FR3081911A1 - Dispositif de refroidissement d'un carter de turbine pour turbomachine - Google Patents

Dispositif de refroidissement d'un carter de turbine pour turbomachine Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de refroidissement (100) s'étendant autour d'un axe (X) et destiné à refroidir un carter (7) coaxial de turbine (1) pour une turbomachine, le dispositif de refroidissement (100) comportant des moyens de prélèvement et d'amenée d'air (110) reliés à un boitier (119) de répartition, et au moins un tube (120) de refroidissement s'étendant circonférentiellement autour de l'axe (X) à partir du boitier (119), ledit au moins un tube (120) comportant une pluralité d'orifices primaires (123), répartis le long du tube (120) et qui sont destinés à refroidir le carter (7) à partir de l'air provenant du boitier (119) entre une extrémité proximale (121) du tube (120) située au niveau du boitier (119) et une extrémité distale (122) du tube (120), le dispositif de refroidissement (100) étant caractérisé en ce que le tube (120) comporte à son extrémité distale (122) un orifice secondaire (124) pour créer une circulation d'air au niveau de l'extrémité distale (122) du tube (120), l'orifice secondaire (124) délimitant une ouverture ayant une section supérieure à la section de l'ouverture de chaque orifice primaire (123).

Description

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT D’UN CARTER DE TURBINE POUR TURBOMACHINE
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
L’invention concerne le refroidissement d’un carter de turbomachine, notamment d’un carter de turbine basse pression de turbomachine.
La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif de refroidissement par jets d’air sur un carter de turbine, de préférence basse pression, d’une turbomachine.
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Pour assurer le refroidissement de certains carters et éviter toute dégradation prématurée, et notamment des carters de turbine basse pression, on prévoit un dispositif de refroidissement qui fait intervenir un ensemble de tubes de refroidissement, également appelés rampes de refroidissement, percés de trous et disposés à l’extérieur du carter, le plus souvent en entourant ledit carter, de telle sorte que de l’air, aspiré en amont de la turbomachine par rapport à la direction d’écoulement des gaz dans la turbomachine (par exemple dans le flux primaire ou dans le flux secondaire de la turbomachine), est envoyé vers la face externe du carter.
On connaît des systèmes de refroidissement de type LPTCC (Low Pressure Turbine Clearance Control en langue anglaise, pour contrôle des jeux pour turbine basse pression). Le système LPTCC peut être commandé par le FADEC (acronyme anglais de Full Authority Digital Engine Control, qui désigne un régulateur numérique de moteur à pleine autorité pour moteur d’aéronef) ; on parle alors de contrôle actif, le système étant alors désigné par l’acronyme LPTACC. Lorsqu’il n’est pas contrôlé par le FADEC, on parle de contrôle passif pour le système LPTCC. Sa fonction principale est de réguler le jeu entre les pièces de la turbine basse pression en modulant le refroidissement et le débit d'air prélevé du flux secondaire pour le refroidissement du carter de turbine basse pression.
Un système de refroidissement, LPTCC ou LPTACC, est composé d’une écope assurant un prélèvement d’air frais dans le flux secondaire de la turbomachine et d’un ensemble de canalisations conduisant l’air frais vers la turbine basse pression jusqu’à deux boîtiers, disposés de part et d’autre du carter, alimentant à leur tour, une succession de tubes (ou rampes) de refroidissement multi-perforés assurant le refroidissement du carter de turbine basse pression par jets d’air. Chaque boîtier du système de refroidissement alimente en air des tubes de refroidissement entourant le carter sur sa circonférence ou une portion de celle-ci.
La demande de brevet FR 2 867 806, au nom de la demanderesse, divulgue un tel dispositif de refroidissement d’un carter de turbine pour une turbomachine.
Les orifices des tubes de refroidissement sont uniformément répartis le long de chaque tube de refroidissement de façon à avoir un débit relativement uniforme sur toute la circonférence du carter.
Il a été constaté que l’air circulant dans les tubes de refroidissement est échauffé par son environnement, et notamment par le rayonnement du carter, au fur et à mesure qu’il progresse le long du tube, c’est à dire au fur et à mesure qu’il s’éloigne de l’entrée du tube formée par la jonction entre le boîtier et le tube de refroidissement. Par conséquent, il est difficile de réaliser un refroidissement homogène sur toute la circonférence du carter. Les écarts de température de l’air traversant le tube entre la zone de jonction avec le boîtier et la zone la plus éloignée de la zone de jonction (i.e. en bout de tube), peuvent être supérieurs à 200°C.
Par conséquent, les zones du carter, situées à distance des liaisons entre les boîtiers et les tubes de refroidissement, sont soumises à des contraintes thermiques pouvant provoquer une ovalisation du carter et donc une dégradation de celui-ci.
La demande de brevet FR 3 054 000, au nom de la demanderesse, propose une solution pour résoudre ce problème. La demande de brevet décrit notamment une répartition optimisée des orifices le long des tubes de sorte que la densité des orifices est plus importante dans une zone du tube de refroidissement éloignée de la zone de liaison avec le boîtier d’alimentation que dans une zone du tube proche de la zone de liaison avec le boîtier d’alimentation.
De cette manière, le débit d’air de refroidissement dans la zone du tube éloignée de la zone de liaison est plus importante que dans la zone proche de la zone de liaison, de façon à compenser l’augmentation de la température de l’air au fur et à mesure que l’air progresse le long du tube.
DESCRIPTION GENERALE DE L’INVENTION
L’invention offre une solution alternative de réalisation plus simple, plus efficace et plus économique permettant de résoudre les problèmes évoqués précédemment, en proposant un dispositif de refroidissement d’un carter de turbine pour une turbomachine améliorant le refroidissement du carter et réduisant réchauffement de certaines zones du carter.
A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif de refroidissement s’étendant autour d’un axe X et destiné à refroidir un carter coaxial de turbine pour une turbomachine, le dispositif de refroidissement comportant des moyens de prélèvement et d’amenée d’air reliés à un boîtier de répartition, et au moins un tube de refroidissement s’étendant circonférentiellement autour de l’axe X à partir du boîtier, ledit au moins un tube comportant une pluralité d’orifices primaires, répartis le long du tube et qui sont destinés à refroidir le carter à partir de l’air provenant du boîtier entre une extrémité proximale du tube située au niveau du boîtier et une extrémité distale du tube, le dispositif de refroidissement étant caractérisé en ce que le tube comporte à son extrémité distale un orifice secondaire pour créer une circulation d’air au niveau de l’extrémité distale du tube, l’orifice secondaire délimitant une ouverture ayant une section supérieure à la section de l’ouverture de chaque orifice primaire.
Outre les caractéristiques évoquées dans le paragraphe précédent, le dispositif de refroidissement selon l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- un bord de l’orifice secondaire est positionné à une distance comprise entre 1 et 5 mm de l’extrémité distale du tube ;
- l’orifice secondaire est de forme circulaire et présente un diamètre supérieur à 1 mm et/ou inférieur à 80% du diamètre interne du tube ;
- l’orifice secondaire est de forme ovoïde ou oblong ;
- le dispositif comporte deux boîtiers situés de façon diamétralement opposée par rapport à l’axe X, et en ce qu’il comporte au moins deux tubes, chacun des tubes étant raccordé au niveau de son extrémité proximale à un boîtier, lesdits au moins deux tubes étant disposés circonférentiellement bout à bout autour de l’axe X ;
- le dispositif comporte au moins deux tubes raccordés au niveau de leur extrémité proximale au boîtier, lesdits au moins deux tubes étant décalés axialement l’un par rapport à l’autre ;
- le long de chaque tube les orifices primaires sont alignés et en ce que l’orifice secondaire est angulairement décalé vis-à-vis des orifices primaires ;
- l’orifice secondaire présente un décalage angulaire compris entre 90° et 270°, et préférentiellement de 180° par rapport aux orifices primaires.
La présente invention a également pour objet une turbine comportant un carter et un dispositif de refroidissement selon l’invention, ledit tube s’étendant circonférentiellement autour du carter, les orifices primaires étant orientés radialement vers l’intérieur de la turbine et l’orifice secondaire étant orienté radialement vers l’extérieur de la turbine (1).
La présente invention a également pour objet une turbomachine à double flux comportant une turbine selon l’invention.
L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les figures ne sont présentées qu’à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
La figure 1 illustre une partie d’une turbomachine à double flux selon l’invention.
La figure 2 illustre une vue en perspective d’un mode de réalisation d’un dispositif de refroidissement de carter de turbine basse pression selon l’invention.
La figure 3 illustre une vue en perspective de l’extrémité distale d’un premier mode de réalisation d’un tube de refroidissement du dispositif de refroidissement illustré à la figure 2.
La figure 4 illustre une vue en perspective de l’extrémité distale d’un second mode de réalisation d’un tube de refroidissement du dispositif de refroidissement illustré à la figure 2.
La figure 5 est un graphique représentant en comparaison l’évolution de réchauffement constatée par la demanderesse de long d’un tube de refroidissement selon l’état de la technique (courbe C1 ) et le long d’un tube de refroidissement selon l’invention (courbe C2).
Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.
DESCRIPTION DETAILLEE D’AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L’INVENTION
La figure 1 illustre une partie d’une turbomachine à double flux selon l’invention, en particulier la turbine basse pression 1. Celle-ci comporte un rotor comportant une succession de roues mobiles 2 assemblées axialement les unes aux autres par des brides annulaires 3 et comportant chacune un disque 4 portant des aubes 5.
Entre les roues mobiles 2 sont disposés des rangées annulaires d’aubes fixes 6 qui sont montées par des moyens appropriés à leur extrémité radialement externe sur un carter 7 de la turbine basse pression 1.
Le flux d’air primaire F1 issu de la chambre de combustion et s’écoulant dans la veine primaire 8 échauffe de façon importante le carter 7.
Afin d’assurer le refroidissement du carter 7 de la turbine basse pression 1, la turbomachine comporte un dispositif de refroidissement 100 selon l’invention, mieux visible à la figure 2.
Le dispositif de refroidissement 100 dans l’exemple représenté à la figure 2 est un dispositif de refroidissement LPTACC (Low Pressure Turbine Active Clearance Control en langue anglaise, pour contrôle des jeux pour turbine basse pression). Un tel dispositif pourrait également s’appliquer à un dispositif de refroidissement LPTCC sans sortir du cadre de l’invention.
Comme illustré à la figure 2, illustrant une vue en perspective du dispositif de refroidissement 100 de carter 7 de turbine basse pression 1 selon l’invention, le dispositif de refroidissement 100 comporte :
- une écope 110 comprenant une ouverture 110a débouchant par exemple dans la veine secondaire de la turbomachine afin d’y prélever de l’air froid ;
- un organe de raccordement 111 présentant une forme générale de Y comprenant une partie amont 112 raccordée à l’écope 110, et une partie aval comprenant une première branche 113 dont la fonction ne sera pas détaillée ici, et une seconde branche 114 ;
- une vanne de régulation 115 montée en aval de la seconde branche 114 de l’organe de raccordement 111 et apte à être commandée en fonction du régime moteur et/ou des conditions de vol par exemple, de manière à ajuster le débit d’air prélevé ;
- un organe de distribution 116 formé d’une ou plusieurs pièces et comportant une partie amont 117 raccordée en sortie à la vanne de régulation 115, et deux branches aval 118 s’étendant circonférentiellement autour de l’axe de rotation de la turbomachine, de part et d’autre de l’extrémité aval de la partie amont 117. Chaque branche 118 s’étend par exemple sur un segment angulaire d’environ 90°.
Le dispositif de refroidissement 100 comporte en outre des boîtiers de répartition
119, ici au nombre de deux raccordés aux extrémités correspondantes des branches 118, chaque boîtier de répartition 119 s’étendant parallèlement à l’axe (X) de rotation de la turbomachine. Typiquement, les deux boîtiers de répartition 119 sont disposés de manière diamétralement opposée sur le carter 7.
Le dispositif de refroidissement 100 comporte en outre des tubes de refroidissement
120, également connus sous les termes de rampes de refroidissement ou rampes, courbes de section circulaire et montés autour du carter 7.
Dans l’exemple de réalisation illustré à la figure 2, chaque tube de refroidissement 120 forme un segment angulaire s’étendant selon un angle de l’ordre de 90°.
Chaque tube de refroidissement 120 comporte une extrémité proximale 121 débouchant dans un boîtier de répartition 119 et une extrémité distale 122 fermée.
Dans un même plan transversal, les tubes de refroidissement 120 sont solidarisés deux à deux au niveau de leur extrémité 122.
Selon une variante de réalisation, un tube de refroidissement forme un segment angulaire s’étendant selon un angle de l’ordre de 180°. Ainsi, chaque tube comporte deux extrémités proximales débouchant chacune dans un boîtier de répartition et une partie distale située dans la région médiane du tube de refroidissement.
Comme illustré à la figure 3, qui illustre une vue en perspective de l’extrémité distale d’un tube de refroidissement selon l’invention, chaque tube de refroidissement 120 comporte en outre des orifices primaires 123 positionnés en regard du carter 7 de sorte que l’air prélevé au travers de l’écope 110, débouche au niveau de ces orifices primaires 123 pour refroidir la surface radialement extérieure du carter 7.
Chaque boîtier de répartition 119 est associé à plusieurs paires de tubes de refroidissement 120, à savoir des tubes de refroidissement 120a s’étendant circonférentiellement autour du carter 7 d’un côté du boîtier 119 et des tubes de refroidissement 120b s’étendant circonférentiellement autour du carter 7 de l’autre côté du même boîtier 119.
Dans la forme de réalisation représentée à la figure 2, chaque boîtier de répartition 119 est associé à plusieurs paires de tubes de refroidissement 120a, 120b, par exemple neuf paires de tubes de refroidissement 120a, 120b. Les tubes de refroidissement 120 d’une même paire sont situés sur un même plan transverse, les tubes de refroidissement de paires différentes étant décalées les unes des autres selon l’axe X de la turbomachine, comme visible à la figure 2. De cette manière, les tubes de refroidissement 120 d’un même plan transverse entourent le carter 7 sensiblement sur toute sa périphérie.
Les deux boîtiers de répartition 119 et les tubes de refroidissement 120 associés présentent des structures sensiblement identiques et sont agencés de façon diamétralement opposée sur le carter 7.
Les orifices primaires 123 sont généralement circulaires et ont sensiblement le même diamètre d1 en prenant en compte les variations d’usage liées aux tolérances de fabrication. Le diamètre d1 des orifices primaires 123 est par exemple compris entre 0,5 et 1 mm, par exemple de l’ordre de 0,8 mm. Selon une variante de réalisation, les orifices primaires 123 le long d’un même tube de refroidissement 120 peuvent présenter des diamètres d1 variables.
Chaque tube de refroidissement 120 du dispositif de refroidissement 100 selon l’invention comporte en outre un orifice secondaire 124, différent des orifices 123 considérés comme des orifices primaires dont la fonction est de refroidir le carter 7. L’orifice secondaire 124 est positionné en bout de rampe, c’est-à-dire à proximité de l’extrémité distale 122 du tube de refroidissement 120. Par exemple, l’orifice secondaire 124 est positionné de sorte que le bord de l’orifice secondaire 124 soit à une distance comprise entre 1 et 5 mm de l’extrémité distale 122 du tube de refroidissement 120.
Avantageusement, l’orifice secondaire 124 est positionné entre l’orifice primaire 123 de refroidissement ménagé au plus près de l’extrémité distale 122 et l’extrémité distale 122 du tube de refroidissement 120.
L’orifice secondaire 124 a pour fonction d’améliorer la circulation à l’intérieur du tube de refroidissement 120 et de créer une circulation d’air en extrémité de tube de refroidissement 120 de manière à réduire considérablement l’échauffement à l’extrémité du tube mais également tout le long du tube et principalement dans la deuxième moitié du tube de refroidissement 120. L’orifice secondaire 124 permet également de rendre plus homogène la température le long des tubes.
L’orifice secondaire 124 est dimensionné de manière à présenter une ouverture avec une section supérieure aux sections des ouvertures des orifices primaires 123.
L’orifice secondaire 124 est par exemple circulaire et présente un diamètre d2 plus important que le diamètre d1 des orifices primaires 123 de refroidissement lorsqu’ils présentent une forme circulaire. Le diamètre d2 de l’orifice secondaire 124 est par exemple supérieur à 1mm et inférieur à 80% du diamètre interne de la rampe de refroidissement.
Selon une variante de réalisation, l’orifice secondaire peut présenter une forme ovoïde ou encore oblong.
La figure 5 est un graphique représentant en comparaison l’évolution de réchauffement constatée par la demanderesse le long d’un tube de refroidissement selon l’état de la technique (courbe C1 ) et le long d’un tube de refroidissement selon l’invention dans lequel on fait circuler 5% de débit de plus par l’orifice secondaire 124 (courbe C2).
On constate que, dans le cas de l’art antérieur (courbe C1 ), la température de l’air augmente de façon exponentielle au fur et à mesure que l’on s’éloigne de l’extrémité proximale 121 du tube 120 (0% de la longueur du tube), cette température au niveau de l’extrémité distale du tube (100% de la longueur du tube) étant très importante. Par voie de conséquence, le carter 7 est mal refroidi dans les zones situées en regard des zones des tubes qui sont éloignés des boîtiers de répartition 119.
Au contraire, dans le cas de l’invention (courbe C2), on constate que la température de l’air le long du tube 120 est plus homogène, et que la température de l’air en bout de tube 120 est 60% plus faible que dans le cas de l’état de la technique, ce qui permet un meilleur refroidissement du carter 7.
Ainsi, l’ajout d’au moins un orifice secondaire 124 supplémentaire en bout de tube de refroidissement 120, avec un diamètre d2 supérieur au diamètre d1 des orifices primaires 123, permet de faire chuter de façon importante la température de l’air de refroidissement du carter à l’extrémité du tube, et d’homogénéiser la température sur toute la longueur du tube de refroidissement. Ainsi, le refroidissement du carter est beaucoup plus homogène sur toute la portion couverte par le tube de refroidissement.
La figure 4 illustre une alternative de réalisation de l’invention. Dans cette alternative de réalisation, le tube de refroidissement 120’ est identique au tube de refroidissement 120 illustré à la figure 3, à l’exception de ce qui va être décrit par la suite.
Dans cette alternative de réalisation, l’orifice secondaire 124 n’est pas positionné en vis-à-vis de carter 7 mais présente un décalage angulaire autour de l’axe de révolution du tube de refroidissement 120’ par rapport à la position au droit du carter 5 7 comme représente à la figure 3. Ainsi, l’orifice secondaire 124 n’est pas aligné avec les orifices primaires 123 et présente un décalage angulaire. Le décalage angulaire de l’orifice secondaire 124 est réalisé de manière à ce que l’orifice secondaire 124 soit orienté vers l’extérieur de la turbine 1 et non vers l’intérieur comme pour les orifices primaires 123 qui sont dirigés vers le carter 7. Ainsi, le flux 10 d’air sortant de l’orifice secondaire 124 ne vient pas perturber l’écoulement de refroidissement du carter 7.
Selon un exemple de réalisation, le décalage angulaire de l’orifice secondaire 124 par rapport à un orifice primaire 123 est par exemple compris entre +90° et +270°.
Selon un deuxième exemple de réalisation, le décalage angulaire de l’orifice 15 secondaire 124 est de 180° par rapport aux orifices primaires 123.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif de refroidissement (100) s’étendant autour d’un axe (X) et destiné à refroidir un carter (7) coaxial de turbine (1) pour une turbomachine, le dispositif de refroidissement (100) comportant des moyens de prélèvement et d’amenée d’air (110) reliés à un boîtier (119) de répartition, et au moins un tube (120) de refroidissement s’étendant circonférentiellement autour de l’axe (X) à partir du boîtier (119), ledit au moins un tube (120) comportant une pluralité d’orifices primaires (123), répartis le long du tube (120) et qui sont destinés à refroidir le carter (7) à partir de l’air provenant du boîtier (119) entre une extrémité proximale (121) du tube (120) située au niveau du boîtier (119) et une extrémité distale (122) du tube (120), le dispositif de refroidissement (100) étant caractérisé en ce que le tube (120) comporte à son extrémité distale (122) un orifice secondaire (124) pour créer une circulation d’air au niveau de l’extrémité distale (122) du tube (120), l’orifice secondaire (124) délimitant une ouverture ayant une section supérieure à la section de l’ouverture de chaque orifice primaire (123).
  2. 2. Dispositif de refroidissement (100) selon la revendication 2 caractérisé en ce qu’un bord de l’orifice secondaire (124) est positionné à une distance comprise entre 1 et 5 mm de l’extrémité distale (122) du tube (120).
  3. 3. Dispositif de refroidissement (100) selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l’orifice secondaire (124) est de forme circulaire et présente un diamètre (d2) supérieur à 1mm et/ou inférieur à 80% du diamètre interne du tube (120).
  4. 4. Dispositif de refroidissement (100) selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l’orifice secondaire (124) est de forme ovoïde ou oblong.
  5. 5. Dispositif de refroidissement (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu’il comporte deux boîtiers (119) situés de façon diamétralement opposée par rapport à l’axe (X), et en ce qu’il comporte au moins deux tubes (120), chacun des tubes (120) étant raccordé au niveau de son extrémité proximale (121) à un boîtier (119), lesdits au moins deux tubes (120) étant disposés circonférentiellement bout à bout autour de l’axe (X).
  6. 6. Dispositif de refroidissement (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu’il comporte au moins deux tubes (120) raccordés au niveau de leur extrémité proximale (121 ) au boîtier (119), lesdits au moins deux tubes (120) étant décalés axialement l’un par rapport à l’autre.
  7. 7. Dispositif de refroidissement (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le long de chaque tube (23) les orifices primaires (123) sont alignés et en ce que l’orifice secondaire (124) est angulairement décalé vis-à-vis des orifices primaires (123).
  8. 8. Dispositif de refroidissement (100) selon la revendication 7 caractérisé en ce que l’orifice secondaire (124) présente un décalage angulaire compris entre 90° et 270°, et préférentiellement de 180° par rapport aux orifices primaires (123).
  9. 9. Turbine (1) caractérisée en ce qu’elle comporte un carter (7) et un dispositif de refroidissement (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, ledit tube (120) s’étendant circonférentiellement autour du carter (7), les orifices primaires (123) étant orientés radialement vers l’intérieur de la turbine (1) et l’orifice secondaire (124) étant orienté radialement vers l’extérieur de la turbine (1).
  10. 10. Turbomachine à double flux caractérisée en ce qu’elle comporte une turbine (1) selon la revendication 9.
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