FR3081435A1 - Turbomachine d'aeronef a doublet d'helices rotatives et non carenees - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une turbomachine d'aéronef à doublet d'hélices rotatives et non carénées, comportant une hélice amont (4) ayant un diamètre externe D1 et une hélice aval (2) ayant un diamètre externe D2, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de variation dudit diamètre D2, ladite hélice aval (2) comportant une rangée annulaire d'aubes (5) qui sont chacune configurées pour être montées de manière télescopique en direction radiale (R) dans un carter externe (3).

Description

TURBOMACHINE D’AERONEF A DOUBLET D’HELICES ROTATIVES ET NON CARENEES

Domaine technique :

La présente invention se rapporte au domaine des turbomachines d’aéronef à doublet d’hélices non carénées, qu’ils soient de type turbopropulseur à hélice double ou de type turbomachines avec le doublet d’hélices entourant le flux primaire, autrement appelés « Open Rotor ».

Etat de l’art :

Dans les deux types d’architecture, les hélices contrarotatives peuvent avoir un grand diamètre et présentent l’avantage de fournir une traction importante en permettant une consommation de carburant moindre qu’avec un concept plus classique.

Cependant, les forts niveaux acoustiques engendrés par les mécanismes d’interaction aérodynamique entre les deux hélices sont pénalisants pour ce type de propulsion.

L’une des sources de bruit vient de l’interaction de tourbillons générés au niveau des têtes des pales de l’hélice amont avec les pales de l’hélice aval. Afin de réduire le bruit, la pale aval doit être plus courte que la pale amont, de manière à ce que le tourbillon passe au-dessus de la pale aval.

Pour optimiser le rendement de l’hélice aval en minimisant le bruit, on a intérêt à définir une pale aval d’allongement maximal compatible avec cette contrainte de bruit. Pour le fonctionnement en vol de croisière, il suffit de prendre un diamètre légèrement inférieur à la pale amont pour minimiser les problèmes de bruit.

Cependant, plus le chargement de la pale est élevé, plus l’écoulement se contracte et plus le tourbillon se rapproche de l’axe derrière l’hélice amont. Le point de décollage correspond à un cas de chargement élevé et, de plus, il est contraignant pour les normes de bruit à respecter.

Il existe donc un besoin de surmonter la contradiction entre le fait que l’on souhaiterait augmenter le plus possible l’allongement des pales de l’hélice aval pour améliorer le rendement en régime de croisière et le fait qu’il faut diminuer le bruit dans les conditions de décollage.

Dans le document FR-A1-2962109, la demanderesse avait proposé une solution dans laquelle les pales de l’hélice aval peuvent être repliées vers l’arrière, notamment au moment du décollage pour passer à l’intérieur des tourbillons d’extrémité des pales de l’hélice amont. Cependant, cette solution modifie le profil des pales vu par l’écoulement et dégrade les performances, alors que le décollage demande une poussée supérieure au propulseur.

L’invention a pour but de proposer une alternative pour optimiser le rendement des hélices aux différentes conditions de vol tout en minimisant le bruit généré, notamment au moment du décollage.

Présentation de l’invention:

L’invention concerne une turbomachine d’aéronef à doublet d’hélices rotatives et non carénées, comportant une hélice amont ayant un diamètre externe D1 et une hélice aval ayant un diamètre externe D2, caractérisée en ce qu’elle comprend des moyens de variation dudit diamètre D2, ladite hélice aval comportant une rangée annulaire d’aubes qui sont chacune configurées pour être montées de manière télescopique en direction radiale dans un carter externe.

En déplaçant de manière télescopique les aubes de l’hélice aval, le profil des aubes reste le même que celui qui a été défini au départ pour optimiser l’action de l’hélice dans l’écoulement. De plus, on peut maîtriser le calage des aubes. Cette solution permet donc de diminuer le diamètre de l’hélice aval pour passer sous les tourbillons marginaux de l’hélice amont tout en restant au plus proche de l’optimisation aérodynamique des aubes.

De préférence, chaque aube est solidaire d’un arbre sensiblement radial qui est relié à des moyens d’actionnement en vue de la translation radiale de l’aube voire également de son calage angulaire autour de son axe radial.

Dans certains modes de réalisation, les moyens d’actionnement comprennent un actionneur par aube, monté sur l’arbre radial de ladite aube.

Ledit actionneur peut comporter des moyens élastiques agencés pour exercer une force de rappel sur les aubes opposée à la force centrifuge exercée sur ces dernières.

Dans d’autres modes de réalisation, les moyens d’actionnement comprennent au moins un actionneur associé à plusieurs aubes.

Dans ce cas, un anneau de transmission tournant avec l’hélice aval, mécaniquement relié à plusieurs aubes, peut être déplacé en translation axiale par ledit actionneur.

Dans les différents modes de réalisation précédents, le ou chaque actionneur peut être hydraulique.

Egalement, le ou chaque actionneur peut être pneumatique et de préférence configuré pour être activé en fonction d’une pression ambiante.

Avantageusement, les moyens d’actionnement transmettent à l’arbre radial solidaire de l’aube une translation radiale et des moyens complémentaires utilisent ladite translation pour faire tourner l’arbre autour de son axe sur le moyeu, en vue d’associer une modification du calage de l’aube à son déplacement radial.

Dans encore un autre mode de réalisation, les moyens d’actionnement comprennent un plateau cyclique avec des ondulations, perpendiculaire audit arbre et relié à ce dernier par des bielles à liaisons rotulantes, de manière à modifier la position radiale dudit arbre lors d’une rotation autour de ladite direction radiale. Ce dispositif associe directement une rotation de l’arbre pour ajuster le calage de l’aube à une translation radiale de l’aube, grâce aux ondulations du plateau cyclique.

Brève description des figures :

La présente 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, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

La figure 1a représente très schématiquement une demi coupe axiale d’un doublet d’hélices rotatives selon l’invention monté sur la partie amont d’un propulseur pour des conditions de vol de croisière.

La figure 1b représente très schématiquement une demi coupe axiale du doublet d’hélices rotatives de la figure 1 monté sur la partie amont d’un propulseur en phase de décollage.

La figure 2a représente très schématiquement un premier mode de réalisation de l’invention pour une aube de l’hélice aval de la figure 1, avec son système d’actionnement, dans des conditions de vol de croisière.

La figure 2b représente très schématiquement l’aube de l’hélice aval de la figure 2a, avec son système d’actionnement, dans des conditions de phase de décollage.

La figure 3a représente très schématiquement un deuxième mode de réalisation de l’invention pour une aube de l’hélice aval de la figure 1, avec son système d’actionnement, dans des conditions de vol de croisière.

La figure 3b représente très schématiquement l’aube de l’hélice aval de la figure 5a, avec son système d’actionnement, dans des conditions de phase de décollage.

La figure 4a représente très schématiquement un troisième mode de réalisation de l’invention pour une aube de l’hélice aval de la figure 1, avec son système d’actionnement, dans des conditions de vol de croisière.

La figure 4b représente très schématiquement l’aube de l’hélice aval de la figure 4a, avec son système d’actionnement, dans des conditions de phase de décollage.

La figure 5a représente très schématiquement un quatrième mode de réalisation de l’invention pour une aube de l’hélice aval de la figure 1, avec son système d’actionnement, dans des conditions de vol de croisière.

La figure 5b représente très schématiquement l’aube de l’hélice aval de la figure 5a, avec son système d’actionnement, dans des conditions de phase de décollage.

La figure 6a représente très schématiquement un cinquième mode de réalisation de l’invention pour une aube de l’hélice aval de la figure 1, avec son système d’actionnement, dans des conditions de vol de croisière.

La figure 6b représente très schématiquement l’aube de l’hélice aval de la figure 6a, avec son système d’actionnement, dans des conditions de phase de décollage.

La figure 6c représente l’élément 28 des figures 6a et 6b, vue de dessus selon la direction radiale.

Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différents modes de réalisation de l’invention sont repérés avec les mêmes références sur les figures.

Description d’un mode de réalisation de l’invention :

Les figures 1a et 1b représentent schématiquement une turbomachine d’aéronef avec une hélice amont 1 tournant dans un sens par rapport à un axe moteur X et une hélice aval 2 tournant en sens opposé autour du même axe moteur. Les aubes 4, 5, des deux hélices tournent autour d’un carter externe 3 et sont placées ici en amont de la partie moteur de la turbomachine, qui n’est pas représentée. Il s’agit par exemple d’un turbopropulseur dont l’entrée d’air est placée en aval du doublet d’hélices contrarotatives et décalée axialement.

Sur la figure 1a, la turbomachine se trouve dans une configuration de vol de croisière pour l’aéronef. La vitesse axiale V1 de déplacement dans l’écoulement incident sur les hélices est importante. La vitesse de rotation cola de l’hélice amont 1 et la vitesse de rotation cu2a de l’hélice aval 2 ont des valeurs importantes, adaptées à la vitesse de déplacement V1. Par ailleurs, les angles de calage des aubes 4, 5, des deux hélices 1, 2, ont des valeurs déterminées, adaptées lors de la conception de la turbomachine, pour optimiser son rendement en fonction du chargement des aubes 4, 5, à la vitesse de croisière donnée V1. L’hélice amont 1 a un diamètre extérieur D1 déterminé et fixe.

Dans ces conditions de vol de croisière, les aubes 4 de l’hélice amont 1 créent un tourbillon marginal 6a qui s’enroule hélicoïdalement en partant de leur extrémité radiale extérieure. Compte tenu du chargement des aubes 4 de l’hélice amont 1, l’enroulement du tourbillon marginal 6a se contracte un peu autour de l’axe X. Cependant, comme représenté sur la figure 1a, le diamètre extérieur D2 de l’hélice aval 2 est défini de manière à ce que l’extrémité radiale externe de ses aubes 5 passe radialement à l’intérieur de l'enroulement du tourbillon marginal 6a des aubes 4 de l’hélice amont 1, limitant ainsi les interactions.

On notera également qu’en général le vol de croisière d’un aéronef s’effectue à une altitude donnée qui est relativement élevée, donc que la pression ambiante statique P1 autour du carter externe 3 est relativement faible.

Sur la figure 1b, la turbomachine se trouve dans une configuration de décollage pour l’aéronef. Dans ces conditions, la vitesse de déplacement V2 dans l’écoulement incident sur les hélices 1,2, est relativement faible. On notera que, par contre, l’aéronef étant près du sol, la pression statique ambiante P2 est plus forte. La poussée que les hélices 1, 2, doivent exercer est importante mais, compte tenu des conditions de fonctionnement, la vitesse de rotation œ1b, co2b, de chacune des deux hélices 1, 2 est plus faible qu’en vol de croisière. Avantageusement aussi, les angles de calage des aubes des deux hélices sont plus importants, afin d’obtenir la poussée voulue.

Dans ces conditions de fonctionnement, l’enroulement du tourbillon marginal 6b des aubes 4 de l’hélice amont 1 se contracte plus qu’en vol de croisière et passe ici à l’intérieur du disque de diamètre D2 de l’hélice aval 2 lorsqu’elle est configurée pour le vol de croisière.

Selon l’invention, comme indiqué sur la figure 1b, les aubes 5 de l’hélice aval 2 sont radialement rétractées lors du décollage, avec un diamètre extérieur D’2 inférieur au diamètre D2 en vol de croisière, de manière à passer radialement sous les tourbillons marginaux 6b des aubes 4 de l’hélice amont 1.

Selon un premier mode de réalisation de l’invention, en référence aux figures 2a et 2b, chaque aube 5 de l’hélice aval 2 est reliée par un vérin hydraulique 8 au moyeu 7 de l’hélice 2 qui l’entraîne en rotation. Ici, un arbre radial 9, solidaire du pied de l’aube 5, forme à son extrémité opposée le piston du vérin hydraulique 8. Des moyens d’actionnement non représentés contrôlent la quantité de liquide dans la chambre 10 du vérin 8 pour déplacer l’arbre 9, donc l’aube 5, en translation suivant l’axe radial R de l’arbre 9. Avantageusement, des moyens 11 placés entre l’arbre radial 9 et le moyeu 7 sont configurés de manière à faire tourner l’arbre radial 9 autour de son axe R en fonction de son déplacement radial et, ainsi, modifier le calage de l’aube 5, comme le montre la comparaison entre les figures 2a et 2b. Ce peut être, par exemple, un système de roulements hélicoïdaux dont le pas détermine la loi de calage de l’aube 5 en fonction de sa position suivant la direction radiale R.

Sur la figure 2a, l’aube 5 de l’hélice aval 2 est en position nominale pour le vol de croisière. L’arbre 9 est donc translaté radialement vers l’extérieur par le vérin hydraulique 8 et l’angle de calage est faible.

Sur la figure 2b, l’aube 5 de l’hélice aval 2 est rentrée radialement pour les conditions de décollage. L’arbre 9 est donc rappelé radialement vers l’intérieur par le vérin hydraulique 8. Par ailleurs, l’interaction avec les moyens 11 de réglage du calage a fait pivoter l’arbre 9 lors de son déplacement et l’angle de calage de l’aube 5 est plus important.

Selon un deuxième mode de réalisation, en référence aux figures 3a et 3b, chaque aube 5 de l’hélice aval 2 est reliée par un vérin pneumatique 12 au moyeu 7 de l’hélice 2 qui l’entraîne en rotation. Un arbre radial 9, solidaire du pied de l’aube 5 forme à son extrémité opposée un piston séparant de manière étanche deux chambres 13, 14 du vérin pneumatique 12. La chambre radialement intérieure 13 est fermée. La pression du gaz dans la chambre radialement intérieure 13 augmente donc quand l’arbre 9 est translaté radialement vers l’intérieur et diminue quand l’arbre 9 monte radialement vers l’extérieur.

La chambre radialement extérieure 14 est reliée par une conduite 15 à l’écoulement extérieur sur le carter externe 3. La pression de l’air dans la chambre radialement extérieure 14 est donc indépendante de la position de l’arbre 9 mais est commandée par la pression extérieure autour du carter externe 3.

La pression exercée radialement vers l’extérieur sur le piston du vérin 12 par la pression du gaz dans la chambre intérieure 13 doit équilibrer une force résultante de forces d’inertie et aérodynamiques sur l’aube 5 en rotation, orientées radialement vers l’extérieur, et de la pression exercée radialement vers l’intérieur par la pression de l’air ambiant du côté de la chambre extérieure 14. En référence aux figures 3a et 3b, cette force résultante, orientée radialement vers l’intérieur, a une intensité moins forte en vol de croisière qu’en phase de décollage, la pression extérieure P1 étant moins élevée. Le volume de la chambre intérieure 13 doit donc être plus grand pour que la pression Pia du gaz y soit plus faible que la pression Pib lors de la phase de décollage. Donc, l’aube 5 est positionnée radialement plus à l’extérieur en vol de croisière qu’en phase de décollage.

La section du piston dans le vérin 12 et la pression de gaz dans la chambre radialement intérieure 13 sont configurées au montage pour que les positions radiales de l’aube 5 en vol de croisière et au décollage correspondent à celles souhaitées, comme indiqué sur les figures 3a et 3b. Notamment, il faut imposer une pression Pib du gaz dans la chambre radialement intérieure 13 qui soit plus faible que la pression ambiante P2 au niveau du sol pour rappeler l’aube 5 vers l’axe et contrer les forces d’inertie lors de la phase de décollage.

Avantageusement, le dispositif est équipé des mêmes moyens 11 que le premier mode de réalisation pour modifier le calage de l’aube en fonction du déplacement radial de l’arbre 9 lié au piston du vérin 12.

Selon un troisième mode de réalisation, en référence aux figures 4a et 4b, chaque aube 5 de l’hélice aval 2 est reliée par un vérin 16 avec des moyens élastiques 17 au moyeu 7 de l’hélice 2 qui l’entraîne en rotation. Un arbre radial 9, solidaire du pied de l’aube 5 forme à son extrémité opposée un piston coulissant dans le vérin 16. Ici, le vérin guide la translation radiale de l’arbre 9, mais le piston n’est soumis qu’aux forces d’inertie et aérodynamiques sur l’aube 5 transmises par l’arbre 9 et à l’action des moyens élastiques 17. Dans l’exemple, les moyens élastiques sont formés par un ressort hélicoïdal 17 qui, étant fixé au fond 18 radialement interne du vérin 16, travaille en tension pour contrer la résultante radiale des forces d’inertie et des efforts aérodynamiques sur l’aube 5 de l’hélice aval 2. Sur la figure 4a, cette résultante radiale étant plus forte en conditions de pression P1 et de vitesse V1 en vol de croisière, l’aube 5 est sortie radialement avec son envergure nominale, alors que, sur la figure 4b, cette résultante radiale étant plus faible, le ressort 17 fait rentrer l’aube 5 radialement dans le carter externe 3.

Avantageusement, le dispositif est équipé des mêmes moyens 11 que le premier mode de réalisation pour modifier le calage de l’aube 5 en fonction du déplacement radial de l’arbre 9 lié au piston.

Selon un quatrième mode, un anneau axial de commande 19 est relié à l’ensemble des aubes de l’hélice aval 2, une seule 5 étant représentée sur les figures 5a, 5b.

Chaque aube 5 est, comme précédemment fixée à un arbre radial 9 mais l’arbre est ici simplement guidé en translation le long de son axe radial R par le moyeu 7 de l’hélice 2, qui entraîne l’aube 5 en rotation autour de l’axe X moteur.

L’arbre radial 9 est articulé en pivot 20 sur un levier 21, ledit pivot 20 ayant un axe parallèle à la direction tangentielle. Ici, le levier 21 a une forme d’équerre et il est guidé par rapport au moyeu 7 par une liaison pivot 22 au sommet de l’équerre. L’anneau de commande 19, placé ici en aval des aubes 5, est relié au levier 21 par une bielle 23. L’anneau de commande 19 est déplacé en translation le long de l’axe X du moteur par un actionneur 24, en rotation avec l’hélice aval 2. Sur l’exemple, l’actionneur 24 est un vérin hydraulique comme dans le premier mode de réalisation. Il pourrait aussi être un vérin pneumatique comme dans le deuxième mode de réalisation.

Sur la figure 5a, en vol de croisière, le vérin 24 écarte l’anneau de commande 19 de l’axe R de l’arbre radial 9 de l’aube 5, et place l’anneau 19 à une distance Da de la liaison pivot 22 au sommet du levier 21 en équerre. Ici cela correspond à la position de l’aube 5 de l’hélice aval 2 hors du carter externe 3 en position nominale pour le vol de croisière.

Sur la figure 5b, en phase de décollage, le vérin 24 repousse l’anneau de commande vers le pivot central 22 du levier 21, à une distance Db de ce dernier inférieure à Da. Compte tenu de la forme en équerre du levier 21, la bielle 23 fait rentrer radialement l’aube 5 de l’hélice aval dans le carter externe 3 à la position voulue pour éviter le tourbillon marginal.

Avantageusement, le dispositif est équipé des mêmes moyens 11 que le premier mode de réalisation pour modifier le calage de l’aube en fonction du déplacement radial de l’arbre 9 lié à l’aube 5.

Selon un cinquième mode de réalisation, en référence aux figures 6a, 6b et 6c, l’arbre radial 9 relié au pied de chaque aube 5 est monté libre en rotation et translation radiale dans le moyeu 7 de l’hélice 2. Un actionneur non représenté, par exemple un moteur électrique fait tourner l’arbre radial 9 autour de son axe radial R et le positionne angulairement à la demande. L’arbre radial 9 comporte un plateau transverse 25 supportant ici trois biellettes radiales 26 régulièrement réparties circonférentiellement autour de l’axe radial R de rotation (deux seulement sont représentées sur les figures

6a et 6b). Les biellettes 26 sont montées glissantes par des liaisons rotulantes 27 sur un guide 28. Comme illustré sur la figure 6c, le guide 28 se présente comme un plateau cyclique ayant une forme circulaire perpendiculairement à l’axe radial R, pour suivre la position des biellettes 26 dans la rotation de l’arbre 9. Par contre, ainsi que c’est illustré sur les figures 6a et 6b, le plateau cyclique 28 présente trois ondulations dans la direction radiale R, espacées circonférentiellement, comme les biellettes 26. L’amplitude des ondulations dans la direction radiale R correspond à celle du déplacement radial des aubes 5 entre le vol de croisière et la phase de décollage. L’extension angulaire des ondulations correspond à la variation d’angle de calage entre les deux conditions de vol, typiquement de l’ordre de 30°. En référence à la figure 6a, lorsque l’actionneur positionne angulairement l’arbre radial 9 dans une première position, les biellettes 26 sont sur les sommets des ondulations et l’aube 5 est sortie pour les conditions de vol de croisière avec une première valeur de l’angle de calage. Par contre sur la figure 6b, lorsque l’actionneur fait tourner l’arbre radial 9 pour obtenir l’angle de calage adapté à la phase de décollage, les biellettes 26 sont dans les creux des ondulations, rentrant l’aube 5 radialement dans le carter externe 3. Ce cinquième mode de réalisation couple directement le réglage en position radiale et le calage.

L’invention a été présentée pour une turbomachine de type turbopropulseur mais elle s’applique sans modification de principe à une turbomachine de type turboréacteur, où le compartiment moteur est placé dans l’axe du doublet d’hélices contrarotatives, en aval ou en amont de celles-ci.

Claims (11)

1. Revendications

   1. Turbomachine d’aéronef à doublet d’hélices rotatives et non carénées, comportant une hélice amont (4) ayant un diamètre externe D1 et une hélice aval (2) ayant un diamètre externe D2, caractérisée en ce qu’elle comprend des moyens de variation dudit diamètre D2, ladite hélice aval (2) comportant une rangée annulaire d’aubes (5) qui sont chacune configurées pour être montées de manière télescopique en direction radiale (R) dans un carter externe (3).
2. 2. Turbomachine d’aéronef selon la revendication précédente, caractérisée en ce que chaque aube (5) est solidaire d’un arbre (9) sensiblement radial qui est relié à des moyens d’actionnement (8) en vue de la translation radiale de l’aube (5) voire également de son calage angulaire autour de son axe radial (R).
3. 3. Turbomachine d’aéronef selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les moyens d’actionnement comprennent un actionneur (8) par aube (5), monté sur l’arbre radial (9) de ladite aube (5).
4. 4. Turbomachine d’aéronef selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit actionneur comporte des moyens élastiques (17) agencés pour exercer une force de rappel sur les aubes opposée à la force centrifuge exercée sur ces dernières.
5. 5. Turbomachine d’aéronef selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les moyens d’actionnement comprennent au moins un actionneur (24) associé à plusieurs aubes (5).
6. 6. Turbomachine d’aéronef selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu’un anneau de transmission (19) tournant avec l’hélice aval, mécaniquement relié à plusieurs aubes (5), est déplacé en translation axiale par ledit actionneur (24).
7. 7. Turbomachine d’aéronef selon l’une des revendications 3 et 5, caractérisée en ce que le ou chaque actionneur (24) est hydraulique.
8. 8. Turbomachine d’aéronef selon l’une des revendications 3 et 5, caractérisée en ce que le ou chaque actionneur est pneumatique (12) et de préférence configuré pour être activé en fonction d’une pression ambiante.
9. 9. Turbomachine d’aéronef selon l’une des revendications 2 à 9, caractérisée en ce que les moyens d’actionnement (8) transmettent à l’arbre radial (9) solidaire de l’aube (5) une translation radiale et que des moyens complémentaires (11) utilisent ladite translation pour faire tourner l’arbre (9) autour de son axe (R) sur le moyeu (7), en vue
10. 10 d’associer une modification du calage de l’aube (5) à son déplacement radial.

    10. Turbomachine d’aéronef selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens d’actionnement comprennent un plateau cyclique (28) avec des ondulations, perpendiculaire audit arbre (9) et relié à ce dernier par des bielles (26) à liaisons
11. 15 rotulantes (27), de manière à modifier la position radiale dudit arbre (9) lors d’une rotation autour de ladite direction radiale (R).