FR3070440A1 - Aube de redressement et arbre structural raccordes dans une veine primaire - Google Patents

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Abstract

L'invention propose un ensemble pour veine primaire (VP) de turbomachine à double flux s'étendant selon un axe longitudinal (X) comprenant : - un réducteur (30), configuré pour entrainer un fan (10) en rotation, - un stator (S0) comprenant une pluralité d'aube (50) de redressement du flux primaire (VP), - un carter intermédiaire (CI), positionné en aval du stator (S0), comprenant des bras structuraux (40) avec carénages (41) traversant la veine primaire (VP), dans lequel un carénage (41) et une aube (50) de redressement sont raccordés entre eux au sein de la veine primaire (VP) par une surface de raccord (60), ledit carénage (41) et ladite aube (50) étant positionnés longitudinalement sensiblement au niveau du réducteur (30).

Description

Aube de redressement et arbre structural raccordés dans une veine primaire
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
L'invention concerne les turbomachines double-flux pour aéronef à architecture de type à fan entraîné par un réducteur, connu sous les noms génériques de U H BR (ultra high bypass ratio) ou geared turbofan, c'est-à-dire les turbomachines dont le fan tourne moins vite que le compresseur basse-pression, généralement appelé booster.
Plus spécifiquement, l'invention concerne la veine primaire de telle turbomachine.
ETAT DE L'ART
Une turbomachine à double flux 1 pour la propulsion aéronautique est représentée schématiquement en figure 1. Elle comprend un fan 10 délivrant un flux d'air dont une partie centrale, appelée flux primaire, est injectée dans une veine primaire VP comprenant un compresseur basse pression 12 qui alimente une turbine 14 entraînant le fan via un arbre basse pression BP, et un compresseur haute pression 16 qui alimente une turbine haute pression 18 via un arbre haute pression. La turbomachine s'étend selon un axe longitudinal X.
L'air passant le fan 10 traverse ensuite un stator S0, qui comprend une pluralité d'aubages 40 qui ont pour but de redresser le flux, avant qu'il n'intègre le compresseur basse pression, aussi appelé booster.
La partie périphérique du flux d'air, appelée flux secondaire, est quant à elle éjectée vers l'atmosphère pour fournir la majeure partie de la poussée de la turbomachine 1, après avoir franchi une couronne 20 d'aubes fixes disposée en aval du fan, qui forment notamment une veine secondaire VS.
Dans le cas d'un fan entraîné par réducteur, la liaison entre l'arbre basse pression BP et le fan 10 n'est pas directe mais se fait via un réducteur 30.
Ce réducteur 30 est généralement un train épicycloïdal, avec un soleil, des satellites, et des portes satellites. Le réducteur est une pièce lourde, qui reçoit une puissance importante : il doit donc être structurellement supporté et abondamment lubrifié et refroidi.
A cette fin, la turbomachine comprend un carter intermédiaire CI situé entre le stator S0 et le compresseur basse pression 12 (plus précisément l'IGV du compresseur basse pression 12 - inlet guide vane - qui peut être à calage variable). Le carter intermédiaire CI comprend des bras structuraux 40 qui viennent participer à tenir le moteur dans son environnement de l'avion, en particulier à supporter son compartiment inter-veines appelé couramment le « compartiment core » de la turbomachine. Ces bras structuraux 40 traversent le flux primaire VP et comprennent un carénage 41 aérodynamique pour impacter au minimum l'écoulement du flux. Ils permettent en outre le transfert de puissance, le passage de servitudes, telles que des câbles ou des conduits d'huile.
Du fait de la présence d'un réducteur 30, qui doit être structurellement supporté, ces turbomachines 1 présentent une architecture différente des turbomachines dont le fan est entraîné directement par l'arbre basse pression. En particulier, le carter intermédiaire CI de ces machines à entraînement direct du fan se situe généralement entre les compresseurs. Il n'est pas ainsi pas positionné au même emplacement longitudinal dans un moteur à réducteur par rapport à un moteur à entraînement direct du fan.
A cause de ce positionnement différent, le carter intermédiaire CI se comporte différemment et crée des pertes de charge dans la veine primaire VP qui nuisent aux performances du moteur.
PRESENTATION DE L'INVENTION
L'invention propose une solution qui permet de diminuer ces pertes de charges. A cette fin, l'invention propose un ensemble pour veine primaire de turbomachine à double flux s'étendant selon un axe longitudinal comprenant :
- un réducteur, configuré pour entraîner un fan en rotation,
- un stator comprenant une pluralité d'aube de redressement du flux primaire,
- un carter intermédiaire, positionné en aval du stator, comprenant des bras structuraux avec carénages traversant la veine primaire, l'ensemble étant caractérisé en ce qu'au moins un carénage et une aube de redressement sont raccordés entre eux au sein de la veine primaire par une surface de raccord, ledit carénage et ladite aube étant positionnés longitudinalement sensiblement au niveau du réducteur.
Dans le cadre de l'invention, ces deux pièces sont aérodynamiquement fusionnées mais gardent chacune leur fonction.
L'invention peut comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :
- l'aube de redressement comprend un extrados et un intrados, et deux surfaces de raccord, respectivement extrados et intrados, sont prévues, d'une part pour raccorder l'extrados de l'aube de redressement à une face du carénage située du même côté que l'extrados et d'autre part pour raccorder l'intrados de l'aube de redressement à une face du carénage, située du même côté que l'intrados,
- la surface de raccord est une surface formée par ajout d'une pièce additionnelle, fixée au carénage et à l'aube de redressement,
- la surface de raccord est intégré au carénage et à l'aube de redressement, de sorte qu'ils forment un ensemble monobloc,
- on définit au carénage un bord de fuite, et dans lequel le raccord entre la surface de raccord et le bras structural se fait entre 60 et 90% de la longueur de la corde, en partant du bord de fuite,
- le raccord entre la surface de raccord et le bras structural se fait au niveau du maître couple du bras structural,
- on définit à l'aube de redressement un bord d'attaque, et dans lequel le raccord entre la surface de raccord et l'aube de redressement se fait entre 20 et 40% de la longueur de la corde, en partant du bord d'attaque,
- le raccord se fait par une contrainte de tangente,
- une servitude passe entre les deux surfaces de raccord,
- le stator comprend entre 60 et 100 aubes de redressement et le carter intermédiaire comprend entre 6 et 10 bras structuraux, chaque bras structural étant de préférence raccordé à une aube de redressement,
L'invention concerne aussi une turbomachine comprenant une veine secondaire et une veine primaire et un fan disposé en amont des deux veines, caractérisée en ce qu'elle comprend un ensemble tel que décrit précédemment, le fan étant entraîné par le réducteur.
L'invention propose un procédé d'assemblage d'un ensemble tel que défini précédemment, comprenant une étape de fixation de la surface de raccord sous forme d'une pièce additionnelle au carénage et à l'aube de redressement.
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 schématiquement une turbomachine selon l'art antérieur, et notamment une veine primaire, à laquelle l'invention peut être appliquée,
- La figure 2 illustre une vue tridimensionnelle d'un mode de réalisation de l'invention,
- Les figures 3 à 5 illustrent une vue en coupe, selon un plan orthogonal à l'extension radiale d'une aube de redressement et de l'arbre structural azimutalement aligné, selon un mode de réalisation de l'invention,
- La figure 6 illustrent une même vue, selon un mode de réalisation de l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
En référence à la figure 2, un ensemble pour veine primaire VP de turbomachine va être décrit.
La turbomachine 1, déjà présentée en introduction, comprend un fan 10 en amont d'une veine secondaire VS et d'une veine VP, entraîné en rotation par un réducteur 30. Elle s'étend le long d'un axe longitudinal X. Le long de la veine primaire VP, le flux d'air traverse un stator S0, un carter intermédiaire CI puis entre dans des compresseurs 12, 16, une chambre de combustion, puis des turbines 14, 18.
Le stator S0 comprend une pluralité d'aubes 50 de redressement réparties circonférentiellement dans la veine primaire VP et s'étendant radialement depuis un moyeu. En particulier, on compte entre 60 et 100 aubes, généralement aux alentours de 80.
Les aubes 50 de redressement ont pour fonction de redresser le flux sortant du fan 10. Chaque aube 50 de redressement comprend un bord de fuite 52, un bord d'attaque 54, le bord de fuite 52 étant en aval par rapport au bord d'attaque 54 selon le sens d'écoulement dans la veine primaire VP. On définit une corde c, qui est le segment reliant le bord de fuite 52 au bord d'attaque 54. On définit un extrados 50e et un intrados
50i, qui correspondent aux faces respectivement convexe et concave de l'aube de redressement 50.
Dans le cadre de l'invention, certaines aubes 50 pourront ne pas avoir de bord de fuite, comme cela sera expliqué par la suite.
Le carter intermédiaire CI comprend une pluralité de bras structuraux 40 répartis circonférentiellement dans la veine primaire VP et s'étendant radialement, comprenant chacun un carénage aérodynamique 41. En particulier, on compte entre 6 et 10 bras, par exemple 8.
Le carénage 41 et l'aube 50 sont longitudinalement positionnés au niveau, ou sensiblement au niveau, du réducteur 30. En d'autres termes, ils sont situés radialement autour du réducteur 30.
Ces bras structuraux 40 peuvent avoir pour fonction de porter notamment le réducteur 30, contribuant ainsi à la reprise d'effort, et/ou de transférer de la puissance (par exemple pour un boîtier d'entrainement des accessoires), et/ou de passer des servitudes, telles que des câblages électriques de puissance ou de contrôle, ou des conduits d'huile pour lubrifier et refroidir. Sur les figures est représenté uniquement le carénage 41. Généralement, la présence de la structure interne nécessaire pour assurer les fonctions précitées se manifeste sous la forme d'une zone « interdite de dessin » (keep-out zone) qui contraint la conception du moteur en restreignant les zones disponibles pour des aménagements de forme aérodynamiques par exemple.
Les carénages 41 ont pour fonction de limiter au maximum les perturbations aérodynamiques dans l'écoulement du flux primaire.
Chaque carénage 41 comprend un bord de fuite 42, un bord d'attaque 44, le bord de fuite 42 étant en aval par rapport au bord d'attaque 44 selon le sens d'écoulement dans la veine primaire VP. On définit une corde c, qui est le segment reliant le bord de fuite 42 au bord d'attaque 54. On définit un extrados 50e et un intrados 50i, qui correspondent aux faces respectivement convexe et concave de l'aube de redressement 50.
Dans le cadre de l'invention, les carénages 41 pourront ne pas avoir de bord d'attaque 44 à proprement parler, comme cela sera expliqué par la suite.
Un bras structural 40 comprend un maître couple, qui correspond à la zone dont la section sensiblement transversalement au flux ou perpendiculairement à la corde est maximum, c'est-à-dire la zone qui a généralement l'impact le plus important aérodynamiquement. Il s'agit de la zone dans laquelle l'épaisseur du bras ou la distance entre l'extrados et intrados est au maximum. Il se situe généralement entre 60 et 90% de la longueur à de corde c, à partir du bord de fuite 42. On remarque que la tangente au carénage 41 au niveau du maître couple est parallèle à l'axe longitudinal X de la turbomachine 1 (dans un plan orthogonal à l'extension radiale du bras structural 40).
Comme illustré sur la figure 2, une aube 50 de redressement et un carénage aérodynamique 41 de bras structural 40 sont raccordés entre eux par une surface de raccord 60. Cette surface de raccord 60 permet de solidariser aérodynamiquement l'aube 50 de redressement et le carénage 41.
Plus spécifiquement, deux surfaces de raccord 60e, 60i sont prévues, une surface 60e pour l'extrados 50e de l'aube 50 de redressement et la face 41e du carénage 41 située du même côté (que l'on nommera face extrados) et une surface 60i, opposée à la surface 60e, pour l'intrados 50i de l'aube 50 de redressement et la face 41i du carénage 41 située du même côté (que l'on nommera face intrados), qui est le côté opposé à la face 41e.
La présence des surfaces de raccord 62, 64 permet de supprimer les points d'arrêt situés au niveau du bord d'attaque du carénage 41 du bras structural 40 en aval des aubes 50 de redressement. En effet, le Demandeur s'est aperçu que du fait des contraintes particulières à la veine primaire VP, il se produisait des phénomènes non existants dans la veine secondaire VS, notamment au niveau de la couronne 20.
Aérodynamiquement, l'aube 50 de redressement et le bras structural 40 ne forment plus qu'une seule pièce.
Préférablement, chaque bras structural 40 est raccordé à une aube 50 de redressement. L'aube 50 de redressement concernée est celle qui est, d'une façon logique, au même azimut ou sensiblement au même azimut que le bras structural 40.
Comme on dénombre davantage d'aubes 50 de redressement que de bras structuraux 50, on aura ainsi un stator S0 comprenant majoritairement des aubes 50 de redressement non raccordées, et un nombre d'aubes 50 de redressement raccordée égal au nombre de bras structuraux 40.
On distingue deux modes de réalisation particuliers : un premier mode dans lequel la surface de raccord 60 est une pièce additionnelle, fixée au carénage 41 et à l'aube 50 de redressement et un second mode de réalisation dans lequel la surface de raccord 60 est intégrée au carénage 41 et à l'aube 50 de redressement pour former un ensemble monobloc.
Premier mode de réalisation (figures 3 à 5)
Dans le premier mode de réalisation, la surface de raccord 60 est une pièce, typiquement une plaque en tôle ou une plaque en composite que l'on vient fixer sur le carénage 41 et sur l'aube 50 de redressement.
La fixation peut se faire par collage, soudure, vissage, rivetage, etc. en fonction des matériaux utilisés.
Le raccordement peut se faire sur le carénage 41 au niveau du maître couple, c'est-à-dire la zone de périmètre maximal. Par « au niveau » on entend à plus ou moins 10% de la longueur de la corde c de part et d'autre du maître couple. La mesure se fait par projection orthogonale depuis la corde c sur le carénage 41.
Le raccordement peut se faire sur le carénage 41 entre 60 et 90% de la longueur de la corde c à partir du bord de fuite 42, préférablement entre 70 et 80%. Le maître couple se trouve généralement aussi dans cet intervalle.
Le bord de fuite du carénage 41 est conservé.
En respectant ces contraintes, le profil aérodynamique est optimisé.
Le raccordement peut se faire sur l'aube 50 de redressement entre 20 et 40% de la longueur de la corde c à partir du bord d'attaque 54, préférablement entre 25 et 35%. La mesure se fait par projection orthogonale depuis la corde c sur l'aube 50 de redressement.
A présent que l'emplacement des raccordements a été donné, il s'agit de définir le type de raccordement. Pour minimiser l'impact aérodynamique, le raccordement se fait par contrainte tangentielle, c'est-à-dire qu'au niveau du point de raccordement, la tangente à la surface 60e, 60i est confondue avec la tangente au carénage 41e, 41i ou de l'aube 50e, 50i (pour respectivement les extrados et les intrados). En d'autres termes, la jonction définit une surface continue (ce qui est réalisé par le fait même du raccordement) et dérivable au moins une fois (ce qui est réalisé par le fait même des tangentes confondues). Cela est illustré par les flèches sur les figures 4 et 5.
Dans ce mode de réalisation, un volume V est formé par les deux surfaces 60e, 60i, et par le carénage 41 et l'aube 50 de redressement. Il est possible de faire passer des servitudes dans ce volume V. On gagne ainsi plus de place pour le passage des servitudes.
Ce mode de réalisation permet de garder une fabrication relativement standard pour le stator S0 et pour le carter intermédiaire CI, puisqu'il suffit de venir ajouter des pièces
Second mode de réalisation (figure 6)
Dans le second mode de réalisation, le carénage 41, l'aube 50 de redressement et les surfaces de raccordement 60e, 60i sont faites en une seule et même pièce.
Comme les fonctions distinctes du bras structural 40 et de l'aube 50 de redressement continuent d'être assurées de façon indépendante, on considère que la turbomachine comprend toujours un bras structural 40 et une aube 50 de redressement, même si les deux pièces sont venues de matière.
Les mêmes contraintes en termes de positionnement et de raccord sont vérifiées. Toutefois, le bord d'attaque 44 du bras structural 40 et le bord de fuite 52 de l'aube 50 de redresseur n'ont plus besoin d'être fabriqués puisqu'ils ne sont plus situés dans le flux de la veine primaire VP, mais dans le volume créé par les surfaces de raccord 60e, 60i.
Ainsi, les notions de corde pour l'arbre structural 40 telle que définies précédemment ne peuvent plus s'appliquer. En revanche, comme l'arbre structural 40 conserve son maître couple, la définition du positionnement à partir du maître couple reste valable.
En revanche, la notion de corde pour les aubes 50 de redressement telle que définie peut continuer à s'appliquer dans la mesure où il existe des aubes 50 de redressement qui ne sont pas intégrées à un arbre structural 40 et qui peuvent servir de référence pour le calcul des positionnements donnés précédemment.
Dans ce mode de réalisation, un volume V' est formé par les deux surfaces 60e, 60i, et par le carénage 41 et l'aube 50 de redressement, supérieur au volume V. En outre, ce volume V' est continu avec l'espace disponible à l'intérieur du carénage 41. Il est ainsi possible de faire davantage de servitude dans ce volume V' que dans le volume de base du carénage 41.
Ce mode de réalisation permet d'éviter de fabriquer des portions d'aubes 50 de redressement et d'arbre structural 40 qui, étant située dans le volume V du premier mode de réalisation, ne remplissent plus leur fonction propre.
Modes de réalisation supplémentaires
Il est aussi possible de prévoir des surfaces de racccrd 60 scus ferme de pièce additicnnelle avec une aube 50 de redressement sans berd de fuite 52 et un bras structural 40 sans berd d'attaque 44. En d'autres termes, cela ccrrespcnd au deuxième mede de réalisation sauf que les éléments sont des pièces assemblées et ne sont pas intégralement formées.
Il est aussi possible de prévoir une surface de raccord intégralement formée avec l'aube de 50 de redressement et le carénage 41 de l'arbre structural 40, avec une aube 50 de redressement avec bord de fuite 52 et un carénage 41 avec bord d'attaque 44. En d'autres termes, cela correspond au premier mode de réalisation sauf que les éléments sont des pièces intégralement formées.
Toutefois, ces modes de réalisation, possibles techniquement, n'optimisent pas les quantités de matière ou les procédés de fabrication.

Claims (12)

1. Ensemble pour veine primaire (VP) de turbomachine à double flux s'étendant selon un axe longitudinal (X) comprenant :
- un réducteur (30), configuré pour entraîner un fan (10) en rotation,
- un stator (S0) comprenant une pluralité d'aube (50) de redressement du flux primaire (VP),
- un carter intermédiaire (CI), positionné en aval du stator (S0), comprenant des bras structuraux (40) avec carénages (41) traversant la veine primaire (VP), l'ensemble étant caractérisé en ce qu'au moins un carénage (41) et une aube (50) de redressement sont raccordés entre eux au sein de la veine primaire (VP) par une surface de raccord (60), ledit carénage (41) et ladite aube (50) étant positionnés longitudinalement sensiblement au niveau du réducteur (30).
2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel l'aube de redressement (50) comprend un extrados (50e) et un intrados (50i), et deux surfaces de raccord, respectivement extrados (60e) et intrados (60i), sont prévues, d'une part pour raccorder l'extrados (50e) de l'aube (50) de redressement à une face (41e) du carénage (41) située du même côté que l'extrados (50e) et d'autre part pour raccorder l'intrados (50i) de l'aube (50) de redressement à une face (41i) du carénage (41), située du même côté que l'intrados (50i).
3. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel la surface de raccord (60) est une surface formée par ajout d'une pièce additionnelle, fixée au carénage (41) et à l'aube (50) de redressement.
4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel la surface de raccord (60) est intégré au carénage (41) et à l'aube (50) de redressement, de sorte qu'ils forment un ensemble monobloc.
5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on définit au carénage (41) un bord de fuite (42), et dans lequel le raccord entre la surface de raccord (60) et le bras structural (40) se fait entre 60 et 90% de la longueur de la corde, en partant du bord de fuite (42).
6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le raccord entre la surface de raccord (60) et le bras structural (40) se fait au niveau du maître couple du bras structural (40).
7. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on définit à l'aube (50) de redressement un bord d'attaque (54), et dans lequel le raccord entre la surface de raccord (60) et l'aube (50) de redressement se fait entre 20 et 40% de la longueur de la corde, en partant du bord d'attaque (54).
8. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le raccord se fait par une contrainte de tangente.
9. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une servitude passe entre les deux surfaces de raccord (60).
10. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le stator (S0) comprend entre 60 et 100 aubes de redressement et le carter intermédiaire (CI) comprend entre 6 et 10 bras structuraux, chaque bras structural (40) étant de préférence raccordé à une aube (50) de redressement.
11. Turbomachine (1) comprenant une veine secondaire (VS) et une veine primaire (VS) et un fan (10) disposé en amont des deux veines, caractérisée en ce qu'elle comprend un ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, le fan (10) étant entraîné par le
5 réducteur (30).
12. Procédé d'assemblage d'un ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 à l'exception de la revendication 4, en combinaison avec la revendication 2 et la revendication 3, comprenant
10 une étape de fixation de la surface de raccord (60) sous forme d'une pièce additionnelle au carénage (41) et à l'aube (50) de redressement.
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