FR3101113A1 - Dispositif de ventilation d'un carter de turbomachine - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un dispositif (30) de refroidissement par jets d’air pour un carter (7) d’une turbomachine, s’étendant autour d’un axe (X) et comprenant un boitier (20) en communication fluidique avec au moins un tube (31), le tube (31) s’étendant circonférentiellement autour de l’axe (X) et comprenant au moins un orifice (310), ledit orifice permettant de projeter un flux d’air vers le carter (7), le dispositif (30) comprenant en outre un bouclier (32) configuré pour isoler le tube (31) d’un flux d’air (F2, F3) remontant du carter (7) vers le tube (31), ledit bouclier (32) comprenant un orifice (320) de passage d’air vers le carter (7) et s’étendant de part et d’autre dudit orifice (310) du tube tout en s’éloignant dudit tube (31), en outre ledit bouclier (32) étant agencé en regard du tube en étant en contact avec le tube (31) , et en s’étendant de sorte à ce que l’air situé dans un espace définit entre le bouclier (32) et le tube (31) puisse s’évacuer. Figure pour l’abrégé : Fig. 3

Description

Dispositif de ventilation d'un carter de turbomachine
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
L’invention concerne le domaine du refroidissement d’un carter de turbine. L’invention concerne plus précisément un dispositif de refroidissement, par jets d’air, d’un carter de turbine, de préférence basse pression, d’une turbomachine, un carter de turbine comprenant un tel dispositif, une turbine, de préférence basse pression, comprenant un tel carter, une turbomachine comprenant une telle turbine et un aéronef comprenant une telle turbomachine.
En relation avec lafigure 1, une turbomachine d’un aéronef comprend, de manière connue, un rotor 1 tournant autour de l'axe AA’ de la turbomachine et entouré par un stator 2.
Le rotor 1 et le stator 2 définissent entre eux une veine 12 d’écoulement des gaz qui parcourt successivement un compresseur basse pression 3, un compresseur à haute pression 4, une chambre de combustion 13, une turbine haute pression 5 et une turbine basse pression 6.
La turbine basse pression 6 comprend des étages de distributeurs 8 (aubes fixes) fixés à un carter de turbine 7 et alternant le long de l’axe AA’ avec des étages d'aubes mobiles 9, fixés au rotor 1.
Les performances de la turbine basse pression dépendent des jeux radiaux au sommet des aubes mobiles 9.
De manière connue, ces jeux radiaux sont particulièrement sensibles aux échauffements excessifs du carter de turbine 7 et notamment à la dilatation thermique du carter de turbine 7.
En effet, plus les jeux radiaux sont faibles, moins le débit de fuite s’écoulant au niveau de joints à labyrinthes formés par des léchettes de rotor 1 et des éléments abradables portés par le stator 2 est important et meilleur est le rendement de la turbine basse pression.
De manière connue et afin de protéger le carter de turbine 7 des échauffements excessifs et pour garantir la bonne performance de la turbine, la turbomachine comprend un dispositif de refroidissement 15 comprenant plusieurs tubes 16 perforés disposées autour de la surface externe du carter de turbine 7. Ces tubes 16 sont alimentées en air sous pression correspondant à un mélange d’un flux d’air « froid » et un flux d’air relativement plus « chaud » prélevés au niveau du compresseur.
Le flux d’air froid est acheminé vers les tubes par l’intermédiaire d’un premier conduit 17 et le flux d’air chaud est acheminé vers les tubes par l’intermédiaire d’un second conduit 19. Une vanne 18 permet de mélanger le flux d’air froid et le flux d’air chaud des deux conduits afin de contrôler la température du mélange des deux flux issus des deux conduits.
Comme illustré sur lafigure 2, le mélange d’air est acheminé vers un boitier 20 d’alimentation en air sous pression vers les différentes tubes 16 disposés de part et d’autre du boitier 20. Chaque tube est raccordé au boitier 20 par l’intermédiaire d’une douille cylindrique.
En fonctionnement, l’air sous pression est alors projeté au travers de perforations des tubes sur la surface externe du carter 7 et vient par conséquent le refroidir. Ces perforations sont typiquement de petits orifices débouchant au droit de la surface du carter 7. L’air sous pression transitant au travers de ces orifices assure ainsi une ventilation par impact du carter 7.
Un tube 16 est typiquement cylindrique et s’étendant circonférentiellement autour du carter. Le tube étant perforé au droit du carter de turbine 7 afin de projeter l’air sur le carter de turbine 7.
Un tel dispositif de refroidissement 15 permet de faire diminuer la température du carter de turbine 7 ce qui a pour conséquence de réduire les jeux radiaux en faisant se contracter le carter de turbine 7. Bien qu’une diminution de la température soit obtenue avec un tel dispositif de refroidissement, il reste toutefois nécessaire d’améliorer le refroidissement fournit par ce dispositif de refroidissement.
Un but de l’invention est d’améliorer les dispositifs de refroidissement connus afin d’améliorer les performances de la turbine basse pression et donc de la turbomachine.
A cet effet, l’invention concerne, selon un premier aspect, un dispositif de refroidissement par jets d’air pour un carter d’une turbomachine, s’étendant autour d’un axe et comprenant un boitier en communication fluidique avec au moins un tube, le tube s’étendant circonférentiellement autour de l’axe et comprenant au moins un orifice, ledit orifice permettant de projeter un flux d’air vers le carter, le dispositif comprenant en outre un bouclier configuré pour isoler le tube d’un flux d’air remontant du carter vers le tube, ledit bouclier comprenant un orifice de passage d’air vers le carter et s’étendant de part et d’autre dudit orifice du tube tout en s’éloignant dudit tube, en outre ledit bouclier étant agencé en regard du tube en étant en contact avec le tube, et en s’étendant de sorte à ce que l’air situé dans un espace définit entre le bouclier et le tube puisse s’évacuer.
L’invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible :
- le bouclier présente dans un plan radial une section de forme parabolique ou de forme en demi-cylindre ;
- le bouclier présente de part et d’autre de l’orifice une première partie comprenant une paroi s’étendant de manière tangentielle au tube et une deuxième partie inclinée par rapport à la première partie ;
- la paroi de la deuxième partie s’étend en formant un angle depuis la première partie, cet angle étant, de préférence, supérieur à 90° ;
- le bouclier s’étend selon une direction radiale vis-à-vis de l’axe sur une hauteur inférieure ou égale au diamètre du tube ;
- le bouclier est fixé sur le tube par soudure ou brasage ;
- l’orifice du bouclier présente un diamètre supérieur ou égal au diamètre de l’orifice du tube.
L’invention concerne selon un deuxième aspect, un carter de turbine, de préférence basse pression, comprenant un dispositif de refroidissement selon le premier aspect de l’invention.
L’invention concerne selon un troisième aspect, une turbine, de préférence basse pression, comprenant un carter selon le deuxième aspect de l’invention.
L’invention concerne selon un quatrième aspect une turbomachine comprenant une turbine selon le troisième aspect de l’invention.
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels, outre les figures 1 et 2 déjà discutées :
la figure 3 illustre un dispositif de refroidissement selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
la figure 4 illustre un dispositif de refroidissement selon un deuxième mode de réalisation.
Sur l’ensemble des figures les éléments similaires portent des références identiques.
En relation avec lesfigures 3et4, un dispositif 30 de refroidissement d’un carter 7 d’une turbine de turbomachine s’étend autour du carter présentant un axe de rotation X (confondu avec l’axe de rotation de la turbomachine) et comprend des tubes 30 disposés circonférentiellement de part et d’autre d’un boitier d’alimentation en air (non représenté ici mais il s’agit du même que celui de la figure 2). Les tubes s’étendent circonférentiellement autour de l’axe X et sont légèrement cintrés pour épouser la forme annulaire du carter 7.
En revenant sur la figure 2, le boitier est quant à lui relié de manière fluidique à une source d’alimentation d’air sous pression (non représentée ici) et présente un fond 24 incurvé pour épouser la forme du carter 7.
Le boitier est disposé sur la surface extérieure 70 du carter 7 et est fixé au carter 7 au moyen de brides par exemple. D’autres modes de fixation peuvent être envisagés comme le comprendra aisément l’homme du métier.
Un dispositif de refroidissement comprend habituellement entre 4 et 10 tubes 30. En outre, il peut être prévu un ou plusieurs boitiers de refroidissement positionnés à environ 180° degrés l’un de l’autre. Dans ce cas, les tubes s’étendent sur une étendue angulaire de 90°. Bien entendu un nombre plus important de boitiers de refroidissement peut être prévu, les tubes étant disposés sur des étenduesangulaires encore moindre.
Les tubes 31 s’étendent de part et d’autre des parois latérales 21, 22 du boitier 20 de refroidissement. Pour ce faire, des manchons 23 s’étendent depuis chaque paroi, et les tubes sont insérés dans les manchons. Il y autant de manchons 23 que de tubes 31. Les manchons 23 sont, de préférence, monobloc avec les parois 21, 22 du boitier 20. Dans le cas où le boitier 20 est monobloc avec les manchons il est par exemple obtenu par un procédé de fabrication additive, tel que la fusion laser.
En revenant aux figures 3 et 4, le boitier 20 permet de fournir de l’air aux différents tubes 31 qui y sont reliés. Les tubes 31 comprennent des orifices 310 qui permettent de projeter l’air vers le carter 7. Les orifices 310 sont répartis sur le tube et sont agencés en regard du carter 7. De préférence, les orifices 310 sont disposés le long d’une même ligne et en regard du carter 7.
Le dispositif 30 de refroidissement comprend pour chaque tube 30 un bouclier 32, 32’ configuré pour isoler le tube 31 d’un flux d’air F2 remontant du carter de turbine 7 vers les tubes 31 après avoir été projeté vers le carter 7 (flux F1) au travers d’orifices 310 ménagés dans le tube 31. Il y a autant de boucliers que de tubes 31.
En effet, la Demanderesse s’est aperçue qu’un flux d’air F1, froid, projeté par les tubes 30 vers le carter 7 de la turbine basse pression se réchauffe au contact de ce dernier. De ce fait, un flux d’air chaud post-impact F2 remonte du carter 7 de turbine vers les tubes 31 de sorte qu’il peut réchauffer les tubes 31 et donc le flux d’air froid F1 qui en sort. Ce flux d’air chaud post-impact F2, s’ajoute au rayonnement F3 du carter et contribue à l’échauffement de l’air froid qui circule dans les tubes.
Ainsi, compte tenu que plusieurs tubes 30 s’étendent circonférentiellement autour du carter centré sur un axe X et sont disposés espacés les uns des autres le long de l’axe X, de l’air chaud issu de l’impact de l’air froid sur le carter 7 de turbine vient réchauffer le ou les tubes 31 voisins ce qui diminue les performances de refroidissement du carter.
Ainsi, afin d’éviter ce problème, la Demanderesse a ajouté autour de chaque rampe 31 un bouclier 32, 32’ comme illustré sur les figures 3 et 4. Le carter 7 considéré ici est de préférence un carter de turbine basse pression mais peut aussi être celui d’une turbine haute pression.
Afin de dévier le flux d’air, au niveau de chaque orifice 310, le bouclier 32, 32’ s’étend tangentiellement à partir de l’orifice 310 en divergent et en s’éloignant du tube 31. En outre, le bouclier 32, 32’ est en contact avec le tube 31 de part et d’autre de l’orifice 310 de projection d’air. Le contact permet de limiter la perte de charge lors de l’expulsion de l’air depuis le tube 31 vers le carter 7. De plus, le bouclier ne gêne pas la projection d’air allant des orifices 310 du tube vers le carter puisqu’il s’étend de part et d’autre de l’orifice 310 de projection d’air du tube 31.
De manière avantageuse, le tube 31 comprend au moins 100 orifices localisés pour projeter le flux d’air froid F1 vers le carter 7.
Le bouclier 32, 32’ est avantageusement rapporté et fixé au tube 31. La fixation du bouclier 3, 32’2 au tube 31 est réalisée par soudure ou brasage.
Le bouclier 32, 32’ peut également présenter des formes diverses dès lors qu’il permet de dévier le flux d’air chaud F2 remontant du carter 7.
Selon un premier mode de réalisation, illustré sur la figure 3, le bouclier 32 a une section de forme sensiblement parabolique mais peut aussi avoir une section de la forme d’un demi-cylindre.
Selon un deuxième mode de réalisation, pour chaque orifice le bouclier 32’ s’étend de part et d’autre de l’orifice 310 de projection du flux d’air en comprenant une première partie 32’a ayant une paroi qui s’étendant tangentiellement depuis l’orifice 310 et une deuxième partie 32’b qui s’étend radialement depuis la première partie. En d’autres termes, la deuxième partie s’étend en formant un angle vis-à-vis de la première partie, cet angle étant avantageusement supérieur à 90°.
Quel que soit le mode de réalisation, le bouclier 32, 32’ s’étend radialement sur une hauteur, de préférence, supérieure ou égale au diamètre D du tube 31.
On comprendra que le choix de la hauteur a un impact sur la déviation du flux d’air chaud F2, le bouclier devant éloigner autant que possible ce flux d’air chaud F2.
Comme on l’aura compris, le bouclier 32 comprend également un orifice 320 permettant de laisser passer l’air issu des tubes.
Comme on peut le voir sur les figures 3 et 4, un flux d’air F2 issu du carter 7 après avoir impacté le carter 7 remonte vers les tubes31 en étant dévié par le bouclier 32, 32’.
Grâce à ce bouclier 32, 32’, des zones mortes inaccessibles par le flux post-impact F2 sont créées autour de chaque tube 31. Ces zones inaccessibles isolent thermiquement le tube 31, diminuant la température du flux d’air froid F1 et améliorant l’efficacité du dispositif de refroidissement.
Le bouclier 32, 32’ n’enveloppe pas complétement le tube 31 ce qui diminue l’encombrement et la mise en place du bouclier 32, 32’ et permet à l’air compris entre le bouclier 32, 32’ et le tube 31 de se renouveler et ne pas réchauffer par convection au niveau du tube 31. En effet, l’air entre le tube 31 et le bouclier 32, 32’ peut se renouveler et conserver une température inférieure à celle du flux d’air F2 post-impact.
En outre, le fait de pas avoir un bouclier 32, 32’ qui enveloppe le tube 31 en formant une cavité ouverte autour de celui-ci permet de ne pas bloquer la criculation de l’air dans la cavité.
Le bouclier 32, 32’ peut être du même matériau que le tube 31, par exemple en alliage à base de chrome et nickel.

Claims (10)

  1. Dispositif (30) de refroidissement par jets d’air pour un carter (7) d’une turbomachine, s’étendant autour d’un axe (X) et comprenant un boitier (20) en communication fluidique avec au moins un tube (31), le tube (31) s’étendant circonférentiellement autour de l’axe (X) et comprenant au moins un orifice (310), ledit orifice permettant de projeter un flux d’air vers le carter (7), le dispositif (30) comprenant en outre un bouclier (32, 32’) configuré pour isoler le tube (31) d’un flux d’air (F2, F3) remontant du carter (7) vers le tube (31), ledit bouclier (32, 32’) comprenant un orifice (320, 320’) de passage d’air vers le carter (7) et s’étendant de part et d’autre dudit orifice (310) du tube tout en s’éloignant dudit tube (31), en outre ledit bouclier (32, 32’) étant agencé en regard du tube en étant en contact avec le tube (31) , et en s’étendant de sorte à ce que l’air situé dans un espace définit entre le bouclier (32) et le tube (31) puisse s’évacuer.
  2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, dans lequel le bouclier (32) présente dans un plan radial une section de forme parabolique ou de forme en demi-cylindre.
  3. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, dans lequel le bouclier (32’) présente de part et d’autre de l’orifice (310) une première partie (32’a) comprenant une paroi s’étendant de manière tangentielle au tube (31) et une deuxième partie (32’b) inclinée par rapport à la première partie,
  4. Dispositif de refroidissement selon la revendication 3, dans lequel la paroi de la deuxième partie s’étend en formant un angle depuis la première partie, cet angle étant, de préférence, supérieur à 90°.
  5. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le bouclier (32) s’étend selon une direction radiale vis-à-vis de l’axe (X) sur une hauteur inférieure ou égale au diamètre du tube (31).
  6. Dispositif refroidissement selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le bouclier (32) est fixé sur le tube (31) par soudure ou brasage.
  7. Dispositif de refroidissement selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel l’orifice du bouclier présente un diamètre supérieur ou égal au diamètre de l’orifice du tube.
  8. Carter de turbine, de préférence basse pression, de turbomachine comprenant un dispositif de refroidissement selon l’une des revendications précédentes.
  9. Turbine, de préférence basse pression, comprenant un carter selon la revendication 8.
  10. Turbomachine comprenant une turbine, de préférence basse pression, selon la revendication précédente.
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US5100291A (en) * 1990-03-28 1992-03-31 General Electric Company Impingement manifold
WO2013186757A2 (fr) * 2012-06-14 2013-12-19 Avio S.P.A. Turbine à gaz pour moteurs aéronautiques
EP3159493A1 (fr) * 2015-10-23 2017-04-26 General Electric Company Commande active de jeu pourvue d'une double paroi de protection thermique

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