FR2921043A1 - Methode pour faire decoller et atterrir, a faible niveau de bruit, un avion de transport, ainsi que pour ameliorer son rendement, et avion permettant la mise en oeuvre de cette methode - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un nouveau concept d'avion à faible consommation dont le niveau de bruit au décollage est inférieur aux normes internationales. L'avion et sa méthode de mise en oeuvre sont caractérisés par l'utilisation de deux différents moyens de propulsion:- des turboréacteurs fixes à grand taux de dilution (11);- des soufflantes auxiliaires escamotables (31) actionnées par un prélèvement d'énergie sur les turboréacteurs à grand taux de dilution (11).Il est proposé de modifier la forme des soufflantes auxiliaires (31) avant de les escamoter pour pouvoir les loger dans des espaces peu accessibles tels qu'une voilure (4). De plus, il est proposé de remplacer le transfert d'énergie au moyen d'arbres de trasmission par des prélèvements d'air comprimé sur les moteurs principaux (11) pour actionner des turbines entrainant les soufflantes auxiliaires (31) ; ces prélèvements d'air comprimé peuvent être effectués, soit en aval des chambres de combustion des moteurs (11), option air chaud, soit en amont de ces chambres de combustion, option air tiède. Dans ce dernier cas il est proposé d'équiper d'une chambre de combustion auxiliaire les soufflantes auxiliaires escamotables (31).

Description

1 La présente invention concerne un nouveau concept d'avion dont la consommation en carburant, ainsi que le niveau de bruit au décollage et à l'atterrissage, sont très inférieurs à ceux des avions existants ou en projet. Cette invention complète le brevet antérieur du même auteur, n° 07/03209, où il était déjà proposé d'ajouter des soufflantes auxiliaires escamotables dont l'énergie est prélevée sur les moteurs principaux. I1 a déjà été expliqué, dans ce brevet antérieur de référence, pourquoi il est nécessaire d'utiliser des soufflantes auxiliaires escamotables pour améliorer le rendement et réduire le bruit. Ces considérations peuvent se résumer comme suit. Tous les grands avions commerciaux actuellement en production ou en développement ont la même configuration d'ensemble que le Boeing 707 apparu en 1954: fuselage cylindrique (ou presque) au-dessus des ailes, ailes en flèche, turboréacteurs sous les ailes, gouvernes en demi-croix à l'arrière. Toutes les nouvelles configurations envisagées pour le futur présentent des inconvénients importants : û ou bien, présentant: simplement des positions différentes des moteurs en vue de masquer leur bruit (au-dessus des ailes ou du fuselage), elles conduisent à diminuer le rendement, donc à 15 augmenter la pollution, et à augmenter les coûts de maintenance ; û ou bien des changements plus importants du type aile volante comportent des difficultés d'acceptation par la clientèle, des difficultés d'opération et de maintenance et beaucoup d'inconnues de gestion. Il est alors tentant de rie pas abandonner trop vite la configuration classique, certainement pas 20 avant 15 ans. Pourtant, la seule voie certaine ouverte à l'augmentation du rendement, donc aussi à la diminution de la pollution, et à la diminution du niveau de bruit passe par l'augmentation du taux de dilution des turbosoufflantes, ce qui conduit à augmenter le diamètre du moteur à poussée donnée. Ces grands diamètres sont difficiles à mettre en oeuvre car : û l'espace entre l'aile et le sol est limité ; 25 les grandes nacelles deviennent trop lourdes ; - la traînée de l'installation propulsive devient trop grande ; - il devient impossible de conserver la même vitesse de rotation pour la soufflante et sa turbine d'entrainement. L'augmentation envisagée du nombre des moteurs, dictée par l'espace disponible entre aile et sol, 30 a trop de conséquences pénalisantes sur le coût d'exploitation. Les recherches actuelles des motoristes suivent deux grandes options. Aux Etats-Unis, on est prêt à accepter le poids d'un réducteur pour pouvoir optimiser séparément turbine et soufflante. En France, on reparle d'hélices non carénées pour éviter le poids du conduit . Il faut bien admettre que la configuration unique de moteur n'est pas la bonne solution pour avoir un très bon 35 rendement en croisière et un très faible bruit au décollage. Le changement de cycle, obtenu par l'escamotage d'une partie du moteur, est donc la seule solution pour optimiser séparément le 2

rendement en croisière et le niveau de bruit au décollage, tout en limitant les coûts de recherche, de développement et de maintenance. Cependant les dispositions proposées dans le brevet antérieur de référence avaient deux inconvénients principaux : - les soufflantes escamotables dans le fuselage nécessitaient que leurs coffres ne soient pas pressurisés; - la distance de déplacement des soufflantes auxiliaires, du fuselage au lieu de travail au-dessus des moteurs (pour avoir des arbres de transmission courts), était importante donc nécessitait un mécanisme relativement compliqué et lourd.

Les dispositions revendiquées dans le présent brevet visent à surmonter ces difficultés en permettant d'escamoter les soufflantes auxiliaires dans des volumes restreints tels qu'une aile, juste au-dessus des moteurs. Elles proposent aussi, en complément ou en alternance, de remplacer les arbres de transmission, nécessairement courts pour des raisons de poids, par des conduits d'air comprimé permettant d'allonger la distance entre moteur principal et soufflante auxiliaire, de façon à optimiser le choix des positions de travail et de rangement des soufflantes auxiliaires. Un mode de réalisation de l'invention, avec des valeurs numériques correspondant à un avion d'environ 300 passagers, va être exposé en détail avec référence aux figures. Les valeurs numériques mentionnées résultent de l'art antérieur et des activités de recherche de l'inventeur, en particulier celles publiées dans les références suivantes : - G. Fournier,"Supersonic-Transport Takeoff Silencing", 7"' CEAS-ASC Workshop, "Aeroacoustics of Supersonic Transport", Prague, 13-14 Nov. 2003. - G. Fournier, "Supersonic-Transport Takeoff Silencing" , International Journal of Aeroacoustics, volume 3, 2004, n° 3, p. 249-258. - V.F. Kopiev, N.N. Ostrikov, S.A. Chernyshev, A.A. Maslov et G. Fournier, "Are New Supersonic- Transport Configurations Insuring Engine Noise Reduction ?" 8`' CEAS-ASC Works hop, "Aeroacoustics of New Aircraft & Engine Configurations", Budapest, 11-12 Nov. 2004. - G. Fournier, "Can Supersonic Transport be Ultra û Quiet ?", Workshop NASA "Revolutionary Aircraft for Quiet Communities", Hampton, VA, USA, 24-26 juillet 2007. Tous les chiffres donnés correspondent à un exemple cohérent de réalisation mais l'invention reste valable pour des chiffres différents. Les figures 1 à 3 (vues de face, de dessus et de côté) se rapportent aux soufflantes auxiliaires déployées en position de travail. Les figures 4 à 6 (vues de face, de dessus et de côté) 35 se rapportent aux soufflantes auxiliaires escamotées en position de rangement. Les figures 7 à 9 (vues de face, de dessus et de côté) se rapportent aux soufflantes auxiliaires en position intermédiaire. Dans tous ces schémas, ù les arbres de transmission entre le moteur principal et sa soufflante supplémentaire ne sont pas représentés par souci de clarté, sauf sur la figure 3 ; ù les éléments escamotés, cachés, sont tout de même représentés en traits pleins pour plus de clarté. La figure 1 est un schéma en vue de face d'une aile de l'avion montrant un moteur principal fixé sous l'aile et sa soufflante auxiliaire déployée au-dessus. La figure 2 est: un schéma de l'installation propulsive en vue de dessus, dans la même 10 configuration qu'à la figure 1. La figure 3 est: une vue de côté dans la même configuration qu'à la figure 1. La figure 4 est: un schéma en vue de face partielle de l'avion montrant un moteur principal fixé sous l'ai le et sa soufflante auxiliaire escamotée dans l'aile, en trois parties contigües. 15 La figure 5 est un schéma de l'installation propulsive en vue de dessus dans la même configuration qu'à la figure 4. La figure 6 est une vue de côté de l' installation propulsive dans la même configuration qu'à la figure 4. La figure 7 est un schéma en vue de face partielle de l'avion montrant un moteur 20 principal fixé sous l'aile et sa soufflante auxiliaire déjà écartée en trois parties mais pas encore repliée dans l'aile. La figure 8 est un schéma de l'installation propulsive en vue de dessus dans la même configuration qu'à la figure 7. La figure 9 est une vue de côté de l'installation propulsive dans la même configuration 25 qu'à la figure 7. La figure 10 est un schéma en vue de face d'une soufflante auxiliaire entrainée par une turbine périphérique. La figure 11 est un schéma en vue de côté d'une soufflante auxiliaire équipée d'une turbine axiale avec chambre de combustion auxiliaire. 30 La figure 12 est un schéma en vue de face d'une aile de l'avion montrant un moteur principal fixé sous l'aile et sa soufflante auxiliaire déployée aussi sous l'aile. La description suivante se rapporte donc à un avion à soufflantes auxiliaires escamotables, mais par ailleurs classique. Sa masse totale au décollage est d'environ 200 tonnes. Les éléments qui ne sont pas décrits en détail, tels que le fuselage, la voilure ou les trains 35 d'atterrissage, sont censés correspondre à des dispositions déjà proposées par ailleurs, existantes ou non. Chacun des deux turboréacteurs principaux a un diamètre total de 2,5 m et un poids 4

approximatif de 4 tonnes. La poussée de chacun de ces moteurs est de 155 kN au décollage et de 65 kN en croisière subsonique. Une partie de l'énergie des moteurs principaux est prélevée par un arbre de transmission (ou par une dérivation d'air comprimé) pour actionner les soufflantes suppémentaires de 1,9 m de diamètre pesant 1 tonne et fournissant chacune une poussée de 95 kN au décollage. La vitesse moyenne des jets au décollage est d'environ 300 m/s, ce qui assure un très faible niveau de bruit. La figure 1 montre comment le turboréacteur principal (11) est placé sous l'aile (4), elle-même attachée au fuselage (1). La soufflante auxiliaire (101) est ici représentée déployée en position de travail au-dessus de l'aile (4).

Sur la vue de dessus de la même configuration, figure 2, il apparait que la soufflante auxiliaire (101) est en fait constituée de trois parties : la manche amont d'entrée d'air (21), l'ensemble rotor-stator (31) et la manche de sortie d'air ou tuyère (41). La figure 3 complète la description de cette même configuration en montrant l'articulation (2) du mécanisme d'escamotage et l'arbre de trasmission (51), en deux parties non distinctes sur cette figure, entre le corps du moteur principal (11) et sa soufflante auxiliaire (31). La figure 4 montre comment la soufflante auxiliaire est escamotée dans l'aile (4), ses parties (21), (31) et (41) étant placées côte à côte. Les figures 5 et 6 complètent la description de cette même configuration. La figure 7 représente une configuration intermédiaire du processus d'escamotage où la soufflante auxiliaire est encore au-dessus de l'aile (4) mais ses manches amont(21) et aval (41) sont déjà repliées de part et d'autre du corps (31), grâce aux articulations (22) et (42). Les figures 8 et 9 complètent la description de cette même configuration intermédiaire. La figure 10 représente en vue de face une variante de soufflante auxiliaire où l'énergie n'est pas apportée par un arbre de transmission mais par de l'air comprimé, amené par le conduit (3), qui actionne une turbine (81) qui entraine, en prise directe ou par engrenages de réduction, le rotor (61) de la soufflante auxiliaire. L'air comprimé nécessaire à la turbine (81) peut être prélevé chaud, en sortie de chambre de combustion du moteur principal (11), non représenté sur cette figure, ou bien peut être prélevé tiède, en sortie de compresseur du moteur principal ; il est alors chauffé dans la chambre de combustion auxiliaire (91) avant d'être injecté par le conduit (3) dans la turbine (81). La figure 11 représente une autre variante du cas précédent où la turbine (81) est axiale au lieu d'être périphérique. Les chambres de combustion auxiliaires (91) sont facultatives comme précédemment selon que l'air comprimé du prélèvement sur le moteur principal est amené chaud ou tiède. Le conduit d'arrivée d'air comprimé (3) n'est représenté qu'à l'extérieur de la soufflante (31) car sa jonction avec les chambres de combustion auxiliaires (91) n'est pas représentée sur cette figure 11 par souci de clarté. La turbine (81) entraine le rotor (61) de la soufflante auxiliaire (31) qui comporte aussi un stator redresseur (71).

La figure 12 montre comment le turboréacteur principal (11) est placé sous l'aile (4), elle-même attachée au fuselage (1), comme sur la figure 1. Mais, en variante, la soufflante auxiliaire (101) est maintenant représentée déployée en position de travail en dessous de l'aile (4) au lieu d'être au-dessus.

En option, non représentée sur les figures, les soufflantes auxiliaires (101) peuvent être actionnées en sens inverse en vue d'obtenir un freinage au sol sans aucune configuration d'inverseur sur les moteurs principaux (11). Selon que ces soufflantes auxiliaires sont activées par arbre de transmission ou par prélèvement d'air comprimé, le fonctionnement en sens inverse est obtenu de la façon suivante : û Dans le cas d'une transmission par arbre, l'engrenage de couplage comporte deux positions, une pour le sens normal et une pour le sens inverse ; il est alors souhaitable d'établir une décharge d'air comprimé chaud entre la turbine haute pression et la turbine basse pression des moteurs principaux (1 I) de façon à minimiser la poussée des soufflantes de ces moteurs principaux. û Dans le cas d'une transmission par prélèvement d'air comprimé, ou bien l'ajutage de sortie du conduit comprend deux voies, une pour le sens normal, une pour le sens inverse, ou bien la liaison mécanique entre la turbine auxiliaire (81) et le rotor (61) comprend deux positions, une pour le sens normal et une pour le sens inverse. Par ailleurs, il y a également lieu de décharger les turbines basse pression pour minimiser la poussée des soufflantes des moteurs principaux (11). Une autre variante générale s'appliquant à toutes ces configurations consiste à remplacer la transmission de l'énergie par voie mécanique au moyen d'arbres (51) par une transmission électrique sans arbres de transmission . L'énergie électrique est produite par un générateur actionné par un arbre des moteurs principaux. Elle est transmise par cables conducteurs : û soit à un moteur rotatif placé sur l'arbre de chaque soufflante auxiliaire (101), û soit à un moteur électrique linéaire actionnant l'extrémité des pales de rotor (61). On notera aussi que certaines configurations d'avions envisagées dans le futur, dites ailes volantes ne permettent pas de distinguer la voilure (4) du fuselage (1). Ces configurations sont compatibles avec les dispositions décrites dans la présente demande de brevet. En particulier, soit les soufflantes auxiliaires (101), soit les soufflantes des moteurs principaux (11), soit les deux, peuvent ingérer la couche limite du fuselage, de l'aile ou du corps portant "aile volante". La méthode de mise en oeuvre de tels avions est maintenant décrite, avec prise en compte des variantes. Avant le décollage, les soufflantes auxiliaires (101) sont déployées en position de travail. Pour le décollage, les arbres de transmission (51) sont embrayés ou bien les prélèvements d'air comprimé sur les moteurs principaux (11) pour alimenter les turbines auxiliaires (81) sont établis. Les moteurs principaux (Ir) sont alors lancés à plein régime. Les chambres de combustion auxiliaires (91), si il y en a, sont allumées. En fin de montée, le régime des moteurs principaux (11) est un peu diminué, les arbres de trasmission (51) sont débrayés ou bien les chambres de combustion auxiliaires (91) sont éteintes et les prélèvements d'air sur les moteurs principaux sont fermés. Si les soufflantes auxiliaires (101) comportent plusieurs parties, telles que une manche d'entrée d'air amont (21), une partie avec aubages (31) et une manche de sortie d'air aval (41), ces parties sont placées dans la position intermédiaire de rangement grâce aux articulations (22) et (42). Les trappes des coffres de rangement sont ouvertes. Ensuite les ensembles auxiliaires ainsi préparés sont repliés dans leur cavité de rangement. Les volets des coffres de rangement sont refermés. Les moteurs principaux (11) sont mis en régime de croisière. Pour la descente, les moteurs principaux (11) sont réglés au ralenti. En fin de descente, les volets des coffres de rangement sont ouverts. Les soufflantes auxiliaires (101) sont extraites de leurs coffres de rangement. Les volets des coffres de rangement sont refermés. Les différentes parties telles que (21), (31) et (41) des soufflantes auxiliaires (101) sont replacées en position de travailles arbres de transmission (51) sont embrayés ou bien les prélèvements d'air comprimé sont établis. Les chambres de combustion auxiliaires (91), si il y en a , sont allumées. Lorsque l'avion touche le sol, les arbres de trasmission (51) sont débrayés ou bien les chambres de combustion auxiliaires (91) sont éteintes et les prélèvements d'air comprimé sont fermés. Si l'avion est équipé d'un dispositif d'inversion du sens de rotation des soufflantes auxilaires (101), celui-ci est activé. Sinon, l'inversion de poussée des moteurs principaux est mise en oeuvre pour contribuer au freinage et à l'arrêt de ['avion. La méthode proposée inclut aussi, pour la conception de l'avion, une optimisation séparée des moteurs principaux (11[) pour la seule croisière subsonique et une optimisation de l'ensemble moteurs principaux (1 l ) et soufflantes auxiliaires (101) pour la réduction du bruit au décollage. A titre d'exemple, un rendement élevé en croisière est obtenu avec une vitesse moyenne d'éjection de 385 m/s assurant une poussée de 65 kN sur chacun des deux moteurs principaux (11) de 2,5 m de diamètre. Au décollage un très faible niveau de bruit est obtenu avec une vitesse moyenne d'éjection de 300 m/s, tant sur les moteurs principaux (11) que sur les soufflantes auxiliaires (101) de 1,9 m de diamètre, ce qui assure la poussée totale de 500 kN pour un avion de 200 t.

Les exemples décrits ci-dessus ne sont pas limitatifs. Le nombre des moteurs principaux (11) et des soufflantes auxiliaires (101) , leurs positions de travail et de rangement, transversales, axiales et verticales, ainsi que leurs modes de déplacement et leurs caractéristiques peuvent être différents de ceux correspondant aux figures. En particulier, un moteur principal (11) peut actionner une ou plusieurs soufflantes auxiliaires (101) et une ou plusieurs soufflantes principales fixes, co-axiales ou non avec les compresseurs. L'application de l'invention à une fabrication industrielle d'avion peut utiliser des moteurs et des soufflantes proches de ceux déjà en production. L'innovation se situe au niveau de la réalisation des moyens de déplacement et de rangement des parties escamotables ainsi que dans la façon de transférer l'énergie des moteurs principaux aux soufflantes auxiliaires et dans leur mise en oeuvre.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1) Méthode pour faire décoller et atterrir à très faible niveau de bruit un avion de transport à haut rendement et économique en croisière, caractérisée par le déploiement de soufflantes auxiliaires (101) actionnées par des moteurs principaux à grand taux de dilution (11) et par le fait que ces soufflantes auxiliaires (101) ont des formes qui sont modifiées entre leur position de travail et leur position de rangement de façon à pouvoir être escamotées dans des coffres dont la profondeur est restreinte, par exemple dans l'épaisseur d'une aile (4).

2 ) Méthode pour faire décoller et atterrir à très faible niveau de bruit un avion de transport à haut rendement et économique en croisière, caractérisée par le déploiement de soufflantes auxiliaires (101) actionnées par des moteurs principaux à grand taux de dilution (11) et par le fait que ces soufflantes auxiliaires (101) ont leur rotor (61) actionné par une turbine (81) recevant de l'air comprimé prélevé sur leur moteur principal (11), de façon à faciliter le choix des positions de travail et de rangement de ces soufflantes auxiliaires (101).

3 ) Méthode selon la revendication 1 pour faire décoller et atterrir à très faible niveau de bruit un avion de transport à haut rendement, caractérisée par le fait que la modification de forme des soufflantes auxiliaires (101) est obtenue en repliant la manche d'entrée d'air (21) et la manche de sortie d'air (41) de part et d'autre du tronçon principal (31), grâce à des articulations (22) et (42).

4 ) Méthode selon la revendication 2 pour faire décoller et atterrir à très faible niveau de bruit un avion de transport à haut rendement, caractérisée par le fait que l'air comprimé, prélevé en sortie de compresseur des moteurs principaux (11) est chauffé par une chambre de combustion auxiliaire (91) avant d'atteindre la turbine (81) des soufflantes auxiliaires (101).

5) Méthode selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par une optimisation séparée : - des seuls moteurs principaux (11) pour le rendement en croisière , - des ensembles moteurs principaux (11) et soufflantes auxiliaires escamotables (101) 25 pour la réduction du bruit au décollage. Méthode selon la revendication 1 ou 2, caractérisée par l'absence de dispositif d'inversion de jet sur les moteurs principaux (11) et par la mise en rotation des soufflantes auxiliaires (101) en sens inverse pour le freinage de l'avion au sol . 7l Méthode selon la revendication 6 caractérisée par le fait que l'inversion du sens de 30 rotation des soufflantes auxiliaires (101) est obtenue par deux positions adéquates de l'engrenage de couplage des arbres de transmission (51). Par ailleurs, il y a lieu de décharger les turbines basse pression pour minimiser la poussée des soufflantes des moteurs principaux (11).D Méthode selon la revendication 6 caractérisée par le fait que l'inversion du sens de rotation des soufflantes auxiliaires (101) est obtenue par dérivation de l'air comprimé prélevé sur les moteurs principaux (11) vers un ajutage introduisant l'air dans les turbines (81) en sens inverse du sens normal. Par ailleurs, il y a lieu de décharger les turbines basse pression pour minimiser la poussée des soufflantes des moteurs principaux (11). D Méthode selon la revendication 6 caractérisée par le fait que l'inversion du sens de rotation des soufflantes auxiliaires (101) est obtenue grâce à la liaison mécanique entre la turbine auxiliaire (81) et le rotor (61), qui comprend deux positions, une pour le sens normal et une pour le sens inverse. Par ailleurs, il y a lieu de décharger les turbines basse pression pour minimiser la poussée des soufflantes des moteurs principaux (11). 10) Avion de transport, silencieux au décollage et économique en croisière, conçu et réalisé pour mettre en oeuvre les méthodes de la revendication 1, caractérisé, et par le déploiement de soufflantes auxiliaires (101) actionnées par des moteurs principaux à grand taux de dilution (11), et par le fait que ces soufflantes auxiliaires (101) ont des formes qui sont modifiées entre la position de travail et la position de rangement de façon à pouvoir être escamotées dans des coffres dont la profondeur est restreinte, par exemple dans l'épaisseur d'une aile (4). 11 ) Avion de transport, silencieux au décollage et économique en croisière, conçu et réalisé pour mettre en oeuvre les méthodes de la revendication 2, caractérisé par le déploiement de soufflantes auxiliaires (101) dont le rotor (61) est actionné par une turbine (81) recevant de l'air comprimé prélevé sur leur moteur principal (11). 12) Avion de transport, silencieux au décollage et économique en croisière, conçu et réalisé pour mettre en oeuvre les méthodes des revendications 1 et 3, caractérisé par le fait que la modification de forme des soufflantes auxiliaires (101) est obtenue en repliant la manche d'entrée d'air (21) et la manche de sortie d'air (41) de part et d'autre du tronçon principal (31) grâce aux articulations (22) et (42). 13 ) Avion de transport, silencieux au décollage et économique en croisière, conçu et réalisé pour mettre en oeuvre les méthodes des revendications 2 et 4, caractérisé par le fait que l'air comprimé, prélevé en sortie de compresseur des moteurs principaux (11) est chauffé par une chambre de combustion auxiliaire (91) avant d'atteindre la turbine (81) des soufflantes auxiliaires (101). 14) Avion de transport, silencieux au décollage et économique en croisière, conçu et réalisé pour mettre en oeuvre les méthodes de la revendication 5, caractérisé par une optimisation séparée : ù des seuls moteurs principaux (11) pour le rendement en croisière , conduisant, à titre d'exemple, à une vitesse moyenne d'éjection de 385 m/s assurant une poussée de 65 kN sur chacun des deux moteurs principaux (11) de 2,5 m de diamètre. ù des ensembles moteurs principaux (11) et soufflantes auxiliaires escamotables (101) pour la réduction du bruit au décollage, conduisant, à titre d'exemple, à une vitesse moyenne d'éjection de 300 m/s, tant sur les moteurs principaux (11) que sur les soufflantes auxiliaires (101) de 1,9 m de diamètre, ce qui assure une poussée totale de 500 kN pour un avion de 200 t.