FR2968718A1

FR2968718A1 - Turboreacteur comprenant un circuit de prelevement d'air de refroidissement a variation de debit automatique

Info

Publication number: FR2968718A1
Application number: FR1060371A
Authority: FR
Inventors: Rousseau Amaury Roussely; Emmanuel Berche; Guy Burlet
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-06-15
Anticipated expiration: 2030-12-10
Also published as: US9062605B2; US20120151936A1; FR2968718B1

Abstract

Prélèvement d'air de refroidissement pour refroidir un sous-ensemble tel que par exemple une turbine avec réglage automatique de la section d'écoulement d'air en fonction du régime du moteur. Selon l'invention, un élément d'obturation (40) est fixé pour coopérer avec un trou de prélèvement (33), le matériau qui constitue soit l'élément d'obturation soit la paroi où est pratiqué le trou, est d'un type dans lequel des courants de Foucault peuvent se créer, tandis qu'un aimant (35) est monté mobile en regard de cet agencement.

Description

L'invention se rapporte à un turboréacteur comportant au moins un circuit de prélèvement d'air, pour refroidir un sous-ensemble comme par exemple une turbine. Elle concerne plus particulièrement un perfectionnement permettant de faire varier le débit d'air de refroidissement en fonction du régime de fonctionnement du turboréacteur, par des moyens simples, au fonctionnement automatique et rapide. Dans un turboréacteur d'avion, il est nécessaire de refroidir en permanence, par circulation d'air relativement frais, certains sous- ensembles tels que par exemple la turbine haute pression et/ou la turbine basse pression. Un tel prélèvement est effectué, par exemple, en définissant, en liaison avec un compresseur, une chambre de prélèvement dont une paroi comporte des trous de prélèvement pour l'échappement de l'air de refroidissement vers le sous-ensemble à refroidir. La paroi d'une telle chambre de prélèvement est percée généralement d'une pluralité de trous régulièrement répartis circonférentiellement et qui définissent le débit global d'air de refroidissement. Ce débit n'est pas optimisé car il est nécessairement réglé pour assurer un refroidissement suffisant pendant des périodes de fonctionnement du turboréacteur à forte puissance, comme par exemple le régime plein gaz nécessaire pendant la période correspondant au décollage. Pour tous les autres régimes, c'est-à-dire notamment le régime de croisière et le régime de manoeuvre au sol, le débit d'air de refroidissement est très supérieur à ce qui est strictement nécessaire. Or, pendant la plus grande partie du temps d'utilisation du turboréacteur, le régime de fonctionnement est précisément le régime de croisière. Ce défaut d'optimisation du débit d'air de refroidissement coute très cher, notamment en ce qui concerne les performances du moteur. En effet, cet air de refroidissement prélevé par exemple sur le compresseur haute pression ne participe pas à la combustion. Par conséquent, si l'air est prélevé en quantité excessive, il en résulte une perte de rendement et une augmentation de la pollution. Il est peu envisageable d'utiliser des systèmes de réglage de débit commandés, en raison des équipements supplémentaires coûteux, encombrants et alourdissants qu'il serait nécessaire d'ajouter au turboréacteur. L'invention vise à apporter à ce problème une solution simple et peu coûteuse, à variation automatique et rapide, ne nécessitant aucun équipement lourd et encombrant. Plus particulièrement, l'invention concerne un turboréacteur comprenant un circuit de prélèvement d'air de refroidissement agencé entre deux sous-ensembles adjacents dont l'un au moins est monté tournant à une vitesse en relation avec celle d'une turbine, des trous de prélèvement étant définis au travers d'une paroi de l'un des sous-ensembles, caractérisé en ce que ces trous de prélèvement sont situés en regard et à proximité d'une partie de l'autre sous-ensemble, en ce qu'au moins un élément d'obturation est conformé pour s'appliquer contre une face de ladite paroi et est fixé à celle-ci pour coopérer avec un tel trou de prélèvement afin de définir avec lui une section d'écoulement augmentant avec le régime de ladite turbine, en ce que le matériau de la paroi dans laquelle est pratiqué ledit trou de prélèvement ou celui constituant ledit élément d'obturation est un matériau d'un type dans lequel des courants de Foucault peuvent se créer et en ce que ladite partie de l'autre sous-ensemble porte au moins un aimant en sorte qu'une rotation relative fonction du régime de ladite turbine est créé entre ledit aimant et le trou de prélèvement muni d'un élément d'obturation précité. Par exemple, l'air de refroidissement est guidé pour refroidir ladite turbine, généralement la turbine haute pression ou une autre, éventuellement la turbine basse pression. Cette chambre de prélèvement peut être ménagée dans une partie statorique du turboréacteur ou tout autre carter fixe et recevoir de l'air d'un étage du compresseur haute pression, pour le réinjecter, par exemple dans un espace défini en amont du disque de la turbine haute pression. Dans ce cas, c'est donc plus particulièrement la turbine haute pression qui se trouve refroidie. D'autres sous-ensembles du turboréacteur peuvent être refroidis par mise en oeuvre du même principe, en choisissant l'emplacement de ladite chambre de prélèvement. Par exemple, le même système peut s'appliquer au refroidissement de la turbine basse pression. La paroi de la chambre de prélèvement peut être équipée d'une pluralité de tels éléments d'obturation, fixés et répartis circonférentiellement le long d'une face de cette paroi, coaxialement à l'axe de rotation du turboréacteur. Chaque élément coopère avec au moins un trou de prélèvement de ladite paroi. L'aimant (éventuellement plusieurs aimants régulièrement répartis circonférentiellement à une même distance autour de l'axe de rotation) peut être solidaire d'une partie du rotor de la turbine. Par exemple, l'élément d'obturation comporte une plaque de métal mince dans lequel des courants de Foucault peuvent se créer. Cette plaque de métal se dilate donc rapidement en regard du trou correspondant de la paroi de la chambre de prélèvement, ce qui permet de faire varier la section de passage de l'air dans le sens souhaité. Plus particulièrement, plus la vitesse de rotation de l'aimant est importante, (lorsque le régime du turboréacteur augmente) plus la section de passage augmente. En variante, l'élément d'obturation est en matériau à faible coefficient de dilatation à base de céramique tandis que la paroi dans laquelle est pratiqué ledit trou de prélèvement est en métal dans lequel des courants de Foucault peuvent se créer. Selon cette variante, c'est donc la paroi de la chambre de prélèvement qui, en se dilatant, provoque la variation de débit.

Cet effet d'augmentation rapide de la section d'écoulement, provoqué par un échauffement localisé dû aux courants de Foucault, peut se conjuguer avec un autre effet dû à l'échauffement ambiant normal résultant simplement du fait que la température augmente lors d'une période de fonctionnement plein gaz (décollage). Dans ce cas, la paroi dans laquelle se trouve pratiqué le trou de prélèvement et l'élément d'obturation correspondant sont dans des matériaux aux coefficients de dilatation notablement différents, comme envisagé ci-dessus. La paroi peut être en métal magnétisable et l'élément peut être en matériau composite à base de céramique. L'agencement est tel que les deux sources d'échauffement se conjuguent pour augmenter le débit d'air de refroidissement, avec des temps de réponse cependant différents. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaitront mieux à la lumière de la description qui va suivre d'un turboréacteur conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue partielle schématique en demi-coupe longitudinale d'une partie du turboréacteur équipé du perfectionnement conforme à l'invention ; - les figures 2A, 2B représentent schématiquement et à plus grande échelle un mode de réalisation possible du système de vanne passive selon l'invention, correspondant à l'encadré II de la figure 1 ; et - les figures 3A, 3B sont des vues comparables aux figures 2A, 2B, illustrant une variante. En se reportant aux dessins, on a représenté partiellement, sur la figure 1 et en demi-coupe axiale, certaines parties d'un turboréacteur 11, concernées par l'invention. On distingue notamment le compresseur haute pression 13, la chambre de combustion 15, la turbine haute pression 17 et la turbine basse pression 19. Classiquement, deux arbres coaxiaux sont agencés le long de l'axe de rotation X des parties tournantes du compresseur et des turbines. Un arbre dit arbre haute pression 21 est entraîné par la turbine haute pression 17 et entraîne le rotor du compresseur 13 en rotation. Un arbre dit arbre basse pression 27 est entraîné par la turbine basse pression 19 et entraîne notamment en rotation une soufflante, non représentée.

Selon l'exemple, on considère deux sous-ensembles particuliers. Un premier sous-ensemble 29, fixe, comprend le carter 30 de la chambre de combustion 15, le support 31 du redresseur 32 placé entre la sortie de la chambre de combustion et le rotor 34 de la turbine haute pression 17. Un second sous-ensemble, rotatif, est constitué par la turbine haute pression et plus particulièrement par son rotor 34. Le support 31 du redresseur comporte une paroi 31a dans laquelle sont percés des trous de prélèvement d'air 33. L'air prélevé provient du compresseur haute pression via la chambre annulaire 35 entourant la chambre de combustion 15 et des chambres adjacentes 36, 37 communiquant avec la chambre 35 via des orifices 38, 39. Dans l'exemple, la paroi 31a est l'une des parois de la chambre 37 et il est clair qu'une partie de l'air qui contourne la chambre de combustion 15 s'échappe par les trous de prélèvement 33 dans un espace annulaire en regard du disque 36 du rotor 34. Cet air est donc plus particulièrement amenée à refroidir le rotor 34 de la turbine haute pression.

Les trous de prélèvement d'air 33 sont régulièrement espacés circonférentiellement le long d'un cercle dont le centre se trouve sur l'axe X. Par ailleurs, ces trous de prélèvement d'air 33 sont situés en regard et à proximité d'une partie du second sous-ensemble, c'est-à-dire ici une zone annulaire du disque 36 du rotor 34. Cette partie porte au moins un aimant 35 en sorte qu'une rotation relative est créée entre l'aimant 35 et le ou chaque trou de prélèvement d'air 33. La vitesse de rotation est fonction du régime de la turbine.

La section totale des trous de prélèvement d'air 33 est déterminée pour assurer un débit d'air souhaité pour le refroidissement de la turbine haute pression lorsque celle-ci tourne à plein régime, typiquement, au décollage. Par ailleurs, au moins un élément d'obturation 40 est conformé pour s'appliquer contre une face de la paroi 31a et est fixé à celle-ci pour coopérer avec un trou de prélèvement 33. Le montage est tel que l'élément d'obturation restreint l'écoulement au travers du trou 33 dans des proportions variables en fonction des conditions expliquées ci-après. Dans tous les cas, l'agencement est tel que la section d'écoulement augmente avec le régime de la turbine 34. De façon générale, le matériau de la paroi dans laquelle est pratiquée le trou ou celui constituant l'élément d'obturation est du type dans lequel des courants de Foucault peuvent se créer, typiquement un métal magnétisable. Si de tels courants de Foucault, sont créés, il en résulte une dilatation locale de l'élément d'obturation 40 ou de la paroi 31a. Avantageusement, chaque trou 33 coopère avec un élément d'obturation 40, pour une amplitude de variation maximum du débit d'air. Plusieurs aimants 35 peuvent être fixés sur le disque de rotor, régulièrement espacés circonférentiellement. Des courants de Foucault sont engendrés et, par un échauffement localisé, provoquent cette dilatation locale, fonction du régime de la turbine, propre à augmenter le débit d'air en fonction du régime.

Les figures 2A, 2B illustrent un mode de réalisation dans lequel ledit élément d'obturation 40 comporte une plaque de métal mince où des courants de Foucault peuvent se créer. Plus particulièrement, la paroi 31a comporte une glissière 45 ménagée dans une sur-épaisseur de celle-ci, située au voisinage de chaque trou 33. L'élément d'obturation a ici la forme d'une languette comportant un passage 49, ici en forme de manchon cylindrique. Celui-ci est en correspondance variable avec le trou 33. Une extrémité de la languette est engagée à coulissement dans la glissière tandis que l'autre extrémité est fixée (ici par un rivet 51) à la paroi 31a. La languette a un profil en cuvette pour être le moins possible en contact thermique de conduction avec la paroi 31a. D'autre part, étant donné que la languette est beaucoup plus près de la trajectoire de l'aimant que la paroi 31a, c'est principalement dans celle-ci que les courants de Foucault vont prendre naissance. Autrement dit, le ou les aimants se déplacent en regard de la ou les languettes et y engendrent des courants de Foucault. Sur la figure 2A qui correspond à un fonctionnement à faible régime ou à un régime de croisière, les courants de Foucault sont peu importants et chauffent modérément la languette. Un décalage, voulu, existe entre le trou 33 et le passage 49 de la languette. Le débit est faible mais suffisant pour le régime considéré. C'est la situation qui prévaut pendant la plus grande partie du vol. On prélève relativement peu d'air sur le compresseur haute pression 13. En revanche, au décollage, la turbine tourne à plein régime donc beaucoup plus rapidement. Les courants de Foucault augmentent dans l'élément d'obturation qui se dilate beaucoup plus et beaucoup plus rapidement que la paroi 31a. Par conséquent, le passage 49 d'un élément d'obturation a tendance à se rapprocher latéralement du trou 33 correspondant et le débit d'air augmente. C'est la situation illustrée à la figure 2B.

Dans le mode de réalisation des figures 3A et 3B, l'élément d'obturation 40A est en matériau à faible coefficient de dilatation, par exemple à base de céramique, et la paroi 31a dans laquelle est pratiqué le trou de prélèvement 33 est en métal dans lequel des courants de Foucault peuvent se créer.

Plus précisément, la paroi 31a porte, au voisinage de chaque trou 33, une plaquette de matériau composite à base de céramique (donc à faible coefficient de dilatation) muni d'un trou 49A en correspondance partielle avec le trou 33 (figure 3A). La plaquette est rivetée à la paroi 31a à une certaine distance du trou 33. Elle coulisse dans une glissière elle-même munie d'un trou 55.

A faible régime ou en régime de croisière, la situation est telle qu'illustrée à la figure 3A. Le débit est limité par la correspondance partielle entre les trois trous 33, 49A et 55. En régime de plein gaz, les courants de Foucault provoquent une dilatation localisée (en regard de la trajectoire des aimants) de la paroi 31a et particulièrement la partie de faible épaisseur constituant la glissière et comportant le trou 55. Il en résulte, comme représenté sur la figure 3B que les trous ont tendance à se réaligner et par conséquent à permettre une augmentation du débit d'air.

Claims

REVENDICATIONS1. Turboréacteur comprenant un circuit de prélèvement d'air de refroidissement agencé entre deux sous-ensembles adjacents (29, 17) dont l'un au moins est monté tournant à une vitesse en relation avec celle d'une turbine, des trous de prélèvement (33) étant définis au travers d'une paroi de l'un des sous-ensembles, caractérisé en ce que ces trous de prélèvement sont situés en regard et à proximité d'une partie de l'autre sous-ensemble, en ce qu'au moins un élément d'obturation (40) est conformé pour s'appliquer contre une face de ladite paroi et est fixé à celle-ci pour coopérer avec un tel trou de prélèvement (33) afin de définir avec lui une section d'écoulement augmentant avec le régime de ladite turbine, en ce que le matériau de la paroi dans laquelle est pratiqué ledit trou de prélèvement ou celui constituant ledit élément d'obturation est un matériau d'un type dans lequel des courants de Foucault peuvent se créer et en ce que ladite partie de l'autre sous-ensemble porte au moins un aimant (35) en sorte qu'une rotation relative fonction du régime de ladite turbine est créé entre ledit aimant et le trou de prélèvement muni d'un élément d'obturation précité.
2. Turboréacteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aimant (35) est solidaire d'une partie du rotor de ladite turbine.
3. Turboréacteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit trou de prélèvement et l'élément d'obturation correspondant sont portés par un carter fixe (29, 31) recevant de l'air de ventilation prélevé sur un compresseur.
4. Turboréacteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément d'obturation comporte une plaque de métal mince (40) où des courants de Foucault peuvent se créer.
5. Turboréacteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit élément d'obturation (40a) est en matériau à faible coefficient de dilatation, par exemple à base de céramique, et en ce que la paroi dans laquelle est pratiquée ledit trou de prélèvement est en métal dans lequel des courants de Foucault peuvent se créer.