[0001]L'invention concerne un procédé d'optimisation de la vitesse d'une soufflante ou « fan » (en langue anglaise) d'un turboréacteur double-corps, ainsi qu'une architecture de turboréacteur apte à mettre en œuvre ce procédé.

[0002]Le domaine de l'invention est celui du rendement énergétique des turboréacteurs double-flux et double - voire triple - corps. Dans un turboréacteur double-flux, le flux d'entrée d'air se sépare au-delà de la soufflante en un flux d'air secondaire, accéléré par les aubes de la soufflante pour former une poussée supplémentaire sans passer par la chambre de combustion, et en un flux primaire apte à être comprimé pour être injecté dans la chambre de combustion. Dans une architecture double-corps, une turbine basse pression (en abrégé BP) et une turbine haute pression (en abrégé HP) sont couplées respectivement à des arbres BP et HP coaxiaux aptes à entraîner respectivement des compresseurs BP et HP de compression du flux primaire, la soufflante formant également le premier étage de compression du compresseur BP.

[0003]Pour améliorer le rendement énergétique de propulsion, ce qui se traduit par une réduction de la consommation spécifique (en abrégé Cs), le flux secondaire doit pouvoir générer le plus de poussée possible avec, en corolaire, des vitesses d'éjection de particules d'air et de gaz brûlé les plus réduites possibles. Des turboréacteurs triple-flux ont ainsi été développés. Mais ils sont peu utilisés car l'augmentation de poussée obtenue par rapport à un turboréacteur double-flux est trop faible au regard de l'encombrement supplémentaire généré par la présence du troisième corps.

[0004] Le rendement peut encore être sensiblement amélioré, en particulier en régime de croisière du moteur, grâce à l'utilisation de réducteurs de vitesse, par exemple de type train épicycloïdal.

[0005]L'utilisation d'un train épicycloïdal est connue pour réduire la consommation spécifique. Ce train est en général monté entre une turbine BP et une partie appropriée de compresseurs BP, comme décrit dans les documents de brevet EP 1 933 017 ou EP 1 931 290.

[0006]Un tel train épicycloïdal peut également servir d'accélérateur de vitesse pour entraîner un fan et un compresseur BP de suralimentation en contra- rotation à partir de l'arbre BP, comme décrit dans la demande de brevet WO 2008 105815. Un engagement progressif par embrayage de l'arbre BP est également prévu dans cette demande.

[0007]Dans la demande WO2006059970, le train épicycloïdal permet d'optimiser, en fonction des conditions de vol, la répartition de puissance provenant de l'arbre BP entre le fan et le compresseur BP.

[0008]Par ailleurs, un réducteur de vitesse de type magnétique ou électromagnétique a été utilisé dans le document EP 1 933 017 pour transférer de la puissance et du couple de l'arbre HP à l'arbre BP afin d'entraîner des générateurs électriques à faibles vitesses.

[0009]L'invention vise à résoudre ce problème d'amélioration du rendement énergétique, c'est-à-dire de réduction sensible de la consommation spécifique, en optimisant la vitesse de rotation du fan et l'opérabilité du moteur. Pour ce faire, elle propose de libérer le fan de son seul entraînement par l'arbre BP, en lui transmettant également de la puissance provenant de l'arbre HP.

[0010] Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé d'optimisation des vitesses de rotation d'un turboréacteur au moins double-flux et double-corps, comportant au moins un ensemble compresseur/turbine Basse Pression dite BP et un ensemble compresseur/turbine Haute Pression dite HP comprenant respectivement des arbres coaxiaux de transmission de puissance BP et HP d'une turbine au compresseur du même ensemble, et dans lequel une soufflante, formant un premier étage de compression d'entrée d'air primaire, est entraînée par engrenage planétaire en liaison avec l'arbre de transmission BP ainsi que, de manière débrayable, avec l'arbre de transmission HP afin de régler de manière différenciée les vitesses de rotation de la soufflante, de l'ensemble BP et de l'ensemble HP permettant d'atteindre des vitesses optimales en fonction du régime. [0011] Dans ces conditions, la souplesse de transmission de puissance délivrée avec seulement deux arbres de transmission BP et HP pour optimiser trois vitesses, à savoir : vitesse du fan et vitesse de chacun des ensembles précités, permet d'améliorer l'opérabilité du moteur en régime de croisière, notamment sa capacité d'accélération, sans augmenter sensiblement sa consommation spécifique.

[0012]Selon des modes de réalisation particuliers, en fonction de l'option choisie :

- en régime de croisière du turboréacteur, l'arbre HP est en engrenage planétaire menant et sa puissance cumulée à celle de l'arbre BP ;

- dans des phases de vol en dehors du régime de croisière, un débrayage de l'arbre HP est activé en fonction des conditions de vol, le couplage débrayé entre la soufflante et l'arbre HP étant alors bloqué en rotation.

[0013]L'invention se rapporte également à une architecture de turboréacteur permettant de mette en œuvre le procédé ci-dessus. Une telle architecture est du type au moins double-corps et double-flux, et comportant au moins une turbine BP et une turbine HP couplées respectivement à des arbres BP et HP coaxiaux aptes à entraîner respectivement des compresseurs BP et HP, les compresseurs BP comprenant une soufflante formant un premier étage de compression d'entrée d'air primaire. Les arbres BP et HP sont montés sur l'un(e) ou l'autre de moyens menants, constitués par une couronne interne et un porte- satellites d'un train épicycloïdal d'entraînement de la soufflante, l'arbre HP étant monté sur des moyens de débrayage et la soufflante étant couplée au train épicycloïdal par une couronne externe menée.

[0014]Selon des modes de réalisation préférés :

- l'arbre HP possède des moyens de débrayage montés entre une partie d'arbre moteur HP reliée à la turbine HP et une partie d'arbre d'entraînement HP apte à entraîner la soufflante via un moyen menant du train épicycloïdal ; - les diamètres du ou des moyens menant(s), selon qu'un ou les deux moyens menants sont mobiles, rapportés au diamètre de la couronne externe menée, sont déterminés de sorte que la couronne externe est apte à être entraînée par le train épicycloïdal selon des vitesses préétablies en fonction de rapports R de réduction de vitesse entre la vitesse de la couronne externe menée en liaison avec la soufflante, et celle résultant des moyens menants en liaison avec l'arbre BP et l'arbre HP lorsqu'il n'est pas débrayé ;

- la partie d'arbre d'entraînement HP est montée sur la couronne interne et l'arbre BP sur le porte-satellites, la couronne interne et le porte-satellites étant les moyens menants ;

- la partie d'arbre d'entraînement BP est montée sur la couronne interne et l'arbre HP sur le porte-satellites, le train épicycloïdal étant monté, sur l'axe de symétrie, de manière opposée à celui correspondant au montage précédent ;

- les moyens menants en liaison avec l'arbre d'entraînement HP sont équipés de moyens de blocage aptes à stopper ces moyens menants lorsque la partie d'entraînement de l'arbre HP est débrayée.

[0015]D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, relatives à des exemples de mise en œuvre de l'invention en liaison avec les figures annexées qui représentent, respectivement :

- la figure 1 , une demi-vue schématique en coupe longitudinale d'un exemple d'architecture de turboréacteur selon l'invention avec l'arbre HP embrayé sur le train épicycloïdal en régime de croisière ;

- la figure 2, une vue agrandie du montage du train épicycloïdal et des moyens de débrayage de l'arbre HP de la figure 1 , dans deux plan de section des satellites, et

-la figure 3, une demi-vue schématique en coupe longitudinale d'une variante de l'architecture de turboréacteur de la figure 1 . [0016]En référence à la demi-vue longitudinale selon l'axe de symétrie X'X de la figure 1 , une architecture de turboréacteur 1 selon l'invention comporte classiquement et de manière schématique, un carter 10 fixé par des bras 1 1 dans une nacelle de protection 12, le carter abritant une turbine double-corps 14 entraînant un compresseur double-corps 16. Une soufflante 18 est disposée au niveau du flux d'air entrant F _E de la nacelle 12, l'air étant séparé en deux flux dans le turboréacteur, un flux d'air primaire F _p dans le carter 10 et un flux d'air secondaire F _s entre la nacelle 12 et le carter 10. La chambre de combustion 20, dans laquelle pénètre le flux secondaire F _s par un injecteur 21 , est disposée entre la turbine 14 et le compresseur 16.

[0017]La combustion du mélange air - carburant (l'admission du carburant n'est pas représenté pour alléger la figure) dans la chambre 20 entraîne en rotation, via leurs aubages périphériques A _t, les turbines HP 22 et BP 24 de la turbine double corps 14. A son tour, les turbines BP et HP entraînent en rotation, respectivement, les compresseurs BP 26 et HP 28 du compresseur double corps 16 par couplage, respectivement, avec les arbres coaxiaux BP 30 et HP 32 d'axe X'X, l'arbre BP étant concentrique à l'arbre HP. La soufflante 18 est également entraînée par les derniers étages de la turbine BP via l'arbre BP. Des ensembles BP ou HP sont ainsi formés par association d'une turbine BP 24 ou HP 22 avec le compresseur BP 26 ou HP 28 correspondant, en liaison avec l'arbre de transmission BP 30 ou HP 32 correspondant.

[0018]Le flux d'air primaire F _p est alors comprimé dans les aubages Ac du compresseur 16 avant d'entrer dans la chambre de combustion 20, puis détendu partiellement dans la turbine 14 et totalement dans la tuyère d'éjection secondaire 34. Le flux d'air secondaire F _s accéléré par la soufflante 18 participe également à la poussée par éjection à travers une tuyère primaire 36. Les flux peuvent être accélérés et éjectés à travers une tuyère commune (non représentée).

[0019]Selon l'invention, un train épicycloïdal 40 est prévu pour permettre l'entraînement cumulé de la soufflante par les arbres BP et HP, par exemple en régime de croisière. Comme illustré plus particulièrement en figure 2, ce train comporte une couronne externe 42 comme planétaire de sortie, des satellites 44 (cinq satellites dans l'exemple) de transmission de puissance entre les planétaires, un porte-satellites 46 rapporté sur un mandrin central, et une couronne interne 48 comme planétaire d'entrée. La couronne d'entrée et le porte- satellites forment les moyens menants, la couronne externe 42 formant le moyen mené. Les couronnes et les satellites sont engrenés classiquement les un(e)s aux autres par des engrenages cylindriques.

[0020]Les arbres BP 30 et HP 32 sont montés sur les moyens menants de ce train 40 : dans cet exemple, l'extrémité de l'arbre BP 30 forme le mandrin central du porte-satellites 46 et l'arbre HP 32 est solidaire de la couronne interne 48. Par ailleurs, la soufflante 18 est couplée à la couronne externe 42 pour être entraînée en rotation en sortie du train épicycloïdal.

[0021] En régime de croisière, les arbres BP et HP sont en rotation dans les conditions nominales de vol. L'arbre BP par l'intermédiaire du porte-satellites 46 entraîne la soufflante 18 via la couronne externe selon la vitesse de rotation de l'arbre BP augmentée de manière indépendante, de la vitesse de rotation de la couronne interne 48 entraînée par l'arbre HP. Ainsi, la vitesse du fan résulte d'un réglage indépendant des vitesses des arbres BP et HP si bien que les vitesses du fan et de l'un et l'autre des arbres sont réglables de manière différenciée, ce qui permet d'optimiser chacune de ces vitesses.

[0022]Si l'arbre HP ne tournait pas, seule la vitesse du porte-satellite, c'est- à-dire celle de l'arbre BP, serait active. Cette possibilité peut être mise en œuvre par débrayage de l'arbre HP, par exemple dans les régimes autres que le régime de croisière et lorsque le pilote l'estime nécessaire en fonction des conditions de vol. En référence à la figure 2, des moyens de débrayage 50 séparent l'arbre HP en deux parties : une partie 32a d'arbre moteur HP reliée à la turbine HP et une partie 32b d'arbre d'entraînement HP de la couronne interne 48.

[0023]Le débrayage est réalisé par tout moyen connu, par exemple par un embrayage à friction 60 à commande électrique 61 , solidaire de la partie moteur 32a. La commande entraîne un piston 62, monté dans un châssis fixe 63, en déplacement selon la flèche F. Le piston 62 est par exemple commandé par un moteur électrique 61 piloté en liaison avec l'unité de contrôle de l'avion (non représentée).

[0024]Le piston 62 entraîne des moyens de liaison temporaire 65 montés sur un support 66. Ces moyens de liaison peuvent être un disque de friction ou des moyens de crabotage ou équivalent. Les moyens de liaison 65 coopèrent avec des moyens de réception 64 de la partie d'arbre d'entraînement 32b en position alors embrayée. La couronne interne 48 solidaire de la partie d'arbre 32b est alors également entraînée.

[0025]Lorsque la commande électrique pilote le piston en sens opposé à la flèche F, les moyens de friction 65 et donc la partie d'arbre moteur 32a n'entraînent plus la partie d'arbre 32b. La couronne interne 48 n'est plus entraînée.

[0026]Alternativement, d'autres types d'embrayage peuvent être mis en œuvre, par exemple des embrayages à servomoteur électromagnétique ou hydraulique.

[0027]Des moyens de blocage sont avantageusement prévus pour arrêter la rotation de la couronne interne 48 et la partie d'entraînement 32b de l'arbre HP lorsque ce dernier est débrayé. Dans l'exemple, ces moyens sont des mâchoires de frein 70 entourant la couronne 48 ou, en variante, la partie d'arbre HP 32b. Les moyens de blocage sont de préférence asservis à l'activation des moyens de débrayage 50 vers la position de débrayage.

[0028]En régime de croisière, la couronne externe 42 est entraînée par le train épicycloïdal 40 selon des vitesses déterminées par réglage du rapport de réduction de vitesse R entre la vitesse des moyens menés, ici celle ω _β de la couronne externe 42, et celle ω _ρ résultant des moyens menants, à savoir au moins le porte-satellites 46 sur lequel est monté l'arbre BP.

[0029]Ce rapport de réduction de vitesse dépend du rapport « k » entre le diamètre des moyens menants - diamètre D _p du porte-satellites 46 - d'une part, et celui D _e de la couronne externe menée 42, d'autre part. Les calculs résultent de l'adaptation de la formule générale de Willis qui exprime un rapport de réduction sous la forme d'un rapport de vitesses relatives dans un repère lié au porte- satellite, entre les vitesses relatives de la couronne externe et de la couronne interne.

[0030]Dans les cas où l'arbre HP est débrayé, c'est-à-dire dans les cas où il convient de récupérer toute la puissance, par exemple au démarrage du moteur, lors de l'extinction ou de tout incident moteur - soit en dehors du régime de croisière et pour toute raison jugée valable par le pilote, la vitesse de la couronne interne ω, est annulée par les moyens de blocage.

[0031]Ainsi, connaissant la valeur des vitesses optimales à atteindre, il est possible de déduire la valeur des diamètres des composants du train épicycloïdal, à partir de la relation de Willis.

[0032] Une variante de réalisation de l'exemple d'architecture de turboréacteur ci-dessus est illustrée à la figure 3. Les références identiques à celles de la figure 1 désignent les mêmes éléments. Dans cette variante, la partie 32b d'entraînement d'arbre HP 32 est solidaire du mandrin central 49 du porte- satellites 46 et l'arbre BP 30 est solidaire de la couronne interne 48. La soufflante 18 reste montée sur la couronne externe 42. Dans cette version, la partie d'arbre 32b étant solidaire du porte-satellites 46, les mâchoires de blocage 70 enserrent le mandrin central 49 du porte-satellites 46.

[0033]La différence essentielle entre les deux montages se trouve dans l'orientation du train épicycloïdal : le porte-satellite 46 est maintenant disposé en aval sur l'axe X'X, selon le sens de circulation du flux d'air entrant F _E , par rapport aux couronnes planétaires 42 et 48 du train épicycloïdal 40, alors qu'en référence aux figures 1 et 2, le porte-satellite 46 est monté en position amont par rapport à ces mêmes couronnes planétaires.

[0034]Dans le cadre de cette variante, le rapport de réduction de vitesse est lié par la relation suivante à partir de la formule de Willis :

R' =— = (1 + k)— - k (2)

CO; CO;

[0035] A partir de la connaissance des vitesses, notamment de la vitesse de croisière, la valeur de k et donc celle des diamètres des composants du train épicycloïdal se déduit de la relation (2), de manière semblable au premier mode de réalisation.

[0036]L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Il est par exemple possible de prévoir un train épicycloïdal présentant un double jeu de satellites montés sur les mêmes axes et de diamètres différents, s'engrenant respectivement sur la couronne interne et sur la couronne externe, un train à plusieurs étages ou plusieurs trains montés en cascade. Les engrenages planétaires des trains épicycloïdaux peuvent être cylindriques ou coniques. De plus, l'invention peut s'appliquer à des soufflantes présentant au moins deux étages. Par ailleurs, le compresseur BP peut être solidarisé à la soufflante, la soufflante pouvant alors être considérée comme formant le premier étage de ce compresseur.