 peut présenter un taux de dilution élevé. Par taux de dilution élevé, on comprendra ici un taux de dilution supérieur à 10, par exemple compris entre 12 et 18. A cet effet, la soufflante 2 peut être découplée de la turbine basse pression 6, permettant ainsi d’optimiser indépendamment leur vitesse de rotation respective. Par exemple, le découplage peut être réalisé à l’aide d’un réducteur tel qu’un mécanisme de réduction 10 épicycloïdal placé entre l’extrémité amont de l’arbre basse pression et la soufflante 2. La soufflante 2 est alors entraînée par l’arbre basse pression par l’intermédiaire du mécanisme de réduction 10 et d’un arbre supplémentaire, dit arbre de soufflante 2a, qui est fixé entre le mécanisme de réduction 10 et le disque 20 de la soufflante 2.

En variante, le réducteur 10 peut comprendre un mécanisme de réduction planétaire.

Dans une forme de réalisation, le rapport de réduction du mécanisme de réduction 10 est de préférence compris entre 2.5 et 5.

Le diamètre D de la soufflante 2 peut être compris entre quatre-vingt pouces (203.2 centimètres) et cent-dix pouces (279,4 centimètres), de préférence entre quatre-vingt pouces (203.2 centimètres) et quatre-vingt-dix pouces (228.6 centimètres). Par diamètre D de la soufflante 2, on comprendra ici le double de la distance radiale entre l’axe X de révolution du turboréacteur 1 et la tête 22a des aubes 22 de soufflante.

Afin de réduire la traînée de ce turboréacteur 1 à taux de dilution élevé, il peut être envisagé de réduire la taille de la manche d’entrée d’air 30. Toutefois, la manche d’entrée d’air 30 a un rôle de diffuseur, c’est-à-dire qu’elle a pour fonction de canaliser, de guider et de ralentir l’écoulement incident avant son entrée dans la soufflante 2. De plus, il est nécessaire de limiter les écarts de vitesse dans une section donnée de l’écoulement pour ne pas créer de sources acoustiques au niveau de la soufflante.

Pour cela, le rapport de section

du turboréacteur 1 est compris dans l’intervalle suivant :

où : S2 est la section de soufflante, définie comme une section de passage de l’écoulement prise au niveau d’un point aval B défini comme une intersection entre le bord d’attaque 24 des aubes de la soufflante 2 et le cône d’entrée. Cette section de soufflante S2 est donc également une surface perpendiculaire à l’axe X de la soufflante 2. La section de soufflante S2 est par ailleurs délimitée par la paroi radialement interne 34 de la manche d’entrée d’air 30.

Scoi est la section de col, définie comme la section minimale de la manche d’entrée d’air 30 entre la surface de captation 32 et la soufflante 2 D est le diamètre de la soufflante 2 L la longueur de la manche d’entrée d’air, qui est définie comme une distance entre un point amont A défini par une intersection de la surface de captation 32 et l’axe X de la soufflante et le point aval B.

est le facteur de forme de la manche d’entrée d’air, défini comme le rapport entre la longueur L de la manche d’entrée d’air 30 et le diamètre D de la soufflante 2.

Le facteur de forme L/D peut être compris entre 0.1 et 0.45, de préférence entre 0.2 et 0.37. Avec un tel facteur de forme et un rapport de section

compris dans l’intervalle

l’acoustique du turboréacteur 1 n’est alors pas pénalisée.

La Demanderesse s’est en effet aperçue qu’une telle configuration de la manche d’entrée d’air 30 permettait à la fois de réduire la traînée de la nacelle et ainsi de compenser l’augmentation du diamètre D de la soufflante 2 résultant du taux de dilution élevé du turboréacteur 1, tout en limitant les écarts de vitesse dans une section de la manche d’entrée d’air et donc les problèmes acoustiques associés.

Par exemple une manche d’entrée d’air présentant un facteur de forme égal à 0.32 et un rapport de section

égal à 1.08 permet à cette manche d’entrée d’air 30 de jouer correctement son rôle de diffuseur tout en se prémunissant de problèmes acoustiques inhérents à la différence de vitesse azimutale.

Selon une forme de réalisation, la partie amont de la manche d’entrée d’air 30 n’est pas symétrique par rapport à l’axe de la soufflante 2. Plus précisément, la paroi radialement interne 34 de la manche d’entrée d’air 30 est plus proche de l’axe X de la soufflante 2 à 12h (c’est-à-dire en haut du turboréacteur 1, le bas et le haut étant définis par rapport à la position occupée en vol normal par le turboréacteur 1 ) qu’à 6h (c’est-à-dire en bas du turboréacteur 1). De même, la paroi radialement externe 36 de la manche d’entrée d’air 30 est plus proche de l’axe X de la soufflante 2 à 12h qu’à 6h. De la sorte, il est possible de réduire l’encombrement global de la manche d’entrée d’air 30 en réduisant son maître-couple (diamètre externe de la manche d’entrée d’air 30), sans pour autant diminuer son épaisseur et donc sa résistance aux impacts et aux turbulences de l’écoulement.

On notera que, dans ce cas, bien que la manche d’entrée d’air 34 ne soit pas symétrique dans sa zone amont, au niveau de la surface de captation 32 et de la section de col Scoi, la partie aval de la manche d’entrée d’air 30

peut être globalement axisymétrique par rapport à l’axe X de la soufflante 2, typiquement, au niveau de la section de soufflante S2). Par exemple, le raccord entre la partie amont, non symétrique, de la manche d’entrée d’air 30 et sa partie aval, symétrique, peut alors s’étendre à une distance comprise entre un et cinq centimètres du plan situé à l’intersection entre la paroi radialement interne 34 de la manche d’entrée d’air 30 et le point le plus en amont du bord d’attaque 24 des aubes de soufflante 2, typiquement à environ 3.8 centimètre dudit plan. L’invention propose également un procédé de dimensionnement d’un turboréacteur comme décrit ci-dessous.

Pour cela, au cours d’une première étape S1, le diamètre D de la soufflante 2 est déterminé.

Au cours d’une deuxième étape S2, la manche d’entrée d’air 30 peut alors être définie. Pour cela, la section de col Scoi de la manche d’entrée d’air 30 est déterminée de sorte que le rapport de section

est compris dans l’intervalle

Comme indiqué précédemment, une telle configuration permet d’assurer, pour une manche d’entrée d’air 30 donnée, une distorsion acceptable sur la section de soufflante S2 et d’éviter ainsi les pénalités acoustiques.

Au cours d’une troisième étape S3, optionnelle, la longueur L de la manche d’entrée d’air 30 est déterminée de sorte que le facteur de forme L/D correspondant au rapport entre sa longueur L et le diamètre D de la soufflante 2 est compris 0.1 et 0.45, et de préférence entre 0.2 et 0.37.

On notera que plus le facteur de forme L/D est proche de 0.1, plus la manche d’entrée d’air 30 est courte et plus la masse du turboréacteur 1 est réduite. Toutefois, la soufflante 2 du turboréacteur 1 est alors un peu plus bruyante que lorsque le facteur de forme L/D est plus proche de 0.45.

Toutefois, dans ce cas, la manche d’entrée d’air 30 est plus longue et le turboréacteur 1 est alors plus lourd.

Claims

REVENDICATIONS

1. Turboréacteur (1) à double flux comprenant : - une soufflante (2) comportant un rotor de soufflante comprenant un disque (20) centré sur un axe de la soufflante comprenant un côté d’entrée, le disque étant pourvu d’aubes (22) de soufflante à sa périphérie, lesdites aubes (22) présentant un bord d’attaque, et - une manche d’entrée d’air (30) s’étendant en amont de la soufflante (2) et configurée pour délimiter un écoulement gazeux destiné à entrer dans la soufflante (2), ladite manche d’entrée d’air (30) présentant une surface de captation (32), , le turboréacteur étant caractérisé en ce qu’un rapport de section

du turboréacteur est compris dans l’intervalle suivant :

où : S2 est la section de soufflante, définie comme une section de passage de l’écoulement prise au niveau d’une intersection (B) entre le bord d’attaque (24) des aubes de la soufflante (2) et le cône d’entrée, Scoi est la section de col, définie comme la section minimale de la manche d’entrée d’air (30) entre la surface de captation (32) et la soufflante (2) D correspond au diamètre de la soufflante (2) L est la longueur de la manche d’entrée d’air (30) qui est définie comme une distance entre un point amont (A) défini par une intersection de la surface de captation (32) et l’axe (X) de la soufflante et un point aval (B) défini par l’intersection entre le bord d’attaque (24) d’une des aubes (22) de la soufflante et le cône d’entrée

est le facteur de forme de la manche d’entrée d’air, défini comme le rapport entre la longueur (L) de la manche d’entrée d’air (30) et le diamètre (D) de la soufflante (2).
2 Turboréacteur (1) selon la revendication 1, dans lequel le facteur de forme (L/D) est compris entre 0.1 et 0.45, de préférence entre 0.2 et 0.37.
3. Turboréacteur (1) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le turboréacteur présente un taux de dilution supérieur ou égal à 10, de préférence compris entre 12 et 18.
4. Turboréacteur (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le diamètre (D) de la soufflante (2) est compris entre 203.2 centimètres et 279.4 centimètres, de préférence entre 203.2 centimètres et 228.6 centimètres.
5. Turboréacteur (1) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel une portion amont de la manche d’entrée d’air (30) n’est pas symétrique.
6. Turboréacteur selon la revendication 5, dans lequel une portion aval de la manche d’entrée d’air (30) est axisymétrique, un raccord entre la partie amont, non symétrique, de la manche d’entrée d’air (30) et sa partie aval, axisymétrique, s’étendant à une distance comprise entre un et cinq centimètres d’un plan situé à l’intersection entre une paroi radialement interne (34) de la manche d’entrée d’air (30) et un point le plus en amont du bord d’attaque (24) des aubes de soufflante (2).
7. Turboréacteur (1) selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant en outre : - un espace d’écoulement primaire et un espace d’écoulement secondaire concentriques, - une turbine (6), logée dans l’espace d’écoulement primaire et en communication fluidique avec la soufflante (2), et - un mécanisme de réduction (10), couplant la turbine (6) et la soufflante (2), ledit mécanisme de réduction (10) comprenant un mécanisme de réduction épicycloïdal ou planétaire présentant un rapport de réduction compris entre 2.5 et 5.
8. Aéronef comprenant un turboréacteur (1) selon l’une des revendications 1 à 7.
9. Procédé de dimensionnement (S) d’une manche d’entrée d’air (30) d’un turboréacteur (1) selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant les étapes suivantes : - déterminer (S1) un diamètre (D) de la soufflante (2), - définir (S2) la manche d’entrée d’air (30) de sorte qu’un rapport de section

du turboréacteur est compris dans l’intervalle suivant :

où : S2 est la section de soufflante, définie comme une section de passage de l’écoulement prise au niveau de l’intersection entre le bord d’attaque (24) des aubes de la soufflante (2) et le pied des aubes de soufflante (2), Scoi est la section de col, définie comme la section minimale de la manche d’entrée d’air (30) entre la surface de captation (32) et la soufflante (2) D correspond au diamètre de la soufflante (2) L est la longueur de la manche d’entrée d’air (30) qui est définie comme une distance entre un point amont (A) défini par une intersection de la surface de captation (32) et l’axe (X) de la soufflante et un point aval (B) défini par une intersection entre le bord d’attaque (24) d’une des aubes (22) de la soufflante et le cône d’entrée

est le facteur de forme de la manche d’entrée d’air, défini comme le rapport entre la longueur (L) de la manche d’entrée d’air (30) et le diamètre (D) de la soufflante (2).
10. Procédé de dimensionnement (S) selon la revendication 9, comprenant en outre une étape (S3) au cours de laquelle le facteur de forme

(L/D) est défini de sorte que ledit rapport est compris entre 0.1 et 0.45, de préférence entre 0.2 et 0.37.