WO2017187073A1 - Système de propulsion d'un aéronef comprenant un organe recouvert d'une structure rainurée - Google Patents

Système de propulsion d'un aéronef comprenant un organe recouvert d'une structure rainurée Download PDF

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WO2017187073A1
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propulsion system
grooves
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grooved structure
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Emilie Goncalves
Nicolas Pierre LANFANT
Robin MANDEL
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Safran
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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • Propulsion system for an aircraft comprising a member covered with a grooved structure
  • the invention relates to a propulsion system comprising a member in contact with a turbulent flow of a flow and at least partially covered with a grooved structure in the fluid flow direction (riblets).
  • a propulsion system conventionally comprises a nacelle and / or a turbomachine, such as a turbojet engine.
  • a propulsion system (turbofan) of an aircraft generally comprises, from upstream to downstream in the direction of the gas flow (along the engine axis AA), a streamlined fan 1, a primary flow annulus I and secondary flow annulus II (secondary vein).
  • the primary flow I passes through the low and high pressure compressors 10, the combustion chamber 11 and the high and low pressure turbines 12.
  • the secondary flow II bypasses the hot part; the separation is performed by the inner hub 3 located behind the ducted fan 1.
  • vanes Inside the secondary vein are vanes with fixed geometries 4 (in English, “Outlet Guide Vanes”, (OGVs)) which make it possible to straighten the flow of the gases circulating therein in order to align it with the axis motor AA, the blower 1 producing a gyratory flow.
  • OGVs Outlet Guide Vanes
  • the walls of the inner hub and the outer casing as well as the walls of the blades can be grooved in the fluid flow direction.
  • These grooves can have several forms.
  • the shape, the alignment with the flow, the size and in particular the spacing of these grooves have a direct influence on the flow and on the expected efficiency gain of the turbojet engine.
  • One problem is that the grooves will be strongly subjected to erosion but also to fouling.
  • a layer of ice or frost may form on the wings, the air inlets of the engines or the air flow measurement sensors.
  • Icing in flight occurs most often during the landing phase, under certain climatic conditions between 3000 m and 6000 m.
  • the aircraft may then be subject to the impact of, in the English terminology, "ice crystals” and / or supercooled water drops (liquid water with a temperature below 0 ° C). These droplets of size between 0 and 500 ⁇ strike the cold surface of the aircraft causing the dangerous accumulation of ice.
  • ice solutions consisting of covering parts of the propulsion system that can be subjected to frost of a glaciophobic coating (see the document EP 2 431 276) which can be subjected to vibrations to facilitate detachment of ice (see document FR 2 998 921).
  • An object of the invention is to improve the aerodynamic performance of an aircraft by the use of grooves while allowing to limit the formation of frost on the bodies of a propulsion system.
  • the invention proposes a propulsion system for an aircraft comprising at least one member in contact with a turbulent flow of a flow, characterized in that said member is covered, at least partially, with a piezoelectric structure such as a piezoelectric film, said structure comprising a grooved structure comprising a succession of grooves in contact with the flow of the flow, the grooves extending in the flow direction of the flow, the grooved structure comprising at least one geometrical parameter configured to adapt to at least one parameter of the flow flow and / or operating point of the propulsion system and / or engine speed of the propulsion system.
  • a piezoelectric structure such as a piezoelectric film
  • the grooved structure is constituted by a piezoelectric film;
  • the piezoelectric film is of the electroactive polymer type chosen from the following group: PVDF, PVF 2, PVF 2 -TFE, PMMA or a PZT ceramic;
  • the structure further comprises a polarization unit of the film by means of an AC voltage source and conductive or semiconductor electrodes placed in contact with the film;
  • the height of the grooves is between 10 ⁇ and 100 ⁇ ;
  • a point of operation of the propulsion system is: parking, shop-visit, cruise, icing episode.
  • the invention also relates to an aircraft comprising a propulsion system according to the invention. More specifically, the invention relates to an aircraft comprising an element exposed to the flow of air.
  • FIG. 1 illustrates an overview of a propulsion system of an aircraft
  • FIG. 2 illustrates a detailed view of FIG. 1
  • FIG. 3 illustrates a piezoelectric structure according to the invention
  • FIGS. 4a to 4d illustrate examples of grooves.
  • FIG. 2 illustrates a detailed view of FIG. 1 comprising a circulation assembly of a flow of a flow in which one or more members may be at least partially covered with a structure of a structure S comprising a grooved structure 5, 6, 7 comprising a succession of grooves in contact with the flow of the flow, the grooves extending longitudinally in the flow direction of the flow.
  • the grooved structure 5, 6, 7 is preferably arranged on the faired fan 1 (reference 5) and / or on the outer wall of the inner hub (reference 6) and / or on the variable geometry blade (reference 7).
  • FIG. 3 illustrates a structure S comprising a grooved structure traversed by a flow of a flow (arrow in FIG. 3).
  • the grooves can take several forms: crenel (Figure 4a), parabolic (Figure 4b), triangular (Figure 4c), trapezoidal (Figure 4d).
  • parabolic-shaped grooves it is the concave part that is in contact with the flow.
  • the small base is in contact with the wall of the channel while the large base of the trapezium is removed.
  • the grooved structure may advantageously consist of grooves of different shapes.
  • the grooved structure is in particular configured to adapt as a function of at least one flow flow parameter and / or an operating point of the propulsion system and / or an engine speed of the propulsion system.
  • the structure can thus retract to allow an ice detachment
  • system has nti -givrant.
  • fouling of the grooves in order to increase the duration of the initial gain (examples: ease of cleaning on the ground and cleaning in flight under the effect of the flow in contact with the structure).
  • a geometric parameter is, according to the shape of the groove: the height h, the spacing s between two vertices, the width w intermediate in the case of crenellations (see Figure 4a).
  • a flow parameter is the flow pressure, the flow temperature, the flow speed, the flow orientation.
  • the grooved structure is preferably constituted by a PZT ceramic film or an electroactive polymer which makes it possible to modulate the depth of the grooves according to an operating point and / or the engine speed.
  • An electroactive polymer is a polymer whose shape and size change when it is stimulated by an electric field. Depending on the electrical pulse sent, the deformation will be larger or smaller. Thus, the roughness will be more or less important depending on the pulse sent.
  • the structure S comprises a polarization unit P with an alternating voltage source and conductive or semiconductive electrodes placed in contact with the film.
  • the polarization unit P is optionally coupled to an acquisition unit A configured to acquire flow parameters of the stream.
  • the amplitude of the vibration sent for the voltage source will deform the film longitudinally and / or transversely. Depending on the power sent, the deformation will be more or less important thus giving the depth of the grooves or the desired roughness.
  • the shape and depth of the grooves of the structure are very sensitive to erosion (sand, rain 9) - Erosion damages their structure (for example, the top of the peak for a triangular shape) causing a loss of efficiency (thickness of the layer of laminar flow that is to say the ability to remove the turbulent flow layer, regularity of vortices between two adjacent grooves, ...) and therefore a loss of aerodynamic performance.
  • the effectiveness of the grooves is therefore dependent on its shape and thus, it is necessary to use materials that are tolerant to the different aggressions.
  • grooves are also very sensitive to fouling. Indeed, they may have V-shaped recesses with acute angles that can quickly be filled with dust, ice or grease. This is especially true in the engine environment.
  • a piezoelectric film then allows to enter the grooves of a flight phase "parking" and "shop-visit” to facilitate the cleaning of surfaces by water jet for example.
  • the grooves could also be retracted during a "cruise” phase of flight in order to let the power of the air flow take away all or some of the clusters.
  • the grooves may be between 1 ⁇ and 50 ⁇ of depth h depending on the geometry of the treated surface and the desired aerodynamic performance.
  • the angle varies between 15 and 60 ° and for all shapes (crenellations, triangular, U-shaped groove), the peak-to-peak height varies from 20 to 100 ⁇ with a peak height between 10 and 100 ⁇ .
  • the grooves can be dimensioned so that the structure S has a roughness of between 1 and 2.2 ⁇ .
  • the grooves will be suitably dimensioned during an icing episode.
  • frost may be deposited in various places: on the air inlets (Gl, G2), and / or on the streamlined fan 1 (G3) and / or on the vanes with fixed geometries 4 ( G4) (see Figures 1 and 2).
  • the electroactive film must therefore have erosion resistance properties but also hydrophobic properties to improve the anti-adhesion of the ice on contact. Also, it is preferably a hydrophobic PVDF-type polymer or PVF2, PVF2-TFE, PMMA, all with hydrophobicity properties or on a ceramic PZT (titanium zirconate lead) of chemical formula Pb (Zr x , Ti- x ) 03 which is in thin film or polymerized gel.
  • Several compositions are possible by varying the Zr / Ti ratio.
  • the grooved structure is advantageously obtained by grooving a wall of the member subjected to a turbulent flow.
  • the grooves may be obtained by surface texturing on metal or polymer or ceramic with a laser or by deposition of metal layers or by using a mask to print the pattern on the polymer or ceramic.

Abstract

L'invention concerne un système de propulsion d'un aéronef comportant au moins un organe (1, 3, 4, 8) en contact avec un écoulement turbulent d'un flux (F), caractérisée en ce que ledit organe est recouvert, au moins partiellement d'une structure (S) piézoélectrique telle qu'un film piézoélectrique, ladite structure (S) comprenant une structure (5, 6, 7,9) rainurées comprenant une succession de rainures, en contact avec l'écoulement du flux, les rainures s'étendant dans le sens d'écoulement du flux, la structure rainurée comprenant un moins un paramètre géométrique (h, s, w) configuré pour s'adapter en fonction d'au moins un paramètre de l'écoulement de flux et/ou d'un point de fonctionnement du système de propulsion et/ou un régime moteur du système de propulsion.

Description

Système de propulsion d'un aéronef comprenant un organe recouvert d'une structure rainurée
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
L'invention concerne un système de propulsion comprenant un organe en contact avec un écoulement turbulent d'un flux et recouvert au moins partiellement d'une structure rainurée dans le sens d'écoulement de fluide (riblets).
ETAT DE LA TECHNIQUE
Un système de propulsion comporte classiquement une nacelle et/ou une turbomachine, telle qu'un turboréacteur.
En relation avec la figure 1, un système de propulsion (turbofan) d'un aéronef comprend généralement, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz (selon l'axe moteur AA), une soufflante carénée 1, un espace annulaire d'écoulement primaire I et un espace annulaire d'écoulement secondaire II (veine secondaire). L'écoulement primaire I traverse les compresseurs basse 8 et haute pression 10, la chambre de combustion 11 et les turbines 12 haute et basse pression. Le flux secondaire II contourne la partie chaude ; la séparation est réalisée par le moyeu interne 3 situé derrière la soufflante carénée 1.
A l'intérieur de la veine secondaire sont disposées des aubes à géométries fixes 4 (en anglais, « Outlet Guide Vanes », (OGVs)) qui permettent de redresser l'écoulement des gaz y circulant afin de l'aligner avec l'axe moteur AA, la soufflante 1 produisant un écoulement giratoire.
Afin d'améliorer l'efficacité des aubes, les parois du moyeu interne et du carter externe ainsi que les parois des aubes peuvent être rainurées dans le sens d'écoulement du fluide.
Ces rainures peuvent avoir plusieurs formes. La forme, l'alignement avec l'écoulement, la taille et notamment l'espacement de ces rainures influent directement sur l'écoulement et sur le gain de rendement escompté du turboréacteur. Un problème est que les rainures vont être fortement soumises à l'érosion mais également à l'encrassement.
En outre, lors du fonctionnement en vol d'un turboréacteur, une couche de glace ou de givre peut se former sur les ailes, les entrées d'air des moteurs ou les capteurs de mesure de débit d'air.
La présence de glace nuit à la sécurité et la performance des aéronefs.
Le givrage en vol intervient le plus souvent durant la phase d'atterrissage, sous certaines conditions climatiques entre 3000 m et 6000 m. L'aéronef peut alors être soumis à l'impact de, selon la terminologie anglaise, « ice crystals » (cristaux de glace) et/ou de gouttes d'eau en surfusion (eau liquide dont la température est inférieure à 0°C). Ces gouttelettes de taille comprise entre 0 et 500 μιη percutent la surface froide de l'avion causant l'accumulation dangereuse de glace.
Les conséquences du givrage sur un moteur peuvent être nombreuses : obstructions des entrées d'air qui entraînent une perte de puissance, ingestion de glace, givrage au niveau des aubes et du rotor qui entraîne une altération de la capacité d'autorotation voire un arrêt ou une surconsommation du carburant.
En outre, la présence de glace entraîne une modification du profil aérodynamique et donc une réduction dangereuse de portance.
Afin de limiter la présence de glace on connaît des solutions consistant à recouvrir des parties du système de propulsion qui peuvent être soumises au givre d'un revêtement glaciophobe (voir le document EP 2 431 276) qui peut être soumis à des vibrations afin de faciliter le détachement de la glace (voir le document FR 2 998 921).
Ces solutions ne permettent pas forcément de limiter la formation de glace et la mise en vibration est complexe à mettre en œuvre et ne sont pas compatibles avec les rainures utilisées pour améliorer les performances aérodynamiques. Il faut en effet prévoir deux solutions distinctes. PRESENTATION DE L'INVENTION
Un but de l'invention est d'améliorer les performances aérodynamiques d'un aéronef par l'utilisation de rainures tout en permettant de limiter la formation de givre sur des organes d'un système de propulsion.
A cet effet, l'invention propose un système de propulsion d'un aéronef comportant au moins un organe en contact avec un écoulement turbulent d'un flux, caractérisée en ce que ledit organe est recouvert, au moins partiellement d'une structure piézoélectrique telle qu'un film piézoélectrique, ladite structure comprenant une structure rainurées comprenant une succession de rainures, en contact avec l'écoulement du flux, les rainures s'étendant dans le sens d'écoulement du flux, la structure rainurée comprenant au moins un paramètre géométrique configuré pour s'adapter en fonction d'au moins un paramètre de l'écoulement de flux et/ou d'un point de fonctionnement du système de propulsion et/ou un régime moteur du système de propulsion.
L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible :
- la structure rainurée est constituée par un film piézoélectrique ; le film piézoélectrique est du type polymère électroactif choisi dans le groupe suivant : PVDF, PVF2, PVF2-TFE, PMMA ou une céramique PZT ;
la structure comprend en outre une unité de polarisation du film au moyen d'une source de tension alternative et des électrodes conductrices ou semi-conductrices placées en contact avec le film ;
la hauteur des rainures est comprise entre 10 μΐη et 100 μΐη ;
un point fonctionnement du système de propulsion est : parking, shop-visit, croisière, épisode givrant.
L'invention concerne également un aéronef comprenant un système de propulsion selon l'invention. Plus précisément, l'invention concerne un aéronef comprenant un élément exposé à l'écoulement de l'air.
PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre une vue d'ensemble d'un système de propulsion d'un aéronef ;
- la figure 2 illustre une vue détaillée de la figure 1 ;
- la figure 3 illustre une structure piézoélectrique selon l'invention ;
- les figures 4a à 4d illustrent des exemples de rainures.
Sur l'ensemble des figures les éléments similaires portent des références identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
La figure 2 illustre une vue détaillée de la figure 1 comprenant un ensemble de circulation d'un écoulement d'un flux dans lequel, un ou plusieurs organes peuvent être recouvert au moins partiellement d'une structure d'une structure S comprenant une structure rainurée 5, 6, 7 comprenant une succession de rainures, en contact avec l'écoulement du flux, les rainures s'étendant longitudinalement dans le sens d'écoulement du flux.
La structure rainurée 5, 6, 7 est de préférence disposée sur la soufflante carénée 1 (référence 5) et/ou sur la paroi externe du moyeu interne (référence 6) et/ou sur l'aube à géométrie variable (référence 7).
La figure 3 illustre une structure S comprenant une structure rainurée parcourue par un écoulement d'un flux (flèche sur la figure 3).
Les rainures peuvent prendre plusieurs formes : créneau (figure 4a), parabolique (figure 4b), triangulaire (figure 4c), trapézoïdal (figure 4d). Dans le cas de rainures de forme parabolique, c'est la partie concave qui est en contact avec le flux.
Dans le cas de rainures de forme trapézoïdale, la petite base est en contact avec la paroi du canal tandis que la grande base du trapèze est supprimée.
La structure rainurée peut avantageusement être constituée de rainures de différentes formes.
La structure rainurée est en particulier configurée pour s'adapter en fonction d'au moins un paramètre d'écoulement de flux et/ou d'un point de fonctionnement du système de propulsion et/ou un régime moteur du système de propulsion.
La structure peut en ainsi se rétracter afin de permettre un détachement de glace
(système a nti -givrant). En outre elle permet de limiter l'encrassement des rainures pour augmenter la durée du gain initial (exemples : facilité de nettoyage au sol et nettoyage en vol sous l'effet du flux en contact avec la structure).
Un paramètre géométrique est, selon la forme de la rainure : la hauteur h, l'espacement s entre deux sommets, la largeur w intermédiaire dans le cas de créneaux (voir la figure 4a).
Un paramètre de flux est la pression du flux, la température du flux, la vitesse du flux, l'orientation du flux.
La structure rainurée est de préférence constituée par un film en céramique PZT ou en polymère électroactif qui permet de moduler la profondeur des rainures selon un point de fonctionnement et/ou le régime moteur. Un polymère électroactif est un polymère dont la forme et la taille changent lorsqu'il est stimulé par un champ électrique. En fonction de l'impulsion électrique envoyée, la déformation va être plus ou moins grande. Ainsi, la rugosité sera plus ou moins importante en fonction de l'impulsion envoyée.
Pour ajuster les rainures, la structure S comprend une unité P de polarisation avec une source de tension alternative et des électrodes conductrices ou semi-conductrices placées en contact avec le film. L'unité P de polarisation est couplée éventuellement à une unité A d'acquisition configurée pour acquérir des paramètres d'écoulement du flux.
L'amplitude de la vibration envoyée pour la source de tension va déformer le film de manière longitudinale et/ou transversale. En fonction de la puissance envoyée, la déformation sera plus ou moins importante donnant ainsi la profondeur des rainures ou la rugosité souhaitée.
Ainsi, selon le flux aérodynamique auquel est soumise la surface mouillée, il est possible d'ajuster la forme et la profondeur des rainures de la structure pour obtenir la traînée minimale et par la même, le meilleur rendement du système de propulsion. Les rainures sont très sensibles à l'érosion (sable, pluie...)- L'érosion vient endommager leur structure (par exemple, le sommet du pic pour une forme triangulaire) entraînant une perte d'efficacité (épaisseur de la couche d'écoulement laminaire c'est-à-dire la capacité à éloigner la couche d'écoulement turbulent, régularité des tourbillons entre deux rainures voisines,...) et donc une perte des performances aérodynamiques.
L'efficacité des rainures est donc dépendante de sa forme et ainsi, il est nécessaire d'utiliser des matériaux tolérants aux différentes agressions.
L'utilisation d'un film piézoélectrique permet de diminuer l'effet de l'érosion puisque on peut ajuster la mise en forme des rainures à certains cycles moteurs sur lesquels le gain est particulièrement important et non plus systématiquement sur la totalité du temps de vol.
En outre, les rainures sont également très sensibles à l'encrassement. En effet, elles peuvent présenter des creux en V avec des angles aigus pouvant rapidement être comblés par de la poussière, de la glace ou de la graisse. Ceci est particulièrement vrai en environnement moteur.
L'utilisation d'un film piézoélectrique permet alors de rentrer les rainures d'une phase de vol « parking » et en « shop-visit » afin de faciliter le nettoyage des surfaces par jet d'eau par exemple. Les rainures pourraient également être rétractés au cours d'une phase de vol « croisière » afin de laisser la puissance du flux d'air emporter tout ou partie des amas.
Les rainures peuvent être comprises entre 1 μιη et 50 μιη de profondeur h en fonction de la géométrie de la surface traitée et de la performance aérodynamique souhaitée. Pour les formes triangulaires, l'angle varie entre 15 et 60° et pour toutes les formes (créneaux, triangulaires, gorge en U), la hauteur pic à pic varie de 20 à 100 μιη avec une hauteur de pic comprise entre 10 et 100 μιη.
De manière avantageuse, pour empêcher la formation de la glace ou permettre son détachement les rainures peuvent être dimensionnées de manière à ce que la structure S présente une rugosité comprise entre 1 et 2,2 μιη. Dans ce cas, les rainures seront dimensionnées de manière adaptée durant un épisode givrant.
En effet, en phase de vol du givre peut se déposer à divers endroits : sur les entrées d'air (Gl, G2), et/ou sur la soufflante carénée 1 (G3) et/ou sur les aubes à géométries fixes 4 (G4) (voir les figures 1 et 2).
Le film électroactif doit donc posséder des propriétés de résistance à l'érosion mais également des propriétés hydrophobes pour améliorer l'anti-adhérence de la glace à son contact. Aussi, de préférence il s'agit d'un polymère type PVDF hydrophobe ou PVF2, PVF2- TFE, PMMA, tous avec des propriétés d'hydrophobicité ou sur une céramique PZT (titano- zirconate de plomb) de formule chimique Pb(Zrx,Tii-x)03 qui se présente en film mince ou gel polymérisé. Plusieurs compositions sont possibles en faisant varier le taux Zr/Ti.
La structure rainurée est avantageusement obtenue par un rainurage d'une paroi de l'organe soumise à un écoulement turbulent. Les rainures peuvent être obtenues en faisant de la texturation de surface sur métallique ou polymère ou céramique avec un laser ou par dépôt de couches métalliques ou en utilisant un masque pour imprimer le motif sur le polymère ou céramique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de propulsion d'un aéronef comportant au moins un organe (1, 3, 4, 8) en contact avec un écoulement turbulent d'un flux (F), caractérisée en ce que ledit organe est recouvert, au moins partiellement d'une structure (S) piézoélectrique telle qu'un film piézoélectrique, ladite structure (S) comprenant une structure (5, 6, 7,9) rainurées comprenant une succession de rainures, en contact avec l'écoulement du flux, les rainures s'étendant dans le sens d'écoulement du flux, la structure rainurée comprenant au moins un paramètre géométrique (h, s, w) configuré pour s'adapter en fonction d'au moins un paramètre de l'écoulement de flux et/ou d'un point de fonctionnement du système de propulsion et/ou un régime moteur du système de propulsion.
2. Système de propulsion selon la revendication 1, dans lequel la structure rainurée est constituée par un film piézoélectrique.
3. Système de propulsion selon la revendication 2, dans lequel le film piézoélectrique est du type polymère électroactif choisi dans le groupe suivant : PVDF, PVF2, PVF2-TFE, PMMA ou une céramique PZT.
4. Système de propulsion selon l'une des revendications 2 à 3, dans lequel la structure comprend en outre une unité (P) de polarisation du film au moyen d'une source de tension alternative et des électrodes conductrices ou semi-conductrices placées en contact avec le film.
5. Système de propulsion selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la hauteur (h) des rainures est comprise entre 10 μΐη et 100 μΐη.
6. Système de propulsion selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel un point fonctionnement du système de propulsion est : parking, shop-visit, croisière, épisode givrant.
7. Aéronef comprenant un système de propulsion selon l'une des revendications 1 à 6.
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