FR2938502A1 - Turbomachine comportant une helice non carenee equipee de moyens de guidage d'air - Google Patents

Abstract

Turbomachine, comprenant deux hélices externes non carénées (122, 124) coaxiales et contrarotatives, respectivement amont et aval, caractérisée en ce qu'au moins certaines des aubes (148) de l'hélice amont comprennent des ailettes (150) de guidage d'air sur les aubes, ces ailettes étant orientées d'amont en aval vers l'extérieur et destinés à dévier les tourbillons (146) formés au niveau des têtes d'aube de l'hélice amont (122) radialement à l'extérieur des aubes de l'hélice aval (124).

Description

Turbomachine comportant une hélice non carénée équipée de moyens de guidage d'air

La présente invention concerne une turbomachine du type à hélices non carénées (en anglais open rotor ou unducted fan ). Une turbomachine de ce type comprend deux hélices externes coaxiales et contrarotatives, respectivement amont et aval, qui sont chacune solidaire en rotation d'une turbine de la turbomachine et qui s'étendent sensiblement radialement à l'extérieur de la nacelle de cette turbomachine. Cette turbomachine a l'avantage d'être très performante comparativement à d'autres types de turbomachine parce qu'elle consomme moins de carburant et que ses hélices contrarotatives permettent de fournir une poussée importante. Cependant, l'inconvénient majeur de ce type de turbomachine est le bruit qu'elle génère en fonctionnement. Or, cette turbomachine doit respecter des normes de certification acoustique relativement sévères, en particulier lors des phases de décollage et d'atterrissage de l'avion équipé de cette turbomachine. L'une des sources de ce bruit provient de l'interaction de tourbillons 20 générés au niveau des têtes des aubes de l'hélice amont, avec les aubes de l'hélice aval. Une solution pour supprimer ce bruit (appelée clipping ) consiste à réduire le diamètre externe de l'hélice aval de façon à ce que les tourbillons générés par l'hélice amont passent à l'extérieur de l'hélice aval 25 et n'interagissent pas avec celle-ci. Cependant, cette solution n'est pas satisfaisante car elle se traduit par une réduction de la poussée produite par l'hélice aval et donc par une diminution des performances de la turbomachine. II serait possible d'augmenter la charge de l'hélice aval pour compenser la réduction de son diamètre, mais cette hélice deviendrait alors 30 très complexe à réaliser.

L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème. Elle propose à cet effet une turbomachine, comprenant deux hélices externes non carénées coaxiales et contrarotatives, respectivement amont et aval, caractérisée en ce qu'au moins certaines des aubes de l'hélice amont comprennent sur leurs parties d'extrémité radialement externes des moyens de guidage d'air orientés d'amont en aval vers l'extérieur et destinés à dévier les tourbillons formés au niveau des têtes d'aube de l'hélice amont radialement à l'extérieur des aubes de l'hélice aval.

Ces moyens de guidage portés par les aubes de l'hélice amont guident vers l'extérieur au moins une partie des tourbillons formés en bout des aubes de l'hélice amont, qui n'interagissent donc pas ou peu avec les aubes de l'hélice aval, ce qui permet de réduire de manière significative (jusqu'à 3dB de réduction) les nuisances sonores liées à l'interaction de ces tourbillons avec l'hélice aval. Ils permettent également une réduction de l'intensité des tourbillons générés et donc d'aider à la réduction du bruit. L'invention ne nécessite donc pas de modifier les dimensions des hélices amont et aval qui peuvent avoir sensiblement le même diamètre externe. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de guidage comprennent au moins une ailette en saillie sur l'intrados de l'aube et/ou au moins une ailette en saillie sur l'extrados de l'aube. Les moyens de guidage selon l'invention ont une faible masse, et ne modifient pas ou peu le profil aérodynamique de l'aube. Chaque ailette peut être formée d'une seule pièce avec l'aube ou être rapportée et fixée sur cette aube. Elle peut par exemple être collée sur l'aube ou y être fixée par toute autre technique appropriée. L'ailette peut être obtenue de fonderie ou bien par usinage. Elle peut également être formée en matériau composite, en métal, etc. L'ailette peut avoir une forme rectiligne, ou partiellement ou totalement incurvée. Elle a par exemple une longueur ou dimension axiale comprise entre 20 et 90% environ de celle de l'aube, et une épaisseur ou hauteur qui est fixe ou variable, approximativement égale à celle de la couche limite sur l'aube tout en restant inférieure à environ 20mm, par exemple. L'épaisseur de l'ailette est fonction du matériau qui la constitue. Elle est au minimum de I mm.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'aube comprend plusieurs ailettes sur au moins une de ses faces, ces ailettes étant sensiblement parallèles entre elles. Elles peuvent être localisées à proximité du bord d'attaque et/ou du bord de fuite de l'aube. Elles sont par exemple réparties sur une zone comprise entre 50 à 95% environ de la dimension radiale de l'aube, mesurée depuis le pied de l'aube. Le pas entre chacune des ailettes est soit fixe, soit variable avec la hauteur. Il varie alors entre 5 et 150mm. Les ailettes ont une longueur ou dimension axiale soit fixe, soit évolutive qui augmente avec la distance des ailettes à l'axe de rotation. Elles ne sont pas forcément perpendiculaires à la surface de l'aube. L'invention propose également une aube d'hélice externe pour une turbomachine telle que décrite précédemment, caractérisée en ce qu'elle comprend à son extrémité externe des ailettes parallèles en saillie sur au moins une de ses faces, orientées d'amont en aval vers l'extérieur.

L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une turbomachine à hélices non carénées, - la figure 2 est une vue schématique partielle en perspective de l'hélice amont d'une turbomachine à hélices non carénées selon la technique antérieure, - la figure 3 est une demi-vue très schématique en coupe axiale d'une turbomachine à hélices non carénées selon l'invention, - la figure 4 est une vue schématique partielle de côté d'une aube d'hélice amont, selon une variante de réalisation de l'invention, - la figure 5 est une vue en coupe selon la ligne V-V' de la figure 4, - les figures 6 à 8 sont des vues correspondants à la figure 4 et représentant d'autres variantes de réalisation de l'invention, et - la figure 9 est une vue schématique de côté d'une aube d'hélice amont selon une autre variante de réalisation de l'invention. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente une turbomachine 10 à hélices non carénées (en anglais open rotor ou unducted fan ) qui comporte d'amont en aval, dans le sens d'écoulement des gaz à l'intérieur de la turbomachine, un compresseur 12, une chambre annulaire de combustion 14, une turbine amont 16 haute-pression, et deux turbines aval 18, 20 basse-pression qui sont contrarotatives, c'est-à-dire qu'elles tournent dans deux sens opposés autour de l'axe longitudinal A de la turbomachine. Chacune de ces turbines aval 18, 20 est solidaire en rotation d'une hélice externe 22, 24 s'étendant radialement à l'extérieur de la nacelle 26 de la turbomachine, cette nacelle 26 étant est sensiblement cylindrique et s'étendant le long de l'axe A autour du compresseur 12, de la chambre de combustion 14, et des turbines 16, 18 et 20. Le flux d'air 28 qui pénètre dans le compresseur 12 est comprimé puis est mélangé à du carburant et brûlé dans la chambre de combustion 14, les gaz de combustion étant ensuite injectés dans les turbines pour entraîner en rotation les hélices 22, 24 qui fournissent la majeure partie de la poussée générée par la turbomachine. Les gaz de combustion sortent des turbines et sont expulsés à travers une tuyère 30 (flèches 32) pour augmenter la poussée. Les hélices 22, 24 sont disposées coaxialement l'une derrière l'autre. De façon connue, chacune de ces hélices 22, 24 comporte une pluralité d'aubes qui sont régulièrement réparties autour de l'axe A de la turbomachine, chaque aube s'étendant sensiblement radialement et comportant un bord amont d'attaque, un bord aval de fuite, une extrémité radialement interne formant le pied de l'aube, et une extrémité radialement externe formant la tête de l'aube. L'hélice aval 24 a sensiblement le même diamètre que l'hélice amont 22 de façon à ce que ces hélices fournissent la même poussée en fonctionnement et que la totalité du flux d'air comprimé par l'hélice amont soit recomprimé par l'hélice aval. La figure 2 est une vue schématique partielle en perspective de l'hélice amont 22 d'une turbomachine de la technique antérieure, et représente l'évolution des lignes de courant sur une aube de cette hélice. Les lignes de courant 34, 36, 38 passent entre les aubes de l'hélice et suivent plus ou moins le profil de ces aubes, depuis les bords d'attaque 40 jusqu'aux bords de fuite 42 de ces aubes. Les lignes de courant 34 qui passent sur les parties d'extrémité radialement internes des aubes sont sensiblement parallèles entre elles. Au contraire, les lignes de courant 36, 38 qui passent sur les parties d'extrémité radialement externes ont tendance à converger les unes vers les autres, ce phénomène étant de plus en plus intense à mesure que l'on se rapproche des têtes 44 des aubes. Les lignes de courant 36 au niveau des têtes des aubes s'enroulent les unes autour des autres et forment des tourbillons 46 qui viennent impacter sur les aubes de l'hélice aval 24, ces impacts étant à l'origine de nuisances sonores très importantes. L'invention permet de remédier à ce problème grâce à des moyens prévus sur les parties d'extrémité radialement externes des aubes de l'hélice amont 22 pour guider les tourbillons 46 vers l'extérieur et les forcer à passer radialement à l'extérieur des aubes de l'hélice aval 24, tout en diminuant l'intensité des tourbillons. Dans les exemples représentés dans les dessins et décrits dans ce qui suit, les moyens de guidage comprennent des ailettes qui sont en saillie 30 sur l'intrados et/ou l'extrados des aubes de l'hélice amont.

Dans le cas de la figure 3, chaque aube de l'hélice amont 122 comprend au voisinage de sa tête 144, trois ailettes 150 sensiblement identiques et parallèles entre elles. Elles sont à distance axiale des bords d'attaque 140 et de fuite 142 des aubes. Dans l'exemple représenté, ces ailettes 150 sont rectilignes et orientées d'amont en aval radialement vers l'extérieur. Ces ailettes 150 sont situées sur les extrados 152 des aubes et s'étendent d'amont en aval vers l'extérieur de façon à guider et à dévier les tourbillons 146 vers l'extérieur, au-delà des têtes des aubes de l'hélice aval 124.

Les ailettes 150 ont ici une longueur I ou dimension axiale comprise entre 50 et 90% environ de la longueur axiale L locale de l'aube, c'est-à-dire la longueur de l'aube mesurée au niveau des ailettes. Dans la variante de réalisation des figures 4 et 5, l'aube comporte sur son extrados 252 quatre ailettes 250 parallèles au voisinage de sa tête 244. Ces ailettes sont rectilignes et s'étendent axialement depuis le bord de fuite 242 des aubes vers l'amont, sur une distance correspondant à environ 50 à 80% de la longueur ou dimension axiale locale de l'aube. L'ailette la plus proche de la tête 244 de l'aube a une longueur plus faible que celle des autres ailettes.

Les ailettes 250, ainsi que les ailettes 150, ont une hauteur ou épaisseur e relativement faible qui est inférieure ou égale à celle des couches limites sur les aubes de façon à ce que ces ailettes ne gênent ou ne modifient pas l'écoulement du flux d'air entre les aubes. L'épaisseur e des ailettes est par exemple comprise entre 0,5 fois et 1 fois l'épaisseur des couches limites. Dans la variante de la figure 6, les ailettes 350 sont au nombre de quatre et ont des dimensions axiales inférieures ou égales à 50% de la longueur axiale locale de l'aube. Elles sont situées à proximité des bords de fuite 342 et de la tête 344 de l'aube. Ces ailettes sont rectilignes.

L'aube de la variante de la figure 7 comporte sept ailettes 450 parallèles et rectilignes, qui ont des dimensions axiales similaires aux ailettes 350 de la figure 6 et qui sont également disposées à proximité du bord de fuite 442 et de la tête 444 de l'aube. Dans la variante de la figure 8, l'aube comporte quatre ailettes 550 parallèles qui comportent chacune une portion amont 554 rectiligne et sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du moteur, et une portion aval 556 incurvée en arc de cercle à concavité orientée vers l'extérieur qui s'étend depuis l'extrémité aval des portions rectilignes, d'amont en aval vers l'extérieur. Les extrémités aval des portions en arc de cercle des ailettes sont reliées au bord de fuite 542 de l'aube.

Dans la variante de réalisation de la figure 9, l'aube porte une pluralité d'ailettes 650 qui sont régulièrement réparties sur une zone comprise entre 50 à 95% de la dimension radiale de l'aube, mesurée depuis le pied de l'aube. Ces ailettes 650 sont rectilignes et parallèles entre elles. La dimension axiale des ailettes varie avec la position radiale des ailettes sur l'aube, plus les ailettes étant proches de la tête 644 de l'aube et plus leur dimension axiale étant importante. Les ailettes situées à proximité de la tête d'aube 644 s'étendent sensiblement depuis le bord d'attaque 640 jusqu'au bord de fuite 642 de l'aube, c'est-à-dire sur toute la dimension axiale locale de l'aube.

Cette disposition particulière des ailettes 550 permet de canaliser le flux d'air passant entre les aubes et d'éviter que celui-ci ne remonte vers les têtes d'aube pour nourrir les tourbillons précités. Les ailettes de guidage selon l'invention peuvent être formées d'une seule pièce avec l'aube ou bien rapportées et fixées sur cette aube. Elles peuvent par exemple être réalisées de fonderie, par usinage, etc. Elles peuvent être réalisées en matériau composite, métallique, etc. elles peuvent aussi être fixées par collage, soudage, brasage, ou autre sur l'aube. Dans les exemples représentés, les ailettes sont disposées sur les extrados des aubes. En variante, des ailettes peuvent être disposées également sur les intrados des aubes ou bien uniquement sur les intrados des aubes. Elles peuvent également être présentes sur une partie seulement des aubes de l'hélice amont 122. Les ailettes peuvent s'étendre perpendiculairement ou de façon inclinée par rapport à la surface externe de l'extrados et/ou de l'intrados de l'aube.

Dans les exemples représentés, le pas entre les ailettes est sensiblement constant. Il peut cependant être variable dans d'autres réalisations.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Turbomachine, comprenant deux hélices externes non carénées (122, 124) coaxiales et contrarotatives, respectivement amont et aval, caractérisée en ce qu'au moins certaines des aubes (148) de l'hélice amont comprennent sur leurs parties d'extrémité radialement externes des moyens (150) de guidage d'air orientés d'amont en aval vers l'extérieur et destinés à dévier les tourbillons (146) formés au niveau des têtes (144) d'aube de l'hélice amont radialement à l'extérieur des aubes de l'hélice aval.
2. 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de guidage d'une aube comprennent au moins une ailette (150) en saillie sur l'extrados (152) de l'aube et/ou au moins une ailette en saillie sur l'intrados de l'aube.
3. 3. Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'ailette (150) est formée d'une seule pièce avec l'aube ou est rapportée et fixée sur cette aube.
4. 4. Turbomachine selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que l'ailette (150) a une longueur ou dimension axiale comprise entre 20 et 90% environ de celle de l'aube.
5. 5. Turbomachine selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que l'ailette (150) a une épaisseur ou hauteur qui est approximativement égale à l'épaisseur de la couche limite d'écoulement d'air sur l'aube.
6. 6. Turbomachine selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que l'ailette (150) a une forme rectiligne ou au moins partiellement incurvée.
7. 7. Turbomachine selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que l'aube comprend plusieurs ailettes (150) sur au moins une de ses faces, ces ailettes étant sensiblement parallèles entre elles.
8. 8. Turbomachine selon la revendication 7, caractérisée en ce que les ailettes (150) sont localisées à proximité du bord d'attaque (140) et/ou du bord de fuite (142) de l'aube.
9. 9. Turbomachine selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que les ailettes (150) sont réparties sur une zone comprise entre 50 à 95% environ de la dimension radiale de l'aube, mesurée depuis le pied de l'aube, et ont une longueur évolutive qui augmente progressivement avec la distance des ailettes à l'axe de rotation.
10. 10. Aube d'hélice externe pour une turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend à son extrémité externe des ailettes (150) parallèles en saillie sur au moins une de ses faces, orientées d'amont en aval vers l'extérieur.15