FR3080430A1

FR3080430A1 - Vanne de decharge coudee a ouverture regulee

Info

Publication number: FR3080430A1
Application number: FR1853417A
Authority: FR
Inventors: Marie Georges Caratge Antoine
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2018-04-18
Filing date: 2018-04-18
Publication date: 2019-10-25
Anticipated expiration: 2038-04-18
Also published as: FR3080430B1

Abstract

La vanne (30) comporte un conduit coudé (32) dont une première extrémité (30P) définit un orifice d'entrée d'air (34) et dont une seconde extrémité (30D) définit un orifice de sortie d'air (36), un organe (38) mobile dans ledit conduit (32) et apte à être déplacé entre une position de mise en relation des deux orifices (34, 36) et une position d'isolement des deux orifices (34, 36), des moyens de déplacement dudit organe mobile (38) entre ses deux positions. Les moyens de déplacement comprennent un actionneur linéaire (40) dont une tige (42) est reliée audit organe et au moins un capteur de position (46) dudit organe mobile (38), ledit actionneur (40) et ledit au moins un capteur (46) étant configurés pour être reliés à des moyens de commande en vue de la régulation d'un débit de décharge d'air à travers ledit conduit (32).

Description

[0001] La présente invention concerne un dispositif de décharge pour une turbomachine, en particulier d’aéronef.

ÉTAT DE L’ART [0002] Une turbomachine à double flux comprend une veine d’écoulement d’un flux primaire (ou flux chaud) et une veine d’écoulement d’un flux secondaire (ou flux froid). Il est connu d’équiper une telle turbomachine de vannes de décharge, parfois désignées par leur acronyme anglais VBV (Variable Bleed Valve) ou appelées vannes air (car elles ouvrent ou ferment des canalisations air). Ce sont classiquement des vannes de type tout ou rien (fermées ou ouvertes).

[0003] De manière classique et bien connue en soi, et comme l'illustre la figure 1 qui est une vue schématique en coupe axiale d'un turboréacteur 10 à double corps, un tel turboréacteur comporte en général, de l'amont vers l'aval selon la direction d'écoulement des gaz, un compresseur basse pression 12, un compresseur haute pression 14 (core HP), une chambre de combustion 16, une turbine haute pression 18 et une turbine basse pression 20 qui définissent une veine d’écoulement d’un flux primaire de gaz 22 et forment le compartiment central 15 (« zone core ») du turboréacteur. Dans le cas des turboréacteurs à double flux, le turboréacteur comporte en outre une soufflante 24 carénée par une nacelle 26 pour générer un flux secondaire 28 traversant une veine d'écoulement secondaire annulaire, définie entre la nacelle 26 et le compartiment central 15 du turboréacteur.

[0004] La pression P| dans la veine d’écoulement de flux primaire est supérieure à la pression Pu dans la veine d’écoulement de flux secondaire.

[0005] Les vannes de décharge 30 se situent classiquement dans le compartiment central (« zone core ») de la turbomachine, plus particulièrement à proximité d’un compresseur, et sont destinées à réguler le débit d’entrée d’air dans la veine primaire afin notamment de limiter les risques de pompage du compresseur de la turbomachine en permettant l'évacuation ou la décharge d’un flux d’air vers la veine secondaire.

[0006] Le pompage est un phénomène aérodynamique bien connu de toute personne du métier, intervenant dans un compresseur : lorsque la différence de pression entre l'entrée et la sortie du compresseur est trop élevée, des instabilités (appelées décollements) apparaissent au niveau des aubes du compresseur. Si ce phénomène de décollement est trop important, le flux de gaz généré dans le compresseur ne permet plus de pousser ledit gaz dans le bon sens, et la partie « haute pression >> du compresseur (la sortie) se vide dans sa partie « basse pression >> (l'entrée). Dans certains cas extrêmes, on peut observer une inversion du sens d'écoulement.

[0007] Le phénomène de pompage réduit les performances des compresseurs, et peut également être destructeur pour les aubes du compresseur.

[0008] Le pompage est l'un des problèmes les plus graves auxquels un pilote peut avoir à faire face, car il se produit assez généralement au décollage de l’aéronef.

[0009] Par ailleurs, en cas de pénétration accidentelle d’eau dans la veine primaire, notamment sous forme de pluie ou de grêle, ou encore de débris divers qui sont susceptibles de nuire au fonctionnement de la turbomachine, ces vannes permettent de récupérer cette eau ou ces débris qui sont alors centrifugés et acheminés jusqu’à la veine secondaire.

[0010] Ainsi, chaque moteur aéronautique est muni de systèmes pour le déchargement du compresseur sous forme de vannes classiquement actionnées par des actionneurs électropneumatiques.

[0011] Une vanne de décharge 30 classique, comporte un piston permettant, ou non, la mise en communication des deux veines d’écoulement de flux primaire et secondaire. L’inconvénient des vannes connues de l’état de la technique, est qu’elles sont le plus souvent des vannes tout ou rien. Or, pour certaines applications, une régulation du débit d’air passant dans la vanne de décharge peut permettre une meilleure opérabilité moteur et donc une amélioration des performances. Ceci est particulièrement vrai pour les moteurs d’architecture du type turbopropulseur.

[0012] En effet, une modulation du débit de décharge du compresseur par une vanne régulée en position, donne des gains de performance significatifs par rapport à des systèmes ouverts/fermés effectués par des vannes tout ou rien. Toutefois, les vannes régulées en position sont le plus souvent des vannes de type papillon (ou à boule) comportant un actionneur hydraulique (fonctionnant par exemple avec du carburant), et formant ainsi un équipement encombrant.

[0013] L’utilisation de vanne de type papillon est la plus courante car elle permet, en outre, de placer facilement un capteur de position (donnant le degré d’ouverture de la vanne) de manière simple à l’extérieur de la vanne elle-même, grâce une liaison mécanique avec l’arbre du papillon de la vanne.

[0014] Les vannes papillon présentent cependant plusieurs problèmes.

[0015] Premièrement, il est connu que la ou les bague(s) carbone assurant l’étanchéité autour du papillon s’use au contact des polluants solides (formation de petites tranchées), se coince dans sa gorge (donc ne peut plus se dilater pour bloquer les chemins de fuites), ou que des particules solides se coincent entre la bague carbone et la paroi interne de la vanne, rendant alors la vanne hors d’état de fonctionner.

[0016] Deuxièmement, les vannes de type papillon présentent des fuites d’air importantes au niveau des joints lorsqu’elles sont fermées. Ces fuites impactent défavorablement les performances moteur et, par ailleurs, accélèrent l’usure de ces joints, ce qui induit une dégradation précoce des caractéristiques fonctionnelles des vannes. Le système « anti fuites >> typique d’une vanne papillon est relativement complexe.

[0017] Troisièmement, une vanne de type papillon est de design très complexe. Typiquement, l’arbre du papillon doit être tenu en place par deux roulements à billes (ou des paliers carbone), qui sont onéreux et nécessitent un montage soigné. L’ouverture/fermeture de la vanne papillon est entraînée par un ensemble de bielles (transformant le déplacement linéaire de l’actionneur en déplacement angulaire) qui peuvent se coincer ou s’user.

[0018] La présente invention propose une solution à ce problème.

EXPOSÉ DE L’INVENTION [0019] A cet effet, la présente invention propose une vanne de décharge pour une turbomachine, en particulier d’aéronef, comportant :

- un conduit coudé dont une première extrémité définit un orifice d’entrée d’air et dont une seconde extrémité définit un orifice de sortie d’air,

- un organe mobile dans ledit conduit et apte à être déplacé entre une position de mise en relation des deux orifices et une position d’isolement des deux orifices,

- des moyens de déplacement dudit organe mobile entre ses deux positions, caractérisée en ce que lesdits moyens de déplacement comprennent un actionneur linéaire dont une tige est reliée audit organe mobile ou configurée pour agir sur ledit organe en vue de son déplacement, et au moins un capteur de position dudit organe mobile, ledit actionneur et ledit au moins un capteur étant configurés pour être reliés à des moyens de commande en vue de la régulation d’un débit de décharge d’air à travers ledit conduit, et en ce que le conduit coudé comporte une section axisymétrique autour de laquelle vient glisser l’organe mobile, et un trou destiné à permettre la sortie de la tige dudit organe mobile, le conduit coudé comportant par ailleurs, en aval dudit trou, une interface permettant la mise en contact avec l’actionneur linéaire.

[0020] Ceci permet l’installation simple de l’actionneur en dehors du flux d’air chaud du conduit de la vanne. De manière classique, un actionneur comporte plusieurs éléments techniques sensibles au chaud tels que des solénoïdes ou de l’électronique fine. Ces éléments présentent classiquement des températures limites de fonctionnement en-dessous de la température de l’air de décharge. Ainsi, en déviant le flux d’air de décharge, on protège l’actionneur et de cette manière, l’actionneur peut être installé à proximité de la vanne (et sur la vanne elle-même) tout en permettant à la vanne d’être régulée en ouverture. La proximité entre la vanne et l’actionneur permet d’affiner la commande de la vanne et d’en simplifier le montage/démontage en cas de panne ou de vérification.

[0021] Le dispositif selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :

- l’organe mobile et l’actionneur linéaire peuvent être alignés axialement,

- le conduit peut présenter un étranglement au niveau d’un tronçon coudé,

- l’organe mobile peut se situer en amont du tronçon coudé,

- l’organe mobile peut coopérer de manière étanche avec une paroi interne du conduit au niveau du tronçon coudé lorsque la vanne est en position d’isolement des deux orifices,

- l’organe mobile peut comporter une tête en forme d’ogive,

- l’organe mobile peut coopérer de manière étanche avec une tête en forme d’ogive du conduit lorsque la vanne est en position d’isolement des deux orifices,

- l’actionneur peut être un actionneur électrique,

- l’actionneur peut être un actionneur hydraulique.

[0022] La présente invention a également pour objet une turbomachine comportant un dispositif de décharge de flux d’air tel que décrit cidessus.

DESCRIPTION DES FIGURES [0023] 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 coupe axiale d'un turboréacteur à double corps,

- la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale d’une vanne selon l’invention en position ouverte,

- la figure 3 est une vue schématique en coupe axiale de la vanne de la figure 2 en position fermée,

- la figure 4 est une vue schématique en coupe axiale d’une variante de la vanne selon l’invention,

- la figure 5 est une vue en perspective d’un atténuateur acoustique.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE [0024] Comme visible sur la figure 2, la vanne de décharge de flux d’air 30 est de type soupape (« poppet >> en anglais). Ce type de vanne est simple et donc peu chère (car elle ne comporte pas de roulements à bille ou de système antifuite, par exemple).

[0025] La vanne 30 comporte un conduit coudé 32 s’étendant entre la veine de circulation de flux primaire 22 et la veine de circulation du flux secondaire 28. Une pression Pi règne dans la veine de circulation de flux primaire 22 et une pression Pu règne dans la veine de circulation de flux secondaire 28. La pression P_N est inférieure à la pression P|.

[0026] La première extrémité (extrémité proximale) 30P du conduit coudé 32 définit un orifice d’entrée d’air de décharge 34 débouchant dans la veine primaire 22 (ou dans une cavité qui débouche, elle, dans la veine primaire 22). La deuxième extrémité (extrémité distale) 30D du conduit coudé 32 définit un orifice de sortie d’air de décharge 36 et débouche dans la veine secondaire 28. Lorsque la vanne 30 est en position ouverte (voir figure 2, par exemple), l’extrémité distale 30D et l’extrémité proximale 30P sont mises en communication fluidique : les deux veines de circulation de flux primaire et secondaire 22, 28 sont donc également mises en communication fluidique et l’air de décharge quitte la veine primaire pour aller dans la veine secondaire du fait de la différence de pression (puisque Pu < Pi). Lorsque la vanne 30 est en position fermée (voir figure 3), les deux veines sont isolées l’une de l’autre.

[0027] Cette mise en communication ou cet isolement fluidique est obtenu au moyen d’un organe mobile 38 dans le conduit coudé 32. Le conduit 32 est muni, en son intérieur, d’une section axisymétrique autour de laquelle vient glisser l’organe mobile 38. Comme visible sur les figures 2, 3 et 4, l’organe mobile 38 comporte une tige 42 et le conduit 32 présente un trou complémentaire de la tige 42, par lequel ladite tige 42 de l’organe mobile 38 peut sortir. Le conduit coudé 32 comporte, en aval du trou (dans le sens découlement des gaz), une interface permettant la mise en contact avec l’actionneur 40. L’organe 38 est ainsi apte à être déplacé entre une position de mise en relation des deux orifices 34, 36 et une position d’isolement de ces deux mêmes orifices 34, 36 (et donc des veines primaires et secondaires 22, 28).

[0028] Ce déplacement est obtenu avec des moyens de mise en mouvement comprenant notamment un actionneur linéaire 40 en liaison avec l’organe 38 par la tige 42, et configuré pour agir sur l’organe 38 en vue de son déplacement.

[0029] L’actionneur 40 se trouve être ici un vérin hydraulique (fonctionnant par exemple au moyen de carburant) permettant une régulation en position très précise mais il pourrait s’agir d’un vérin électrique ou encore pneumatique.

[0030] Le conduit coudé 32 présente deux segments 32A, 32B séparés par un tronçon coudé 44 et s’étendant dans des directions différentes. Le segment en amont (dans le sens d’écoulement du flux d’air) du tronçon coudé 44, le segment amont 32A, présente une forme globale d’arc de cercle et abrite l’organe mobile 38. Il est à noter qu’il pourrait être sensiblement rectiligne dans un autre cas d’application. Le segment en aval du tronçon coudé 44, le segment aval 32B, présente une forme sensiblement rectiligne. Il pourrait également avoir une autre forme principale. Les deux segments 32A et 32B ne présentent pas le même diamètre. Dans le présent exemple, le diamètre du segment aval 32B est inférieur au diamètre du segment amont 32A et le tronçon coudé 44 présente ainsi un étranglement. Le corps de l’organe mobile 38 se situe donc en amont de l’étranglement.

[0031] L’ouverture et la fermeture de la vanne s’effectuent au niveau de cet étranglement. En effet, lorsque la vanne 30 est en position fermée, l’organe mobile 38 coopère de manière étanche avec une paroi interne du conduit 32 au niveau, précisément, du tronçon coudé 44 dont l’étranglement forme une butée. Cette butée forme un siège de vanne. L’organe mobile 38 peut ainsi coopérer par effet de butée avec le tronçon coudé 44. Si l’organe mobile 38 et le conduit 32 sont en métal, on obtient une fermeture de vanne 30 présentant une fuite quasi-nulle au niveau de son siège (le tronçon coudé 44) de par le contact métal-métal entre la paroi interne du conduit 32 et l’organe mobile 38.

[0032] Le coulissement de l’organe mobile 38 est rendu possible par l’utilisation des bagues de guidage amont 48A et aval 48B agencées entre le corps de vanne 32 et l’organe mobile 38. Ces bagues 48A, 48B font ici office de joints d’étanchéité. Lorsque la vanne 30 est en position fermée, les fuites d’air 49 autour des bagues de guidage 48A, 48B sont négligeables, d’une part à cause des bagues elles-mêmes mais surtout du fait d’une différence de pression autour de ces bagues très faibles. C’est-à-dire que la différence de pression maximale entre la pression ambiante du compartiment central 15 et de la pression de la veine secondaire 28 est très faible, d’environ 0,5 bar au maximum. Il est à noter que les bagues 48A, 48B peuvent par ailleurs être munies de systèmes d’étanchéité complémentaires si nécessaires.

[0033] Les bagues de guidage 48A, 48B sont typiquement des bagues carbone, permettant de tenir de hautes températures. D’autres solutions alternatives peuvent être possibles (bagues polymères/métalliques) pour des applications où les contraintes thermiques sont moins contraignantes.

[0034] Lorsque la vanne 30 est fermée (voir figure 3), les fuites d’air 49 passant autour des bagues/paliers sont négligeables : en effet, la différence de pression de part et d’autre des bagues est très faible, de l’ordre de 0,2 bar, par exemple.

[0035] Comme visible sur la figure 2, l’organe mobile 38 et sa tige centrale 42 sont alignés axialement (selon un axe de circulation des gaz, dont par exemple les flux primaire et secondaire 22, 28) avec l’actionneur 40. L’organe mobile 38 et sa tige 42 s’étendent de manière sensiblement parallèle aux veines d’écoulement de flux primaire et secondaire 22, 28.

[0036] L’actionneur 40 se trouve donc en dehors du flux d’air de décharge qui lui, suit le changement de direction imposé par le segment aval 32B du conduit 32.

[0037] L’actionneur 40 est par ailleurs muni d’un capteur de position 46 de la tige 42 (voir figure 2) qui permet de vérifier la position de cette dernière et d’être relié à des moyens de commande en vue de la régulation du débit de décharge d’air de décharge à travers le conduit 32.

[0038] Le capteur de position 46 peut être intégré à l’actionneur 40 ou bien être relié mécaniquement à l’organe mobile 38 et/ou à l’actionneur 40.

[0039] Comme l’actionneur 40 se trouve en dehors du flux d’air de décharge (qui est de l’air chaud, issu du compresseur, pouvant atteindre une température de près de 500°C), ceci permet l’installation d’un capteur de position 46 sans la nécessité d’installer un système de refroidissement actif dédié.

[0040] Par ailleurs, des cales thermiques peuvent être installées entre le conduit 32 et l’actionneur 40.

[0041] L’organe mobile 38 est par ailleurs muni d’une tête profilée (ici en ogive) 50, permettant de présenter un profil aérodynamique et permettant un écoulement peu perturbé de l’air de décharge lorsque la vanne 30 est en position ouverte (ce qui améliore l’acoustique et l’opérabilité de la vanne).

[0042] L’extrémité sous tête de l’organe mobile 38 constitue avec le conduit interne 32 un logement 51. Ce logement permet d’accueillir un élément de sollicitation 52 (ici un ressort) prenant appui d’une part sur l’organe mobile 38 et d’autre part sur le conduit interne 32. Ceci permet de créer un contre effort (proportionnel au déplacement de l’organe mobile 38) à l’actionneur 40 et permet de faciliter la régulation en position de l’organe 38. Cette régulation permet l’ouverture de la vanne 30 (qui est sa position dite « fail-safe ») dans certains cas de panne. La vanne 30 se retrouve ainsi en position ouverte lorsque le moteur est à l’arrêt.

[0043] Par ailleurs, dans le cas d’un actionneur 40 hydraulique, celui-ci doit permettre l’ouverture de la vanne 30 lorsque toutes les pressions de carburant sont égales (moteur éteint).

[0044] Dans le mode de réalisation présenté en figure 4, le conduit 32, comporte, dans le segment amont 32A, en amont de l’organe mobile 38, une tête profilée en ogive 50’ creuse qui coopère de manière étanche avec l’organe mobile 38 lorsque la vanne 30 est en position d’isolement des deux orifices 34, 36. Une bague de guidage 48C est rajoutée entre le conduit 32 et l’organe mobile 38 afin de supporter et guider en translation l’organe mobile 38. (Il n’y a pas de fuite autour de cette bague car les pressions de part et d’autre de la bague sont égales, sans qu’il s’agisse d’un contact métal-métal comme précédemment). Ceci permet de simplifier le design de l’organe mobile 38 tout en assurant un écoulement peu perturbé de l’air de décharge lorsque la vanne 30 est ouverte.

[0045] La vanne 30 (incluant son actionneur 40) peut facilement se loger dans le compartiment central 15 du moteur. En effet, comme visible sur la figure 2, l’actionneur 40 est axialement aligné avec l’organe mobile 38 et s’étend dans une direction sensiblement parallèle aux veines d’écoulement des flux primaire et secondaire 22, 28. Ainsi, il n’est besoin que d’une faible hauteur entre les deux veines de circulation de flux primaire et secondaire 22, 28 pour pouvoir loger la vanne de décharge 30. Une faible hauteur est ici prévue entre le compresseur et la sortie d’air 36 débouchant dans la veine secondaire 28. Ceci fait de la vanne de décharge 30, selon l’invention, une option très intéressante pour les moteurs dont le compartiment central 15 est de faible dimension.

[0046] Un atténuateur 54, tel qu’illustré en figure 5, est typiquement placé dans le segment aval 32B de la vanne de décharge 30 pour des raisons acoustiques. Un tel atténuateur 54 permet d’atténuer les pulsations de pression générées dans la section critique de la vanne de décharge 30 (section entre l’organe mobile 38 et le tronçon coudé 44) quand celle-ci est en position ouverte, et de donner un écoulement relativement uniforme en sortie de la vanne 30. Ceci a un impact acoustique significatif au niveau de l’acoustique du moteur lors des phases d’approche de l’avion (le moteur fonctionnant alors en régime ralenti vol, avec ses vannes de décharge 30 partiellement ouvertes).

[0047] L’atténuateur peut également être placé à l’extrémité du segment aval 32B (à l’intersection du flux secondaire 28), et être combiné à un système pour orienter le flux sortant de la vanne 30 dans le flux secondaire 28 (par exemple des ailettes).

Claims

REVENDICATIONS

1. Vanne de décharge (30) pour une turbomachine (10), en particulier d’aéronef, comportant :

- un conduit coudé (32) dont une première extrémité (30P) définit un orifice d’entrée d’air (34) et dont une seconde extrémité (30D) définit un orifice de sortie d’air (36),

- un organe (38) mobile dans ledit conduit (32) et apte à être déplacé entre une position de mise en relation des deux orifices (34, 36) et une position d’isolement des deux orifices (34, 36),

- des moyens de déplacement dudit organe mobile (38) entre ses deux positions, caractérisée en ce que lesdits moyens de déplacement comprennent un actionneur linéaire (40) dont une tige (42) est reliée audit organe mobile (38) ou configurée pour agir sur ledit organe (38) en vue de son déplacement, et au moins un capteur de position (46) dudit organe mobile (38), ledit actionneur (40) et ledit au moins un capteur (46) étant configurés pour être reliés à des moyens de commande en vue de la régulation d’un débit de décharge d’air à travers ledit conduit (32), et en ce que le conduit coudé (32) comporte une section axisymétrique autour de laquelle vient glisser l’organe mobile (38), et un trou destiné à permettre la sortie de la tige (42) dudit organe mobile (38), le conduit coudé (32) comportant par ailleurs, en aval dudit trou, une interface permettant la mise en contact avec l’actionneur linéaire (40).
2. Vanne (30) selon la revendication précédente, dans laquelle l’organe (38) mobile et l’actionneur linéaire (40) sont alignés axialement.
3. Vanne (30) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le conduit présente un étranglement au niveau d’un tronçon coudé (44).
4. Vanne (30) selon la revendication précédente, dans laquelle l’organe mobile (38) se situe en amont du tronçon coudé (44).
5. Vanne (30) selon l’une quelconque des revendications 3 ou 4, dans laquelle l’organe mobile (38) coopère de manière étanche avec une paroi interne du conduit (32) au niveau du tronçon coudé (44) lorsque la vanne (30) est en position d’isolement des deux orifices (34, 36).
6. Vanne (30) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’organe mobile (38) comporte une tête en forme d’ogive.
7. Vanne selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle l’organe mobile (38) coopère de manière étanche avec une tête en forme d’ogive du conduit (32) lorsque la vanne (30) est en position d’isolement des deux orifices (34, 36).
8. Vanne selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ledit actionneur (40) est un actionneur électrique.
9. Vanne selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle ledit actionneur (40) est un actionneur hydraulique.
10. Turbomachine d’aéronef, comportant une vanne selon l’une quelconque des revendications précédentes.