Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2014/033412 PCT/FR2013/052011
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Cadre avant pour une structure d'inverseur de poussée à grilles de
déviation
La présente invention concerne un cadre avant pour une structure
d'inverseur de poussée à grilles de déviation pour une nacelle d'un aéronef.
L'invention concerne également une nacelle comportant un tel
cadre avant.
Un avion est mu par plusieurs turboréacteurs logés chacun dans
une nacelle abritant également un ensemble de dispositifs d'actionnement
annexes liés à son fonctionnement et assurant diverses fonctions lorsque le
turboréacteur est en fonctionnement ou à l'arrêt. Ces dispositifs
d'actionnement
annexes comprennent notamment un système mécanique d'inversion de
poussée.
Plus précisément, une nacelle présente généralement une
structure tubulaire comprenant une entrée d'air en amont du turboréacteur, une
section médiane destinée à entourer une soufflante du turboréacteur, une
section aval abritant les moyens d'inversion de poussée et destinée à entourer
la chambre de combustion du turboréacteur, et est généralement terminée par
une tuyère d'éjection dont la sortie est située en aval du turboréacteur.
Les nacelles modernes sont destinées à abriter un turboréacteur
double flux apte à générer par l'intermédiaire des pâles de la soufflante en
rotation un flux d'air chaud (également appelé flux primaire) issu de la
chambre
de combustion du turboréacteur, et un flux d'air froid (flux secondaire) qui
circule à l'extérieur du turboréacteur à travers un canal annulaire, également
appelé veine, formé entre un carénage du turboréacteur et une paroi interne de
la nacelle. Les deux flux d'air sont éjectés hors du turboréacteur par
l'arrière de
la nacelle.
Le rôle d'un inverseur de poussée est, lors de l'atterrissage d'un
avion, d'améliorer la capacité de freinage de celui-ci en redirigeant vers
l'avant
au moins une partie de la poussée générée par le turboréacteur. Dans cette
phase, l'inverseur obstrue le canal annulaire du flux d'air froid et dirige ce
dernier vers l'avant de la nacelle, générant de ce fait une contre-poussée qui
vient s'ajouter au freinage des roues de l'avion.
Les moyens mis en oeuvre pour réaliser cette réorientation du flux
d'air froid varient suivant le type d'inverseur. Cependant, dans tous les cas,
la
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structure d'un inverseur comprend des capots mobiles déplaçables entre, d'une
part, une position déployée dans laquelle ils ouvrent dans la nacelle un
passage destiné au flux dévié, et d'autre part, une position d'escamotage dans
laquelle ils ferment ce passage. Ces capots peuvent remplir une fonction de
déviation ou simplement d'activation d'autres moyens de déviation.
Dans le cas d'un inverseur à grilles de déviation, également
connu sous le nom d'inverseur à cascade, la réorientation du flux d'air est
effectuée par des grilles de déviation associées à des volets d'inversion, le
capot coulisse visant à découvrir ou recouvrir les grilles de déviation. Les
volets d'inversion forment des portes de blocage activées par le coulissement
du capotage engendrant généralement une fermeture du canal annulaire en
aval des grilles de manière à optimiser la réorientation du flux d'air froid.
Généralement, les grilles de déviation sont attachées au carter du
turboréacteur et à la section médiane de la nacelle à l'aide d'un cadre avant.
Les cadres avant usuels comportent une multitude de pièces.
Plus précisément, un cadre avant usuel comporte un caisson de
torsion généralement triangulaire en section transversale comprenant une paroi
inférieure reliant deux parois amont et aval, l'ensemble formant la section
triangulaire.
Sur la paroi inférieure est rapportée un premier bord d'attache
amont plan destiné à attacher ledit caisson à un carter de soufflante et un
deuxième bord d'attache aval également plan destiné à attacher ledit caisson
aux grilles de déviation.
Le cadre avant comprend, par ailleurs, un panneau assurant la
tenue au feu du cadre avant et permettant de rattacher le cadre avant au capot
externe de la section médiane.
Ce panneau est rapporté sur l'une et/ou l'autre des parois amont et
aval du caisson de torsion.
La paroi inférieure du caisson de torsion est soumise à des efforts
de tension engendrés par le montage des grilles de déviation sur le caisson de
torsion.
Par ailleurs, les actionneurs entraînant le capot d'inversion de
poussée dans ces déplacements entre ses différentes positions étant montés
sur le cadre avant, ce dernier est soumis à un couple qu'il convient de
transmettre efficacement des actionneurs vers un mat de suspension sur lequel
est montée la nacelle.
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Il est connu que les structures les mieux adaptées pour transmettre
un couple sont les structures tubulaires tandis que pour les efforts en
tension et
compression, une structure plane est à privilégier.
Un bon compromis de caisson de torsion pour remplir ces fonctions
est un caisson de torsion tubulaire, de section transversale triangulaire,
associé
à une partie plane adaptée, en partie inférieure du caisson.
Les parois planes du caisson de torsion, les sommets angulaires
entre ces parois et la plaque favorisent la transmission des efforts en
tension
des grilles de déviation vers le carter de turboréacteur, ceci en s'alignant
aux
différents chemins d'efforts des efforts en tension transmis des grilles de
déviation au carter de turboréacteur.
Toutefois, il existe un besoin permanent d'optimiser la transmission
de ces différents efforts et couple en torsion tout en conservant la nécessité
d'allègement des pièces du cadre avant et la simplification de la fabrication
de
ces pièces.
A cet effet, l'invention a pour objet un cadre avant pour nacelle
d'aéronef comprenant un turboréacteur monté sur un mât de suspension, la
nacelle comprenant un inverseur de poussée comprenant au moins un
actionneur adapté pour ouvrir un capot d'inversion de poussée, ledit cadre
comportant un caisson de torsion de forme tubulaire, un premier bord d'attache
droit destiné à attacher ledit caisson sur un carter de turboréacteur et un
deuxième bord d'attache droit destiné à attacher ledit caisson à des moyens de
déviation de flux d'air, ledit cadre étant agencé pour transmettre des efforts
en
tension et compression entre le carter de turboréacteur et les moyens de
déviation de flux d'air et des efforts de torsion repris par le mât de
suspension.
Ce cadre avant est remarquable en ce que le caisson de torsion
tubulaire présente une section transversale semi-elliptique ou elliptique.
Grâce à la présente invention, on optimise la transmission du
couple en torsion tout en conservant une transmission optimale des efforts en
tension/compression auxquels est soumis le caisson de torsion, ceci en
limitant
la masse du cadre avant ainsi qu'en réduisant le nombre de pièces à
assembler.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention, le cadre avant de
l'invention comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles
suivantes considérées seules ou selon toutes les combinaisons possibles :
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- les premier et deuxième bords d'attaches sont diamétralement
opposés par rapport au caisson pour transmettre les efforts en
tension entre le carter du turboréacteur et les moyens de
déviation de flux d'air ;
- le cadre avant comprend une structure droite comprenant les
premier et deuxième bords pour transmettre les efforts en
tension entre le carter de turboréacteur et les moyens de
déviation de flux d'air ;
- le caisson de torsion tubulaire présentant une section de forme
semi-elliptique, ladite structure droite forme la base de la semi-
ellipse ;
- le caisson de torsion tubulaire présente une section de forme
semi-circulaire ;
- le caisson de torsion tubulaire présentant une section de forme
elliptique, ladite structure droite traverse le caisson ;
- le caisson de torsion tubulaire présente une section de forme
circulaire ;
- le caisson de torsion comprend un noyau enrobé par un
matériau composite ;
- le caisson de torsion est intégralement réalisé en matériau
composite ;
- le cadre avant comprend un panneau destiné à attacher ledit
caisson de torsion à une section médiane de la nacelle, ledit
panneau formant une pièce monobloc avec le caisson.
Selon encore un autre aspect, l'invention a pour objet une nacelle
comportant un inverseur de poussée muni d'un cadre avant selon l'invention.
L'invention sera davantage comprise à la lecture de la description
non limitative qui va suivre, faite en référence aux figures ci-annexées :
- la figure 1 est une vue en perspective d'un premier mode de
réalisation d'un cadre avant selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue en perspective et en coupe transversale
du cadre avant de la figure 1 sur lequel sont rapportés des grilles
de déviation de flux ;
- les figures 3 et 4 sont, respectivement, des vues en perspective
d'un second et d'un troisième mode de réalisation d'un cadre
avant de l'invention ;
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- les figures 5 et 6 illustrent deux étapes successives d'une
procédé de fabrication d'un cadre avant selon le premier mode de
réalisation.
5 De façon
générale, une nacelle est destinée à constituer un
logement tubulaire pour un turboréacteur double flux à grand taux de dilution
et
sert à canaliser les flux d'air qu'il génère par l'intermédiaire des pâles
d'une
soufflante, à savoir un flux d'air chaud traversant une chambre de combustion
du turboréacteur, et un flux d'air froid circulant à l'extérieur du
turboréacteur.
Plus précisément, une nacelle comprend une structure amont
d'entrée d'air, une section médiane entourant une soufflante d'un
turboréacteur, et une section aval.
La nacelle est de forme tubulaire d'axe longitudinal. On entend
ainsi ici par longitudinal une direction sensiblement colinéaire à l'axe
longitudinal de la nacelle. On entend ici par transversal une direction
sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal de la nacelle.
La section aval comporte de manière connue en soi une structure
externe, dite OFS, abritant des moyens d'inversion de poussée, et une
structure interne, dite IFS. La nacelle est fixée en aval par l'intermédiaire
de
tout moyen approprié, notamment de bielles, à un mât de suspension destiné
au rattachement de la nacelle sous une aile d'aéronef.
La structure interne est destinée à couvrir une partie aval du
turboréacteur s'étendant en aval de la soufflante de sorte à délimiter un
canal
annulaire pour le passage du flux d'air chaud.
La structure externe et la structure interne définissent également un
autre canal annulaire d'écoulement ou veine pour le flux d'air froid.
De manière plus précise, les moyens d'inversion de poussée de la
section aval comportent au moins un capot mobile recouvrant des grilles de
déviation (désignées par la référence 1 notamment en figure 2) et entrainés en
translation en amont et/ou en aval de la nacelle par un ou plusieurs
actionneurs.
Ces actionneurs transmettent des efforts en tension et compression
dans la structure fixe externe de la nacelle.
Les grilles de déviation 1 sont reliées à la section médiane et au
carter du turboréacteur par l'intermédiaire du cadre avant 100 de l'invention.
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En référence à la figure 1, le cadre avant 100 de l'invention
comprend au moins :
- un caisson de torsion 110 de forme tubulaire,
- un premier bord d'attache 120 de section transversale droite
destiné à attacher ledit caisson sur le carter de turboréacteur et,
- un deuxième bord d'attache 130 de section transversale droite
destiné à attacher ledit caisson 110 aux grilles de déviation de
flux d'air 1.
Le cadre avant 100 est agencé pour transmettre des efforts en
tension et compression entre le carter de turboréacteur et les grilles 1 de
déviation de flux d'air
La position des grilles de déviation de flux d'air 1 et des
actionneurs montés sur le cadre avant 100, par rapport à la liaison du cadre
avant 100 sur le carter du turboréacteur engendrent des effort de torsion dans
le cadre avant 100.
Plus particulièrement, l'élément tubulaire 110 présente une forme
générale en demi torique ou torique centrée sur l'axe longitudinal de la
nacelle.
L'axe de l'élement tubulaire 110 peut être incurvé dans une
direction semi-circulaire pour se conformer aux courbes externes du
turboréacteur.
De manière avantageuse, dans un premier mode de réalisation
illustré sur la figure 1, le caisson de torsion 110 tubulaire présente une
section
transversale elliptique et, plus particulièrement, circulaire.
Dans un second mode de réalisation illustré sur la figure 3, le
caisson de torsion 110 tubulaire présente une section transversale semi
elliptique et, plus particulièrement semi circulaire.
Avantageusement, cette section transversale elliptique ou semi
elliptique du caisson de torsion tubulaire 110 permet de reprendre les efforts
des actionneurs générés dans la structure fixe de la nacelle, qui ne sont pas
alignés sur le second bord d'attache 130.
Plus particulièrement, cette section transversale elliptique ou semi
elliptique du caisson de torsion tubulaire 110 est le meilleur compromis en
terme de ratio performance sur masse, pour un même flux d'effort auquel est
soumis la structure fixe de la nacelle.
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Cette géométrie elliptique ou sem i-elliptique s'avére la plus
performante et, permet de réaliser un gain de masse par rapport à une forme
triangulaire ou trapézoidale.
Concernant le premier bord d'attache 120, il est formé en saillie
vers l'extérieur de la circonférence externe du caisson de torsion 110.
Il permet d'assurer une fonction de montage sur le carter moteur
tout en permettant une ouverture de l'inverseur de poussée correspondant.
Il présente une forme conique ou cylindrique.
Il est adapté pour coopérer avec un demi anneau 2 nommé
couteau ou J-ring monté à son extrémité amont et formant une partie mâle d'un
dispositif de liaison entre le cadre avant et le carter de soufflante du
turboréacteur. Cette pièce peut, ainsi, avoir une coupe longitudinale
sensiblement en forme de J, pour coopérer avec une forme complémentaire
portée par le carter de soufflante appellée V-groove.
Dans une variante de réalisation, l'anneau 2 n'est pas rapporté sur
le premier bord d'attache 120 mais formé d'une seul pièce avec ce premier
bord d'attache 120. Il est ainsi configuré pour recevoir directement le carter
de
turboréacteur.
Concernant le deuxième bord d'attache 130 destiné à attacher ledit
caisson 110 aux grilles 1 de déviation de flux d'air 1, il est formé,
également, en
saillie vers l'extérieur de la circonférence externe du caisson de torsion
110.
assure pour le cadre avant 100 une fonction de transmission des
efforts venant des grilles 'I vers le carter de turboréacteur dans le mode de
reversion du flux d'air froid le pius directement possible afin d'éviter les
efforts
parasites.Ce deuxième bord d'attache 130 présente une forme conique ou
cylindrique.
Il est adapté pour coopérer avec une extrémité amont d'un cadre
support la des grilles 1 de déviation de flux d'air.
Afin d'assurer une transmission optimale des efforts en tension et
compression entre les grilles de déviation 1 et le carter de turboréacteur, le
cadre avant 100 présente des premier et second bords d'attaches 120,130
diamétralement opposés par rapport au caisson de torsion 110.
Dans un second et troisième modes de réalisation illustrés sur les
figures 3 et 4, le cadre avant 100 comprend une structure de section
transversale droite 140 formant une plaque conique 140 comprenant les
premier 120 et deuxième 130 bords d'attaque et les reliant pour transmettre
les
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efforts en tension entre le carter de turboréacteur et les grilles 1 de
déviation de
flux d'air.
Cette plaque conique 140 s'étend dans une direction droite et,
ainsi, est configurée pour se connecter aux grilles de déviation 1 et au
carter de
turboréacteur, par l'intermédaire des bords d'attache 120,130 correspondants.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, la plaque conique 140
forme la base de la semi-ellipse du caisson de torsion 110.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, la plaque conique 140
traverse le caisson de torsion 110.
Plus particulièrement, dans une variante de réalisation de ce mode
de réalisation, le caisson de torsion 110 peut être formé par un élément
tubulaire de section circulaire formé par deux elements 110a et 110b de
section semi-circulaire et d'une plaque conique 140 à l'interface de ces deux
éléments.
Par ailleurs, le cadre avant 100 comprend une paroi 150 destinée à
servir d'interface avec le capot de soufflante, ceci afin de resister aux
efforts
venant du capot de soufflante, effet de serrage et d'appui du capot.
Cette paroi 150 permet, en outre, de créer un compartiment pour
assurer la tenue au feu de l'ensemble. Elle peut, ainsi, contenir le feu en
cas de
flamme dans le compartiment délimité par le carter moteur, le capot de
soufflante et la paroi 150.
Cette paroi 150 est formé en saillie de la circonférence externe du
caisson de torsion 110,en direction du capot externe.
Cette paroi 150 est sensiblement droite sur l'essentiel de sa
longueur.
Elle comprend à son extrémité proche du capot externe (non
visible), un repli ou retour longitudinal, ceci afin de reposer sur le capot
et s'y
fixer.
En référence aux figures 1 et 2, le cadre avant 100 comprend un
troisième bord d'attache 160 faisant saillie vers l'extérieur du caisson de
torsion
110 et adapté pour assurer la fixation d'une structure secondaire 170 assurant
la fonction de bord de déviation sur le caisson de torsion 110 de sorte à
définir
une continuité aérodynamique du flux en phase d'inversion de poussée, afin
d'éviter un décollement de flux.
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Le cadre avant 100 peut comprendre, en outre, des raidisseurs
transversaux 180 reliant la paroi 150 de tenue au feu, une portion de la
circonférence du caisson de torsion 110 et le premier bord d'attache 120.
Il peut comprendre, en outre, des raidisseurs transversaux 190
reliant le second bord d'attache 130, une portion de la circonférence du
caisson
de torsion 110 et le troisième bord d'attache 160 au bord de déviation.
Par ailleurs, le cadre avant 100 formé par le panneau de tenue au
feu 150, le caisson de torsion 110 et les bords d'attache 120, 130 forment une
pièce unique monobloc. Ils sont préférentiellement réalisés dans un matériau
composite, ce qui permet d'alléger la masse du cadre avant 100.
Dans ce cadre, dans une variante de réalisation, le caisson de
torsion 110 comprend un noyau 111 métallique enrobé par un matériau 112
composite.
En variante, le caisson de torsion 110 comprend un noyau 111
composite enrobé par un matériau 112 composite c'est-à-dire qu'il est
intégralement réalisé en matériau composite.
Plus généralement, le cadre avant 100 comprend un caisson de
torsion 110 formé d'un assemblage :
- d'une ou plusieurs couches de matériau formant le noyau 111
tubulaire
- d'une ou plusieurs couches 112 dites externes de matériau
composite adaptés pour enrober le noyau tubulaire.
De manière avantageuse, ces couches externes forment, en outre,
le panneau de tenue au feu 150 et les premiers et second bords d'attache
120,130.
Elles prennent en charge une partie des efforts à transmettre entre
les grilles de déviation et le carter du turboréacteur.
De même, elles prennent en charge une partie des efforts à
transmettre entre les actionneurs et le carter du turboréacteur.
Elles transmettent, en outre, les efforts de torsion vers le mât de
suspension (par le biais de poutres de suspension 12h) . Ces couches
externes permettent de relier, de façon continue et d'un seul tenant la paroi
150, une partie de la circonférence du noyau du caisson de torsion 110 et le
premier bord d'attache 120.
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Ainsi, les fibres 112 des couches externes sont continues d'une
extrémité de la paroi de tenue au feu 150 proche du capot externe jusqu'au
premier bord d'attache 120, en passant par l'enrobage du noyau tubulaire 111.
De plus, elles permettent de relier de façon continue et d'un seul
5 tenant le panneau externe 150, une partie de la circonférence du noyau du
caisson de torsion 110 et le second bord d'attache 120.
Ainsi, les fibres 112 des couches externes sont continues d'une
extrémité du panneau de tenue au feu 150 proche du capot externe jusqu'au
second bord d'attache 130, en passant par l'enrobage du noyau tubulaire 111.
10 En outre, dans un mode de réalisation, elles permettent de
relier de
façon continue et d'un seul tenant le premier bord d'attache 120, le second
bord d'attache 120 et le noyau du caisson de torsion 110.
Ainsi, les fibres 112 des couches externes sont continues du
premier bord d'attache 120, jusqu'au second bord d'attache 130, en passant
par l'enrobage du noyau tubulaire 111.
Dans la variante de réalisation dans laquelle une plaque 140
traverse le caisson 110, les couches de fibres de la plaque 140 sont continues
du premier bord d'attache 120 jusqu'au second bord d'attache 130.
Grâce à cette forme particulière du caisson de torsion 110
associant noyau tubulaire 111 et section transversale elliptique ou semi
elliptique dans laquelle on remplace les parois planes du caisson et les
parties
angulaires du caisson de torsion de section triangulaire de l'art antérieur,
on
optimise la transmission du couple en torsion vers le mat de suspension tout
en
conservant une transmission optimale des efforts en tension/compression
auxquels est soumis le caisson de torsion par la présence d'éléments plans
permettant l'alignement des fibres de matériau avec les efforts en
tension/compression.
La résistance mécanique du cadre avant de l'invention face aux
sollicitations est, de plus, améliorée.
Un tel cadre avant 110 peut être obtenu, par exemple, par un
procédé dit d'infusion ou d'injection de résine utilisant une vessie ou un
contre-
moule rigide.
Selon une autre alternative, il peut être obtenu par injection de la
résine dans l'épaisseur et non dans le sens des fibres, comme cela est le cas
dans le procédé RTM.
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Il est également possible d'utiliser un procédé de drapage
consistant à drapper des plis préimprégnés de résine sur un moule et à
procéder à une cuisson à une température supérieure à 100 C.
Plus précisément, sur les figures 5 et 6, on observe un mode de
réalisation non limitatif d'un procédé de fabrication d'un cadre avant 110
selon
l'invention par transfert de résine.
Ce procédé prévoit, de façon non limitative, quatre parties de
contre moules suivants, formant les pièces constitutives du moule d'un cadre
avant 100 selon l'invention :
- un contre moule 3 formant la contre forme de la paroi 150, d'une
portion de la circonférence externe du noyau et du premier bord
d'attache 120;
- un contre moule 4 formant la contre forme de la paroi 150 ,
d'une portion de la circonférence externe du noyau 111 et du
second bord d'attache 130;
- un contre moule 5 formant la contre forme du second bord
d'attache 130, d'une portion de la circonférence externe du
noyau 111 et du troisième bord d'attache pour bord de
déviation;
- un contre moule 6 formant la contre forme du premier bord
d'attache 120 et du troisième bord d'attache pour bord de
déviation.
Ainsi, dans une étape illustrée sur la figure 5, on drape les contre
moule de plis de fibres formant les couches externes du cadre avant 100.
On referme les quatre contre moules contre le noyau tubulaire du
caisson de torsion, en matériau métallique ou composite, de manière à
l'enrober totalement, de façon complémentaire.
On injecter la résine et on cuit l'ensemble de façon à rendre
solidaire les différents elements constitutifs du cadre avant 100.
Dans une étape ultérieure illustrée sur la figure 6, on retire les
contre moules pour libérer le cadre avant 100 formé.
Il est à noter que dans des variantes de réalisation, on peut
rapporter le troisième bord d'attache et/ou former les raidisseurs en une seul
pièce avec le caisson de torsion 110.
Par ailleurs, les matériaux utilisés peuvent être tout matériau
connu.
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Le matériau composite est typiquement choisi parmi des matériaux
à base de fibres de carbone, de fibres de verre, de fibres d'aramide ou un
mélange de ces matériaux avec une résine époxy ou Bis-maleimide (BMI) ce
qui permet d'assurer à la fois un allègement de la masse du cadre avant de
l'invention 121 et également de garantir une résistance mécanique suffisante.
On peut constater que le cadre avant de l'invention présente un
nombre d'éléments réduit par rapport à l'art antérieur. La réduction du nombre
d'éléments formant le cadre avant de l'invention permet de réduire la masse,
et les couts de fabrication. Les procédés de fabrications sont simples et
rapide,
bien adaptés à une fabrication sur chaine de production.
