FR3082230A1 - Moteur d'aeronef a rotor non carene avec adaptation des aubes de stator - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un moteur d'aéronef, comportant au moins une hélice (1) de rotor non carénée et une rangée annulaire d'aubes (4) de stator configurées pour redresser au moins une partie d'un flux de gaz traversant ladite hélice (1), chaque aube (4) de stator comportant un profil aérodynamique avec un bord d'attaque (5) et un bord de fuite (6), caractérisé en ce que chaque aube (4) de stator comprend un corps (10) fixe comportant ledit bord de fuite (6), et une tête (11) mobile comportant ledit bord d'attaque (5), ladite tête (11) étant mobile autour d'un axe (9) s'étendant le long dudit bord d'attaque (5)

Description

MOTEUR D’AERONEF A ROTOR NON CARENE AVEC ADAPTATION DES AUBES DE STATOR

Domaine technique :

La présente invention se rapporte aux moteurs d’aéronefs comportant une hélice de rotor non carénée et un stator configuré pour redresser le flux de gaz traversant l’hélice. Elle concerne plus particulièrement la conception des aubes du stator pour améliorer leur interaction avec l’écoulement entraîné par l’hélice.

Etat de l’art :

Une solution technique connue pour réduire la consommation spécifique des moteurs d’aéronefs consiste à augmenter le taux de dilution entre le flux primaire et le flux secondaire avec une hélice de rotor en amont ayant un diamètre le plus grand possible. En poussant l’écoulement qui la traverse, l’hélice de rotor entraîne ledit écoulement en giration autour de son axe de rotation. L’énergie correspondant à cette mise en giration est perdue. En général, une rangée annulaire de stator est placée dans le flux secondaire pour le redresser après le passage dans l’hélice de rotor et obtenir ainsi un supplément de traction.

En particulier, dans une architecture avec une seule hélice de rotor non carénée doublée d’une rangée annulaire d’aubes de redresseurs, dite USF (pour Unducted Single Fan), la suppression de la nacelle permet d’augmenter le diamètre de l’hélice de rotor par rapport à un turboréacteur double flux avec nacelle.

Cependant, l’absence de nacelle rend plus compliquée la maîtrise des émissions sonores, en particulier le bruit généré par l’interaction entre les aubes de stator et l’écoulement entraîné par l’hélice de rotor. En effet, la conception des aubes doit permettre le meilleur rendement possible sur une large plage de fonctionnement du moteur. Les aubes sont dessinées pour un fonctionnement optimal dans des conditions de croisière, ce qui entraîne un fonctionnement dégradé sur les points de vol en basse vitesse. Or, ces points de fonctionnement du moteur, notamment au décollage, correspondent aux conditions pour lesquelles le moteur doit répondre à des normes acoustiques contraignantes, alors que l’écoulement dégradé entraîne des fluctuations de pression plus importantes sur les aubes , donc une augmentation du bruit.

Une solution connue pour améliorer la robustesse du comportement des aubes de stator aux différents régimes de fonctionnement du moteur consiste à augmenter l’épaisseur des bords d’attaques. Elle diminue la sensibilité du profil des aubes de stator aux variations d’incidence suivant les régimes, par contre elle augmente le poids global du moteur et diminue les performances aérodynamiques, notamment en vol de croisière.

Une autre solution connue consiste à réaliser des aubes de stator à calage variable. Cette solution améliore les performances aérodynamiques à différents régimes du moteur. Par contre, la réalisation d’un système de calage variable des aubes est complexe et augmente aussi le poids de l’ensemble car il faut installer des systèmes de contre poids.

L’invention a pour but de proposer une solution pour améliorer l’acoustique du moteur tout en optimisant les performances du moteur aux différents régimes de fonctionnement et en palliant aux inconvénients des solutions existantes, notamment en terme de masse.

Présentation de l’invention:

L’invention concerne un moteur d’aéronef, comportant au moins une hélice de rotor non carénée et une rangée annulaire d’aubes de stator configurées pour redresser au moins une partie d’un flux de gaz traversant ladite hélice, chaque aube de stator comportant un profil aérodynamique avec un bord d’attaque et un bord de fuite, caractérisé en ce que chaque aube de stator comprend un corps fixe comportant ledit bord de fuite, et une tête mobile comportant ledit bord d’attaque, ladite tête étant mobile autour d’un axe s’étendant le long dudit bord d’attaque.

La tête mobile de chaque aube comprenant le bord d’attaque s’étend donc sensiblement sur toute l’envergure de l’aube. Son mouvement autour d’un axe suivant le bord d’attaque permet d’adapter l’angle que fait le bord d’attaque avec l’écoulement incident, dont la direction est différente entre le vol de croisière et la phase de décollage pour l’aéronef. Cette solution a un meilleur rendement aérodynamique qu’un simple épaississement du bord d’attaque tout en restant moins coûteuse et complexe qu’un système d’aube à calage variable. En effet, la mise en mouvement n’implique que la partie amont de l’aube, ce qui permet de garder la conception générale d’un stator à aubes fixes pour ledit corps fixe de chaque aube et d’utiliser ledit corps fixe comme support de l’axe autour duquel tourne la partie mobile. Notamment, le corps fixe de chaque aube peut ainsi être attaché au moteur selon des solutions connues pour des stators avec des aubes fixes. De plus, les efforts pour faire tourner la partie mobile sont moins importants que ceux impliquant le mouvement d’ensemble d’une aube à calage variable. Cela permet de concevoir un système d’actionnement plus simple que pour des aubes à calage variable.

De préférence, ledit corps fixe de chaque aube de stator forme au moins 70% d’une corde de l’aube. Encore plus préférentiellement, il forme au moins 80% de cette corde.

Cette répartition permet de conserver au corps fixe la fonction de supporter la majeure partie des efforts aérodynamiques s’exerçant sur l’aube tout en adaptant son incidence à l’écoulement. Avantageusement, en maintenant au moins 10% de corde pour la partie mobile, on peut adapter l’incidence locale du profil de l’aube aux variations de direction tangentielle de l’écoulement arrivant sur le stator pour les différentes conditions de vol de l’aéronef.

Avantageusement, ladite tête de chaque aube de stator est reliée au corps fixe de cette aube par des parois souples.

Les parois souples permettent de répartir la variation de courbure localement sur le profil de l’aube, sans cassure de pente, pour les diverses positions de la tête mobile autour de l’axe de rotation.

Avantageusement, les têtes des aubes de stator sont reliées à un anneau de commande qui est situé radialement à l’intérieur de ladite rangée annulaire et qui est apte à se déplacer en rotation autour d’un axe longitudinal du moteur en vue de l’entraînement simultané en rotation des têtes des aubes.

De préférence, ladite tête de chaque aube est reliée audit anneau de commande par un pivot dont l’axe est sensiblement parallèle à l’axe de rotation de cette tête.

Selon des modes préférentiels de réalisation de l’invention, ledit anneau de commande est relié à des moyens d’entraînement en rotation qui comportent au moins un actionneur linéaire ou au moins un pignon.

Dans un premier desdits modes de réalisation, ledit au moins un actionneur linéaire est orienté sensiblement parallèlement à un axe longitudinal du moteur et comprend une tige de piston reliée par des bielles audit anneau de commande.

Dans un second desdits modes de réalisation, ledit au moins un actionneur linéaire est incliné par rapport à un axe longitudinal du moteur et est articulé par une liaison rotulante audit anneau de commande.

Dans un troisième desdits modes de réalisation, ledit anneau de commande comprend une denture radialement interne et coopère avec au moins un pignon d’entraînement en rotation.

Dans un tel moteur d’aéronef, les aubes de ladite rangée annulaire peuvent présenter chacune une flèche arrière ou inversée, ou ont une orientation sensiblement radiale par rapport à un axe longitudinal du moteur.

Brève description des figures :

La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 représente schématiquement en perspective un moteur d’aéronef concerné par l’invention.

Les figures 2a, 2b et 2c représentent schématiquement en demi coupe axiale, trois configurations d’aubes de stator selon l’invention derrière une hélice non carénée, respectivement avec une flèche arrière, une flèche avant ou sans flèche.

La figure 3 représente schématiquement une coupe tangentielle du pied d’une aube de stator avec sa liaison à un anneau de commande dans un dispositif selon l’invention, deux positions du bord d’attaque mobile étant représentées.

La figure 4 montre schématiquement selon une projection dans un plan axial, deux positions d’un anneau de commande dans un premier mode de réalisation avec un actionneur axial, pour un dispositif selon l’invention.

La figure 5 représente schématiquement une vue de face d’un deuxième mode de réalisation pour actionner en rotation l’anneau de commande dans un dispositif selon l’invention.

La figure 6 représente schématiquement une vue de face d’un troisième mode de réalisation pour actionner en rotation l’anneau de commande dans un dispositif selon l’invention.

Description d’un mode de réalisation de l’invention :

Sur l’exemple de moteur d’aéronef présenté en figure 1, une hélice 1 de rotor non carénée tournant autour de l’axe du moteur X est montée à l’avant d’un compartiment de puissance de type turbomachine dont seul le carter externe 2 est visible. Ici, une entrée d’air annulaire entre le carter externe 2 du compartiment de puissance et le capot enveloppant le moyeu de l’hélice 1 alimente le circuit d’air primaire. Une rangée annulaire 3 d’aube de stator, disposée sur l’avant du carter extérieur 2 du compartiment de puissance, est configurée pour apporter un supplément de traction en redressant le flux entraîné par l’hélice 1 qui n’entre pas dans le circuit d’air primaire.

En référence aux figures 2a, 2b et 2c, chaque aube 4 de la rangée annulaire 3 du stator comprend typiquement un bord d’attaque 5 et un bord de fuite 6, lesdits bords, 5 et 6, s’étendant radialement vers l’extérieur à partir du carter externe 2 du moteur.

Le bord d’attaque 5 et le bord de fuite 6 des aubes 4 du stator 3 s’arrêtent généralement sensiblement à la même dimension radiale maximale R1, inférieure à celle des aubes de l’hélice amont 1. Un bord terminal 7, limitant radialement les aubes 4, relie les extrémités radialement externes du bord d’attaque 5 et du bord de fuite 6.

Les aubes 4 peuvent avoir une flèche arrière, avec des profils radiaux du bord d’attaque 5 et du bord de fuite 6 incurvés vers l’arrière, comme sur la figure 2a, ou une flèche avant, voire nulle, avec des profils incurvés vers l’avant, comme sur les figures 2b et 2c. L’angle de la flèche avec la direction radiale Y peut être plus ou moins important, voire nul.

Une forme d’aube 4 selon l’état de l’art, optimisée principalement pour le rendement global du turbopropulseur, peut être définie par un empilement de profils entre le pied 8 de l’aube, au contact avec le carter externe 2, et le bord terminal 7. La corde d’un profil étant la droite reliant le bord d’attaque 5 au bord de fuite 6, la longueur de corde du profil à l’extrémité radiale des aubes 4 ainsi définies est généralement non nulle, correspondant à une aube à tête tronquée. L’incidence de l’écoulement étant définie par l’angle que fait l’écoulement avec la corde. Le profil aérodynamique de chaque aube comporte une face intrados orientée du côté de l’écoulement, et une face extrados opposée.

Conformément à l’invention, un axe intermédiaire 9 s’étend radialement du pied 8 de chaque aube 4 jusqu’au bord terminal 7, en restant à l’intérieur du profil de l’aube. Cet axe intermédiaire 9 est placé près du bord d’attaque 5 et s’étend le long de ce dernier. Avantageusement la distance entre l’axe intermédiaire 9 et le bord d’attaque 5 au niveau du pied 8 de l’aube vaut entre 10% et 60% de la longueur de corde. Idéalement, cette distance est inférieure à 30%, voire 20%. Comme indiqué sur les figures 2a et 2b, selon la forme de l’aube, l’axe intermédiaire 9 peut être incliné par rapport à la direction radiale Y en suivant sensiblement la flèche de l’aube, vers l’avant ou vers l’arrière, pour faire en sorte de rester plus proche du bord d’attaque 5 que du bord de fuite 6 sur toute l’envergure de l’aube 4. L’axe intermédiaire 9 peut être radial, comme sur la figure 2c, lorsque la flèche de l’aube 4 est sensiblement nulle.

L’axe intermédiaire 9 forme un pivot entre une partie fixe 10 de l’aube 4, s’étendant en aval dudit axe 9 jusqu’au bord de fuite 7 et une partie mobile 11 de l’aube en amont, s’étendant du bord d’attaque 5 jusqu’à l’axe pivot 9.

Compte tenu de la position de l’axe pivot 9, la partie fixe aval 10, également appelée ici corps fixe 10, forme au moins 70% de l’aube 4 pour la superficie de ses faces intrados et extrados.

La partie mobile amont 11, aussi appelée ici tête 11, est rigide et tourne autour de l’axe pivot 9. La partie mobile amont 11 est destinée à adapter l’angle que fait le bord d’attaque 5 avec l’écoulement incident, dont la direction est différente entre le vol de croisière et la phase de décollage pour l’aéronef. En effet, si on appelle dérapage, l’angle que fait l’écoulement par rapport à la direction axiale dans un plan cylindrique autour de l’axe moteur X, cet angle de dérapage au niveau de la rangée annulaire 3 du stator est plus important en phase de décollage qu’en vol de croisière. L’incidence d’un profil de l’aube 4 par rapport à l’écoulement incident étant l’angle que fait l’écoulement par rapport à la corde du profil dans ledit plan cylindrique, la variation d’incidence à corriger entre le décollage et le vol de croisière est généralement de l’ordre de 10°. En faisant pivoter la partie mobile amont 11 autour de l’axe pivot 9 d’une dizaine de degrés, on peut ainsi adapter l’incidence sur le bord d’attaque 5. La figure 3 illustre la rotation de la partie mobile 11 autour de l’axe pivot en la montrant dans une position 11’ différente.

Par contre, si le bord d’attaque 5 tourne par rapport à la corde du profil, il est utile de répartir la variation de courbure sur une portion de la corde, sans faire de cassure de pente sur le profil. C’est pourquoi, l’axe pivot 9 est avantageusement au moins à 10% en longueur de corde du bord d’attaque 5, sur la majorité de l’envergure de l’aube 4.

De plus, comme indiqué sur la figure 3, des parois, respectivement 12 et 13, en matériau souple effectuent un raccord lisse, sans rupture de pente, entre la partie mobile 11 et la partie fixe 10 de l’aube 4, pour les faces intrados et extrados. La figure 3 montre les déformations des parois souples, 12’ et 13’, pour une rotation de la partie mobile amont 11’.

Le dispositif de mise en rotation de la partie mobile de chaque aube comporte, en référence aux figures 2a, 2b, 2c, un anneau de commande 14 qui affleure du carter externe 2 sous l’extrémité du bord d’attaque 5 au niveau du pied 8 de l’aube 4, à l’avant de la partie mobile 11 par rapport à l’axe pivot 9. Cet anneau de commande 14 est mobile en rotation autour de l’axe moteur X.

Comme indiqué sur la figure 3, une liaison pivot 15 relie, au niveau du pied 8 de l’aube, la partie mobile 11 de l’aube et l’anneau de commande 14 près du bord d’attaque 5. En tournant autour de l’axe moteur X, l’anneau de commande 14 entraîne donc la partie mobile amont 11 dans une rotation autour de l’axe pivot 9, qui peut être au moins de 10°. Cela permet donc de modifier l’incidence du bord d’attaque 5 de l’aube 4 sur toute son envergure par rapport à un écoulement donné.

On notera sur la figure 3 que l’anneau de commande 14 est conçu pour pouvoir se déplacer légèrement dans la direction axiale X en fonction de son mouvement de rotation, afin de tenir compte de la distance fixe existant sur la partie mobile 11 entre l’axe pivot 9 avec la partie fixe aval 10 et la liaison pivot 15 avec l’anneau 14. La figure 3 montre aussi la partie mobile dans une position 11’ où son angle avec l’axe moteur X est plus fort. La position de l’anneau 14’ et de sa liaison pivot 15’ avec la partie mobile montre qu’il s’est légèrement déplacé vers l’aval en tournant.

L’installation de la liaison pivot 15 avec l’anneau de commande 14 dans la partie mobile amont 11 peut entraîner une augmentation d’épaisseur au niveau du bord d’attaque 5 par rapport à une conception originale d’une aube d’un seul tenant. Par contre, il est connu que l’on peut tirer profit de cette augmentation d’épaisseur pour augmenter la robustesse du comportement du profil vis-à-vis de l’incidence et ainsi réduire le bruit d’interaction avec le sillage de l’hélice amont 1.

En référence à la figure 4, un premier exemple de système d’entraînement en rotation de l’anneau de commande 14 comporte un ou plusieurs vérins 16 dont la tige 17 bouge en translation suivant la direction axiale X. Ici, une barre transversale 18 est fixée à la tige 17 du vérin 16, puis une liaison pivot 19 relie chaque extrémité de la barre transversale 18 à une première extrémité d’une biellette 20 en forme d’équerre, la seconde extrémité de ladite biellette 20 étant elle-même reliée par une liaison pivot 21 à l’anneau de commande 14. Pour sa part, l’anneau de commande 14 est contraint, par des moyens non représentés, de rester autour d’une position axiale donnée, les déplacements axiaux nécessaires pour suivre les pivots 15 sur les bords d’attaque 5 des aubes 4 étant très faibles. Sur la gauche de la figure 4, la tige 17 du vérin 16 est sortie et les liaisons 21 des biellettes 20 sur l’anneau 14 sont dans une position donnée en azimut, la branche correspondante de l’équerre sur les biellettes 20 étant parallèle à l’anneau de commande 14. Sur la partie droite de la figure, la tige 17 du vérin 16 est rentrée, éloignant la barre transversale 18 de l’anneau 14. Compte tenu de leur géométrie en équerre, les biellettes 20 tournent et déplacent vers le haut leur liaison 21 avec l’anneau 14 pour s’adapter à la distance qui sépare l’anneau 14 et la barre transversale 18. Elles font ainsi tourner l’anneau de commande 14.

En référence à la figure 5, un deuxième exemple de système d’entraînement de l’anneau de commande 14 comporte des vérins 22, ici au nombre de trois équidistants, disposés dans un plan sensiblement orthogonal à l’axe moteur X, au niveau de l’anneau 14. La tige 23 de chaque vérin 22 est reliée à l’anneau 14 par une liaison rotulante 24. L’extrémité opposée de chaque vérin 22 est elle-même reliée à une partie structurale du moteur par une liaison rotulante 25, de manière à ce que, pour une position moyenne, la tige 23 du vérin 22 fasse un angle faible avec la direction tangente à l’anneau de commande 14 au niveau de leur liaison 24. De la sorte, lorsque le vérin 22 pousse ou tire la tige 23, il fait tourner l’anneau de commande 14. La liaison rotulante 25 avec la structure du moteur permet au vérin 22 de s’adapter à la nouvelle position de l’anneau 14, à la fois en rotation et en déplacement axial.

En référence à la figure 6, un troisième exemple de système d’entraînement de l’anneau de commande 14 comporte un ou plusieurs pignons dentés 26 qui s’engrènent dans une couronne dentée 27 interne dudit anneau de commande 14. Lesdits pignons 26 sont entraînés par un moteur non représenté. En tournant les pignons 26 font tourner l’anneau de commande 14. Le profil des engrenages entre les pignons dentés 26 et l’anneau de commande 14 est de préférence constant dans la direction axiale, de 10 manière à permettre des petits déplacements axiaux de l’anneau de commande 14.

L’invention a été présentée pour une turbomachine avec une hélice non carénée en mode traction mais son application n’est pas limitée à ce cas. On peut, par exemple, l’appliquer au cas de turbopropulseurs, ou encore au cas où l’hélice est placée en aval du compartiment de puissance et la rangée annulaire d’aubes de stator est placée en 15 amont de ladite hélice.

Claims (9)

1. Revendications

   1. Moteur d’aéronef, comportant au moins une hélice (1) de rotor non carénée et une rangée annulaire (3) d’aubes (4) de stator configurées pour redresser au moins une partie d’un flux de gaz traversant ladite hélice (1), chaque aube (4) de stator comportant un profil aérodynamique avec un bord d’attaque (5) et un bord de fuite (6), caractérisé en ce que chaque aube (4) de stator comprend un corps (10) fixe comportant ledit bord de fuite (6), et une tête (11) mobile comportant ledit bord d’attaque (5), ladite tête (11) étant mobile autour d’un axe (9) s’étendant le long dudit bord d’attaque (5).
2. 2. Moteur d’aéronef selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps fixe (10) de chaque aube (4) de stator forme au moins 70% d’une corde de l’aube, et de préférence au moins 80% de cette corde.
3. 3. Moteur d’aéronef selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite tête (11) de chaque aube de stator est reliée au corps fixe (10) de cette aube par des parois souples (12, 13).
4. 4. Moteur d’aéronef selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les têtes (11) des aubes de stator sont reliées à un anneau de commande (14) qui est situé radialement à l’intérieur de ladite rangée annulaire (3) et qui est apte à se déplacer en rotation autour d’un axe longitudinal (X) du moteur en vue de l’entraînement simultané en rotation des têtes (11) des aubes (4).
5. 5. Moteur d’aéronef selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite tête (11) de chaque aube (4) est reliée audit anneau de commande (14) par un pivot (15) dont l’axe est sensiblement parallèle à l’axe de rotation (9) de cette tête (11).
6. 6. Moteur d’aéronef selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit anneau de commande (14) est relié à des moyens d’entraînement en rotation qui comportent au moins un actionneur linéaire (16) ou au moins un pignon (26).
7. 7. Moteur d’aéronef selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit au moins un actionneur linéaire (16) est orienté sensiblement parallèlement à un axe longitudinal (X) du moteur et comprend une tige de piston reliée par des bielles (20) audit anneau de commande (14).
8. 8. Moteur d’aéronef selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit au moins un actionneur linéaire (22) est incliné par rapport à un axe longitudinal (X) du moteur et est articulé par une liaison rotulante (24) audit anneau de commande (14).
9. 10 9. Moteur d’aéronef selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit anneau de commande (14) comprend une denture (27) radialement interne et coopère avec au moins un pignon (26) d’entraînement en rotation.

   10. Moteur d’aéronef selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce 15 que les aubes (4) de ladite rangée annulaire (3) présentent chacune une flèche arrière ou inversée, ou ont une orientation sensiblement radiale par rapport à un axe longitudinal (X) du moteur.