FR3082227A1

FR3082227A1 - Dispositif pilote de refroidissement pour une turbine d'une turbomachine

Info

Publication number: FR3082227A1
Application number: FR1855131A
Authority: FR
Inventors: Philippe Edith Bourgeois Sebastien; Marcel Jeannin Gilles; Guillaume Robin Pellaton Bertrand
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2019-12-13
Anticipated expiration: 2038-06-12
Also published as: FR3082227B1

Abstract

L'invention concerne un ensemble pour turbomachine comportant un carter s'étendant autour d'une direction axiale de la turbomachine, dont les extrémités axiales sont prolongées par une première bride ou bride amont (26), et par une seconde bride ou bride aval (27), chaque bride (26, 27) s'étendant radialement vers l'extérieur, au moins un dispositif de refroidissement du carter comportant au moins un tube (23) s'étendant circonférentiellement destiné à l'écoulement d'un fluide de refroidissement, le tube (23) étant fixé à un support de tubes (24) monté sur l'une au moins des brides (26, 27) du carter, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de déplacement pilotés (39, 46) montés entre le support de tubes (24) et la bride correspondante (26, 27) du carter, lesdits moyens de déplacement (39, 46) étant conçus pour ajuster la position radiale de le support de tubes (24) et des tubes (23) par rapport à la bride correspondante (26, 27) du carter, en fonction d'une consigne.

Description

Dispositif piloté de refroidissement pour une turbine d’une turbomachine

DOMAINE [001] La présente invention concerne un dispositif de refroidissement pour une turbine d’une turbomachine, telle par exemple qu’un turboréacteur d’avion, en particulier un turboréacteur à double flux.

CONTEXTE [002] La figure 1 représente une turbomachine 1 à double flux et à double corps. L’axe de la turbomachine est référencé X et correspond à l’axe de rotation des parties tournantes. Dans ce qui suit, les termes axial et radial sont définis par rapport à l’axe X.

[003] La turbomachine 1 comporte, de l’amont vers l’aval dans le sens d’écoulement des gaz, une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6 et une turbine basse pression 7.

[004] L’air issu de la soufflante 2 est divisé en un flux primaire 8 s’écoulant dans une veine annulaire primaire 9, et un flux secondaire 10 s’écoulant dans une veine annulaire secondaire 11 entourant la veine annulaire primaire 9.

[005] Le compresseur basse pression 3, le compresseur haute pression 4, la chambre de combustion 5, la turbine haute pression 6 et la turbine basse pression 7 sont ménagés dans la veine primaire 9.

[006] Le rotor de la turbine haute pression 6 et le rotor du compresseur haute pression 4 sont couplés en rotation par l’intermédiaire d’un premier arbre 12 de manière à former un corps haute pression.

[007] Le rotor de la turbine basse pression 7 et le rotor du compresseur basse pression 3 sont couplés en rotation par l’intermédiaire d’un second arbre 13 de manière à former un corps basse pression, la soufflante 2 pouvant être reliée directement au rotor du compresseur basse pression 3 ou bien par l’intermédiaire d’un train d’engrenage épicycloïdal par exemple. [008] Comme cela est mieux visible à la figure 2, la turbine basse-pression 7 comporte en particulier différents étages successifs comportant des roues mobiles 14 et des parties fixes. La roue mobile comporte un disque 15 au niveau duquel sont montées des aubes 16. Les extrémités des aubes 16 sont entourées d’un anneau fixe 17 en matériau abradable, ledit anneau 17 étant fixé sur le carter 18 de la turbine. Des distributeurs 19 sont situés en amont des roues mobiles 14. Les distributeurs 19 et les anneaux 17 sont montés sur le carter par l’intermédiaire de brides ou de crochets 20 s’étendant depuis la surface radialement interne du carter 18.

[009] Afin de garantir un rendement élevé de la turbomachine, il convient de limiter le flux d’air ne traversant pas les roues mobiles 14 des différents étages, c’est-à-dire de limiter les fuites entre les extrémités radialement externes des aubes 16 et l’anneau 17 en matériau abradable. Pour cela, il convient de contrôler le jeu au niveau de cette interface, ce jeu étant fortement dépendant de la température du carter 18, et notamment des zones dudit carter 18 comportant les crochets ou brides 20 supportant l’anneau 17.

[010] Le flux d’air primaire issu de la chambre de combustion 5 présente une température très élevée et échauffe les parties situées en aval, telles que les parties fixes et mobiles de la turbine 6, 7.

[011] Afin de maîtriser le jeu précité et d’éviter toute dégradation prématurée des différentes parties fixes et mobiles de la turbine, il est nécessaire de prévoir des moyens de refroidissement efficaces pouvant s’intégrer aisément dans l’environnement de la turbomachine.

[012] La demande de brevet FR 3 021 700, au nom de la Demanderesse, divulgue un dispositif de refroidissement 21 d’un carter 18 de turbine basse pression 7, visible à la figure 3, comportant des boîtiers collecteurs 22, chaque boîtier collecteur 22 formant un canal s’étendant axialement.

[013] Le dispositif 21 comporte de plus des tubes 23 s’étendant circonférentiellement de part et d’autre des boîtiers collecteurs 22. Lesdits tubes 23, également appelés rampes, sont formés par des canalisations courbes de section circulaire, chaque tube 23 s’étendant circonférentiellement autour du carter 18 par exemple selon un angle d’environ 90°.

[014] Chaque tube 23 comporte une entrée d’air débouchant dans le canal du boîtier collecteur 22 correspondant et une extrémité distale fermée. Chaque tube 23 comporte en outre une paroi cylindrique pourvue d’orifices d’éjection d’air tournés vers le carter 18, de sorte que de l’air de refroidissement puisse pénétrer dans les boîtiers collecteurs 22 puis dans les tubes 23 avant de déboucher par les orifices en regard du carter 18, de manière à le refroidir. On parle notamment de refroidissement par impact puisque l’air vient impacter le carter 18.

[015] Tous les tubes 23 sont maintenus ensemble sur le carter 18 par l’intermédiaire de supports de tubes 24 qui comprennent des tôles de fixation venant maintenir les tubes 23, en différents endroits de la circonférence du carter 18. Plus particulièrement, chaque tube est fixé au support de tubes 24 correspondant par l’intermédiaire d’un collier 25 (figure 4).

[016] Les extrémités axiales amont et aval du support de tubes 24 sont fixées respectivement sur des brides annulaires radiales amont 26 et aval 27 du carter 18, par l’intermédiaire de tôle de liaison amont 28 et aval 29, respectivement.

[017] En fonctionnement, seules les zones cylindriques ou tronconiques 30 du carter 18 sont refroidies, les brides 26, 27 n’étant pas refroidies par l’air issu des tubes 23. Par conséquent, les brides 26, 27 ont tendance à se dilater radialement ou circonférentiellement de façon plus importante que les zones 30 refroidies par les tubes 23. Ceci est particulièrement vrai pour la bride amont 26, qui est celle qui est exposée aux températures les plus importantes. Les tubes 23 étant accrochés sur les brides 26, 27 par l’intermédiaire des colliers 25, des supports de tubes 24 et des tôles de liaison 28, 29, il en résulte que la distance radiale entre les tubes 23 et les parties cylindriques ou tronconiques 30 du carter 18, également appelée entrefer, peut varier en fonctionnement, ce qui empêche une bonne régulation du refroidissement du carter 18.

RESUME DE L’INVENTION [018] L’invention a notamment pour but d’apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème.

[019] A cet effet, elle propose un ensemble pour turbomachine comportant : un carter annulaire s’étendant autour d’une direction axiale de la turbomachine, les extrémités axiales du carter étant prolongées par une première bride ou bride amont, et par une seconde bride ou bride aval, chaque bride s’étendant radialement vers l’extérieur, au moins un dispositif de refroidissement du carter comportant au moins un tube s’étendant circonférentiellement autour du carter et étant destiné à faire circuler un fluide de refroidissement du carter, le tube étant fixé à un support de tubes monté mobile par rapport au carter, caractérisé en ce qu’il comporte des moyens de déplacement pilotés montés entre le support de tubes et au moins une des brides du carter, lesdits moyens de déplacement étant configurés pour modifier la distance dans la direction radiale entre les tubes et le carter, en fonction d’une consigne.

[020] Les termes axial et radial sont définis par rapport à l’axe du carter.

[021] Les moyens de déplacement sont aptes à maintenir la distance radiale entre les tubes et le carter à une valeur déterminée, de façon à garantir un refroidissement efficace du carter, quelles que soient les conditions de fonctionnement. La consigne est par exemple un signal issu de moyens de calcul de la turbomachine ou de l’aéronef équipé de la turbomachine.

[022] Comme cela est connu en soi, les tubes peuvent comporter des orifices d’éjection d’air dirigés en direction du carter, c’est-à-dire débouchant radialement vers l’intérieur. Les orifices peuvent être régulièrement répartis sur toute la circonférence et peuvent former une ou plusieurs rangées d’orifices par tube.

[023] L’ensemble peut comporter au moins un organe de liaison fixé à une bride correspondante du carter, l’organe de liaison coopérant avec le support de tubes par des moyens de butée limitant ou empêchant les déplacements axiaux et/ou radiaux du support de tubes par rapport à l’organe de liaison.

[024] L’ ensemble peut comporter au moins un organe élastique monté entre le support de tubes et le carter, ledit organe élastique étant configuré pour exercer un effort radialement vers l’intérieur, à l’encontre de l’effort exercé par les moyens de déplacement sur le support de tubes.

[025] Le support de tubes peut comporter une partie en saillie engagée dans un trou oblong s’étendant radialement, formé dans l’organe de liaison, ou inversement.

[026] La partie en saillie peut être un plot, une vis ou un boulon, ou encore un rivet, engagé dans le trou oblong.

[027] Le trou oblong peut être formé dans le support de tubes ou dans l’organe de liaison, de façon à pouvoir autoriser le déplacement radial entre lesdits organes quelle que soit la variante envisagée.

[028] Les moyens de déplacement pilotés peuvent comporter un anneau monté pivotant autour du carter, ledit anneau comportant au moins une rampe ou au moins une came, le support de tubes comportant au moins un organe d’appui venant en appui sur ladite rampe ou sur ladite came, de façon à être déplacé radialement en fonction de la position de l’organe d’appui par rapport à la rampe ou à la came.

[029] L’ensemble peut comporter au moins un vérin monté entre le carter et l’anneau, l’actionnement du vérin permettant de commander la rotation de l’anneau autour du carter.

[030] L’organe d’appui peut comporter une biellette dont une première extrémité est articulée par rapport au support de tubes et dont une seconde extrémité opposée est apte à venir en appui sur la rampe ou la came correspondante de l’anneau.

[031] Les moyens de déplacement peuvent être aptes à déplacer radialement le support de tubes et/ou les tubes sur une distance radiale comprise entre 3 et 20 mm.

[032] Le support de tubes et/ou l’organe de liaison peuvent être formés à partir de tôles.

[033] L’invention concerne également une turbomachine, telle par exemple qu’un turboréacteur ou qu’un turbopropulseur d’avion, comportant un ensemble du type précité.

[034] L’ invention concerne de plus un turboréacteur à double flux, comportant une soufflante en aval de laquelle s’étend :

- une veine primaire dans laquelle s’écoule un flux primaire, ladite veine primaire traversant notamment, dans le sens d’écoulement du flux primaire, un compresseur, une chambre de combustion et une turbine comportant un carter de turbine,

- une veine secondaire dans laquelle s’écoule un flux secondaire distinct du flux primaire, caractérisé en ce que la turbine comporte un ensemble du type précité, dont le carter forme le carter de turbine.

[035] L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

- la figure 1 est une vue en coupe axiale d’un turboréacteur à double flux de l’art antérieur,

- la figure 2 est une vue en coupe axiale d’une partie du turboréacteur de l’art antérieur, illustrant notamment la turbine basse pression,

- la figure 3 est une vue en perspective d’un dispositif de refroidissement de l’art antérieur,

- la figure 4 est une vue en coupe et en perspective d’une partie du turboréacteur de l’art antérieur,

- la figure 5 est une vue schématique en coupe d’une partie d’un ensemble selon l’invention,

- la figure 6 est une vue schématique et en perspective d’une partie d’un ensemble selon une forme de réalisation de l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE [036] Les figures 5 et 6 illustrent une partie d’un dispositif de refroidissement 21 monté sur un carter 18 de turbine basse pression 7 d’une turbomachine d’avion 1, selon une forme de réalisation de l’invention.

[037] Le carter 18 est de forme annulaire et présente, d’amont en aval, une bride annulaire radiale amont 26, une partie annulaire 30 s’étendant axialement, formée de parties cylindriques et/ou de parties tronconiques, et une bride annulaire radiale aval 27. Les brides 26, 27 permettent la liaison du carter 18 de turbine à d’autres carters de la turbomachine 1.

[038] Le dispositif de refroidissement 21 comporte des tubes 23 qui s’étendent circonférentiellement et sont sensiblement parallèles les uns aux autres. Le nombre de tubes 23 est par exemple compris entre 1 et 20. Le nombre de tubes 23 représentés a été limité afin de faciliter la lisibilité des dessins.

[039] Comme cela est connu en soi, les tubes 23 sont formés par des canalisations courbes de section circulaire, chaque tube 23 s’étendant circonférentiellement autour du carter 18 par exemple selon un angle d’environ 90°.

[040] Chaque tube 23 comporte une entrée d’air débouchant dans le canal d’un boîtier collecteur correspondant 22 et une extrémité distale fermée. Chaque tube 23 comporte en outre une paroi cylindrique pourvue d’orifices d’éjection d’air 31 tournés vers le carter 18, de sorte que de l’air de refroidissement puisse pénétrer dans les boîtiers collecteurs 22 puis dans les tubes 23 avant de déboucher (flèche 32) par les orifices 31 en regard du carter 18, de manière à le refroidir. Les tubes 23 sont en particulier situés axialement en regard des zones du carter comportant les brides ou crochets 20 servant au montage des distributeurs 19 ou des anneaux d’abradable 17. [041] Chaque tube 23 est fixé à des supports de tubes 24 répartis sur la circonférence, par l’intermédiaire de colliers 25 non représentés aux figures 5 et 6. Chaque support de tubes 24 comporte une partie médiane 32 s’étendant axialement et deux extrémités amont 33 et aval 34. L’extrémité amont 33 comporte un rebord 35 s’étendant radialement. Chaque support de tubes 24 est relié à la bride amont 26 par une tôle de liaison amont 28, ellemême fixée sur la bride amont 26 du carter 18. Chaque tôle de liaison amont 28 s’étend radialement et comporte un trou oblong 36. Un élément en saillie 37 s’étend axialement vers l’amont depuis le rebord amont 35 du support de tubes 24. L’élément en saillie 37 est par exemple formé par une vis, un axe ou un rivet. L’élément en saillie 37 est monté coulissant dans le trou oblong 36 de la tôle de liaison 28, c’est-à-dire coulissant dans la direction radiale. L’élément en saillie 37 peut comporter une tête élargie permettant de maintenir axialement le support de tubes 24 par rapport à la tôle de liaison 28. Un organe élastique 38 est monté entre une partie radialement externe recourbée 28a de la tôle de liaison 28, visible aux figures 5 et 6, et l’extrémité amont 33 du support de tubes 24. L’organe élastique 38 est par exemple formé par un ressort de compression. L’organe élastique 38 applique un effort orienté radialement vers l’intérieur, sur le support de tubes 24.

[042] Des premiers moyens de déplacement radial 39 sont montés entre le carter 18 et/ou la tôle de liaison amont 28, d’une part, et l’extrémité amont 33 du support de tubes 24, d’autre part.

[043] Les premiers moyens de déplacement 39 comportent un anneau 40 comprenant des rampes ou des cames 41, l’anneau 40 étant monté pivotant autour du carter 18. Un vérin d’actionnement 42 est monté entre l’anneau 40 et le carter 18 de sorte que l’actionnement du vérin 42 provoque la rotation de l’anneau 40.

[044] Une biellette amont 43 est articulée sur chaque extrémité amont 33 de la tôle de fixation 24, à une première extrémité 44, la seconde extrémité 45 de chaque biellette amont 43 venant en appui sur les rampes ou sur les profils des cames 41. La rotation de l’anneau 40 provoque le déplacement de la seconde extrémité 45 de chaque biellette 43 sur la rampe correspondante ou sur le profil de came 41 correspondant, de manière à provoquer le déplacement radial de l’extrémité correspondante 33 du support de tubes 24. Les organes élastiques 38 permettent de plaquer les secondes extrémités 45 des biellettes 43 en appui sur les rampes ou sur les profils de came 41.

[045] Chaque support de tubes 24 est reliée à la bride aval 27 par une tôle de liaison aval 29, elle-même fixée à la bride aval 27 du carter 18. Comme précédemment, un organe élastique 38 est monté entre une partie radialement externe recourbée 29a de la tôle de liaison aval 29, visible à la figure 5, et l’extrémité aval 34 du support de tubes 24. L’organe élastique aval 38 est par exemple formé par un ressort de compression. Comme précédemment, cet organe élastique aval 38 applique un effort orienté radialement vers l’intérieur, sur le support de tubes 24.

[046] Des seconds moyens de déplacement radial 46 sont montés entre le carter 18 et/ou la tôle de liaison aval 29, d’une part, et l’extrémité aval 34 du support de tubes 24, d’autre part.

[047] Les seconds moyens de déplacement 46 présentent une structure similaire à celle des premiers moyens déplacement 39.

[048] Les vérins 42 des moyens de déplacement 39, 46 sont commandés par l’intermédiaire de moyens de calcul et de commande, de façon à réguler l’entrefer en fonction de données de fonctionnement de la turbomachine, c’est-à-dire que la distance radiale entre les tubes 23 et le carter 18, est 5 commandée en fonction des conditions de fonctionnement, définis par exemple par des paramètres moteurs, de paramètres de vol, ou paramètres extérieurs.

[049] De cette manière, l’invention permet de garantir un pilotage efficace de la température du carter 18, en faisant varier la position angulaire des 10 anneaux 40 de manière à compenser les écarts de dilatation entre les brides

26, 27 et la partie annulaire cylindrique ou tronconique 30 du carter 18.

Claims

REVENDICATIONS

1. Ensemble pour turbomachine (1 ) comportant :

- un carter (18) annulaire s’étendant autour d’une direction axiale de la turbomachine (1 ), les extrémités axiales du carter (18) étant prolongées par une première bride ou bride amont (26), et par une seconde bride ou bride aval (27), chaque bride (26, 27) s’étendant radialement vers l’extérieur,

-au moins un dispositif de refroidissement du carter (18) comportant au moins un tube (23) s’étendant circonférentiellement autour du carter (18) et étant destiné à faire circuler un fluide de refroidissement du carter (18),

- le tube (23) étant fixé à un support de tubes (24) monté mobile par rapport au carter (18), caractérisé en ce qu’il comporte des moyens de déplacement pilotés (39, 46) montés entre le support de tubes (24) et au moins une des brides (26, 27) du carter (18), lesdits moyens de déplacement (39, 46) étant configurés pour modifier la distance dans la direction radiale entre les tubes (23) et le carter (18), en fonction d’une consigne.
2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un organe de liaison (28, 29) fixé à une bride correspondante (26, 27) du carter (18), l’organe de liaison (28, 29) coopérant avec le support de tubes (24) par des moyens de butée (36, 37) limitant ou empêchant les déplacements axiaux et/ou radiaux du support de tubes (24) par rapport à l’organe de liaison (28, 29).
3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un organe élastique (38) monté entre le support de tubes (24) et le carter (18), ledit organe élastique (38) étant configuré pour exercer un effort radialement vers l’intérieur, à l’encontre de l’effort exercé par les moyens de déplacement (39, 46) sur le support de tubes (24).
4. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le support de tubes (24) comporte une partie en saillie (37) engagée dans un trou oblong (36) s’étendant radialement, formé dans l’organe de liaison (28, 29), ou inversement.
5. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de déplacement pilotés (39, 46) comportent un anneau (40) monté pivotant autour du carter (18), ledit anneau (40) comportant au moins une rampe ou au moins une came (41), le support de tubes (24) comportant au moins un organe d’appui (43) venant en appui sur ladite rampe ou sur ladite came (41), de façon à être déplacé radialement en fonction de la position de l’organe d’appui (43) par rapport à la rampe ou à la came (41).
6. Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un vérin (42) monté entre le carter (18) et l’anneau (40), l’actionnement du vérin (42) permettant de commander la rotation de l’anneau (40) autour du carter (18).
7. Ensemble selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l’organe d’appui comporte une biellette (43) dont une première extrémité (44) est articulée par rapport au support de tubes (24) et dont une seconde extrémité (45) opposée est apte à venir en appui sur la rampe ou la came correspondante (41) de l’anneau (40).
8. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en que les moyens de déplacement (39, 46) sont aptes à déplacer radialement le support de tubes (24) et/ou les tubes (23) sur une distance radiale comprise entre 3 et 20 mm.
9. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le support de tubes (24) et/ou l’organe de liaison (28, 29) sont formés à partir de tôles.
10. Turbomachine, telle par exemple qu’un turboréacteur ou qu’un turbopropulseur d’avion, comportant un ensemble selon l’une des revendications 1 à 9.