EP4381175A1 - Turbomachine comportant un cone de sortie integrant des composants refroidis par circulation d'un flux de refroidissement - Google Patents

Turbomachine comportant un cone de sortie integrant des composants refroidis par circulation d'un flux de refroidissement

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EP4381175A1
EP4381175A1 EP22754132.3A EP22754132A EP4381175A1 EP 4381175 A1 EP4381175 A1 EP 4381175A1 EP 22754132 A EP22754132 A EP 22754132A EP 4381175 A1 EP4381175 A1 EP 4381175A1
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EP
European Patent Office
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flow
cone
cooling flow
component
cooling
Prior art date
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Pending
Application number
EP22754132.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Adrien Pierre Jean PERTAT
Paco Maurer
Nicolas STOLIAROFF-PEPIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • Turbomachine comprising an outlet cone integrating components cooled by circulation of a cooling flow
  • the invention relates to an arrangement of a dual-flow turbomachine comprising downstream of it an outlet cone containing components whose cooling is optimized, this turbomachine possibly being of the turbojet, turbofan, turboprop, open rotor or similar type.
  • air is admitted into an inlet duct to pass through a fan comprising a series of rotating blades before splitting into a central primary flow and a secondary flow surrounding the primary flow.
  • the primary stream is then compressed in compression stages before reaching a combustion chamber, after which it is expanded through high pressure and low pressure turbines before being exhausted to the rear.
  • the secondary flow is itself propelled directly aft by the fan in a vein delimited externally by a fairing of the engine.
  • Such an engine comprises a low pressure body by which the fan is coupled to the low pressure turbine, and a high pressure body by which the high pressure compressor is coupled to the high pressure turbine, these two bodies being coaxial and independent in rotation.
  • this engine Downstream of the low pressure turbine, this engine is fitted with an outlet cone to limit the appearance of turbulence in the ejected flow. Due to the high temperature of the primary flow circulating around this cone, the temperature inside the cone is high, which limits the possibility of integrating components in this cone, so that it constitutes an unused space of important sizes.
  • the object of the invention is to provide a solution for effectively cooling components integrated in the internal space of the outlet cone of such an engine.
  • the subject of the invention is a dual-flow turbomachine comprising an exhaust casing through which a hot primary flow passes and surrounded by a cold secondary flow, and a cone carried by this exhaust casing, this exhaust comprising a hollow radial arm passing through the primary flow to route a cooling flow to cool components located in this cone, this cone comprising an outer wall and an inner wall which runs along the outer wall while being radially spaced from the latter to delimit a thermal insulation space traversed from upstream to downstream by the cooling flow before its evacuation by an outlet opening terminating the cone, characterized in that it comprises a cover surrounding at least one component for channeling the cooling flow in order that it runs along this component externally to cool it before crossing the thermal insulation space to be evacuated.
  • the air circulates as close as possible to the components to maximize heat exchanges so as to ensure much more effective cooling than by simply ventilating the entire internal space of the cone. It is thus possible to install an electrical machine such as a current generator or a motor in the output cone.
  • the invention also relates to a turbomachine thus defined, in which the cooling flow conveyed in the hollow radial arm is part of the secondary flow.
  • the invention also relates to a turbomachine thus defined, in which at least one component cooled by the cooling flow is an electrical machine such as a current generator or a motor.
  • the invention also relates to a turbomachine thus defined, in which the cooling flow passes through an internal region of at least one component before being channeled through the cowl to run along this component.
  • turbomachine thus defined, comprising a substantially cylindrical anti-heat radiation plate interposed radially between the cowl and the cone.
  • the invention also relates to a turbomachine thus defined, in which the anti-thermal radiation sheet delimits a baffle for the flow of the cooling flow.
  • the invention also relates to a turbomachine thus defined, in which the cowl and/or one of the walls of the cone is composed of and/or covered with a thermally insulating material.
  • the invention also relates to a turbomachine thus defined, comprising several components cooled by the cooling flow, and in which the component having the lowest maximum admissible temperature is placed upstream of the other components with respect to the path of the cooling flow. in the cone.
  • turbomachine thus defined, comprising means such as a fan or a pump for forcing the circulation of the cooling flow when the turbomachine is stopped.
  • the invention also relates to a turbomachine thus defined, comprising means of the butterfly valve type for regulating the flow rate of the cooling flow circulating in the cone.
  • Figure 1 is a schematic representation of a turbofan engine shown in a longitudinal section view
  • Figure 2 is a schematic longitudinal sectional view of a rear part of a turbojet engine according to the invention
  • Figure 3 is a schematic longitudinal sectional view of a rear part of a turbojet engine according to a first variant of the invention
  • Figure 4 is a schematic longitudinal sectional view of a rear part of a turbojet engine according to a second variant of the invention.
  • Figure 5 is a graph representative of the thermal evolution of the cooling flow throughout its journey.
  • the air is admitted into an upstream part AM at the level of an inlet sleeve 2 to pass through a fan 3 comprising a series of rotating blades before splitting into a central primary flow and a secondary stream surrounding the primary stream.
  • a fan 3 comprising a series of rotating blades before splitting into a central primary flow and a secondary stream surrounding the primary stream.
  • the primary flow is then compressed in low pressure 4 and high pressure 6 compressors before arriving in a combustion chamber 7, after which it is expanded through a high pressure turbine 8 and a low pressure turbine 9 before being evacuated. rearward.
  • the secondary flow is itself propelled directly rearward by the fan in a vein delimited externally by a hull 11.
  • twin-spool type engine comprises a so-called low-pressure body via which the fan 3 is coupled to the low-pressure turbine 9, and a so-called high-pressure body via which the high-pressure compressor 6 is coupled to the high-pressure turbine 8, these two bodies being coaxial and independent in rotation.
  • casings 12 which follow one another along the motor.
  • casings 12 comprise internal shrouds surrounded by outer shrouds and connected to each other by radial arms, the primary flow circulating in an annular space extending between these inner and outer shrouds.
  • This set of casings 12 is itself surrounded by the fairing 11 of the engine while also being intended to be connected to an aircraft structure via usual fittings.
  • the casing located downstream of the low pressure turbine, called exhaust casing 13, carries downstream of its central region an outlet cone 14 intended to limit the formation of turbulence in the hot primary flow ejected by the turbine. low pressure 9, and circulating around this cone 14.
  • this exhaust casing 13 more particularly comprises an outer shroud 16 surrounding an inner shroud 17 connected to each other by radial arms marked 18, these shrouds jointly delimiting an annular space EA crossed by the hot primary flow FP.
  • the inner shroud 17 delimits a generally cylindrical central space EC which is closed at least partially on the upstream side by an upstream wall 19, and on the downstream side by the outlet cone 14 which extends in the downstream extension of this inner shroud 17.
  • the outlet cone 14 comprises a conical outer wall 21 which extends the inner shroud 17, and an inner wall 22 which is also conical and runs along the inner face of the wall 21 while being radially at a distance from the latter in order to delimit with it a space of thermal insulation El of the cone 14.
  • This space El has a conical shape of revolution because these two walls 21 and 22 have generally conical shapes, their upstream circular edges jointly delimiting an inlet opening 23 in this space El, and these walls are open at their downstream ends. to jointly delimit an outlet opening 24 of this space El.
  • the radial arm 18 crossing the primary vein in which the primary flow FP circulates is hollow, to convey air for example from the cold secondary flow FS circulating in the secondary vein in the direction of space central EC. It may be air taken from the secondary flow FS by means of a scoop or air coming from another source and conveyed to the radial arm 18 by means of one or more supply tubes.
  • This air constitutes a cooling flow denoted Ff, and it is collected for example with a scoop, not shown, extending the arm 18 into the secondary flow.
  • the cooling flow Ff is intended to cool components 26 and T1 located in the central space EC which are for example electrical machines such as motors for rotating the central shaft of the turbomachine, being located around that here or at its downstream end.
  • the cooling flow Ff which circulates in a centripetal direction in the arm 18 runs along the upstream wall 19 after having passed the radially inner end of this arm 18, before being deflected by a deflector 28 in order to circulate longitudinally around components 26 and T1, from upstream AM to downstream AV.
  • This deflector 28 is for example a cylindrical sheet coaxial with the axis AX whose upstream edge is fixed to the downstream face of the wall 19.
  • This cover 29 here comprises a body 31 of cylindrical sheet metal coaxial with the axis AX and surrounding the components 26 and T1, the upstream edge of which is secured to the inner shroud 17, for example by a sheet 32 in the form of a crown of normal orientation. to the axis AX, and the downstream edge of which is extended by a bottom 33 located downstream of the component T1, this bottom being here also a plate in the form of a ring of orientation normal to the axis AX and extending radially inward of the body 31.
  • the flow Ff is deflected radially by the bottom 33 to cool a downstream face of the component T1, by circulating in a centripetal direction.
  • the flow Ff reaches a central opening of the bottom 33, it is channeled by a guide 34 to circulate in a centrifugal direction along the downstream face of the bottom 33.
  • the guide 34 surrounds the cover 29 having a form of the same type as this cover 29, that is to say comprising a guide body 36, having its upstream edge connected to the upstream edge of the internal wall 22 by a sheet 37 in the shape of a crown, this body 36 having its downstream edge extended by a bottom 38 in the form of a disc oriented normal to the axis AX and located downstream of the bottom 33.
  • the cover 29 and the guide 34 jointly delimit a space of revolution making it possible to collect the flow Ff at the outlet of the cover 29 to channel it into the inlet opening 23 of the space El so that it circulates there before being evacuated by exit 24.
  • the walls 21 and 22 delimiting the space El form a double skin of the cone 14 allowing, thanks to the circulation of the flow Ff, to constitute a thermal barrier limiting the heating of the interior of the cone 14 by the hot primary flow FP flowing around this one.
  • This thermal barrier can be further improved by covering one wall of the cone with paint that insulates against thermal radiation or by adding an additional wall or sheet of the anti-thermal radiation type. It can also be improved by using a thermal insulator on the wall 21 and/or 22 of the cone, to limit heat transfer by conduction.
  • the basic idea of the invention is to channel the cooling air in the cone 14, and to limit the heating of the wall of this cone, so as to maximize the cooling of the components contained in this cone.
  • the cooling thus obtained is sufficiently effective to cool a thermal machine which generates heat, such as a current generator or an electric motor, which can therefore be placed in the space delimited by the outlet cone.
  • FIG. 2 The example of the path of the flux Ff given in FIG. 2 is one possibility among several, given that FIGS. 3 and 4 give two other examples of paths of the cold flux also making it possible to optimize this cooling. These pathways can also be optimized or modified to add meanders or baffles so as to optimize heat exchange in the appropriate areas.
  • the cooling flow which is denoted Ff '
  • Ff ' the cooling flow
  • the arm 18 instead of being deflected by a deflector, it circulates in a centripetal direction along the wall 19, until reaching a region close to the axis AX, so as to then circulate longitudinally from upstream to downstream in the component 26 to cool the interior.
  • this flow Ff' is deflected by a cover 29' surrounding this component 26.
  • a single component with an internal cooling passage is considered rather than two separate components as in the case of Figure 2.
  • a first component could be provided with an internal cooling passage, being close to a second component arranged so that the air flows around the latter after having passed through the first component.
  • This cover 29′ comprises a cylindrical body 31′ extended downstream by a bottom 33′ oriented normal to the axis AX and consisting of a disc-shaped sheet metal.
  • This body 31' is extended upstream by a ring-shaped plate 37', and by which it is connected to an upstream edge of the internal wall 22.
  • another plate 32' in the form of an orientation crown substantially normal to the axis AX connects the shroud 17 to an outer face of the component 26 while being located upstream of the plate 37'.
  • flow Ff' is first deflected to circulate radially in a centrifugal direction between a downstream face of component 26, before being deflected by body 31' to circulate around the component 26 by flowing from downstream AV to upstream AM, so as to cool the outside of this component 26.
  • the flow Ff' is deflected by the plates 32' and 37' between which it passes by circulating radially in a centrifugal direction, to be channeled into the inlet opening 23 of the space El in order to circulate there from upstream to downstream before being evacuated by exit 24.
  • this other path of the flux Ff' makes it possible to ensure cooling of an internal region of the component 26, that is to say as close as possible to the region in which the heat is generated in this component.
  • an additional protective sheet 39 is interposed between the outlet of the cover and the entry into the space El of the cooling flow, marked with Ff" in this figure. 4, being located radially between the body 31" and the cone 14.
  • the cover identified by 29”, also comprises a cylindrical body 31” closed downstream by a bottom 33” in the form of a disc normal to the axis AX.
  • the cover 29 is carried by a ring-shaped sheet 37” connecting a central region (along the axis AX) of the body 31” to a region of the internal wall 22 located downstream of the upstream edge of this wall. 22.
  • another sheet 32” in the form of a ring of orientation substantially normal to the axis AX connects the ferrule 17 to an external face of the component 26 while being located upstream of the sheet 37”.
  • This other sheet 32” carries the cylindrical protective sheet 39 coaxial with the axis AX, extending between the wall 22 and the body 31” having its upstream edge rigidly attached to the downstream face of the sheet 32”.
  • This protective plate 39 provides protection against the thermal radiation of the primary flow FP flowing immediately downstream of the arms 18, that is to say in the region where it is the hottest, and thereby radiates the most strongly.
  • this sheet is an anti-thermal radiation sheet, such as a sheet covered with a thermally insulating coating in the form of a thermal paint to limit the radiative exchange.
  • this protective plate 39 delimits by its presence an additional baffle in the path of the flow Ff", which ensures that it is also strongly cooled by this flow Ff", to increase its power thermal protection.
  • the flow Ff is admitted into the inlet opening 23 of the space El to travel through it from upstream to downstream before being evacuated at its exit. 24.
  • the protective plate 39 makes it possible to reduce the heat exchanges to maintain the component 26 at the lowest temperature, but it is also possible to do this to thermally protect the arm 18, and the walls 21 and 22 of the cone.
  • These additional thermal protections can be in the form of thermally insulating materials, having a low thermal conductivity, incorporated within the parts themselves or applied to their surface. It could be for example materials based on silica fiber, affixed to the arm and to the walls of the cone, and possibly to other elements of the internal environment of the cone.
  • the circulation of the cooling flow is arranged according to a labyrinth path, by the elements which are the cover, the guide and other sheet metal elements, to optimize the cooling of the components contained in the cone.
  • the elements which are the cover, the guide and other sheet metal elements, to optimize the cooling of the components contained in the cone.
  • the flow leaves the radial arm through which it is conveyed, it is channeled to go directly along the components to be cooled, when it is still the coldest, so as to maximize the cooling of these components.
  • the heat exchanges are hierarchical.
  • the flow Ff when the flow Ff leaves the arm 18, it is at a relatively low temperature T18 close to that of the secondary flow FS, and which is lower than the maximum admissible temperature Tmax26 of the first component 26 to be cooled.
  • Tmax26 the maximum admissible temperature of the first component 26 to be cooled.
  • the flow Ff heats up while cooling it, until it reaches a temperature close to Tmax26, before reaching the next component T1 whose maximum admissible temperature is denoted Tmax27.
  • the temperature of the flow Ff has increased to be at a value relatively close to Tmax27, before being admitted into the space El of the cone 14 which is at a significantly higher temperature noted T14 , so that this flow Ff has been reheated, but it is still at a sufficiently low temperature to cool the cone 14 before being evacuated from it through the outlet opening 24.
  • the path of the cooling flow is optimized to first cool the elements to be maintained at the lowest temperature before cooling the elements having a higher temperature, so that this flow Ff heats up throughout its duration. path, while ensuring optimal cooling of the various elements it passes through.
  • This cooling can be improved by providing that the thermal barriers formed by the cover and/or by one of the walls of the cone are elements composed of or covered with an insulating material.
  • the cooling can be further maximized by forcing the circulation of the cooling flow, for example by means of a fan or a pump, in particular to ensure cooling of the components located in the cone 14 for a predetermined time interval after stopping the motor, and to compensate for pressure drops during normal operation.
  • the circulation of the cooling flow can also be regulated, passively or actively, by means of a valve making it possible to control the flow of air of the cooling flow. It may be a valve of the butterfly type actuated by a control unit, in order to increase the flow rate when greater cooling is required, for example during the take-off phase of the aircraft.
  • cooling flow comprises a single branch.
  • this cooling flow can be branched into several distinct branches which can themselves have their flow rate regulated in isolation by as many valves or diaphragms as there are distinct branches so as to ensure cooling just as needed for each region corresponding to a branch. .
  • this cooling can be accompanied by a second cooling, which is internal cooling to the equipment, provided for example by a heat transfer fluid.

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Abstract

L'invention concerne une turbomachine à double flux comportant un carter d'échappement (13) traversé par un flux primaire chaud (FP) et entouré par un flux secondaire froid (FS), et un cône (14) porté par ce carter d'échappement (13), ce carter d'échappement (13) comportant au moins un bras radial creux (18) traversant le flux primaire (FP) pour acheminer de l'air dans le cône (14) afin de former un flux de refroidissement (Ff') de composants (26) situés dans ce cône (14), ce cône (14) comportant une paroi externe (21) et une paroi interne (22) qui longe la paroi externe (21) en étant radialement espacée de celle-ci pour délimiter un espace d'isolation thermique (El) traversé d'amont en aval par le flux de refroidissement avant son évacuation par une ouverture de sortie (24) terminant le cône (14). Elle comporte un capot interne (29') entourant au moins un composant (26) pour canaliser le flux de refroidissement (Ff') afin qu'il longe ce composant pour le refroidir avant de traverser l'espace d'isolation thermique (El) pour y être évacué.

Description

Description
Titre : Turbomachine comportant un cône de sortie intégrant des composants refroidis par circulation d'un flux de refroidissement
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne un agencement d'une turbomachine double flux comportant à son aval un cône de sortie renfermant des composants dont le refroidissement est optimisé, cette turbomachine pouvant être de type turboréacteur, turbofan, turbopropulseur, open rotor, ou analogue.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Dans un turboréacteur, l'air est admis dans une manche d'entrée pour traverser une soufflante comportant une série de pales rotatives avant de se scinder en un flux primaire central et un flux secondaire entourant le flux primaire.
Le flux primaire est ensuite compressé dans des étages de compression avant d'atteindre une chambre de combustion, après quoi il est détendu à travers des turbines haute pression et basse pression avant d'être évacué vers l'arrière. Le flux secondaire est quant à lui propulsé directement vers l'arrière par la soufflante dans une veine délimitée extérieurement par une carène du moteur.
Un tel moteur comporte un corps basse pression par lequel la soufflante est couplée à la turbine basse pression, et un corps haute pression par lequel le compresseur haute pression est couplé à la turbine haute pression, ces deux corps étant coaxiaux et indépendants en rotation.
En aval de la turbine basse pression, ce moteur est équipé d'un cône de sortie pour limiter l'apparition de turbulences dans le flux éjecté. Du fait de la température élevée du flux primaire circulant autour de ce cône, la température à l'intérieur du cône est élevée, ce qui limite la possibilité d'intégrer des composants dans ce cône, si bien qu'il constitue un espace inutilisé de dimensions importantes. Le but de l'invention est d'apporter une solution pour refroidir efficacement des composants intégrés dans l'espace interne du cône de sortie d'un tel moteur.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention a pour objet une turbomachine à double flux comportant un carter d'échappement traversé par un flux primaire chaud et entouré par un flux secondaire froid, et un cône porté par ce carter d'échappement, ce carter d'échappement comportant un bras radial creux traversant le flux primaire pour acheminer un flux de refroidissement pour refroidir des composants situés dans ce cône, ce cône comportant une paroi externe et une paroi interne qui longe la paroi externe en étant radialement espacée de celle-ci pour délimiter un espace d'isolation thermique traversé d'amont en aval par le flux de refroidissement avant son évacuation par une ouverture de sortie terminant le cône, caractérisé en ce qu'il comporte un capot entourant au moins un composant pour canaliser le flux de refroidissement afin qu'il longe extérieurement ce composant pour le refroidir avant de traverser l'espace d'isolation thermique pour être évacué.
Avec cet agencement, l'air circule au plus près des composants pour maximiser les échanges thermiques de façon à assurer un refroidissement bien plus efficace qu'en se bornant à ventiler l'ensemble de l'espace interne du cône. Il est ainsi possible d'installer une machine électrique telle qu'un générateur de courant ou un moteur dans le cône de sortie.
L'invention a également pour objet une turbomachine ainsi définie, dans laquelle le flux de refroidissement acheminé dans le bras radial creux est une partie du flux secondaire.
L'invention a également pour objet une turbomachine ainsi définie, dans laquelle au moins un composant refroidi par le flux de refroidissement est une machine électrique telle qu'un générateur de courant ou un moteur. L'invention a également pour objet une turbomachine ainsi définie, dans laquelle le flux de refroidissement traverse une région interne d'au moins un composant avant d'être canalisé par le capot pour longer ce composant.
L'invention a également pour objet une turbomachine ainsi définie, comprenant une tôle anti rayonnement thermique sensiblement cylindrique interposée radialement entre le capot et le cône.
L'invention a également pour objet une turbomachine ainsi définie, dans lequel la tôle anti rayonnement thermique délimite une chicane pour l'écoulement du flux de refroidissement.
L'invention a également pour objet une turbomachine ainsi définie, dans laquelle le capot et/ou l'une des parois du cône est composée et/ou couverte d'un matériau thermiquement isolant.
L'invention a également pour objet une turbomachine ainsi définie, comprenant plusieurs composants refroidis par le flux de refroidissement, et dans lequel le composant présentant la température maximale admissible la plus basse est placé en amont des autres composants par rapport au cheminement du flux de refroidissement dans le cône.
L'invention a également pour objet une turbomachine ainsi définie, comprenant des moyens tels que ventilateur ou pompe pour forcer la circulation du flux de refroidissement lorsque la turbomachine est à l'arrêt.
L'invention a également pour objet une turbomachine ainsi définie, comprenant des moyens de type vanne papillon pour réguler le débit du flux de refroidissement circulant dans le cône.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La Figure 1 est une représentation schématique d'un turboréacteur à double flux représenté selon une vue en coupe longitudinale ;
La Figure 2 est une vue en coupe longitudinale schématique d'une partie arrière de turboréacteur selon l'invention ; La Figure 3 est une vue en coupe longitudinale schématique d'une partie arrière de turboréacteur selon une première variante de l'invention ;
La Figure 4 est une vue en coupe longitudinale schématique d'une partie arrière de turboréacteur selon une deuxième variante de l'invention ;
La Figure 5 est un graphe représentatif de l'évolution thermique du flux de refroidissement tout au long de son cheminement.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Dans le turboréacteur 1 représenté sur la figure 1, l'air est admis dans un partie amont AM au niveau d'une manche d'entrée 2 pour traverser une soufflante 3 comportant une série de pales rotatives avant de se scinder en un flux primaire central et un flux secondaire entourant le flux primaire. Ces deux flux circulent dans le moteur selon sa direction longitudinale AX, depuis l'amont AM vers l'aval AV de ce moteur.
Le flux primaire est ensuite compressé dans des compresseurs basse pression 4 et haute pression 6 avant d'arriver dans une chambre de combustion 7 , après quoi il est détendu à travers une turbine haute pression 8 et une turbine basse pression 9 avant d'être évacué vers l'arrière. Le flux secondaire est quant à lui propulsé directement vers l'arrière par la soufflante dans une veine délimitée extérieurement par une carène 11.
Un tel moteur de type double-corps comporte un corps dit basse pression par lequel la soufflante 3 est couplée à la turbine basse pression 9, et un corps dit haute pression par lequel le compresseur haute pression 6 est couplé à la turbine haute pression 8, ces deux corps étant coaxiaux et indépendants en rotation.
Ces corps sont entourés par un ensemble de carters 12 se succédant le long du moteur. Ces carters 12 comportent des viroles internes entourées par des viroles externes et reliées les unes aux autres par des bras radiaux, le flux primaire circulant dans un espace annulaire s'étendant entre ces viroles internes et externes. Cet ensemble de carters 12 est lui-même entouré par la carène 11 du moteur tout en étant par ailleurs destiné à être relié à une structure d'avion via des aménagements usuels. Le carter situé à l'aval de la turbine basse pression, appelé carter d'échappement 13, porte à l'aval de sa région centrale un cône de sortie 14 destiné à limiter la formation de turbulences dans le flux primaire chaud éjecté par la turbine basse pression 9, et circulant autour de ce cône 14.
Comme visible plus clairement sur la figure 2, ce carter d'échappement 13 comporte plus particulièrement une virole externe 16 entourant une virole interne 17 reliées l'une à l'autre par des bras radiaux repérés par 18, ces viroles délimitant conjointement un espace annulaire EA traversé par le flux primaire chaud FP.
La virole interne 17 délimite un espace central EC généralement cylindrique qui est obturé au moins partiellement du côté amont par une paroi amont 19, et du côté aval par le cône de sortie 14 qui s'étend dans le prolongement aval de cette virole interne 17.
Le cône de sortie 14 comporte une paroi externe 21 conique qui prolonge la virole interne 17, et une paroi interne 22 également conique et longeant la face interne de la paroi 21 en étant radialement à distance de celle-ci pour délimiter avec elle un espace d'isolation thermique El du cône 14.
Cet espace El a une forme de révolution conique du fait que ces deux parois 21 et 22 ont des formes généralement coniques, leurs bords circulaires amonts délimitant conjointement une ouverture d'admission 23 dans cet espace El, et ces parois sont ouvertes à leurs extrémités aval pour délimiter conjointement une ouverture de sortie 24 de cet espace El.
Comme visible sur la figure 2 le bras radial 18 traversant la veine primaire dans laquelle circule le flux primaire FP, est creux, pour acheminer de l'air par exemple depuis le flux secondaire froid FS circulant dans la veine secondaire en direction de l'espace central EC. Il peut s'agir d'air prélevé dans le flux secondaire FS au moyen d'une écope ou d'air provenant d'une autre source et acheminé vers le bras radial 18 au moyen d'un ou plusieurs tubes d'alimentation. Cet air constitue un flux de refroidissement noté Ff, et il est collecté par exemple avec une écope non représentée prolongeant le bras 18 dans le flux secondaire. Le flux de refroidissement Ff est destiné à refroidir des composants 26 et Tl situés dans l'espace central EC qui sont par exemple des machines électriques telles que des moteurs pour entraîner en rotation l'arbre central de la turbomachine, en étant situés autour de celle-ci ou à son extrémité aval.
Plus particulièrement, le flux de refroidissement Ff qui circule selon une direction centripète dans le bras 18 longe la paroi amont 19 après avoir passé l'extrémité radialement interne de ce bras 18, avant d'être dévié par un déflecteur 28 afin de circuler longitudinalement autour des composants 26 et Tl , de l'amont AM vers l'aval AV. Ce déflecteur 28 est par exemple une tôle cylindrique coaxiale à l'axe AX dont le bord amont est fixé à la face aval de la paroi 19.
Lorsque le flux de refroidissement Ff circule autour des composants 26 et Tl il est canalisé par un capot 29 qui s'étend autour des composants 26 et Tl afin de longer extérieurement ces composants pour les refroidir.
Ce capot 29 comporte ici un corps 31 en tôle cylindrique coaxial à l'axe AX et entourant les composants 26 et Tl , dont le bord amont est solidarisé à la virole interne 17 par exemple par une tôle 32 en forme de couronne d'orientation normale à l'axe AX, et dont le bord aval est prolongé par un fond 33 situé à l'aval du composant Tl , ce fond étant ici aussi une tôle en forme de couronne d'orientation normale à l'axe AX et s'étendant radialement vers l'intérieur du corps 31.
Après avoir longé les composants 26 et Tl le long du corps 31 du capot, le flux Ff est dévié radialement par le fond 33 pour refroidir une face aval du composant Tl , en circulant selon une direction centripète. Lorsque le flux Ff atteint une ouverture centrale du fond 33, il est canalisé par un guide 34 pour circuler selon une direction centrifuge le long de la face aval du fond 33.
Le guide 34 entoure le capot 29 en ayant une forme du même type que ce capot 29, c'est-à-dire comportant un corps de guide 36, ayant son bord amont raccordé au bord amont de la paroi interne 22 par une tôle 37 en forme de couronne, ce corps 36 ayant son bord aval prolongé par un fond 38 en forme de disque d'orientation normale à l'axe AX et situé en aval du fond 33. Comme visible sur la figure 2, le capot 29 et le guide 34 délimitent conjointement un espace de révolution permettant de collecter le flux Ff en sortie du capot 29 pour le canaliser dans l'ouverture d'admission 23 de l'espace El afin qu'il y circule avant d'être évacué par la sortie 24.
Les parois 21 et 22 délimitant l'espace El forment une double peau du cône 14 permettant, grâce à la circulation du flux Ff, de constituer une barrière thermique limitant réchauffement de l'intérieur du cône 14 par le flux primaire FP chaud s'écoulant autour de celui-ci.
Cette barrière thermique peut encore être améliorée en couvrant une paroi du cône de peinture isolant du rayonnement thermique ou bien en ajoutant une paroi ou tôle additionnelle de type anti-rayonnement thermique. Elle peut aussi être améliorée en utilisant un isolant thermique sur la paroi 21 et/ou 22 du cône, pour limiter le transfert thermique par conduction.
D'une manière générale, l'idée à la base de l'invention est de canaliser l'air de refroidissement dans le cône 14, et de limiter le réchauffement de la paroi de ce cône, de manière à maximiser le refroidissement des composants contenus dans ce cône. Le refroidissement ainsi obtenu est suffisamment efficace pour refroidir une machine thermique qui génère de la chaleur, telle qu'un générateur de courant ou un moteur électrique, qui peuvent de ce fait être placés dans l'espace que délimite le cône de sortie.
L'exemple du cheminement du flux Ff donné sur la figure 2 est une possibilité parmi plusieurs, attendu que les figures 3 et 4 donnent deux autres exemples de cheminements du flux froid permettant aussi d'optimiser ce refroidissement. Ces cheminements peuvent encore être optimisés ou modifiés pour ajouter des méandres ou des chicanes de façon à optimiser l'échange thermique dans les zones adéquates.
Dans l'exemple de la figure 3, le flux de refroidissement, qui est noté Ff', est également admis par le bras 18, mais au lieu d'être dévié par un déflecteur, il circule selon une direction centripète le long de la paroi 19, jusqu'à atteindre une région proche de l'axe AX, de manière à circuler ensuite longitudinalement d'amont en aval dans le composant 26 pour en refroidir l'intérieur. Après avoir traversé longitudinalement la région interne du composant 26, ce flux Ff' est dévié par un capot 29' entourant ce composant 26. Dans l'exemple de la figure 3, il est considéré un seul composant à passage intérieur de refroidissement plutôt que deux composants distincts comme dans le cas de la figure 2. Un premier composant pourrait être pourvu d'un passage intérieur de refroidissement, en étant à proximité d'un deuxième composant agencé pour que l'air s'écoule autour de celui-ci après avoir traversé le premier composant.
Ce capot 29' comporte un corps 31' cylindrique prolongé à son aval par un fond 33' d'orientation normale à l'axe AX et constitué par une tôle en forme de disque. Ce corps 31' est prolongé à son amont par une tôle 37' en forme de couronne, et par laquelle il est raccordé à un bord amont de la paroi interne 22.
Complémentairement, une autre tôle 32' en forme de couronne d'orientation sensiblement normale à l'axe AX relie la virole 17 à une face externe du composant 26 en étant située en amont de la tôle 37'.
Ainsi, après avoir traversé la région interne du composant 26, le flux Ff' est d'abord dévié pour circuler radialement selon une direction centrifuge entre une face aval du composant 26, avant d'être dévié par le corps 31' pour circuler autour du composant 26 en circulant depuis l'aval AV vers l'amont AM, de manière à refroidir l'extérieur de ce composant 26.
Après avoir passé le bord amont du corps 31', le flux Ff' est dévié par les tôles 32' et 37' entre lesquelles il passe en circulant radialement selon une direction centrifuge, pour être canalisé dans l'ouverture d'admission 23 de l'espace El afin d'y circuler d'amont en aval avant d'être évacué par la sortie 24.
Comme on le comprend, cet autre cheminement du flux Ff' permet d'assurer un refroidissement d'une région interne du composant 26, c'est-à-dire au plus près de la région dans laquelle est générée la chaleur dans ce composant.
Optionnellement, et comme représenté sur la figure 4, une tôle protectrice additionnelle 39, de type anti rayonnement thermique, est interposée entre la sortie du capot et l'entrée dans l'espace El du flux de refroidissement, repéré par Ff" dans cette figure 4, en étant située radialement entre le corps 31" et le cône 14. Dans cet autre exemple, le capot, repéré par 29”, comporte lui aussi un corps 31” cylindrique fermé à son aval par un fond 33” en forme de disque normal à l'axe AX. Mais le capot 29” est porté par une tôle en forme de couronne 37” raccordant une région centrale (le long de l'axe AX) du corps 31” à une région de la paroi interne 22 située en aval du bord amont de cette paroi 22.
Complémentairement, une autre tôle 32” en forme de couronne d'orientation sensiblement normale à l'axe AX relie la virole 17 à une face externe du composant 26 en étant située en amont de la tôle 37”. Cette autre tôle 32” porte la tôle protectrice 39 cylindrique coaxiale à l'axe AX, s'étendant entre la paroi 22 et le corps 31” en ayant son bord amont rigidement solidarisé à la face aval de la tôle 32”.
Cette tôle protectrice 39 assure une protection contre les rayonnements thermiques du flux primaire FP circulant immédiatement en aval des bras 18, c'est-à-dire dans la région où il est le plus chaud, et par là même rayonne le plus fortement. En pratique cette tôle est une tôle anti-rayonnements thermiques, telle qu'une tôle recouverte d'un revêtement thermiquement isolant sous forme d'une peinture thermique pour limiter l'échange radiatif.
Complémentairement, et comme visible sur la figure 4, cette tôle protectrice 39 délimite de par sa présence une chicane supplémentaire dans le cheminement du flux Ff", ce qui assure qu'elle est également fortement refroidie par ce flux Ff”, pour accroître son pouvoir de protection thermique.
Après avoir passé la chicane résultant de la présence de la tôle protectrice 39, le flux Ff” est admis dans l'ouverture d'admission 23 de l'espace El pour le parcourir d'amont en aval avant d'être évacué à sa sortie 24.
Comme indiqué ci-dessus, la tôle protectrice 39 permet de réduire les échanges thermiques pour maintenir le composant 26 à la température la plus basse, mais il est également possible pour ce faire de protéger thermiquement le bras 18, et les parois 21 et 22 du cône. Ces protections thermiques additionnelles peuvent se présenter sous forme de matériaux thermiquement isolants, ayant une faible conductivité thermique, incorporés au sein même des pièces ou appliqués à leur surface. Il peut s'agir par exemple de matériaux à base de fibre de silice, apposées sur le bras et sur les parois du cône, et éventuellement sur d'autres éléments de l'environnement interne du cône.
D'une manière plus générale, selon l'invention, la circulation du flux de refroidissement est agencée selon un cheminement en labyrinthe, par les éléments que sont le capot, le guide et autres éléments de tôle, pour optimiser le refroidissement des composants contenus dans le cône. Dès que le flux quitte le bras radial par lequel il est acheminé, il est canalisé pour longer directement les composants à refroidir, lorsqu'il est encore le plus froid, de façon à maximiser le refroidissement de ces composants.
Comme illustré sur le graphe de la figure 5, donnant en ordonnée la température T du flux Ff en fonction de sa progression le long de son cheminement correspondant à l'axe des abscisses, les échanges thermiques sont hiérarchisés.
Plus particulièrement, lorsque le flux Ff sort du bras 18, il est à une température T18 relativement basse proche de celle du flux secondaire FS, et qui est inférieure à la temparature maximale admissible Tmax26 du premier composant 26 à refroidir. Lorsqu'il longe le composant 26, le flux Ff se réchauffe en le refroidissant, jusqu'à atteindre une température proche de Tmax26, avant d'atteindre le composant suivant Tl dont la température maximale admissible est notée Tmax27.
Après avoir longé le composant Tl pour le refroidir, la température du flux Ff a augmenté pour être à une valeur relativement proche de Tmax27, avant d'être admis dans l'espace El du cône 14 qui est à une température significativement plus élevée notée T14, de sorte que ce flux Ff a été réchauffé, mais il est encore à une température suffisamment basse pour refroidir le cône 14 avant d'en être évacué par l'ouverture de sortie 24.
Ainsi, le cheminement du flux de refroidissement est optimisé pour refroidir d'abord les éléments devant être maintenus à la température la plus basse avant de refroidir les éléments ayant une température plus élevée, de sorte que ce flux Ff se réchauffe tout au long de son cheminement, tout en assurant un refroidissement optimal des différents éléments qu'il traverse. Ce refroidissement peut être amélioré en prévoyant que les barrières thermiques formées par le capot et/ou par l'une des parois du cône soient des éléments composés ou couverts d'un matériau isolant.
Le refroidissement peut encore être maximisé en forçant la circulation du flux de refroidissement, par exemple au moyen d'un ventilateur ou d'une pompe, pour notamment assurer un refroidissement des composants situés dans le cône 14 pendant un intervalle de temps prédéterminé après arrêt du moteur, et pour compenser les pertes de charge en fonctionnement normal.
La circulation du flux de refroidissement peut encore être régulée, de manière passive ou active, au moyen d'une vanne permettant de piloter le débit d'air du flux de refroidissement. Il peut s'agir d'une vanne de type papillon actionnée par une unité de pilotage, afin d'augmenter le débit lorsqu'un refroidissement plus important est requis, par exemple en phase de décollage de l'aéronef.
Par ailleurs, les exemples des figures montrent des agencements dans lesquels le flux de refroidissement comporte une branche unique. Mais ce flux de refroidissement peut être ramifié en plusieurs branches distinctes pouvant elles-mêmes avoir leur débit régulé isolément par autant de vannes ou diaphragmes qu'il existe de branches distinctes de manière à assurer un refroidissement au juste besoin pour chaque région correspondant à une branche.
Enfin, ce refroidissement peut être accompagné d'un second refroidissement, qui est un refroidissement interne aux équipements, assuré par exemple par un fluide caloporteur.

Claims

Revendications
1. Turbomachine à double flux comportant un carter d'échappement
(13) traversé par un flux primaire chaud (FP) et entouré par un flux secondaire froid (FS), et un cône (14) porté par ce carter d'échappement (13), ce carter d'échappement (13) comportant au moins un bras radial creux (18) traversant le flux primaire (FP) pour acheminer un flux de refroidissement (Ff, Ff', Ff") pour refroidir des composants (26, 27) situés dans ce cône (14), ce cône (14) comportant une paroi externe (21) et une paroi interne (22) qui longe la paroi externe (21) en étant radialement espacée de celle-ci pour délimiter un espace d'isolation thermique (El) traversé d'amont en aval par le flux de refroidissement avant son évacuation par une ouverture de sortie (24) terminant le cône
(14), caractérisé en ce qu'il comporte un capot (29, 29', 29") entourant au moins un composant (26, 27) pour canaliser le flux de refroidissement (Ff, Ff', Ff") afin qu'il longe extérieurement ce composant pour le refroidir avant de traverser l'espace d'isolation thermique (El) pour être évacué.
2. Turbomachine selon l'une la revendication 1, dans laquelle le flux de refroidissement (Ff, Ff', Ff") acheminé dans le bras radial creux (18) est une partie du flux secondaire (FS).
3. Turbomachine selon la revendication 1, dans laquelle au moins un composant refroidi par le flux de refroidissement (Ff, Ff', Ff") est une machine électrique telle qu'un générateur de courant ou un moteur.
4. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le flux de refroidissement (Ff, Ff', Ff") traverse une région interne d'au moins un composant (26, 27) avant d'être canalisé par le capot (29, 29', 29") pour longer ce composant (26, 27).
5. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, comprenant une tôle anti rayonnement thermique (39) sensiblement cylindrique interposée radialement entre le capot (29, 29', 29") et le cône (14).
6. Turbomachine selon la revendication 5, dans lequel la tôle anti rayonnement thermique (39) délimite une chicane pour l'écoulement du flux de refroidissement (Ff").
7. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le capot (29, 29', 29") et/ou l'une des parois (21, 22) du cône (14) est composée et/ou couverte d'un matériau thermiquement isolant.
8. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, comprenant plusieurs composants (26, 27) refroidis par le flux de refroidissement (Ff, Ff', Ff"), et dans lequel le composant (26) présentant la température maximale admissible la plus basse est placé en amont des autres composants (27) par rapport au cheminement du flux de refroidissement (Ff, Ff', Ff") dans le cône (14).
9. Turbomachine selon l'une de revendications précédentes, comprenant des moyens tels que ventilateur ou pompe pour forcer la circulation du flux de refroidissement (Ff, Ff', Ff") lorsque la turbomachine est à l'arrêt.
10. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, comprenant des moyens de type vanne papillon pour réguler le débit du flux de refroidissement (Ff, Ff', Ff") circulant dans le cône (14).
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