FR3092140A1 - Turbomachine améliorée comprenant un système inertiel. - Google Patents

Turbomachine améliorée comprenant un système inertiel. Download PDF

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Abstract

Turbomachine améliorée comprenant un système in er tiel . Turbomachine (1) comprenant un carter fixe, une chambre de combustion (4) fixe et un arbre haute pression (20) mobile en rotation par rapport au carter, la turbomachine (1) étant caractérisée en ce qu’elle comprend un système inertiel comprenant une masse mobile en rotation, un réducteur et un embrayage, l’embrayage étant configuré pour sélectivement coupler la masse mobile en rotation à l’arbre (2) de turbomachine (1) via le réducteur, de manière à entrainer l’arbre haute pression (20) en rotation à une vitesse de rotation comprise entre 0,1 et 50 tours par minute. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Turbomachine améliorée comprenant un système inertiel.
Le présent exposé concerne le domaine des turbomachines.
Le terme « turbomachine » désigne l’ensemble des appareils à turbine à gaz produisant une énergie motrice, parmi lesquels on distingue notamment les turboréacteurs fournissant une poussée nécessaire à la propulsion par réaction à l’éjection à grande vitesse de gaz chauds, et les turbomoteurs dans lesquels l’énergie motrice est fournie par la rotation d’un arbre moteur. Par exemple, des turbomoteurs sont utilisés comme moteur pour des hélicoptères, des navires, des trains, ou encore comme moteur industriel. Les turbopropulseurs (turbomoteur entrainant une hélice) sont également des turbomoteurs utilisés comme moteur d’avion.
On considère qu’une turbomachine est à l’arrêt (ou n’est pas en fonctionnement) lorsque la chambre de combustion est éteinte tandis qu’elle est en fonctionnement lorsque la chambre de combustion est allumée.
Les turbomachines telles que les turboréacteurs posent une problématique récurrente de dissipation de la chaleur une fois à l’arrêt. En effet, lors de leur fonctionnement, les turbomachines emmagasinent une quantité importante de chaleur, notamment dans les zones à proximité de leur chambre de combustion, qu’il faut dissiper. En fonctionnement, la rotation du rotor assure une dissipation de cette chaleur. Cependant, une fois la turbomachine à l’arrêt, la dissipation de la chaleur emmagasinée pose plusieurs problématiques.
En effet, la chaleur emmagasinée, notamment dans la chambre de combustion, va naturellement se propager au travers de la turbomachine, et va alors par un phénomène de convection se localiser essentiellement dans la partie supérieure de la turbomachine. Il en résulte une dilatation non homogène des différents composants, et notamment de l’arbre de la turbine haute pression, ce qui entraine un phénomène de flexion de l’arbre que l’on désigne communément sous l’appellation en langue anglaise « bowed rotor », ce phénomène étant d’autant plus important que l’arbre présente une longueur élevée et que la température de fonctionnement de la turbomachine augmente.
Les solutions conventionnelles pour remédier à ce phénomène consistent à rallonger le temps de démarrage de la turbomachine, la chaleur étant alors dissipée par effet de ventilation réalisée par le démarreur, la ventilation consistant à entrainer l’arbre à une vitesse supérieure à 100 tours par minute de manière à évacuer les calories du moteur. De tels procédés de démarrage rallongés ne sont cependant plus acceptables au vu des contraintes imposées pour le démarrage des turbomachines, notamment en raison de l’augmentation du trafic aérien.
Le présent exposé vise ainsi à proposer une solution permettant de répondre au moins partiellement à cette problématique.
A cet effet, la présente invention propose une turbomachine comprenant un arbre haute pression, un compresseur haute pression, une turbine haute pression, et une chambre de combustion l’arbre haute pression étant mobile en rotation par rapport à un carter fixe adapté pour être solidarisé à un aéronef, la turbomachine étant caractérisée en ce qu’elle comprend un système inertiel comprenant une masse mobile en rotation, un réducteur et un embrayage, l’embrayage étant configuré pour sélectivement coupler la masse mobile en rotation à l’arbre de turbomachine via le réducteur, de manière à entrainer l’arbre haute pression en rotation lorsque la turbomachine est à l’arrêt.
Selon un exemple, la masse mobile est montée tournante au moyen de paliers magnétiques.
Selon un exemple, le système inertiel comprend une enceinte étanche dans laquelle la masse mobile est disposée, ladite enceinte étanche présentant une pression ambiante inférieure à 0,1 bar.
Selon un exemple, le système inertiel est configuré de manière à entrainer l’arbre haute pression en rotation à une vitesse de rotation comprise entre 0,1 et 50 tours par minute à une vitesse de rotation comprise entre 0,1 et 10 tours par minute, ou plus précisément entre 0,5 et 2 tours par minute.
Selon un exemple, la turbomachine comprend en outre un boitier d’accessoires, et dans laquelle le système inertiel est sélectivement couplé au boitier d’accessoires au moyen d’un réducteur.
Selon un exemple, le réducteur du système inertiel présente un rapport de réduction pouvant varier entre 3 :1 et 10 000 : 1 entre la vitesse de rotation de l’arbre haute pression et la vitesse de rotation de la masse mobile du système inertiel.
La turbomachine peut également comprendre un arbre basse pression, un compresseur basse pression et une turbine basse pression, l’arbre basse pression étant mobile en rotation par rapport au carter,.
Le présent exposé concerne également un procédé d’entrainement d’un arbre de turbomachine lorsque la turbomachine est à l’arrêt après une période de fonctionnement, dans lequel lors du fonctionnement de la turbomachine, on couple un système inertiel à l’arbre haute pression de manière à entrainer une masse mobile dudit système inertiel en rotation à une première une vitesse de rotation, et dans lequel après une période de fonctionnement de la turbomachine, on entraine ledit arbre haute pression en rotation à une seconde vitesse de rotation comprise entre 0,1 et 50 tours par minute en couplant ladite masse mobile à l’arbre haute pression afin d’imposer un mouvement de rotation à l’arbre haute pression.
Selon un exemple, la première vitesse de rotation est comprise entre 30 000 et 60 000 tours par minute, ou plus précisément entre 40 000 et 50 000 tours par minute.
Selon un exemple, la seconde vitesse de rotation est comprise entre 0,1 et 10 tours par minute, ou plus précisément entre 0,1 et 2 tours par minute.
La figure 1 est une représentation schématique d’une turbomachine selon un aspect de l’invention.
La figure 2 représente schématiquement la structure d’un système inertiel de la turbomachine.
La figure 1 est une représentation schématique d’une turbomachine selon un aspect de l’invention. On représente sur cette figure une partie de turbomachine 1 selon une vue en coupe. La turbomachine 1 telle que représentée comprend un arbre basse pression 10 s’étendant selon un axe principal Z-Z définissant une direction longitudinale de la turbomachine et reliant un compresseur basse pression 12 à une turbine basse pression 14, un arbre haute pression 20 s’étendant selon la direction longitudinale et un compresseur haute pression 22 à une turbine haute pression 24, une chambre de combustion 4 positionnée entre le compresseur haute pression 22 et la turbine haute pression 24. La turbomachine comprend également un boitier d’accessoires 7 (ou « accessory gearbox » selon l’appellation en langue anglaise communément employée) qui est ici représenté schématiquement. On note que la position du boitier d’accessoires 7 peut également varier, et est arbitraire sur la figure 1. Le fonctionnement de ces différents composants est bien connu, et ne sera pas décrit plus en détail ici. On note par ailleurs que les dénominations « haute pression » et « basse pression » pour les composants d’une turbomachine sont communément admis par l’Homme du métier, et désignent non pas des valeurs absolues de pression, mais des valeurs relatives de pression, la pression du fluide au sein d’un composant basse pression étant inférieure à la pression du fluide au sein d’un composant haute pression similaire.
L’arbre basse pression 10 et l’arbre haute pression 20 sont montés tournant selon l’axe principal Z-Z par rapport à un carter 30, qui désigne de manière générale les éléments définissant l’enveloppe externe de la turbomachine 1 et via lesquels la turbomachine 1 est solidarisée à un aéronef, le carter 30 étant ainsi fixe par rapport à l’aéronef, par opposition à l’arbre haute pression 20 et à l’arbre basse pression 10 qui sont montés tournant selon l’axe principal Z-Z. Par fixe, on entend ici des éléments fixes au sens statorique, les éléments qualifiés de fixes étant également soumis à des efforts et contraintes entrainant une déformation.
Comme indiqué en introduction de la présente demande de brevet, l’arbre haute pression 20 est susceptible de s’arquer en raison de la chaleur accumulée dans la turbomachine en fonctionnement, dont la dissipation n’est pas assurée une fois la turbomachine à l’arrêt, entrainant alors une flexion de l’arbre haute pression 20.
La turbomachine 1 comprend ainsi un système inertiel 8 représenté schématiquement sur la figure 2, et donc on présente les composants en référence à la figure 2.
Le système inertiel 8 tel que représenté comprend une enceinte 81 fixe dans laquelle est disposée une masse mobile 82 montée tournante au moyen de paliers 83.
La masse mobile 82 est montée mobile en rotation autour d’un axe secondaire X-X, qui peut être parallèle ou non à l’axe principal Z-Z. La rotation est typiquement assurée au moyen de paliers 83, qui sont typiquement des paliers magnétiques, permettant ainsi un mouvement de rotation de la masse mobile 82 sans contact entre la masse mobile et les paliers 83, ce qui minimise ou annule les frottements.
L’enceinte 81 est typiquement une enceinte étanche, qui est par exemple réalisée de manière à présenter une pression ambiante inférieure à 0,1 bar. L’enceinte est ainsi typiquement associée à une pompe (non représentée ici) permettant de mettre son volume interne sous vide, ou à tout du moins de diminuer la pression au sein de son volume interne, ce qui permet de réduire les frottements lors de la rotation de la masse mobile 82.
Le système inertiel 8 comprend également un embrayage 85 et un réducteur 84 interposés entre la masse mobile 82 et le boitier d’accessoires 7. Plus précisément, la masse mobile 82 est sélectivement couplée au boitier d’accessoires 7 via l’embrayage 85. Le boitier d’accessoires 7 est lui-même sélectivement couplé à l’arbre haute pression 20 via des moyens de transmission de puissance pouvant notamment comprendre des embrayages, réducteurs, arbres, cardans et pignons afin de permettre une transmission de puissance depuis l’arbre haute pression 20 vers le boitier d’accessoires 7 et inversement depuis le boitier d’accessoires 7 vers l’arbre haute pression 20. Dans l’exemple représenté sur la figure 2, le couplage est réalisé via un engrenage 71 que l’on représente schématiquement sur la figure 2. Ainsi, la masse mobile 82 peut être couplée à l’arbre haute pression 20 via le boitier d’accessoires 7.
Le réducteur 84 permet de définir le rapport de réduction entre la vitesse de rotation de la masse mobile 82 et la vitesse de rotation de l’arbre haute pression 20, comme on va le décrire par la suite.
Lors du fonctionnement de la turbomachine 1, c’est-à-dire lorsque la chambre de combustion 4 est en fonctionnement, l’arbre haute pression 20 est entrainé en rotation à une vitesse primaire qui est typiquement de l’ordre de 15 000 tours par minute en régime établi.
Le boitier d’accessoires 7 est alors entrainé en rotation par l’arbre haute pression 20, par exemple afin d’actionner un ou plusieurs accessoires de la turbomachine 1 tels que des générateurs ou pompes.
Le système inertiel 8 peut alors être couplé à l’arbre haute pression 20 via le boitier d’accessoires 7 au moyen de l’embrayage 85 et du réducteur 84. La masse mobile 82 est alors entrainée en rotation à une première vitesse de rotation, typiquement comprise entre 30 000 et 60 000 tours par minute, ou plus précisément entre 40 000 et 50 000 tours par minute, ou par exemple égale à 45 000 tours par minute. Le réducteur 84 applique alors typiquement un coefficient de réduction de l’ordre de 3 :1 entre la vitesse de rotation de l’arbre haute pression 20 et la vitesse de rotation de la masse mobile 82 du système inertiel 8. Lors de la mise à l’arrêt de la turbomachine 1 (c’est-à-dire que la chambre de combustion 4 est éteinte), le système inertiel 8 est typiquement désengagé du boitier d’accessoires 7 et de l’arbre haute pression 20 lors de la phase de décélération de la vitesse de rotation de l’arbre haute pression 20. Une fois la turbomachine 1 à l’arrêt, le système inertiel 8 est alors engagé avec l’arbre haute pression 20, typiquement via le boitier d’accessoires 7, de manière à entrainer l’arbre haute pression 20 en rotation à une seconde vitesse de rotation comprise entre 0,1 et 50 tours par minute.
La mise en rotation de l’arbre haute pression 20 alors que la turbomachine 1 est à l’arrêt est rendue possible par l’exploitation de l’énergie cinétique accumulée par le système inertiel 8. En effet, lorsque la turbomachine 1 est mise à l’arrêt après une période de fonctionnement, la masse mobile 81 conserve un mouvement de rotation, la conservation du mouvement de rotation étant d’autant plus importante que les frottements sont faibles. Le présent exposé propose ainsi de, lorsque la turbomachine 1 est à l’arrêt après une période de fonctionnement, exploiter ce mouvement de rotation afin de conférer un mouvement de rotation que l’on qualifie de « lent » à l’arbre haute pression 20. Le système inertiel 8 est ainsi connecté à l’arbre haute pression 20, typiquement via le boitier d’accessoires 7, avec un rapport de réduction tel que l’arbre haute pression 20 est entrainé en rotation à ladite seconde vitesse de rotation.
La seconde vitesse de rotation est typiquement comprise entre 0,1 et 50 tours par minute, ou encore entre 0,1 et 20 tours par minute, ou encore entre 0,1 et 10 tours par minute, ou entre 0,1 et 5 tours par minute, ou entre 0,1 et 2 tours par minute, ou entre 0,5 et 2 tours par minute, ou égale à 1 tour par minute. Une telle vitesse de rotation est qualifiée de lente ; elle ne réalise pas une ventilation suffisante de la turbomachine 1 pour permettre une évacuation de la chaleur, mais vise à homogénéiser la dilatation de l’arbre haute pression 20 et ainsi à éviter un phénomène de flexion de l’arbre haute pression 20.
La première vitesse de rotation élevée conférée à la masse mobile 82 permet d’assurer une mise en rotation de l’arbre haute pression 20 pendant une durée suffisante pour prévenir la flexion de l’arbre haute pression 20 sous l’effet de la chaleur résiduelle dans la turbomachine 1 après une période de fonctionnement. En effet, dans le cadre d’une application dans le domaine de l’aéronautique, on cherche à minimiser la masse de la masse mobile 82. La vitesse de rotation de la masse mobile 82 doit donc être élevée afin de stocker une quantité d’énergie cinétique suffisante, typiquement de l’ordre de 50 kJ, ou plus généralement entre 30 kJ et 100 kJ. Le système inertiel 8 entraine alors l’arbre haute pression 20 en rotation jusqu’à ce que l’énergie accumulée soit dissipée
Le réducteur 84 est ainsi configuré de manière à réaliser au moins deux rapports de réduction distincts ; un rapport de réduction typiquement égal à 3 :1 pour conférer un mouvement de rotation à la masse mobile 82 lorsque la turbomachine 1 est en fonctionnement, et un rapport de réduction typiquement de l’ordre de 10 000 :1 pour que la masse mobile 82 confère un mouvement de rotation à l’arbre haute pression 20 lorsque la turbomachine 1 n’est pas en fonctionnement. Le réducteur 84 est typiquement un réducteur magnétique.
Le système proposé vise donc à prélever de l’énergie lors du fonctionnement de la turbomachine 1 et à la stocker dans un système inertiel 8, et à la restituer afin de conférer un mouvement de rotation que l’on qualifie de « lent » à l’arbre haute pression 20 afin d’homogénéiser l’effet résultant de la chaleur résiduelle dans la turbomachine 1 et ainsi prévenir le phénomène de flexion de l’arbre haute pression 20. En pratique, l’énergie est donc emmagasinée en conditions de vol, et restituée lorsque l’appareil comprenant la turbomachine 1 est au sol. Contrairement aux systèmes et procédés connus, le présent exposé ne vise donc pas à dissiper la chaleur résiduelle dans la turbomachine 1 après son fonctionnement, mais à prévenir les effets résultant de cette chaleur résiduelle, en particulier sur l’arbre haute pression 20, afin de permettre un redémarrage de la turbomachine ne nécessitant pas une procédure allongée.
Le système inertiel 8 peut être couplé à un contrôleur, adapté pour délivrer un signal à l’utilisateur, typiquement l’équipage de l’appareil équipé de la turbomachine 1, indiquant le fonctionnement ou non du système inertiel 8. Ainsi, en cas de défaillance du système inertiel 8 et donc de non entrainement en rotation de l’arbre haute pression 20, l’utilisateur peut déclencher une procédure de démarrage alternative de la turbomachine, par exemple une procédure allongée conventionnelle.

Claims (10)

  1. Turbomachine (1) comprenant un arbre haute pression (20), un compresseur haute pression (22), une turbine haute pression (24), et une chambre de combustion (4) l’arbre haute pression (20) étant mobile en rotation par rapport à un carter (30) fixe adapté pour être solidarisé à un aéronef, la turbomachine (1) étant caractérisée en ce qu’elle comprend un système inertiel (8) comprenant une masse mobile (82) en rotation, un réducteur (84) et un embrayage (85), l’embrayage (85) étant configuré pour sélectivement coupler la masse mobile (82) en rotation à l’arbre haute pression (2) de turbomachine (1) via le réducteur, de manière à entrainer l’arbre (2) en rotation.
  2. Turbomachine (1) selon la revendication 1, dans laquelle la masse mobile (82) est montée tournante par rapport au carter (30) au moyen de paliers (83) magnétiques.
  3. Turbomachine (1) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans laquelle le système inertiel (8) comprend une enceinte (81) étanche dans laquelle la masse mobile (82) est disposée, ladite enceinte (81) étanche présentant une pression ambiante inférieure à 0,1 bar.
  4. Turbomachine (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle le système inertiel (8) est configuré de manière à entrainer l’arbre haute pression (2) en rotation à une vitesse de rotation comprise entre 0,1 et 50 tours par minute, ou à une vitesse de rotation comprise entre 0,1 et 10 tours par minute, ou plus précisément entre 0,1 et 2 tours par minute.
  5. Turbomachine (1) selon l’une des revendications 1 à 4, comprenant en outre un boitier d’accessoires (7), et dans laquelle le système inertiel (8) est sélectivement couplé au boitier d’accessoires (7) au moyen du réducteur (84).
  6. Turbomachine (1) selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle le réducteur (84) du système inertiel (8) présente un rapport de réduction pouvant varier entre 3 :1 et 10 000 : 1 entre la vitesse de rotation de l’arbre haute pression (20) et la vitesse de rotation de la masse mobile (82) du système inertiel (8)
  7. Turbomachine (1) selon l’une des revendications 1 à 6, comprenant en outre un arbre basse pression (10), un compresseur basse pression (12) et une turbine basse pression (14), l’arbre basse pression (30) étant mobile en rotation par rapport au carter (30).
  8. Procédé d’entrainement d’un arbre haute pression (2) de turbomachine (1) lorsque la turbomachine (1) est à l’arrêt après une période en fonctionnement, dans lequel lors du fonctionnement de la turbomachine (1), on couple un système inertiel (8) à l’arbre (2) de manière à entrainer une masse mobile (82) dudit système inertiel (8) en rotation à une première vitesse de rotation, et dans lequel après une période de fonctionnement de la turbomachine (1), on entraine ledit arbre (2) en rotation à une seconde vitesse de rotation comprise entre 0,1 et 50 tours par minute en couplant ladite masse mobile (82) à l’arbre (2) afin d’imposer un mouvement de rotation à l’arbre haute pression (2).
  9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la première vitesse de rotation est comprise entre 30 000 et 60 000 tours par minute, ou plus précisément entre 40 000 et 50 000 tours par minute.
  10. Procédé selon l’une des revendications 8 ou 9, dans lequel la seconde vitesse de rotation est comprise entre 0,1 et 10 tours par minute, ou plus précisément entre 0,5 et 2 tours par minute.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5760506A (en) * 1995-06-07 1998-06-02 The Boeing Company Flywheels for energy storage
US20180283274A1 (en) * 2017-03-31 2018-10-04 The Boeing Company Mechanical flywheel for bowed rotor mitigation
US20190017443A1 (en) * 2016-08-02 2019-01-17 Rolls-Royce North American Technologies, Inc. Rapidly available electric power from a turbine-generator system having an auxiliary power source

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