FR3107698A1 - Dispositif de propulsion d’aéronef combinant deux groupes propulseurs à rotor ouvert et un groupe propulseur BLI - Google Patents

Dispositif de propulsion d’aéronef combinant deux groupes propulseurs à rotor ouvert et un groupe propulseur BLI Download PDF

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Abstract

Dispositif de propulsion d’aéronef combinant deux groupes propulseurs à rotor ouvert (4) de type USF à soufflante tractrice reliés chacun à une partie arrière de fuselage (2) par un mat caréné (6), et un groupe propulseur BLI (5) de type UHBR BLI implanté en queue de fuselage dans lequel une soufflante BLI (18) du groupe propulseur BLI (5) est entrainée en rotation par les rotors (13) des groupes propulseurs à rotor ouvert (4) via une transmission mécanique à arbre de transmission et renvois mécaniques. Le groupe propulseur BLI assure 15% à 35%, par exemple 20%, de la poussée totale de l’aéronef. La combinaison d’un propulseur BLI (5) avec deux groupes propulseurs à rotor ouvert (4) dans cette configuration permet d’augmenter le rendement propulsif de l’aéronef. Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

Dispositif de propulsion d’aéronef combinant deux groupes propulseurs à rotor ouvert et un groupe propulseur BLI
La présente invention concerne un aéronef équipé de propulseurs à rotor ouvert.
Elle concerne en particulier, mais pas exclusivement, un dispositif de propulsion implanté à l’arrière d’un fuselage d’aéronef et comprenant au moins un groupe propulseur à rotor ouvert.
L’invention s’applique en particulier à la propulsion d’aéronefs destinés à respecter les normes restrictives en matière d’émission de CO2et de NOXdéfinies par l’ACARE (ACARE est l’acronyme de l’appellation anglaise «Advisory Council for Aeronautics Research in Europe») pour l’aviation commerciale.
Actuellement, les aéronefs propulsés par des groupes propulseurs à rotor ouvert présentent des rendements propulsifs supérieurs aux aéronefs propulsés par des propulseurs UHBR (UHBR est l’acronyme de l’appellation anglaise «Ultra High Bypass rate») ou même des propulseurs UHBR BLI (BLI est l’acronyme de l’appellation anglaise «Boundary Layer Ingestion»).
Il existe différentes architectures de groupe propulseur à rotor ouvert, tels que les groupes propulseurs à hélice simple, les groupes propulseurs à soufflante non-carénée (USF est l’acronyme de l’appellation anglaise «Unducted Single Fan»), et les groupes propulseurs à hélices contrarotatives (CROR pour Contra-Rotating Open Rotors). Pour générer la poussée de l’aéronef les soufflantes de ces groupes propulseurs peuvent être du type propulsives (le moteur est placé devant l’hélice qu’il actionne), ou tractrice (le moteur est placé derrière l’hélice qu’il actionne).
Ainsi, dans la suite, lorsqu’il sera question d’un groupe propulseur à rotor ouvert, il faudra comprendre un groupe propulseur selon l’une quelconque des configurations indiquées ci-dessus. Dans la description ci-après, on entend par direction longitudinale et transversale des axes respectivement parallèles ou perpendiculaires à l’axe principal du fuselage. Il en va de même pour l’avant et l’arrière qui correspondent au sens de déplacement normal de l’aéronef.
Les groupes propulseurs à rotor ouvert sont les dispositifs de propulsion d’aéronef présentant le meilleur rendement propulsif. Dans ce contexte, le rendement propulsif est défini comme le rapport entre la puissance utile de déplacement (traction x vitesse de vol) et la puissance délivrée par le propulseur (puissance à l’arbre rotor + puissance cinétique du flux primaire moteur). En effet, leur rendement propulsif peut atteindre des valeurs généralement comprises entre 0,8 et 0,9 selon l’architecture du groupe propulseur et son implantation sur l’aéronef, c’est-à-dire pendu sous la voilure ou déporté en partie arrière de fuselage. Parmi ces différentes architectures, les configurations USF et CROR peuvent atteindre les plus importants rendements propulsifs pour des Mach de croisière typiques de court à moyen-courrier de M=0,75 à 0,8. A titre de comparaison, un groupe propulseur de type UHBR présente un rendement propulsif compris entre 0,75 et 0,8.
La présente invention a pour but d’optimiser le rendement propulsif d’un aéronef équipé d’un ou de plusieurs groupes propulseurs à rotor ouvert afin d’en réduire la consommation en carburant et les émissions en CO2et NOx.
A cet effet, il est proposé, selon un premier aspect de l’invention, un dispositif de propulsion d’aéronef disposé à l’arrière d’un fuselage d’aéronef comprenant au moins un groupe propulseur à rotor ouvert relié à une partie arrière de fuselage par un mât caréné. Ce groupe propulseur comprend en outre au moins un groupe propulseur BLI implanté en queue de fuselage.
La combinaison d’un propulseur BLI avec au moins un groupe propulseur à rotor ouvert permet d’augmenter le rendement propulsif de l’ensemble.
Avantageusement, l’au moins un groupe propulseur BLI assure 15% à 35% de la poussée totale de l’aéronef et est du type UHBR.
Préférentiellement, l’au moins un groupe propulseur BLI assure environ 20%, de la poussée totale de l’aéronef.
Avantageusement, l’au moins un groupe propulseur à rotor ouvert est du type USF à soufflante tractrice non-carénée ou du type CROR.
Préférentiellement, l’énergie motrice activant une soufflante BLI de l’au moins un groupe propulseur BLI est générée par l’au moins un groupe propulseur à rotor ouvert.
Avantageusement, une transmission mécanique relie un rotor de l’au moins un groupe propulseur à rotor ouvert à la soufflante BLI de l’au moins un groupe propulseur BLI pour l’entrainer en rotation.
Ainsi, il est possible de positionner l’au moins un groupe propulseur à rotor ouvert suffisamment proche du groupe propulseur BLI pour permettre à la transmission mécanique le reliant à la soufflante BLI de s’intégrer dans la partie arrière du mât caréné reliant l’au moins un groupe propulseur à rotor ouvert à la partie arrière du fuselage. Cet agencement de l’au moins un groupe propulseur à rotor ouvert permet de contenir le poids de la transmission mécanique en limitant la longueur de l’au moins un arbre de transmission et du nombre de renvois mécaniques.
Préférentiellement, au moins un dispositif de sécurité est disposé entre le rotor de l’au moins un groupe propulseur à rotor ouvert et la soufflante BLI de l’au moins un groupe propulseur BLI. Le dispositif de sécurité permet au rotor de l’au moins un groupe propulseur à rotor ouvert ou à la soufflante BLI de continuer à tourner en cas de blocage de l’autre.
Avantageusement, le dispositif de propulsion de l’aéronef comprend un groupe propulseur à rotor ouvert implanté de chaque côté de la partie arrière de fuselage.
Selon un deuxième aspect de l’invention, il est proposé une partie arrière d’aéronef comprenant un dispositif de propulsion tel que défini ci-dessus.
Préférentiellement, la partie arrière d’aéronef comprend deux groupes propulseurs à rotor ouvert et un aileron dorsal. Celui-ci prolonge au moins partiellement vers l’avant une dérive.
Selon un troisième aspect de l’invention, il est proposé un aéronef comprenant une partie arrière de fuselage telle que définie ci-dessus.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention sont mis en évidence par la description ci-après d’exemples non-limitatifs de réalisation des différents aspects de l’invention.
La description se réfère aux figures annexées qui sont aussi données à titre d’exemples de réalisation non limitatifs de l’invention :
la figure 1 représente une vue de dessus d’un aéronef équipé d’un dispositif de propulsion combinant des groupes propulseurs à rotor ouvert et un groupe propulseur BLI ;
la figure 2 représente une vue de dessus partiellement en coupe d’un dispositif de propulsion implanté sur une partie arrière de fuselage d’aéronef; et
la figure 3 représente une vue de côté partiellement en coupe d’un dispositif de propulsion implanté sur une partie arrière de fuselage d’aéronef.
Les aéronefs sont généralement équipés de groupes propulseurs implantés sous une paire d’ailes formant la voilure de l’aéronef. Ces groupes propulseurs sont fixés sous les ailes par l’intermédiaire de mâts carénés qui les éloignent des surfaces extérieures inférieures des ailes. Les groupes propulseurs peuvent aussi être implantés en partie arrière de fuselage. Dans cette configuration ils sont également reliés au fuselage par des mâts carénés pour les éloigner du fuselage. Si les groupes propulseurs sont des turbopropulseurs, cet éloignement est destiné à éviter que ceux-ci n’ingèrent la couche limite d’air s’écoulant le long du fuselage. Si les groupes propulseurs sont des propulseurs à rotor ouvert cet éloignement permet de libérer l’espace nécessaire pour la rotation des aubes de la soufflante dont le diamètre peut être de3 à 5 m pour les configurations d’avion court à moyen-courrier étudiées.
Récemment des groupes propulseurs de type UHBR (UHBR est l’acronyme de l’appellation anglaise «Ultra High Bypass rate») ont été développés. Ce sont des turboréacteurs à soufflante carénée présentant un très haut taux de dilution, compris entre 10 et 15. Ces groupes propulseurs UHBR ont un rendement propulsif d’environ 75 à 80 %. Le rendement propulsif des groupes propulseurs UHBR peut être augmenté lorsque ceux-ci sont configurés pour ingérer la couche limite, c’est-à-dire la couche d’air s’écoulant le long du fuselage de l’aéronef. Il s’agit alors de groupes propulseurs BLI (BLI est l’acronyme de l’appellation anglaise «Boundary Layer Ingestion»). La vitesse de la couche d’air se déplaçant le long des surfaces de l’aéronef, aussi appelée couche limite, est ralentie par l’effet de la friction sur ces surfaces ce qui améliore le rendement propulsif de ces moteurs qui reçoivent en entrée un écoulement d’air à vitesse réduite. Le rendement propulsif pour un groupe propulseur UHBR BLI peut être supérieur de 6 à 8% à celui d’un groupe propulseur UHBR classique lorsque ce groupe propulseur UHBR BLI est implanté à l’arrière d’un aéronef et configuré pour ingérer toute la couche limite s’écoulant le long de la partie arrière du fuselage de l’aéronef. Le gain de rendement propulsif d’un propulseur UHBR BLI assurant une proportion limitée de la poussée totale de l’aéronef de 15 à 35% et fonctionnant ainsi avec l’air de la partie la plus faible énergiquement de la couche limite, est encore plus important et peut dépasser les rendements propulsifs des propulseurs à rotors ouverts, mais le gain au niveau de l’aéronef doit ensuite être considéré en proportion des poussées des différents propulseurs BLI et non-BLI.
Comme indiqué ci-avant, les groupes propulseurs à rotor ouvert présentent des rendements propulsifs supérieurs à ceux des turbopropulseurs dont la soufflante est entourée d’une nacelle. Les progrès réalisés dans le dessin et la production des aubes de soufflante ont permis de réduire considérablement le bruit généré par les groupes propulseurs à rotor ouvert dont les émissions sonores ne sont pas atténuées par un carénage entourant la soufflante.
La figure 1 représente un aéronef 1 dont la partie arrière de fuselage 2 est équipée d’un dispositif de propulsion 3 combinant deux groupes propulseurs à rotor ouvert 4 et un groupe propulseur à soufflante carénée 5. Dans l’exemple présent de mise en œuvre de l’invention, il est prévu d’associer deux groupes propulseurs à rotor ouvert 4 à un groupe propulseur BLI 5. Néanmoins, d’autres combinaisons de propulseurs sont possibles avec plus ou moins de groupes propulseurs à rotor ouvert et/ou plus d’un groupe propulseur BLI.
La figure 2 montre la partie arrière de fuselage 2 de l’aéronef et, en particulier, le dispositif de propulsion 3. Un groupe de propulsion à rotor ouvert 4 est disposé de chaque côté de la partie arrière de fuselage 2. Ils sont chacun rattachés à la partie arrière de fuselage 2 par un mât caréné 6. Les mâts 6 sont entourés d’un carénage 7 afin de diminuer leur impact sur la trainée de l’aéronef. Les mâts carénés 6 sont reliés mécaniquement par une première extrémité 8 à la partie arrière de fuselage 2 et par une deuxième extrémité 9 à un groupe propulseur à rotor ouvert 4.
Dans l’exemple de mise en œuvre de l’invention décrit, les deux groupes propulseurs 4 sont des groupes propulseurs du type USF implantés en configuration tractrice, c’est à dire avec une soufflante 10 disposée en partie avant du groupe propulseur 4. Dans le contexte de l’invention, la soufflante 10 utilisée à un diamètre réduit de quelques pieds (1 pied = 30,48 cm) par rapport au diamètre de soufflante d’un groupe propulseur USF classique. Cette réduction de diamètre est due à l’ajout du propulseur UHBR BLI. L’utilisation de soufflantes 10 de plus petit diamètre permet de réduire aussi la taille d’autres organes du dispositif de propulsion, comme par exemple la taille des mâts carénés 6. Ainsi une réduction de masse est réalisée.
Derrière la soufflante 10, un ensemble d’aubes fixes 11 est disposé autour d’un stator 12 du groupe propulseur à rotor ouvert 4. L’ensemble d’aubes fixes guide le flux d’air accéléré par la soufflante 10 et expulsé en aval de celle-ci. Un rotor 13 est monté de façon rotative dans le stator 12. La soufflante 10 est fixée au rotor 13 qui est entrainé en rotation par un groupe moteur 14. Ce groupe moteur 14 peut être une turbine à gaz, comme illustré dans la figure 2, ou tout autre source motrice apte à entrainer en rotation la soufflante 10. Dans chaque groupe propulseur à rotor ouvert 4, le rotor 13 est relié par un bout d’arbre 15 à un premier renvoi mécanique 16 qui permet de transmettre le mouvement de rotation du rotor 13 à un arbre de transmission 17. L’axe de l’arbre de transmission 17 est concourant à l’axe du bout d’arbre 15. Dans la figure 2, le premier renvoi mécanique 16 est un renvoi à pignons coniques mais tout autre type de transmission d’un mouvement de rotation entre deux arbres concourants peut être utilisé, comme par exemple un joint homocinétique. L’arbre de transmission 17 s’étend à l’intérieur du carénage 7 parallèlement à l’arrière du mât caréné 6 depuis le premier renvoi mécanique 16 jusqu’au groupe propulseur BLI 5.
Comme illustré à la figure 3 , le groupe propulseur BLI 5 comprend une soufflante BLI 18 disposée à l’intérieur d’une nacelle 19. Le diamètre de la soufflante BLI 18 est déterminé, entre autres, en fonction de la poussée que doit délivrer le groupe propulseur BLI 5. En aval de la soufflante BLI 18, un ensemble d’aubes fixes BLI 20 est disposé entre une conduite formée par la paroi intérieure de la nacelle 19 et une extrémité arrière du fuselage 21. La nacelle 19 est disposée concentriquement à l’extrémité arrière du fuselage 21 afin de former entre eux un tunnel profilé d’écoulement de l’air ingéré en amont par le groupe propulseur BLI 5 et accéléré par la soufflante BLI 18.
La soufflante BLI 18 est entrainée en rotation par un moyeu 22 pour accélérer le flux d’air ingéré par le groupe propulseur BLI 5 et l’éjecter à l’arrière de la nacelle 19. Le moyeu 22 est lui-même entrainé en rotation par un deuxième renvoi mécanique 23. Comme pour le premier renvoi mécanique 16, le deuxième renvoi mécanique utilisé dans l’exemple décrit est un renvoi à pignons coniques. Il peut être remplacé par tout autre type de transmission d’un mouvement de rotation entre deux arbres concourants. S’il est nécessaire de modifier la vitesse de rotation du moyeu 22 par rapport à celle du bout d’arbre 15, un réducteur ou un multiplicateur classique ou épicycloïdal peut être inséré dans la ligne de transmission à différents emplacements entre le rotor 13 et la soufflante BLI 18, avantageusement au niveau des renvois mécaniques 16 et 23.
Les groupes propulseurs à rotor ouvert 4 sont positionnés le plus proche possible du groupe propulseur BLI 5 pour permettre à la transmission mécanique le reliant à la soufflante BLI 18 de s’intégrer dans la partie arrière des mâts carénés 6 reliant les groupes propulseurs à rotor ouvert 4 à la partie arrière du fuselage 2. Cet agencement permet également de limiter la longueur du moyeu 22 afin de limiter le poids de la transmission mécanique.
Afin de permettre au dispositif de propulsion 3 de fonctionner en mode d’urgence en cas de blocage d’un des groupes propulseurs à rotor ouvert 4 ou du groupe propulseur BLI 5, des dispositifs de sécurité (non illustrés dans les figures) sont implantés dans la ligne de transmission. Ainsi, en cas de surcharge dans une partie de la transmission entre les différents groupes propulseurs, les dispositifs de sécurité implantés au niveau des bouts d’arbre 15, de l’arbre de transmission 17 et/ou du moyeu 22 permettent au reste du dispositif de propulsion 3 de fonctionner en mode d’urgence malgré le blocage d’un de ses composants.
Le dispositif de propulsion 3 est implanté sur la partie arrière de fuselage 2 au niveau d’un empennage en T. L’empennage en T est constitué d’une dérive 24 s’étendant verticalement à partir de la partie arrière de fuselage 2 et d’un stabilisateur 25 fixé de chaque côté de l’extrémité supérieure de la dérive 24. Un aileron dorsal 26 prolonge partiellement vers l’avant la dérive 24 sur le fuselage. Cet aileron dorsal 26 sert de bouclier pour protéger un des groupes propulseurs à rotor ouvert 4 en cas de détachement d’une pale de soufflante 10 de l’autre groupe propulseur à rotor ouvert 4. Puisque les soufflantes 10 présentent un diamètre plus petit par rapport à une configuration d’aéronef dont la propulsion est assurée uniquement par deux groupes de propulseurs à rotor ouvert, il est possible de réduire la taille de l’aileron dorsal 26 ce qui représente un gain de poids supplémentaire.
L’adjonction du groupe propulseur BLI 5 aux deux groupes propulseurs à rotor ouvert 4 génère un supplément de poids alors qu’elle permet en parallèle une réduction de poids par l’utilisation de groupes propulseurs à rotor ouverts de taille réduite et de leur environnement. Le bilan massique de la combinaison de deux groupes propulseurs à rotor ouvert 4 et d’un groupe propulseur BLI 5 est légèrement négatif et compris entre environ 0 et 200 kg. Le gain en rendement propulsif du dispositif de propulsion combinant deux groupes propulseur USF et un groupe propulseur BLI est obtenu principalement en régime de croisière. Pour un groupe propulseur BLI générant entre 15% et 35 % de la poussée totale, par exemple 20%, et dont la soufflante BLI est entrainée en rotation par les groupes propulseurs USF, l’augmentation du rendement propulsif est d’environ 1,75% pour des vols de 800 MN (Miles nautiques), de 2,7% pour des vols de 2000 MN et de 2,8% pour des vols de 4000 MN. Cette augmentation s’explique par le fait qu’un propulseur BLI, qui assure une proportion limitée de la poussée totale de l’aéronef, fonctionne avec un débit d’air qui provient de la partie la plus faible énergétiquement de la couche limite du fuselage et présente donc une augmentation maximale de son rendement propulsif qui dépasse ainsi le rendement propulsif des groupes propulseurs USF. Ainsi, un groupe propulseur BLI contribuant à 27% de la poussée totale d’un aéronef génère l’augmentation maximale du rendement propulsif brut de l’ensemble du dispositif de propulsion 1. Néanmoins, il est préférable d’opter pour un groupe propulseur BLI contribuant à hauteur de 20% à la poussée globale car pour un gain de rendement similaire, il entraine un impact massique moindre et donc une meilleure performance nette. En prenant en compte l’augmentation de poids indiquée ci-dessus et une augmentation globale de la surface mouillée comprise entre 0 m2et 3 m2, le gain global pour un aéronef équipé d’un dispositif de propulsion 1 tel que décrit ci-dessus est de 1,4% pour des vols de 800 MN (Miles nautiques), de 2,1% pour des vols de 2000 MN et de 2,4% pour des vols de 4000MN. Ainsi le gain en consommation de carburant est optimal pour des vols allant de 2000 MN à 4000 MN, c’est-à-dire pour des aéronefs moyen-courriers.
La combinaison d’un groupe propulseur BLI 5 avec deux groupes propulseurs à rotor ouvert de type USF 4 entraine d’autres avantages tels qu’une réduction du bruit généré par les rotors ouverts et une réduction de la taille des soufflantes non-carénées qui présentent ainsi un diamètre moins impressionnant. Ces facteurs contribuent à créer un impact positif sur l’acceptabilité de ce dispositif de propulsion auprès des passagers. En outre, cette solution apporte une certaine modularité car le groupe propulseur UHBR BLI peut être proposé en option sur des aéronefs long ou moyen-courriers.
Comme indiqué dans la description qui précède, les différents aspects de l’invention peuvent être mis en œuvre dans des contextes et dans des variantes de configurations différents de ceux décrits ci-avant. Par exemple, les groupes propulseurs USF peuvent être implantés en configuration propulsive au lieu de tractrice, ou remplacés par des groupes propulseurs CROR. De même, une liaison électrique peut remplacer la transmission mécanique entre les groupes propulseurs à rotor ouvert 4 et le groupe propulseur UHBR BLI 5.

Claims (11)

  1. Dispositif de propulsion d’aéronef disposé à l’arrière d’un fuselage d’aéronef (2) comprenant au moins un groupe propulseur à rotor ouvert (4) relié à une partie arrière de fuselage (2) par un mât caréné (6), caractérisé en ce qu’il comprend en outre au moins un groupe propulseur BLI (5) implanté en queue de fuselage.
  2. Dispositif de propulsion d’aéronef selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’au moins un groupe propulseur BLI (5) assure 15% à 35% de la poussée totale de l’aéronef et est du type UHBR.
  3. Dispositif de propulsion d’aéronef selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’au moins un groupe propulseur BLI (5) assure environ 20%, de la poussée totale de l’aéronef.
  4. Dispositif de propulsion d’aéronef selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins un groupe propulseur à rotor ouvert (4) est du type USF à soufflante tractrice non-carénée ou du type CROR.
  5. Dispositif de propulsion d’aéronef selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l’énergie motrice activant une soufflante BLI (18) de l’au moins un groupe propulseur BLI (5) est générée par l’au moins un groupe propulseur à rotor ouvert (4).
  6. Dispositif de propulsion d’aéronef selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’une transmission mécanique relie un rotor (13) de l’au moins un groupe propulseur à rotor ouvert (4) à la soufflante BLI (18) de l’au moins un groupe propulseur BLI (5) pour l’entrainer en rotation.
  7. Dispositif de propulsion d’aéronef selon la revendication 6, caractérisé en ce qu’au moins un dispositif de sécurité est disposé entre le rotor (13) de l’au moins un groupe propulseur à rotor ouvert (4) et la soufflante BLI (18) de l’au moins un groupe propulseur BLI (5), ledit dispositif de sécurité permettant au rotor (13) de l’au moins un groupe propulseur à rotor ouvert (4) ou à la soufflante BLI (18) de continuer à tourner en cas de blocage de l’autre.
  8. Dispositif de propulsion d’aéronef selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un groupe propulseur à rotor ouvert (4) implantés de chaque côté de la partie arrière de fuselage (2).
  9. Partie arrière de fuselage d’un aéronef comprenant un dispositif de propulsion (3) tel que défini dans l’une des revendications 1 à 8.
  10. Partie arrière de fuselage d’un aéronef selon la revendication 9, comprenant un aileron dorsal (26) prolongeant sur le dessus de la partie arrière de fuselage au moins partiellement vers l’avant une dérive (24).
  11. Aéronef comprenant une partie arrière de fuselage telle que définie dans l’une des revendications 9 ou 10.
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