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WO 2008/135699 PCT/FR2008/050557
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DISPOSITIF DE DEVIATION ET DE RETENTION DE DEBRIS DE MOTEUR
D'AERONEF
La présente invention se rapporte à un dispositif de déviation et de rétention
de
débris provenant d'une motorisation d'aéronef, et plus particulièrement des
débris issus d'un étage de compresseur ou de turbine de la motorisation.
En matière de protection, une première solution consiste à protéger certains
éléments dit élément cible en disposant un écran ou une structure forte entre
la
source potentielle des débris et l'élément cible à proximité dudit élément.
L'écran doit être apte à retenir les éléments les plus énergétiques.
Selon une autre solution, les organes essentiels ainsi que les circuits de
commande d'un aéronef sont généralement ségrégués pour offrir plus de
sécurité. A titre d'exemple, un aéronef contient plusieurs circuits
hydrauliques
et électriques pour assurer une même fonction, de sorte que la perte de l'un
de
ces circuits (de commande ou de puissance) n'entraînera pas la perte de la
fonction elle même. Cette solution largement utilisée conduit à augmenter la
masse embarquée et à complexifier la conception de la motorisation, notamment
en évitant la juxtaposition des organes principaux et des systèmes de sécurité
correspondant.
Selon une autre approche, les solutions visent à traiter la ou les sources de
débris ou les débris eux-mêmes.
Au niveau de la motorisation, il existe essentiellement deux sources de débris
à
savoir la soufflante à partir de laquelle des pales ou des morceaux de pales
peuvent se détacher et le turboréacteur à partir duquel des étages ou des
portions d'étages de compresseurs ou de turbines peuvent se détacher.
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Concernant la soufflante, une solution consiste à prévoir une ceinture visant
à
retenir les débris en périphérie de la soufflante. Ainsi, les débris sont
cantonnés
à l'intérieur de la ceinture et ne peuvent pas atteindre les cibles.
Selon cette solution, les caractéristiques des ceintures, notamment les
dimensions et les matériaux, sont déterminées afin de retenir les débris les
plus
énergétiques. La zone d'implantation de la ceinture n'étant pas très
sollicitée en
matière de température, il est possible d'utiliser des éléments composites
et/ou
une structure alvéolaire afin de ne pas trop augmenter la masse embarquée.
Enfin, la forme continue de la ceinture permet à la fois de contenir un
fragment
quelque soit son angle d'éjection et d'obtenir une plus grande résistance
mécanique que des éléments disjoints.
Concernant le turboréacteur, les motoristes tendent à rendre plus sûrs les
éléments du moteur afin de réduire les risques de rupture des éléments le
constituant notamment des éléments rotatifs tels que les étages des
compresseurs ou des turbines. Cette solution conduit à augmenter les
coefficients de sécurité lors de la conception des pièces, à l'amélioration
des
matériaux et à prévoir des procédés de réalisation des pièces intégrant des
contrôles de qualité plus nombreux et/ou plus poussés. Même si cette solution
permet de réduire les risques de rupture, elle ne les annule pas totalement si
bien qu'il existe toujours un risque qu'un des éléments des étages des
compresseurs et des turbines se détache et endommage une partie de l'aéronef.
Une solution pourrait consister à utiliser une ceinture comme pour la
soufflante.
Cependant cette solution n'est pas facilement envisageable notamment dans la
mesure où la zone d'implantation est plus fortement sollicitée en température.
Selon une solution décrite dans le document US-3.974.313, il est possible de
prévoir un traitement de type ponctuel, à savoir sur une zone limitée non
circonférentielle. Selon ce document, le dispositif de protection comprend un
panneau déformable susceptible de retenir les débris éjectés. Pour retenir le
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débris, l'énergie des débris doit être totalement absorbée grâce à la
déformation du panneau de protection. Cette solution peut difficilement être
mise en aeuvre pour retenir les débris les plus énergétique.
Aussi, pour limiter les effets néfastes d'un éclatement de moteur, les
constructeurs d'aéronef utilisent plusieurs solutions visant essentiellement à
ségréguer les systèmes pour les rendre plus tolérants, à cacher les systèmes
derrière des structures fortes, à limiter les conséquences structurales en
créant des chemins d'effort résiduels après impact par exemple, ceci de
manière
très encadrée par le règlement aéronautique et en considérant en général une
énergie infinie pour les débris.
Aussi, la présente invention vise à pallier aux inconvénients de l'art
antérieur en
proposant un dispositif de déviation et de rétention de débris d'une
motorisation
d'aéronef visant à rendre plus flexible les choix d'architecture, en gardant
l'objectif de rendre l'aéronef plus sûr, tout en n'augmentant pas de manière
excessive la masse embarquée.
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de protection pour traiter
au
moins un débris provenant d'une source d'un aéronef, notamment un étage de
compresseur ou de turbine d'une motorisation d'aéronef, et l'empêcher
d'atteindre une cible dudit aéronef, caractérisé en ce qu'il a une géométrie
et
une position par rapport à la source et à la cible permettant de dévier les
débris
les plus énergétiques afin de protéger ladite cible disposée dans une zone
protégée prédéfinie.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va
suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en
regard
des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une coupe longitudinale d'un ensemble propulsif d'un
aéronef,
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- la figure 2 est une vue en perspective d'une motorisation équipée d'un
dispositif selon une première variante de l'invention,
- la figure 3 est une vue en perspective d'une motorisation équipée d'un
dispositif selon une autre variante de l'invention,
- la figure 4 est une vue de côté illustrant en détails les moyens de fixation
du dispositif de la figure 2,
- la figure 5 est une vue en perspective d'une motorisation équipée d'un
dispositif selon une autre variante de l'invention,
- la figure 6 est une vue en perspective d'une motorisation équipée d'un
dispositif selon une autre variante de l'invention,
- la figure 7 est une vue latérale illustrant en détails une autre variante du
dispositif de l'invention,
- la figure 8 est un schéma illustrant une autre zone d'implantation d'un
dispositif selon l'invention,
- la figure 9 est un schéma illustrant la déviation d'un débris selon une
première direction grâce à un dispositif de l'invention,
- la figure 10 est un schéma illustrant la déviation d'un débris selon une
autre direction grâce à un dispositif de l'invention, et
- la figure 11 est un schéma illustrant une zone protégée par un dispositif
selon l'invention.
Sur la figure 1, il est représenté un ensemble propulsif 10 d'un aéronef,
également appelé turboréacteur, relié grâce à des moyens de liaison à un
aéronef, notamment grâce à un mât 12 sous une voilure 14 d'aéronef. Il
comprend
un moteur 16 avec d'une part une soufflante comportant un rotor 18 muni de
pales et un stator 20 muni d'aubes, et d'autre part, un conduit primaire 22
dans
lequel sont disposés selon le sens d'écoulement de l'air 24, des étages de
compresseurs 26, une chambre de combustion 28 et des étages de turbines 30.
Le moteur 16 est disposé dans une nacelle 32 qui comprend en amont de la
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soufflante une entrée d'air 34 et en aval du stator de la soufflante un
conduit
secondaire 36.
Comme illustré sur les figures, le moteur comprend une première partie à
l'avant
au niveau de laquelle est prévue la soufflante, et une seconde partie à
l'arrière au
niveau de laquelle sont disposés les étages de compression, la chambre de
combustion ainsi que les étages des turbines, ladite partie ayant un diamètre
relativement plus petit que la partie avant et étant plus fortement sollicitée
en
température et soumise à des températures égales ou supérieures à 300 C.
En matière de protection, une ceinture peut-être prévue autour de la
soufflante
visant à retenir une pale ou un morceau de pale susceptible de se détacher de
la
soufflante. Les caractéristiques mécaniques de cette ceinture sont déterminées
de manière à pouvoir retenir les débris les plus énergétiques.
Les étages de compresseurs 26, et les étages de turbines 30 se présentent sous
la forme de disques comportant des ailettes, susceptibles de pivoter selon
l'axe
de l'arbre du moteur 16 matérialisé par l'axe référencé 38.
Comme pour la soufflante, des parties des éléments en mouvement du moteur 16,
notamment des étages des compresseurs et des turbines, peuvent se détacher
ou rompre de manière accidentelle et former des débris susceptibles
d'endommager une autre partie de l'aéronef.
Contrairement aux débris issus de la soufflante qui ont des mouvements
aléatoires, le demandeur a relevé après observations que les débris issus des
étages de compresseurs et de turbines ont dans la majorité des cas une
cinématique particulière, notamment ces débris pivotent sur eux-mêmes et ont
une trajectoire dite privilégiée.
Selon l'invention, l'ensemble propulsif comprend un dispositif 40 dans
l'environnement du moteur, non circonférentiel, ledit dispositif ayant une
géométrie permettant de dévier les débris les plus énergétiques. Selon
l'invention, le dispositif 40 est interposé entre une source de débris,
notamment
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les étages de compresseurs 26 et/ou les étages de turbines 30, et la zone à
protéger 41 comme illustré sur la figure 11.
Contrairement à une ceinture, le dispositif 40 de l'invention ne s'étend pas
sur
toute la circonférence du moteur en périphérie de l'élément rotatif. Ainsi,
selon
l'invention, le dispositif 40 est de type ponctuel et occupe une zone
restreinte.
Le dispositif est disposé de manière à être sécant avec la trajectoire
privilégiée.
Cette configuration permet de pouvoir limiter la masse embarquée.
Contrairement aux dispositifs de l'art antérieur, le dispositif 40 de
l'invention
n'est pas conçu pour retenir les débris les plus énergétiques, mais sa
géométrie
et sa position par rapport à la source de débris et à la cible, sont
déterminées de
manière à dévier les débris les plus énergétiques c'est à dire à absorber
seulement une partie de leur énergie. Cette configuration permet de pouvoir
limiter la masse embarquée.
Le dispositif de protection a de préférence une forme convexe afin de
favoriser
la déviation des débris et ne pas les retenir.
Avantageusement, le dispositif est réalisé à partir de matériaux adaptés pour
supporter des températures de l'ordre de 300 à 400 C ou plus.
Dans la mesure où le dispositif est de type ponctuel et conçu pour dévier les
débris les plus énergétiques et non les retenir, il convient d'utiliser des
matériaux résistants aux hautes températures, sans toutefois augmenter de
manière conséquente la masse embarquée.
Le dispositif 40 comprend d'une part au moins une partie déformable 42, et
d'autre part, des moyens de liaison 44 au moteur ou à la nacelle, voire à
l'aéronef.
Le dispositif comprend une partie déformable pour ne pas se rompre et
constituer des débris susceptibles d'endommager des zones sensibles de
l'aéronef.
Selon les variantes, les moyens de liaison 44 relient le dispositif de
l'invention au
moteur, notamment aux viroles prévues en périphérie du moteur, comme illustré
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sur les figures 2, 3, 5 et 6, ou au carénage délimitant la paroi intérieure du
conduit secondaire de la nacelle comme illustré sur la figure 8.
Avantageusement, les moyens de liaison 44 absorbent une partie de l'énergie
produite lors du choc d'un débris grâce notamment aux matériaux utilisés pour
les moyens de liaison et/ou aux dimensionnements des moyens de liaison et/ou
aux formes des moyens de liaison.
De préférence, les moyens de liaison 44 comprennent deux ferrures 46, 46'
illustrées en détails sur les figures 4 et 7, disposées de part et d'autre
d'au
moins ladite partie déformable 42, des moyens de fixation permettant de lier
chaque ferrure à l'aéronef et des moyens de fixation permettant de lier chaque
ferrure à ladite au moins partie déformable 42.
Avantageusement, la partie déformable 42 a une géométrie adaptée pour
favoriser la déviation des débris les plus énergétiques et de préférence, pour
permettre auxdits débris de rouler sur ladite partie compte tenu de leur forme
et de leur mouvement de pivotement sur eux-mêmes.
La partie déformable 42 doit avoir en surface au moins au niveau de la zone
d'impact probable une grande résistance au cisaillement tout en ayant de
préférence à caeur une grande capacité à se déformer.
Avantageusement, la ou les parties déformables 42 sont réalisées en un premier
matériau ayant une grande résistance dynamique au cisaillement et en un second
matériau ayant une grande capacité à se déformer en dynamique sans rupture.
A titre d'exemple, le premier matériau est choisi parmi les matériaux suivants
Titane, Acier fortement alliés tel que par exemple un produit commercialisé
sous
la marque INCONEL, composite à base de fibres céramiques type CMC....
A titre d'exemple, le second matériau est choisi parmi les matériaux suivants
: un
produit composite à base de fibres aramides tel que par exemple le produit
commercialisé sous la marque KEVLAR, mousses métalliques, nid d'abeille
métalliques....
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Selon une première variante, la partie déformable 42 peut se présenter sous la
forme d'au moins une barre 48, par exemple une seule barre comme illustré sur
la
figure 2, deux barres comme illustré sur la figure 3 ou un maillage de barres.
Avantageusement, la ou les barres sont disposées selon la direction
longitudinale,
à savoir parallèle à l'axe 38.
La barre peut avoir différentes formes de section, par exemple circulaire,
triangulaire, carrée ou autre.
La barre ou les barres ont deux effets distincts
- grâce à la forme de la section de la ou des barres, le débris, en fonction
de sa position au moment du choc, sera dévié pour des configurations où le
centre de gravité du débris est décalé de celui de la barre.
- grâce à sa capacité à se déformer la barre absorbera toute ou partie de
l'énergie cinétique du débris.
Selon un autre mode de réalisation, la partie déformable peut se présenter
sous
la forme d'au moins un câble 50, par exemple un seul câble 50 comme illustré
sur
la figure 5 ou plusieurs câbles 50.
Le câble a des effets sensiblement similaires à ceux de la barre. Il offre en
plus
la possibilité de grand déplacement avant de se déformer.
D'autres formes peuvent être envisagées comme par exemple au moins une
bande 52 ou un empilage de bandes 52 comme illustré sur les figures 6 et 7.
La plaque pourra être plus ou moins inclinée pour former avec la trajectoire
privilégiée un angle favorisant la déviation des débris les plus énergétiques.
La ou les plaques procurent deux effets distincts :
Elle(s) permet(tent) de dévier les débris les plus énergétiques notamment en
étant plus ou moins inclinée(s) avec la trajectoire privilégiée des débris.
La ou les parties déformables 42 peu(ven)t être constituée(s) d'une
combinaison
de barre(s), de câble(s), de plaque(s). Par exemple, une série de barres
juxtaposées parallèles combinées ou décalées avec une plaque, un câble inséré
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dans une barre ou un matériau absorbant dans une structure creuse comme la
barre ou l'empilage de plaque.
Sur les figures 9 et 10, on a représenté un débris 54 provenant d'une source
56.
En fonction du sens de rotation du débris et de la position relative du
dispositif
de protection et de la trajectoire du débris, ce dernier peut être dévié comme
illustré sur la figure 9, ou dévié après avoir roulé sur le dispositif 40
comme
illustré sur la figure 10. Ainsi, comme illustré sur la figure 11, un
dispositif de
protection 40 peut protéger un élément sensible placé dans une zone
protégée 41, les débris étant écartés de cette zone protégée grâce au
dispositif
de protection 40.
Comme illustré sur les figures 9 et 10, on note que le dispositif 40 se
déforme
lors du choc avec le débris afin de ne pas se rompre et constituer un débris
susceptible d'endommager un élément sensible placé dans la zone protégée 41.
Même s'il est décrit utilisé pour traiter l'élément coupable en étant
disposé à
proximité de la source des débris, le dispositif de l'invention pourrait être
utilisé
pour traiter l'élément cible en étant disposé à proximité de l'élément à
protéger des débris.
Contrairement à l'art antérieur, l'invention vise à dimensionner les éléments
non
pas pour des débris avec une énergie infinie mais pour absorber une partie des
débris les plus énergétiques. Dans ce cas, même si l'énergie cinétique n'est
pas
totalement absorbée, en déviant le débris et en se déformant, le dispositif
permet d'absorber une partie significative de l'énergie des débris les plus
énergétiques si bien que même s'ils ne sont pas retenus l'énergie restante est
fortement réduite rendant moins offensifs lesdits débris.
