FR3070418A1

FR3070418A1 - Turbomachine d'aeronef

Info

Publication number: FR3070418A1
Application number: FR1757831A
Authority: FR
Inventors: Alain Eric Sauve Michael; Bruno Andre Jodet Norman; Morgane Lemarchand Kevin
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2019-03-01
Anticipated expiration: 2037-08-23
Also published as: FR3070418B1

Abstract

Turbomachine d'aéronef, comportant une manche tubulaire (16) d'entrée d'air et un générateur de gaz (11) alimenté en air par ladite manche, ledit générateur de gaz comportant un axe principal longitudinal (X) et ladite manche comportant une paroi tubulaire définissant une section d'entrée d'air (21a) et une section de sortie d'air (11e), ladite section d'entrée d'air présentant un premier axe (A1) non aligné avec ledit axe principal et ladite section de sortie d'air présentant un second axe sensiblement aligné avec ledit axe principal (X), caractérisée en ce que ladite manche est équipée d'un réseau (30) de canalisations (32) d'huile qui s'étend sensiblement depuis ladite section d'entrée jusqu'à ladite section de sortie, de façon à former un échangeur de chaleur air-huile avec l'air circulant dans ladite manche.

Description

Turbomachine d’aéronef

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne une turbomachine d’aéronef.

ETAT DE L’ART

L’état de l’art comprend notamment les documents FR-A1-3 001 253 et FR-A1-3 027 624.

Une turbomachine d’aéronef comporte une manche d’entrée d’air et un générateur de gaz alimenté en air par cette manche. Le générateur de gaz comporte un axe principal longitudinal qui correspond à l’axe de rotation de son rotor ou ses rotors.

Dans la plupart des cas, par exemple pour un turboréacteur, les sections d’entrée et de sortie d’air de la manche sont coaxiales et alignées sur l’axe principal du générateur de gaz.

Dans d’autres cas, la manche n’a pas une forme axisymétrique et peut avoir une forme complexe telle qu’une forme générale en S par exemple. C’est notamment le cas de la manche d’entrée d’air d’un turbopropulseur, tel que décrit dans la demande FR-A1-3 012 174. Cela peut également être le cas de la manche d’entrée d’une turbomachine à double entrée d’air représentée à la figure 1.

La turbomachine 10 de la figure 1 est suspendue à une aile 1 d’un aéronef et comprend un générateur de gaz d’axe longitudinal sensiblement parallèle à l’axe d’allongement du fuselage de l’aéronef, ainsi que deux soufflantes 12 d’axes déportés par rapport à un plan vertical passant par l’axe du générateur de gaz. Les soufflantes 12 sont disposées de part et d’autre du générateur de gaz et sont écartées l’une de l’autre de sorte à permettre l’installation de la manche 16 d’entrée d’air devant le générateur de gaz.

Les besoins en énergie électrique des aéronefs sont de plus en plus importants, et les avionneurs exigent des performances de plus en plus élevées pour les turbomachines. La présence des deux soufflantes 12 dans la turbomachine 1 permet d’y associer deux générateurs électriques (dont les rotors sont entraînés par les rotors de soufflante) pour fournir de l’énergie électrique à l’aéronef.

L’une des faiblesses du concept demeure toutefois dans le refroidissement des générateurs électriques. Les générateurs électriques de nouvelle génération sont plus petits et génèrent plus de réjections thermiques, ce qui entraîne une augmentation du besoin en dissipation de puissance thermique. Plusieurs solutions de refroidissement existent ; on peut citer notamment le refroidissement à l’huile et le refroidissement à l’air qui sont les solutions les plus communément utilisées.

Le besoin en huile pour refroidir l’ensemble des enceintes turbomachine et le refroidissement des générateurs électriques nécessiteraient de dimensionner des échangeurs thermiques volumineux et l’installation d’un tel échangeur autour de la turbomachine serait difficile dans un contexte où l’on cherche à optimiser les performances de l’aéronef en réduisant la trainée des moteurs et la masse et donc le volume nacelle dans lequel devrait être intégré un tel échangeur.

La seconde faiblesse du concept demeure dans le refroidissement des enceintes et du système d’entraînement des deux soufflantes. En effet, l’ajout d’une seconde soufflante oblige à intégrer un système de transmission générant d’importantes réjections thermiques qui nécessitent d’être évacuées. La situation est comparable dans un turbopropulseur tel qu’évoqué ci-dessus, dans lequel les réjections thermiques de la boîte d’engrenages ou PGB (Propeller Gear Box) sont importantes.

La présente invention propose un perfectionnement à cette technologie, qui est simple, efficace et économique.

EXPOSE DE L’INVENTION

L’invention propose à cet effet une turbomachine d’aéronef, comportant une manche tubulaire d’entrée d’air et un générateur de gaz alimenté en air par ladite manche, ledit générateur de gaz comportant un axe principal longitudinal et ladite manche comportant une paroi tubulaire définissant une section d’entrée d’air et une section de sortie d’air, ladite section d’entrée d’air présentant un premier axe non aligné avec ledit axe principal et ladite section de sortie d’air présentant un second axe sensiblement aligné avec ledit axe principal, caractérisée en ce que ladite manche est équipée d’un réseau de canalisations d’huile qui s’étend au moins dans une portion comprise entre ladite section d’entrée et ladite section de sortie, de façon à former un échangeur de chaleur air-huile avec l’air circulant dans ladite manche.

La manche d’entrée d’air a ainsi une fonction double à la fois aérodynamique et d’échange thermique et non plus une fonction unique d’aérodynamique et d’alimentation du générateur de gaz de la turbomachine. L’invention permet d’optimiser la fonction de refroidissement de l’huile du générateur de gaz (enceintes et générateurs) en fonction par exemple des sollicitations des générateurs électriques, et de l’environnement thermique ambiant (temps chaud/froid). Elle permet également d’utiliser l’énergie calorifique de l’huile pour réaliser le dégivrage de la manche d’entrée d’air afin de prévenir des risques d’accrétion de glace pouvant endommager le générateur de gaz, et avantageusement de prévenir des risques de fuites d’huile causées par un échangeur thermique de type ACOC et impactant la disponibilité et fiabilité du générateur de gaz.

La solution technique proposée s’intégre dans une zone jusqu'à lors non utilisée à savoir la manche d’entrée d’air non axisymétrique alimentant le générateur de gaz d’une turbomachine. La solution consiste à disposer/intégrer (en fonderie par exemple) tout autour de la manche d’entrée d’air un réseau de canalisations d’huile par exemple sous forme de serpentins, afin de favoriser les échanges thermiques entre l’huile chaude et l’air dans la manche d’entrée d’air sans en impacter l’aérodynamisme. L’huile serait refroidie par l’air ambiant et les réjections thermiques produites par l’huile permettraient le dégivrage/antigivrage de la manche d’entrée d’air.

La turbomachine selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :

- ladite manche d’entrée d’air a une forme générale de S, en particulier en section axiale ;

- ledit réseau de canalisations est réalisé dans l’épaisseur de ladite paroi tubulaire ; cette paroi tubulaire est avantageusement réalisée par fabrication additive ;

- ledit réseau de canalisations s’étend autour de ladite manche d’entrée d’air, et en particulier autour de ladite paroi tubulaire,

- ledit réseau de canalisations est réparti en secteurs, chaque secteur comportant des entrée et sortie d’huile, qui sont indépendantes des entrées et sorties d’huile des autres secteurs, lesdites entrées d’huile de l’ensemble des secteurs étant reliées à une première conduite d’alimentation en huile, et lesdites sorties d’huile de l’ensemble des secteurs étant reliées à une seconde conduite d’évacuation d’huile ;

- ledit réseau de canalisations est réparti en canaux annulaires disposés les uns à côté des autres entre lesdites sections d’entrée et de sortie, lesdits canaux étant reliés à une première conduite d’alimentation en huile et à une seconde conduite d’évacuation d’huile ;

- lesdites première et seconde conduites sont sensiblement diamétralement opposées par rapport auxdits premier et second axes ;

- ladite première conduite comprend au moins une vanne configurée pour isoler au moins un secteur ou au moins un canal annulaire, des autres secteurs ou canaux annulaires ;

- ladite vanne est une électrovanne commandée par un dispositif de commande en fonction d’un besoin en refroidissement de l’huile ;

- ledit dispositif de commande est un calculateur moteur de la turbomachine ;

- ledit réseau de canalisations comprend des moyens d’isolement d’au moins une canalisation vis-à-vis des autres canalisations, qui sont configurés pour empêcher la circulation d’huile dans ladite au moins une canalisation tout en autorisant la circulation d’huile dans lesdites autres canalisations ;

- lesdits moyens d’isolement comprennent des systèmes de billage, chaque système de billage comportant un élément d’isolement logé dans une canalisation ou dans une zone de liaison de deux canalisations et associé à des moyens de rappel élastique, ledit élément d’isolement étant mobile entre une première position dans laquelle il autorise le passage d’huile à travers ladite canalisation ou ladite zone de liaison, lorsqu’un débit prédéterminé d’huile circule dans ladite ou au moins une desdites canalisations, et une seconde position dans laquelle il interdit ce passage d’huile, lesdits moyens de rappel sollicitant ledit élément dans ladite seconde position.

DESCRIPTION DES FIGURES

L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue schématique en perspective d’une aile et d’une turbomachine à double soufflante d’un aéronef ;

- la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe axiale de la turbomachine de la figure 1,

- la figure 3 est une vue schématique partielle en coupe axiale d’une turbomachine du type turbopropulseur,

- la figure 4 est une vue très schématique en perspective d’une manche d’entrée d’air pour une turbomachine selon un exemple de réalisation de l’invention,

- la figure 5 est une vue très schématique en coupe axiale de la manche d’entrée d’air de la figure 4,

- la figure 6 est une vue très schématique en coupe axiale d’un mode de réalisation d’une turbomachine selon l’invention,

- la figure 7 est une vue très schématique en coupe axiale d’un autre mode de réalisation d’une turbomachine selon l’invention,

- la figure 8 est une vue très schématique en perspective de la manche d’entrée d’air de la turbomachine de la figure 7,

- la figure 9 est une vue très schématique de moyens d’isolement de canalisations ; et

- les figures 10 et 11 sont des vues correspondant à la figure 9 et représentant respectivement deux cas de panne.

DESCRIPTION DETAILLEE

La figure 1 a été décrite dans ce qui précède.

La figure 2 montre la manche d’entrée d’air 16 de la turbomachine 10 de la figure 1, en coupe axiale. On peut apprécier que la manche 16 a une forme générale en S dont l’entrée 21a ou l’amont, à gauche sur le dessin, a une section d’axe A1 et la sortie 11e ou l’aval, à droite sur le dessin, a une section d’axe X aligné sur l’axe du générateur de gaz 11.

L’entrée 21a ou sa section a une forme générale cintrée ou de sablier comme on peut le voir à la figure 1. La sortie 11 e ou sa section peut avoir une forme générale annulaire pour l’alimentation d’une veine annulaire d’un compresseur haute pression ou HP du générateur de gaz

11. La manche d’entrée d’air 16 comprend en outre un conduit de dérivation 24 en particulier pour éviter l’injection de corps étrangers dans le générateur de gaz 11.

La figure 3 montre schématiquement et partiellement un turbopropulseur, dont la manche d’entrée d’air 16 est similaire à celle décrite ci-dessus. La manche 16 a une forme générale en S et comprend en outre un conduit de dérivation 24. L’entrée 21a de la manche 16, à gauche sur le dessin, a une section circulaire, oblongue ou elliptique d’axe A1 et la sortie 11e, à droite sur le dessin, a une section annulaire d’axe X aligné sur l’axe du générateur de gaz 11.

L’invention propose d’équiper une manche d’entrée d’air 16 telle que représentée aux figures 2 et 3 avec un réseau 30 de canalisations d’huile qui s’étend sensiblement depuis l’entrée 21a jusqu’à la sortie 11e de la manche 16, de façon à former un échangeur de chaleur air-huile avec l’air circulant dans la manche en fonctionnement (figures 4 et 5).

Dans un cas particulier de réalisation de l’invention, le réseau peut être intégré dans la paroi tubulaire 16a de la manche et s’étendre ainsi dans l’épaisseur de cette paroi, c’est-à-dire entre sa face tubulaire externe et sa face tubulaire interne définissant la veine d’entrée d’air.

La figure 6, d’une part, et les figures 7 et 8, d’autre part, représentent deux modes de réalisation d’une manche d’entrée d’air 16 de ce type.

Dans le cas de la figure 6, le réseau 30 de canalisations 32 s’étend tout autour de la manche d’entrée d’air 16 et est réparti en secteurs, au nombre de quatre dans l’exemple représenté, régulièrement répartis autour de la manche. En pratique, le nombre de secteurs est au plus de dix, et par exemple compris entre six et huit. Chaque secteur comporte des entrée 34 et sortie 36 d’huile, qui sont indépendantes des entrées 34 et sorties 36 d’huile des autres secteurs. Les entrées d’huile 34 de l’ensemble des secteurs sont reliées à une première conduite 38 d’alimentation en huile, et les sorties d’huile 36 de l’ensemble des secteurs sont reliées à une seconde conduite 40 d’évacuation d’huile.

Dans le cas des figures 7 et 8, le réseau 30 de canalisations 32 s’étend tout autour de la manche 16 et est réparti en canaux annulaires 42 disposés les uns à côté des autres entre l’entrée 21a et la sortie 11e. Les canaux 42 sont reliés à une conduite 38 d’alimentation en huile et à une conduite 40 d’évacuation d’huile. Dans l’exemple représenté, les conduites 38, 40 sont sensiblement diamétralement opposées, et sont respectivement situées à 12h et 6h par analogie avec le cadran d’une horloge.

La répartition des canalisations 32 par secteurs ou canaux annulaires 42 permet de limiter les risques en cas de fuite d’huile liée par exemple à une rupture de canalisation. Cette rupture peut être générée par un endommagement de la manche causé par l’impact d’un corps étranger ingéré tel que de la glace ou un oiseau ou consécutive à des criques.

Un inconvénient d’une répartition par canaux annulaires 42 pourrait être l'acheminement et la récupération de l’huile de chaque canal qui, en cas de panne, pourrait impacter l’ensemble des canaux annulaires. L’alimentation commune d’huile et la récupération commune de l’huile permet de faciliter la réalisation du réseau 30. Toutefois, en cas de panne ou de défaillance, le risque est d’entraîner la perte globale du réseau.

L’inconvénient précité est également valable pour le mode de réalisation des figures 5 et 6.

Une solution pour remédier à ce problème consiste à équiper le réseau 30 d’au moins une vanne. La conduite 38 par exemple peut être équipée d’au moins une vanne configurée pour isoler au moins un secteur ou au moins un canal annulaire 42, des autres secteurs ou canaux annulaires. Dans le cas des canaux 42, l’isolement dépend de la position de la vanne dans les zones Z1, Z2, etc., entre deux ou plusieurs canaux (figures 7 et 8). Dans le cas des secteurs de la figure 6, une vanne peut être présente à l’entrée 34 de chaque canalisation.

Ainsi suivant les besoins en refroidissement, il est possible de dévier ou by-passer une ou plusieurs canalisations pour refroidir des régions prédéterminées de la manche 16. Chaque vanne configurée pour bypasser peut être actionnée mécaniquement ou électroniquement. Il peut s’agir d’une électrovanne ou un électrorobinet actionné directement par un dispositif de commande tel que le calculateur moteur après un calcul du besoin de refroidissement de l’huile. Le besoin de refroidissement peut être estimé par le calculateur en fonction des réjections thermiques moteur (en régime nominal) et des prélèvements électriques du moment par l’aéronef/moteur, ce qui permet d’ajuster à tout instant le besoin en refroidissement. On peut également imaginer, un calcul prenant en compte la température extérieure (temps chaud/froid) afin d’ajuster le besoin en refroidissement en dehors des réjections en régime nominal moteur.

A titre d’exemple : par temps froid, au démarrage, le réseau pourrait être by-passé (en tout ou partie) afin de réduire rapidement la viscosité de l’huile au démarrage. De même, par temps chaud, l’huile pourrait nécessiter d’être davantage refroidie à cause de la température extérieure.

Le réseau est de préférence en outre équipé de moyens d’isolement d’au moins une canalisation vis-à-vis des autres canalisations, en particulier pour prévenir les risques de fuites d’huile d’une canalisation sur cas de panne (ruptures, criques) et de prévenir des risques d’arrêt moteur sur alarme basse pression huile.

Les moyens d’isolement sont configurés pour empêcher la circulation d’huile dans au moins une canalisation tout en autorisant la circulation d’huile dans d’autres canalisations.

Dans l’exemple de réalisation représenté aux figures 9 à 11, les moyens d’isolement comprennent des systèmes de billage. Chaque système de billage comporte un élément d’isolement 50, tel qu’une bille, logé dans une canalisation 32 ou dans une zone de liaison de deux canalisations et associé à des moyens 52 de rappel élastique, tel qu’un ressort. L’élément d’isolement 50 est mobile entre une première position dans laquelle il autorise le passage d’huile à travers la canalisation ou la zone de liaison, lorsqu’un débit prédéterminé d’huile circule dans la canalisation ou au moins une des canalisations, et une seconde position dans laquelle il interdit ce passage d’huile. Les moyens de rappel sollicitent l’élément dans la seconde position.

Dans l’exemple de réalisation de la figure 9, la partie représentée du réseau 30 comprend six canalisations 32 qui sont reliées deux à deux dans des zones de liaison H. Chaque zone de liaison H est reliée à au moins une autre zone de liaison H par une portion de conduite telle que la conduite 38 ou 40. Chaque zone de liaison H ainsi que chaque portion de conduite 38, 40 est équipée d’un système de billage. Chaque système de billage comprend une bille associée à deux moyens de rappel opposés et sollicitant donc la bille dans des directions opposées, l’une pour l’obturation d’un orifice de passage d’huile provenant d’une canalisation ou d’une portion de conduite, et l’autre pour l’obturation d’un orifice de passage d’huile provenant d’une autre canalisation ou d’une autre portion de conduite.

En fonctionnement normal et en l’absence de panne, de l’huile circule dans l’ensemble des canalisations 32 et des portions de conduite 38, 40, comme cela est schématiquement représenté par des flèches à la figure 9.

La figure 10 illustre un premier cas de panne, qui affecte une des canalisations, désignée par une croix ou un X. Du fait de la baisse de pression dans cette canalisation, la bille 50’ située dans la zone de liaison de cette canalisation endommagée va être sollicitée dans sa position de fermeture de l’orifice de cette canalisation. La canalisation endommagée est ainsi isolée du reste des canalisations, dans lesquelles un rééquilibrage des pressions a lieu.

La figure 11 illustre un second cas de panne, qui affecte une des canalisations, désignée par une croix ou un X. Du fait de la baisse de pression dans cette canalisation, la bille 50’ située dans la zone de liaison de cette canalisation endommagée va être sollicitée dans sa position de fermeture de l’orifice de cette canalisation. Une baisse de pression va également avoir lieu dans la canalisation reliée directement à la canalisation endommagée, ce qui va provoquer l’isolement également de cette autre canalisation par déplacement de la bille 50” située dans la portion de conduite 38, 40 reliant cette autre canalisation au reste du réseau. Un rééquilibrage des pressions a lieu dans le reste du réseau.

Claims

REVENDICATIONS

1. Turbomachine (10) d’aéronef, comportant une manche tubulaire (16) d’entrée d’air et un générateur de gaz (11) alimenté en air par ladite manche, ledit générateur de gaz comportant un axe principal longitudinal (X) et ladite manche comportant une paroi tubulaire (16a) définissant une section d’entrée d’air (21a) et une section de sortie d’air (11e), ladite section d’entrée d’air présentant un premier axe (A1) non aligné avec ledit axe principal et ladite section de sortie d’air présentant un second axe sensiblement aligné avec ledit axe principal (X), caractérisée en ce que ladite manche est équipée d’un réseau (30) de canalisations (32) d’huile qui s’étend au moins dans une portion comprise entre ladite section d’entrée et ladite section de sortie, de façon à former un échangeur de chaleur air-huile avec l’air circulant dans ladite manche.
2. Turbomachine (10) selon la revendication 1, dans laquelle ledit réseau de canalisations (32) est réalisé dans l’épaisseur de ladite paroi tubulaire (16a).
3. Turbomachine (10) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ledit réseau (30) de canalisations (32) s’étend autour de ladite paroi tubulaire (16a).
4. Turbomachine (10) selon la revendication 3, dans laquelle ledit réseau (30) de canalisations (32) est réparti en secteurs, chaque secteur comportant des entrée (34) et sortie (36) d’huile, qui sont indépendantes des entrées et sorties d’huile des autres secteurs, lesdites entrées d’huile de l’ensemble des secteurs étant reliées à une première conduite (38) d’alimentation en huile, et lesdites sorties d’huile de l’ensemble des secteurs étant reliées à une seconde conduite (40) d’évacuation d’huile.
5. Turbomachine (10) selon la revendication 3, dans laquelle ledit réseau (30) de canalisations (32) est réparti en canaux annulaires (42) disposés les uns à côté des autres entre lesdites sections d’entrée et de sortie, lesdits canaux étant reliés à une première conduite (38) d’alimentation en huile et à une seconde conduite (40) d’évacuation d’huile.
6. Turbomachine (10) selon la revendication précédente, dans laquelle lesdites première et seconde conduites (38, 40) sont sensiblement diamétralement opposées par rapport auxdits premier et second axes.
7. Turbomachine (10) selon l’une des revendications 4 à 6, dans laquelle ladite première conduite (38) comprend au moins une vanne configurée pour isoler au moins un secteur ou au moins un canal annulaire (42), des autres secteurs ou canaux annulaires.
8. Turbomachine (10) selon la revendication précédente, dans laquelle ladite vanne est une électrovanne commandée par un dispositif de commande en fonction d’un besoin en refroidissement de l’huile.
9. Turbomachine (10) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ledit réseau (30) de canalisations (32) comprend des moyens d’isolement d’au moins une canalisation vis-à-vis des autres canalisations, qui sont configurés pour empêcher la circulation d’huile dans ladite au moins une canalisation tout en autorisant la circulation d’huile dans lesdites autres canalisations.
10. Turbomachine (10) selon la revendication précédente, dans laquelle lesdits moyens d’isolement comprennent des systèmes de billage, chaque système de billage comportant un élément d’isolement (50) logé dans une canalisation ou dans une zone de liaison (H) de deux canalisations et associé à des moyens (52) de rappel élastique, ledit élément d’isolement étant mobile entre une première position dans laquelle il autorise le passage d’huile à travers ladite canalisation ou ladite zone de liaison, lorsqu’un débit prédéterminé d’huile circule dans ladite ou au moins une desdites canalisations, et une seconde position dans laquelle il interdit ce passage d’huile, lesdits moyens de rappel sollicitant ledit élément dans ladite seconde position.