FR3025835A1 - Systeme de circulation d'air de refroidissement d'aubes de turbine de turbomachine - Google Patents

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Abstract

L'objet principal de l'invention est un système (1) de circulation d'air de refroidissement (A1-A4) d'aubes (24a) de turbine (24) d'une turbomachine (10), caractérisé en ce qu'il comporte un conduit amont (2) de circulation d'air de refroidissement (A1) pour le prélèvement d'air de refroidissement (A1) depuis un compresseur (22) de la turbomachine (10), un conduit aval (3) de circulation d'air de refroidissement (A3) pour l'acheminement d'air de refroidissement (A4) vers les aubes (24a) de turbine (24), et un échangeur thermique (4) positionné entre le conduit amont (2) et le conduit aval (3) pour refroidir l'air de refroidissement (A1) prélevé depuis le compresseur (22) avant son acheminement vers les aubes (24a) de turbine (24) par l'intermédiaire du conduit aval (3).

Description

1 SYSTÈME DE CIRCULATION D'AIR DE REFROIDISSEMENT D'AUBES DE TURBINE DE TURBOMACHINE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des turbomachines d'aéronef, et plus spécifiquement au domaine général du refroidissement d'aubes de turbine de turbomachine, et en particulier d'aubes d'une turbine haute pression de turbomachine. L'invention peut s'appliquer à tout type de turbomachines d'aéronef, par exemple telles que les turboréacteurs et les turbopropulseurs. Plus préférentiellement, l'invention peut s'appliquer à un turboréacteur double corps et double flux. Elle concerne ainsi plus précisément un système de circulation d'air de refroidissement d'aubes de turbine d'une turbomachine, une turbomachine comportant un tel système, ainsi qu'un procédé de refroidissement d'aubes de turbine d'une turbomachine associé. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les aubes de turbine de turbomachine, et en particulier les aubes de turbine haute pression, sont soumises aux températures très élevées des gaz issus de la chambre de combustion et qui traversent la turbine haute pression. Ces températures atteignent des valeurs largement supérieures à celles que peuvent supporter sans dommage les aubes qui sont en contact avec ces gaz, ce qui a pour conséquence de limiter leur durée de vie. Aussi, afin de limiter les dommages causés par ces gaz chauds sur les aubes, il est connu de munir ces aubes de circuits de refroidissement internes visant à réduire leur température. Grâce à de tels circuits, de l'air de refroidissement, qui est généralement introduit dans l'aube par son pied, traverse celle-ci en suivant un trajet formé par des cavités pratiquées dans l'aube avant d'être éjecté par des fentes s'ouvrant à la surface de l'aube, entre le pied et le sommet de celle-ci. L'air de refroidissement, introduit au 3025835 2 contact des aubes de turbine haute pression, est typiquement prélevé depuis le compresseur haute pression de la turbomachine. La figure 1 représente une vue générale, en coupe axiale, d'une turbomachine 10 d'aéronef, par exemple un turboréacteur d'avion à double flux, pouvant comporter un 5 circuit de refroidissement des aubes de turbine haute pression 24. La turbomachine 10 comporte, d'amont en aval, une soufflante 20, un compresseur basse pression 21, un compresseur haute pression 22, une chambre de combustion 23, une turbine haute pression 24 et une turbine basse pression 25. Un circuit de refroidissement interne des aubes de la turbine haute pression 10 24 peut être prévu dans cette turbomachine 10 pour acheminer de l'air de refroidissement depuis le compresseur haute pression 22 vers la turbine haute pression 24. Néanmoins, les circuits de refroidissement des aubes de turbine haute pression habituellement prévus sur une turbomachine ne sont pas entièrement 15 satisfaisants. En effet, les températures élevées subies par les aubes de turbine haute pression en sortie de chambre de combustion imposent une contrainte de tenue en température très forte pour les aubes, qui limite le rendement thermodynamique de la turbomachine. De plus, l'air de refroidissement utilisé reste relativement chaud du fait de sa compression dans le compresseur haute pression, ce qui diminue d'autant l'efficacité 20 du circuit de refroidissement et nécessite alors l'introduction d'une quantité toujours plus grande d'air de refroidissement vers la turbine haute pression, impactant encore le rendement thermodynamique de la turbomachine. EXPOSÉ DE L'INVENTION Par conséquent, il existe un besoin pour améliorer encore le principe de 25 refroidissement d'aubes de turbine d'une turbomachine. En particulier, il existe un besoin pour permettre un refroidissement de l'air utilisé dans un circuit de refroidissement d'aubes de turbine de turbomachine, habituellement prélevé depuis un compresseur haute pression de turbomachine, de sorte à pouvoir limiter le débit d'air vers les aubes de turbine et à pouvoir augmenter le rendement thermodynamique de la turbomachine.
3025835 3 L'invention a pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés ci-dessus et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur. L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un système de circulation d'air de refroidissement d'aubes de turbine, notamment de turbine haute 5 pression, d'une turbomachine, caractérisé en ce qu'il comporte : - un conduit amont de circulation d'air de refroidissement pour le prélèvement d'air de refroidissement depuis un compresseur, notamment un compresseur haute pression, de la turbomachine, - un conduit aval de circulation d'air de refroidissement pour l'acheminement 10 d'air de refroidissement vers les aubes de turbine, - un échangeur thermique positionné entre le conduit amont et le conduit aval pour refroidir l'air de refroidissement prélevé depuis le compresseur avant son acheminement vers les aubes de turbine par l'intermédiaire du conduit aval. Grâce à l'invention, il est possible de proposer une solution alternative plus 15 performante en termes de débit d'air et de rendement thermodynamique pour le refroidissement d'aubes de turbine de turbomachine en comparaison avec les solutions de l'art antérieur. L'invention peut en particulier permettre de refroidir l'air prélevé au niveau d'un compresseur haute pression avant son introduction vers les aubes de turbine. De plus, elle peut permettre de faire varier le débit d'air de refroidissement (ou de 20 ventilation) vers les aubes de turbine, notamment en fonction des phases de vol. Le système de circulation d'air de refroidissement selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles. Le conduit aval peut avantageusement être situé au moins en partie 25 intérieurement par rapport à la chambre de combustion de la turbomachine. De plus, l'échangeur thermique peut être situé extérieurement par rapport au carter de la chambre de combustion de la turbomachine. En outre, le système peut comporter un collecteur positionné entre l'échangeur thermique et le conduit aval.
3025835 4 Le système peut également comporter des moyens de recompression de l'air de refroidissement, notamment des ailettes radiales de recompression situées sur un disque labyrinthe, en sortie du conduit aval avant acheminement de l'air de refroidissement vers les aubes de turbine.
5 L'échangeur thermique peut être un échangeur de chaleur du type air/carburant. Dans ce cas particulier, le circuit de carburant de la turbomachine peut constituer au moins en partie la source froide de l'échangeur thermique. De plus, l'échangeur thermique peut être configuré pour agir en tant que vanne de régulation du débit d'air de refroidissement.
10 Selon un mode de réalisation de l'invention, l'échangeur thermique peut être alimenté, au moins en partie, en air de refroidissement par un circuit d'alimentation de réserve, notamment par une bombonne d'air comprimé. En outre, l'invention a aussi pour objet, selon un autre de ses aspects, une turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte une turbine haute pression et un 15 système de circulation d'air de refroidissement des aubes de la turbine haute pression tel que défini précédemment. De plus, l'invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de refroidissement d'aubes de turbine d'une turbomachine, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre au moyen du système de circulation tel que défini précédemment, 20 et en ce qu'il comporte l'étape de refroidissement d'air prélevé depuis un compresseur, notamment un compresseur haute pression, de la turbomachine par le biais de l'échangeur thermique avant l'acheminement de l'air de refroidissement vers les aubes de turbine. Le système de circulation d'air de refroidissement, la turbomachine et le 25 procédé de refroidissement selon l'invention peuvent comporter l'une quelconque des caractéristiques énoncées dans la description, prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement possibles avec d'autres caractéristiques.
3025835 5 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel : 5 - la figure 1 représente une vue générale, en coupe axiale, d'une turbomachine d'aéronef à double flux pouvant comporter un circuit de refroidissement d'aubes de turbine haute pression, et - la figure 2 illustre, en coupe axiale et partiellement, un exemple de réalisation d'un système de circulation d'air de refroidissement d'aubes de turbine d'une 10 turbomachine. Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues. De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
15 EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PARTICULIER Dans toute la description, il est noté que les termes amont et aval sont à considérer par rapport à une direction principale F d'écoulement normal des gaz (de l'amont vers l'aval) pour une turbomachine 10. Par ailleurs, on appelle axe T de la turbomachine 10, l'axe de symétrie radiale de la turbomachine 10. La direction axiale de 20 la turbomachine 10 correspond à l'axe de rotation des turbines, qui est aussi la direction de l'axe T de la turbomachine 10. Une direction radiale de la turbomachine 10 est une direction perpendiculaire à l'axe T de la turbomachine 10. En outre, sauf précision contraire, les adjectifs et adverbes axial, radial, axialement et radialement sont utilisés en référence aux directions axiale et radiale précitées. De plus, sauf précision contraire, les 25 termes intérieur (ou interne) et extérieur (externe) sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie intérieure (ou interne) d'un élément est plus proche de l'axe T de la turbomachine 10 que la partie extérieure (ou externe) du même élément.
3025835 6 La figure 1 a déjà été décrite précédemment dans la partie relative à l'état de la technique antérieure. En référence à la figure 2, on a illustré, en coupe axiale et partiellement, un exemple de réalisation d'un système 1 de circulation d'air de refroidissement d'aubes 24a 5 de turbine haute pression 24 d'une turbomachine 10. De façon avantageuse, le système 1 conforme à l'invention permet l'acheminement d'air de refroidissement A1-A4 depuis son lieu de prélèvement au niveau du compresseur haute pression 22 de la turbomachine 10 vers son lieu de délivrance au niveau des aubes 24a de la turbine haute pression 24.
10 Plus précisément, le système 1 comporte un conduit amont 2 qui permet de prélever l'air de refroidissement Al depuis le compresseur haute pression 22 et de l'amener dans un échangeur de chaleur 4 au niveau duquel l'air est refroidi. L'air A2 ainsi refroidi traverse alors un collecteur 5, en aval de l'échangeur 4, puis l'air de refroidissement A3 circule dans un conduit aval 3 jusqu'au système d'injection d'air, 15 intérieur à la chambre de combustion 23, vers les aubes 24a de la turbine haute pression 24, refroidies alors par de l'air de refroidissement A4. Cet air de refroidissement A4 est avantageusement re-comprimé au niveau d'une zone Z située en sortie du conduit aval 3, sur laquelle sont formées des ailettes radiales de recompression 6, par exemple à l'intérieur du disque labyrinthe, 20 s'apparentant alors à un compresseur centrifuge. Ces ailettes radiales de recompression 6 peuvent par exemple être telles que celles décrites dans le brevet US 4,759,688 A. En effet, l'échangeur thermique 4 va généralement générer des pertes de charge qui diminuent la pression de l'air de refroidissement A3, cette diminution de pression empêchant alors la sortie de l'air en dehors de la turbine haute pression 24. La 25 recompression de l'air de refroidissement A3 pour obtenir un air de refroidissement A4 apte à être dirigé vers la turbine haute pression 24 permet de pallier à cet inconvénient. Par ailleurs, comme on peut le voir sur la figure 2, l'échangeur thermique 4 est positionné extérieurement par rapport au carter de la chambre de combustion 23, autrement dit au-dessus de celle-ci, et le conduit aval 3 est positionné au moins partiellement intérieurement par rapport à la chambre de combustion 23, autrement dit 3025835 7 au-dessous de celle-ci. Ce montage spécifique du système 1 selon l'invention lui permet de pouvoir être facilement intégré dans la turbomachine 10, avec ainsi une possibilité de maintenance en ligne. De plus, l'échangeur thermique 4 peut avantageusement correspondre à un 5 échangeur air/carburant, le circuit de carburant de la turbomachine 10 constituant la source froide de l'échangeur 4, les injecteurs de carburant étant situés à proximité de celui-ci. Le système 1 de circulation selon l'invention peut également être employé pour permettre une variation du débit d'air de refroidissement A1-A4 vers les aubes 24a 10 de la turbine haute pression 24. En effet, l'échangeur thermique 4 est avantageusement configuré pour agir en tant que vanne de régulation du débit d'air de refroidissement. La variation du débit d'air peut particulièrement être intéressante pour s'adapter à différentes phases de vol. En outre, afin de pouvoir renforcer l'air de refroidissement A1-A4 issu du 15 compresseur haute pression 24, il est possible d'alimenter, en complément de la source d'air fournie par le compresseur haute pression 22, l'échangeur thermique 4 avec un circuit d'alimentation de réserve, et notamment à l'aide d'une bombonne d'air comprimé. Cette bombonne d'air peut notamment être utilisée dans des phases où le moteur est le plus chaud.
20 La bombonne d'air comprimé peut être remplie avant le décollage ou pendant le vol par un compresseur annexe, par exemple de 100 à 200 bars à température ambiante. La détente de cet air diminuera sa température, ce qui augmentera son efficacité de refroidissement. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient 25 d'être décrit. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier. L'expression « comportant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comportant au moins un », sauf si le contraire est spécifié.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Système (1) de circulation d'air de refroidissement (A1-A4) d'aubes (24a) de turbine (24) d'une turbomachine (10), caractérisé en ce qu'il comporte : - un conduit amont (2) de circulation d'air de refroidissement (A1) pour le prélèvement d'air de refroidissement (A1) depuis un compresseur (22) de la turbomachine (10), - un conduit aval (3) de circulation d'air de refroidissement (A3) pour l'acheminement d'air de refroidissement (A4) vers les aubes (24a) de turbine (24), - un échangeur thermique (4) positionné entre le conduit amont (2) et le conduit aval (3) pour refroidir l'air de refroidissement (A1) prélevé depuis le compresseur (22) avant son acheminement vers les aubes (24a) de turbine (24) par l'intermédiaire du conduit aval (3).
  2. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit aval (3) est situé au moins en partie intérieurement par rapport à la chambre de combustion (23) de la turbomachine (10).
  3. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'échangeur thermique (4) est situé extérieurement par rapport au carter de la chambre de combustion (23) de la turbomachine (10).
  4. 4. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un collecteur (5) positionné entre l'échangeur thermique (4) et le conduit aval (3).
  5. 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de recompression de l'air de refroidissement (A3), notamment des ailettes radiales de recompression (6) situées sur un disque 3025835 9 labyrinthe, en sortie du conduit aval (3) avant acheminement de l'air de refroidissement (A4) vers les aubes (14a) de turbine (24).
  6. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 caractérisé en ce que le circuit de carburant de la turbomachine (10) constitue au moins en partie la source froide de l'échangeur thermique (4).
  7. 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur thermique (4) est configuré pour agir en tant que vanne 10 de régulation du débit d'air de refroidissement (A2).
  8. 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'échangeur thermique (4) est alimenté, au moins en partie, en air de refroidissement par un circuit d'alimentation de réserve, notamment par une 15 bombonne d'air comprimé.
  9. 9. Turbomachine (10), caractérisée en ce qu'elle comporte une turbine haute pression (24) et un système (1) de circulation d'air de refroidissement (A1-A4) des aubes (24a) de la turbine haute pression (24) selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes.
  10. 10. Procédé de refroidissement d'aubes (24a) de turbine (24) d'une turbomachine (10), caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre au moyen du système (1) de circulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, et en ce qu'il comporte 25 l'étape de refroidissement d'air (A1) prélevé depuis un compresseur (22) de la turbomachine (10) par le biais de l'échangeur thermique (4) avant l'acheminement de l'air de refroidissement (A3) vers les aubes (24a) de turbine (24).
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