FR3050763A1 - Dispositif de circulation d'air pour une turbomachine comportant un systeme de derivation d'air chaud vers un echangeur de chaleur - Google Patents

Dispositif de circulation d'air pour une turbomachine comportant un systeme de derivation d'air chaud vers un echangeur de chaleur Download PDF

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Abstract

L'objet principal de l'invention est un dispositif (1) de circulation d'air pour turbomachine (10), comportant un circuit d'acheminement d'air (2, 4b, 9, 4a, 3), adapté pour acheminer de l'air chaud (A1) prélevé sur la turbomachine (10) jusqu'à une partie à réchauffer (38), comprenant un premier tronçon, solidaire en rotation d'une partie rotative (31, 24) et comprenant au moins un conduit d'acheminement (3, 9) d'air chaud (A2), et un dispositif de passage d'air chaud (4a, 4b), comportant un compartiment annulaire solidaire en rotation du premier tronçon, caractérisé en ce que le compartiment annulaire comprend un échangeur de chaleur en contact avec l'air extérieur, et en ce que le dispositif de passage d'air chaud (4a, 4b) comprend un système de dérivation d'air chaud pour dévier l'air entrant dans le dispositif et le faire circuler le long de l'échangeur de chaleur quand la température de cet air entrant dépasse un seuil prédéterminé.

Description

DISPOSITIF DE CIRCULATION D'AIR POUR UNE TURBOMACHINE COMPORTANT UN SYSTÈME DE DÉRIVATION D'AIR CHAUD VERS UN ÉCHANGEUR DE CHALEUR
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine général des turbomachines, et plus particulièrement au domaine des architectures de turbomachine prévues pour permettre la circulation d'air dans une turbomachine, et notamment au travers d'une interface avec une partie tournante de la turbomachine. L'invention concerne également le domaine des systèmes de dégivrage et/ou d'antigivrage pour de telles turbomachines, et notamment au niveau de toute partie amont d'une turbomachine susceptible de givrer. L'invention s'applique à tout type de turbomachines terrestres ou aéronautiques, et notamment aux turbomachines d'aéronef telles que les turboréacteurs et les turbopropulseurs. Plus spécifiquement, l'invention trouve une application privilégiée dans le domaine des turbomachines pour aéronef comportant au moins une hélice non carénée, et également un doublet d'hélices corotatives ou contra rotatives non carénées, ce type de turbomachine étant également dénommé « à soufflante(s) non carénée(s) », ou portant encore les appellations anglaises « open rotor » ou « propfan ». L'architecture générale d'une turbomachine du type «open rotor» se distingue de celle d'une turbomachine conventionnelle par la disposition particulière de la soufflante disposée à l'extérieur du carénage de la turbomachine. On distingue plus précisément deux types de turbomachines à soufflante(s) non carénée(s), à savoir celle du type pousseur (« open rotor pusher » en anglais) et celle du type tracteur (« open rotor puller » en anglais).
Dans le cas d'une turbomachine à soufflante(s) non carénée(s) du type pousseur, l'hélice rotative ou les hélices corotatives ou contra rotatives sont disposées en aval de la turbomachine, c'est-à-dire à l'arrière de la turbomachine en suivant le sens de déplacement de l'aéronef.
Dans le cas d'une turbomachine à soufflante(s) non carénée(s) du type tracteur, l'hélice rotative ou les hélices corotatives ou contra rotatives sont situées en amont de la turbomachine, c'est-à-dire à l'avant.
De façon préférentielle, l'invention s'applique à une turbomachine comportant au moins une hélice montée en amont d'un générateur de gaz et travaillant en traction, et notamment à une turbomachine à soufflante(s) non carénée(s) du type tracteur. L'invention concerne plus précisément un dispositif de circulation d'air pour turbomachine comportant au moins un système de dérivation d'air chaud vers au moins un échangeur de chaleur, ainsi qu'une turbomachine comportant un tel dispositif.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
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 la turbomachine 10 correspond à l'axe de rotation 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 termes intérieur et extérieur sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie intérieure d'un élément est plus proche de l'axe T de la turbomachine 10 que la partie extérieure du même élément.
Sur la figure 1, il est représenté de façon schématique et partielle, en coupe axiale, un exemple nullement limitatif de turbomachine 10 à doublet d'hélices contrarotatives non carénées du type tracteur, dite « open rotor puller », selon une réalisation de l'art antérieur, telle que décrite dans la demande de brevet français FR 2 951 502 Al.
La turbomachine 10 comporte un couple d'hélices contrarotatives, respectivement amont 11 et aval 12, ces hélices étant montées en amont d'un générateur de gaz 13 et travaillant donc en traction, puisque d'une certaine façon les hélices tractent la turbomachine dont la majeure partie est positionnée en aval des hélices. De façon connue en soi, le générateur de gaz 13 comporte, de l'amont vers l'aval, un compresseur basse pression 14, un compresseur haute pression 15 (visibles sur la figure 1), une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine de pression intermédiaire (non visibles sur la figure 1). Le compresseur basse pression 14 et la turbine de pression intermédiaire sont reliés mécaniquement par un premier arbre pour former un corps de faible pression, tandis que le compresseur haute pression 15 et la turbine haute pression sont reliés mécaniquement par un deuxième arbre pour former un corps de pression plus élevée.
Une turbine libre de puissance est montée en aval de la turbine de pression intermédiaire pour entraîner, sous l'effet de la pression des gaz provenant de la turbine de pression intermédiaire, les hélices 11 et 12 par l'intermédiaire d'un troisième arbre (non visible sur la figure 1).
Les compresseurs, la chambre de combustion et les turbines du générateur de gaz 13 délimitent conjointement une veine annulaire 16 d'écoulement d'un flux primaire de la turbomachine 10, couramment appelé veine primaire. L'entraînement des hélices 11 et 12 est par exemple assuré par un réducteur à train épicycloïdal 17 dont le planétaire, centré sur l'axe longitudinal T de la turbomachine 10, est relié par le troisième arbre à la turbine libre de puissance, dont la couronne est reliée à un moyeu interne 18 de l'hélice aval 12, et dont le porte satellite est relié à un moyeu interne 19 de l'hélice amont 11.
Le moyeu interne 18 de l'hélice aval 12 comporte une surface aérodynamique radialement externe 20 qui prolonge vers l'amont une surface externe amont 21 d'un carter 22 du réducteur 17. Ce moyeu interne 18 intègre une pluralité de bras de liaison obliques 23 répartis autour de l'axe T de la turbomachine 10 et reliant le moyeu 18 à un carter annulaire aérodynamique 24 de l'hélice aval 12.
Le carter aérodynamique 24 comporte une surface interne 25 et une surface externe 26, toutes deux de révolution autour de l'axe T de la turbomachine 10, et intègre des moyens 27 de support des pales 28 de l'hélice aval 12, qui comprennent avantageusement un dispositif de réglage du pas de cette hélice 12 d'un type connu, pour adapter l'incidence des pales 28 au régime de fonctionnement de la turbomachine 10. D'une manière analogue, le moyeu interne 19 de l'hélice amont 11 comporte une surface aérodynamique radialement externe 29 qui prolonge vers l'amont la surface aérodynamique 20 du moyeu 18 de l'hélice aval 12, et intègre une pluralité de bras de liaison obliques 30 le reliant à un carter annulaire aérodynamique 31 de l'hélice amont 11.
Le carter aérodynamique 31 comporte une surface interne 32 et une surface externe 33, de révolution autour de l'axe T de la turbomachine 10 et prolongeant respectivement vers l'amont les surfaces interne 25 et externe 26 du carter aérodynamique 24 de l'hélice aval 12. Ce carter aérodynamique 31 intègre des moyens 34 de support des pales 35 de l'hélice amont 11, qui sont par exemple semblables aux moyens de support 27 décrits ci-dessus.
Par ailleurs, dans cet exemple, la turbomachine 10 comporte un canal annulaire de circulation d'air 36 délimité intérieurement par les surfaces aérodynamiques respectives 20 et 29 des moyeux 18 et 19 des hélices amont 11 et aval 12, ainsi que par un cône d'entrée 37 s'étendant à l'extrémité amont du moyeu 19 de l'hélice amont 11. Ce canal de circulation d'air 36 est délimité extérieurement par les surfaces internes respectives 25 et 32 des carters aérodynamiques 24 et 31 des hélices 12 et 11. En particulier, le cône d'entrée 37 étant décalé vers l'aval par rapport à l'extrémité amont 38 du carter aérodynamique 31 de l'hélice amont 11, cette extrémité 38 forme une manche d'entrée pour le canal de circulation d'air 36.
Le canal de circulation d'air 36 communique avec une entrée de la veine primaire 16 du générateur de gaz 13, cette entrée étant délimitée intérieurement par une surface externe aval tronconique 39, à section convergeant vers l'aval, du carter 22 du réducteur mécanique 17 d'entraînement des hélices, et extérieurement par une partie d'extrémité amont 40, évasée vers l'amont, d'un carter externe 41 du compresseur basse pression 14 du générateur de gaz 13. L'extrémité amont du canal de circulation d'air 36 forme ainsi une entrée d'air 42 pour l'alimentation en air de la veine primaire 16, à laquelle cette entrée est raccordée au moyen du canal de circulation 36.
Selon la terminologie utilisée ci-dessus, le carter 22 du réducteur mécanique 17 fait partie d'une structure statique interne amont de la turbomachine 10, sur laquelle les hélices 11 et 12 sont montées en rotation.
Par ailleurs, la surface interne 25 du carter aérodynamique 24 de l'hélice aval 12 comporte une partie aval 43 évasée vers l'aval et délimitant extérieurement un canal annulaire 44 d'éjection d'objets étrangers tels que par exemple des oiseaux ou de la glace. Ce canal d'éjection 44 est délimité intérieurement par une paroi tronconique 45 à section divergeant vers l'aval, qui est raccordée à son extrémité amont à l'extrémité amont de la partie amont 40 du carter externe 41 du compresseur basse pression 14, pour former un bec annulaire 46 de séparation du canal d'éjection 44 et de la veine primaire 16. Le canal d'éjection 44 débouche radialement vers l'extérieur, en aval du carter aérodynamique 24 de l'hélice aval 12, et présente une ouverture de sortie formée par plusieurs canaux circonférentiellement.
En outre, la partie amont 40 du carter externe 41 du compresseur basse pression 14 est reliée par des bras structuraux 47 au carter 22 du réducteur mécanique 17.
Lors de son fonctionnement, cette turbomachine 10 peut être soumise à la formation de givre, voire de glace, au niveau de son entrée d'air 42, en particulier sur l'extrémité amont 38 du carter aérodynamique 31 de l'hélice amont 11, appelée encore lèvre 38 de l'entrée d'air 42, ou sur le cône d'entrée 37 s'étendant à l'extrémité amont du moyeu 19 de l'hélice amont 11. L'apparition de givre, ou de glace, peut alors entraîner un risque de détérioration des hélices amont 11 et aval 12, en cas d'impacts sur celles-ci, ainsi qu'un risque d'ingestion de givre, ou de glace, dans la turbomachine 10, entre autres.
Aussi, de façon à pouvoir empêcher la formation et l'accumulation de givre, il est nécessaire de prévoir des moyens de dégivrage adaptés, capables de réchauffer des surfaces exposées au givre à l'amont de la turbomachine 10, et en particulier la surface extérieure de la lèvre 38.
Des solutions consistant à amener un flux d'air chaud sur les surfaces à réchauffer ont déjà été proposées dans l'art antérieur pour assurer le dégivrage d'une partie de turbomachine, telle qu'au niveau de l'entrée d'air. En particulier, la solution décrite dans la demande de brevet de la Demanderesse publiée sous le n° FR 3 021 628 Al prévoit un circuit d'acheminement d'air comprenant au moins un tronçon rotatif pour acheminer de l'air chaud prélevé sur la turbomachine jusqu'à une lèvre d'entrée d'air de la turbomachine, le circuit incluant des dispositifs étanches permettant le passage d'air entre deux tronçons en rotation l'un par rapport à l'autre.
Par ailleurs, le brevet américain US 2,668,596 A décrit encore un moteur de turbine à gaz logé dans une nacelle pour lequel, afin de réduire la formation de givre, du gaz chaud est extrait d'une unité de sortie de gaz pour alimenter l'entrée d'air. Le gaz chaud, issu de l'unité de sortie de gaz, circule au travers de plusieurs éléments en rotation l'un par rapport à l'autre pour alimenter l'entrée d'air par le biais d'orifices.
En outre, des moyens de dégivrage à air chaud ont également été conçus dans d'autres dispositifs connus, tels que du type « à éjecteur » (ou « swirl » en anglais) ou du type « piccolo » : le dispositif « à éjecteur » est basé sur l'éjection circonférentielle dans une cavité annulaire d'un jet d'air chaud circulant le long de la cavité, un tel dispositif étant par exemple connu du brevet américain US 4,688,745 A ; le dispositif dit « piccolo » consiste quant à lui à diriger l'air chaud dans un tube annulaire perforé qui crée une multitude de jets venant impacter la paroi aux endroits appropriés de façon à augmenter l'efficacité du dégivrage, un tel dispositif étant par exemple connu du brevet américain US 5,841,079 A.
Comme il ressort notamment de FR 3 021 628 Al, il est à noter que la mise en place de moyens de dégivrage doit tenir compte de l'aspect tournant de la soufflante non carénée, et en particulier, en référence à la présente figure 1, de son aspect contrarotatif pour le cas des hélices amont 11 et aval 12 pour la circulation d'air chaud vers la lèvre 38 de la turbomachine 10.
De plus, pour réaliser le dégivrage d'une partie amont de la turbomachine, et notamment de l'entrée d'air de la turbomachine, il faut tenir compte du fait que l'air prélevé sur la turbomachine, par exemple depuis un étage de compresseur, peut être très chaud selon les conditions de fonctionnement. En particulier dans des conditions de régime moteur relativement élevé, la température élevée de l'air prélevé peut conduire à un endommagement de la partie amont à dégivrer, et en particulier un endommagement de la lèvre 38 de l'entrée d'air 42.
EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a ainsi pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés ci-dessus et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur.
En particulier, l'invention vise à permettre le passage d'air, notamment d'un air de dégivrage et/ou d'antigivrage, au travers d'au moins une partie tournante de turbomachine en direction de l'amont de la turbomachine, tout en permettant une régulation du débit et/ou de la température de l'air en fonction notamment des phases de fonctionnement de la turbomachine. L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un dispositif de circulation d'air pour turbomachine, notamment d'un air de dégivrage et/ou d'antigivrage, comportant un circuit d'acheminement d'air adapté pour acheminer de l'air chaud prélevé sur la turbomachine, par exemple depuis un étage de compresseur, notamment haute pression, de la turbomachine, jusqu'à une partie à réchauffer de la turbomachine, notamment une partie à dégivrer, notamment une partie amont susceptible de givrer, par exemple un cône d'entrée de la turbomachine ou une paroi externe de la turbomachine, en particulier la paroi formant la lèvre annulaire d'une entrée d'air de la turbomachine, ledit circuit d'acheminement comprenant : - un premier tronçon, solidaire en rotation d'une partie rotative de la turbomachine et comprenant au moins un conduit d'acheminement d'air chaud, et - un dispositif de passage d'air chaud, comportant un compartiment annulaire solidaire en rotation du premier tronçon, caractérisé en ce que le compartiment annulaire comprend au moins un échangeur de chaleur en contact avec l'air extérieur à la turbomachine, et en ce que le dispositif de passage d'air chaud comprend au moins un système de dérivation d'air chaud, pouvant encore être désigné par l'expression « système de bypass », adapté pour dévier l'air entrant dans le dispositif de passage d'air chaud et le faire circuler le long de l'échangeur de chaleur quand la température de cet air entrant dépasse un seuil prédéterminé.
Grâce à l'invention, il est possible de permettre la circulation d'air chaud au travers de la turbomachine, pour par exemple permettre le dégivrage et/ou l'antigivrage, notamment d'une partie amont de la turbomachine susceptible de givrer, tout en permettant une régulation du débit et de la température d'air chaud pour en particulier minimiser un endommagement éventuel de ladite partie amont de la turbomachine. Ainsi, comme précisé par la suite, l'invention permet par exemple de faire passer de l'air chaud prélevé depuis un étage de compresseur haute pression au travers d'une cloison tournante ou de plusieurs cloisons tournantes, notamment corotatives ou contra rotatives, de la turbomachine pour alimenter en air chaud la partie amont, et notamment la lèvre annulaire d'une entrée d'air de la turbomachine, à des fins de dégivrage et/ou d'antigivrage tout en minimisant son endommagement éventuel par le biais de la régulation du débit et de la température d'air chaud. Aussi, dans le cas d'une turbomachine du type « open rotor puller » telle que décrite auparavant, l'invention permet d'empêcher, ou du moins de limiter, la formation de givre ou de glace pouvant endommager la ou les hélices de la turbomachine. L'invention peut également permettre de limiter la distorsion de l'entrée d'air de la turbomachine en cas de givre.
Le dispositif de circulation d'air selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.
Ledit au moins un échangeur de chaleur peut être du type air/air.
Les ailettes d'échange thermique dudit au moins un échangeur de chaleur peuvent être disposées selon un sens axial ou radial.
Le circuit d'acheminement d'air peut comprendre un deuxième tronçon, rotatif relativement au premier tronçon, et le dispositif de passage d'air chaud peut relier fluidiquement les premier et deuxième tronçons.
Le dispositif de passage d'air chaud peut comprendre en outre : - une cavité d'entrée d'air, - une cavité intermédiaire située dans le compartiment annulaire, adjacente à l'échangeur de chaleur et apte à être mise en communication fluidique avec la cavité d'entrée par le système de dérivation de façon à ce que l'air chaud circule en contact avec l'échangeur de chaleur pour être refroidi, et - une cavité de sortie d'air, apte à être mise sélectivement en communication fluidique avec la cavité d'entrée d'air ou avec la cavité intermédiaire par un dispositif d'actionnement du système de dérivation apte à réagir à un paramètre physique lié à la température de l'air chaud prélevé sur la turbomachine.
Le dispositif d'actionnement peut être autonome et être énergisé par le paramètre physique auquel il réagit. L'air chaud peut être prélevé sur un compresseur de la turbomachine et le paramètre physique lié à la température de l'air chaud prélevé peut consister en la pression de cet air.
En variante, l'air chaud peut être prélevé sur un compresseur de la turbomachine et le paramètre physique lié à la température de l'air chaud prélevé peut consister en la force centrifuge exercée sur le dispositif d'actionnement du fait de la rotation d'une partie de la turbomachine avec laquelle le dispositif d'actionnement est solidaire en rotation.
Le dispositif d'actionnement peut comprendre un élément mobile de dérivation et un organe de rappel exerçant un effort de rappel prédéterminé sur l'élément mobile de dérivation.
De cette façon, l'élément mobile de dérivation peut être soumis constamment à cet effort de rappel prédéterminé. L'organe de rappel peut par exemple être un organe de rappel élastique, tel qu'un ressort, et par exemple un ressort linéaire ou en spirale. entre autres. L'organe de rappel peut également comporter des moyens pneumatiques de rappel. Bien entendu, toute autre forme de rappel est envisageable. L'élément mobile de dérivation peut notamment être sous la forme d'un piston, notamment disposé dans la cavité d'entrée. L'élément mobile de dérivation peut encore être sous la forme d'une vanne pivotante autour d'un axe de pivotement, notamment disposée en emboîtement sur la cavité d'entrée.
Le compartiment annulaire peut en outre comporter un clapet anti-retour, positionné dans le chemin fluidique entre la cavité intermédiaire et la cavité de sortie, empêchant tout passage d'air depuis la cavité de sortie vers la cavité intermédiaire. L'échangeur de chaleur peut comprendre une paroi radialement extérieure d'étanchéité du compartiment annulaire et des ailettes formées sur une face extérieure ainsi que sur une face intérieure de cette paroi.
Le dispositif de passage d'air chaud peut comprendre plusieurs systèmes de dérivation espacés circonférentiellement entre eux. Chaque système de dérivation peut être associé à un échangeur de chaleur s'étendant sensiblement dans tout ou partie de l'espace circonférentiel entre le système de dérivation et un système de dérivation voisin.
Le deuxième tronçon peut être fixe dans la turbomachine, et l'air chaud peut circuler du deuxième tronçon vers le premier tronçon.
Le dispositif de passage d'air chaud peut comprendre un conduit annulaire de connexion communiquant avec le compartiment annulaire, ainsi qu'un système d'étanchéité reliant le conduit annulaire de connexion à un conduit annulaire solidaire du deuxième tronçon.
En outre, l'invention a également pour objet, selon un autre de ses aspects, une turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de circulation d'air tel que défini précédemment, et un générateur de gaz, au moins une partie rotative de la turbomachine comportant une hélice non carénée ou un doublet d'hélices non carénées, corotatives ou contrarotatives, montée(s) en amont du générateur de gaz. Autrement dit, la turbomachine peut être du type « open rotor puller », comme décrit précédemment.
Le dispositif de circulation d'air et la turbomachine selon l'invention peuvent comporter l'une quelconque des caractéristiques énoncées dans la présente description, prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement possibles avec d'autres caractéristiques.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente, en coupe axiale, un exemple de turbomachine comportant un doublet d'hélices contrarotatives non carénées du type tracteur selon l'art antérieur, - la figure 2 représente, en coupe axiale, un exemple de turbomachine avec un doublet d'hélices contrarotatives non carénées du type tracteur comportant un dispositif de circulation d'air conforme à l'invention, - la figure 3 illustre, en coupe axiale partielle, un exemple de turbomachine avec un doublet d'hélices contrarotatives non carénées du type tracteur comportant un dispositif de circulation d'air conforme à l'invention, comprenant un compartiment annulaire avec élément mobile de dérivation sous la forme d'un piston dit « vertical »,
- la figure 4A représente, en perspective et en coupe partielle, et la figure 4B représente, schématiquement en coupe axiale, le compartiment annulaire de la turbomachine de la figure 3 avec un système de dérivation dans une phase de « bas régime »,
- la figure 5A représente, en perspective et en coupe partielle, et la figure 5B représente, schématiquement en coupe axiale, le compartiment annulaire de la turbomachine de la figure 3 avec un système de dérivation dans une phase de « haut régime », - la figure 6 représente, schématiquement en coupe axiale, le compartiment annulaire de la turbomachine de la figure 3 avec un système de dérivation dans une phase de « régime transitoire », - la figure 7 illustre, en coupe axiale partielle, un autre exemple de turbomachine avec un doublet d'hélices contrarotatives non carénées du type tracteur comportant un dispositif de circulation d'air conforme à l'invention, comprenant un compartiment annulaire avec élément mobile de dérivation sous la forme d'un piston dit « horizontal »,
- la figure 8A représente, en perspective et en coupe partielle, et la figure 8B représente, schématiquement en coupe axiale, le compartiment annulaire de la turbomachine de la figure 7 avec un système de dérivation dans une phase de « bas régime »,
- la figure 9A représente, en perspective et en coupe partielle, et la figure 9B représente, schématiquement en coupe axiale, le compartiment annulaire de la turbomachine de la figure 7 avec un système de dérivation dans une phase de « haut régime », et - les figures lOA et lOB représentent, schématiquement en coupe axiale, un compartiment annulaire d'un dispositif de circulation d'air d'un exemple de turbomachine du type tracteur conforme à l'invention, comprenant un élément mobile de dérivation sous la forme d'une vanne pivotante, respectivement dans une phase de « bas régime » et dans une phase de « haut régime ».
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.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
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 un exemple de mise en œuvre d'un dispositif 1 de circulation d'air conforme à l'invention sur une turbomachine 10.
Plus précisément, la figure 2 représente, en coupe axiale, la turbomachine 10 équipée du dispositif 1 de circulation d'air selon l'invention. Sur cette figure 2, les éléments communs avec ceux décrits précédemment en référence à la figure 1 ne sont pas repris de nouveau. Il est à noter que dans cet exemple, le carter annulaire aérodynamique 24 de l'hélice aval 12 est distinct et rotatif par rapport à la partie aval 43, laquelle forme un carter annulaire aérodynamique 43 de stator et délimite extérieurement le canal annulaire 44 d'éjection d'objets étrangers. Autrement dit, la turbomachine 10 comporte un carter annulaire aérodynamique 31 de l'hélice amont 11 et un carter annulaire aérodynamique 24 de l'hélice aval 12 qui sont contra rotatifs, le carter 24 étant rotatif par rapport au carter annulaire aérodynamique 43 de stator.
En référence à la figure 2, la turbomachine 10 est du type « open rotor puller », comme décrit auparavant, comportant un doublet d'hélices amont 11 et aval 12 contrarotatives non carénées, montées en amont du générateur de gaz 13 de la turbomachine 10 et travaillant donc en traction.
La turbomachine 10 comporte un dispositif 1 de circulation d'air conforme à l'invention, monté entre la lèvre annulaire 38 de l'entrée d'air 42 de la turbomachine 10 et un étage du compresseur haute pression 14 (le raccordement à l'étage du compresseur haute pression 14 n'est pas représenté).
Plus précisément, le dispositif 1 est utilisé pour prélever de l'air chaud Al depuis l'étage du compresseur haute pression 14, et pour le délivrer au niveau de la lèvre annulaire 38 de l'entrée d'air 42 afin d'en assurer le dégivrage et/ou l'antigivrage.
Entre la lèvre annulaire 38 de l'entrée d'air 42 et le compresseur haute pression 14, le dispositif 1 traverse deux parties rotatives de la turbomachine 10, contrarotatives l'une par rapport à l'autre. Une première partie rotative 31 est constituée par le carter annulaire aérodynamique 31 de l'hélice amont 11, et une deuxième partie rotative 24 est constituée par le carter annulaire aérodynamique 24 de l'hélice aval 12. Le dispositif 1 traverse également une partie fixe 43 constituée par le carter annulaire aérodynamique 43 de stator.
De façon avantageuse, le dispositif 1 conforme à l'invention est prévu pour permettre le passage de l'air chaud Al du compresseur haute pression 14 au travers des différentes cloisons tournantes de ces parties 31, 24, 43 qui forment les parties amont de la turbomachine 10 du type «open rotor puller». La réalisation du circuit d'acheminement d'air chaud au travers des différentes cloisons tournantes vers une partie à réchauffer en amont de la turbomachine 10 est similaire dans son principe à celle décrite dans la publication FR 3 021 628 Al de la Demanderesse.
Ainsi, comme on peut le voir sur la figure 2, le dispositif 1 comporte un premier tronçon TRI solidaire en rotation de la deuxième partie rotative 24, comprenant un conduit de circulation 9 d'air chaud A3, ou conduit intermédiaire 9. Le dispositif 1 comporte en outre un deuxième tronçon amont TR2', solidaire en rotation de la première partie rotative 31, comprenant un conduit d'acheminement 3 d'air chaud A2 pour le dégivrage et/ou l'antigivrage de la lèvre annulaire 38, et un deuxième tronçon aval TR2", solidaire de la partie fixe 43, comprenant un conduit de prélèvement 2 d'air chaud Al depuis l'étage du compresseur haute pression 14.
Entre les conduits de prélèvement 2 et d'acheminement 3 d'air chaud se situent un premier dispositif de passage d'air chaud 4a, formé à l'interface 11 entre la première partie 31 et la deuxième partie 24 de la turbomachine 10, et un deuxième dispositif de passage d'air chaud 4b, formé à l'interface 12 entre la deuxième partie rotative 24 et la partie fixe 43 de la turbomachine 10. Le premier dispositif de passage d'air chaud 4a est relié au deuxième dispositif de passage d'air chaud 4b par l'intermédiaire d'un premier tronçon TRI, comprenant un conduit de circulation 9 d'air chaud A3, ou conduit intermédiaire 9.
De plus, le conduit d'acheminement 3 d'air chaud A2 du dispositif 1 débouche au niveau de la lèvre annulaire 38 de la turbomachine 10 pour permettre son dégivrage et/ou son antigivrage au travers d'une cloison 52 d'entrée d'air. Le conduit de prélèvement 2 d'air chaud Al est quant à lui agencé relativement au compresseur haute pression 14 pour permettre le prélèvement d'air chaud Al sur l'étage du compresseur haute pression 14.
Par ailleurs, conformément à l'invention, le premier dispositif de passage d'air chaud 4a et le deuxième dispositif de passage d'air chaud 4b comportent chacun des moyens de régulation de la température et/ou du débit de l'air chaud pénétrant à l'intérieur de ceux-ci. Ces moyens sont notamment prévus pour permettre un refroidissement de l'air chaud lors de sa traversée des interfaces 11 et 12, respectivement entre la première partie rotative 31 et la deuxième partie rotative 24 de la turbomachine 10, et entre la deuxième partie rotative 24 et la partie fixe 43 de la turbomachine 10, par le biais de systèmes de régulation, décrits par la suite, permettant de refroidir l'air chaud à l'aide d'un ou plusieurs échangeurs de chaleur en fonction de la vitesse de rotation des hélices 11 et 12, en particulier en fonction du régime de fonctionnement de la turbomachine 10.
Les figures 3 et 7 illustrent, en coupe axiale partielle, deux exemples distincts de turbomachine 10 avec un doublet d'hélices 11 et 12 contrarotatives non carénées du type tracteur comportant chacune un dispositif 1 de circulation d'air conforme à l'invention à l'interface I entre les deux parties tournantes.
Ces deux exemples de turbomachine 10 se différencient en ce que, pour l'exemple de réalisation de la figure 3, le compartiment annulaire 60 du dispositif de passage d'air chaud 4 comporte un élément mobile de dérivation sous la forme d'un piston dit « vertical », alors que, pour l'exemple de réalisation de la figure 7, le compartiment annulaire 60 du dispositif de passage d'air chaud 4 comporte un élément mobile de dérivation sous la forme d'un piston dit « horizontal ». Ces différences seront explicitées par la suite.
En effet, pour les deux exemples de réalisation des figures 3 et 7, chaque dispositif 1 de circulation d'air comporte un dispositif de passage d'air chaud 4 comprenant un compartiment (ou boîtier) annulaire 60 pour la circulation d'air chaud.
Ce compartiment annulaire 60 est monté au niveau de l'interface I, soit au niveau d'une traversée de cloison entre deux parties de la turbomachine 10, et s'étend à 360° autour de l'axe de rotation T de la turbomachine 10 en étant alimenté en air chaud en aval. Il est entendu qu'il reste également possible de prévoir un compartiment annulaire s'étendant sur moins de 360°. Par exemple, le compartiment annulaire peut être constitué de deux portions séparées diamétralement opposées, chaque portion formant un arc de cercle s'étendant sur moins de 180°, voire sur moins de 90°.
Avantageusement et conformément à l'invention, chaque compartiment annulaire 60 comporte une pluralité de systèmes de dérivation 70 d'air chaud, encore désignés par l'expression « systèmes de bypass 70 ». Le nombre de systèmes de dérivation 70 peut être variable, et notamment déterminé en fonction de la régulation de débit et/ou de température d'air chaud souhaitée. Il est entendu qu'il reste également possible de prévoir un seul système de dérivation 70 d'air chaud dans un compartiment annulaire 60.
Comme représenté partiellement sur les figures 3 et 7, chaque compartiment annulaire 60 peut en particulier comporter quatre systèmes de dérivation 70, notamment répartis régulièrement autour du compartiment annulaire 60, soit tous les 90 degrés.
Ces systèmes de dérivation 70 se situent en particulier au niveau de chaque conduit 2, 9 (représentés partiellement sur la figure 3), pouvant correspondre à un conduit de prélèvement 2 d'air chaud Al ou à un conduit de circulation intermédiaire 9 ou d'acheminement intermédiaire 9 d'air chaud, et permettent avantageusement de guider l'air chaud entrant directement vers l'amont du compartiment annulaire 60, ou vers un système de refroidissement comprenant un ou plusieurs échangeurs de chaleur 64.
De façon avantageuse, le principe du compartiment annulaire 60 pourvu d'une pluralité de systèmes de dérivation 70 d'air chaud repose sur un principe entièrement mécanique et autonome, comme il résultera de la description ci-après, c'est-à-dire en particulier sans actionnement électrique ou par commande à distance, contrairement par exemple à des électrovannes de dérivation d'air prélevé vers des échangeurs de chaleur, qui seraient commandées en fonction de la température de cet air mesurée par un capteur. De plus, de tels systèmes de dérivation 70 pouvant être préférentiellement installés sur une ou des parties tournantes de la turbomachine 10, leur autonomie peut permettre d'éviter de devoir réaliser un circuit d'alimentation électrique d'électrovannes, ce qui serait difficile à faire entre une partie fixe et une partie tournante de turbomachine, et pénaliserait le coût et le poids du système.
Par ailleurs, les figures 4A-4B, 5A-5B et 6 permettent d'illustrer divers modes de fonctionnement de la turbomachine 10 représentée sur la figure 3, et les figures 8A-8B et 9A-9B permettent d'illustrer divers modes de fonctionnement de la turbomachine 10 de la figure 7. Leurs spécificités seront décrites plus loin.
En référence à ces figures 4A à 9B, chaque compartiment annulaire 60 d'un dispositif de passage d'air chaud 4 comporte une cavité d'entrée 61 d'air chaud, laquelle comporte une pluralité d'orifices d'entrée 6 d'air chaud pour raccorder la pluralité de conduits d'entrée 2, 9 d'air chaud au compartiment annulaire 60.
De plus, chaque compartiment annulaire 60 d'un dispositif de passage d'air chaud 4 comporte également une cavité de sortie 63 d'air chaud, laquelle comporte une pluralité d'orifices de sortie 8 d'air chaud pour raccorder la pluralité de conduits de sortie 3, 9 d'air chaud au compartiment annulaire 60.
Il est à noter que, dans les exemples de réalisation décrits ici, les conduits d'entrée 2, 9 sont directement connectés aux orifices d'entrée 6 et donc aux compartiments annulaires 60 des dispositifs de passage d'air chaud 4. De même, les conduits de sortie 3, 9 sont directement connectés aux orifices de sortie 8 et donc aux compartiments annulaires 60 des dispositifs de passage d'air chaud 4. En variante, comme représenté en traits pointillés sur la figure 4B, chaque conduit d'entrée 2, 9 ou de sortie 3, 9 peut être connecté au compartiment annulaire 60 d'un dispositif de passage d'air chaud 4 par le biais d'un système d'étanchéité SE. Ainsi, chaque dispositif de passage d'air chaud 4 peut comporter un premier conduit annulaire CAI et/ou un deuxième conduit annulaire CA2 communiquant avec le compartiment annulaire 60, connecté(s) à un conduit d'entrée 2, 9 et/ou un conduit de sortie 3, 9 par le biais d'un système d'étanchéité SE.
Plus particulièrement, pour un dispositif de passage d'air 4a situé entre le deuxième tronçon aval TR2' et le premier tronçon TRI, chaque conduit de sortie 3 peut être relié à un premier conduit annulaire CAI par le biais d'un système d'étanchéité SE et chaque conduit d'entrée 9 peut être ou non relié à un deuxième conduit annulaire CA2 par le biais d'un autre système d'étanchéité SE identique ou analogue.
Pour un dispositif de passage d'air 4b situé entre le premier tronçon TRI et le deuxième tronçon amont TR2", chaque conduit de sortie 9 peut être ou non relié à un premier conduit annulaire CAI par le biais d'un système d'étanchéité SE et chaque conduit d'entrée 2 peut être relié à un deuxième conduit annulaire CA2 par le biais d'un autre système d'étanchéité SE.
En outre, chaque compartiment annulaire 60 comporte une cavité intermédiaire 62, prévue pour être sélectivement en communication fluidique avec la cavité d'entrée 61 et avec la cavité de sortie 63, lesquelles peuvent également être mises en communication fluidique l'une avec l'autre. A l'intérieur de cette cavité intermédiaire 62, l'air chaud entre au contact d'un échangeur de chaleur 64 formé sur la paroi externe du compartiment annulaire 60, une paroi radialement extérieure de cet échangeur de chaleur 64 étant en contact avec l'air extérieur à la turbomachine. Le passage de l'air chaud au contact d'une paroi radialement intérieure de l'échangeur de chaleur 64 permet alors le refroidissement de l'air chaud avant son entrée dans la cavité de sortie 63.
Cet échangeur de chaleur 64 peut comporter des ailettes d'échange thermique, internes et/ou externes. Ces ailettes peuvent être disposées en étant orientée chacune selon une direction axiale (sens du flux) ou selon une direction circonférentielle, ou encore selon une direction présentant une composante axiale et une composante circonférentielle. Selon la direction d'orientation des ailettes, l'échange thermique dans la cavité intermédiaire 62 peut être plus ou moins efficace.
Il est d'ailleurs à noter que les paramètres de fonctionnement du compartiment annulaire 60, tels que la disposition des éléments mobiles de dérivation 71, la disposition et la forme des ailettes de l'échangeur de chaleur 64, le diamètre des conduits 3, 9 ou 2, le circuit de l'air chaud dans la cavité intermédiaire 62, entre autres, peuvent être modifiés pour obtenir la régulation souhaitée de débit et/ou de température d'air chaud, et tant que le dégivrage et/ou l'antigivrage d'une partie amont de la turbomachine 10 susceptible de givrer peuvent être réalisés. L'intérêt du positionnement de l'échangeur de chaleur 64 peut également être de permettre de créer un flux d'air chaud contribuant à la protection des capots tournants contre le givrage au niveau de l'hélice aval 12.
Par ailleurs, comme on peut le voir notamment sur les figures 4B, 5B et 6, chaque compartiment annulaire 60 peut comporter un clapet anti-retour 74, positionné dans le chemin fluidique entre la cavité intermédiaire 62 et la cavité de sortie 63.
Ce clapet anti-retour 74 empêche tout passage d'air depuis la cavité de sortie 63 vers la cavité intermédiaire 62.
Pour chaque compartiment annulaire 60, il est également prévu d'ajouter un système d'étanchéité entre un élément mobile de dérivation 71 et la cavité d'entrée 61 associée, comprenant une pluralité de joints d'étanchéité annulaires 73.
De plus, comme indiqué précédemment, chaque compartiment annulaire 60 comporte une pluralité de systèmes de dérivation 70, dont chacun comporte un dispositif d'actionnement comprenant un élément mobile de dérivation 71, déplaçable relativement à la cavité d'entrée 61 associée et capable de mettre cette cavité d'entrée 61 en communication fluidique avec la cavité intermédiaire 62 et/ou la cavité de sortie 63 pour permettre une régulation de la température de l'air chaud sortant du compartiment annulaire 60.
Les éléments mobiles de dérivation 71 sont tous aptes à se déplacer relativement à la cavité d'entrée 61 en réagissant à un paramètre physique lié à la température de l'air chaud Al prélevé sur la turbomachine 10. Ce paramètre physique peut consister en un effet centrifuge du fait de la rotation d'une partie de la turbomachine avec laquelle le système de dérivation 70 est solidaire en rotation, et/ou en la pression de l'air chaud provenant des conduits d'entrée 2, 9. Avantageusement, le dispositif d'actionnement de chaque système de dérivation 70 comporte en outre un organe de rappel 72 exerçant un effort de rappel prédéterminé sur l'élément mobile de dérivation 71. Ainsi, l'élément mobile de dérivation 71 peut être soumis constamment à cet effort de rappel prédéterminé. L'organe de rappel 72 peut par exemple être un organe de rappel élastique, tel qu'un ressort, et par exemple un ressort linéaire ou en spirale, entre autres. L'organe de rappel 72 peut également comporter des moyens pneumatiques de rappel. Bien entendu, toute autre forme de rappel est envisageable.
On va maintenant décrire tout d'abord en référence aux figures 4A à 9B deux exemples de conception de systèmes de dérivation 70 en explicitant leurs modes de fonctionnement. Ces deux exemples sont communs en ce qu'ils prévoient la réalisation de l'élément mobile de dérivation sous la forme d'un piston 71, disposé dans la cavité d'entrée 61, et la présence d'un organe de rappel élastique 72 exerçant une force de rappel élastique sur le piston 71, s'étendant entre une paroi de la cavité d'entrée 61 et le piston 71.
Il est à noter que les caractéristiques énoncées en référence aux figures 4A à 9B, puis par la suite en référence aux figures lOA et lOB, relatives à un dispositif de passage d'air chaud 4, peuvent se retrouver sur le premier dispositif de passage d'air chaud 4a et/ou sur le deuxième dispositif de passage d'air chaud 4b, représentés et décrits auparavant en référence à la figure 2.
De plus, dans l'ensemble des figures 4A à lOB, les flèches A représentent les cheminements possibles de l'air chaud depuis sa pénétration dans un compartiment annulaire 60 jusqu'à son évacuation du compartiment annulaire 60.
En référence aux figures 4A à 6, on va expliciter un premier mode de réalisation dans lequel le piston 71 est dit « vertical », c'est-à-dire s'étendant selon sa plus grande dimension selon une direction radiale.
Un tel piston vertical 71 se caractérise en ce que son fonctionnement est conditionné par l'effet centrifuge s'exerçant sur la turbomachine 10. Plus précisément, lors de forts régimes de fonctionnement, soit à « haut régime », l'effet centrifuge s'exerce sur le piston vertical 71 selon la direction axiale du piston qui coïncide avec une direction radiale. Cet effet centrifuge induit une compression du ressort linéaire 72 et autorise ainsi le passage d'air chaud depuis la cavité d'entrée 61 vers la cavité intermédiaire 62 pour entrer au contact de l'échangeur de chaleur 64.
Les figures 4A et 4B sont relatives à un mode de fonctionnement à « bas régime » de la turbomachine 10, pour lequel l'air chaud est directement envoyé en amont de la turbomachine 10 sans être refroidi, c'est-à-dire que l'air chaud ressort du compartiment annulaire 60 sans passer par la cavité intermédiaire 62 qui contient l'échangeur de chaleur 64. Les figures 5A et 5B sont relatives à un mode de fonctionnement à « haut régime » de la turbomachine 10, pour lequel l'air chaud passe par l'échangeur de chaleur 64 avant de parvenir à l'amont de la turbomachine 10. Enfin, la figure 6 est relative à un mode de fonctionnement à « régime transitoire » de la turbomachine 10, pour lequel l'air chaud pénètre à la fois directement dans la cavité intermédiaire 62 et directement dans la cavité de sortie 63.
Comme expliqué ci-dessus, le fonctionnement du piston vertical 71 est dépendant de l'effet centrifuge appliqué à la turbomachine 10. Ce piston vertical 71 est avantageusement positionné uniquement sur une partie tournante de la turbomachine 10.
Lorsque le régime de rotation de la turbomachine 10 n'est plus assez important, par exemple dans des phases de ralenti, le ressort 72 repousse le piston vertical 71 radialement vers l'axe de rotation T de la turbomachine 10, ce qui autorise alors l'air chaud à alimenter directement la cavité de sortie 63 sans être refroidi, i.e. sans passage au travers de la cavité intermédiaire 62.
En référence aux figures 4A et 4B, relatives au mode de fonctionnement à « bas régime » de la turbomachine 10 (faible rotation des hélices 11 et 12), l'effet centrifuge est grandement diminué et est fortement contré par le ressort 72, lequel est prévu avec une raideur suffisante pour repousser le piston vertical 71 en butée au fond de la cavité d'entrée 61. Des ouvertures dans les parois transversales du piston 71 sont prévues de façon à ce que dans cette position de butée du piston, l'air chaud traverse le piston et pénètre directement dans la cavité de sortie 63. Autrement dit, le piston vertical 71 dans sa position de butée radialement intérieure empêche l'air chaud entrant dans le compartiment annulaire 60 d'être dérivé vers la cavité intermédiaire 62 qui contient l'échangeur de chaleur 64.
Comme il est représenté sur la figure 4B, la pression Pci au sein de la cavité intermédiaire 62 est inférieure à la pression Pce au sein de la cavité d'entrée 61 et à l'intérieur du piston 71.
Par ailleurs, on définit la chambre d'extrémité 65, à la pression Pex, comme correspondant à la partie de la cavité d'entrée 61 située entre le piston vertical 71 et la paroi radialement interne de la cavité d'entrée 61, opposée à la paroi radialement externe de la cavité d'entrée 61 au niveau de laquelle est raccordé le ressort 72.
Afin d'obtenir une pression Pex dans la chambre d'extrémité 65 sensiblement égale à la pression Pci de la cavité intermédiaire 62, le compartiment annulaire 60 comporte une canalisation de piquage de pression 75 reliant la cavité intermédiaire 62 à la chambre d'extrémité 65. Cette canalisation de piquage de pression peut présenter un faible diamètre, par exemple de l'ordre de 1 à 2 mm. En conséquence, pratiquement aucun effort de différence de pression ne s'applique au ressort 72. De cette façon, le ressort 72 n'est sensiblement soumis qu'à la force centrifuge et à la force du ressort 72.
De façon avantageuse, dans cette phase dite à « bas régime », la pression Pex de la chambre d'extrémité 65 reste inférieure à la pression Pci de la cavité intermédiaire 62, étant tout particulièrement sensiblement égale à cette pression Pci.
Préférentiellement, la différence de pression entre la pression Pce de la cavité d'entrée 61 à l'intérieur du piston 71 et la pression Pci de la cavité intermédiaire 62 est sensiblement égale à la différence de pression entre la pression Pce de la cavité d'entrée 61 et la pression Pex de la chambre d'extrémité 65.
En référence aux figures 5A et 5B, relatives au mode de fonctionnement à « haut régime » de la turbomachine 10 (fortes vitesses de rotation des hélices 11 et 12), l'effet centrifuge sur le piston vertical 71 entraîne une compression du ressort 72, ce qui permet au piston de se déplacer jusqu'à une position de butée radialement extérieure qui autorise l'air chaud à passer dans la cavité intermédiaire 62 au contact de l'échangeur de chaleur 64. Autrement dit, à partir de la position du piston vertical 71 en référence aux figures 4A et 4B quand la turbomachine fonctionne à « bas régime », le déplacement du piston en fonctionnement à « haut régime » engendre une dérivation ou déviation de l'air chaud entrant dans le compartiment annulaire 60 vers l'échangeur de chaleur 64.
Enfin, la figure 6 permet d'illustrer un mode de fonctionnement à « régime transitoire », dans lequel l'air chaud pénètre en partie dans la cavité intermédiaire 62 et en partie dans la cavité de sortie 63. Plus précisément, à l'ouverture du passage d'air entre la cavité d'entrée 61 et la cavité intermédiaire 62, la pression Pci de la cavité intermédiaire 62 ne s'équilibre pas rapidement avec la pression Pce de la cavité d'entrée 61, c'est-à-dire que la pression Pce reste supérieure à la pression Pci, alors que la pression Pex de la chambre d'extrémité 65 s'équilibre très vite avec la pression Pce de la cavité d'entrée 61, c'est-à-dire que la pression Pce est sensiblement égale à la pression Pex. Néanmoins, les efforts dus aux différences de pression de chaque côté du piston vertical 71, tant que la pression Pci de la cavité intermédiaire 62 est inférieure à la pression Pce de la cavité d'entrée 61, vont alors favoriser la remontée du piston 71 pour se retrouver dans la configuration de la figure 5B.
En référence aux figures 8A à 9B, on va maintenant expliciter un deuxième mode de réalisation dans lequel le piston 71 d'un système de dérivation 70 est dit « horizontal », c'est-à-dire s'étendant selon sa plus grande dimension selon une direction axiale, autrement dit une direction parallèle à l'axe de rotation T de la turbomachine. La figure 7 illustre l'application de ce deuxième mode de réalisation du dispositif de circulation d'air pour une turbomachine avec un doublet d'hélices contrarotatives non carénées du type tracteur.
Un tel système de dérivation 70 à piston horizontal se caractérise en ce que son fonctionnement est conditionné par la pression de l'air chaud pénétrant dans le compartiment annulaire 60.
Les figures 8A et 8B sont relatives à un mode de fonctionnement à « bas régime » de la turbomachine 10, pour lequel l'air chaud est directement envoyé vers l'amont de la turbomachine 10 sans être refroidi, c'est-à-dire sans passer par l'échangeur de chaleur 64. Les figures 9A et 9B sont relatives à un mode de fonctionnement à « haut régime » de la turbomachine 10, pour lequel l'air chaud passe par l'échangeur de chaleur 64 avant de parvenir à l'amont de la turbomachine 10.
Comme expliqué ci-dessus, le fonctionnement du piston horizontal 71 est dépendant des efforts de pression de l'air chaud prélevé dans le compartiment annulaire 60. La pression de l'air chaud prélevé est liée au régime du compresseur haute pression 14, et ainsi dans une certaine mesure à la vitesse de rotation des hélices 11 et 12.
En référence aux figures 8A et 8B, relatives au mode de fonctionnement à « bas régime » de la turbomachine 10 (faible rotation des hélices 11 et 12), l'air chaud est amené dans le compartiment annulaire 60 par un orifice d'entrée 6 disposé sensiblement dans l'axe de la cavité d'entrée 61 dont une partie est formée à l'intérieur du piston horizontal 71. De même que dans le mode de réalisation précédent, le piston 71 comprend sur un même côté de sa paroi latérale deux ouvertures décalées dans la direction longitudinale. Ces ouvertures latérales du piston 71 sont ici toutes les deux des sorties permettant de diriger l'air vers la cavité intermédiaire 62 et/ou la cavité de sortie 63. En fonctionnement à « bas régime », la pression de l'air chaud amené dans le compartiment annulaire 60 est modérée et ne permet pas un déplacement complet du piston horizontal 71 jusqu'à sa course maximale vers la paroi de la cavité d'entrée 61 sur laquelle est raccordé le ressort 72, lequel n'est donc pas totalement comprimé. Ainsi, l'air chaud traversant le piston horizontal 71 est dirigé directement et intégralement dans la cavité de sortie 63. Autrement dit, à « bas régime », c'est-à-dire dans une phase de fonctionnement du moteur où la température de l'air entrant le compartiment annulaire 60 reste en dessous d'un seuil prédéterminé, l'air entrant n'est pas refroidi par le système de dérivation 70 puisque le piston horizontal 71 ne dévie pas l'air chaud vers la cavité intermédiaire 62 dans laquelle est disposé l'échangeur de chaleur 64.
On définit ici la chambre d'extrémité 65, à la pression Pex, comme correspondant à la partie de la cavité d'entrée 61 située entre le piston horizontal 71 et la paroi amont de la cavité d'entrée 61, au niveau de laquelle est raccordé le ressort 72. Cette paroi amont de la cavité d'entrée 61 est adjacente à la cavité de sortie 63 et opposée à une ouverture d'entrée de la cavité d'entrée 61 à laquelle se raccorde un conduit de prélèvement 2 ou un conduit intermédiaire 9. Le piston horizontal 71 comprend une paroi d'extrémité contre laquelle le ressort 72 est en appui, et qui forme une séparation étanche à l'air entre la chambre d'extrémité 65 et l'intérieur du piston qui communique avec l'orifice d'entrée 6. L'étanchéité est assurée par au moins un joint d'étanchéité annulaire 73 monté sur le piston à proximité de ladite paroi d'extrémité.
Ainsi, comme il est représenté sur la figure 8B, la pression Pex dans la chambre d'extrémité 65 comprenant le ressort 72 est maintenue sensiblement constante en faisant communiquer la chambre d'extrémité 65 avec l'intérieur du compartiment de nacelle de la partie tournante 24, ce compartiment étant sensiblement à la pression atmosphérique. Cette communication, non détaillée ici, peut par exemple être réalisée par la création d'un orifice 76, notamment par perçage, réalisé au travers de la paroi interne de la cavité d'entrée 61, comme cela est visible sur la figure 8B. La pression sensiblement constante dans la chambre d'extrémité 65 permet que les efforts axiaux dus à la pression différentielle qui s'exerce sur la paroi d'extrémité du piston 71 soient sensiblement proportionnels à la pression de l'air chaud en entrée de la cavité d'entrée 61. Comme la pression de l'air chaud varie continûment avec sa température et donc avec le régime de rotation de la turbomachine 10, l'effort axial exercé par le piston 71 sur le ressort 72 est fonction de ce régime moteur.
En référence aux figures 9A et 9B, relatives au mode de fonctionnement à « haut régime » de la turbomachine 10 (vitesses de rotation élevées des hélices 11 et 12), le déplacement du piston horizontal 71 entraîne une compression du ressort 72 et autorise l'air chaud à passer dans la cavité intermédiaire 62 au contact de l'échangeur de chaleur 64. Autrement dit, le piston horizontal 71 engendre une dérivation ou déviation de l'air chaud entrant dans le compartiment annulaire 60 vers l'échangeur de chaleur 64.
Un tarage du ressort 72 peut permettre de régler à partir de quelle température de l'air chaud en entrée de la cavité d'entrée 61 le basculement vers l'échangeur de chaleur 64 aura lieu.
La conception de l'élément mobile de dérivation 71 sous la forme d'un piston n'est pas exclusive, et d'autres types d'éléments mobiles de dérivation sont envisageables. Ainsi, par exemple, les figures lOA et lOB représentent, schématiquement en coupe axiale, un compartiment annulaire 60 d'un dispositif 1 de circulation d'air d'un exemple de turbomachine 10 du type tracteur conforme à l'invention, comprenant un élément mobile de dérivation 71 sous la forme d'une vanne pivotante sous l'effet centrifuge appliqué au centre de gravité de la vanne 71, respectivement dans une phase de « bas régime » et dans une phase de « haut régime ».
La vanne pivotante 71 tourne autour de son axe de pivotement XP en restant disposée en emboîtement sur la cavité d'entrée 61. Un ressort en spirale 72 disposé autour de l'axe de pivotement XP exerce une force de rappel élastique sur la vanne pivotante 71, cette force de rappel impliquant un moment (couple) de rotation qui tend à ramener la vanne dans la position représentée sur la figure lOA où l'air chaud entrant circule directement vers la cavité de sortie.
Lors du mode de fonctionnement à « haut régime », comme représenté sur la figure lOB, l'effort centrifuge s'exerçant sur la vanne pivotante 71 implique un moment (couple) de rotation dans un sens contraire de celui exercé par la force de rappel élastique du ressort, et qui devient supérieur à ce dernier. Cette prépondérance de l'effort centrifuge sur la force de rappel élastique provoque la rotation de la vanne autour de son axe de pivotement XP jusqu'à dévier l'air chaud depuis la cavité d'entrée 61 vers la cavité intermédiaire 62 pour permettre son refroidissement au contact de l'échangeur de chaleur 64.
Par contre, lors du mode de fonctionnement à « bas régime », comme représenté sur la figure lOA, l'effort centrifuge s'exerçant sur la vanne pivotante 71 n'est plus prépondérant par rapport à la force de rappel élastique du ressort 72, si bien que la vanne pivotante 71 ferme l'accès à la cavité intermédiaire 62 et autorise le passage direct de l'air chaud depuis la cavité d'entrée 61 vers la cavité de sortie 63.
Le moment de rotation de la force centrifuge sur le centre de gravité G de la vanne pivotante 71 augmente à mesure que la vanne pivotante 71 passe de sa position à « bas régime » à sa position à « haut régime », rendant la transition plus rapide.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier.
En particulier, il est possible de prévoir une pluralité de conduits de prélèvement 2 et de conduits d'acheminement 3, ainsi qu'éventuellement de conduits de circulation ou intermédiaire 9 entre ceux-ci, disposés autour de l'axe de rotation T de la turbomachine 10. Par exemple, le dispositif 1 selon l'invention peut comporter au moins trois conduits de prélèvement 2 et au moins trois conduits d'acheminement 3, ainsi qu'éventuellement au moins trois conduits de circulation 9, disposés autour de l'axe de rotation T de la turbomachine 10, notamment à intervalles réguliers. De la sorte, il peut être possible de mieux répartir le flux d'air sur la partie amont de la turbomachine 10. De plus, cela peut également permettre de conserver l'équilibrage de la turbomachine 10.
En outre, quand bien même le dégivrage et/ou l'antigivrage est préférentiellement réalisé au niveau de l'entrée d'air dans la turbomachine 10, et notamment au niveau de la lèvre annulaire 38 de l'entrée d'air 42, il peut être réalisé pour toute partie en amont de la soufflante de la turbomachine et susceptible de givrer, la soufflante étant dans le cas présent constituée par les hélices 11 et 12, et en particulier pour un cône d'entrée à l'avant de la turbomachine 10 lorsque l'entrée d'air pour le générateur de gaz est située en aval de la soufflante de la turbomachine 10.
De plus, quand bien même les réalisations décrites se réfèrent préférentiellement à une turbomachine 10 du type « open rotor » tracteur comportant un générateur de gaz 13 et un doublet d'hélices 11, 12 non carénées et contrarotatives, montées en amont du générateur de gaz 13, l'invention peut s'appliquer à tout type de turbomachine comportant un générateur de gaz et une soufflante comportant une hélice non carénée ou un doublet d'hélices non carénées corotatives, montée(s) en amont du générateur de gaz et éventuellement associée(s) à un ou plusieurs redresseurs fixes. Par exemple, l'invention peut s'appliquer à une turbomachine de type USF (acronyme en anglais de « Unducted Single Fan »), qui par définition comprend une hélice non carénée suivie d'un redresseur.
Ainsi, le dispositif de circulation d'air selon l'invention peut comporter un premier dispositif de passage d'air chaud formé à l'interface entre des première et deuxième parties corotatives ou contrarotatives d'une turbomachine, et un deuxième dispositif de passage d'air chaud formé à l'interface entre la deuxième partie rotative et une partie fixe de la turbomachine. En variante, le dispositif de circulation d'air peut comporter un dispositif de passage d'air chaud formé à l'interface entre une partie unique rotative de la turbomachine et une partie fixe de la turbomachine. Alors, le deuxième tronçon est fixe dans la turbomachine et l'air chaud circule du deuxième tronçon vers le premier tronçon.

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif (1) de circulation d'air pour turbomachine (10), comportant un circuit d'acheminement d'air (2, 4b, 9, 4a, 3) adapté pour acheminer de l'air chaud (Al) prélevé sur la turbomachine (10) jusqu'à une partie à réchauffer (38) de la turbomachine (10), notamment une partie à dégivrer (38), ledit circuit d'acheminement (2, 4b, 9, 4a, 3) comprenant : - un premier tronçon (TRI), solidaire en rotation d'une partie rotative (31, 24) de la turbomachine (10) et comprenant au moins un conduit d'acheminement (3, 9) d'air chaud (A2), et - un dispositif de passage d'air chaud (4, 4a, 4b), comportant un compartiment annulaire (60) solidaire en rotation du premier tronçon (TRI), caractérisé en ce que le compartiment annulaire (60) comprend au moins un échangeur de chaleur (64) en contact avec l'air extérieur à la turbomachine (10), et en ce que le dispositif de passage d'air chaud (4, 4a, 4b) comprend au moins un système de dérivation (70) d'air chaud adapté pour dévier l'air entrant dans le dispositif de passage d'air chaud (4, 4a, 4b) et le faire circuler le long de l'échangeur de chaleur (64) quand la température de cet air entrant dépasse un seuil prédéterminé.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit d'acheminement d'air (2, 4b, 9, 4a, 3) comprend un deuxième tronçon (TR2', TR2"), rotatif relativement au premier tronçon (TRI), et en ce que le dispositif de passage d'air chaud (4, 4a, 4b) relie fluidiquement les premier (TRI) et deuxième (TR2', TR2") tronçons.
  3. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif de passage d'air chaud (4, 4a, 4b) comprend : - une cavité d'entrée (61) d'air, - une cavité intermédiaire (62) située dans le compartiment annulaire (60), adjacente à l'échangeur de chaleur (64) et apte à être mise en communication fluidique avec la cavité d'entrée (61) par le système de dérivation (70) de façon à ce que l'air chaud circule en contact avec l'échangeur de chaleur (64) pour être refroidi, et - une cavité de sortie (63) d'air, apte à être mise sélectivement en communication fluidique avec la cavité d'entrée (61) d'air ou avec la cavité intermédiaire (62) par un dispositif d'actionnement (71, 72) du système de dérivation (70) apte à réagir à un paramètre physique lié à la température de l'air chaud (Al) prélevé sur la turbomachine (10).
  4. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif d'actionnement (71, 72) est autonome et est énergisé par le paramètre physique auquel il réagit.
  5. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'air chaud (Al) est prélevé sur un compresseur (14) de la turbomachine (10) et en ce que le paramètre physique lié à la température de l'air chaud (Al) prélevé consiste en la pression de cet air.
  6. 6. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'air chaud (Al) est prélevé sur un compresseur (14) de la turbomachine (10) et en ce que le paramètre physique lié à la température de l'air chaud (Al) prélevé consiste en la force centrifuge exercée sur le dispositif d'actionnement (71, 72) du fait de la rotation d'une partie (31, 24) de la turbomachine (10) avec laquelle le dispositif d'actionnement (71, 72) est solidaire en rotation.
  7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le dispositif d'actionnement (71, 72) comprend un élément mobile de dérivation (71) et un organe de rappel (72) exerçant un effort de rappel prédéterminé sur l'élément mobile de dérivation (71).
  8. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément mobile de dérivation (71) est sous la forme d'un piston (71), notamment disposé dans la cavité d'entrée (61).
  9. 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément mobile de dérivation (71) est sous la forme d'une vanne pivotante (71) autour d'un axe de pivotement (XP), notamment disposée en emboîtement sur la cavité d'entrée (61).
  10. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que le compartiment annulaire (60) comporte un clapet anti-retour (74), positionné dans le chemin fluidique entre la cavité intermédiaire (62) et la cavité de sortie (63), empêchant tout passage d'air depuis la cavité de sortie (63) vers la cavité intermédiaire (62).
  11. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (64) comprend une paroi radialement extérieure d'étanchéité du compartiment annulaire (60) et des ailettes formées sur une face extérieure ainsi que sur une face intérieure de cette paroi.
  12. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le dispositif de passage d'air chaud (4, 4a, 4b) comprend plusieurs systèmes de dérivation (70) espacés circonférentiellement entre eux, chaque système de dérivation (70) étant associé à un échangeur de chaleur (64) s'étendant sensiblement dans tout ou partie de l'espace circonférentiel entre le système de dérivation (70) et un système de dérivation voisin.
  13. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 12, caractérisé en ce que le deuxième tronçon (TR2") est fixe dans la turbomachine (10), et en ce que l'air chaud (Al) circule du deuxième tronçon (TR2") vers le premier tronçon (TRI).
  14. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 13, caractérisé en ce que le dispositif de passage d'air chaud (4, 4a, 4b) comprend un conduit annulaire de connexion (CAI, CA2) communiquant avec le compartiment annulaire (60), ainsi qu'un système d'étanchéité (SE) reliant le conduit annulaire de connexion (CAI, CA2) à un conduit annulaire (2, 3) solidaire du deuxième tronçon (TR2', TR2").
  15. 15. Turbomachine (10), caractérisé en ce qu'elle comporte un dispositif (1) de circulation d'air selon l'une quelconque des revendications précédentes, et un générateur de gaz (13), au moins une partie rotative (31, 24) de la turbomachine (10) comportant une hélice non carénée ou un doublet d'hélices (11, 12) non carénées, corotatives ou contra rotatives, montée(s) en amont du générateur de gaz (13).
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