Propfan - Propfan

Une maquette du GE36 au Musée aéronautique et spatial Safran

Un propulseur , également appelé moteur à rotor ouvert , ou ventilateur non caréné (par opposition à un ventilateur caréné ), est un type de moteur d'avion lié dans son concept à la fois au turbopropulseur et au turboréacteur , mais distinct des deux. La conception est destinée à offrir la vitesse et les performances d'un turboréacteur, avec l'économie de carburant d'un turbopropulseur. Un propulseur est généralement conçu avec un grand nombre d'aubes courtes et très torsadées, similaires au compresseur de dérivation d'un turboréacteur (le ventilateur lui-même). Pour cette raison, le propfan a été diversement décrit comme un « ventilateur non canalisé » (UDF) ou un « turbofan à ultra-haute dérivation (UHB) ».

Définition

Dans les années 1970, Hamilton Standard décrivait son propulseur comme « un propulseur à pales multiples et à pas variable de petit diamètre et très chargé, doté de pales balayées avec de fines sections de profil aérodynamique avancé , intégré à une nacelle profilée pour retarder le flux d'air à travers les pales, réduisant ainsi les pertes de compressibilité et conçu pour fonctionner avec un moteur à turbine et en utilisant un seul étage réducteur entraînant des performances élevées. »en 1982, le magazine de l' aviation hebdomadaire Flight international a défini le propfan comme une hélice à 8-10 lames très balayées qui croisait à une vitesse de 390-480 noeuds (450-550 miles par heure; 720-890 kilomètres par heure), bien que sa définition ait évolué quelques années plus tard avec l'émergence de propfans contrarotatifs .

En 1986, le motoriste britannique Rolls-Royce a utilisé le terme open rotor comme synonyme de la signification originale d'un propfan. Cette action visait à délimiter le type de moteur propfan à partir d'un certain nombre de propositions de moteurs carénés à l'époque qui avaient propfan dans leurs noms. Dans les années 2000, le rotor ouvert (OR) est devenu un terme préféré pour la technologie des ventilateurs propfan dans la recherche et les reportages, le rotor ouvert contrarotatif (CROR) étant également parfois utilisé pour faire la distinction entre les ventilateurs propfan à rotation unique. En 2015, l' Agence européenne de la sécurité aérienne (AESA) définissait concrètement (mais au sens large) un rotor ouvert comme « un étage de soufflante de moteur à turbine qui n'est pas enfermé dans un carter » ; en revanche, il n'avait qu'une définition de travail d'un rotor ouvert moteur (le terme plus couramment utilisé pour propfan au 21e siècle), l' appelant « un moteur à turbine avec étages de ventilateur à contre-rotation non enfermée dans un boîtier. » le moteur utilise une turbine à gaz pour entraîner un gainée (ouvert) contre-rotation hélice comme un turbopropulseur, mais la conception de l' hélice elle-même est plus étroitement couplée à la conception de la turbine, et les deux sont certifiées comme une seule unité.

El-Sayed fait la différence entre les turbopropulseurs et les propulseurs selon 11 critères différents, notamment le nombre de pales, la forme des pales, la vitesse de pointe, le taux de dilution , le nombre de Mach et l' altitude de croisière .

Histoire

Environ une décennie après que les ingénieurs aérospatiaux allemands ont commencé à explorer l'idée d'utiliser des ailes en flèche pour réduire la traînée sur les avions à vitesse transsonique , Hamilton Standard dans les années 1940 a tenté d'appliquer un concept similaire aux hélices de moteur. Il a créé des pales d'hélice très balayées avec des vitesses de pointe supersoniques , de sorte que les moteurs à hélices exposées puissent propulser les avions à des vitesses et des altitudes de croisière atteintes uniquement par les nouveaux turboréacteurs et turboréacteurs . Les premiers tests de ces pales ont révélé des problèmes de flottement et de contrainte de pale alors insolubles, et les niveaux de bruit élevés étaient considérés comme un autre obstacle. La popularité des turboréacteurs et des turboréacteurs a réduit la recherche sur les hélices, mais dans les années 1960, l'intérêt s'est accru lorsque des études ont montré qu'une hélice exposée entraînée par une turbine à gaz pouvait propulser un avion de ligne volant à une vitesse de Mach 0,7-0,8 et à une altitude de 35 000 pieds (11 000 mètres). Le terme propfan a été créé au cours de cette période.

L'un des premiers moteurs qui ressemblait au concept propfan était le Metrovick F.5 de 4 710 livres-force (21,0 kilonewtons) , qui comportait deux ventilateurs contrarotatifs : 14 pales à l'avant (avant) et 12 pales à l'arrière (arrière ) ventilateur—à l'arrière du moteur et a été utilisé pour la première fois en 1946. Les pales, cependant, n'étaient pour la plupart pas balayées. D'autres moteurs à hélices contrarotatives qui figuraient sur les avions communs comprenaient les quatre puissants moteurs Kuznetsov NK-12 (chacun alimentant son propre ensemble d'hélices contrarotatives coaxiales) sur le bombardier militaire à grande vitesse Tupolev Tu-95 Bear de l'Union soviétique et Antonov An -22 avions de transport militaire et les moteurs Armstrong Siddeley Double Mamba (ASMD) (tous deux connectés à un seul ensemble d'hélices coaxiales contrarotatives) sur l' avion anti-sous-marin britannique Fairey Gannet . Les deux configurations avaient quatre pales en grande partie non balayées dans l'hélice avant et l'hélice arrière.

1970-1980

Lorsque la crise pétrolière de 1973 a provoqué une flambée des prix du pétrole au début des années 1970, l'intérêt pour les propfans a grimpé en flèche et les recherches financées par la NASA ont commencé à s'accélérer. Le concept de propfan a été décrit par Carl Rohrbach et Bruce Metzger de la division Hamilton Standard de United Technologies en 1975 et a été breveté par Rohrbach et Robert Cornell de Hamilton Standard en 1979. Les travaux ultérieurs de General Electric sur des propulseurs similaires ont adopté le nom de ventilateur non canalisé, qui était un turboréacteur modifié , avec la soufflante placée à l'extérieur de la nacelle du moteur sur le même axe que les aubes du compresseur .

À cette époque, les problèmes d'hélice sont devenus réparables. Des progrès ont été réalisés dans les matériaux de structure, tels que le titane métallique et les composites de graphite et de fibre de verre infusés de résine . Ces matériaux ont remplacé l' aluminium et l' acier dans la construction des lames, ce qui a permis de rendre les lames plus fines et plus solides. La conception assistée par ordinateur a également été utile pour affiner les caractéristiques des pales. Étant donné que les lames se plient et dévient avec une charge de puissance et une force centrifuge plus élevées , les conceptions initiales devaient être basées sur la forme en mouvement. Avec l'aide d'ordinateurs, les concepteurs de lames travailleraient ensuite en arrière pour trouver la forme déchargée optimale à des fins de fabrication.

Programmes d'essais en vol

Installation d'essai au sol du moteur Allison 501-M78 avec une hélice Hamilton Standard à huit pales de 2,7 m de diamètre pour l'évaluation du test Propfan de la NASA.

Hamilton Standard, le seul grand fabricant américain d'hélices d'avion, a développé le concept de propfan au début des années 1970. Hamilton Standard a testé de nombreuses variantes en collaboration avec la NASA .

Dans le cadre du programme Propfan Test Assessment (PTA), Lockheed-Georgia a proposé de modifier un Gulfstream II pour qu'il serve de banc d'essai en vol pour le concept de propfan, tandis que McDonnell Douglas a proposé de modifier un DC-9 dans le même but. La NASA a choisi la proposition Lockheed . Le DC-9 avait une nacelle ajouté à l'aile gauche, contenant une puissance de 6000 (4.500 kilowatts) Allison 570 turbopropulseur (dérivé du XT701 turbomoteur développé pour le Boeing Vertol XCH-62 transport lourd hélicoptère ). Le moteur utilisait un ventilateur à huit pales de 9 pieds de diamètre (2,7 mètres; 110 pouces; 270 centimètres), à simple rotation Hamilton Standard SR-7. Le moteur d'essai, nommé Allison 501-M78, avait une poussée nominale de 9 000 lbf (40 kN). Il a été utilisé pour la première fois en vol le 28 mars 1987. Le vaste programme d'essais, qui a coûté environ 56 millions de dollars, a accumulé 73 vols et plus de 133 heures de vol avant de se terminer le 25 mars 1988. En 1989, cependant, l' avion du banc d'essai est revenu dans les airs du 3 au 14 avril pour mesurer les niveaux de bruit au sol pendant le vol. Le moteur a ensuite été retiré et l'avion a été converti en avion d'entraînement de navette spatiale plus tard dans l'année.

Le GE36 sur un démonstrateur McDonnell Douglas MD-80 au Farnborough Air Show 1988 . Le moteur de ventilateur sans conduit sans engrenage avait un diamètre total de 11,67 pi (3,56 m), avec huit ou dix pales à l'avant (selon la configuration particulière) et huit pales à l'arrière.

Le GE36 Unducted Fan (UDF), du constructeur de moteurs américain General Electric (GE) avec une participation de 35 pour cent du partenaire français Snecma (maintenant Safran ), était une variante du concept original de propfan et ressemblait à un moteur à piston à configuration poussoir . L'UDF de GE avait un nouvel arrangement à entraînement direct, dans lequel le réducteur était remplacé par une turbine libre à sept étages à basse vitesse. Un ensemble de rotors de turbine entraînait l'ensemble d'hélices avant, tandis que l'ensemble arrière était entraîné par l'autre ensemble de rotors qui tournaient dans le sens opposé. La turbine avait 14 rangées de pales avec sept étages. Chaque étape était une paire de rangées contrarotatives. Les avionneurs, qui se méfiaient des boîtes de vitesses sujettes aux problèmes depuis les années 1950, aimaient la version sans engrenage du ventilateur propfan de GE : Boeing avait l'intention d'offrir le moteur UDF à poussoir de GE sur la plate-forme 7J7 (qui aurait eu une vitesse de croisière de Mach 0,83), et McDonnell Douglas prévoyait de faire de même sur son avion de ligne MD-94X . Le GE36 a été testé pour la première fois en vol monté sur la station moteur n°3 d'un Boeing 727-100 le 20 août 1986. L'UDF GE36 pour le 7J7 devait avoir une poussée de 25 000 livres-force (110 kN), mais GE a affirmé qu'en général, son concept UDF pouvait couvrir une plage de poussée de 9 000 à 75 000 lbf (40 à 334 kN), de sorte qu'un moteur UDF pourrait éventuellement égaler ou dépasser la poussée du CF6 , la famille de moteurs à fuselage large de GE à l'époque.

McDonnell Douglas a développé un avion de preuve de concept en modifiant son MD-80 appartenant à l'entreprise , qui est adapté aux ventilateurs propfan en raison de ses moteurs montés sur le fuselage arrière (comme son ancêtre DC-9), en vue de l'éventuel propfan propulsé Dérivés du MD-91 et du MD-92 et un éventuel avion à feuilles propres MD-94X . Ils ont remplacé le turboréacteur JT8D côté gauche par le GE36. Les vols d'essai ont commencé en mai 1987, ce qui a prouvé la navigabilité, les caractéristiques aérodynamiques et la signature sonore de la conception. À la suite des premiers tests, une cabine de première classe a été installée à l'intérieur du fuselage arrière et les dirigeants de la compagnie aérienne ont eu la possibilité de faire l'expérience de l'avion à propulsion UDF. Les vols d'essai et de commercialisation de l'avion de démonstration équipé de GE se sont terminés en 1988, présentant une réduction de 30 % de la consommation de carburant par rapport au MD-80 propulsé par un turboréacteur, une conformité totale au niveau de bruit de l'étape 3 et de faibles niveaux de bruit/vibration à l'intérieur. Le GE36 aurait la même poussée de 25 000 lbf (110 kN) sur le MD-92X, mais le même moteur serait déclassé à 22 000 lbf (98 kN) de poussée pour le plus petit MD-91X. Le MD-80 a également été testé avec succès en vol en avril 1989 avec le propulseur 578-DX , qui était un prototype de la Allison Engine Company (à l'époque une division de General Motors ) qui était également dérivé de l'Allison XT701 et construit avec Hamilton. Hélices standards. Le programme de moteurs a été développé conjointement entre Allison et une autre division de United Technologies, le fabricant de moteurs Pratt & Whitney . Contrairement au GE36 UDF concurrent, le 578-DX était assez conventionnel, avec un réducteur entre la turbine BP et les pales du ventilateur. En raison de la baisse des prix du carburéacteur et de l'évolution des priorités de marketing, Douglas a suspendu le programme propfan plus tard dans l'année.

Le moteur PW-Allison 578-DX installé sur le même banc d'essai MD-80. Le moteur propfan à engrenages contrarotatifs a un diamètre de 11,6 pieds (3,5 m), avec six pales à l'avant et six pales à l'arrière.

Autres applications proposées

D'autres annonces de futurs avions de ligne propulsés par propfan comprenaient :

  • Le Fokker FXX, un avion propulsé par un ventilateur de 100 à 120 places qui a été étudié en 1982
  • Le MPC-75 , un avion régional de 80 places, à vitesse de croisière Mach 0,76, portée de 1 500 nmi (1 700 mi; 2 800 km) conçu par Messerschmitt-Bölkow-Blohm (MBB) d' Allemagne de l'Ouest et la société chinoise Aero Technology Export/Import ( CATIC); utilisé comme groupe motopropulseur de base, deux moteurs General Electric GE38 -B5 UDF à entraînement direct délivrant 9 644 et 2 190 lbf (4 374 et 993 kgf; 42,90 et 9,74 kN) en poussée statique et en croisière avec une consommation de carburant spécifique à la poussée (TSFC) de 0,240 et 0,519 lb/(lbf⋅h) (6,8 et 14,7 g/(kN⋅s)), respectivement, à travers un ventilateur de 85 pouces (2,1 m) de diamètre avec 11 et 9 pales sur les hélices contrarotatives ; proposé comme une centrale électrique autre le 14500 lbf (6.600 kgf; 64 kN) poussée statique, PW-Allison 501-M80E orienté moteur propfan, qui a été dérivé du turbomoteur 501-M80C qui a été choisie pour alimenter les Etats-Unis Marine de Osprey tiltrotor avion; décrit plus tard le moteur propfan comme un avec le noyau du T406 (la désignation militaire pour le groupe motopropulseur de l'Osprey), contenant un propfan de 108 de diamètre (2,7 m) qui fournissait 2 450 lbf (1 110 kgf; 10,9 kN) de poussée en croisière avec un TSFC de 0,51 lb/(lbf⋅h) (14 g/(kN⋅s))
  • L'ATR 92, une vitesse de croisière de 400 nœuds (460 mph; 740 km/h), cinq ou six de front, 100 places avion d' Avions de Transport Régional (ATR, une joint-venture entre la France Aerospatiale et l'Italie Aeritalia ) et l'Espagne Construcciones Aeronáuticas SA (CASA), qui serait éventuellement alimentée par l'UDF
  • L'Aerospatiale AS.100, un avion régional avec une autonomie de 1 500 nmi (1 700 mi; 2 800 km), une vitesse de croisière de Mach 0,74-0,78 à 30 000 pieds (9 100 m) d'altitude et une capacité de 80 à 100 sièges, qui peut être alimenté par l'UDF ou par une version propfan du moteur à rotor basculant Allison T406
  • L' ATRA-90 (Advanced Technology Regional Aircraft), un avion de 83 à 115 places avec une autonomie de 1 500 à 2 100 nmi (1 700 à 2 400 mi; 2 800 à 3 900 km) et une vitesse de croisière de Mach 0,8 à 30 000 pieds (9 100 m) d'altitude, qui devait être construit par une coentreprise multinationale composée d'Industri Pesawat Terbang Nusantara ( IPTN ) d'Indonésie, Boeing (États-Unis), MBB (Allemagne de l'Ouest) et Fokker (Pays-Bas)
  • Le Tupolev Tu-334 , un avion de 126 places pouvant parcourir 1 860 nmi (2 140 mi; 3 450 km) avec une charge utile de 11 430 kg (25 200 lb; 11,43 t; 12,60 tonnes courtes), qui est propulsé par deux Progress (également connu sous le nom de comme Lotarev) D-236 propfans avec une consommation de carburant spécifique de 0,46 kg/kg-poussée/heure, une poussée de croisière de 1,6 tonne-force (3 500 lbf; 16 kN) et une poussée statique de 8 à 9 tf (18 000 à 20 000 lbf ; 78 à 88 kN)
  • L' Ilyushin Il-88 , successeur du transporteur tactique à quatre turbopropulseurs Antonov An-12 qui serait propulsé par deux ventilateurs Progress D-236 de 11 000 ch (8 200 kW)
  • L'Ilyushin Il-118, une mise à niveau de l'avion de ligne à quatre turbopropulseurs Ilyushin Il-18 ; proposé en 1984, l'avion serait plutôt propulsé par deux ventilateurs D-236, l'hélice avant à huit pales sur chaque moteur tournant à une vitesse de 1 100 tr/min et l'hélice arrière à six pales tournant à 1 000 tr/min pour réduire le bruit et les vibrations.
  • Un Antonov An-124 remotorisé, remplaçant les quatre turboréacteurs Progress D-18T par des propulseurs Kuznetsov NK-62 de 55 100 lbf de poussée (245,2 kN)

Déclin

Cependant, aucun de ces projets n'a abouti, principalement en raison du bruit excessif dans la cabine (par rapport aux turboréacteurs) et des bas prix du carburant. Pour General Electric, le GE36 UDF était destiné à remplacer le turboréacteur à double flux CFM56 qu'il a produit avec son partenaire à parts égales Snecma dans leur joint-venture CFM International . Dans les années 1980, le moteur n'était initialement pas compétitif par rapport à l' offre rivale d' International Aero Engines , l' IAE V2500 . En décembre 1986, le président de Snecma a déclaré que le CFM56-5S2 en développement serait le dernier turboréacteur créé pour la famille CFM56, et qu' « il ne sert à rien de dépenser plus d'argent pour les turboréacteurs. L'UDF est l'avenir. Cependant, le V2500 a rencontré des problèmes techniques en 1987 et le CFM56 a connu un essor commercial important. General Electric a perdu tout intérêt à ce que le GE36 cannibalise le CFM56, qui a duré cinq ans avant qu'il ne reçoive sa première commande en 1979, et bien que "l'UDF puisse être rendu fiable par des normes antérieures, les turboréacteurs devenaient bien, bien meilleurs que cela". General Electric a ajouté la technologie de pale de l'UDF directement dans le GE90 , le moteur à réaction le plus puissant jamais produit, pour le Boeing 777 .

années 90

Le moteur propfan Progress D-236 sur l' avion de banc d'essai Yak-42 E-LL au salon du Bourget en 1991.

Au début des années 1990, l' Union soviétique / Russie a effectué des essais en vol sur le Progress D-236 , un moteur à engrenages à propulseur contrarotatif basé sur le noyau du turboréacteur Progress D-36 , avec huit pales sur l'hélice avant et six pales sur l'hélice arrière. L'un des bancs d'essai était un ventilateur à hélice de 10 100 ch (7 500 kW) monté sur un Ilyushin Il-76 et envoyé au salon aéronautique ILA 90 de Hanovre, qui était destiné à un avion à quatre ventilateurs non identifié. Le D-236 a volé 36 fois pour un total de 70 heures d'essais en vol sur l'Il-76. L'autre banc d'essai était une unité de 10 990 ch (8 195 kW), 14 pi (4,2 m; 170 in; 420 cm) montée sur un Yakovlev Yak-42 E-LL et volée au salon du Bourget 1991 , comme démonstration pour le projet Avion Yak-46 avec deux moteurs propfan, qui, dans sa version de base de 150 places, aurait une autonomie de 1 900 nmi (2 200 mi; 3 500 km) et une vitesse de croisière de 460 nœuds (530 mph; 850 km/h; 780 ft /s; 240 m/s) (Mach 0,75). Les Soviétiques ont affirmé que le D-236 avait une véritable efficacité aérodynamique de 28 % et une économie de carburant de 30 % par rapport à un turbopropulseur équivalent . Ils ont également révélé des plans pour des ventilateurs propfans avec des puissances nominales de 14 100 et 30 200 ch (10 500 et 22 500 kW).

Progress D27 Propfans montés sur un Antonov An-70 .

Comme le Progress D-236, le moteur à ventilateur progressif Progress D-27 , plus puissant , est un ventilateur à propane contrarotatif avec huit pales avant et six pales arrière, mais le D-27 a des pales composites avancées avec un rapport épaisseur/corde réduit et une courbure plus prononcée au bord d'attaque . Un moteur qui a été lancé en 1985, le D-27 délivre 14 000 ch (10 440 kW) de puissance avec 27 000 lbf (119 kN) de poussée au décollage. Deux propulseurs D-27 montés à l'arrière ont propulsé l' Antonov An-180 ukrainien , qui devait effectuer un premier vol en 1995 et une entrée en service en 1997. En janvier 1994, Antonov a déployé le premier prototype de l' avion de transport militaire An-70 , propulsé par quatre Progress D-27 attachés à des ailes montées au sommet du fuselage. L' armée de l'air russe a passé une commande de 164 appareils en 2003 , annulée par la suite. En 2013, on pensait encore que l'An-70 avait un avenir prometteur en tant que cargo. Cependant, étant donné que le composant d'hélice du Progress D-27 est fabriqué par la société russe SPE Aerosila , l'An-70 a été bloqué par le conflit politique entre l'Ukraine et la Russie . Au lieu de cela, Antonov a commencé à travailler avec la Turquie en 2018 pour redévelopper l'An-70 en An-77 rebaptisé , afin que l'avion puisse se conformer aux exigences modernes sans la participation d'un fournisseur russe.

Vingt-et-unième siècle

Au cours de la première décennie du 21e siècle, la hausse des prix du carburéacteur a mis davantage l'accent sur l'efficacité des moteurs et de la cellule pour réduire les émissions, ce qui a ravivé l'intérêt pour le concept de ventilateur propane pour les avions de ligne au-delà du Boeing 787 et de l' Airbus A350 XWB. Par exemple, Airbus a breveté des conceptions d'avions avec deux propulseurs contrarotatifs montés à l'arrière. Rolls-Royce avait les conceptions RB.509-11 configurées à l'arrière (pousseur) et à l'avant (tracteur) RB.509-14 à propfan à engrenages, qui produisaient une poussée de 15 000 à 25 000 lbf (6 800 à 11 300 kgf; 67 à 111 kN) en utilisant le générateur de gaz à partir de son moteur XG-40 avec 13 000 ch (9 700 kW) de puissance à l'arbre. Il est devenu tiède sur la technologie propfan dans les années 1980, bien qu'il ait développé une conception à rotor ouvert qui était considérée comme finaliste pour l' avion à fuselage étroit Irkut MS-21 . Le moteur Rolls-Royce RB3011 aurait un diamètre d'environ 170 in (430 cm; 14 ft; 4,3 m) et nécessiterait une boîte de vitesses de 16 000 ch (12 000 kW) .

Maquette à rotor ouvert Safran en 2017.

La Commission européenne a lancé en 2008 une démonstration d'Open Rotor menée par Safran dans le cadre du programme Clean Sky financé à hauteur de 65 millions d'euros sur huit ans. Un démonstrateur a été assemblé en 2015 et testé au sol en mai 2017 sur son banc d'essais à ciel ouvert à Istres , visant à réduire de 30 % la consommation de carburant et les émissions de CO 2 associées par rapport aux turboréacteurs CFM56 actuels . À l'issue des essais au sol fin 2017, le motoréducteur à rotor ouvert de Safran avait atteint le niveau de maturité technologique 5. L'hélice avant à douze pales et l'hélice arrière à dix pales du démonstrateur avaient des diamètres de 13,1 et 12,5 pieds (4,0 et 3,8 m ; 160 et 150 pouces ; 400 et 380 cm), respectivement. Le démonstrateur, basé sur le cœur du moteur de combat militaire Snecma M88 , utilise jusqu'à 12 200 chevaux (9 mégawatts), fournit une poussée d'environ 22 000 lbf (100 kN) et naviguerait à une vitesse de Mach 0,75. Le futur moteur à rotor ouvert de Safran aurait cependant un diamètre maximum de près de 14,8 pieds (4,50 m ; 177 in ; 450 cm).

En 2007, le Progress D-27 a été modifié avec succès pour répondre aux réglementations de l'étape 4 de la Federal Aviation Administration (FAA) des États-Unis , qui correspondent aux normes du chapitre 4 de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI). Une étude commerciale de 2012 prévoyait que le bruit du ventilateur propfan serait de 10 à 13 décibels plus silencieux que celui autorisé par les réglementations de l'étape 4. Les limites de bruit de l'étape 5 réduisent les limites de seulement sept décibels de bruit perçus effectifs ( EPNdB ), dans l'enveloppe de bruit du ventilateur propfan. L'étude a également prévu que les rotors ouverts seraient 9% plus économes en carburant mais resteraient 10 à 12 décibels plus forts que les turboréacteurs. Snecma a affirmé que ses moteurs à double flux auraient à peu près les mêmes niveaux de bruit que son moteur à double flux CFM LEAP .

En 2021, CFM a annoncé son programme de développement Revolutionary Innovation for Sustainable Engines (RISE) visant à produire un ventilateur à engrenages à un étage associé à des stators actifs dans un extracteur/tracteur, une configuration avec des essais en vol devant commencer d'ici 2025. Le rotor était attendu dépasser en diamètre. Le moteur devait produire 20 000 à 35 000 lb. de poussée avec une augmentation de 20 % du rendement énergétique. La société a affirmé que sa motivation était l'accent mondial mis sur la réduction des émissions. Le moteur était prévu pour prendre en charge à la fois l'hydrogène et les carburants d'aviation durables. Le moteur devait inclure un noyau compact à haute pression et un système de récupération pour préchauffer l'air de combustion avec la chaleur d'échappement ainsi que des composites à matrice céramique dans la section chaude et des aubes de ventilateur composites moulées par transfert de résine. En plus du rotor, la conception comprend un ensemble non rotatif d'aubes de stator à pas variable qui agissent comme des aubes de récupération de flux. La conception augmente le rapport de pression du ventilateur et réduit la charge du rotor, augmentant la vitesse de l'air. L'étage du ventilateur doit être alimenté par un surpresseur à grande vitesse et une boîte de vitesses avant entraînée par arbre à grande vitesse et à basse pression. Le moteur devrait être certifié en tant que "moteur intégré" au lieu d'un "moteur/hélice" traditionnel en raison de sa complexité d'intégration de la cellule.

Défis

Conception de la lame

Les turbopropulseurs ont une vitesse optimale inférieure à environ 450 mph (390 kn; 720 km/h), car les hélices perdent de leur efficacité à grande vitesse, en raison d'un effet connu sous le nom de traînée des vagues qui se produit juste en dessous des vitesses supersoniques . Ce puissant frein a un début soudain et a conduit au concept de mur du son lorsqu'il a été rencontré pour la première fois dans les années 1940. Cet effet peut se produire chaque fois que l'hélice tourne suffisamment vite pour que les extrémités des pales approchent de la vitesse du son.

Le moyen le plus efficace de résoudre ce problème consiste à ajouter des pales à l'hélice, ce qui lui permet de fournir plus de puissance à une vitesse de rotation inférieure. C'est pourquoi de nombreux modèles de chasseurs de la Seconde Guerre mondiale ont commencé avec des hélices à deux ou trois pales, mais à la fin de la guerre, ils utilisaient jusqu'à cinq pales ; à mesure que les moteurs étaient améliorés, de nouvelles hélices étaient nécessaires pour convertir plus efficacement cette puissance. L'ajout de pales rend l'hélice plus difficile à équilibrer et à entretenir, et les pales supplémentaires entraînent des pénalités de performances mineures en raison de problèmes de traînée et d'efficacité. Mais même avec ce genre de mesures, la vitesse d'avancement de l'avion combinée à la vitesse de rotation des pointes des pales de l'hélice (ensemble connue sous le nom de vitesse de pointe hélicoïdale) entraînera à nouveau des problèmes de traînée des vagues. Pour la plupart des avions, cela se produira à des vitesses supérieures à environ 450 mph (390 kn; 720 km/h).

Hélice balayée

Une méthode de diminution de la traînée des vagues a été découverte par des chercheurs allemands en 1935 : balayer l'aile vers l'arrière. Aujourd'hui, presque tous les avions conçus pour voler bien au-dessus de 450 mph (390 kn; 720 km/h) utilisent une aile en flèche . Étant donné que l'intérieur de l'hélice se déplace plus lentement dans le sens de rotation que l'extérieur, la pale est progressivement plus balayée vers l'extérieur, conduisant à une forme incurvée semblable à un cimeterre - une pratique qui a été utilisée pour la première fois dès 1909, dans l' hélice bois bipale Chauvière utilisée sur le Blériot XI . (Au pied de pale, la pale est en fait balayée vers l'avant dans le sens de rotation, pour contrer la torsion générée par les pointes de pale balayées vers l'arrière.) Le ventilateur propfan d'essai Hamilton Standard a été balayé progressivement jusqu'à un maximum de 39 degrés au niveau des pointes de pale , permettant au propfan de produire une poussée même si les pales avaient une vitesse de pointe hélicoïdale d'environ Mach 1,15.

Les pales du GE36 UDF et du 578-DX ont une vitesse de pointe maximale en rotation d'environ 750-800 ft/s (230-240 m/s; 510-550 mph; 820-880 km/h), soit environ la moitié la vitesse de pointe maximale des pales d'hélice d'un turboréacteur conventionnel. Cette vitesse maximale en bout de pale serait maintenue constante malgré un diamètre d'hélice plus large ou plus étroit (entraînant une réduction ou une augmentation du régime, respectivement).

La traînée peut également être réduite en amincissant les pales, ce qui augmente la vitesse que les pales peuvent atteindre avant que l'air devant elles ne devienne compressible et ne provoque des ondes de choc. Par exemple, les aubes du ventilateur propfan d'essai Hamilton Standard avaient un rapport épaisseur/corde qui passait de moins de 20 % à la jonction du cône à 2 % aux extrémités et à 4 % à mi-portée. Les pales Propfan avaient environ la moitié du rapport épaisseur/corde des meilleures pales d'hélice conventionnelles de l'époque, amincies à une netteté semblable à un rasoir sur leurs bords et pesaient aussi peu que 20 livres (9,1 kg). (Le moteur GE36 UDF qui a été testé sur le Boeing 727 avait des pales avant et arrière qui pesaient chacune 22,5 et 21,5 lb (10,2 et 9,8 kg).)

Une comparaison du propfan avec d'autres types de moteurs d'avion.

Bruit

L'un des problèmes majeurs avec le propfan est le bruit. La recherche sur le propfan dans les années 1980 a découvert des moyens de réduire le bruit, mais au prix d'un rendement énergétique réduit, atténuant certains des avantages d'un propfan.

Les méthodes générales pour réduire le bruit comprennent l'abaissement des vitesses de pointe et la diminution de la charge de la lame, ou la quantité de poussée par unité de surface de la lame. Concept similaire à la charge alaire , la charge des pales peut être réduite en diminuant la poussée requise ou en augmentant la quantité, la largeur et/ou la longueur des pales. Pour les ventilateurs contrarotatifs, qui peuvent être plus bruyants que les turbopropulseurs ou les ventilateurs à simple rotation, le bruit peut également être réduit en :

  • augmenter l'écart entre les hélices ;
  • maintenir les longueurs des pales de l'hélice arrière plus courtes que celles de l'hélice avant, de sorte que les pales de l'hélice arrière évitent de couper à travers les tourbillons de bout de pale de l'hélice avant ( interaction pale-vortex );
  • utiliser des nombres de pales différents sur les deux hélices, pour éviter le renforcement acoustique ; et
  • tourner l'hélice avant et l'hélice arrière à des vitesses différentes, également pour éviter le renforcement acoustique.

Bruit de la communauté

Les fabricants de moteurs s'attendent à ce que les implémentations des ventilateurs propfan soient conformes aux réglementations en matière de bruit de la communauté (par opposition aux cabines) sans sacrifier l'avantage d'efficacité. Certains pensent que les propfans peuvent potentiellement avoir moins d'impact sur la communauté que les turbofans, étant donné leurs vitesses de rotation plus faibles. Les ventilateurs à engrenages devraient avoir un avantage sur les ventilateurs à engrenages pour la même raison.

En 2007, le Progress D-27 a été modifié avec succès pour répondre aux réglementations de l'étape 4 de la Federal Aviation Administration (FAA) des États-Unis , qui correspondent aux normes du chapitre 4 de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI) et ont été adoptées en 2006. Une étude commerciale de 2012 a été projetée. que le bruit provenant de la technologie à rotor ouvert existante serait de 10 à 13 décibels plus silencieux que le niveau de bruit maximal autorisé par les réglementations de l'étape 4 ; les nouvelles limites de bruit de l'étape 5 (qui ont remplacé les réglementations de l'étape 4 pour les avions plus gros en 2018 et reflétaient la norme de bruit du chapitre 14 de l'OACI établie en 2014) sont plus restrictives que l'exigence de l'étape 4 de seulement sept décibels de bruit perçu ( EPNdB ). La technologie propfan actuelle ne devrait pas être entravée par les normes Stage 5. L'étude prévoyait également qu'aux niveaux technologiques existants, les rotors ouverts seraient 9% plus économes en carburant, mais resteraient 10 à 12 décibels plus forts que les turboréacteurs. Snecma soutient toutefois que les tests à rotor ouvert montrent que ses moteurs à double flux auraient à peu près les mêmes niveaux de bruit que son moteur à double flux CFM LEAP , entré en service en 2016.

Des réductions supplémentaires peuvent être obtenues en redessinant la structure de l'avion pour protéger le bruit du sol. Par exemple, une autre étude a estimé que si des moteurs propfan étaient utilisés pour propulser un avion à voilure hybride au lieu d'un avion classique à tubes et ailes, les niveaux de bruit pourraient être réduits jusqu'à 38 EPNdB par rapport aux exigences du chapitre 4 de l'OACI. En 2007, la compagnie aérienne britannique à bas prix easyJet a présenté son concept ecoJet, un avion de 150 à 250 sièges avec des moteurs à rotor ouvert montés en V reliés à l'arrière du fuselage et protégés par une queue en U. Il a engagé sans succès des discussions avec Airbus, Boeing et Rolls-Royce pour produire l'avion.

Taille

Un avion bimoteur transportant 100 à 150 passagers nécessiterait des diamètres de ventilateur de 120 à 168 pouces (300 à 430 cm ; 10,0 à 14,0 pieds ; 3,0 à 4,3 m) et un ventilateur à propane avec un diamètre d'hélice de 236 pouces (600 cm ; 19,7 pi; 6,0 m) produirait théoriquement près de 60 000 lbf (270 kN) de poussée. Ces tailles permettent d'atteindre les taux de dilution élevés souhaités de plus de 30, mais elles représentent environ le double du diamètre des moteurs à double flux de capacité équivalente. Pour cette raison, les avionneurs conçoivent généralement l' empennage avec une configuration d' empennage en T à des fins aérodynamiques , et les ventilateurs propfans peuvent être fixés à la partie supérieure du fuselage arrière . Pour le prototype Rolls-Royce RB3011 propfan, un pylône d'environ 8,3 pieds (2,54 m; 100 in; 254 cm) de long serait nécessaire pour connecter le centre de chaque moteur au côté du fuselage. Si les ventilateurs propfans sont montés sur les ailes, les ailes seraient attachées à l'avion dans une configuration d'aile haute , ce qui permet une garde au sol sans nécessiter un train d'atterrissage trop long . Pour la même quantité de puissance ou de poussée produite, un ventilateur sans conduit nécessite des pales plus courtes qu'un ventilateur à engrenages, bien que les problèmes généraux d'installation s'appliquent toujours.

Puissance de sortie

Les turbopropulseurs et la plupart des propulseurs sont évalués en fonction de la puissance à l' arbre (shp) qu'ils produisent, par opposition aux turbopropulseurs et au type UDF propfan, qui sont évalués en fonction de la poussée qu'ils produisent . La règle empirique est qu'au niveau de la mer avec un moteur statique, 1 cheval-vapeur (750 watts) équivaut à peu près à une poussée de 2 livres-force (8,9 N), mais à l'altitude de croisière, cela passe à environ 1 livre-force (4,4 N) poussée. Cela signifie que deux moteurs de 25 000 lbf de poussée (110 kN) peuvent théoriquement être remplacés par une paire de ventilateurs propfans de 12 000 à 13 000 ch (8 900 à 9 700 kW) ou par deux ventilateurs propfans UDF de 25 000 lbf (110 kN).

Avion avec propfans

Voir également

Moteurs comparables

Listes associées

Les références

Ressources générales

  • Concepts de propulsion de ventilateur d'hélice : examen de la technologie, méthodologie de conception, conceptions de pointe et perspectives d'avenir. Raymond Scott Ciszek. Département de génie mécanique et aérospatial de l'Université de Virginie. Projet de thèse senior. 25 mars 2002

Bibliographie

Liens externes