FR3111160A1 - Moteur d’aéronef - Google Patents

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shaft
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Matthew Silvester
Geoffrey HUGHES
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Rolls Royce PLC
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Abstract

Un moteur à turbine à gaz (10) pour un aéronef comprend un système de soufflante ayant un premier mode de battement à onde progressive inverse, Fan RTW, et comprenant une soufflante (23) située en amont du noyau de moteur ; un arbre de soufflante (36) ; et une structure de moteur avant (42) agencée pour supporter l’arbre de soufflante (36) et ayant un mode de balancement de structure de moteur avant comprenant une paire de modes à des fréquences propres similaires, mais pas identiques, dans des directions orthogonales ; et une boîte à engrenages (30). Un système de rotor LP comprenant le système de soufflante (23, 36) et un arbre de sortie de boîte à engrenages (35) agencé pour entraîner l’arbre de soufflante (36) a un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement inverse, Rotor RW, et un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement vers l’avant, 1FW. Le moteur (10) a une vitesse maximale de décollage, MTO. Une marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière de : peut être dans la plage allant de 15 à 50 %. Figure pour l’abrégé : [Figure 4]

Description

MOTEUR D’AÉRONEF
La présente divulgation se rapporte à des moteurs d’aéronef ayant des caractéristiques dynamiques améliorées, et plus spécifiquement, à des moteurs ayant une meilleure gestion des modes vibratoires en évitant la coïncidence de fréquence entre des fréquences propres et leurs sources potentielles d’excitation, et les procédés d’utilisation de tels moteurs.
Selon un premier aspect, un moteur à turbine à gaz pour un aéronef est prévu, lequel moteur comprend un noyau de moteur comprenant une turbine, un compresseur et un arbre de noyau reliant la turbine au compresseur ; et un système de soufflante ayant un premier mode de battement à onde progressive inverse, Fan RTW. Le système de soufflante comprend une soufflante située en amont du noyau de moteur, la soufflante comprenant une pluralité de pales de soufflante ; et un arbre de soufflante. Le moteur comprend en outre une boîte à engrenages et un arbre de sortie de boîte à engrenages agencé pour coupler une sortie de la boîte à engrenages à l’arbre de soufflante. La boîte à engrenages reçoit une entrée provenant de l’arbre de noyau et délivre en sortie un entraînement à la soufflante via l’arbre de sortie de boîte à engrenages de manière à entraîner la soufflante à une vitesse de rotation inférieure à celle de l’arbre de noyau. Le système de soufflante et l’arbre de sortie de boîte à engrenages forment ensemble un système de rotor basse pression (LP) ayant un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement inverse, Rotor RW. Le moteur a une vitesse maximale de décollage, MTO. Une marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière de :
se trouve dans la plage allant de 5 à 50%.
La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière peut être supérieure à 25 %.
La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière peut être supérieure à 20%, 25%, 30% ou 35% et/ou facultativement inférieure à 50%, 45% ou 40%. La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures).
Si le premier mode de tourbillonnement inverse de rotor (Rotor RW) et/ou le premier mode de battement de pale de soufflante à onde progressive inverse (Fan RTW) a/ont une marge de fréquence insuffisante au-dessus de la vitesse de rotation maximale d’arbre de soufflante (MTO, définie ici en termes de fréquence de rotation de l’arbre), l’un et/ou l’autre de ces modes peut/peuvent être excité(s) par une charge de forçage qui est statique dans le référentiel inertiel (tel que vu par un observateur extérieur observant le moteur). Le maintien de la marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière dans une plage revendiquée peut donc permettre de réduire ou d’éviter cette amplification de réponse.
La fréquence la plus faible soit du mode Fan RTW soit du mode Rotor RW à la vitesse MTO peut être dans la plage allant de 4 Hz à 22 Hz, facultativement dans la plage allant de 5 Hz à 15 Hz.
La vitesse MTO peut être dans la plage allant de 25 Hz à 45 Hz.
La vitesse MTO peut être dans la plage allant de 25 Hz à 30 Hz et la soufflante peut avoir un diamètre de soufflante supérieur à 216 cm (85 pouces).
La vitesse MTO peut être dans la plage allant de 35 Hz à 45 Hz et la soufflante peut avoir un diamètre de soufflante inférieur à 216 cm (85 pouces).
Le système de rotor LP peut avoir un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement vers l’avant, 1FW, et une marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant de :
peut être dans la plage allant de 10 à 100%.
La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant peut être supérieure à 20%, 30%, 40% ou 50%, et/ou facultativement inférieure à 100%, 90%, 80%, 70% ou 60%. La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures).
La fréquence du mode 1FW où il croise la première ligne de commande de moteur (1EO) peut être calculée ou lue sur un diagramme de Campbell. De même, la fréquence de 1EO à la vitesse MTO peut être calculée ou lue sur un diagramme de Campbell, où 1EO croise la ligne MTO.
L’intersection de 1FW avec la ligne synchrone (première ligne de commande de moteur), 1EO, sur un diagramme de Campbell est communément appelée « 1FW synchrone ». L’équation ci-dessus peut donc être réécrite comme suit :
Une marge de fréquence mutuelle de :
peut être dans la plage allant de 5 à 50%.
La marge de fréquence mutuelle peut être supérieure à 10%.
La marge de fréquence mutuelle peut être supérieure à 10%, 15%, 20% ou 25% et/ou facultativement inférieure à 50%, 45%, 40% ou 35%. La marge de fréquence mutuelle peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures).
La différence de fréquence entre le mode Fan RTW et le mode Rotor RW à la vitesse MTO peut être dans la plage allant de 2 Hz à 15 Hz, facultativement de 5 Hz à 15 Hz.
Le moteur peut comprendre une structure de moteur avant agencée pour supporter l’arbre de soufflante. La structure de moteur avant peut avoir un mode de balancement de structure de moteur avant, mode FSN, qui peut comprendre une paire de modes à des fréquences propres similaires, mais pas identiques, dans des directions orthogonales. Une marge de fréquence de structure de moteur avant définie par :
peut être dans la plage allant de 5 à 50%.
La marge de fréquence de structure de moteur avant peut être supérieure à 10%.
La marge de fréquence de structure de moteur avant peut être supérieure à 10%, 15%, 20% ou 25% et/ou facultativement inférieure à 50%, 45%, 40% ou 35%. La marge de fréquence de structure de moteur avant peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures).
La différence de fréquence entre le mode FSN et la fréquence la plus élevée soit de Fan RTW synchrone soit de Rotor RW synchrone peut être dans la plage allant de 2 Hz à 15 Hz, facultativement de 2 Hz à 10 Hz.
La fréquence propre la plus faible de la paire de modes de balancement de structure avant peut être dans la plage allant de 14 Hz à 26 Hz, facultativement de 15 Hz à 25 Hz.
Comme mentionné ci-dessus en ce qui concerne 1FW, Fan RTW ou Rotor RW « synchrone » fait référence à l’intersection du mode respectif (Fan RTW ou Rotor RW) avec la première ligne de commande de moteur - c’est-à-dire la valeur de fréquence à laquelle les lignes se croisent est utilisée. Parmi Fan RTW et Rotor RW, le mode qui a la fréquence synchrone la plus élevée est sélectionné pour une utilisation dans le rapport présenté ci-dessus.
On comprendra que le mode FSN a généralement une fréquence constante dans de nombreux modes de réalisation. En cas de variation, la valeur de fréquence synchrone est utilisée (c’est-à-dire la valeur de fréquence à laquelle la ligne de mode FSN croise la première ligne de commande de moteur).
Selon un deuxième aspect, un procédé de fonctionnement d’un moteur à turbine à gaz pour un aéronef est prévu, lequel moteur comprend : un noyau de moteur comprenant une turbine, un compresseur et un arbre de noyau reliant la turbine au compresseur ; un système de soufflante ayant un premier mode de battement à onde progressive inverse, Fan RTW, et comprenant une soufflante située en amont du noyau de moteur, la soufflante comprenant une pluralité de pales de soufflante et un arbre de soufflante ; et une boîte à engrenages et un arbre de sortie de boîte à engrenages agencé pour coupler une sortie de la boîte à engrenages à l’arbre de soufflante, où la boîte à engrenages reçoit une entrée provenant de l’arbre de noyau et délivre en sortie un entraînement à la soufflante via l’arbre de sortie de boîte à engrenages de manière à entraîner la soufflante à une vitesse de rotation inférieure à celle de l’arbre de noyau ; et où le système de soufflante et l’arbre de sortie de boîte à engrenages forment ensemble un système de rotor LP ayant un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement inverse, Rotor RW.
Le procédé comprend le fonctionnement du moteur de sorte qu’une marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière de :
se trouve dans la plage allant de 15 à 50%.
La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière peut être supérieure à 20%, 25%, 30% ou 35% et/ou facultativement inférieure à 50%, 45% ou 40%. La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures).
Le procédé peut comprendre le fonctionnement du moteur à des vitesses allant jusqu’à une vitesse maximale de décollage, MTO, du moteur.
Le procédé peut comprendre le fonctionnement du moteur à la vitesse MTO.
Le procédé peut comprendre le fonctionnement du moteur de sorte que la fréquence la plus faible soit du mode Fan RTW soit du mode Rotor RW à la vitesse MTO se trouve dans la plage allant de 4 Hz à 22 Hz, facultativement de 5 Hz à 15 Hz.
Le système de soufflante et l’arbre de sortie de boîte à engrenages peuvent former ensemble un système de rotor LP ayant un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement inverse, Rotor RW et le procédé peut comprendre le fonctionnement du moteur de sorte qu’une marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant de :
se trouve dans la plage allant de 10 à 100%.
La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant peut être supérieure à 20%, 30%, 40% ou 50%, et/ou facultativement inférieure à 100%, 90%, 80%, 70% ou 60%. La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures).
Le procédé peut comprendre le fonctionnement du moteur de sorte que la différence de fréquence entre 1FW synchrone et la première ligne de commande de moteur à la vitesse MTO se trouve dans la plage allant de 8 Hz à 45 Hz, facultativement de 20 Hz à 40 Hz.
Selon un aspect, un moteur à turbine à gaz pour un aéronef est prévu, lequel moteur comprend : un noyau de moteur comprenant une turbine, un compresseur et un arbre de noyau reliant la turbine au compresseur ; et un système de soufflante comprenant : une soufflante située en amont du noyau de moteur, la soufflante comprenant une pluralité de pales de soufflante ; et un arbre de soufflante. Le moteur comprend en outre une boîte à engrenages et un arbre de sortie de boîte à engrenages agencé pour coupler une sortie de la boîte à engrenages à l’arbre de soufflante. La boîte à engrenages reçoit une entrée provenant de l’arbre de noyau et délivre en sortie un entraînement à la soufflante via l’arbre de sortie de boîte à engrenages de manière à entraîner la soufflante à une vitesse de rotation inférieure à celle de l’arbre de noyau. Le système de soufflante et l’arbre de sortie de boîte à engrenages forment ensemble un système de rotor LP ayant un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement vers l’avant, 1FW. Le moteur a une vitesse maximale de décollage, MTO. Une marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant de :
se trouve dans la plage allant de 10 à 100%.
La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant peut être supérieure à 30%.
La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant peut être supérieure à 20%, 30%, 40% ou 50% et/ou facultativement inférieure à 90%, 80%, 70% ou 60%. La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures).
Si le premier mode de tourbillonnement vers l’avant de rotor (1FW) a une marge de fréquence insuffisante au-dessus de la vitesse maximale de soufflante (vitesse MTO), ce mode peut être excité par un déséquilibre sur le rotor. La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant peut donc être réglée de manière appropriée, en sélectionnant une valeur se trouvant dans une plage revendiquée, pour réduire ou éviter l’excitation de ce mode.
Le système de soufflante peut avoir un premier mode de battement à onde progressive inverse, Fan RTW. Le système de rotor LP peut avoir un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement inverse, Rotor RW.
Une marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière de :
peut être dans la plage allant de 15 à 50%.
Une marge de fréquence mutuelle de :
peut être dans la plage allant de 5 à 50%.
Le moteur peut comprendre une structure de moteur avant agencée pour supporter l’arbre de soufflante. La structure de moteur avant peut avoir un mode de balancement de structure de moteur avant, qui peut comprendre une paire de modes à des fréquences propres similaires, mais pas identiques, dans des directions orthogonales. Une marge de fréquence de structure de moteur avant de :
peut être dans la plage allant de 5 à 50%.
Selon un aspect, un moteur à turbine à gaz pour un aéronef est prévu, lequel moteur comprend : un noyau de moteur comprenant une turbine, un compresseur et un arbre de noyau reliant la turbine au compresseur ; et un système de soufflante ayant un premier mode de battement à onde progressive inverse, Fan RTW. Le système de soufflante comprend une soufflante située en amont du noyau de moteur, la soufflante comprenant une pluralité de pales de soufflante ; et un arbre de soufflante. Le moteur comprend en outre une boîte à engrenages et un arbre de sortie de boîte à engrenages agencé pour coupler une sortie de la boîte à engrenages à l’arbre de soufflante. La boîte à engrenages reçoit une entrée provenant de l’arbre de noyau et délivre en sortie un entraînement à la soufflante via l’arbre de sortie de boîte à engrenages de manière à entraîner la soufflante à une vitesse de rotation inférieure à celle de l’arbre de noyau. Le système de soufflante et l’arbre de sortie de boîte à engrenages forment ensemble un système de rotor LP ayant un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement inverse, Rotor RW. Le moteur a une vitesse maximale de décollage, MTO. Une marge de fréquence mutuelle de :
se trouve dans la plage allant de 5 à 50%.
La marge de fréquence mutuelle peut être supérieure à 10%.
La marge de fréquence mutuelle peut être supérieure à 10%, 15%, 20% ou 25% et/ou facultativement inférieure à 45%, 40% ou 35%. La marge de fréquence mutuelle peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures).
Si le premier mode de tourbillonnement inverse de rotor (Rotor RW) et le premier mode de battement de pale de soufflante à onde progressive inverse (Fan RTW) ont une marge de fréquence mutuelle insuffisante (c’est-à-dire s’ils ont des fréquences trop proches), ces modes peuvent interagir de sorte que tout forçage tel que décrit ci-dessus puisse exciter ces deux modes au lieu d’un seul. Cela peut à nouveau conduire à une augmentation des amplitudes délétères des réponses vibratoires. La marge de fréquence mutuelle peut donc être réglée de manière appropriée, en sélectionnant une valeur se trouvant dans une plage revendiquée, pour réduire ou éviter cette interaction.
Une marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière de :
peut être dans la plage allant de 15 à 50%.
Le système de rotor LP peut avoir un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement vers l’avant, 1FW. Une marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant de :
peut être dans la plage allant de 10 à 100%.
Le moteur peut comprendre une structure de moteur avant agencée pour supporter l’arbre de soufflante. La structure de moteur avant peut avoir un mode de balancement de structure de moteur avant, qui peut comprendre une paire de modes. Les modes de la paire peuvent être à des fréquences propres similaires, mais pas identiques, dans des directions orthogonales. Une marge de fréquence de structure de moteur avant de :
peut être dans une plage allant de 5 à 50%.
Selon un aspect, un moteur à turbine à gaz pour un aéronef est prévu, lequel moteur comprend : un noyau de moteur comprenant une turbine, un compresseur et un arbre de noyau reliant la turbine au compresseur ; et un système de soufflante ayant un premier mode de battement à onde progressive inverse, Fan RTW. Le système de soufflante comprend : une soufflante située en amont du noyau de moteur, la soufflante comprenant une pluralité de pales de soufflante ; et un arbre de soufflante. Le moteur comprend en outre une structure de moteur avant agencée pour supporter l’arbre de soufflante, la structure de moteur avant ayant un mode de balancement de structure de moteur avant comprenant une paire de modes à des fréquences propres similaires, mais pas identiques, dans des directions orthogonales. Le moteur comprend en outre une boîte à engrenages et un arbre de sortie de boîte à engrenages agencé pour coupler une sortie de la boîte à engrenages à l’arbre de soufflante. La boîte à engrenages reçoit une entrée provenant de l’arbre de noyau et délivre en sortie un entraînement à la soufflante via l’arbre de sortie de boîte à engrenages de manière à entraîner la soufflante à une vitesse de rotation inférieure à celle de l’arbre de noyau. Le système de soufflante et l’arbre de sortie de boîte à engrenages forment ensemble un système de rotor LP ayant un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement inverse, Rotor RW. Le moteur a une vitesse maximale de décollage, MTO. Une marge de fréquence de structure de moteur avant de :
se trouve dans la plage allant de 5 à 50%.
La marge de fréquence de structure de moteur avant peut être supérieure à 10%.
La marge de fréquence de structure de moteur avant peut être supérieure à 10%, 15%, 20% ou 25% et/ou facultativement inférieure à 45%, 40% ou 35%. La marge de fréquence de structure de moteur avant peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures).
Cette combinaison de modes orthogonaux peut amener la réponse vibratoire de structure de moteur avant au déséquilibre du rotor à être elliptique en orbite. L’orbite elliptique peut comprendre à la fois des composantes d’onde progressive directe et inverse ; un mécanisme est donc présenté pour exciter les modes de tourbillonnement inverse Fan RTW ou Rotor RW s’ils coïncident ou presque coïncident avec la fréquence de balancement de structure de moteur avant (FSN). Cet effet combiné pourrait augmenter rapidement l’amplitude de réponse vibratoire à des niveaux de nuisance ou, dans des cas extrêmes, à des niveaux potentiellement dommageables/dangereux. La marge de fréquence de structure de moteur avant peut donc être réglée de manière appropriée, en sélectionnant une valeur se trouvant dans une plage revendiquée, pour réduire ou éviter ce mécanisme d’amplification.
Le moteur peut être agencé pour être monté dans une nacelle ayant une masse comprise entre 1000 kg et 3000 kg, et facultativement entre 1500 kg et 2500 kg. La masse de la nacelle peut être sélectionnée ou ajustée pour régler la fréquence FSN.
Une marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière de :
peut être dans la plage allant de 15 à 50%.
Le système de rotor LP peut avoir un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement vers l’avant, 1FW. Une marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant de :
peut être dans la plage allant de 10 à 100%.
Une marge de fréquence mutuelle de :
peut être dans la plage allant de 5 à 50%.
Dans l’un quelconque des aspects précédents, une ou plusieurs des caractéristiques suivantes peut/peuvent s’appliquer :
  • Un diamètre de la soufflante peut être dans la plage allant de 215 à 420 cm.
  • Un diamètre de la soufflante peut être supérieur ou égal à 250 cm.
  • Une masse de la soufflante peut être dans la plage allant de 300 à 1000 kg.
  • Un moment d’inertie de la soufflante autour de l’axe de moteur peut être dans la plage allant de 100 à 600 kg.m².
  • La rigidité d’inclinaison de l’arbre de soufflante peut être dans la plage allant de 5x109à 12x109N.mm/rad.
  • La rigidité à la flexion radiale de la structure de moteur avant peut être dans la plage allant de 80 à 180 kN/mm.
Le moteur peut comprendre une structure de moteur avant agencée pour supporter l’arbre de soufflante. Une distance en porte-à-faux de structure de moteur avant définie comme la distance entre un palier d’arbre de soufflante le plus en avant monté sur la structure de moteur avant et un plan radial à la position axiale le long de la structure de moteur avant à laquelle un support avant pour le moteur est situé peut être dans la plage allant de 800 à 1700 mm.
L’arbre de soufflante peut être supporté par deux paliers. Une longueur de l’arbre de soufflante entre les paliers peut être dans la plage allant de 900 à 1800 mm.
La turbine peut être une première turbine, le compresseur peut être un premier compresseur et l’arbre de noyau peut être un premier arbre de noyau. Le noyau de moteur peut en outre comprendre une deuxième turbine, un deuxième compresseur et un deuxième arbre de noyau reliant la deuxième turbine au deuxième compresseur. La deuxième turbine, le deuxième compresseur et le deuxième arbre de noyau peuvent être agencés pour tourner à une vitesse de rotation plus élevée à celle du premier arbre de noyau.
Selon un aspect, un procédé de fonctionnement d’un moteur à turbine à gaz pour un aéronef est prévu, lequel moteur comprend : un noyau de moteur comprenant une turbine, un compresseur et un arbre de noyau reliant la turbine au compresseur ; un système de soufflante comprenant une soufflante située en amont du noyau de moteur, la soufflante comprenant une pluralité de pales de soufflante et un arbre de soufflante ; et une boîte à engrenages ; et un arbre de sortie de boîte à engrenages agencé pour coupler une sortie de la boîte à engrenages à l’arbre de soufflante, où la boîte à engrenages reçoit une entrée provenant de l’arbre de noyau et délivre en sortie un entraînement à la soufflante via l’arbre de sortie de boîte à engrenages de manière à entraîner la soufflante à une vitesse de rotation inférieure à celle de l’arbre de noyau, et où le système de soufflante et l’arbre de sortie de boîte à engrenages forment ensemble un système de rotor LP ayant un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement vers l’avant, 1FW.
Le procédé comprend le fonctionnement du moteur de sorte qu’une marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant de :
se trouve dans la plage allant de 10 à 100%.
La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant peut être supérieure à 20%, 30%, 40% ou 50% et/ou facultativement inférieure à 90%, 80%, 70% ou 60%. La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures).
Le procédé peut comprendre le fonctionnement du moteur à des vitesses allant jusqu’à une vitesse maximale de décollage, MTO, du moteur.
Le procédé peut comprendre le fonctionnement du moteur à la vitesse MTO.
Selon un aspect, un procédé de fonctionnement d’un moteur à turbine à gaz pour un aéronef est prévu, lequel moteur comprend : un noyau de moteur comprenant une turbine, un compresseur et un arbre de noyau reliant la turbine au compresseur ; un système de soufflante ayant un premier mode de battement à onde progressive inverse, Fan RTW, et comprenant une soufflante située en amont du noyau de moteur, la soufflante comprenant une pluralité de pales de soufflante et un arbre de soufflante ; une boîte à engrenages et un arbre de sortie de boîte à engrenages agencé pour coupler une sortie de la boîte à engrenages à l’arbre de soufflante, où la boîte à engrenages reçoit une entrée provenant de l’arbre de noyau et délivre en sortie un entraînement à la soufflante via l’arbre de sortie de boîte à engrenages de manière à entraîner la soufflante à une vitesse de rotation inférieure à celle de l’arbre de noyau ; où le système de soufflante et l’arbre de sortie de boîte à engrenages forment ensemble un système de rotor LP ayant un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement inverse, Rotor RW.
Le procédé comprend le fonctionnement du moteur de sorte qu’une marge de fréquence mutuelle de :
se trouve dans la plage allant de 5 à 50%.
La marge de fréquence mutuelle peut être supérieure à 10%, 15%, 20% ou 25% et/ou facultativement inférieure à 45%, 40% ou 35%. La marge de fréquence mutuelle peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures).
Le procédé peut comprendre le fonctionnement du moteur à des vitesses allant jusqu’à une vitesse maximale de décollage, MTO, du moteur.
Le procédé peut comprendre le fonctionnement du moteur à la vitesse MTO.
Selon un aspect, un procédé de fonctionnement d’un moteur à turbine à gaz pour un aéronef est prévu, lequel moteur comprend : un noyau de moteur comprenant une turbine, un compresseur et un arbre de noyau reliant la turbine au compresseur ; un système de soufflante ayant un premier mode de battement à onde progressive inverse, Fan RTW, et comprenant une soufflante située en amont du noyau de moteur, la soufflante comprenant une pluralité de pales de soufflante et un arbre de soufflante ; une structure de moteur avant agencée pour supporter l’arbre de soufflante, la structure de moteur avant ayant un mode de balancement de structure de moteur avant comprenant une paire de modes à des fréquences propres similaires, mais pas identiques, dans des directions orthogonales ; et une boîte à engrenages et un arbre de sortie de boîte à engrenages agencé pour coupler une sortie de la boîte à engrenages à l’arbre de soufflante, où la boîte à engrenages reçoit une entrée provenant de l’arbre de noyau et délivre en sortie un entraînement à la soufflante via l’arbre de sortie de boîte à engrenages de manière à entraîner la soufflante à une vitesse de rotation inférieure à celle de l’arbre de noyau ; où le système de soufflante et l’arbre de sortie de boîte à engrenages forment ensemble un système de rotor LP ayant un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement inverse, Rotor RW.
Le procédé comprend le fonctionnement du moteur de sorte qu’une marge de fréquence de structure de moteur avant de :
se trouve dans la plage allant de 5 à 50%.
La marge de fréquence de structure de moteur avant peut être supérieure à 10%, 15%, 20% ou 25% et/ou facultativement inférieure à 45%, 40% ou 35%. La marge de fréquence de structure de moteur avant peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures).
Le procédé peut comprendre le fonctionnement du moteur à des vitesses allant jusqu’à une vitesse maximale de décollage, MTO, du moteur.
Le procédé peut comprendre le fonctionnement du moteur à la vitesse MTO.
Le moteur de l’un des aspects précédents peut être utilisé pour réaliser le procédé de l’un quelconque des aspects précédents.
Dans les divers aspects et modes de réalisation décrits ci-dessus, les marges de fréquence définies peuvent être agencées pour rester dans les plages définies tout au long du fonctionnement normal d’un aéronef que le moteur est agencé pour alimenter.
L’homme du métier appréciera que les conditions les plus exigeantes pour la gestion des vibrations de moteur peuvent ne pas se produire autour des vitesses maximales (par exemple, la vitesse MTO), mais plutôt dans des plages de vitesse de fonctionnement autour des vitesses auxquelles un ou plusieurs des modes FSN, Fan RTW et Rotor RW croise/croisent la ligne 1EO.
Les inventeurs ont estimé qu’un turboréacteur à double flux à réducteur avec un grand diamètre de soufflante et un système de rotor qui est en porte-à-faux en avant du support de moteur avant introduit de nouvelles caractéristiques de masse et de rigidité et donc de nouvelles caractéristiques dynamiques. Les rigidités de rotor et les rigidités de structure de moteur avant du moteur peuvent par conséquent être réglées pour réduire ou éviter la coïncidence de fréquence entre les fréquences propres et leurs sources potentielles d’excitation.
Tel qu’utilisé ici, un « grand » diamètre de soufflante peut signifier un diamètre de soufflante supérieur à 216 cm (85 pouces), et facultativement supérieur à 250 cm (100 pouces).
Comme noté ailleurs ici, la présente divulgation peut se rapporter à un moteur à turbine à gaz. Un tel moteur à turbine à gaz peut comprendre un noyau de moteur comprenant une turbine, une chambre de combustion, un compresseur et un arbre de noyau reliant la turbine au compresseur. Un tel moteur à turbine à gaz peut comprendre une soufflante (ayant des pales de soufflante) située en amont du noyau de moteur.
Les agencements de la présente divulgation peuvent être particulièrement, mais pas exclusivement, avantageux pour des soufflantes qui sont entraînées via une boîte à engrenages. Par conséquent, le moteur à turbine à gaz peut comprendre une boîte à engrenages qui reçoit une entrée provenant de l’arbre de noyau et délivre en sortie un entraînement à la soufflante de manière à entraîner la soufflante à une vitesse de rotation inférieure à celle de l’arbre de noyau. L’entrée à la boîte à engrenages peut être directement à partir de l’arbre de noyau, ou indirectement à partir de l’arbre de noyau, par exemple via un engrenage et/ou un arbre droit(s). L’arbre de noyau peut relier rigidement la turbine et le compresseur, de sorte que la turbine et le compresseur tournent à la même vitesse (avec la soufflante tournant à une vitesse inférieure).
Le moteur à turbine à gaz tel que décrit et/ou revendiqué ici peut avoir une architecture générale appropriée quelconque. Par exemple, le moteur à turbine à gaz peut avoir n’importe quel nombre d’arbres souhaité qui relient des turbines et des compresseurs, par exemple un, deux ou trois arbres. À titre purement indicatif, la turbine reliée à l’arbre de noyau peut être une première turbine, le compresseur relié à l’arbre de noyau peut être un premier compresseur et l’arbre de noyau peut être un premier arbre de noyau. Le noyau de moteur peut en outre comprendre une deuxième turbine, un deuxième compresseur et un deuxième arbre de noyau reliant la deuxième turbine au deuxième compresseur. La deuxième turbine, le deuxième compresseur et le deuxième arbre de noyau peuvent être agencés pour tourner à une vitesse de rotation plus élevée que celle du premier arbre de noyau.
Dans un tel agencement, le deuxième compresseur peut être positionné axialement en aval du premier compresseur. Le deuxième compresseur peut être agencé pour recevoir (par exemple recevoir directement, par exemple via un conduit globalement annulaire) un flux provenant du premier compresseur.
La boîte à engrenages peut être agencée pour être entraînée par l’arbre de noyau qui est configuré pour tourner (par exemple en cours d’utilisation) à la vitesse de rotation la plus basse (par exemple le premier arbre de noyau dans l’exemple ci-dessus). Par exemple, la boîte à engrenages peut être agencée pour être entraînée uniquement par l’arbre de noyau qui est configuré pour tourner (par exemple en cours d’utilisation) à la vitesse de rotation la plus basse (par exemple, être uniquement le premier arbre de noyau, et non le deuxième arbre de noyau, dans l’exemple ci-dessus). En variante, la boîte à engrenages peut être agencée pour être entraînée par un arbre quelconque ou plusieurs arbre(s), par exemple le premier et/ou le deuxième arbre(s) dans l’exemple ci-dessus.
La boîte à engrenages peut être un réducteur (dans le sens où la sortie vers la soufflante est une vitesse de rotation inférieure à l’entrée de l’arbre de noyau). Tout type de boîte à engrenages peut être utilisé. Par exemple, la boîte à engrenages peut être une boîte à engrenages « à trains planétaires » ou « en étoile », comme décrit plus en détail ailleurs ici. La boîte à engrenages peut avoir un rapport de démultiplication souhaité quelconque (défini comme la vitesse de rotation de l’arbre d’entrée divisée par la vitesse de rotation de l’arbre de sortie), par exemple supérieur à 2,5, par exemple dans la plage allant de 3 à 4,2, ou de 3,2 à 3,8, par exemple de l’ordre de ou d’au moins 3, 3,1, 3,2, 3,3, 3,4, 3,5, 3,6, 3,7, 3,8, 3,9, 4, 4,1 ou 4,2. Le rapport d’engrenage peut être, par exemple, entre deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente. À titre purement indicatif, la boîte à engrenages peut être une boîte à engrenages « en étoile » ayant un rapport dans la plage allant de 3,1 ou 3,2 à 3,8. Dans certains agencements, le rapport d’engrenage peut être en dehors de ces plages.
Dans tout moteur à turbine à gaz tel que décrit et/ou revendiqué ici, une chambre de combustion peut être prévue axialement en aval de la soufflante et du/des compresseur(s). Par exemple, la chambre de combustion peut être directement en aval (par exemple à la sortie de) du deuxième compresseur, où un deuxième compresseur est prévu. À titre d’exemple supplémentaire, le flux à la sortie de la chambre de combustion peut être fourni à l’entrée de la deuxième turbine, où une deuxième turbine est prévue. La chambre de combustion peut être prévue en amont de la/des turbine(s).
Le ou chaque compresseur (par exemple le premier compresseur et le deuxième compresseur comme décrit ci-dessus) peut comprendre n’importe quel nombre d’étages, par exemple de multiples étages. Chaque étage peut comprendre une rangée de pales de rotor et une rangée d’aubes de stator, qui peuvent être des aubes de stator variables (dans le sens où leur angle d’incidence peut être variable). La rangée de pales de rotor et la rangée d’aubes de stator peuvent être axialement décalées l’une de l’autre.
La ou chaque turbine (par exemple la première turbine et la deuxième turbine comme décrit ci-dessus) peut comprendre un nombre quelconque d’étages, par exemple de multiples étages. Chaque étage peut comprendre une rangée de pales de rotor et une rangée d’aubes de stator. La rangée de pales de rotor et la rangée d’aubes de stator peuvent être axialement décalées l’une de l’autre.
Chaque pale de soufflante peut être définie comme ayant une étendue radiale s’étendant à partir d’un pied (ou moyeu) à un emplacement lavé au gaz radialement interne, ou une position d’étendue de 0%, jusqu’à une pointe à une position d’étendue de 100%. Le rapport du rayon de la pale de soufflante au niveau du moyeu sur le rayon de la pale de soufflante au niveau de la pointe peut être inférieur à (ou de l’ordre de) l’une des valeurs suivantes : 0,4, 0,39, 0,38, 0,37, 0,36, 0,35, 0,34, 0,33, 0,32, 0,31, 0,3, 0,29, 0,28, 0,27, 0,26 et 0,25. Le rapport du rayon de la pale de soufflante au niveau du moyeu sur le rayon de la pale de soufflante au niveau de la pointe peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures), par exemple dans la plage allant de 0,28 à 0,32. Ces rapports peuvent être communément appelés rapport moyeu/pointe. Le rayon au niveau du moyeu et le rayon au niveau de la pointe peuvent tous deux être mesurés au niveau de la partie de bord d’attaque (ou axialement la plus en avant) de la pale. Le rapport moyeu/pointe fait référence, bien entendu, à la partie lavée au gaz de la pale de soufflante, c’est-à-dire la partie radialement à l’extérieur de toute plate-forme.
Le rayon de la soufflante peut être mesuré entre l’axe de moteur et la pointe d’une pale de soufflante au niveau de son bord d’attaque. Le diamètre de la soufflante (qui peut simplement être le double du rayon de la soufflante) peut être supérieur à (ou de l’ordre de) l’une des valeurs suivantes : 220 cm, 230 cm, 240 cm, 250 cm (environ 100 pouces), 260 cm, 270 cm (environ 105 pouces), 280 cm (environ 110 pouces), 290 cm (environ 115 pouces), 300 cm (environ 120 pouces), 310 cm, 320 cm (environ 125 pouces), 330 cm (environ 130 pouces), 340 cm (environ 135 pouces), 350 cm, 360 cm (environ 140 pouces), 370 cm (environ 145 pouces), 380 cm (environ 150 pouces), 390 cm (environ 155 pouces), 400 cm, 410 cm (environ 160 pouces) et 420 cm (environ 165 pouces). Le diamètre de soufflante peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures), par exemple dans la plage allant de 240 cm à 280 cm ou de 330 cm à 380 cm.
La vitesse de rotation de la soufflante peut varier en cours d’utilisation. En général, la vitesse de rotation est plus faible pour les soufflantes ayant un diamètre plus élevé. À titre d’exemple purement non limitatif, la vitesse de rotation de la soufflante dans des conditions de croisière peut être inférieure à 2500 tr/min, par exemple inférieure à 2300 tr/min. À titre d’exemple purement non limitatif supplémentaire, la vitesse de rotation de la soufflante dans des conditions de croisière pour un moteur ayant un diamètre de soufflante dans la plage allant de 220 cm à 300 cm (par exemple de 240 cm à 280 cm ou de 250 cm à 270 cm) peut être dans la plage allant de 1700 tr/min à 2500 tr/min, par exemple dans la plage allant de 1800 tr/min à 2300 tr/min, par exemple dans la plage allant de 1900 tr/min à 2100 tr/min. À titre d’exemple purement non limitatif supplémentaire, la vitesse de rotation de la soufflante dans des conditions de croisière pour un moteur ayant un diamètre de soufflante dans la plage allant de 330 cm à 380 cm peut être dans la plage allant de 1200 tr/min à 2000 tr/min, par exemple dans la plage allant de 1300 tr/min à 1800 tr/min, par exemple dans la plage allant de 1400 tr/min à 1800 tr/min.
Lors de l’utilisation du moteur à turbine à gaz, la soufflante (avec des pales de soufflante associées) tourne autour d’un axe de rotation. Cette rotation entraîne le déplacement de la pointe de la pale de soufflante avec une vitesse Utip. Le travail effectué par les pales de soufflante 13 sur le flux entraîne une augmentation d’enthalpie dH du flux. Une charge de pointe de soufflante peut être définie comme dH/Utip 2, où dH est l’augmentation d’enthalpie (par exemple l’augmentation d’enthalpie moyenne 1-D) à travers la soufflante et Utipest la vitesse (de translation) de la pointe de soufflante, par exemple au niveau du bord d’attaque de la pointe (qui peut être définie comme le rayon de pointe de soufflante au niveau du bord d’attaque multiplié par la vitesse angulaire). La charge de pointe de soufflante dans des conditions de croisière peut être supérieure à (ou de l’ordre de) l’une des valeurs suivantes : 0,28, 0,29, 0,30, 0,31, 0,32, 0,33, 0,34, 0,35, 0,36, 0,37, 0,38, 0,39 et 0,4. La charge de pointe de soufflante peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures), par exemple dans la plage allant de 0,28 à 0,31, ou de 0,29 à 0,3.
Les moteurs à turbine à gaz selon la présente divulgation peuvent avoir n’importe quel rapport de dilution souhaité, où le rapport de dilution est défini comme le rapport du débit massique du flux à travers le conduit de dérivation sur le débit massique du flux à travers le noyau dans des conditions de croisière. Dans certains agencements, le rapport de dilution peut être supérieur à (ou de l’ordre de) l’une des valeurs suivantes : 10, 10,5, 11, 11,5, 12, 12,5, 13, 13,5, 14, 14,5, 15, 15,5, 16, 16,5, 17, 17,5, 18, 18,5, 19, 19,5 et 20. Le rapport de dilution peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures), par exemple dans la plage allant de 12 à 16, de 13 à 15, ou de 13 à 14. Le conduit de dérivation peut être essentiellement annulaire. Le conduit de dérivation peut être radialement à l’extérieur du noyau de moteur. La surface radialement externe du conduit de dérivation peut être définie par une nacelle et/ou un carter de soufflante.
Le rapport de pression global d’un moteur à turbine à gaz tel que décrit et/ou revendiqué ici peut être défini comme le rapport de la pression de stagnation en amont de la soufflante sur la pression de stagnation à la sortie du compresseur à la plus haute pression (avant l’entrée dans la chambre de combustion). À titre d’exemple non limitatif, le rapport de pression global d’un moteur à turbine à gaz tel que décrit et/ou revendiqué ici en croisière peut être supérieur à (ou de l’ordre de) l’une des valeurs suivantes : 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75. Le rapport de pression global peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures), par exemple dans la plage allant de 50 à 70.
La poussée spécifique d’un moteur peut être définie comme la poussée nette du moteur divisée par le débit massique total à travers le moteur. Dans des conditions de croisière, la poussée spécifique d’un moteur décrite et/ou revendiquée ici peut être inférieure à (ou de l’ordre de) l’une des valeurs suivantes : 110 Nkg-1s, 105 Nkg-1s, 100 Nkg-1s, 95 Nkg-1s, 90 Nkg-1s, 85 Nkg-1s ou 80 Nkg-1s. La poussée spécifique peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures), par exemple dans la plage allant de 80 Nkg-1s à 100 Nkg-1s, ou de 85 Nkg-1s à 95 Nkg-1s. De tels moteurs peuvent être particulièrement efficaces par rapport à des moteurs à turbine à gaz classiques.
Un moteur à turbine à gaz tel que décrit et/ou revendiqué ici peut avoir n’importe quelle poussée maximale souhaitée. À titre d’exemple purement non limitatif, une turbine à gaz telle que décrite et/ou revendiquée ici peut être capable de produire une poussée maximale d’au moins (ou de l’ordre de) l’une des valeurs suivantes : 160 kN, 170 kN, 180 kN, 190 kN, 200 kN, 250 kN, 300 kN, 350 kN, 400 kN, 450 kN, 500 kN et 550 kN. La poussée maximale peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures). À titre purement indicatif, une turbine à gaz telle que décrite et/ou revendiquée ici peut être capable de produire une poussée maximale dans la plage allant de 330 kN à 420 kN, par exemple de 350 kN à 400 kN. La poussée mentionnée ci-dessus peut être la poussée nette maximale dans des conditions atmosphériques normales au niveau de la mer plus 15 degrés C (pression ambiante 101,3 kPa, température 30 degrés C), le moteur étant statique.
En cours d’utilisation, la température du flux à l’entrée à la turbine haute pression peut être particulièrement élevée. Cette température, qui peut être appelée TET, peut être mesurée à la sortie vers la chambre de combustion, par exemple immédiatement en amont de la première aube de turbine, qui peut elle-même être appelée aube directrice de tuyère. En croisière, la température TET peut être au moins (ou de l’ordre de) l’une des valeurs suivantes : 1400 K, 1450 K, 1500 K, 1550 K, 1600 K et 1650 K. La température TET en croisière peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures). La température TET maximale en cours d’utilisation du moteur peut être, par exemple, au moins (ou de l’ordre de) l’une des valeurs suivantes : 1700 K, 1750 K, 1800 K, 1850K, 1900 K, 1950 K et 2000 K. La température TET maximale peut être dans une plage inclusive limitée par deux valeurs quelconques des valeurs de la phrase précédente (c’est-à-dire que les valeurs peuvent former des limites supérieures ou inférieures), par exemple dans la plage allant de 1800 K à 1950 K. La température TET maximale peut se produire, par exemple, dans une condition de poussée élevée, par exemple dans une condition de décollage maximal (MTO).
Telle qu’utilisée ici, une condition de décollage maximal (MTO) a la signification conventionnelle. Les conditions de décollage maximal peuvent être définies comme le fonctionnement du moteur dans des conditions de pression et de température au niveau de la mer d’Atmosphère Type Internationale (ISA) + 15°C à la poussée maximale au décollage à la fin de la piste, qui est typiquement définie à une vitesse d’aéronef d’environ 0,25 Mn, ou entre environ 0,24 et 0,27 Mn. Les conditions de décollage maximal pour le moteur peuvent par conséquent être définies comme le fonctionnement du moteur à une poussée maximale au décollage (par exemple, accélération maximale) pour le moteur à une pression et une température au niveau de la mer d’Atmosphère Type Internationale (ISA) +15°C avec une vitesse d’entrée de soufflante de 0,25 Mn. Une vitesse maximale de décollage (vitesse MTO) est la vitesse de rotation de la soufflante (et de l’arbre de soufflante attaché) dans des conditions MTO, et est mesurée en Hz (une fréquence de rotation de l’arbre de soufflante).
Une pale de soufflante et/ou une partie de profil aérodynamique d’une pale de soufflante décrite(s) et/ou revendiquée(s) ici peut/peuvent être fabriquée(s) à partir de n’importe quel matériau approprié ou d’une combinaison de matériaux. Par exemple au moins une partie de la pale de soufflante et/ou du profil aérodynamique peut être fabriquée au moins en partie à partir d’un composite, par exemple un composite à matrice métallique et/ou un composite à matrice organique, tel que la fibre de carbone. À titre d’exemple supplémentaire, au moins une partie de la pale de soufflante et/ou du profil aérodynamique peut être fabriquée au moins en partie à partir d’un métal, tel qu’un métal à base de titane ou un matériau à base d’aluminium (tel qu’un alliage d’aluminium-lithium) ou un matériau à base d’acier. La pale de soufflante peut comprendre au moins deux régions fabriquées en utilisant des matériaux différents. Par exemple, la pale de soufflante peut avoir un bord d’attaque protecteur, qui peut être fabriqué en utilisant un matériau qui est plus capable de résister aux chocs (par exemple des oiseaux, de la glace ou tout autre matériau) que le reste de la pale. Un tel bord d’attaque peut par exemple être fabriqué en utilisant le titane ou un alliage à base de titane. Ainsi, à titre purement indicatif, la pale de soufflante peut avoir un corps à base de fibre de carbone ou d’aluminium (tel qu’un alliage d’aluminium-lithium) avec un bord d’attaque en titane.
Une soufflante telle que décrite et/ou revendiquée ici peut comprendre une partie centrale, à partir de laquelle les pales de soufflante peuvent s’étendre, par exemple dans une direction radiale. Les pales de soufflante peuvent être attachées à la partie centrale de n’importe quelle manière souhaitée. Par exemple, chaque pale de soufflante peut comprendre un élément de fixation qui peut s’engager dans une fente correspondante dans le moyeu (ou disque). À titre purement indicatif, un tel élément de fixation peut se présenter sous la forme d’une queue d’aronde qui peut s’insérer dans et/ou s’engager dans une fente correspondante dans le moyeu/disque afin de fixer la pale de soufflante au moyeu/disque. À titre d’exemple supplémentaire, les pales de soufflante peuvent être formées d’un seul tenant avec une partie centrale. Un tel agencement peut être appelé un disque à aubage ou une bague à aubage. Tout procédé approprié peut être utilisé pour fabriquer un tel disque à aubage ou une telle bague à aubage. Par exemple, au moins une partie des pales de soufflante peut être usinée à partir d’un bloc et/ou au moins une partie des pales de soufflante peut être attachée au moyeu/disque par soudage, tel qu’un soudage par friction linéaire.
Les moteurs à turbine à gaz décrits et/ou revendiqués ici peuvent ou non être pourvus d’une tuyère à section variable (VAN). Une telle tuyère à section variable peut permettre de faire varier la surface de sortie du conduit de dérivation lors de l’utilisation. Les principes généraux de la présente divulgation peuvent s’appliquer à des moteurs avec ou sans VAN.
La soufflante d’une turbine à gaz telle que décrite et/ou revendiquée ici peut avoir n’importe quel nombre souhaité de pales de soufflante, par exemple 14, 16, 18, 20, 22, 24 ou 26 pales de soufflante.
Telles qu’utilisées ici, les conditions de croisière ont la signification conventionnelle et seraient facilement comprises par l’homme du métier. Ainsi, pour un moteur à turbine à gaz donné pour un aéronef, l’homme du métier reconnaîtrait immédiatement les conditions de croisière comme désignant le point de fonctionnement du moteur à mi-croisière d’une mission donnée (que l’on peut appeler dans l’industrie la « mission économique ») d’un aéronef auquel le moteur à turbine à gaz est conçu pour être attaché. À cet égard, la mi-croisière est le moment dans un cycle de vol d’un aéronef où 50% du carburant total brûlé entre le sommet de la montée et le début de la descente a été brûlé (ce qui peut être approximé par le point médian - en termes de temps et/ou de distance - entre le sommet de la montée et le début de la descente). Les conditions de croisière définissent ainsi un point de fonctionnement du moteur à turbine à gaz qui fournit une poussée qui assurerait un fonctionnement en régime permanent (c’est-à-dire en maintenant une altitude constante et un nombre de Mach constant) à mi-croisière d’un aéronef auquel il est conçu pour être attaché, en tenant compte du nombre de moteurs fournis à cet aéronef. Par exemple, lorsqu’un moteur est conçu pour être attaché à un aéronef équipé de deux moteurs du même type, dans des conditions de croisière le moteur fournit la moitié de la poussée totale qui serait nécessaire pour le fonctionnement en régime permanent de cet aéronef à mi-croisière.
En d’autres termes, pour un moteur à turbine à gaz donné pour un aéronef, les conditions de croisière sont définies comme le point de fonctionnement du moteur qui fournit une poussée spécifiée (nécessaire pour assurer - en combinaison avec tout autre moteur de l’aéronef - le fonctionnement en régime permanent de l’aéronef auquel il est conçu pour être attaché à un nombre de Mach de mi-croisière donné) dans les conditions atmosphériques de mi-croisière (définies par l’Atmosphère Type International conformément à la norme ISO 2533 à l’altitude de mi-croisière). Pour tout moteur à turbine à gaz donné pour un aéronef, la poussée de mi-croisière, les conditions atmosphériques et le nombre de Mach sont connus, et ainsi le point de fonctionnement du moteur dans les conditions de croisière est clairement défini.
À titre d’exemple, la vitesse d’avancement dans les conditions de croisière peut être n’importe quel point dans la plage allant de Mach 0,7 à 0,9, par exemple de 0,75 à 0,85, par exemple de 0,76 à 0,84, par exemple de 0,77 à 0,83, par exemple de 0,78 à 0,82, par exemple de 0,79 à 0,81, par exemple de l’ordre de Mach 0,8, de l’ordre de Mach 0,85 ou dans la plage allant de 0,8 à 0,85. Toute vitesse unique dans ces plages peut faire partie des conditions de croisière. Pour certains aéronefs, les conditions de croisière peuvent être en dehors de ces plages, par exemple inférieures à Mach 0,7 ou supérieures à Mach 0,9.
À titre d’exemple, les conditions de croisière peuvent correspondre à des conditions atmosphériques normales (selon l’Atmosphère Type International, ISA) à une altitude qui se trouve dans la plage allant de 10000 m à 15000 m, par exemple dans la plage allant de 10000 m à 12000 m, par exemple dans la plage allant de 10400 m à 11600 m (environ 38000 pieds), par exemple dans la plage allant de 10500 m à 11500 m, par exemple dans la plage allant de 10600 m à 11400 m, par exemple dans la plage allant de 10700 m (environ 35000 pieds) à 11300 m, par exemple dans la plage allant de 10800 m à 11200 m, par exemple dans la plage allant de 10900 m à 11100 m, par exemple de l’ordre de 11000 m. Les conditions de croisière peuvent correspondre à des conditions atmosphériques normales à n’importe quelle altitude donnée dans ces plages.
À titre d’exemple, les conditions de croisière peuvent correspondre à un point de fonctionnement du moteur qui fournit un niveau de poussée requis connu (par exemple une valeur dans la plage allant de 30 kN à 35 kN) à un nombre de Mach d’avancement de 0,8 et des conditions atmosphériques normales (selon l’Atmosphère Type International) à une altitude de 38000 pieds (11582 m). À titre d’exemple supplémentaire, les conditions de croisière peuvent correspondre à un point de fonctionnement du moteur qui fournit un niveau de poussée requis connu (par exemple une valeur dans la plage allant de 50 kN à 65 kN) à un nombre de Mach d’avancement de 0,85 et des conditions atmosphériques normales (selon l’Atmosphère Type International) à une altitude de 35000 pieds (10668 m).
En utilisation, un moteur à turbine à gaz décrit et/ou revendiqué ici peut fonctionner dans les conditions de croisière définies ailleurs ici. De telles conditions de croisière peuvent être déterminées par les conditions de croisière (par exemple les conditions de mi-croisière) d’un aéronef sur lequel au moins un moteur à turbine à gaz (par exemple 2 ou 4) peut être monté pour fournir une poussée propulsive.
Selon un aspect, un aéronef comprenant un moteur à turbine à gaz tel que décrit et/ou revendiqué ici est prévu. L’aéronef selon cet aspect est l’aéronef pour lequel le moteur à turbine à gaz a été conçu pour être attaché. En conséquence, les conditions de croisière selon cet aspect correspondent à la mi-croisière de l’aéronef, tel que défini ailleurs ici.
Selon un aspect, un procédé de fonctionnement d’un moteur à turbine à gaz tel que décrit et/ou revendiqué ici est prévu. Le fonctionnement peut être dans les conditions de croisière tel que défini ailleurs ici (par exemple en termes de poussée, de conditions atmosphériques et de nombre de Mach).
Selon un aspect, un procédé de fonctionnement d’un aéronef comprenant un moteur à turbine à gaz comme décrit et/ou revendiqué ici est prévu. Le fonctionnement selon cet aspect peut comporter (ou peut être) un fonctionnement à mi-croisière de l’aéronef, tel que défini ailleurs ici.
L’homme du métier estimera que, sauf exclusion mutuelle, une caractéristique ou un paramètre décrit(e) en relation avec l’un quelconque des aspects ci-dessus peut être appliqué(e) à n’importe quel autre aspect. En outre, sauf exclusion mutuelle, tout(e) caractéristique ou paramètre décrit(e) ici peut être appliqué(e) à n’importe quel aspect et/ou combiné(e) avec n’importe quel(le) autre caractéristique ou paramètre décrit(e) ici.
Des modes de réalisation seront maintenant décrits à titre d’exemple uniquement, en référence aux figures, dans lesquelles :
est une vue latérale en coupe d’un moteur à turbine à gaz ;
est une vue latérale en coupe rapprochée d’une partie amont d’un moteur à turbine à gaz ;
est une vue de coupe partielle d’une boîte à engrenages pour un moteur à turbine à gaz ;
est une vue latérale en coupe d’une partie avant d’un moteur à turbine à gaz ;
est une vue latérale en coupe d’une partie avant d’un moteur à turbine à gaz différente de celle représentée sur la ;
est un diagramme de Campbell dans le référentiel inertiel, illustrant divers modes vibratoires ;
est le diagramme de Campbell de la avec des paramètres A, B et C marqués ;
est le diagramme de Campbell de la avec des paramètres D, E et F marqués ;
est un diagramme schématique illustrant la rigidité à la flexion radiale d’un arbre ;
est une vue latérale en coupe d’une partie avant d’un moteur à turbine à gaz comme le montre la , illustrant comment est déterminée la rigidité à la flexion radiale de la structure de moteur avant ;
est un diagramme schématique illustrant la rigidité d’inclinaison d’un arbre ;
est une vue latérale en coupe d’une partie avant d’un moteur à turbine à gaz comme le montre la , illustrant comment est déterminée la rigidité d’inclinaison de l’arbre de soufflante ;
est un graphique du déplacement en fonction de la charge, illustrant une région élastique à l’intérieur de laquelle les rigidités des composants peuvent être déterminées ;
est une vue latérale en coupe d’un moteur à turbine à gaz similaire à celui représenté sur la , mais avec un agencement d’arbre de soufflante différent ;
illustre divers procédés ;
illustre schématiquement des modes de tourbillonnement de la soufflante et de l’arbre de soufflante (Rotor RW, 1FW, Fan FTW, Rotor FW) ;
illustre schématiquement le premier mode de balancement (flexion) d’une structure de moteur avant (FSN) ; et
illustre schématiquement le premier mode de battement à onde progressive inverse (RTW) d’un système de soufflante (Fan RTW).
La illustre un moteur à turbine à gaz 10 ayant un axe de rotation principal 9. Le moteur 10 comprend une prise d’air 12 et une soufflante de propulsion 23 qui génère deux flux d’air : un flux d’air de noyau A et un flux d’air de dérivation B. Le moteur à turbine à gaz 10 comprend un noyau 11 qui reçoit le flux d’air de noyau A. Le noyau de moteur 11 comprend, en série de flux axial, un compresseur basse pression 14, un compresseur haute pression 15, un équipement de combustion 16, une turbine haute pression 17, une turbine basse pression 19 et une tuyère d’échappement de noyau 20. Une nacelle 21 entoure le moteur à turbine à gaz 10 et définit un conduit de dérivation 22 et une tuyère d’échappement de dérivation 18. Le flux d’air de dérivation B traverse le conduit de dérivation 22. La soufflante 23 est attachée à et entraînée par la turbine basse pression 19 via un arbre 26 et une boîte à engrenages épicycloïdaux 30.
En cours d’utilisation, le flux d’air de noyau A est accéléré et comprimé par le compresseur basse pression 14 et dirigé dans le compresseur haute pression 15 où une compression supplémentaire a lieu. L’air comprimé évacué du compresseur haute pression 15 est dirigé dans l’équipement de combustion 16 où il est mélangé avec du carburant et le mélange est soumis à une combustion. Les produits de combustion chauds résultants se dilatent ensuite à travers, et entraînent ainsi, les turbines haute pression et basse pression 17, 19 avant d’être évacués à travers la tuyère 20 pour fournir une certaine poussée propulsive. La turbine haute pression 17 entraîne le compresseur haute pression 15 par un arbre d’interconnexion approprié 27. La soufflante 23 fournit généralement la majorité de la poussée propulsive. La boîte à engrenages épicycloïdaux 30 est un réducteur.
Un exemple d’agencement pour un moteur à turbine à gaz à soufflante à réducteur 10 est représenté sur la . La turbine basse pression 19 (voir ) entraîne l’arbre 26, qui est couplé à une roue planétaire, ou à un planétaire, 28 de l’agencement à engrenages épicycloïdaux 30. Une pluralité d’engrenages planétaires 32 qui sont couplés entre eux par un porte-satellites 34 se trouve radialement vers l’extérieur du planétaire 28 et s’engrenant avec celui-ci. Le porte-satellites 34 contraint les engrenages planétaires 32 à effectuer une précession autour du planétaire 28 en synchronisme tout en permettant à chaque engrenage planétaire 32 de tourner autour de son propre axe. Le porte-satellites 34 est couplé via des bielles 36 à la soufflante 23 pour entraîner sa rotation autour de l’axe de moteur 9. Radialement vers l’extérieur des engrenages planétaires 32 et s’engrenant avec celles-ci se trouve un anneau ou une couronne 38 qui est couplé(e), via des bielles 40, à une structure de support stationnaire 24.
On notera que les termes « turbine basse pression » et « compresseur basse pression » tels qu’utilisés ici peuvent être interprétés comme désignant respectivement les étages de turbine de plus basse pression et les étages de compresseur de plus basse pression (c’est-à-dire n’incluant pas la soufflante 23) et/ou les étages de turbine et de compresseur qui sont reliés entre eux par l’arbre d’interconnexion 26 avec la vitesse de rotation la plus faible dans le moteur (c’est-à-dire n’incluant pas l’arbre de sortie de boîte à engrenages qui entraîne la soufflante 23). Dans certaines publications, les termes « turbine basse pression » et « compresseur basse pression » auxquels il est fait référence ici peuvent aussi être appelés la « turbine à pression intermédiaire » et le « compresseur à pression intermédiaire ». Lorsqu’une telle nomenclature alternative est utilisée, la soufflante 23 peut être appelée premier étage de compression ou étage de compression de plus basse pression.
La boîte à engrenages épicycloïdaux 30 est représentée à titre d’exemple plus en détail sur la . Chacun du planétaire 28, des engrenages planétaires 32 et de la couronne 38 comprend des dents autour de sa périphérie pour s’engrener avec les autres engrenages. Cependant, pour plus de clarté, seules des parties exemplaires des dents sont illustrées sur la . Il y a quatre engrenages planétaires 32 illustrés, bien qu’il soit évident pour l’homme du métier que plus ou moins d’engrenages planétaires 32 peuvent être prévues dans l’étendue de l’invention revendiquée. Les applications pratiques d’une boîte à engrenages épicycloïdaux planétaires 30 comprennent généralement au moins trois engrenages planétaires 32.
La boîte à engrenages épicycloïdaux 30 illustrée à titre d’exemple sur les Figures 2 et 3 est du type planétaire, dans le sens où le porte-satellites 34 est accouplé à un arbre de sortie via des bielles 36, avec la couronne 38 fixe. Cependant, tout autre type approprié de boîte à engrenages épicycloïdaux 30 peut être utilisé. À titre d’exemple supplémentaire, la boîte à engrenages épicycloïdaux 30 peut être un agencement en étoile, dans lequel le porte-satellites 34 est maintenu fixe, avec la couronne (ou anneau) 38 autorisée à tourner. Dans un tel agencement, la soufflante 23 est entraînée par la couronne 38. À titre d’exemple alternatif supplémentaire, la boîte à engrenages 30 peut être une boîte à engrenages différentielle dans laquelle la couronne 38 et le porte-satellites 34 sont tous deux autorisés à tourner.
On comprendra que l’agencement est représenté à titre d’exemple uniquement sur les Figures 2 et 3, et diverses variantes sont dans l’étendue de la présente divulgation. À titre purement illustratif, tout agencement approprié peut être utilisé pour positionner la boîte à engrenages 30 dans le moteur 10 et/ou pour relier la boîte à engrenages 30 au moteur 10. À titre d’exemple supplémentaire, les liaisons (telles que les bielles 36, 40 dans l’exemple de la ) entre la boîte à engrenages 30 et d’autres parties du moteur 10 (telles que l’arbre d’entrée 26, l’arbre de sortie et la structure fixe 24) peuvent avoir n’importe quel degré souhaité de rigidité ou de flexibilité. À titre d’exemple supplémentaire, tout agencement approprié des paliers entre les parties rotatives et stationnaires du moteur (par exemple entre les arbres d’entrée et de sortie de la boîte à engrenages et les structures fixes, telles que le carter de boîte à engrenages) peut être utilisé, et la divulgation n’est pas limitée à l’agencement exemplaire de la . Par exemple, lorsque la boîte à engrenages 30 a un agencement en étoile (décrit ci-dessus), l’homme du métier comprendrait aisément que l’agencement des bielles de sortie et de support et les emplacements de palier seraient typiquement différents de ceux représentés à titre d’exemple sur la .
En conséquence, la présente divulgation s’étend à un moteur à turbine à gaz ayant un agencement de styles de boîte à engrenages (par exemple en étoile ou planétaire), des structures de support, un agencement d’arbres d’entrée et de sortie et des emplacements de palier quelconques.
Facultativement, la boîte à engrenages peut entraîner des composants supplémentaires et/ou alternatifs (par exemple le compresseur à pression intermédiaire et/ou un précompresseur).
D’autres moteurs à turbine à gaz auxquels la présente divulgation peut être appliquée peuvent avoir des configurations alternatives. Par exemple, de tels moteurs peuvent avoir un nombre alternatif de compresseurs et/ou de turbines et/ou un nombre alternatif d’arbres d’interconnexion. À titre d’exemple supplémentaire, le moteur à turbine à gaz représenté sur la a une tuyère à flux divisé 18, 20, c’est à dire que le flux à travers le conduit de dérivation 22 a sa propre tuyère 18 qui est séparée de et radialement à l’extérieur de la tuyère de noyau de moteur 20. Cependant, ceci n’est pas limitatif, et tout aspect de la présente divulgation peut également s’appliquer à des moteurs dans lesquels le flux à travers le conduit de dérivation 22 et le flux à travers le noyau 11 sont mélangés, ou combinés, avant (ou en amont de) d’une seule tuyère, qui peut être appelée tuyère à flux mixte. Une tuyère ou les deux tuyères (qu’il s’agisse d’une tuyère à flux mixte ou divisé) peut/peuvent avoir une surface fixe ou variable.
La géométrie du moteur à turbine à gaz 10, et de ses composants, est définie par un système d’axe conventionnel, comprenant une direction axiale (qui est alignée avec l’axe de rotation 9), une direction radiale (dans la direction de bas en haut sur la ) et une direction circonférentielle (perpendiculaire à la page dans la vue de la ). Les directions axiale, radiale et circonférentielle sont perpendiculaires entre elles.
Le moteur 10 est agencé pour être monté sur une aile d’un aéronef en vue de son utilisation, au moyen d’un ou de plusieurs support(s) 41. Dans les agencements décrits, le moteur 10 est entouré d’une nacelle 21, qui entoure la soufflante 23. Dans l’exemple représenté sur la (sur cette Figure la nacelle 21 n’est pas visible), le support de moteur avant 41 (c’est-à-dire le support le plus en avant reliant le moteur 10 à l’aile, quel que soit le nombre de supports qu’il peut y avoir) peut être décrit comme un support de noyau avant 41, puisqu’il relie le noyau 11 directement à l’aile. Dans l’exemple alternatif représenté sur la , le support avant 41 est un support avant de carter de soufflante, au lieu d’un support avant de noyau, puisqu’il relie le carter de soufflante 45 à l’aile de l’aéronef (le carter de soufflante 45 étant généralement positionné immédiatement dans la nacelle 21, autour de l’emplacement axial des pointes de pales de soufflante). La description ci-dessous peut s’appliquer également à des moteurs 10 avec des supports de noyau 41 et/ou des supports de carter de soufflante 41 ; l’exemple avec un support de noyau illustré sur la est choisi pour la discussion ci-dessous à titre d’exemple uniquement ; la divulgation n’est pas limitée à un tel agencement.
Le moteur comprend un arbre de soufflante 36 s’étendant, dans un moteur à engrenages 10, entre une position d’entrée de soufflante et une position de sortie de boîte à engrenages. Dans l’agencement représenté sur la , l’arbre de soufflante 36 s’étend en outre vers l’arrière de la position de sortie de boîte à engrenages, la longueur d’arbre de soufflante supplémentaire fournissant des options pour le montage d’arbre de soufflante à l’arrière de la boîte à engrenages 30. L’arbre de soufflante 36 transmet un entraînement de la boîte à engrenages 30 à la soufflante 23. L’arbre de soufflante 36 peut être défini comme le composant de transfert de couple qui couple la sortie de la boîte à engrenages 30 à l’entrée de soufflante. Aux fins de la définition de la rigidité de l’arbre de soufflante 36, on considère qu’il s’étend entre une position d’entrée de soufflante (c’est-à-dire la position axiale de la liaison de la soufflante 23 à l’arbre de soufflante (36) et un palier arrière b sur l’arbre de soufflante 36 comme décrit ci-dessous.
Dans divers agencements, l’arbre de soufflante 36 est supporté par deux paliers - un premier palier avant, a, situé le plus proche de la soufflante 23, et un deuxième palier arrière, b, situé à l’arrière du premier palier, a. Les paliers a, b limitent le mouvement radial de l’arbre 36, renforçant ainsi des positions de nœuds pour les modes de tourbillonnement de l’arbre de soufflante 36. Dans des agencements alternatifs, tels que celui représenté sur la , l’arbre de soufflante 36 peut être supporté par plus de deux paliers - par exemple par trois paliers. Les paliers a, b sont tous les deux (ou tous) situés à l’arrière de la position d’entrée de soufflante ; le système de rotor comprenant la soufflante 23 et l’arbre de soufflante 36 peut donc être décrit comme un système de rotor en porte-à-faux, à mesure que la soufflante 23 n’est supportée que par un arbre de soufflante 36 qui est supporté à l’arrière de l’emplacement axial auquel la soufflante 23 est reliée à l’arbre de soufflante 36.
Pour les agencements décrits en détail ci-dessous, l’arbre de soufflante 36 s’étend vers l’arrière à travers la boîte à engrenages 30, comme le montre la . La longueur supplémentaire de l’arbre de soufflante 36 peut servir à améliorer ou à faciliter le positionnement axial de l’arbre de soufflante 36. Dans l’agencement représenté sur la , la boîte à engrenages 30 est une boîte à engrenages à trains planétaires, et l’arbre de soufflante 36 est donc entraîné par un arbre de sortie de boîte à engrenages 35 relié au porte-satellites 34. L’arbre de soufflante 36 est donc entraîné par la rotation du porte-satellites 34, et n’interagit pas autrement avec la boîte à engrenages 30, malgré son passage par celle-ci. Dans un moteur 10 avec une boîte à engrenages en étoile 30, l’arbre de soufflante 36 serait plutôt entraîné par la couronne 38.
Le palier avant, a, sur l’arbre de soufflante 36 de cet agencement est situé à proximité de la soufflante 23, en avant de la boîte à engrenages 30, et plus spécifiquement à proximité (et vers l’arrière de) de la position d’entrée de soufflante, c’est-à-dire la liaison entre l’arbre de soufflante 36 et la soufflante 23. Le palier avant, a, est un palier à roulement monté sur une structure statique du moteur 10 (et plus précisément dans l’exemple représenté, généralement lié rigidement à la structure statique 24, comportant l’aube directrice de sortie de soufflante/stator de moteur). Le palier arrière, b, sur l’arbre de soufflante 36 de cet agencement est situé à l’arrière de la boîte à engrenages 30. Le palier arrière, b, est un palier à joues, servant à positionner axialement l’arbre de soufflante 36. Le palier b est un palier inter-arbres dans l’agencement représenté ; positionnant axialement l’arbre de soufflante 36 par rapport à l’arbre de noyau 26. Un palier supplémentaire positionne axialement l’arbre de noyau 26 dans le moteur 10.
Dans l’agencement représenté sur la , un troisième palier, c, est prévu sur l’arbre de soufflante 36, entre les paliers a et b. Ce palier c est un palier receveur prévu pour la sécurité. Dans des agencements alternatifs, ce palier c peut ne pas être présent. Dans divers modes de réalisation avec plus de deux paliers sur l’arbre de soufflante 36, le palier le plus en avant, le plus proche de la soufflante 23, peut être considéré comme un palier a et le palier le plus en arrière, le plus éloigné de la soufflante, comme un palier b.
Le moteur 10 comprend en outre une structure de moteur avant 42 et un panneau arrière de boîte à engrenages de puissance (panneau arrière PGB) 43.
La structure de moteur avant 42 est de forme essentiellement conique dans l’agencement représenté sur les Figures 1 et 14, s’étendant vers l’arrière et vers l’extérieur du palier avant, a, vers le stator de section moteur 24. Elle est montée rigidement sur la structure stationnaire de moteur 24 (dans l’agencement représenté, le stator de section moteur 24 est structurel et fait partie de la structure stationnaire de moteur - dans d’autres agencements, la structure stationnaire de moteur 24 peut ne pas inclure le stator de section moteur), et fournit un montage pour le palier avant a, et, le cas échéant, le palier intermédiaire c. Dans l’agencement représenté, la structure de moteur avant 42 s’étend d’une position axiale en avant de la boîte à engrenages 30 à une position axiale sur la longueur de la boîte à engrenages 30. La structure de moteur avant 42 fournit donc un certain support à la soufflante 23, et assure également l’étanchéité et le confinement pour la chambre de boîte de transmission de puissance 30, qui contient généralement un brouillard air/huile pendant le fonctionnement. Le palier avant, a, est monté sur (ou fait partie intégrante de) la structure de moteur avant 42.
Le panneau arrière PGB 43 peut jouer un rôle dans l’étanchéité et le positionnement de la boîte à engrenages 30 ; il peut en outre fournir une fonction dynamique de rotor au compresseur de pression intermédiaire 14. Le panneau arrière PGB 43 est de forme essentiellement conique dans l’agencement représenté sur les Figures 1 et 14, s’étendant vers l’arrière et vers l’intérieur d’une position proche du stator de section moteur 24 vers le palier arrière, b. Le panneau arrière PGB est monté de manière rigide sur la structure stationnaire de moteur 24 (dans l’agencement représenté, le stator de section moteur 24 est structurel et fait partie de la structure stationnaire de moteur - dans d’autres agencements, la structure stationnaire de moteur 24 peut ne pas inclure le stator de section moteur). Dans l’agencement représenté, le panneau arrière PGB 43 s’étend d’une position axiale sur la longueur de la boîte à engrenages 30 à une position axiale vers l’arrière de la boîte à engrenages 30.
Le panneau arrière PGB 43 fournit donc un certain support à l’arbre de soufflante 36, via l’arbre de noyau 26, et assure également l’étanchéité et le confinement du côté arrière de la chambre de boîte à engrenages de puissance 30, qui contient généralement un brouillard air/huile pendant le fonctionnement.
La structure de moteur avant 42 et le panneau arrière PGB 43 forment ensemble une enceinte autour de la chambre de boîte à engrenages 30a, protégeant le reste du moteur 10 du brouillard air/huile généralement généré par la boîte à engrenages 30 pendant le fonctionnement. La structure de moteur avant 42 et le panneau arrière PGB 43 sont agencés pour ne pas tourner avec l’arbre de soufflante 36, et peuvent donc être appelés parties de la structure statique du moteur 10.
Pour simplifier la description, ici :
  • un « système de soufflante » est défini comme comprenant la soufflante 23 (pales et moyeu de soufflante) et l’arbre de soufflante 36 ; et
  • un « système de rotor basse pression » (système de rotor LP) est défini comme comprenant tous les composants 23, 36 du système de soufflante, et en outre l’arbre de sortie de boîte à engrenages 35 qui entraîne l’arbre de soufflante 36 (dans l’agencement représenté sur la , l’arbre de sortie de boîte à engrenages 35 est l’arbre de sortie de porte-satellites, car il s’agit d’une boîte à engrenages à trains planétaire 30).
Modes Vibratoires de Moteur
Les figures 4 et 5 illustrent chacune une partie avant d’un moteur à turbine à engrenages 10, avec une soufflante 23 de diamètre relativement grand, par exemple ayant un diamètre de soufflante supérieur ou égal à 215 cm, et facultativement supérieur ou égal à 250 cm. La soufflante 23 est située en avant du support de moteur avant 41 dans un agencement de montage en porte-à-faux (c’est-à-dire que l’arbre de soufflante 36 est supporté sur un seul côté de la position de montage de la soufflante 23, à savoir vers l’arrière de la position axiale à laquelle la soufflante 23 est reliée à l’arbre de soufflante 36, de sorte que l’arbre de soufflante 36 puisse être traité comme une poutre en porte-à-faux).
Un moteur 10 de ce type peut généralement avoir trois fréquences propres (modes) d’intérêt qui peuvent coïncider ou presque-coïncider en fréquence. Ces modes sont :
1) Le premier mode de balancement (flexion) de la structure de moteur avant 42 (FSN) ;
2) Le premier mode de battement à onde progressive inverse (RTW) du système de soufflante 23 (Fan RTW) ; et
3) Le premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement inverse (RW) du système de rotor LP (Rotor RW).
La présente un diagramme de Campbell dans le référentiel inertiel, montrant divers modes vibratoires.
Comme décrit ici, les valeurs de fréquence de rotation ne sont pas directionnelles - les fréquences sont toutes données sous forme de valeurs absolues (positives), quelle que soit la direction de rotation. De même, toutes les différences de fréquence sont données sous forme de valeurs positives, avec n’importe quelle fréquence de la paire à comparer ayant la valeur absolue la plus basse soustraite de n’importe quelle fréquence ayant la valeur absolue la plus élevée. Tous les modes vibratoires décrits sont des vibrations d’ordre le plus bas de leur type respectif (le fondamental) - des harmoniques de fréquence plus élevée peuvent également être présentes, mais dans diverses conceptions d’aéronefs, y compris celles des exemples décrits, les modes fondamentaux sont d’un intérêt particulier étant donné que plusieurs de ces modes de premier ordre presque coïncident les uns avec les autres et/ou sont proches des fréquences de forçage (de déséquilibre ou aérodynamique) susceptibles d’être présentes lors de l’utilisation. La presque coïncidence et/ou le forçage peut/peuvent amplifier les réponses vibratoires. De plus, l’homme du métier estimera que, si les vibrations d’ordre supérieur du même type ont des amplitudes plus petites que les vibrations d’ordre inférieur et sont donc souvent moins importantes du point de vue de leur effet sur le moteur 10, elles pourraient présenter un danger si elles sont forcées et/ou si elles sont presque coïncidentes.
Le premier mode de balancement (flexion) de la structure de moteur avant 42 peut être appelé le mode de Balancement de Structure de moteur Avant, et appelé FSN. La ligne FSN est représentée par une ligne pointillée sur les figures 6 à 8.
Le premier mode de balancement de la structure de moteur avant 42 (FSN) est illustré schématiquement sur la . L’ensemble de la structure de moteur avant 42 se plie, ou « se balance », en avant de la position du palier arrière, b, et du support avant. 41. On notera que la (et de manière correspondante également les Figures 16 et 18) sont destinées à démontrer la forme de mode du mode concerné, mais que le déplacement est exagéré pour la clarté de la démonstration.
Le premier mode de battement à onde progressive inverse de la soufflante 23 est un exemple d’un mode de Tourbillonnement vers l’Arrière de la soufflante, et peut être appelé Fan RTW. L’homme du métier apprécierait que la soufflante 23 a intrinsèquement une certaine flexibilité, comme requis pour présenter des vibrations Fan RTW, et peut donc être appelée soufflante flexible 23. La ligne Fan RTW est représentée par une ligne pleine en gris foncé sur les Figures 6 à 8. Le mode Fan RTW est principalement composé du mouvement des pales de soufflante, avec seulement une petite contribution de l’arbre de soufflante 36. La illustre schématiquement le premier mode de battement à onde progressive inverse (RTW) d’un système de soufflante 23, 36 (Fan RTW). Comme illustré par la figure, le mouvement de l’arbre de soufflante 36 est plus petit que celui des pales de soufflante 23, et est en effet souvent négligeable.
Le premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement inverse de l’arbre de soufflante 36 est un autre exemple d’un mode de Tourbillonnement vers l’Arrière, et peut être appelé Rotor RW. La ligne Rotor RW est représentée par une ligne noire pointillée sur les Figures 6 à 8. Le mode Rotor RW est principalement composé de la flexion de l’arbre de soufflante 36, avec une certaine contribution de la flexion de pale de soufflante.
Les deux modes vibratoires décrits ci-dessus, Fan RTW et Rotor RW, sont donc tous deux des modes de « tourbillonnement vers l’arrière » (ou « tourbillonnement inverse ») ; c’est-à-dire que la direction du tourbillonnement est opposée à la direction de rotation du système de rotor 23, 36. Dans l’exemple représenté sur la , le mode de tourbillonnement inverse à la fréquence la plus faible est le premier mode de battement à onde progressive inverse (Fan RTW) de la soufflante flexible 23. Le deuxième mode de tourbillonnement inverse à la fréquence la plus faible est le premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement inverse (Rotor RW) de l’arbre de soufflante 36. Cependant, l’inverse peut se produire dans d’autres agencements (c’est-à-dire que le Rotor RW peut avoir une fréquence inférieure à celle de Fan RTW).
Le diagramme de Campbell ( ) montre également la ligne synchrone, 1EO, qui peut également être appelée la première ligne de commande de moteur. La ligne 1EO représente la ligne de fonctionnement de vitesse d’arbre de soufflante et est représentée par une ligne noire pleine sur les figures 6 à 8. La illustre donc la coïncidence entre les fréquences propres, ωn, des modes FSN, Fan RTW et Rotor RW, et la vitesse d’arbre de soufflante de moteur (fréquence de forçage) Ωfan, aux intersections des lignes de modes avec la ligne 1EO.
Si le premier mode de tourbillonnement inverse de rotor (Rotor RW) et/ou le premier mode de battement de pale de soufflante à onde progressive inverse (Fan RTW) a/ont une marge de fréquence insuffisante au-dessus de la vitesse de rotation maximale de l’arbre de soufflante (c’est-à-dire si les fréquences de modes sont trop similaires à la fréquence de rotation maximale de l’arbre de soufflante/s’il n’y a pas suffisamment de différence de fréquence entre eux), l’un et/ou l’autre de ces modes peut/peuvent être excité(s) par une charge de forçage qui est statique dans le référentiel inertiel (tel que vu par un observateur extérieur observant le moteur 10). Des exemples d’un tel forçage comportent les charges aérodynamiques sur les pales de soufflante 23 et les frottements de pointe de pales de soufflante.
Si la marge de fréquence était nulle (c’est-à-dire si la fréquence de mode était égale à la fréquence de rotation maximale de l’arbre de soufflante), l’onde progressive inverse de la soufflante 23 et/ou la réponse de rotor serait/seraient stationnaire(s) dans le référentiel inertiel, et donc une charge aérodynamique stationnaire ou un frottement de pointe de pales de soufflante pourrait augmenter rapidement l’amplitude de réponse à des niveaux dommageables/dangereux.
Une marge de fréquence, appelée la marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière, peut donc être réglée de manière appropriée pour éviter cette amplification de réponse.
La vitesse maximale de soufflante (c’est-à-dire la vitesse de soufflante MTO) est prise en compte pour établir cette marge de fréquence, car à des vitesses de rotor inférieures, le premier mode de tourbillonnement inverse (Rotor RW) et le premier mode de battement de pale de soufflante à onde progressive inverse (Fan RTW) ont des fréquences plus élevées dans le référentiel inertiel, tandis que la vitesse de rotor est inférieure. La condition de vitesse maximale de rotor est donc toujours la condition dans laquelle la marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière la plus faible se produit dans les moteurs 10 comme décrit.
Un premier paramètre, A, est défini comme étant la fréquence la plus faible soit du mode Fan RTW soit du mode Rotor RW à la vitesse maximale de décollage (MTO). Dans l’exemple représenté su la , une ligne correspondant à la vitesse MTO (ligne pointillée verticale) a été ajoutée au diagramme de Campbell pour faciliter la détermination de ce paramètre. Pour l’exemple représenté, Fan RTW est inférieur à Rotor RW, et la valeur de la ligne de mode Fan RTW où elle croise la ligne MTO est donc considérée comme étant la valeur du paramètre A, comme le montre la .
Un deuxième paramètre, B, est défini comme étant égal à la vitesse MTO. La vitesse MTO est une vitesse de rotation de la soufflante 23 et de l’arbre 36, et est donc définie en termes de fréquence - c’est-à-dire en tant que fréquence de rotation - pour faciliter la comparaison avec les autres fréquences décrites ici.
La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière est exprimée par A/B. La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière A/B peut être maintenue dans la plage allant de 15% à 50%, et de préférence supérieure à 25%, dans divers agencements.
Si le premier mode de tourbillonnement inverse de rotor (Rotor RW) et le premier mode de battement de pale de soufflante à onde progressive inverse (Fan RTW) ont une marge de fréquence mutuelle insuffisante (c’est-à-dire s’ils ont des fréquences trop proches), ces modes peuvent interagir de sorte que tout forçage tel que décrit ci-dessus puisse exciter ces deux modes au lieu d’un seul. Cela peut à nouveau conduire à une augmentation d’amplitudes délétères de réponses vibratoires.
Un paramètre, D, peut être défini comme étant la différence de fréquence entre les modes Fan RTW et Rotor RW à la vitesse MTO, comme marqué sur la . Celui-là est mesuré comme étant la différence de fréquence entre l’intersection de la ligne de Fan RTW et MTO, et l’intersection de la ligne Rotor RW et MTO.
La marge de fréquence mutuelle peut alors être exprimée par D/(A+B). La marge de fréquence D/(A+B) peut être maintenue dans la plage allant de 5% à 50% et de préférence supérieure à 10%, dans divers agencements.
Le mode de balancement de structure de moteur avant (FSN) est un mode d’une partie de la structure statique, la structure statique étant la partie du moteur 10 agencée pour ne pas tourner par rapport à un aéronef ou à une autre structure sur laquelle le moteur est monté en cours d’utilisation (c’est-à-dire ne pas tourner avec l’un quelconque des arbres 26, 36, de la soufflante 23 ou des turbines 19 en cours d’utilisation).
Le mode FSN peut être directement excité par un déséquilibre du rotor tel qu’un déséquilibre de la soufflante 23 et/ou de l’arbre de soufflante 36. La réponse au déséquilibre peut être amplifiée si le déséquilibre du rotor à la fréquence de forçage (vitesse de rotation de soufflante, par exemple mesurée en tant que fréquence de rotation) coïncide avec la fréquence propre du mode FSN. L’amplification peut rester faible à condition que le mode FSN n’ait pas une fréquence qui coïncide, ou presque coïncide, avec la fréquence de Fan RTW ou de Rotor RW. Cependant, l’amplitude vibratoire peut être augmentée de manière délétère si la fréquence du mode FSN est proche de la fréquence de Fan RTW ou de Rotor RW.
La fréquence du mode FSN dépend de la rigidité des différentes structures 42, 24 qui supportent directement et/ou indirectement l’arbre de soufflante 36, et en particulier de la rigidité de la structure de moteur avant 42. Dans divers modes de réalisation, le chemin de rigidité principal au plan de support avant (a) à partir de la soufflante 23 peut passer par la structure de moteur avant 42, y compris le stator de section moteur 24.
En général, la rigidité de la structure de moteur avant 42 peut ne pas être radialement symétrique - par exemple ne pas être égale dans des directions orthogonales en raison d’un agencement de support de moteur non axisymétrique. En conséquence, le mode de balancement de structure de moteur avant (FSN) est généralement composé d’une paire de modes à des fréquences propres similaires, mais pas identiques (par exemple étant séparés de 0 à 10% seulement, par exemple de 2 Hz) dans des directions orthogonales dans de tels exemples. Cette combinaison de modes orthogonaux peut amener la réponse vibratoire de structure de moteur avant au déséquilibre du rotor à être elliptique en orbite, et par conséquent le rotor (la soufflante 23 et l’arbre de soufflante 36) logé dans la structure de moteur avant 42 peut être forcé par une orbite elliptique au niveau de ses supports de palier a, b. L’orbite elliptique peut comprendre à la fois des composantes d’onde progressive directe et inverse ; un mécanisme est donc présenté pour exciter les modes de tourbillonnement inverse Fan RTW ou Rotor RW s’ils coïncident ou presque coïncident avec la fréquence FSN. Cet effet combiné pourrait augmenter rapidement l’amplitude de réponse vibratoire à des niveaux de nuisance ou, dans des cas extrêmes, à des niveaux potentiellement dommageables/dangereux. Une marge de fréquence de structure de moteur avant peut donc être adaptée pour éviter ce mécanisme d’amplification.
Un paramètre, E, est défini comme la différence de fréquence entre le mode FSN et le mode de fréquence la plus élevée de Fan RTW et de Rotor RW à leurs fréquences propres synchrones respectives, comme le montre la . Dans l’exemple représenté sur la , Rotor RW est plus élevé que Fan RTW, donc la différence de fréquence entre la ligne de Rotor RW où il croise 1EO et la ligne FSN est utilisée. Si Fan RTW était plus élevé que Rotor RW, la différence de fréquence entre la ligne Fan RTW où il croise 1EO et la ligne FSN serait utilisée.
Un paramètre, F, est défini comme la fréquence propre la plus faible de la paire de modes de balancement de structure de moteur avant (FSN), comme le montre la . Sur le diagramme de Campbell, la ligne FSN représentée correspond à la fréquence propre la plus faible de la paire de modes de balancement de structure de moteur avant.
La marge de fréquence de structure de moteur avant est exprimée par E/F. La marge de fréquence de structure de moteur avant E/F peut être maintenue dans la plage allant de 5% à 50%, et de préférence supérieure à 10%, dans divers agencements.
Dans les agencements de support de moteur axisymétriques, le mode FSN peut être composé d’un seul mode, réduisant ou évitant cette voie d’excitation ; la prise en compte de la marge de fréquence de structure de moteur avant peut être moins importante, voire inutile, dans de tels agencements.
Le mode FSN peut avoir tendance à déplacer, et potentiellement à plier, une nacelle 21 dans laquelle le moteur est monté. Une masse de la nacelle 21 peut donc être prise en compte dans le réglage de la marge de fréquence de structure de moteur avant, E/F. Par exemple, la masse de la nacelle peut être sélectionnée pour être dans la plage allant de 1000 kg à 3000 kg, et facultativement de 1500 kg à 2500 kg. En général, la fréquence du mode FSN peut être réduite proportionnellement au rapport de la masse modale de la nacelle 21 sur la masse modale du moteur 10, où la masse modale est calculée comme étant la masse qui participe au moyen de la contribution d’énergie cinétique à l’énergie totale dans le mode FSN. Par exemple, un moteur à turbine à engrenages 10 avec un diamètre de soufflante relativement grand et sans nacelle peut présenter un mode FSN à 26 Hz. Le même moteur 10 monté dans une nacelle d’une masse de 1500 kg, peut présenter un mode FSN à 20 Hz. Le même moteur 10 monté dans une nacelle d’une masse de 2500 kg, peut présenter un mode FSN à 16 Hz. On comprendra que ces valeurs sont fournies à titre d’exemple illustratif uniquement et ne sont pas destinées à être limitatives.
Un moteur à turbine à engrenages 10 du type ayant un diamètre de soufflante relativement grand et un rotor qui est en porte-à-faux en avant du support de moteur avant 41, comme le montrent les figures 4 et 5, peut en outre avoir une fréquence propre (mode) d’intérêt à un niveau supérieur. Ce mode peut être formé par une combinaison de deux modes de tourbillonnement vers l’avant (FW) :
1) Le premier mode de battement à onde progressive directe du système de soufflante 23 (flexible) (Fan FTW) ; et
2) Le premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement vers l’avant du système de rotor LP (Rotor FW).
Les deux modes vibratoires décrits ci-dessus, Fan FTW et Rotor FW, sont tous deux des modes de « tourbillonnement vers l’avant » ; c’est-à-dire que la direction du tourbillonnement est la même que la direction de rotation de la soufflante et du système de rotor LP 23, 36.
Sur le diagramme de Campbell dans le référentiel inertiel ( ), un mode de tourbillonnement vers l’avant est identifié par 1FW (1er tourbillonnement vers l’avant), et marqué par une ligne pointillée/pointillée. 1FW peut être décrit comme un mode de forme combinée du fait qu’il a des attributs à la fois de la forme du premier mode de battement de soufflante à onde progressive directe (Fan FTW) et de la forme du premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement vers l’avant de l’arbre de soufflante (Rotor FW).
La illustre schématiquement les modes de tourbillonnement de la soufflante 23 et de l’arbre de soufflante 36 (Rotor RW, 1FW, Fan FTW, Rotor FW). On comprendra que la forme de mode est généralement la même pour les modes de tourbillonnement vers l’avant et inverse, la différence étant la direction de rotation du tourbillonnement - les modes de tourbillonnement vers l’avant tournent dans la même direction que l’arbre 36 tandis que les modes de tourbillonnement inverse tournent dans la direction opposée à l’arbre 36.
Si le premier mode de tourbillonnement vers l’avant de rotor (1FW) a une marge de fréquence insuffisante au-dessus de la vitesse maximale de soufflante (vitesse MTO), ce mode peut être excité par un déséquilibre sur le rotor 23, 36, par exemple par un déséquilibre de la soufflante 23. Une qualité d’équilibre élevée et/ou une commande de la réponse dynamique de rotor peut/peuvent être fournie(s) par l’introduction d’un amortissement pour empêcher une réponse vibratoire élevée. La conséquence de ne pas empêcher une réponse vibratoire élevée serait que les vibrations du rotor 23, 36 pourraient causer des nuisances, imposer des limitations de durée de vie des composants et/ou nécessiter de fréquentes opérations d’équilibrage de soufflante. Dans certains cas, l’amplitude de réponse pourrait augmenter à des niveaux dommageables ou dangereux.
Une marge de fréquence, appelée la marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant, peut donc être réglée de manière appropriée.
Un paramètre, C, est défini comme la différence de fréquence entre l’intersection de 1FW avec la ligne synchrone 1EO (première ligne de commande de moteur) et l’intersection de MTO avec 1EO, comme le montre la .
La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant est exprimée par C/B, où B est la vitesse maximale de décollage (vitesse MTO), qui est définie en termes de fréquence de rotation, comme décrit ci-dessus. La marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant C/B peut être maintenue dans la plage allant de 10% à 100%, et de préférence supérieure à 30%, dans divers agencements.
Pour résumer, quatre marges de fréquence sont définies ici :
Marges de fréquence
Nom Définition Plage
Marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière A/B 15% à 50%, facultativement supérieure à 20%, 25%, 30% ou 35%, et facultativement inférieure à 45% ou 40%
Marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant


 C/B 10% à 100%, facultativement supérieure à 20%, 30%, 40% ou 50%, et facultativement inférieure à 90%, 80%, 70% ou 60%
Marge de fréquence mutuelle
 D/(A+B) 5% à 50%, facultativement supérieure à 10%, 15%, 20% ou 25%, et facultativement inférieure à 45%, 40% ou 35%
Marge de fréquence de structure de moteur avant E/F 5% à 50%, facultativement supérieure à 10%, 15%, 20% ou 25%, et facultativement inférieure à 45%, 40% ou 35%
Dans divers agencements, A/B ≥ 25%, C/B ≥ 30%, D/(A+B) ≥ 10% et E/F ≥ 10%.
Les six paramètres suivants, pouvant être obtenus facilement à partir d’un diagramme de Campbell comme illustré sur les Figures 6 à 8, sont utilisés pour calculer les marges de fréquence :
Paramètres
Nom Définition Plage
A la fréquence la plus faible soit du mode Fan RTW soit du mode Rotor RW à la vitesse maximale de décollage de 4 Hz à 22 Hz, facultativement de 5 Hz à 15 Hz, et en outre facultativement de 6 Hz à 10 Hz
B Vitesse maximale de décollage (MTO) de 25 Hz à 45 Hz, facultativement de 25 Hz à 30 Hz, par exemple pour un moteur avec un grand diamètre de soufflante (supérieur à 216 cm - 85 pouces), ou facultativement de 35 Hz à 45 Hz, par exemple pour un moteur avec un diamètre de soufflante plus petit
C la différence de fréquence entre l’intersection de 1FW avec 1EO et l’intersection de MTO avec 1EO de 8 Hz à 45 Hz, facultativement de 20 Hz à 40 Hz, et en outre facultativement de 25 Hz à 35 Hz
D la différence de fréquence entre le mode Fan RTW et le mode Rotor RW à la vitesse MTO de 2 Hz à 15 Hz, facultativement de 5 Hz à 15 Hz, et en outre facultativement de 5 Hz à 8 Hz
E la différence de fréquence entre le mode FSN et le mode de fréquence la plus élevée de Fan RTW et Rotor RW à leurs fréquences propres synchrones respectives de 2 Hz à 15 Hz, facultativement de 2 Hz à 10 Hz, et en outre facultativement de 3 Hz à 5 Hz
F la fréquence propre la plus faible de la paire de modes de balancement de structure de moteur avant (FSN) de 14 Hz à 26 Hz, facultativement de 15 Hz à 25 Hz, et en outre facultativement de 18 Hz à 22 Hz
Tous ces paramètres ont les unités de fréquence - Hz - et toutes les marges de fréquence sont donc sans dimension.
Dans divers agencements, une, certaines ou la totalité des quatre marges de fréquence décrites peut/peuvent être maintenue(s) dans les plages spécifiées. Diverses propriétés de moteur peuvent être contrôlées afin d’ajuster des propriétés vibratoires, y compris les suivantes. L’homme du métier apprécierait que le moteur 10 puisse être réglé de manière à permettre à la ou aux marge(s) de fréquence d’être située(s) dans les plages spécifiées de diverses manières différentes, étant donné que de multiples paramètres affectent les propriétés vibratoires de moteur. Les exemples ci-dessous de propriétés de moteur ne sont donc fournis qu’à titre d’exemple.
En particulier, les inventeurs ont apprécié que le réglage de la rigidité de la soufflante 23, de la rigidité de l’arbre de soufflante 36 et/ou de la rigidité de la structure de moteur avant 42 du moteur peut permettre ou faciliter d’éviter la coïncidence de fréquence entre les fréquences propres et leurs sources potentielles d’excitation.
Le diamètre de soufflante peut être supérieur ou égal à 215 cm (85”) ou 250 cm (100”), et peut facultativement être sélectionné pour être dans la plage allant de 215 cm à 420 cm ou de 250 cm à 370 cm (100” à 145”). La même taille de soufflante peut être utilisée pour les pales de soufflante 23 composites et métalliques.
La masse de soufflante (la masse de la soufflante 23, y compris le moyeu) peut être dans la plage allant de 300 à 1000 kg.
Le moment d’inertie de soufflante (le moment d’inertie de la soufflante 23, y compris le moyeu) autour de l’axe longitudinal de moteur peut être dans la plage allant de 100 à 600 kg.m².
La longueur d’arbre de soufflante, L, définie entre le palier avant a et le palier arrière b comme le montrent les Figures 4 et 5, peut être dans la plage allant de 900 mm à 1800 mm. La longueur d’arbre de soufflante, L, peut être définie entre les points centraux axiaux des paliers a, b. Dans les agencements avec plus de deux paliers sur l’arbre de soufflante 36, la longueur L peut être définie entre le palier d’arbre de soufflante le plus proche de la soufflante 23 et le palier d’arbre de soufflante le plus éloigné de la soufflante 23.
La distance en porte-à-faux de la structure de moteur avant, Dc, définie comme la distance entre le plan radial du support avant 41 (le plan de support avant) et le palier avant, a, comme le montre la , peut être dans la plage allant de 800 mm à 1700 mm. La distance en porte-à-faux de la structure de moteur avant, Dc, peut être définie entre le point central axial du palier avant a, et le point central axial du support avant 41 (c’est-à-dire que le plan de support avant est situé au niveau du point central axial du support avant 41).
Rigidité à la flexion radiale
Une rigidité à la flexion radiale est définie en référence à la en termes de la déformation d’une poutre en porte-à-faux 900, qui se déplace entre une première position 900a et une deuxième position 900b lors de l’application d’une force. Comme illustrée sur la , une force, F, appliquée à l’extrémité libre de la poutre 900a dans une direction perpendiculaire à l’axe longitudinal de la poutre provoque une déformation perpendiculaire linéaire, δ, vue dans la deuxième position 900b. La rigidité à la flexion radiale est la force appliquée pour une déformation linéaire donnée, c’est-à-dire F/δ. Dans la présente demande, la direction radiale est relative à l’axe de rotation 9 du moteur 10, et se rapporte ainsi à la résistance à une déformation linéaire dans une direction radiale du moteur provoquée par une force radiale. La poutre 900, ou composant en porte-à-faux équivalent, s’étend le long de l’axe de rotation du moteur, la force, F, est appliquée perpendiculairement à l’axe de rotation du moteur 10, selon toute direction radiale, et le déplacement, δ, est mesuré perpendiculairement à l’axe de rotation, le long de la ligne d’action de la force, F. La rigidité à la flexion radiale telle que définie ici a des Unités SI de N/m, et peut être mise à l’échelle en unités alternatives telles que kN/mm. Dans la présente demande, sauf indication contraire, la rigidité à la flexion radiale est considérée comme une rigidité de corps libre, c’est-à-dire une rigidité mesurée pour un composant isolé dans une configuration en porte-à-faux, sans autres composants présents qui peuvent affecter sa rigidité.
La détermination de la rigidité à la flexion radiale de la structure de moteur avant 42 est décrite par rapport à la . La structure de moteur avant 42 est considérée isolément (c’est-à-dire sans l’arbre de soufflante 36 et d’autres composants), et la déflexion en réponse à une force radiale de cisaillement, F, appliquée à la structure de moteur avant 42 au point central axial du palier avant, a, est déterminée, les structures statiques du moteur étant mises à la terre (c’est-à-dire traitées comme étant rigides/non mobiles) au niveau du plan radial du support avant 41.
La déflexion, δ, est mesurée en alignement avec la force appliquée, F, à la ligne médiane du palier avant, a. Des lignes diagonales sont utilisées pour indiquer que la structure est maintenue de manière à être rigide dans un plan radial aligné avec le support de moteur avant 41 - la flexion de la structure vers l’avant de cette liaison est mesurée.
Dans les moteurs 10 avec un agencement de support de moteur 41 non axisymétrique, la rigidité à la flexion radiale de la structure de moteur avant 42 peut ne pas être égale dans des directions orthogonales. Des mesures peuvent donc être prises à, ou des calculs effectués pour, plusieurs positions, par exemple à deux positions orthogonales, et la valeur la plus faible peut être prévue pour la rigidité à la flexion radiale de la structure de moteur avant 42. Dans l’exemple décrit, un montage de la structure de moteur avant 42 peut fournir une asymétrie évidente et des mesures peuvent donc être prises en alignement avec le support et perpendiculairement au support, par exemple. La rigidité la plus faible peut généralement correspondre à la fréquence FSN la plus faible, ce qui peut être intéressant pour la séparation de fréquence minimale au mode Fan RTW ou Rotor RW.
La rigidité à la flexion radiale de la structure de moteur avant peut être dans la plage allant de 80 à 180 kN/mm.
Rigidité d’inclinaison
Une rigidité d’inclinaison est définie en référence à la , qui montre la déformation résultante d’une poutre en porte-à-faux 900 d’une première position 900a à une deuxième position 900b sous un moment M appliqué à son extrémité libre. La rigidité d’inclinaison est une mesure de la résistance à la rotation d’un point du composant auquel un moment est appliqué. Comme le montre la , un moment appliqué à l’extrémité libre de la poutre en porte-à-faux provoque une courbure constante sur la longueur de la poutre entre ses extrémités libre et fixe. Le moment appliqué M provoque une rotation θ du point auquel il est appliqué. La rigidité d’inclinaison telle que définie ici a donc des unités SI de Nm/rad., et peut être mise à l’échelle en unités alternatives telles que N.mm/rad.
La détermination de la rigidité d’inclinaison de l’arbre de soufflante 36 est décrite par rapport à la . Des lignes diagonales sont utilisées pour indiquer que l’arbre de soufflante 36 est maintenu pour être goupillé aux paliers a et b - les paliers a, b sont traités comme étant rigides. L’arbre 36 est traité comme étant goupillé aux paliers a, b, car cela est représentatif des conditions aux limites lorsqu’il est installé dans le moteur 10. Dans des agencements avec plus de deux paliers sur l’arbre de soufflante 36, l’arbre de soufflante 36 peut être maintenu pour être goupillé à tous ces paliers.
Le moment, M, est appliqué autour d’un axe de rotation orienté selon un rayon du moteur 10 et à la position axiale du centre de gravité (CoG) de l’ensemble soufflante (c’est-à-dire le CoG de la soufflante 23, et n’incluant pas l’arbre de soufflante 36). L’axe de rotation du moment d’inclinaison, M, s’étend dans la page comme le montre la . La position axiale de CoG d’ensemble soufflante sur l’arbre de soufflante 36 est généralement au moins approximativement en alignement avec, et souvent légèrement en avant du, le palier avant, a, bien que la position précise puisse varier entre les différents agencements de moteurs.
Le changement d’angle, θ, est mesuré entre l’axe de moteur 9 et la tangente à l’arbre de soufflante 36 au niveau de la position axiale du CoG de l’ensemble soufflante (le point d’application du moment). La déflexion angulaire est mesurée en réponse à un moment radial ponctuel appliqué à l’arbre de soufflante 36 isolément (c’est-à-dire sans la structure de moteur avant 42 ou d’autres composants) au centre de gravité de soufflante, avec les centres de paliers goupillés en « a » et « b ».
La rigidité d’inclinaison de l’arbre de soufflante peut être dans la plage allant de 5 x 109à 12 x 109N.mm/rad.
La illustre comment les rigidités définies ici peuvent être mesurées. La montre un graphique du déplacement δ résultant de l’application d’une charge L (par exemple une force, un moment ou un couple) appliquée à un composant pour lequel la rigidité est mesurée. À des niveaux de charge allant de zéro à LP, il existe une région non linéaire dans laquelle le déplacement est provoqué par le mouvement du composant (ou le mouvement relatif de parties séparées du composant) lorsqu’il est chargé, plutôt que par la déformation du composant ; par exemple le déplacement dans le jeu entre des parties. À des niveaux de charge supérieure à LQ, la limite élastique du composant a été dépassée et la charge appliquée ne provoque plus de déformation élastique - une déformation plastique ou une défaillance du composant peut plutôt se produire. Entre les points P et Q, la charge appliquée et le déplacement résultant ont une relation linéaire. Les rigidités définies ici peuvent être déterminées en mesurant le gradient de la région linéaire entre les points P et Q (la rigidité étant l’inverse de ce gradient). Le gradient peut être trouvé pour une région aussi grande que possible de la région linéaire pour augmenter la précision de la mesure en fournissant un plus grand déplacement à mesurer. Par exemple, le gradient peut être trouvé en appliquant une charge égale à ou juste supérieure à LPet égale à ou juste inférieure à LQ. Les valeurs pour LPet LQpeuvent être estimées avant les essais sur la base des caractéristiques des matériaux de manière à appliquer des charges appropriées. Bien que le déplacement soit appelé δ dans cette description, l’homme du métier appréciera que des principes équivalents puissent s’appliquer à un déplacement linéaire ou angulaire.
Les rigidités définies ici, sauf indication contraire, sont pour le/les composant(s) correspondant(s) lorsque le moteur est dans des conditions de croisière. Les rigidités ne varient généralement pas de manière significative dans la plage de fonctionnement du moteur ; la rigidité dans les conditions de croisière de l’aéronef sur lequel le moteur est utilisé (ces conditions de croisière étant telles que définies ailleurs ici), ou dans les conditions MTO, peut donc être la même que lorsque le moteur n’est pas utilisé (c’est-à-dire éteint - à vitesse nulle/sur le banc). Cependant, lorsque la rigidité varie dans la plage de fonctionnement du moteur, les rigidités définies ici doivent être comprises comme étant des valeurs pour le moment où le moteur fonctionne dans des conditions de croisière.
La illustre un procédé 1000 qui peut être exécuté, en utilisant facultativement un moteur 10 tel que décrit ci-dessus. Le procédé 1000 comprend le démarrage 1002 d’un moteur 10 d’un aéronef et l’atteinte des conditions de fonctionnement, et le fonctionnement 1004 de l’aéronef. Pendant le fonctionnement 1004, l’aéronef peut fonctionner à la vitesse MTO pendant une ou plusieurs période(s) de temps. Une ou plusieurs des caractéristiques suivantes peut/peuvent s’appliquer :
  1. Une marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière (A/B) de :
peut être dans la plage allant de 15 à 50% ;
  1. Une marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant (C/B) de :
peut être dans la plage allant de 10 à 100% ;
  1. Une marge de fréquence mutuelle (D/(A+B)) de :
peut être dans la plage allant de 5 à 50% ; et/ou
  1. Une marge de fréquence de structure de moteur avant (E/F) de :
peut être dans la plage allant de 5 à 50%.
Les caractéristiques décrites ci-dessus pour le moteur 10 peuvent s’appliquer de manière équivalente dans les procédés 1000 décrits. On comprendra que l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus et que diverses modifications et améliorations peuvent être apportées sans s’écarter des concepts décrits ici. Sauf exclusion mutuelle, l’une quelconque des caractéristiques peut être employée séparément ou en combinaison avec toute autre caractéristique et la divulgation s’étend à et inclut toutes les combinaisons et sous-combinaisons d’une ou de plusieurs caractéristique(s) décrite(s) ici.

Claims (15)

  1. Moteur à turbine à gaz (10) pour un aéronef comprenant :
    un noyau de moteur (11) comprenant une turbine (19), un compresseur (14) et un arbre de noyau (26) reliant la turbine au compresseur ;
    un système de soufflante ayant un premier mode de battement à onde progressive inverse, Fan RTW, et comprenant :
    une soufflante (23) située en amont du noyau de moteur, la soufflante comprenant une pluralité de pales de soufflante ; et
    un arbre de soufflante (36) ; et
    une boîte à engrenages (30) et un arbre de sortie de boîte à engrenages (35) agencé pour coupler une sortie de la boîte à engrenages (30) à l’arbre de soufflante (36), où la boîte à engrenages (30) reçoit une entrée provenant de l’arbre de noyau (26) et délivre en sortie un entraînement à la soufflante (23) via l’arbre de sortie de boîte à engrenages (35) de manière à entraîner la soufflante à une vitesse de rotation inférieure à celle de l’arbre de noyau ;
    dans lequel le système de soufflante (23, 36) et l’arbre de sortie de boîte à engrenages (35) forment ensemble un système de rotor LP ayant un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement inverse, Rotor RW ; et
    dans lequel le moteur (10) a une vitesse maximale de décollage, MTO, et
    une marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière de :

    se trouve dans la plage allant de 15 à 50%.
  2. Moteur à turbine à gaz (10) de la revendication 1, dans lequel la marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière est supérieure à 25% et/ou inférieure à 45%, facultativement et/ou inférieure à 40%.
  3. Moteur à turbine à gaz (10) de l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel
    le système de rotor LP a un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement vers l’avant, 1FW, et une marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant de :

    se trouve dans la plage allant de 10 à 100% ;
  4. Moteur à turbine à gaz (10) de l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fréquence la plus faible soit du mode Fan RTW soit du mode Rotor RW à la vitesse MTO se trouve dans la plage allant de 4 Hz à 22 Hz, facultativement dans la plage allant de 5 Hz à 15 Hz.
  5. Moteur à turbine à gaz (10) de l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la vitesse MTO se trouve dans la plage allant de 25 Hz à 45 Hz.
  6. Moteur à turbine à gaz (10) de la revendication 5, dans lequel la vitesse MTO se trouve dans la plage allant de 25 Hz à 30 Hz et facultativement la soufflante a un diamètre de soufflante supérieur à 216 cm.
  7. Moteur à turbine à gaz (10) de la revendication 5, dans lequel la vitesse MTO se trouve dans la plage allant de 35 Hz à 45 Hz, et facultativement, la soufflante a un diamètre de soufflante inférieur à 216 cm.
  8. Moteur à turbine à gaz (10) de l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une marge de fréquence mutuelle de :

    se trouve dans la plage allant de 5 à 50 %
  9. Moteur à turbine à gaz (10) de la revendication 8, dans lequel la différence de fréquence entre le mode Fan RTW et le mode Rotor RW à la vitesse MTO se trouve dans la plage allant de 2 Hz à 15 Hz, facultativement de 5 Hz à 15 Hz.
  10. Moteur à turbine à gaz (10) de l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le moteur (10) comprend une structure de moteur avant (42) agencée pour supporter l’arbre de soufflante (36) ; et la structure de moteur avant (42) a un mode de balancement de structure de moteur avant (FSN) comprenant une paire de modes à des fréquences propres similaires, mais pas identiques dans des directions orthogonales, et une marge de fréquence de structure de moteur avant de :

    se trouve dans la plage allant de 5 à 50 %.
  11. Moteur à turbine à gaz (10) de la revendication 10, dans lequel la différence de fréquence entre le mode FSN et la fréquence la plus élevée soit de Fan RTW synchrone soit de Rotor RW synchrone se trouve dans la plage allant de 2 Hz à 15 Hz, facultativement de 2 Hz à 10 Hz.
  12. Moteur à turbine à gaz (10) de la revendication 10, dans lequel la fréquence propre la plus faible de la paire de modes de balancement de structure avant se trouve dans la plage allant de 14 Hz à 26 Hz, facultativement de 15 Hz à 25 Hz.
  13. Procédé (1000) de fonctionnement d’un moteur à turbine à gaz (10) pour un aéronef, le moteur (10) ayant une vitesse maximale de décollage (MTO), et comprenant :
    un noyau de moteur (11) comprenant une turbine (19), un compresseur (14) et un arbre de noyau (26) reliant la turbine au compresseur ;
    un système de soufflante ayant un premier mode de battement à onde progressive inverse, Fan RTW, et comprenant une soufflante (23) située en amont du noyau de moteur, la soufflante comprenant une pluralité de pales de soufflante et un arbre de soufflante (36) ; et
    une boîte à engrenages (30) et un arbre de sortie de boîte à engrenages (35) agencé pour coupler une sortie de la boîte à engrenages (30) à l’arbre de soufflante (36), où la boîte à engrenages (30) reçoit une entrée provenant de l’arbre de noyau (26) et délivre en sortie un entraînement à la soufflante (23) via l’arbre de sortie de boîte à engrenages (35) de manière à entraîner la soufflante à une vitesse de rotation inférieure à celle de l’arbre de noyau ;
    dans lequel le système de soufflante (23, 36) et l’arbre de sortie de boîte à engrenages (35) forment ensemble un système de rotor LP ayant un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement inverse, Rotor RW,
    le procédé (1000) comprenant le fait :
    de faire fonctionner (1004) le moteur (10) de sorte qu’une marge de fréquence de tourbillonnement vers l’arrière de :

    se trouve dans la plage allant de 15 à 50 %.
  14. Procédé (1000) de la revendication 13, comprenant le fonctionnement (1004) du moteur (10) de sorte que la fréquence la plus faible soit du mode Fan RTW soit du mode Rotor RW à la vitesse MTO se trouve dans la plage allant de 4 Hz à 22 Hz, facultativement de 5 Hz à 15 Hz.
  15. Procédé (1000) de la revendication 13 ou 14, dans lequel le système de soufflante (23, 36) et l’arbre de sortie de boîte à engrenages (35) forment ensemble un système de rotor LP ayant un premier mode dynamique de rotor de tourbillonnement vers l’avant, 1FW ;
    le procédé (1000) comprenant le fait :
    de faire fonctionner (1004) le moteur (10) de sorte qu’une marge de fréquence de tourbillonnement vers l’avant de :

    se trouve dans la plage allant de 10 à 100 % ; et comprenant facultativement le fonctionnement (1004) du moteur (10) de sorte que la différence de fréquence entre 1FW synchrone et la première ligne de commande de moteur à la vitesse MTO se trouve dans la plage allant de 8 Hz à 45 Hz, facultativement de 20 Hz à 40 Hz.
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