FR3042838A1 - Vanne a membranes et turbomachine comportant une telle vanne - Google Patents

Abstract

La présente invention porte sur une vanne à membranes avec un corps (11) apte à être traversé par un fluide selon une première direction. La vanne de l'invention est appliquée, dans une turbomachine comprenant une turbine, à la commande de l'alimentation en air d'un circuit de ventilation d'un organe de la turbine.

Description

Vanne à membranes et turbomachine comportant une telle vanne Domaine de l’invention

La présente invention concerne le domaine des vannes dont l’organe d’obturation comprend une membrane. Elle porte sur la structure d’une telle vanne permettant à la fois de commander le débit d’un fluide la traversant et de former clapet de retenue ou anti-retour tout en étant de faible encombrement. Elle vise aussi son application dans le domaine des turbomachines, notamment aéronautiques.

Etat de la technique

Dans un moteur à turbine à gaz, en particulier dans le domaine aéronautique, de l’air est communément prélevé sur le compresseur en amont de la chambre de combustion pour ventiler et refroidir certains organes des turbines, situés en aval de la chambre de combustion. Il s’agit par exemple d’alimenter en air le circuit de contrôle actif du jeu en sommets des aubes de la turbine haute pression, désigné par l’acronyme HPTACC pour « high pressure turbine active clearance control » ou bien le circuit de refroidissement du rotor de turbine basse pression, désigné par son acronyme anglais LPTC pour « low pressure turbine cooling ».

Les canalisations d’air, qui cheminent du carter compresseur vers le carter turbine en contournant le carter de la chambre de combustion sont généralement munies à l'endroit de leur jonction avec le carter turbine d'un clapet anti-retour afin de se prémunir contre tout risque de fuite de gaz chaud en provenance des turbines en cas de rupture de l’une de ces canalisations. Les circuits dans lesquels circule l’air de ventilation sont aussi, le cas échéant, régulés par des vannes. C’est le cas notamment du circuit HPTACC. L’espace disponible dans cette zone chaude des moteurs destinés à la propulsion aéronautique étant restreint, on cherche à réduire l’encombrement de ces vannes et de leur système de commande pneumatique ou hydraulique. Par ailleurs, la zone doit être ventilée pour évacuer la chaleur des parties chaudes et tout équipement à l’intérieur de celle-ci peut constituer un obstacle à la ventilation.

Le présent déposant s’est fixé comme objectif de réaliser une vanne présentant un faible encombrement de manière à, d’une part, pouvoir être placé dans un espace très confiné, d’autre part, ne pas former d’obstacle à la circulation d’air de ventilation de la zone dans laquelle elle est disposée.

En particulier, un objectif est de réaliser une vanne de faible volume susceptible d’être logée dans le volume d'un clapet anti-retour situé au niveau du carter de turbine, remplissant à la fois la fonction d'une vanne de régulation de flux d’air, notamment en tout ou rien, et d'un clapet anti-retour.

Enfin la vanne doit être suffisamment robuste pour résister aux températures élevées régnant dans l’environnement de la chambre de combustion et de la turbine haute pression d’un moteur à turbine à gaz.

Exposé de l’invention

On parvient à réaliser ces objectifs avec une vanne à membranes présentant un corps apte à être traversé par un fluide selon une première direction, caractérisée par le fait qu’elle comprend : une première membrane disposée transversalement par rapport à la première direction du fluide, ladite première membrane étant solidaire du corps par une arête et étant percée d’une ouverture pour le passage du fluide, un organe moteur apte à exercer sur la membrane une force parallèle au plan de la membrane et perpendiculaire à la direction de l’arête par laquelle la membrane est en flexion, une seconde membrane apte à recouvrir ladite ouverture de manière à bloquer tout écoulement de fluide à travers l’ouverture, la seconde membrane étant solidaire de la première membrane le long d’un axe perpendiculaire à ladite arête, la seconde membrane étant agencée de manière à prendre une position incurvée autour de l’axe lorsqu’elle n’est soumise à aucun effort, et une position de fermeture de ladite ouverture quand la première membrane est en flexion.

La solution de l’invention par le fait que le passage du fluide est commandé par la coopération des deux membranes superposées et que l’organe moteur agit dans le plan des membranes permet la réalisation d’une vanne particulièrement peu encombrante et de faible hauteur. En outre la structure de la vanne est très simple ce qui la rend très robuste.

Conformément à une autre caractéristique, la seconde membrane est agencée de façon à venir en position de fermeture, en appui contre la première membrane lorsque la première membrane est en position de repos, sans flexion, et qu’une différence de pression existe entre les deux faces de la seconde membrane.

Cette caractéristique permet d’assurer la fonction de clapet anti retour lorsque la différence de pression entre les deux faces de la première membrane est inversée par rapport à l’écoulement nominal, par exemple en cas de rupture d’une canalisation d’alimentation en air de ventilation de la turbine.

Conformément à un mode de réalisation, la seconde membrane présente une face dont la couche en surface est soumise à une précontrainte par rapport à la couche sous jacente induisant une forme incurvée autour dudit axe en absence d’effort extérieur appliqué sur la seconde membrane.

Cette caractéristique permet de maintenir la vanne en position d’ouverture et d’éviter tout mécanisme agissant spécifiquement sur l’élément obturateur que constitue la seconde membrane. La vanne fonctionne ainsi en tout ou rien avec deux positions, ouverte et fermée, stables.

Conformément à une autre caractéristique, l’organe moteur comprend un piston mobile dans une direction transversale par rapport à la direction dudit fluide. En particulier, le piston est mobile dans une chambre apte à être alimentée en fluide gazeux sous pression. Le dispositif de mise en action de la vanne est ainsi de préférence pneumatique.

Selon une autre caractéristique, la première membrane comprend des bords latéraux, entre l’arête de fixation au corps de vanne et l’organe moteur, montés chacun en contact glissant contre une face interne du corps de vanne. L’étanchéité est alors assurée éventuellement par des joints glissants appropriés.

Une vanne présentant la structure décrite ci-dessus trouve une application avantageuse dans une turbomachine comprenant une turbine et un circuit de ventilation d’un organe de la turbine, ledit circuit étant commandé par une vanne selon l’invention, en raison de son faible encombrement et de sa double fonction. Ainsi de préférence la vanne est disposée sur le carter de la turbine. L’application pour les turbomachines aéronautiques vise en particulier le circuit de ventilation agencé pour assurer le contrôle actif de jeu entre le sommet des aubes de la turbine et l’anneau de turbine.

Une autre application pour les turbomachines aéronautiques vise le circuit de ventilation agencé pour assurer le refroidissement du rotor de turbine.

Présentation des figures L’invention sera mieux comprise, et d’autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l’invention donné à titre d’exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés.

Sur ces dessins : - La figure 1 est une représentation schématique d’un turboréacteur à double flux, double corps, auquel la vanne à membranes de l’invention peut être intégrée ; - La figure 2 montre schématiquement la liaison entre le compresseur et la turbine d’un moteur à turbine à gaz avec l’agencement de la vanne au plus près de la turbine ; - La figure 3 montre en perspective et par transparence un mode de réalisation d’une vanne selon l’invention, en position ouverte ; - La figure 4 montre la vanne de la figure 3 en position de fermeture commandée ; - La figure 5 montre la vanne de la figure 3 avec le clapet en position anti retour; - La figure 6 montre la rupture de la canalisation d’alimentation conduisant à la fermeture du clapet.

Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention.

Un turboréacteur comprend une manche d’entrée d’air, à l’amont, par laquelle l’air est aspiré dans le moteur et une tuyère à l’aval par laquelle les gaz chauds produits par la combustion d’un carburant sont éjectés pour fournir une partie de la poussée, au moins. Entre la manche d’entrée et la tuyère d’éjection des gaz, l’air aspiré est comprimé par des moyens de compression, chauffé et détendu dans des turbines qui entraînent les moyens de compression. Les turboréacteurs multi-flux comportent en plus, au moins un rotor de soufflante déplaçant une masse importante d’air, formant le flux secondaire et fournissant l’essentiel de la poussée, le flux primaire étant la partie du flux d’air aspiré qui est chauffée puis détendue dans la turbine, avant d’être éjectée à travers la tuyère de flux primaire. Le turboréacteur de la figure 1 est à double flux et double corps, avec un corps à basse pression BP et un corps à haute pression HP, avec successivement dans le sens du parcours de l’air dans le moteur, une entrée d’air 1 à l’amont, une soufflante 2 débitant l’air dans un canal de flux secondaire annulaire 3 et vers les compresseurs 41 et 42, de flux primaire au centre, la chambre de combustion 5, et les étages de turbine 62 et 61. La soufflante 2 le compresseur 41 et la turbine 61 sont solidaires entre eux et forment le rotor du corps BP, le compresseur 42 et la turbine 62 sont solidaires entre eux et forment le rotor du corps HP. Ici le flux secondaire est éjecté séparément à travers une tuyère de flux secondaire. Dans la partie aval du moteur les rotors sont supportés par le carter d’échappement 7. Le flux primaire est éjecté à travers la tuyère 8 de flux primaire en aval du carter d’échappement. Le flux est annulaire et la veine du flux primaire est délimitée intérieurement par le cône d’échappement 9. Le cône 9 est une pièce creuse de forme sensiblement tronconique, solidaire du carter d’échappement.

Comme cela a été mentionné plus haut, le moteur comprend généralement au moins un circuit HPTACC de contrôle actif du jeu en sommets des aubes de la turbine haute pression 62 ou bien un circuit LPTC de refroidissement du rotor de turbine basse pression 61. L’un ou l’autre circuit est alimenté en air depuis l’un des compresseurs 41 ou 42 par une ou plusieurs canalisations 46 qui débouchent sur le carter de la turbine 61 ou 62 selon le circuit.

Conformément à un aspect de l’invention, on dispose une vanne 10 à la jonction de la ou des canalisations 46 avec le carter de turbine 61 et/ou 62. La figure 2 montre schématiquement la disposition de la vanne 10. La vanne 10 est nouvelle et est représentée sur les figures 3, 4 et 5.

La vanne 10 comprend un corps de vanne 11, représenté en transparence sur les figures, muni d'une chambre 111 ainsi que de deux membranes 12 et 13. Le corps de vanne 11 est de forme sensiblement rectangulaire. Il est traversé par le flux d’air F dont il s’agit d’assurer le contrôle. Il est orienté par rapport à un repère x y z orthonormé. L’axe z est parallèle à la direction du flux F. Une première membrane 12 réalisée dans un matériau résilient, par exemple métallique, est disposée transversalement à la direction du flux F, dans le plan xy, percée en son milieu, et encastrée par l'une 121 de ses arrêtes dans le corps de vanne le long de l'axe y. la membrane 12 est équipée à son extrémité 122, opposée par rapport à l’arête 121, d'un piston 153 libre en translation selon l'axe x dans la chambre 111 du corps de vanne 11. Une seconde membrane 13 est fixée sur la membrane 12 par un bord 131 sur toute sa longueur, le long de l’axe x. La face supérieure de la membrane 13 est précontrainte en compression dans le sens de l'axe y de sorte à donner à la membrane une certaine courbure lorsque celle-ci est au repos, c'est-à-dire lorsqu’elle n’est soumise à aucun effort extérieur.

La figure 3 illustre le système au repos en fonctionnement nominal ; la membrane 12 est sensiblement plane et l’ouverture formée par le perçage est libre. La membrane 13 est en position incurvée vers le haut autour de l’axe 131 rectiligne. La vanne est ainsi en position ouverte et laisse le fluide F circuler du bas vers le haut sur la figure. Aucun effort extérieur n’est appliqué sur les membranes.

La figue 4 montre la première membrane 12 lorsqu’elle est soumise à un effort de compression dans la direction x. Le matériau de la membrane a été choisi de façon à ce qu’il se produise un phénomène de flambage qui se traduit par une flexion de la membrane 12 autour de l'axe y.

La flexion de la première membrane 12 induit celle de l’axe 131 et force la seconde membrane 13 à se rabattre sur la première membrane 12. L’ouverture ménagée sur la première membrane 12 est recouverte par la seconde membrane 13 ; la vanne est fermée.

La flexion de la première membrane est obtenue par l’effort de compression exercé par l’organe moteur 15. Celui-ci comprend un piston 153, solidaire de la première membrane 12 à son extrémité 122. Celui-ci est mobile à l’intérieur de la chambre 111 du corps de vanne dans la direction x. Cette chambre communique avec une source de fluide, de préférence gazeux, sous pression P par une entrée 155 située entre le piston et le fond de chambre. Cet ensemble forme un muscle pneumatique. Ainsi, lorsque la chambre est mise en pression par le fluide, le piston se déplace parallèlement à la direction x et la première membrane 12 fléchit autour de l’axe 121. Lorsque la chambre n’est plus reliée à la source sous pression, la première membrane, en raison de sa résilience, reprend sa forme initiale et repousse le piston 153 vers le fond de chambre en chassant le fluide par l’entrée 155.

Cette vanne est destinée à être positionnée à l'endroit où l’élément de canalisation du circuit HPTACC ou LPTC rejoint le carter turbine, permettant l'ouverture ou la fermeture du circuit.

Dans l'éventualité où, pour une quelconque raison, un élément de canalisation du circuit LPTC ou HPTACC venait à rompre, voir figure 6, sans ce dispositif l'air chaud de la turbine aurait tendance à s’échapper par la canalisation rompue car la pression dans le carter turbine est supérieure à la pression dans le compartiment formé par l’enveloppe du moteur. La figure 5 illustre le fonctionnement de la présente invention en pareil cas de panne. En effet, si la différence de pression favorise l’écoulement de l’air dans le sens inverse du circuit (c'est à dire du haut vers le bas dans les figures ci-jointes), les efforts aérodynamiques rabattent la second membrane 13 sur la première membrane 12 et empêche le passage du gaz. Le système remplit ainsi le rôle d'un clapet antiretour. Il est à noter que dans pareille situation de panne le dispositif est stable et reste fermé même en cas d'alimentation et de relâchement de l’organe moteur 15.

Conformément à un mode de réalisation du dispositif dans un moteur, des contacteurs électriques sont placés au niveau du contact entre les deux membranes de manière à permettre d’établir un signal de retour de position qui serait envoyé au calculateur afin de l’informer sur l’état, ouvert ou fermé, de la vanne.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS 1) Vanne à membranes avec un corps (11) apte à être traversé par un fluide selon une première direction, caractérisée par le fait qu’elle comprend : une première membrane (12) disposée transversalement par rapport à la première direction du fluide, ladite première membrane (12) étant solidaire du corps par une arête (121) et étant percée d’une ouverture pour le passage du fluide, un organe moteur (15) apte à exercer sur la première membrane (12) une force de flambage parallèle au plan de la première membrane et perpendiculaire à la direction de l’arête (121), une seconde membrane (13) apte à recouvrir ladite ouverture de manière à bloquer tout écoulement de fluide par l’ouverture, la seconde membrane (13) étant solidaire de la première membrane le long d’un axe (131) perpendiculaire à ladite arête (121), la seconde membrane étant agencée de manière à prendre une position incurvée autour de l’axe (131) lorsqu’elle n’est soumise à aucun effort, et une position de fermeture de ladite ouverture quand la première membrane est en flexion.
2. 2) Vanne selon la revendication 1 dont la seconde membrane (13) est agencée de façon à être en position de fermeture où elle est en appui contre la première membrane (12), lorsque la première membrane est en position de repos, sans flexion et qu’une différence de pression existe entre les deux faces de la seconde membrane (13).
3. 3) Vanne selon l’une des revendications précédentes dont la seconde membrane (13) présente une face soumise à une précontrainte induisant une forme incurvée autour dudit axe (131) en absence d’effort appliqué sur la seconde membrane (13).
4. 4) Vanne selon l’une des revendications précédentes dont l’organe moteur (15) comprend un piston (153) mobile dans une direction transversale par rapport à la direction dudit fluide.
5. 5) Vanne selon la revendication précédente dont le piston (153) est mobile dans une chambre (111) apte à être alimentée en fluide sous pression.
6. 6) Vanne selon l’une des revendications précédentes dont la première membrane (12) comprend des bords latéraux (123), entre l’arête (121) et l’organe moteur (15), coulissant le long du corps (11).
7. 7) Turbomachine comprenant une turbine et un circuit de ventilation d’un organe de la turbine, ledit circuit comprenant une vanne selon l’une des revendications précédentes.
8. 8) Turbomachine selon la revendication 7 dont la vanne est disposée sur le carter de la turbine.
9. 9) Turbomachine selon la revendication précédente, dont le circuit de ventilation est agencé pour assurer le contrôle de jeu entre l’extrémité des aubes de la turbine et l’anneau de turbine.
10. 10) Turbomachine selon la revendication 8 dont le circuit de ventilation est agencé pour assurer le refroidissement du rotor de turbine.