FR2961857A1 - Tube d'alimentation en air de refroidissement d'une turbine d'un turbomoteur, et turbomoteur equipe d'un tel tube - Google Patents

Abstract

- Tube d'alimentation en air de refroidissement de la turbine d'un turbomoteur, et turbomoteur équipé d'un tel tube. - Le tube (20) prélève de l'air du flux primaire circulant dans le compresseur (3) du turbomoteur en amont de la chambre de combustion (4) pour l'amener dans la turbine (5) située en aval de ladite chambre et, pour cela, il passe dans un espace intermédiaire annulaire (18) prévu entre ces derniers et une virole cylindrique (14) à l'extérieur de laquelle circule le flux secondaire du turbomoteur. Avantageusement, la partie (22) du tube qui s'étend au moins au-dessus de la chambre de combustion est directement rapportée le long de la virole cylindrique en étant en contact thermiquement par conduction avec celle-ci.

Description

Tube d'alimentation en air de refroidissement d'une turbine d'un turbomoteur, et turbomoteur équipé d'un tel tube

La présente invention concerne un tube d'alimentation en air de refroidissement d'une turbine d'un turbomoteur pour aéronef, ainsi que le 5 turbomoteur équipé d'au moins un tel tube de refroidissement. Un turbomoteur moderne comme un turbomoteur à double flux comprend principalement, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz selon l'axe longitudinal du turbomoteur, une soufflante, au moins un compresseur, une chambre de combustion et au moins une turbine se 10 terminant par une tuyère. De façon connue, le flux d'air entrant par la soufflante dans le turbomoteur est canalisé par une nacelle périphérique, et une partie de ce flux d'air forme le flux primaire et pénètre dans le compresseur, puis dans la chambre de combustion où il est mélangé à du carburant et brûlé. De là, ce 15 flux primaire brûlé traverse la turbine à des températures élevées et est éjecté par la tuyère en fournissant une partie de la poussée du turbomoteur et en entraînant également en rotation les arbres du compresseur et de la soufflante. L'autre partie du flux d'air forme le flux secondaire qui s'écoule, par 20 exemple, entre deux viroles cylindriques, l'une externe, l'autre interne à l'intérieur de laquelle est placé le corps central du turbomoteur, formé des différents carters successifs et assemblés du compresseur, de la chambre de combustion et de la turbine. En particulier, une partie du flux secondaire est prélevée et contourne la ligne des carters du turbomoteur afin d'assurer un 25 renouvellement d'air dans l'espace intermédiaire annulaire situé entre la virole interne et le corps central pour limiter le risque de feu et assurer le refroidissement des équipements montés sur le turbomoteur. L'air prélevé dans cet espace annulaire est ensuite remélangé au flux secondaire pour fournir en sortie une poussée supplémentaire s'ajoutant à celle engendrée par les gaz chauds du flux primaire sortant de la tuyère. Aussi, dans cet espace intermédiaire annulaire existant entre le corps central ou les carters externes successifs du compresseur, de la chambre de combustion et de la turbine, d'une part, et la virole cylindrique, d'autre part, sont logés les équipements tels que, entre autres, les injecteurs de carburant, les vérins d'aubes de calage et les tubes d'alimentation en air de refroidissement de la turbine située juste en aval de la chambre de combustion.

En effet, pour participer au refroidissement de cette turbine, on utilise notamment des tubes reliant le compresseur du turbomoteur, dans lequel circule le flux primaire comprimé encore « frais » avant son passage dans la chambre de combustion, à la turbine. Pour cela, plusieurs tubes sont en général répartis autour du corps du turbomoteur dans l'espace intermédiaire entre ledit corps et la virole cylindrique autour de laquelle s'écoule le flux d'air secondaire froid. Et leurs extrémités se raccordent aux carters respectifs du compresseur et de la turbine. Ainsi, l'air prélevé frais issu du flux primaire circulant dans le compresseur est envoyé, par l'intermédiaire des tubes d'alimentation extérieurs au corps du turbomoteur, dans la turbine généralement haute pression à l'intérieur de laquelle règne une température particulièrement élevée puisque située en sortie de la chambre de combustion carburant-flux primaire. L'apport de cet air d'alimentation frais a plusieurs fonctions : - il permet de diminuer la température et de réduire en conséquence les contraintes thermiques et mécaniques, notamment dimensionnelles, subies par les différents composants de la turbine ; et - il permet de. faire varier la température des carters pour jouer sur leur déplacement et assurer une maîtrise des jeux en sommet des aubes de 30 turbine(s).

Bien que donnant des résultats appréciables, les pertes thermiques dans ces tubes d'alimentation sont malgré tout limitées dans la mesure où les débits de ventilation sont faibles dans l'espace intermédiaire annulaire. De plus, lorsqu'il s'agit de moteurs compacts dont le dernier étage du compresseur est du type centrifuge, le taux de compression est certes important pour une longueur réduite, mais le diamètre est plus grand que les compresseurs axiaux équivalents. Cela réduit, par conséquent, l'espace intermédiaire radial entre les carters du dernier étage centrifuge du compresseur et de la chambre de combustion du corps central, et la virole cylindrique. Cela entraîne, en conséquence, l'installation des tubes et, par suite, leur maintenance dans cet espace confiné et étroit, fastidieuse et longue. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne un tube d'alimentation en air de refroidissement dont l'agencement permet d'accroître l'échange thermique en amenant le flux d'air frais de circulation issu du compresseur avec une température abaissée ou au moins conservée dans le tube en direction de la turbine, et d'occuper un moindre encombrement dans l'espace intermédiaire confiné. A cet effet, le tube d'alimentation en air de refroidissement de la turbine d'un turbomoteur double flux, à partir d'un prélèvement d'air du flux primaire circulant dans au moins un compresseur du turbomoteur en amont de la chambre de combustion à laquelle est associée en aval la turbine, ledit tube reliant le compresseur à la turbine en passant dans un espace intermédiaire annulaire délimité entre les carters externes assemblés du compresseur, de la chambre de combustion et de la turbine, et une virole cylindrique à l'extérieur de laquelle circule le flux d'air secondaire du turbomoteur, est remarquable, selon l'invention, en ce qu'il est apte à être rapporté, dans ledit espace intermédiaire, au moins dans sa partie s'étendant au-dessus de la chambre de combustion, directement le long de la virole cylindrique de la conduite annulaire de manière à être en contact thermiquement par conduction avec celle-ci et à distance radiale de ladite chambre. Ainsi, grâce à l'invention, l'air prélevé du compresseur et circulant dans le tube est refroidi par conduction thermique entre la virole cylindrique, autour de laquelle circule le flux d'air secondaire froid venant de la soufflante, et la paroi du tube en contact direct avec la virole, si bien que les pertes thermiques antérieurement limitées, sont amplifiées. De la sorte, un air refroidi pénètre dans la turbine généralement du type haute pression, permettant de réduire les contraintes thermiques et mécaniques subies lors du fonctionnement de celle-ci, en sortie de la chambre de combustion. Par ailleurs, comme le tube d'alimentation en air de refroidissement est disposé le long de la virole interne, il est éloigné au mieux radialement du carter externe de la chambre de combustion, ce qui participe à réduire les effets de rayonnement des carters et donc la température du tube s'étendant dans l'espace intermédiaire annulaire. Un échange thermique appréciable est ainsi obtenu. Dans une forme préférée de réalisation, la partie de paroi rapportée du tube présente une section transversale aplatie, oblongue, avec deux faces parallèles proches l'une de l'autre et dont l'une est amenée au contact direct de celle de ladite virole cylindrique avec laquelle elle correspond. Et, avantageusement, dans le cas d'un turbomoteur compact, la partie de paroi rapportée du tube venant au contact direct de la virole cylindrique s'étend sensiblement depuis le dernier étage centrifuge du compresseur, au-dessus de celui-ci, jusqu'à la liaison des carters de la chambre de combustion et de la turbine. Ainsi, on remarque la simplicité de réalisation de cette partie rapportée oblongue laquelle, outre la surface d'échange thermique importante par conduction entre celle-ci et la virole contribuant à refroidir efficacement l'air circulant dans le tube par le flux secondaire froid, permet encore d'éloigner radialement cette partie de paroi des carters de la chambre de combustion et du dernier étage centrifuge du compresseur adjacent à ladite chambre, et de faciliter son montage dans l'espace intermédiaire confinée par sa forme aplatie oblongue de volume réduit. Dans une réalisation particulièrement favorable, la partie de paroi du tube s'étendant au moins au-dessus de la chambre de combustion est apte à s'intégrer dans un évidement ménagé dans ladite virole cylindrique. Comme celle-ci est en général constituée d'une paroi métallique tournée vers le flux d'air secondaire froid, et d'une paroi isolante tournée vers l'espace intermédiaire et solidaire de la paroi métallique, l'évidement dans lequel s'intègre ladite partie du tube est alors réalisé dans la paroi isolante de la virole cylindrique. Ainsi, on améliore encore l'échange thermique par le contact direct de la partie de paroi, elle aussi métallique, du tube avec la paroi métallique de la virole parcourue par le flux d'air secondaire froid, l'éloignement radial de cette partie de paroi intégrée avec les carters correspondants chauds du turbomoteur, et la mise en place du tube aplati dans cet évidement créé débouchant dans l'espace intermédiaire. Par ailleurs, la partie de paroi du tube courant le long de la virole interne est apte à être liée à celle-ci par des moyens de fixation. Ces derniers peuvent être, par exemple, du type par soudage, solidarisant la partie de paroi concernée du tube à la paroi métallique de la virole cylindrique.

Pour compenser et absorber les déplacements longitudinaux entre la virole cylindrique du flux secondaire froid et les carters du turbomoteur, les extrémités du tube de refroidissement sont reliées au compresseur et à la turbine par l'intermédiaire de manchons flexibles respectifs. La présente invention concerne également un turbomoteur double flux pour aéronef, du type comportant une soufflante, en aval de laquelle se trouvent au moins un compresseur, une chambre de combustion et une turbines dans lesquels circule le flux d'air primaire, et, entourant par un espace intermédiaire annulaire les carters externes du compresseur, de la chambre de combustion et de la turbine, une virole cylindrique à l'extérieur de laquelle circule le flux d'air secondaire. Avantageusement, pour participer au refroidissement de la turbine, le turbomoteur comprend au moins un tube d'alimentation en air de refroidissement tel que défini précédemment. En particulier, dans le cas d'un turbomoteur caréné sur la majeure partie de sa longueur, la virole cylindrique peut définir la virole interne d'une conduite annulaire de soufflante dans laquelle circule, entre la virole cylindrique interne et une virole cylindrique alors externe, le flux d'air secondaire issu de la soufflante. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques 10 désignent des éléments semblables. La figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un turbomoteur d'aéronef et de ses principaux composants auxquels est associé un tube d'alimentation en air de refroidissement conforme à l'invention. La figure 2 montre, en perspective partielle, un exemple de réalisation 15 du tube d'alimentation en air de refroidissement selon l'invention, reliant le compresseur à la turbine haute pression du turbomoteur. La figure 3 est une vue en coupe transversale du tube intégré à la virole cylindrique du turbomoteur selon la ligne A de la figure 2. Le turbomoteur 1 représenté sur la figure 1 est, par exemple, un 20 turboréacteur à double flux pour aéronef, à axe longitudinal X. D'amont en aval selon le sens d'écoulement du flux gazeux F, le turboréacteur 1 comprend principalement une soufflante 2, au moins un compresseur 3, une chambre de combustion 4 et des turbines haute pression 5 et basse pression 6. Les aubes 2A de la soufflante 2 sont entourées par un carter de rétention 7 25 en amont d'une nacelle 8, lequel carter délimite, avec le corps du rotor 2B de la soufflante dont sont issues les aubes, une manche annulaire 9 canalisant le flux d'air F entrant dans le turbomoteur 1. Après avoir traversé la soufflante 2, une partie de ce flux d'air, correspondant au flux primaire FI, pénètre dans le compresseur 3, dont le 30 dernier étage est sous la forme d'un compresseur à rouet centrifuge 3.1 conférant, comme on l'a rappelé ci-dessus, une compacité axiale au moteur et un taux de compression important, puis dans la chambre de combustion 4. Le flux primaire FI est alors mélangé à du carburant venant d'injecteurs périphériques 10, et brûlé pour être ensuite envoyé dans la turbine haute pression 5 puis basse pression 6, et sortir par la tuyère 11. Ce flux primaire chaud FI fournit ainsi une partie de la poussée du turboréacteur 1 et entraîne en rotation les arbres, non représentés, du compresseur et de la soufflante. L'autre partie de ce flux d'air entrant F, correspondant au flux secondaire froid F2, s'écoule, après avoir traversé un carter intermédiaire annulaire 16 reliant l'aval du carter de rétention 7 à l'entrée du corps 12 du ~o turboréacteur, défini par les carters externes successivement assemblés 3A, 3.1A, 4A, 5A et 6A des compresseurs 3, 3.1, de la chambre de combustion 4 et des turbines 5,6, autour d'une virole ou paroi cylindrique 14 dont l'extérieur est balayé par le flux d'air secondaire froid F2. Ce dernier fournit une poussée supplémentaire et assure l'alimentation des circuits de ventilation, 15 refroidissement, etc....de l'aéronef. Comme le montre schématiquement la figure 1, dans le cas d'un turbomoteur caréné partiellement (carters 7 et 16 en trait continu) notamment destiné à être monté au niveau d'une aile de l'avion, la virole cylindrique 14 est directement au contact du milieu ambiant via le flux secondaire F2. Dans 20 le cas d'un turbomoteur caréné sur presque toute sa longueur destiné, quoique non exclusivement, à être monté le long du fuselage de l'avion comme le montrent les traits pointillés sur la figure 1, la virole cylindrique définit la virole interne 14 d'une conduite annulaire 13 de soufflante, dans laquelle circule le flux d'air secondaire F2 entre cette virole interne 14 et une 25 virole externe 15 concentrique. De façon connue, ces viroles cylindriques 14 et 15 sont alors reliées en amont aux viroles respectives du carter intermédiaire 16 et, en aval, à un carter d'échappement et à inverseur de poussée 17. Pour la suite de la description, on suppose que la virole cylindrique 30 est la virole interne de la conduite de soufflante d'un turbomoteur caréné, étant entendu que l'invention s'applique tout aussi bien à une virole cylindrique d'un turbomoteur partiellement caréné En particulier, comme le montrent les figures 1 à 3, la virole cylindrique interne 14 de la conduite 13, entoure coaxialement le corps 12 des carters externes assemblés des compresseurs 3, 3.1 de la chambre de combustion 4 et de la turbine haute pression 5 avec un espace intermédiaire annulaire 18 ménagé entre eux pour permettre l'installation d'équipements spécifiques. Par exemple, dans cet espace 18 sont montés les injecteurs de carburant 10 répartis en périphérie du carter 4A de la chambre de combustion 4, les vérins de commande, non visibles, d'aubes à calage variable, et, les tubes d'alimentation 20 en air de refroidissement de la turbine haute pression 5 pour les raisons évoquées précédemment et dont l'un est représenté sur les figures. D'autres équipements ou accessoires sont également prévus dans cet espace. Pour information, ces tubes sont désignés tubes HPTACC (en anglais « High Pressure Turbine Active Clearance Control »), et une conception récente d'une telle conduite de soufflante est par exemple enseignée dans le document FR-2 905 975 de la Demanderesse. En particulier, comme on le voit sur les figures 1 et 2, le tube d'alimentation en air de refroidissement 20 représenté relie le carter 3A du compresseur 3, en un point situé en amont de son dernier étage à rouet centrifuge 3.1, au carter 5A de la turbine haute pression 5, en un point situé en aval de la chambre de combustion 4. Pour cela, le tube 20 passe dans l'espace intermédiaire annulaire 18, et sa paroi 21 est rapportée, au moins dans la partie 22 du tube agencée sensiblement à l'aplomb du carter 3.1A du dernier étage à rouet centrifuge 3.1 et du carter 4A de la chambre de combustion 4, sur la virole interne cylindrique 14 de la conduite 13 du flux secondaire froid F2. De cette manière, on refroidit au mieux, par conduction thermique entre la virole et le tube, l'air prélevé depuis le compresseur 3 et circulant dans le tube 20, et, du fait que le diamètre du carter 3.1A du compresseur centrifuge est important en rendant l'espace 18 étroit à ce niveau, on éloigne radialement au mieux la partie 22 du tube des carters chauds 3.1A, 4A.

Plus particulièrement, cette virole interne cylindrique 14 se compose d'une paroi métallique extérieure 14A en contact avec le flux secondaire froid F2, et d'une paroi isolante intérieure 14B tournée vers l'espace intermédiaire 18. La paroi intérieure 14B assure l'isolation phonique et thermique et est, pour cela, réalisée en un matériau composite du type nid d'abeilles. Avantageusement, le tube 20 est alors métallique (conduction thermique avec la virole interne) et la partie rapportée 22 de celui-ci est intégrée dans un évidement latéral 14C parallèle de préférence à l'axe X du turbomoteur et ménagé dans la paroi isolante intérieure 14B de la virole. Cet évidement 14C est, dans cet exemple, réalisé sur l'épaisseur totale E du matériau isolant, de sorte que la partie 22 du tube d'alimentation en air de refroidissement métallique 20 s'étend directement contre la paroi métallique 14A de la virole 14 favorisant la conduction thermique. Par ailleurs, on voit sur les figures 2 et 3, que la forme de la section transversale du tube 20, dans cette partie intégrée 22, est aplatie, sensiblement oblongue. Sa paroi 21 présente ainsi, à ce niveau, deux larges faces ou côtés parallèles 23A, 23B dont l'un 23A est au contact de la paroi métallique 14A. Pour garantir un échange thermique maximum, la paroi 21 de la partie intégrée oblongue 22 épouse, bien entendu, par sa face 23A alors légèrement incurvée, la paroi métallique en regard 14A de la virole cylindrique interne. Et la fixation de la partie intégrée et aplatie 22 du tube métallique sur la paroi métallique 14A de la virole interne 14 peut se faire par soudure, comme le montrent sur la figure 3 les deux cordons de soudure 25 schématisés le long des bords ou côtés latéraux arrondis 24 de la partie intégrée oblongue 22 du tube. D'autres moyens de fixation appropriés pourraient bien sûr être envisagés par vissage, colliers, etc... L'évidement 14C et la forme aplatie de la partie 22 du tube 20 à cet endroit concourent, d'une part, à optimiser la conduction thermique directe par les deux grandes surfaces de contact métalliques créées entre le côté de paroi 23A de la partie aplatie 22 du tube 20 et la paroi 14A de la virole interne, et, d'autre part, à éloigner radialement le plus possible le côté plat 23B du tube de refroidissement 20 des carters chauds 3.1A, 4A du dernier étage à rouet centrifuge 3.1 du compresseur et de la chambre de combustion 4. L'air prélevé à partir du compresseur 3 est ainsi refroidi par conduction thermique entre les parois respectives de la virole interne 14 et de la partie intégrée 22 du tube 20 par le flux secondaire froid F2 traversant la conduite 13 en léchant la virole interne, de sorte que l'intérieur de la turbine haute pression 5 recevant par le tube 20 cet air frais est efficacement refroidi, ce qui contribue à limiter les contraintes thermiques et mécaniques supportées par celle-ci.

Par ailleurs, pour tenir compte des déplacements dimensionnels lors du fonctionnement du turbomoteur, entre le corps 12 (carters des compresseurs, chambre de combustion et turbines) et la virole 14 balayé extérieurement par le flux secondaire F2 de soufflante, le tube 20 comporte des manchons flexibles 26 disposés dans l'espace intermédiaire annulaire 18 et placés entre la partie intégrée 22 de conduction thermique et les raccords d'extrémité 27 du tube aux carters respectifs 3A, 5A. On remarque également, sur la figure 2, que le tube 20 en sortie du manchon flexible 26, en aval de la partie aplatie intégrée 22, se divise en deux branches 28 aptes à se raccorder en deux points distants angulairement du carter 5A de la turbine haute pression 5, afin de la refroidir de façon homogène. Bien évidemment, un nombre différent de branches de dérivation pourrait être envisagé. De même, plusieurs tubes de refroidissement 20 sont de préférence prévus de façon équi-angulairement répartie dans l'espace intermédiaire libre 18. Une vanne commandable 29 est aussi généralement agencée sur le tube de refroidissement, juste en sortie du prélèvement de l'air du compresseur, de manière à réguler le débit de l'air de refroidissement en direction de la turbine.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Tube d'alimentation en air de refroidissement de la turbine d'un turbomoteur double flux (1), à partir d'un prélèvement d'air circulant en un flux d'air primaire dans au moins un compresseur (3) du turbomoteur en amont de la chambre de combustion (4) à laquelle est associée en aval la turbine (5), ledit tube (20) reliant par ses extrémités le compresseur à la turbine en passant dans un espace intermédiaire annulaire (18) délimité entre les carters externes assemblés du compresseur, de la chambre de combustion et de la turbine, et une virole cylindrique (14) à l'extérieur de laquelle circule le flux d'air secondaire du turbomoteur, caractérisé en ce qu'il est apte à être rapporté, dans ledit espace intermédiaire, au moins dans sa partie (22) de paroi (21) s'étendant au-dessus de la chambre de combustion (4), directement le long de la virole cylindrique (14), de manière à être en contact thermiquement par conduction avec celle-ci et à distance radiale de ladite chambre.
2. 2. Tube selon la revendication 1, dont la partie de paroi rapportée (22) présente une section transversale aplatie, oblongue, avec deux faces parallèles (23A, 23B) proches l'une de l'autre et dont l'une (23A) est apte à être amenée au contact direct de ladite virole cylindrique (14) avec laquelle elle correspond.
3. 3. Tube selon l'une des revendications 1 ou 2, dont la partie de paroi rapportée (22) apte à venir au contact direct de la virole cylindrique (14), s'étend sensiblement depuis le dernier étage du type centrifuge (3.1) du compresseur, au-dessus de celui-ci, jusqu'à la liaison des carters de la chambre de combustion (4) et de la turbine (5).
4. 4. Tube selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dont la partie de paroi (22) s'étendant au moins au-dessus de la chambre de combustion est apte à s'intégrer dans un évidement (14C) ménagé dans ladite virole cylindrique (14).
5. 5. Tube selon la revendication 4, dont ledit évidement (14C), dans lequel est apte à s'intégrer ladite partie de paroi (22), est réalisé dans une paroi isolante (14B) de la virole cylindrique (14), tournée vers l'espace intermédiaire annulaire (18) et entourée de façon solidaire d'une paroi métallique (14A) tournée vers le flux d'air secondaire.
6. 6. Tube selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dont la partie de paroi (22) courant le long de la virole cylindrique (14) est apte à être liée à celle-ci par des moyens de fixation.
7. 7. Tube selon la revendication précédente, dont les moyens de fixation sont du type par soudage (25), solidarisant la partie de paroi concernée (22) du tube à la paroi métallique (14A) de la virole cylindrique (14).
8. 8. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes 1 à 7, dont ses extrémités sont reliées au compresseur et à la turbine par 15 l'intermédiaire de manchons flexibles respectifs (26).
9. 9. Turbomoteur double flux (1) pour aéronef, du type comportant une soufflante (2), en aval de laquelle se trouvent au moins un compresseur (3), une chambre de combustion (4) et une turbine (5) dans lesquels circule le flux primaire, et, entourant par un espace intermédiaire annulaire (18), les carters 20 externes du compresseur, de la chambre de combustion et de la turbine, une virole cylindrique (14) à l'extérieur de laquelle circule le flux d'air secondaire, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un tube d'alimentation en air de refroidissement (20) reliant, dans ledit espace intermédiaire (18), le compresseur (3) à la turbine (5) de la manière définie selon l'une quelconque 25 des revendications précédentes.
10. 10. Turbomoteur selon la revendication 9, dont la virole cylindrique définit la virole interne (14) d'une conduite annulaire (13) de soufflante dans laquelle circule, entre la virole interne (14) et une virole externe (15), le flux d'air secondaire issu de ladite soufflante (2). 30