FR2972492A1 - Turbomachine comportant une vanne anti-pompage - Google Patents

Abstract

Turbomachine, comprenant un compresseur (10) relié à un diffuseur (20) pour alimenter une chambre de combustion, et au moins une vanne anti-retour à clapets (40, 42) montée sur des moyens (28) de prélèvement d'air dans le compresseur et/ou en sortie du compresseur ou du diffuseur, la vanne comportant au moins un clapet (43, 54) libre en rotation autour d'un axe transversal et déplaçable entre une position ouverte maintenue par le flux d'air fourni par le compresseur, et une position fermée empêchant un retour d'air vers le compresseur en cas de pompage, cette vanne étant équipée d'un capteur (60, 62) détectant une différence de pression entre des zones en aval et en amont du clapet.

Description

1 Turbomachine comportant une vanne anti-pompage

La présente invention concerne une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, une turbine à gaz terrestre ou marine, etc., comprenant un compresseur relié à un diffuseur pour alimenter une chambre de combustion et équipée d'une vanne anti-retour à clapet pour limiter ou éviter les risques causés par les phénomènes de pompage du compresseur. Certaines conditions de fonctionnement de la turbomachine peuvent provoquer un phénomène de pompage du compresseur. Le pompage se traduit par une inversion du sens de l'écoulement du flux d'air dans le compresseur ainsi que par une chute brutale de la pression en sortie de celui-ci. Cette inversion brutale du sens de l'écoulement du flux d'air provoque une excitation vibratoire très forte des aubages du compresseur.

Ces vibrations intenses peuvent provoquer des criques ou des fissures dans les aubages et donc causer à terme leur destruction. Le niveau d'excitation vibratoire est d'autant plus fort que la pression en sortie du compresseur est élevée et que le volume d'air comprimé contenu dans une cavité d'alimentation de la chambre de combustion et/ou dans une cavité de prélèvement d'air sur le compresseur est grand. Dans la technique actuelle, il n'est pas toujours possible de déterminer avec certitude dans l'instant si un pompage a eu lieu dans un compresseur de turbomachine. Le pompage d'un compresseur peut éventuellement être détecté par perception d'un bruit sourd caractéristique causé par l'inversion de l'écoulement du flux d'air dans le compresseur. Le pompage peut en outre provoquer une chute du régime de rotation de la turbomachine et une augmentation de la température de sa turbine. Toutefois, si le pompage est très fugace (il peut durer moins de 1/10 de seconde), il est probable qu'il ne sera pas détecté. Il peut toutefois entraîner des dommages importants du compresseur de la turbomachine.

Dans le cas où un pompage du compresseur d'une turbomachine a été détecté, il est nécessaire de vérifier l'état de la turbomachine. Si des criques des aubes sont observées, on est généralement amené à démonter la turbomachine pour effectuer les réparations nécessaires. Les risques liés au pompage diminuent la fiabilité et la disponibilité de la turbomachine tout en augmentant les coûts liés à l'immobilisation et à la maintenance de celle-ci. L'invention a notamment pour objet d'apporter une solution simple, efficace et économique à ces problèmes précités liés aux phénomènes de 10 pompage dans un compresseur de turbomachine. Elle propose à cet effet une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant un compresseur relié à un diffuseur pour alimenter une chambre de combustion, caractérisée en ce qu'au moins une vanne anti-retour à clapet est montée dans des moyens 15 de prélèvement d'air sur le compresseur et/ou en sortie du compresseur ou du diffuseur, la vanne comportant au moins un clapet qui est monté libre en rotation autour d'un axe transversal et est déplaçable entre une position ouverte maintenue par le flux d'air prélevé sur le compresseur ou sortant du compresseur ou du diffuseur et une position fermée destinée à limiter ou 20 empêcher un retour d'air vers le compresseur à travers la vanne en cas de pompage, et en ce que la vanne est équipée d'un capteur de pression différentielle détectant une différence de pression entre des zones en aval et en amont du clapet, ce capteur étant relié à des moyens de surveillance, de régulation et/ou de contrôle de la turbomachine. 25 La vanne anti-retour à clapet permet de limiter voire de supprimer les risques liés au pompage dans le compresseur en s'opposant au retour vers le compresseur de l'air comprimé contenu dans des cavités de prélèvement d'air et/ou d'alimentation de la chambre de combustion. L'invention permet ainsi de limiter le volume d'air comprimé susceptible de revenir dans le 30 compresseur lors de l'inversion du sens de l'écoulement du flux d'air dû au pompage. Au moins une vanne du type précité est placée entre une cavité contenant un important volume d'air comprimé (comme une cavité d'alimentation de la chambre de combustion ou une cavité de prélèvement d'air, par exemple) et la veine du compresseur. Si un pompage se produit, le volume d'air comprimé repartant vers le compresseur est très nettement diminué, ce qui atténue d'autant l'excitation vibratoire des aubages du compresseur, et donc les risques de leur endommagement. L'ouverture de la vanne est provoquée par le flux d'air sortant du compresseur lorsque la vanne est montée en sortie du compresseur ou du diffuseur, et par le flux d'air prélevé lorsque la vanne est montée dans des moyens de prélèvement d'air sur le compresseur. Ce flux d'air exerce sur le ou les clapets une pression qui les maintient dans leur position ouverte. La fermeture de la vanne est quasi instantanée quand la pression en aval est supérieure à la pression en amont de la vanne. De plus, la détection d'un phénomène de pompage est facilitée et fiabilisée grâce au capteur de pression différentielle qui détecte la différence de pression entre des zones en aval et en amont du clapet de la vanne. Ce capteur est relié à des moyens de surveillance, de régulation et/ou de contrôle de la turbomachine. Les signaux de sortie du capteur transmis aux moyens de surveillance, de régulation et/ou de contrôle permettent de savoir si il y a eu pompage et de décider en connaissance de cause des contrôles à effectuer sur la turbomachine. La vanne anti-retour à clapet peut être montée dans un conduit de prélèvement d'air débouchant à une extrémité dans la veine du compresseur, cette vanne comportant deux clapets sensiblement semi- circulaires articulés autour d'un même axe s'étendant le long de bords rectilignes contigus des clapets et perpendiculairement à l'axe longitudinal du conduit. Avantageusement, les clapets sont mobiles entre une position fermée où ils sont sensiblement perpendiculaires à l'axe du conduit et une position ouverte où ils sont sensiblement parallèles à cet axe, ces positions ouverte et fermée étant définies par des moyens portés par la vanne et sur lesquels peuvent venir en butée les clapets. Lors d'un pompage, la pression diminue plus rapidement dans la veine du compresseur que dans la cavité de prélèvement d'air contenant un important volume d'air comprimé. Lorsque la pression dans la veine du compresseur est inférieure à la pression dans la cavité, le sens de l'écoulement commence à s'inverser et à s'établir de la cavité vers la veine. Les clapets de la vanne anti-retour tournent autour de leur axe et viennent dans leur position de fermeture pour obturer la section de passage entre la cavité comprimée et la veine. La rotation des clapets autour de leur axe ne demande pas d'effort. Cette fermeture quasi instantanée, en moins de 1/10 de seconde, permet d'éviter l'excitation vibratoire des aubages du compresseur. Les clapets ont de préférence une masse relativement faible (choix de matériaux légers et de dimensions faibles) pour ne pas retarder la fermeture de la vanne par leur inertie. La vanne est de préférence placée au voisinage le plus proche de la veine du compresseur pour augmenter son efficacité en limitant le volume d'air pouvant s'inverser dans la veine en cas de pompage.

La vanne peut être montée dans une section tubulaire du conduit de prélèvement d'air. Plus la section de passage obturée en cas d'inversion de l'écoulement est grande et meilleure est la protection contre le flottement au pompage. Le capteur de pression différentielle peut comprendre des premiers moyens de détection de pression statique dans une zone en amont des clapets de la vanne et des seconds moyens de détection de la pression statique dans une zone en aval des clapets de la vanne. En cas d'inversion de l'écoulement du flux d'air dans le compresseur, les clapets de la vanne sont déplacés en position fermée.

Les pressions statiques de part et d'autre des clapets de la vanne sont alors différentes, ce qui se traduit par la génération d'un signal par le capteur de pression différentielle. Le signal du capteur est transmis aux moyens de surveillance, de régulation et/ou contrôle de la turbomachine et permet de détecter le pompage et de décider en connaissance de cause des contrôles à effectuer sur la turbomachine.

Avantageusement, le capteur est configuré de façon à transmettre un signal aux moyens de surveillance, de régulation et/ou de contrôle lorsque la différence de pression précitée est supérieure ou égale à une valeur seuil correspondant à un phénomène de pompage dans la turbomachine. Le réglage de cette valeur seuil permet de ne déclencher une alarme que pour les pompages suffisamment énergétiques pour endommager la turbomachine. Une vanne anti-retour à clapet peut aussi être montée en sortie du compresseur ou du diffuseur et comprend des clapets disposés circonférentiellement bout à bout et articulés autour d'axes tangentiels à une circonférence centrée sur l'axe longitudinal de la turbomachine, en particulier dans le cas d'une chambre de combustion annulaire. Dans le cas où le diffuseur comprend deux parois sensiblement cylindriques coaxiales, respectivement interne et externe, reliées entre elles par des aubes sensiblement radiales, les axes d'articulation des clapets sont de préférence fixés à l'extrémité aval de la paroi externe du diffuseur. La vanne ne comprend ainsi pas de corps à proprement parler et est donc relativement légère et peu encombrante. Cette vanne est de préférence montée au niveau de la section de passage la plus faible du compresseur ou du diffuseur de façon à limiter la section de la veine à obturer. En fonctionnement normal, les clapets sont parallèles au sens de l'écoulement du flux d'air dans le compresseur et ne le perturbent pas. Les clapets restent dans cette position du fait de la pression à laquelle ils sont soumis par le flux d'air. En cas de pompage, la pression en aval et l'inversion de l'écoulement du flux d'air va soumettre les clapets à un effort tendant à les faire tourner autour de leurs axes et ainsi à obturer la section de passage entre la cavité d'air comprimé de la chambre de combustion et la veine du compresseur. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'une turbomachine selon la technique antérieure ; - la figure 2 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'une turbomachine selon l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique en coupe axiale et à plus grande échelle de la vanne anti-retour à clapets montée sur les moyens de prélèvement d'air du compresseur de la figure 2 ; et - la figure 4 est une vue schématique à plus grande échelle d'une partie du diffuseur de la figure 2. Dans les figures 1 et 2, ce qui se trouve à gauche est en amont et ce qui se trouve à droite est en aval par rapport au sens normal d'écoulement de l'air dans une turbomachine. Le compresseur 10 de la turbomachine représentée en figure 1, qui illustre la technique antérieure, comprend un certain nombre d'étages de compression, chaque étage comportant une rangée annulaire d'aubes mobiles 12, dont les extrémités radialement internes sont fixées sur un disque porté par un arbre de la turbomachine, et une rangée annulaire d'aubes fixes 14 de redressement, agencées en aval de la rangée annulaire d'aubes mobile 12 et dont les extrémités radialement externes sont portées par un carter externe 18 sensiblement cylindrique. La turbomachine comprend un diffuseur annulaire 20 monté en sortie ou en aval du compresseur 10 et comprenant deux parois annulaires coaxiales, respectivement interne 22 et externe 24, entre lesquelles s'étendent des aubes 26 sensiblement radiales. Le diffuseur 20 est porté par le carter externe 18.

L'air comprimé qui sort du diffuseur 20 pénètre dans une cavité annulaire Cl d'alimentation en air d'une chambre annulaire de combustion (non représentée) de la turbomachine. La turbomachine est en outre équipée de moyens de prélèvement d'air sur le compresseur 10, ces moyens comportant un conduit 28 de prélèvement dont une extrémité débouche dans la veine du compresseur à travers un orifice 30 du carter externe 18 et dont l'autre extrémité débouche dans une cavité C2 de récupération de l'air prélevé. En fonctionnement normal de la turbomachine, un flux d'air s'écoule d'amont en aval dans le compresseur 10 et est comprimé par les étages de compression (flèches en traits continus 32, 34). Une partie du débit d'air circulant dans la veine du compresseur est prélevé par le conduit 28 (flèche en trait continu 36) et alimente la cavité C2. Lorsqu'un phénomène de pompage se produit, l'écoulement du flux d'air dans le compresseur s'inverse et l'air comprimé contenu dans les cavités Cl et C2 précitées retourne dans la veine du compresseur à travers le diffuseur 20 et le conduit 28 de prélèvement d'air (flèches en traits discontinus 38). Cette inversion brutale du sens de l'écoulement du flux d'air provoque une excitation vibratoire très forte des aubages du compresseur pouvant les endommager. L'invention permet de remédier à ce problème grâce à au moins une vanne anti-retour à clapets 40, 42 montée en sortie du compresseur 10 ou du diffuseur 20 et/ou sur le conduit 28 de prélèvement d'air, c'est-à-dire entre la veine du compresseur et au moins une des cavités Cl, C2 précitées d'air comprimé. Dans l'exemple représenté en figure 2, une vanne anti-retour à clapets 40 est montée entre la veine du compresseur 10 et la cavité Cl, en sortie du diffuseur 20, qui a une section annulaire. La vanne 40 comprend plusieurs clapets 43 qui sont disposés bout à bout en direction circonférentielle et qui sont mobiles entre une position déployée (représentée en traits continus) où ils sont parallèles à l'axe d'écoulement du flux d'air sortant du diffuseur et une position rabattue (représentée en traits discontinus) où ils s'étendent transversalement à l'axe d'écoulement du flux d'air et obturent au moins en partie la sortie du diffuseur. Les clapets 43 sont montes libres en rotation par leurs bords périphériques externes sur des axes 44 sensiblement tangents à une circonférence centrée sur l'axe de la turbomachine, ces axes 44 étant fixés à l'extrémité aval de la paroi externe 24 du diffuseur. En position d'obturation de la sortie du diffuseur 20, les bords périphériques internes des clapets 43 sont situés au voisinage ou affleurent l'extrémité aval de la paroi interne 22 du diffuseur. Chaque clapet 43 a une forme de secteur angulaire et des moyens d'étanchéité peuvent être montés entre les bords adjacents en regard des clapets ou entre leurs bords périphériques interne et externe et les extrémités aval des parois 22, 24 du diffuseur 20. Chaque clapet 43 coopère avec ou est équipé d'un système limitant son débattement en rotation de manière à ce qu'il soit sensiblement parallèle à l'axe d'écoulement de l'air en fonctionnement normal. L'arrêt en rotation de chaque clapet 43 peut être assuré par l'ajout d'une excroissance 65 empêchant la rotation du clapet au-delà d'un certain angle a. Cette excroissance 65 peut-être fixée à l'extrémité du clapet 43 qui est articulée sur le diffuseur 20 (figure 4), ou à l'extrémité aval du diffuseur 20. Une vanne anti-retour à clapets 42 est également montée entre la veine du compresseur 10 et la cavité C2, dans le conduit 28 de prélèvement d'air qui a ici une section circulaire.

La vanne 42, mieux visible en figure 3, comprend un corps tubulaire central 46 cylindrique relié à ses extrémités au conduit d'entrée 28 et à un conduit de sortie 52 délimitant la cavité C2. Les clapets 54 de la vanne 42 sont montés dans le corps central 46 et sont au nombre de deux et de forme sensiblement semi-circulaire. Ces clapets 54 sont disposés l'un par rapport à l'autre de façon à ce que leurs bords rectilignes soient contigus et que les clapets forment un disque lorsqu'ils sont sensiblement coplanaires. Les clapets 54 sont mobiles entre une position déployée (représentée en traits continus) où ils sont sensiblement parallèles à l'axe d'écoulement du flux d'air circulant dans le conduit 28 et une position rabattue (représentée en traits discontinus) où ils s'étendent transversalement à l'axe d'écoulement du flux d'air et obturent au moins en partie la section de passage du corps central 46 de la vanne. Les clapets 54 sont montés en rotation par leurs bords rectilignes sur un axe 56 qui est perpendiculaire à l'axe du conduit 28 et de la vanne 42 et qui traverse le corps central 46 sensiblement en son milieu.

Les positions d'obturation des clapets 54 sont définies par des sièges d'appui 58 annulaires portés par le corps central 46 de la vanne et leurs positions d'ouverture par des plots cylindriques 59 dans l'exemple représenté en figure 3. Chaque vanne 40, 42 est équipée d'un capteur de pression différentielle, ce capteur comportant des premiers moyens 60 de détection de la pression statique P1 dans une zone en amont des clapets 54, par exemple dans le conduit 28 en amont de la vanne 42, et des seconds moyens 62 de détection de la pression statique P2 dans une zone en aval des clapets 54, par exemple dans le conduit 52 en aval de la vanne 42.

Ces moyens de détection sont par exemple des capteurs de pression instationnaires de manière à avoir un temps de réponse suffisamment rapide pour capter une baisse de pression due au pompage. Ils sont reliés à des moyens 64 de surveillance, de régulation et/ou de contrôle de la turbomachine qui reçoivent les signaux générés par le capteur en fonctionnement. Le capteur est de préférence réglé pour émettre un signal dès que la différence de pression P2 - P1 est supérieure ou égale à une certaine valeur seuil, par exemple égale à 6 bars. Les moyens 64 de surveillance, de régulation et/ou de contrôle sont par exemple le système de régulation du moteur appelé FADEC ou tout autre système de régulation. L'information peut être renvoyée en cabine de pilotage et enregistrée pour une exploitation ultérieure en maintenance.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant un compresseur (10) relié à un diffuseur (20) pour alimenter une chambre de combustion, caractérisée en ce qu'au moins une vanne anti-retour à clapet (40, 42) est montée dans des moyens (28) de prélèvement d'air sur le compresseur et/ou en sortie du compresseur ou du diffuseur, la vanne comportant au moins un clapet (43, 54) qui est monté libre en rotation autour d'un axe transversal et est déplaçable entre une position ouverte maintenue par le flux d'air prélevé sur le compresseur ou sortant du compresseur ou du diffuseur et une position fermée destinée à limiter ou empêcher un retour d'air vers le compresseur à travers la vanne en cas de pompage, et en ce que la vanne est équipée d'un capteur (60, 62) de pression différentielle détectant une différence de pression entre des zones en aval et en amont du clapet, ce capteur étant relié à des moyens (64) de surveillance, de régulation et/ou de contrôle de la turbomachine.
2. 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une vanne anti-retour à clapet (42) est montée dans un conduit (28) de prélèvement d'air débouchant à une extrémité dans la veine du compresseur (10), cette vanne comportant deux clapets (54) sensiblement semi-circulaires articulés autour d'un même axe (56) s'étendant le long de bords rectilignes contigus des clapets et perpendiculairement à l'axe longitudinal du conduit.
3. 3. Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce que les clapets (54) sont mobiles entre une position fermée où ils sont sensiblement perpendiculaires à l'axe du conduit (28) et une position ouverte où ils sont sensiblement parallèles à cet axe, ces positions ouverte et fermée étant définies par des moyens (58) portés par la vanne et sur lesquels peuvent venir en butée les clapets.
4. 4. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le capteur comprend des premiers moyens (60) dedétection de la pression statique (P1) dans une zone en amont des clapets (54) de la vanne et des seconds moyens (62) de détection de la pression statique (P2) dans une zone en aval des clapets de la vanne.
5. 5. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le capteur (60, 62) est configuré de façon à transmettre un signal aux moyens (64) de surveillance, de régulation et/ou de contrôle lorsque la différence de pression précitée est supérieure ou égale à une valeur seuil correspondant à un phénomène de pompage dans la turbomachine.
6. 6. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une vanne anti-retour à clapets (40) est montée en sortie du compresseur (10) ou du diffuseur (20) et comprend des clapets (43) disposés circonférentiellement bout à bout et articulés autour d'axes (44) tangentiels à une circonférence centrée sur l'axe longitudinal de la turbomachine.
7. 7. Turbomachine selon la revendication 6, caractérisée en ce que le diffuseur (20) comprend deux parois sensiblement cylindriques (22, 24) coaxiales, respectivement interne et externe, reliées entre elles par des aubes (26) sensiblement radiales, les axes (44) d'articulation des clapets (43) étant fixés à l'extrémité aval de la paroi externe du diffuseur.