FR3130897A1 - Turbomachine d’aéronef - Google Patents

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Damien Bernard Emeric GUEGAN
Antoine Claude Baudouin Raoul Marie SECONDAT DE MONTESQUIEU
Laurent SOULAT
Michaël Franck Antoine SCHVALLINGER
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Abstract

Turbomachine (10) d’aéronef, comportant : - deux parois annulaires coaxiales (12, 14), - un aubage de rotor (30), - un séparateur annulaire (24) disposé en aval de l’aubage de rotor (30) et entre les deux parois (12, 14), et comportant en amont un bec annulaire (24a), - des aubes de redresseur fixes (42) reliées au bec (24a), et - des aubes de redresseur à calage variable (44) en aval des aubes de redresseur fixes (42). Figure pour l'abrégé : Figure 3a

Description

TURBOMACHINE D’AÉRONEF
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne le domaine général de l’aéronautique. Elle vise plus particulièrement une turbomachine d’aéronef.
Arrière-plan technique
De manière conventionnelle, une turbomachine d’aéronef comprend un générateur de gaz comprenant le long d’un axe longitudinal au moins un compresseur, une chambre de combustion, et au moins une turbine.
Un flux d’air pénètre dans le générateur de gaz et est comprimé dans le ou les compresseurs. Ce flux d’air comprimé est mélangé à du carburant et brûlé dans la chambre de combustion puis les gaz de combustion sont détendus dans la ou les turbines. Cette détente provoque la rotation du ou des rotors de turbine, ce qui entraîne la rotation du ou des rotos de compresseur. Les gaz de combustion sont éjectés par une tuyère pour fournir une poussée qui peut s’ajouter à une poussée conférée par au moins une hélice ou soufflante de propulsion de la turbomachine.
Les flux de gaz s’écoulent dans la turbomachine à travers des veines annulaires. Comme cela est visible à la figure 1a, la turbomachine 10 comprend ainsi des parois annulaires coaxiales, respectivement interne 12 et externe 14, s’étendant l’une autour de l’autre et définissant entre elles une veine annulaire principale 16 d’écoulement d’un flux de gaz principal 18.
Dans le cas où le flux de gaz principal 18 doit être divisé en deux flux de gaz secondaires, respectivement interne 20 et externe 22, un séparateur annulaire 24 est disposé entre les deux parois 12, 14 et définit respectivement avec ces parois 12, 14 deux veines annulaires secondaires, respectivement interne 26 et externe 28, d’écoulement des flux de gaz secondaires 20, 22. Ce séparateur 24 comporte à une extrémité amont un bec annulaire 24a configuré pour séparer en deux le flux de gaz principal 18 et former les flux de gaz secondaires 20, 22.
Un aubage de rotor 30 peut s’étendre radialement à travers la veine principale 16, donc en amont du séparateur 24.
Comme illustré à la figure 1a, des bras structuraux 32 peuvent s’étendre radialement à travers la veine principale 16 en aval de l’aubage de rotor 30 et en amont du séparateur 24.
Dans la présente demande, on entend par bras 32 ou bras structural, un élément de stator qui a en section une forme générale aérodynamique telle que celle représentée à la figure 1b, mais qui ne comprend pas d’intrados ni d’extrados. Un bras 32 n’est donc pas comparable à une aube ou pale qui est elle profilée de façon à comprendre un intrados et un extrados. Un bras 32 présente en général une symétrie par rapport à un plan P passant par l’axe de la turbomachine. Le nombre de bras 32 est en général inférieur à 10 et peut être de 4. Au moins un des bras 32 peut être creux et de forme tubulaire dans la direction radiale pour être traversé par des servitudes et servir ainsi au passage de ces servitudes dans le moteur à travers les veines.
Pour certains types de turbomachine, tels que ceux à multiflux ou à cycle variable, il serait utile de disposer un aubage de stator 34 directement en aval de l’aubage de rotor 30 et intégré au bec 24a de séparation des flux à la place d’être positionné entre le rotor 30 et le séparateur 24 (cf. figure 2a), de manière à réduire la longueur du module entre le concept illustré sur la figure 1a et celui illustré sur la figure 2a. L’aubage de stator 34 comprendrait plusieurs aubes réparties autour de l’axe de la turbomachine. Comme évoqué dans ce qui précède et illustré à la figure 2b, chacune de ces aubes aurait en section un profil aérodynamique comportant un intrados 34a et un extrados 34b (figure 2b), donc un profil non symétrique ce qui n’est pas le cas du bras 32 visible sur la figure 1a. L’aubage de stator 34 s’étendrait radialement à travers la veine principale 16. Dans le cas où le bec 24a serait relié aux aubes de l’aubage de stator 34, ces aubes comprendraient des bords d’attaque 36 situés en amont du bec 24a, dans la veine principale 16, et des bords de fuite, respectivement interne 38a et externe 38b, situés dans les veines interne 26 et externe 28.
L’aubage de stator 34 imposerait une direction particulière aux flux de gaz 16, 20, 22. Toutefois, dans le cas d’une turbomachine à cycle variable, il serait utile de prévoir une géométrie variable en aval de l’aubage de stator 34 pour pouvoir s’adapter aux différents régimes de fonctionnement et variations de taux de dilution de la turbomachine. Cependant, pour des raisons d’encombrement, l’ajout d’un aubage à calage variable en aval de l’aubage de stator 34 peut être complexe. En effet, cet ajout nécessiterait de rallonger la dimension axiale de la turbomachine, ce qui se traduirait par une augmentation de la masse de la turbomachine et une diminution de ses performances.
De plus, pour des raisons de nuisance sonore, il ne serait pas non plus envisageable de rapprocher axialement l’aubage de stator 34 vers l’aubage de rotor 30.
Dans la présente demande, on entend par une turbomachine à cycle variable, une turbomachine dont la poussée spécifique peut être modifiée à un régime moteur donné, en contrôlant des géométries variables de la turbomachine. Un exemple de géométrie variable est un aubage de stator à calage variable. Dans la présente demande, on entend par aubage une rangée annulaire d’aubes.
L’invention propose ainsi d’optimiser une turbomachine telle qu’illustrée à la figure 2a de façon à pouvoir l’utiliser dans plusieurs configurations et notamment dans le cadre d’une turbomachine à plusieurs flux (au moins deux) et/ou d’une turbomachine à cycle variable.
La présente invention propose une turbomachine d’aéronef, comportant un générateur de gaz comprenant le long d’un axe longitudinal au moins un compresseur, une chambre de combustion et au moins une turbine, la turbomachine comportant en outre :
- deux parois annulaires coaxiales, respectivement interne et externe, s’étendant l’une autour de l’autre et définissant entre elles une veine annulaire principale d’écoulement d’un flux d’air principal,
- un aubage de rotor s’étendant radialement à travers ladite veine principale,
- un séparateur annulaire disposé en aval de l’aubage de rotor et entre les deux parois, le séparateur définissant respectivement avec les parois interne et externe deux veines annulaires secondaires, respectivement interne et externe, d’écoulement de flux d’air secondaires, respectivement interne et externe, le séparateur comportant à une extrémité amont un bec annulaire configuré pour séparer en deux le flux d’air principal et former les flux d’air secondaires,
- des éléments de stator s’étendant radialement d’une part à travers ladite veine principale et d’autre part à travers lesdites veines secondaires, ces éléments de stator étant reliés audit bec annulaire,
caractérisée en ce que lesdits éléments de stator comprennent :
- des aubes de redresseur fixes qui sont réparties autour dudit axe et qui comportent chacune un bord d’attaque situé en amont dudit bec, et des bords de fuite, respectivement interne et externe, situés respectivement dans les veines secondaires interne et externe, ces aubes de redresseur fixes étant reliées audit bec, et
- des aubes de redresseur à calage variable qui sont réparties autour dudit axe et qui s’étendent radialement à travers au moins une desdites veines secondaires, chacune des aubes de redresseur à calage variable comportant un bord d’attaque et un bord de fuite,
et en ce que :
- les bords d’attaque des aubes de redresseur à calage variable sont situés en amont des bords de fuite interne et/ou externe des aubes de redresseur fixes, ou
- les bords d’attaque des aubes de redresseur à calage variable sont situés directement en aval des bords de fuite interne et/ou externe des aubes de redresseur fixes, et sont séparés par des jeux axiaux prédéterminés de ces bords de fuite.
La présente invention propose ainsi de mettre à la fois des aubes de redresseur fixes et des aubes de redresseur à calage variable à la place des bras de la figure 1a ou de l’aubage de stator de la figure 1b. Les aubes de redresseurs fixes et à calage variable sont très rapprochées axialement les unes des autres ou sont encastrées axialement les unes dans les autres de façon à ce qu’elles soient considérées comme un ensemble formant les éléments de stator au sens de l’invention. En effet, soit les aubes de redresseur à calage variables ont leurs bords d’attaque situés en amont des bords de fuite des aubes de redresseur fixes, soit les aubes de redresseur à calage variables sont séparées par des jeux axiaux prédéterminées, les plus faibles possibles de préférence, des bords de fuite des aubes de redresseur fixes. La minimisation de ces jeux axiaux permet de limiter voire d’empêcher le passage de gaz en fonctionnement entre les bords de fuite des aubes de redresseur fixes et les bords d’attaque des aubes de redresseur à calage variable. On comprend ainsi que les gaz qui s’écoulent sur les intrados des aubes de redresseur fixes doivent s’écouler ensuite sur les intrados des aubes de redresseur à calage variable, et que les gaz qui s’écoulent sur les extrados des aubes de redresseur fixes doivent s’écouler ensuite sur les extrados des aubes de redresseur à calage variable.
Cette configuration est particulièrement avantageuse car elle permet d’optimiser le fonctionnement de la turbomachine, en autorisant des applications multiflux ou à cycle variable, tout en limitant l’impact sur la longueur ou dimension axiale ainsi que la masse de la turbomachine. En effet, le fait de réduire le jeu axial entre les aubes de redresseur et de les positionner au niveau du bec permet de limiter l’impact de ces aubes sur la dimension axiale de la turbomachine.
En amont de l’aubage de rotor situé dans la première veine, il peut y voir n’importe quelle configuration pour la turbomachine.
Dans la présente demande, on entend par « annulaire, une forme de révolution autour d’un axe, cette forme pouvant être continue ou interrompue.
De plus, dans la présente demande, on entend par un élément « à calage variable », un élément dont au moins une partie a une position qui peut être ajustée autour d’un axe, qui est appelé axe de calage. L’intégralité de cet élément ou seulement une partie de cet élément peut être à calage variable. Dans le cas d’une aube par exemple, elle peut être monobloc et avoir une positon ajustable autour d’un axe de calage. En variante, elle pourrait comprendre qu’une partie seulement, comportant par exemple un bord d’attaque ou un bord de fuite, dont la position serait ajustable autour d’un axe de calage par rapport au reste de l’aube. Dans le cas d’un aubage comportant plusieurs aubes, chacune des aubes a une position ajustable autour d’un axe de calage qui lui est propre. Pour un même aubage, il y a donc autant d’axes de calage que d’aubes à calage variable. Chacun de ces axes peut avoir une orientation radiale ou inclinée par rapport à l’axe longitudinal de la turbomachine.
La turbomachine peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison les unes avec les autres :
-- lesdits jeux sont inférieurs à 10mm, et de préférence inférieurs ou égaux à 5mm ;
-- lesdits jeux sont inférieurs à 10% de la corde de l’une des aubes fixes ou à calage variable, et de préférence inférieurs ou égaux à 5% de cette corde ;
-- lesdites aubes de redresseur fixes comprennent un intrados et un extrados, et lesdites aubes de redresseur à calage variable comprennent un intrados et un extrados ;
- le nombre desdites aubes de redresseur à calage variable est supérieur ou égal au nombre desdites aubes de redresseur fixes ;
- lesdites aubes de redresseur à calage variable sont situées dans ladite veine secondaire interne ;
- les bords de fuite desdites aubes de redresseur à calage variable sont situées en aval des bords de fuite externes des aubes de redresseurs fixes ;
-- la turbomachine comprend en outre un système de commande du calage angulaire des aubes de redresseur à calage variable, ce système étant monté dans ledit séparateur ;
- la turbomachine comprend en outre un système de commande du calage angulaire des aubes de redresseur à calage variable, ce système étant monté radialement à l’extérieur de ladite paroi externe ;
- lesdites aubes de redresseur à calage variable sont situées dans ladite veine secondaire externe ;
- des premières aubes de redresseur à calage variable sont situées dans ladite veine secondaire interne, et des secondes aubes de redresseur à calage variable sont situées dans ladite veine secondaire externe ;
- la turbomachine comprend en outre un système commun de commande du calage angulaire des premières et secondes aubes de redresseur à calage variable, ou des systèmes indépendants de commande du calage angulaire respectivement des premières et secondes aubes de redresseur à calage variable ;
- la turbomachine comprend en outre des bras structuraux répartis autour dudit axe dans ladite veine secondaire externe ;
- le nombre de bras structuraux est inférieur au nombre d’aubes de redresseur fixes ;
- les bras structuraux sont reliés à certaines desdites aubes de redresseur fixes ;
- l’aubage de rotor est une soufflante ou un aubage de rotor de compresseur ;
- les bords d’attaque des aubes de redresseur à calage variable sont situés à une distance des bords de fuite interne et/ou externe des aubes de redresseur fixes, qui est supérieure à 10% de la corde d’une de ces aubes, et plus préférentiellement supérieure ou égale à 20% de cette corde ;
-- au moins certaines des aubes de redresseur fixes ont des profils ou cambrures différents des autres aubes de redresseur fixes ;
-- au moins certains des bras ont des profils différents des autres bras.
La présente invention concerne également un aéronef, en particulier un avion de transport, comportant une turbomachine telle que décrite dans ce qui précède.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
la figure 1a est une demi vue très schématique en coupe axiale d’une turbomachine d’aéronef, selon la technique antérieure à l’invention ; la figure 1b est une vue très schématique en coupe transversale d’un bras de la turbomachine de la figure 1a ;
la figure 2a est une demi vue très schématique en coupe axiale d’une partie de turbomachine d’aéronef ; la figure 2b est une vue très schématique en coupe transversale d’une aube de stator de la turbomachine de la figure 2a ;
la figure 3a est une demi vue très schématique en coupe axiale d’une turbomachine d’aéronef, selon un premier mode de réalisation de l’invention ; la figure 3b est une vue très schématique en coupe transversale de de deux aubes de redresseur fixes suivies de deux aubes de redresseur à calage variable de la turbomachine de la figure 3a, et illustrent, respectivement à gauche et à droite de la figure, deux positions distinctes de calage des aubes de redresseur à calage variable ;
la figure 4a est une demi vue très schématique en coupe axiale d’une turbomachine d’aéronef, selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ; la figure 4b est une vue très schématique en coupe transversale de de deux aubes de redresseur fixes suivies de trois aubes de redresseur à calage variable de la turbomachine de la figure 4a, et illustrent, respectivement à gauche et à droite de la figure, deux positions distinctes de calage des aubes de redresseur à calage variable ;
la figure 5a est une demi vue très schématique en coupe axiale d’une turbomachine d’aéronef, selon un troisième mode de réalisation de l’invention ; la figure 5b est une vue très schématique en coupe transversale de de deux aubes de redresseur fixes intercalées avec deux aubes de redresseur à calage variable de la turbomachine de la figure 5a, et illustrent, respectivement à gauche et à droite de la figure, deux positions distinctes de calage des aubes de redresseur à calage variable ;
la est une demi vue très schématique en coupe axiale d’une turbomachine d’aéronef, selon un quatrième mode de réalisation de l’invention ;
la est une demi vue très schématique en coupe axiale d’une turbomachine d’aéronef, selon un cinquième mode de réalisation de l’invention ;
la est une demi vue très schématique en coupe axiale d’une turbomachine d’aéronef, selon un sixième mode de réalisation de l’invention ;
la est une demi vue très schématique en coupe axiale d’une turbomachine d’aéronef, selon un septième mode de réalisation de l’invention ;
la est une demi vue très schématique en coupe axiale d’une turbomachine d’aéronef, selon un huitième mode de réalisation de l’invention ;
la est une demi vue très schématique en coupe axiale d’une turbomachine d’aéronef, selon un neuvième mode de réalisation de l’invention ;
la est une demi vue très schématique en coupe axiale d’une turbomachine d’aéronef, selon un dixième mode de réalisation de l’invention ;
la est une demi vue très schématique en coupe axiale d’une turbomachine d’aéronef, selon un onzième mode de réalisation de l’invention.

Claims (13)

  1. Turbomachine (10) d’aéronef, comportant un générateur de gaz comprenant le long d’un axe longitudinal au moins un compresseur, une chambre de combustion et au moins une turbine, la turbomachine comportant en outre :
    - deux parois annulaires coaxiales, respectivement interne (12) et externe (14), s’étendant l’une autour de l’autre et définissant entre elles une veine annulaire principale (16) d’écoulement d’un flux d’air principal (18),
    - un aubage de rotor (30) s’étendant radialement à travers ladite veine principale (16),
    - un séparateur annulaire (24) disposé en aval de l’aubage de rotor (30) et entre les deux parois (12, 14), le séparateur (24) définissant respectivement avec les parois interne et externe (12, 14) deux veines annulaires secondaires, respectivement interne (26) et externe (28), d’écoulement de flux d’air secondaires, respectivement interne (20) et externe (22), le séparateur (24) comportant à une extrémité amont un bec annulaire (24a) configuré pour séparer en deux le flux d’air principal (18) et former les flux d’air secondaires (20, 22),
    - des éléments de stator s’étendant radialement d’une part à travers ladite veine principale (16) et d’autre part à travers lesdites veines secondaires (26, 28), ces éléments de stator étant reliés audit bec annulaire (24a),
    caractérisée en ce que lesdits éléments de stator comprennent :
    - des aubes de redresseur fixes (42) qui sont réparties autour dudit axe et qui comportent chacune un bord d’attaque (42a) situé en amont dudit bec (24a), et des bords de fuite, respectivement interne (42b) et externe (42c), situés respectivement dans les veines secondaires interne (26) et externe (28), ces aubes de redresseur fixes (42) étant reliées audit bec (24a), et
    - des aubes de redresseur à calage variable (44) qui sont réparties autour dudit axe et qui s’étendent radialement à travers au moins une desdites veines secondaires (26, 28), chacune des aubes de redresseur à calage variable (44) comportant un bord d’attaque (44a) et un bord de fuite (44b),
    et en ce que :
    - les bords d’attaque (44a) des aubes de redresseur à calage variable (44) sont situés en amont des bords de fuite interne (42b) et/ou externe (42c) des aubes de redresseur fixes (42), ou
    - les bords d’attaque (44a) des aubes de redresseur à calage variable (44) sont situés directement en aval des bords de fuite interne (42b) et/ou externe (42c) des aubes de redresseur fixes (42), et sont séparés par des jeux axiaux (J) prédéterminés de ces bords de fuite (42b, 42c).
  2. Turbomachine (10) selon la revendication 1, dans laquelle le nombre desdites aubes de redresseur à calage variable (44) est supérieur ou égal au nombre desdites aubes de redresseur fixes (42).
  3. Turbomachine (10) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle lesdites aubes de redresseur à calage variable (44) sont situées dans ladite veine secondaire interne (26).
  4. Turbomachine (10) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle les bords de fuite (44b) desdites aubes de redresseur à calage variable (44) sont situés en aval des bords de fuite externes (42c) des aubes de redresseurs fixes (42).
  5. Turbomachine (10) selon la revendication 4, dans laquelle elle comprend en outre un système (50) de commande du calage angulaire des aubes de redresseur à calage variable (42), ce système étant monté radialement à l’extérieur de ladite paroi externe (14).
  6. Turbomachine (10) selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle lesdites aubes de redresseur à calage variable (44) sont situées dans ladite veine secondaire externe (28).
  7. Turbomachine (10) selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle des premières aubes de redresseur à calage variable (44) sont situées dans ladite veine secondaire interne (26), et des secondes aubes de redresseur à calage variable (44) sont situées dans ladite veine secondaire externe (28).
  8. Turbomachine (10) selon la revendication 7, dans laquelle elle comprend en outre un système (50) commun de commande du calage angulaire des premières et secondes aubes de redresseur à calage variable (44), ou des systèmes (50) indépendants de commande du calage angulaire respectivement des premières et secondes aubes de redresseur à calage variable (44).
  9. Turbomachine (10) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle elle comprend en outre des bras structuraux (32) répartis autour dudit axe dans ladite veine secondaire externe (28).
  10. Turbomachine (10) selon la revendication 9, dans laquelle le nombre de bras structuraux (32) est inférieur au nombre d’aubes de redresseur fixes (42).
  11. Turbomachine (10) selon la revendication 9 ou 10, dans laquelle les bras structuraux (32) sont reliés à certaines desdites aubes de redresseur fixes (42).
  12. Turbomachine (10) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’aubage de rotor (30) est une soufflante ou un aubage de rotor de compresseur.
  13. Turbomachine (10) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle les bords d’attaque (44a) des aubes de redresseur à calage variable (44) sont situés à une distance (W) des bords de fuite interne (42b) et/ou externe (42c) des aubes de redresseur fixes (42), qui est supérieure à 10% de la corde d’une de ces aubes (42, 44), et plus préférentiellement supérieure ou égale à 20% de cette corde.
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