FR3126733A1 - Turbomachine a double flux a bec variable en position - Google Patents
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Abstract
TURBOMACHINE A DOUBLE FLUX A BEC VARIABLE EN POSITION
Un aspect de l’invention concerne une turbomachine comprenant un carter inter-veines et comprenant :
un plafond délimitant au moins en partie une veine primaire dans lequel circule un flux primaire;un moyeu délimitant au moins une partie externe d’un flux secondaire ;
la turbomachine comprend un bec de séparation des flux comprenant des secteurs mobiles comprenant un axe de liaison pivot par rapport au carter inter-veines, le secteur est mobile en rotation par rapport au carter inter-veines entre une première position et une deuxième position.
Figure à publier avec l’abrégé : Figure 2
Description
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
Le domaine technique de l’invention est celui des turbomachines à double flux.
La présente invention concerne une turbomachine composée d’un bec à position variable.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Classiquement, une turbomachine à double flux comprend une soufflante générant un flux d’air vers un générateur de gaz. Dans un mode de fonctionnement dit de « propulseur » de la turbomachine, lorsque celle-ci est en mode croisière, le flux d’air généré par la soufflante est divisé par un bec de séparation, en un flux d’air primaire et un flux d’air secondaire circulant d’amont en aval. Plus précisément, le flux primaire s’écoule dans une veine primaire annulaire du générateur de gaz et le flux d’air secondaire s’écoule dans une veine secondaire annulaire. Le brevet WO2021038169A1 présente un exemple de turbomachine à double flux de l’art antérieur dans le cas d’une soufflante présentant des pales à calage variable. Souvent, les turbomachines à soufflante à calage variable et carénage externe de flux secondaire sont qualifiées de turbomachines « VPF » pour l’expression usuelle « Variable Pitch Fan ». Le brevet FR3083207 présente un autre exemple de turbomachine à double flux dans lequel le flux secondaire est délimité par un carter côté intérieur de la veine secondaire mais dont l’extérieur de la veine secondaire est libre par rapport à l’air ambiant. En effet, dans l’exemple de turbomachine représenté dans le document FR3083207, cette turbomachine est dépourvue de carénage externe de flux secondaire. Le bec de séparation des flux demeure en aval de la soufflante et en particulier en aval d’un redresseur de flux secondaire. Souvent, les turbomachines pourvues d’une hélice de soufflante à calage variable et dépourvues de carénage externe de flux secondaire sont qualifiées de turbomachines « USF » pour l’expression usuelle « Unducted Single Fan ».
La recherche de la minimisation des émissions polluantes liées au transport aérien passe notamment par la voie de l’amélioration de toutes les efficacités des systèmes de propulsion, et plus particulièrement du rendement propulsif qui caractérise l’efficacité avec laquelle l’énergie qui est communiquée à l’air qui traverse un moteur est convertie en effort de poussée utile. Les motoristes cherchent continuellement à accroitre le taux de dilution communément appelé BPR pour « ByPassRatio » de la turbomachine. Le BPR est défini comme le rapport entre le débit massique du flux d’air passant dans la veine primaire et le débit massique du flux d’air passant dans la veine secondaire. Pour répondre à cet objectif, il est notamment possible d’avoir une soufflante munie de pales à calage variable de manière à régler l’angle de calage des pales en fonction des paramètres de vol, permettant d’optimiser le fonctionnement de la turbomachine. Le fait d'avoir des pales à calage variable permet en outre, dans un mode de fonctionnement dit de « reverse », d'utiliser ces dernières pour générer une contre-poussée, et ainsi de participer au ralentissement de l'aéronef en complément des freins de manière à réduire sa distance de freinage lors de l'atterrissage. Le mode d’orientation des aubes de la soufflante est différent selon le mode de fonctionnement de la turbomachine (mode propulseur ou mode reverse). Contrairement à une soufflante munie de pales à calage fixe qui nécessite l'ajout d'inverseurs de poussée (par exemple d'inverseurs à portes pivotantes et/ou capots coulissants incorporés dans la nacelle) pour générer cette contre-poussée lors de l'atterrissage de l'aéronef, une turbomachine comportant une soufflante munie de pales à calage variable ne comprend pas d'inverseurs de poussée dans sa structure, au bénéfice de la masse de la turbomachine. En mode de fonctionnement reverse, le flux secondaire circule d'aval en amont dans la veine secondaire, une première partie du flux secondaire étant utilisée pour alimenter la veine primaire du générateur de gaz dans laquelle le flux d'air circule quant à lui toujours d'amont en aval, une deuxième partie du flux secondaire s'échappant de la turbomachine à travers la soufflante de manière à générer une contre-poussée.
Plusieurs problèmes découlent de ce type de turbomachine. L’utilisation de pales à calage variable dégrade l’écoulement du flux d’air dans la turbomachine dû à la présence de zones de décollements à l’extrados des pales de la soufflante proche des bords de fuite. Cette dégradation engendre notamment une diminution des performances dans les zones concernées, une mauvaise alimentation d’un booster situé en aval ainsi qu’une désadaptation du bec de séparation des flux. Le changement de calage des pales modifie les conditions d’alimentation du flux primaire d’air et du flux secondaire d’air entre différents points de fonctionnement. Le bec de séparation étant classiquement fixe, celui-ci ne permet pas de s’adapter aux différents points de fonctionnement. Le passage d’un point de fonctionnement à un autre, par variation de calage des pales, peut donc engendrer une augmentation d’incidence et entrainer une désadaptation du bec et l’apparition de zones de décollement du flux d’air au niveau du bec. Ces zones de décollements dégradent fortement le rendement du générateur de gaz, et de manière générale de la turbomachine. Selon le régime moteur utilisé, ces zones de décollement peuvent mettre en péril le fonctionnement du générateur de gaz. Aussi, en cas de diminution de l’incidence, des zones de décollements peuvent aussi apparaitre devant le booster et perturber l’écoulement de tout le flux primaire d’air.
L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en permettant d’améliorer les performances du bec de séparation.
Un premier aspect de l’invention concerne une turbomachine à double flux comprenant une soufflante configurée pour générer un flux d'air se divisant en :
- un flux primaire d'air ;
- un flux secondaire d'air ;
- un plafond délimitant au moins en partie côté externe une veine primaire, le flux primaire d'air passant dans la veine primaire;
- un moyeu délimitant intérieurement au moins en partie un espace de circulation du flux secondaire d'air ;
- des secteurs mobiles, chaque secteur mobile comprenant :
- une pointe amont à une extrémité du bec ;
- un élément arrière opposé à la pointe ;
- une première paroi située entre la pointe et l'élément arrière et délimitant une partie externe de la veine primaire formant la continuité du plafond ;
- une deuxième paroi située entre la pointe et l'élément arrière et formant la continuité du moyeu en délimitant intérieurement une partie de l'espace du flux secondaire ;
Ainsi, l’invention permet au bec de séparation des flux primaire et secondaire de s’adapter au mode de fonctionnement de la turbomachine. Les secteurs mobiles seront dans une première position quand le débit du flux primaire sera particulièrement faible. Les secteurs mobiles seront dans la deuxième position quand le débit du flux primaire est élevé ou alors quand la turbomachine est en mode de fonctionnement « reverse ». Par rapport à l’art antérieur, les zones de décollement au niveau du bec seront fortement réduites en ce que le bec s’adaptera au flux primaire et secondaire.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, la turbomachine selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi celles mentionnées dans les paragraphes suivants, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
Selon un mode de réalisation, la turbomachine comprend un générateur de gaz comprenant le carter inter-veines.
Selon un mode de réalisation, la turbomachine comprend un carter de soufflante et une veine secondaire comprenant l'espace du flux secondaire, délimitée en partie par le carter de soufflante et le carter inter-veines, tel que le flux secondaire d’air passe par la veine secondaire.
Selon un mode de réalisation, le moyeu côté intérieur délimite une veine secondaire ouverte côté extérieur. La veine secondaire dans ce mode de réalisation est ainsi l’espace du flux secondaire ouverte radialement sur l’extérieure, c’est-à-dire qu’elle n’est pas délimitée sur l’extérieure.
Selon un mode de réalisation, chaque secteur mobile comprend une position neutre entre angulairement la première position fermée et la deuxième position ouverte, la deuxième paroi est alignée avec la direction du flux secondaire d’air le long du moyeu.
Selon un exemple de ce mode de réalisation, dans la position neutre, la première paroi est alignée avec la direction du flux primaire d’air le long du plafond.
Selon un exemple de ce mode de réalisation, la première position fermée est pivotée de vingt degré par rapport à la position neutre. Ainsi le pivotement de vingt degrés permet au bec de fermer son angle avec le plafond, c’est-à-dire diminue l’angle mesuré entre la pointe et la partie du plafond s’étendant du bec. Ainsi le bec de séparation diminuera l’entrée de la veine primaire et diminuera le débit du flux primaire par rapport au flux secondaire provenant ensemble du flux de la soufflante. Il n’y aura pas ou peu de zone de décollements au niveau du bec quand le débit du flux d’air primaire sera faible.
Selon un exemple de ce mode de réalisation, la deuxième position ouverte est pivotée de vingt degrés par rapport à la position neutre. Le pivotement de vingt degrés étant dans le sens inverse que celui vers la première position fermée. Ainsi, dans cette position le bec de séparation augmente l’entrée dans la veine primaire et ainsi permet d’augmenter la proportion du flux de la soufflante dans l’entrée dans la veine primaire et diminuer celle du flux secondaire. Le flux primaire est donc augmenter en facilitant dans cette position l’entrée dans la veine primaire. Il n’y aura pas ou peu de zone de décollements au niveau du bec quand le débit du flux d’air primaire sera élevé.
Selon un mode de réalisation, l'élément arrière est de forme arrondie, l'amont du carter inter-veine épousant l'élément arrière.
Cela permet d’éviter de perturber l’écoulement dynamique dans la zone entre l’élément arrière et le secteur mobile. En effet, grâce au bout arrondi, peu de creux, pouvant perturber l’écoulement d’air, seront présents.
Selon un mode de réalisation, une unique extrémité du carter inter-veines entre le moyeu et le plafond en vis-à-vis du secteur mobile comprend une forme arrondie. Ainsi, l’écoulement des flux d’air à l’extrémité du carter inter-veines sera favorisé par la forme arrondie.
Selon un mode de réalisation, le générateur de gaz comprend au moins une membrane souple venant épouser une partie d’une surface extérieure de l’élément arrière. La membrane souple permet d’éviter des creux au niveau de l’extrémité du carter inter-veines et permet donc d’améliorer l’écoulement des flux d’air.
Selon un mode de réalisation, chaque secteur mobile est positionné à côté d’un autre secteur mobile.
Selon un exemple de ce mode de réalisation, un unique élément souple est positionné entre chaque secteur mobile, l’élément souple se déforme quand le bec passe de la première à la deuxième position ou inversement. L’élément souple permet au bec de ne pas avoir d’espace entre les secteurs mobiles. Ainsi, l’élément souple pourra guider les flux d’air de la même manière que les secteurs mobiles.
Selon une variante de cet exemple de mode de réalisation, l’élément souple est aligné avec la direction du flux primaire ou secondaire. Ainsi, l’élément souple pourra guider les flux d’air de la même manière que les secteurs mobiles en ce qu’il sera aligné de la même manière que les secteurs mobiles.
Selon un mode de réalisation, il existe un jeu entre les secteurs mobiles. Le jeu entre les secteurs mobiles permet à ceux-ci de se déplacer de la première à la deuxième position et inversement sans interactions entre les différents secteurs mobiles.
Selon un mode de réalisation, seuls les secteurs mobiles se superposent entre eux quand ceux-ci passent de la première position fermée à la deuxième position ouverte ou inversement. La superposition des secteurs mobiles permet à ceux-ci de passer de la première à la deuxième position sans problèmes d’interactions entre les secteurs
Selon un mode de réalisation, le bec est composé d’une paroi souple continue enveloppant les secteurs mobiles. La paroi souple se déformera quand les secteurs mobiles pivoteront. Cette paroi souple permet d’avoir un bec continue ne présentant pas de jeu entre les secteurs mobiles permettant de guider au mieux les flux d’air.
Selon un mode de réalisation, le bec comprend une pluralité de secteurs fixes par rapport au carter inter-veines et en ce que le nombre de secteurs mobiles est supérieur à 2, par exemple dans laquelle chaque secteur fixe est positionné entre deux secteurs mobiles. Cette configuration permet de répondre à des problèmes d’encombrement du bec vis-à-vis des secteurs mobiles.
Selon un mode de réalisation, la turbomachine comprend des aubes à calages variables en amont du carter inter-veines.
Selon un mode de réalisation, les secteurs mobiles pivotent de 40° entre la première position fermée et la deuxième position ouverte.
Selon un exemple de ce mode de réalisation, dans la position neutre, la surface de la deuxième paroi est alignée avec la surface du moyeu.
Selon un mode de réalisation le bec est plein de matière, et en ce que la première et deuxième paroi sont délimitée par la moitié de l’épaisseur du bec.
L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
Claims (10)
- Turbomachine (1) à double flux comprenant une soufflante configurée pour générer un flux d’air (50) se divisant en :
- un flux primaire d’air (51)
- un flux secondaire d’air (52)
- un plafond (21) délimitant au moins en partie côté externe une veine primaire (11), le flux primaire d’air (51) passant dans la veine primaire (11) ;
- un moyeu (22) délimitant intérieurement au moins en partie un espace de circulation du flux secondaire d’air (52);
- des secteurs mobiles (31), chaque secteur mobile (31) comprenant :
- une pointe (32) amont à une extrémité du bec ;
- un élément arrière (33) opposé à la pointe (32)
- une première paroi (34) située entre la pointe (32) et l’élément arrière (33) et délimitant une partie externe de la veine primaire (11) formant la continuité du plafond (21) ;
- une deuxième paroi (35) située entre la pointe (32) et l’élément arrière (33) et formant la continuité du moyeux (22) en délimitant intérieurement une partie de l’espace du flux secondaire (52);
- caractérisé en ce que le secteur mobile (31) comprend un axe de liaison pivot par rapport au carter inter-veines (2), perpendiculaire par rapport à un plan comprenant l’axe longitudinal A et traversant l’élément arrière (33), et en ce que le secteur mobile (31) est mobile en rotation par rapport au carter inter-veines (2) entre une première position fermée et une deuxième position ouverte, telle que dans la première position fermée, le bec (3) réduit une section d’entrée de la veine primaire (11) et favorise l’écoulement de flux vers un espace de circulation du flux secondaire d’air (52) par rapport à la deuxième position ouverte.
- Turbomachine (1) selon la revendication précédente caractérisée en ce que chaque secteur mobile (31) comprend une position neutre entre angulairement la première position fermée et la deuxième position ouverte, la deuxième paroi (35) est alignée avec la direction du flux secondaire d’air (52) le long du moyeu (22).
- Turbomachine (1) selon la revendication 2 caractérisée en ce que dans la position neutre, la première paroi (34) est alignée avec la direction du flux primaire d’air (51) le long du plafond (21).
- Turbomachine (1) selon l’une des revendications précédentes caractérisée en ce que l’élément arrière (33) est de forme arrondie, l’amont du carter inter-veine (2) épousant l’élément arrière (33).
- Turbomachine (1) selon l’une des revendications précédentes caractérisée en ce que l’amont du carter inter-veine (2) comprend au moins une membrane souple (25) venant épouser une partie d’une surface extérieure de l’élément arrière (33).
- Turbomachine (1) selon l’une des revendications précédentes caractérisée en ce que chaque secteur mobile (31) est positionné à côté d’un autre secteur mobile (31).
- Turbomachine (1) selon l’une des revendications 1 à 6 caractérisée en ce que le bec (3) comprend une paroi souple continue enveloppant les secteurs mobiles (31).
- Turbomachine (1) selon l’une des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que le bec (3) comprend une pluralité de secteurs fixes (36) par rapport au carter inter-veines (2) et en ce que le nombre de secteurs mobiles (31) est supérieur à 2, par exemple dans laquelle chaque secteur fixe (36) est positionné entre deux secteurs mobiles (31).
- Turbomachine (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce que la turbomachine (1) comprend des aubes à calages variables en amont du carter inter-veines (2).
- Turbomachine (1) selon l’une des revendications précédentes caractérisée en ce que les secteurs mobiles (31) pivotent de 40° entre la première position fermée et la deuxième position ouverte.
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2021
- 2021-09-06 FR FR2109290A patent/FR3126733B1/fr active Active
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