FR3108655A1 - Turbomachine à double flux comprenant un dispositif de régulation du débit de fluide de refroidissement - Google Patents

Turbomachine à double flux comprenant un dispositif de régulation du débit de fluide de refroidissement Download PDF

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Abstract

Turbomachine (10) à double flux d’axe longitudinal (X-X’) comprenant une veine primaire (20) dans laquelle circule un flux primaire (F1) à une pression primaire (P3) et une veine secondaire (19) entourant radialement ladite veine primaire (20) et dans laquelle circule un flux secondaire (F2) à une pression secondaire (PS), ladite veine primaire (20) comportant au moins un compresseur (13) configuré pour comprimer le flux primaire (F1), une turbine (15) entraînant en rotation ledit compresseur (13) et une chambre de combustion (14) destinée à recevoir en entrée le flux d’air primaire comprimé par le compresseur (13), ladite turbomachine (10) comprenant en outre un circuit de refroidissement (23) s’étendant entre le compresseur (13) et la turbine (15). Le circuit de refroidissement (23) comprend un dispositif de régulation du débit d’air (30) disposé en amont de la turbine (15) et comprenant au moins une vanne (42) mobile entre une position ouverte et une position fermée en fonction de la différence de pression (ΔP) entre la pression (P3) située entre le compresseur (13) et la chambre de combustion (14) dans la veine primaire (20) et la pression (PS) dans la veine secondaire (19). Figure pour l’abrégé : Fig 2

Description

Turbomachine à double flux comprenant un dispositif de régulation du débit de fluide de refroidissement
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne le domaine des turbomachines, et notamment le refroidissement d’un rotor de turbine de turbomachine.
Plus particulièrement, la présente invention concerne la régulation de la circulation d’un fluide à travers un élément de rotor de ladite turbomachine.
Etat de la technique antérieure
Classiquement, on connaît les turbomachines du type turboréacteur à double flux comportant une manche d'entrée recevant l'air qui est aspiré par un compresseur basse pression pour ensuite être divisé en un flux primaire central et un flux secondaire entourant le flux primaire. Le compresseur basse pression est assimilable à une soufflante en ce qu’une partie du flux d’air qu’il compresse alimente un flux secondaire.
Le flux secondaire circule dans un espace appelé veine secondaire qui est délimité extérieurement par un carter de veine secondaire encore appelé carène du moteur, et intérieurement par une enveloppe entourant le flux primaire.
Le flux primaire circule dans un espace appelé veine primaire délimité extérieurement par l’enveloppe et intérieurement par une succession d’éléments internes fixes et rotatifs. Les éléments internes fixes comprennent des plateformes de redresseurs et de distributeurs, et des viroles de carters intérieurs, et les éléments internes rotatifs comprennent des plateformes de roues aubagées de rotors.
Plus concrètement, le flux primaire circule entre un carter interne et un carter externe de compresseur haute pression pour être comprimé dans ce compresseur haute pression avant d’être brûlé dans une chambre de combustion. Il est ensuite détendu dans une turbine haute pression pour entraîner le compresseur haute pression, puis dans une turbine basse pression pour entraîner le compresseur basse pression, avant d'être expulsé vers l'arrière en générant une poussée.
L’enveloppe délimitant extérieurement la veine primaire est ainsi formée par une série de carters comprenant un carter de compresseur haute pression, un carter au niveau de la chambre de combustion et un carter de turbine haute pression, ainsi que par une virole externe de carter d’échappement.
Chaque turbine et chaque compresseur est formé d’étages comportant chacun une série d'aubes rotatives régulièrement espacées autour d'un axe central longitudinal du moteur, précédé éventuellement d’un distributeur dans le cas d’une turbine ou suivi éventuellement d’un redresseur dans le cas d’un compresseur. Les distributeurs et les redresseurs sont constitués d’une série d’aubes fixes.
La partie arrière d’un tel moteur comprend, en aval de la turbine basse pression, un carter d’échappement qui porte un palier supportant une extrémité arrière de rotor du moteur. Ce carter d’échappement comporte une virole interne et une virole externe et des bras radiaux solidarisant ces viroles l’une à l’autre, en traversant radialement la veine primaire.
On connaît également les turbomachines d’aéronef, du type turboréacteur à double flux et à double corps. De manière connue, la turbomachine comporte, d'amont en aval selon le sens d’écoulement des flux de gaz dans la turbomachine, une soufflante, accouplée à un moteur à turbine à gaz comportant un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre annulaire de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression.
Les rotors du compresseur haute pression et de la turbine haute pression sont reliés par un arbre haute pression (HP) et forment avec lui un corps haute pression. Les rotors du compresseur basse pression et de la turbine basse pression sont reliés par un arbre basse pression (BP) et forment avec lui un corps basse pression. Les arbres HP et BP s'étendent suivant un axe longitudinal de la turbomachine.
La soufflante comporte des pales qui sont reliées à un arbre de soufflante. Il est intéressant de faire tourner la soufflante à une vitesse de rotation inférieure à celle de l'arbre BP, notamment lorsque celle-ci est de très grande dimension, dans le but de mieux l'adapter aérodynamiquement. A cet effet, l'arbre de soufflante est lié en rotation à l'arbre BP par l'intermédiaire d'un réducteur, par exemple du type à train épicycloïdal. Dans une autre configuration l’arbre de soufflante peut être directement lié à l’arbre BP.
La turbomachine comprend également un carter de soufflante qui s’étend autour des pales qui est porté par des bras aérodynamiques, et qui définit une veine d’entrée d’air des flux. Une partie de cet air pénètre dans une veine annulaire interne d'écoulement d’un flux primaire et l’autre partie alimente une veine annulaire externe d’écoulement d’un flux secondaire. La veine traverse les compresseurs BP et HP, la chambre de combustion, et les turbines HP et BP. La veine externe enveloppe des carters des compresseurs et des turbines et rejoint la veine interne au niveau d'une tuyère de la turbomachine.
Afin d’augmenter la poussée de la turbomachine, il est connu d’augmenter la taille de la turbomachine, ce qui a pour inconvénient d’augmenter la masse et l’encombrement de la turbomachine.
Il est également connu d’augmenter la puissance et le rendement thermique de la turbomachine en augmentant la température des gaz de combustion transmis aux ailettes de la turbine. Toutefois, l’augmentation de la température des gaz est limitée par la température maximale admissible du rotor et des ailettes de la turbine. De plus, l’augmentation de la température réduit considérablement la durée de vie des éléments situés en aval de la chambre de combustion, tels que les distributeurs ou les aubes de turbines, ce qui génère d’importants coûts de maintenance.
Dans le but de trouver un compromis satisfaisant entre des caractéristiques mécaniques et des durées de vies acceptables, les différents éléments de la turbine, et notamment le rotor soumis à des températures élevées sont parcourus par un fluide de refroidissement, tel que de l’air de ventilation. Ainsi, les aubes de la turbine haute pression sont ventilées afin de pouvoir accepter des températures très élevées.
Cependant, l’air de refroidissement ou ventilation doit être utilisé à une pression supérieure à celle de la veine primaire dans la turbine haute pression. Cet air est généralement prélevé à la sortie du compresseur haute pression et ne rentrera pas dans la chambre de combustion, ce qui a pour effet de diminuer la quantité d’air disponible pour la chambre de combustion de la turbomachine, et ainsi de réduire le rendement thermique de la turbomachine.
Il faut donc limiter les prélèvements d’air nécessaires pour la ventilation afin d’améliorer le rendement thermique de la turbomachine.
Parmi les circuits de ventilation connus, certains comprennent un système actif de contrôle du débit de ventilation d’une turbine haute pression configuré pour prélever le débit d’air nécessaire à la ventilation en fonction des besoins de la turbomachine. Un tel système comprend généralement une pluralité de tubes ouverts située devant la sortie du compresseur haute pression et dont l’ouverture est contrôlée par l’intermédiaire d’un ou plusieurs actionneurs afin de prélever de l’air à la sortie du compresseur haute pression pour l’injecter vers le disque de turbine haute pression.
Toutefois, un tel système actif nécessite l’intégration d’actionneurs et d’une unité de commande dédiée, ce qui est particulièrement encombrant et coûteux. On connaît également des dispositifs configurés pour commander la circulation d’un fluide à travers un élément de rotor en fonction de la vitesse de rotation de ce dernier.
On peut se référer à cet égard au document FR 2 943 094 (Snecma) qui divulgue un élément d’obturation configuré pour se déformer sous l’action d’une force centrifuge induite par la rotation du rotor. L’élément d’obturation est mobile angulairement autour d’un axe transversal perpendiculaire à l’axe de rotation du rotor. En position de repos, l’élément d’obturation est sensiblement évasé de l’amont vers l’aval. Lorsque la turbomachine est en rotation, l’élément d’obturation se déforme sous l’effet de la force de l’aval vers l’amont de manière à venir obturer le passage de flux d’air de refroidissement dans la turbomachine.
Un tel élément d’obturation ne permet pas l’augmentation du flux d’air de refroidissement lors de l’augmentation de la vitesse de rotation du rotor, ce qui ne répond pas aux besoins de refroidissement de la turbomachine.
Ainsi, il existe un besoin de proposer un dispositif configuré pour réguler passivement le débit d’air de ventilation en fonction des besoins nécessaires en air.
La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients des systèmes précités et de proposer un dispositif de régulation du débit d’air circulant dans un rotor de turbomachine en fonction des besoins nécessaires en air pour refroidir au moins un élément de la turbomachine et ce, sans ajouter d’actionneurs et de système de commande, afin d’optimiser les performances globales de la turbomachine.
L’invention a donc pour objet une turbomachine, d’axe longitudinal comprenant une veine primaire dans laquelle circule un flux primaire à une pression primaire et une veine secondaire entourant radialement la veine primaire et dans laquelle circule un flux secondaire à une pression secondaire, ladite veine primaire comportant au moins un compresseur configuré pour comprimer le flux primaire, une turbine entraînant en rotation ledit compresseur et une chambre de combustion destinée à recevoir en entrée le flux d’air primaire comprimé par le compresseur.
Ladite turbomachine comprend en outre un circuit de refroidissement s’étendant entre le compresseur et la turbine.
Le circuit de refroidissement comprend un dispositif de régulation du débit d’air disposé en amont de la turbine et comprenant au moins une vanne mobile entre une position ouverte et une position fermée en fonction de la différence de pression entre la pression dans la veine primaire située entre le compresseur et la chambre de combustion et la pression dans la veine secondaire.
Dans la veine secondaire, une fois passé l’aubage redresseur situé en aval de la soufflante et à l’entrée du flux secondaire, la pression est quasiment homogène jusqu’à la tuyère. Il est ainsi possible d’approximer la pression à une pression de veine secondaire, notamment la pression située entre l’aval du redresseur de soufflante jusqu’à l’amont de la tuyère d’éjection.
Le dispositif de régulation du flux d’air permet ainsi de réguler passivement le débit d’air circulant dans les éléments de rotor de turbine en modulant le prélèvement d’air en fonction des besoins en refroidissement de la turbomachine.
La turbomachine peut être un turboréacteur à double flux ou un turboréacteur à double flux et à double corps comprenant une soufflante.
Par ailleurs, le dispositif de régulation du flux d’air peut être destiné à réguler le débit d’air dans une aube d’une turbine haute pression ou basse pression.
Avantageusement, le dispositif de régulation du débit d’air est configuré pour assurer un débit d’air minimal lorsque la différence de pression entre la pression primaire et la pression secondaire est inférieure à une valeur de seuil et pour assurer un flux de débit d’air maximal lorsque la différence de pression entre la pression primaire et la pression secondaire est supérieure ou égale à la valeur de seuil.
Par exemple, la valeur seuil à partir de laquelle la différence de pression permet d’augmenter le débit d’air peut être comprise entre 10 et 40 bars.
Toutefois, on notera que cette valeur de seuil dépend des paramètres généraux de la turbomachine et particulièrement de son taux de compression maximum, d’acronyme « OPR » et de son taux de compression du flux secondaire, d’acronyme « FPR ». Avec une turbomachine conçue, par exemple, avec un taux de compression maximum égal à 60 et un taux de compression du flux secondaire égal à 1.5, la valeur de seuil peut être supérieure à 30, par exemple de 40 bars. Avec une turbomachine conçue, par exemple, avec un taux de compression maximum égal à 20 et un taux de compression du flux secondaire égal à 5, la valeur de seuil peut être inférieure à 20 bars, par exemple égale à 10 bars.
Le dispositif de régulation du débit d’air peut comprendre un capot annulaire de calibrage du débit de ventilation monté dans le circuit de refroidissement à l’extrémité aval dudit circuit en amont du rotor de turbine et solidaire de la partie statorique de la turbomachine, par exemple le carter de la chambre de combustion, la vanne étant montée dans ledit capot.
Selon un mode de réalisation, le capot comprend au moins un orifice de passage longitudinal débouchant dans le circuit de refroidissement, la vanne étant montée en aval dudit orifice de passage.
L’orifice de passage est, par exemple, pratiqué dans une surface amont du capot.
Par exemple, la vanne comprend un logement cylindrique, un vérin mobile en translation dans ledit logement selon un axe parallèle à l’axe de rotation du rotor de turbine, entre la position fermée de la vanne dans laquelle le vérin obture l’orifice de passage et la position ouverte de la vanne dans laquelle le vérin permet le passage d’un flux d’air à travers l’orifice de passage. Ledit logement est relié directement ou indirectement à un tube d’amenée de pression secondaire débouchant dans la veine secondaire.
Par exemple, le vérin comprend une extrémité amont ayant une forme en pointe vers l’amont. Une telle forme a pour avantage de permettre un auto-centrage du vérin dans l’orifice de passage associé.
L’extrémité du tube d’amenée de pression secondaire débouchant dans la veine secondaire est, par exemple, orientée vers l’aval afin de ne capter que la pression statique dans la veine secondaire et non les impuretés qui peuvent être présentes dans ladite veine secondaire.
Idéalement, il n’y a pas de circulation d’air dans le tube d’amenée de pression secondaire. Afin d’éviter ou limiter les fuites d’air de ventilation vers la veine secondaire, la vanne peut comprendre des éléments d’étanchéité montés entre la surface cylindrique externe du vérin et la surface cylindrique interne du logement. Les éléments d’étanchéité peuvent être, par exemple, des joints toriques ou des joints hydrauliques de type U ou tout type d’élément empêchant le passage du fluide vers la veine secondaire.
Par exemple, l’extrémité amont du vérin comprend une butée axiale contre l’extrémité du logement en position ouverte de la vanne et contre la surface amont du capot en position fermée de la vanne. Ainsi, le vérin est maintenu dans le logement. Par exemple, la butée axiale a une forme de collerette annulaire. En variante, on pourrait prévoir toute autre forme formant une butée axiale du vérin.
Avantageusement, la vanne comprend un organe élastique configuré pour précontraindre le vérin dans la position fermée de la vanne, tel que par exemple un ressort, logé dans ledit logement et coopérant avec une extrémité aval du vérin. Ledit organe élastique est dimensionné pour empêcher le mouvement de translation du vérin dans la position fermée de la vanne lorsque la différence de pression entre la pression dans la veine primaire et la pression secondaire dans la veine secondaire est inférieure à la valeur de seuil,par exemple lorsque le moteur est peu sollicité.
Lorsque la différence de pression entre la pression dans la veine primaire et la pression dans la veine secondaire est supérieure ou égale à la valeur de seuil, l’effort de précontrainte de l’organe élastique est contré et le vérin est déplacé en translation vers l’amont dans la position ouverte de la vanne.
Par « organe élastique », on entend tout organe élastique, de par le matériau utilisé et/ou ses dimensions, capable de se déformer élastiquement, de manière réversible, sous l’action d’une sollicitation exercée par la différence de pression entre la pression dans la veine primaire et la pression secondaire dans la veine secondaire et de revenir dans sa position initiale après arrêt de ladite sollicitation.
Le capot peut comprendre une chambre annulaire dans laquelle débouche le tube d’amenée de pression secondaire.
Par exemple, le dispositif de régulation de débit comprend en outre un conduit d’amenée de pression secondaire relié à la chambre annulaire de répartition et au logement cylindrique de la vanne, ledit conduit d’amenée de pression secondaire étant configuré pour acheminer le flux secondaire dans le logement cylindrique de la vanne.
Le capot peut également comprendre au moins un canal s’étendant entre l’orifice de passage et le rotor de turbine pour permettre le passage d’un flux d’air provenant de l’orifice de passage vers ledit rotor de turbine.
Selon un autre mode de réalisation, le capot, et notamment sa surface amont, comprend une pluralité d’orifices de passage longitudinaux, par exemple, circonférentiellement régulièrement répartis, débouchants dans le circuit de refroidissement.
Les orifices de passage peuvent être de tailles identiques ou en variante, de dimensions différentes pour réguler davantage le débit d’air.
Par exemple, le dispositif de régulation du débit d’air comprend une pluralité de vannes configurées chacune pour être actionnées en fonction de la différence de pression entre la pression dans la veine primaire et la pression dans la veine secondaire, chaque vanne étant montée dans le capot en aval d’un orifice de passage associé.
Le nombre de vannes peut être inférieur au nombre d’orifices de passage. Par exemple, et de manière nullement limitative, la moitié des orifices de passage du capot est associé à une vanne. L’autre moitié des orifices de passage du capot est donc ouverte en permanence.
En variante, on pourrait prévoir qu’un seul orifice de passage soit associé à une vanne ou à l’inverse que l’ensemble des orifices de passage soient associés à une vanne. Ce dernier cas est particulièrement avantageux pour ne pas ventiler les aubes de turbine lorsque le régime du moteur est au ralenti.
Les organes élastiques des vannes peuvent être identiques entre eux. En variante, on pourrait prévoir des organes élastiques différents pour chaque vanne et configurés pour que les vannes soient actionnées dans la position ouverte les unes après les autres à mesure que la différence de pression augmente, permettant ainsi d’avoir une augmentation progressive du débit d’air de ventilation. Ainsi, la vanne peut être à ouverture et fermeture non progressive ou à ouverture et fermeture progressive.
Dans le cas où le dispositif de régulation de débit d’air comprend une pluralité de vannes, le conduit d’amenée de pression permet d’acheminer le flux secondaire dans tous les logements cylindriques des vannes.
Avantageusement, le rotor de turbine comprend un disque de turbine dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation, au moins une aube de rotor montée radialement sur la circonférence dudit disque de turbine et un disque d’étanchéité présentant la forme générale d’une pièce annulaire dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation du rotor, disposé en amont et solidaire en rotation dudit disque de rotor. Les aubes de rotor s’étendent radialement vers l’extérieur.
Par exemple, le circuit de refroidissement débouche dans un volume de refroidissement ménagé entre le disque d’étanchéité et la surface amont du disque de turbine, le disque d’étanchéité comprenant au moins un orifice de ventilation débouchant dans le canal.
Ainsi, un flux d’air est prélevé en amont de la chambre de combustion à la sortie du compresseur pour être introduit dans ledit volume de refroidissement.
En variante, le disque d’étanchéité comprend une pluralité d’orifices de ventilation angulairement et régulièrement répartis.
Les orifices de ventilation permettent le passage d’un flux d’air prélevé, par exemple, par un injecteur d’air dans le volume de refroidissement. Le flux d’air de refroidissement est ensuite distribué vers les aubes montées sur le disque de turbine. Les orifices de ventilation sont configurés pour permettre un débit d’air suffisant pour refroidir les aubes de turbine lorsque la turbomachine fonctionne à plein régime, en particulier lors des phases de décollage de l’aéronef et que la température des gaz est très élevée.
L’injecteur d’air permet d’entraîner en rotation le flux d’air de refroidissement afin que ledit flux d’air circule plus facilement du repère statorique au repère rotor. En effet le flux d’air de refroidissement s’écoule selon un axe substantiellement axial au niveau de la face amont du capot et dans les orifices de passage. Toutefois, ce flux d’air doit circuler à travers les orifices de ventilation pratiqués dans une pièce ayant une vitesse de rotation importante. L’injecteur d’air qui est une pièce fixée au stator entre lesdits orifices de passage et de ventilation permet, grâce à des ailettes, de forcer le flux d’air axial à s’orienter plus naturellement vers les orifices de ventilation en rotation. Ces injecteurs d’air sont connus de l’homme du métier et ne seront pas davantage décrits.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
illustre schématiquement une demi-coupe axiale d’une structure d'un exemple d’une turbomachine comprenant un dispositif de régulation du débit d’air selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
illustrent très schématiquement la moitié supérieure d’une partie du corps haute pression de la turbomachine de la Figure 1 comprenant un dispositif de régulation du débit d’air selon un mode de réalisation de l’invention comprenant une vanne respectivement dans une position fermée et une position ouverte ;
illustre en détails le dispositif de régulation du débit d’air des Figures 2 et 3 ;
sont des vues en coupe de la vanne respectivement dans la position fermée et la position ouverte ;
illustre la face aval du dispositif de régulation du débit d’air des Figures 2 et 3 ;
illustre très schématiquement la moitié supérieure d’une partie du corps basse pression de la turbomachine de la Figure 1 dans laquelle le dispositif de régulation du débit d’air selon l’invention pourrait être intégré ; et
illustre schématiquement une demi-coupe axiale d’une structure d'un autre exemple d’une turbomachine comprenant le dispositif de régulation du débit d’air.
Dans la suite de la description, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation de l’air dans la turbomachine.
Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation
Sur la figure 1 est représentée très schématiquement une demi-coupe axiale d’une turbomachine 10, d’axe général longitudinal X-X’, par exemple de type turboréacteur à double flux. La turbomachine comprend, d’amont en aval dans le sens d’écoulement du flux d’air F, une manche d’entrée 11 recevant de l’air, un compresseur basse pression 12 (COPB) configuré pour aspirer le flux d’air F et le diviser en un flux primaire central F1 à une première pression variable et un flux secondaire F2 à une pression secondaire entourant radialement ledit flux primaire F1. Le compresseur basse pression 12 peut être assimilé à une soufflante dans la mesure où une partie du flux d’air qu’il comprime permet d’alimenter le flux secondaire. La turbomachine comprend en outre un compresseur haute pression 13 configuré pour recevoir le flux d’air primaire F1 du compresseur basse pression 12, une chambre de combustion annulaire 14, une turbine haute pression 15 et une turbine basse pression 16.
Les rotors du compresseur haute pression 13 et de la turbine haute pression 15 sont reliés par un arbre haute pression 17. Les rotors du compresseur basse pression 12 et de la turbine basse pression 16 sont reliés par un arbre basse pression 18.
Le flux secondaire F2 circule dans un espace 19 appelé veine secondaire délimité extérieurement par un carter 19a de veine secondaire ou carène du moteur et intérieurement par une enveloppe 19b entourant radialement le flux primaire F1.
Le flux primaire F1 circule dans un espace 20 appelé veine primaire délimité extérieurement par l’enveloppe 19b et intérieurement par une succession d’éléments fixes et rotatifs.
Le flux primaire F1 circule entre un carter interne 21 situé en aval du compresseur basse pression 12 et un carter d’échappement 22 en aval de la turbine basse pression 16.
Les veines primaire et secondaire 19, 20 se rejoignent en aval du carter d’échappement 22.
Tel qu’illustré sur la figure 1, la turbomachine 10 comprend un premier circuit de refroidissement 23 de la turbine haute pression 15 prélevant de l’air au niveau du compresseur haute pression 13 et un deuxième circuit de refroidissement 24 de la turbine basse pression 16 prélevant de l’air au niveau du compresseur haute pression 13.
On notera que la turbomachine pourrait comprendre l’un ou l’autre desdits conduits de refroidissement, voire les deux.
Le compresseur basse pression 12 ou la soufflante dans le cas d’une turbomachine à double flux et double corps crée une pression PS dite « pression secondaire » dans la veine secondaire 19.
Sur les figures 2 et 3 est représentée très schématiquement une moitié supérieure d’une partie du corps haute pression d’une turbomachine 10, par exemple la turbomachine de la figure 1. On notera que le dispositif de régulation pourrait également être intégré dans le corps basse pression d’une turbomachine, tel qu’illustré sur la figure 8.
Le corps haute pression de la turbomachine, d’axe général longitudinal X-X’, comprend, un carter 19b formant l’enveloppe de la veine secondaire 19 et enfermant le compresseur haute pression 13 dont seul le diffuseur de compresseur a été représenté, la chambre de combustion 14 recevant en entrée l’air chaud et comprimé par ledit compresseur 13, et la turbine haute pression.
La turbine haute pression 15 comprend un rotor de turbine 25, d’axe de rotation X-X’, comprenant un disque de turbine 25a dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation X-X’. Le disque de turbine 25a comprend un alésage axial (non référencé) à partir duquel s’étend l’arbre d’entraînement 17 relié au compresseur 13 pour l’entraîner en rotation dans une veine primaire 20. Le disque de turbine 25a comprend en outre une pluralité d’aubes de rotor 25b montées radialement sur la circonférence dudit disque de turbine 25a. Les aubes de rotor 25b s’étendent radialement vers l’extérieur.
La turbine 15 comprend en outre un disque d’étanchéité 26 configuré pour assurer l’étanchéité entre le rotor 25 et le stator à l’amont de la turbine 15. Le disque d’étanchéité 26 est désigné communément « disque labyrinthe ».
Le disque d’étanchéité 26 se présente sous la forme générale d’une pièce annulaire dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation X-X’. Le disque d’étanchéité 26 est monté en amont du disque de turbine 25a et solidaire en rotation de ce dernier.
Le circuit de refroidissement 23 de la turbomachine 10 s’étend entre le compresseur haute pression 13 et la turbine haute pression 15. Le circuit de refroidissement 13 débouche dans un volume V de refroidissement ménagé entre la surface aval du disque d’étanchéité 26 et la surface amont du disque de turbine 25a. Ainsi, un flux d’air est prélevé en amont de la chambre de combustion 14 à la sortie du compresseur 13 pour être introduit dans ledit volume V de refroidissement. A cet effet, le disque d’étanchéité 26 comprend une pluralité d’orifices de ventilation 26a débouchant dans l’épaisseur dudit disque d’étanchéité 26. Les orifices de ventilation 26a sont angulairement et régulièrement répartis sur la surface amont dudit disque d’étanchéité 26.
Les orifices de ventilation 26a permettent le passage d’un flux d’air F1 prélevé, par exemple, par un injecteur d’air (non représenté) dans le volume V de refroidissement. Le flux d’air de refroidissement est ensuite distribué vers les aubes 25b montées sur le disque de turbine 25a. Les orifices de ventilation 26a sont configurés pour permettre un débit d’air suffisant pour refroidir les aubes 25b lorsque la turbomachine fonctionne à plein régime, en particulier lors des phases de décollage de l’aéronef et que la température des gaz est très élevée.
En régime de croisière, lorsque la température des gaz est moins élevée et que les besoins en refroidissement sont réduits, il est avantageux de réguler le débit du flux d’air de refroidissement.
A cet effet, le circuit de refroidissement 23 comprend un dispositif de régulation du débit d’air 30. Le dispositif de régulation du débit d’air 30 comprend un capot annulaire 31 de calibrage du débit de ventilation monté dans le circuit de refroidissement 23 à l’extrémité aval dudit circuit directement en amont du disque de turbine 25a. Le capot 31 est solidaire du stator, notamment du carter 14a de la chambre de combustion 14.
Tel qu’illustré, le capot 31 est délimité par une surface radiale amont 32, une surface annulaire intérieure 33 reliée à l’amont à la surface radiale amont 32 et supportant à l’aval une étanchéité interne avec le disque d’étanchéité 26, une surface annulaire intermédiaire 34 reliée à l’amont à la surface radiale amont 32 et supportant à l’aval une étanchéité externe avec le disque d’étanchéité 26 et une surface annulaire externe 35 reliée à l’amont à la surface radiale amont 32 et reliée à l’aval au stator, notamment au carter 14a de la chambre de combustion 14.
La surface radiale amont 32 comprend une pluralité d’orifices de passages 32a longitudinaux débouchants dans l’épaisseur de la surface amont 32. De manière nullement limitative, les orifices de passages 32a peuvent être circonférentiellement régulièrement répartis sur la surface amont 32 du capot 31.
Le capot 31 comprend en outre un canal 36 situé axialement entre la surface amont 32 et l’extrémité aval du disque d’étanchéité 26 et radialement entre la surface annulaire intérieure 33 et la surface annulaire intermédiaire 34 du capot 31. Le canal 36 permet le passage du flux d’air F1 provenant des orifices de passages 32a vers le disque d’étanchéité 26 et ainsi dans le volume V de refroidissement à travers les orifices de ventilation 26a dudit disque 26.
Le dispositif de régulation du débit d’air 30 comprend en outre un tube 38 d’amenée de pression secondaire PS comprenant une extrémité 38a débouchant dans la veine secondaire 19 et une extrémité 38b reliée au capot 31 et débouchant notamment dans une chambre annulaire 40 montée dans ledit capot 32. L’extrémité 38a débouchant dans la veine secondaire 19 est orientée vers l’aval afin de ne capter que la pression statique dans la veine secondaire 19 et non les impuretés qui peuvent être présentes.
Le dispositif de régulation du débit d’air 30 comprend en outre une pluralité de vannes 42 configurées chacune pour être actionnées en fonction de la différence de pression entre la veine primaire 20 et la veine secondaire 19. Chaque vanne 42 est montée dans le capot 31 en aval d’un orifice de passage 32a associé.
Tel qu’illustré, et de manière nullement limitative, la moitié des orifices de passage 32a du capot 31 est associée à une vanne 42. L’autre moitié des orifices de passage 32a du capot 31 est donc ouverte en permanence.
En variante, on pourrait prévoir qu’un seul orifice de passage 32a soit associé à une vanne 42 ou à l’inverse que l’ensemble des orifices de passage 32a soient associés à une vanne 42. Ce dernier cas est particulièrement avantageux pour ne pas ventiler les aubes de turbine lorsque le régime du moteur est au ralenti.
Chaque vanne 42 comprend un logement cylindrique 43, un vérin 44 mobile en translation dans ledit logement 43 selon un axe X1-X1’ parallèle à l’axe X-X’ de rotation, entre une position fermée de la vanne, visible sur les figures 2 et 5 et une position ouverte de la vanne, visible sur les figures 3 et 6, et un ressort 46 logé dans ledit logement 43. De manière générale, chaque vanne 42 comprend un organe élastique 46, tel que par exemple un ressort, configuré pour précontraindre le vérin 44 dans la position fermée de la vanne 42.
Le vérin 44 comprend une extrémité amont 44a qui débouche dans l’orifice de passage 32a associé et une extrémité aval 44b coopérant avec le ressort 46 associé. Telle qu’illustrée, l’extrémité amont 44a présente, de manière nullement limitative, une forme en pointe vers l’amont. Une telle forme a pour avantage de permettre un auto-centrage du vérin 44 dans l’orifice de passage 32a associé.
Chaque ensemble de vérin 44 et son ressort 46 est associé à un conduit 48 d’amenée de pression secondaire relié à la chambre annulaire de répartition 40 et aux logements cylindriques 43 de chaque vanne 42 afin d’acheminer le flux secondaire dans tous les logements cylindriques des vannes 42.
Chacun des vérins 44 est maintenu en position fermée de la vanne 42, visible sur les figures 2 et 5, par un ressort associé 46. En position fermée de la vanne 42, les vérins 44 bloquent le passage de l’air de ventilation par l’orifice de passage 32a associé dans le canal 36 et ainsi dans le volume V de refroidissement.
Les ressorts 46 sont dimensionnés pour empêcher le mouvement de translation du vérin 44 vers l’amont lorsque la différence de pression ΔP entre la pression P3 dans la veine primaire et la pression PS dans la veine secondaire est inférieure à une première valeur de seuil S1, par exemple lorsque la turbomachine est au ralenti. La pression P3 est située entre le compresseur haute pression 13 et la chambre de combustion 14.
Par exemple, la valeur seuil S1 à partir de laquelle la différence de pression permet d’augmenter le débit d’air peut être comprise entre 10 et 40 bars.
Toutefois, on notera que cette valeur de seuil dépend des paramètres généraux de la turbomachine et particulièrement de son taux de compression maximum, d’acronyme « OPR » et de son taux de compression du flux secondaire, d’acronyme « FPR ». Avec une turbomachine conçue, par exemple, avec un taux de compression maximum égal à 60 et un taux de compression du flux secondaire égal à 1.5, la valeur de seuil peut être supérieure à 30, par exemple de 40 bars. Avec une turbomachine conçue, par exemple, avec un taux de compression maximum égal à 20 et un taux de compression du flux secondaire égal à 5, la valeur de seuil peut être inférieure à 20 bars, par exemple égale à 10 bars.
Ainsi, lorsque la différence de pression ΔP entre la pression P3 dans la veine primaire et la pression PS dans la veine secondaire est supérieure ou égale à la première valeur de seuil S1, l’effort du ressort 46 est contré et le vérin 44 est déplacé en translation vers l’aval, selon la flèche F visible sur la figure 6, dans la position ouverte de la vanne 42 visible sur les figures 3 et 6.
A titre d’exemple non limitatif, l’ouverture des vannes pourrait être progressive dans le cas où les ressorts 46 sont différents entres les vannes afin de commencer à ouvrir un orifice de passage 32a à partir d’une première valeur de seuil, puis deux orifices de passage 32a à partir d’une deuxième valeur de seuil, supérieure à la première valeur de seuil, et ainsi de suite jusqu’à l’ouverture de toutes les vannes à partir d’une dernière valeur de seuil. Ces valeurs de seuil peuvent être comprises entre 10 et 40 bars. Par exemple, la première valeur de seuil peut être égale à 30 bars, la deuxième valeur de seuil peut être égale à 35 bars.
Tel qu’illustré, les orifices de passage 32a sont de tailles identiques. En variante, on pourrait prévoir des orifices de passage 32a de dimensions différentes pour réguler plus finement le débit d’air.
De même, dans l’exemple illustré, les ressorts 46 sont identiques entre eux. On pourrait prévoir des ressorts différents pour chaque vanne et configurés pour que les vannes soient actionnées dans la position ouverte les unes après les autres à mesure que la différence de pression ΔP augmente, permettant ainsi d’avoir une augmentation progressive du débit d’air de ventilation.
Ainsi, la vanne peut être à ouverture et fermeture non progressive ou à ouverture et fermeture progressive.
Idéalement, il n’y a pas de circulation d’air dans les tubes d’amenée de pression secondaire 38 et dans les conduits 48 d’amenée de pression secondaire. Afin d’éviter ou limiter les fuites d’air de ventilation vers la veine secondaire 19, chaque vanne 42 comprend des éléments d’étanchéité 49 entre la surface cylindrique externe (non référencée) du vérin 44 et la surface cylindrique interne (non référencée) du logement 43. Les éléments d’étanchéité 49 peuvent être, par exemple, des joints toriques ou des joints hydrauliques de type U.
Telle qu’illustrée sur les figures 5 et 6, l’extrémité amont 44a du vérin comprend une collerette annulaire 44c formant butée axiale contre l’extrémité du logement 43 en position ouverte de la vanne 42 et contre la surface amont 32 du capot 31 en position fermée de la vanne 42. Ainsi, le vérin 44 est maintenu dans le logement 43. En variante, on pourrait prévoir toute autre forme formant une butée axiale du vérin 44.
Le dispositif de régulation du flux d’air permet ainsi de réguler passivement le débit d’air circulant dans les éléments de rotor en modulant le prélèvement d’air en fonction des besoins en refroidissement.
De manière générale, la turbomachine comprend une vanne actionnée entre une position fermée et une position ouverte en fonction de la différence de pression entre la veine primaire 20 et la veine secondaire 19.
Tel qu’illustré sur la figure 8, la turbomachine 10 comprend un étage de turbine basse pression 16 comprenant un rotor de turbine, d’axe de rotation X-X’, comprenant un disque de turbine 16a de forme générale annulaire dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation X-X’. Le disque de turbine 16a comprend un alésage axial (non référencé) à partir duquel s’étend un arbre d’entraînement 18 et une pluralité d’aubes de rotor 16b montées radialement sur la circonférence dudit disque de turbine 16a. Les aubes de rotor 16b s’étendent radialement vers l’extérieur.
L’arbre d’entraînement 18 est destiné à être relié au rotor d’un compresseur basse pression 12 monté en amont du rotor de turbine basse pression 16.
L’étage de turbine comprend en outre un disque d’étanchéité 50 configuré pour assurer l’étanchéité entre le rotor et la partie statorique, comprenant par exemple le carter de la chambre à combustion (non représenté) à l’amont de la turbomachine. Le disque d’étanchéité 50 est désigné communément « disque labyrinthe ».
Le disque d’étanchéité 50 se présente sous la forme générale d’une pièce annulaire dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation X-X’. Le disque d’étanchéité 50 est monté en amont du disque de turbine 16a et solidaire en rotation de ce dernier.
Le disque d’étanchéité 50 comprend une partie de fixation 50a radialement intérieure reliée en amont à un élément (non référencé) du corps de turbine 10 et en aval au disque de turbine 16a. Le disque d’étanchéité 50 est par ailleurs précontraint axialement afin que son bord radialement externe 50b soit en appui axial contre une surface amont de la jante du disque de turbine 16a et ainsi empêcher le déplacement des aubes 16b.
Un volume V de refroidissement est ménagé entre la surface aval du disque d’étanchéité 50 et la surface amont du disque de turbine de rotor 16a. Un flux d’air, illustré par une flèche F1 sur la figure 8, est prélevé en amont sur le compresseur haute pression 13 pour être introduit dans ledit volume V de refroidissement. A cet effet, le disque d’étanchéité 50 comprend une pluralité d’orifices de ventilation 50c débouchant dans l’épaisseur dudit disque d’étanchéité 50. Les orifices de ventilation 50c sont angulairement et régulièrement répartis sur la surface amont dudit disque 50.
Les orifices de ventilation 50c permettent le passage d’un flux d’air prélevé sur le compresseur haute pression et acheminé par un circuit de refroidissement 24 jusqu’au carter de turbine basse pression. Le flux d’air de refroidissement est ensuite distribué vers les aubes 16b montées sur le disque de turbine de rotor 16a. Les orifices de ventilation 50c sont configurés pour permettre un débit d’air suffisant pour refroidir les aubes de turbine 16b lorsque la turbomachine fonctionne à plein régime, en particulier lors des phases de décollage de l’aéronef et que la température des gaz est très élevée.
En régime de croisière, lorsque la température des gaz est moins élevée et que les besoins en refroidissement sont réduits, il est avantageux de réguler le débit d’air de refroidissement.
Pour cela, la turbomachine 10 comprend le dispositif de régulation du débit d’air 30 illustré en détails sur les figures 2 à 7. Le dispositif de régulation du débit d’air 30 comprend un capot annulaire 31 de calibrage du débit de ventilation monté dans le circuit de refroidissement 24 à l’extrémité aval dudit circuit directement en amont du disque de turbine 16a. Le capot 31 est solidaire du stator.
On notera également que l’invention n’est pas limitée à une telle structure de turbomachine et pourrait s’appliquer à une turbomachine de structure différente, par exemple à une turbomachine 100 à double flux et double corps comprenant une soufflante, telle qu’illustrée sur la figure 9.
La turbomachine 100 comporte, d'amont en aval selon le sens d’écoulement des flux de gaz dans la turbomachine, une soufflante 101, accouplée à un moteur à turbine à gaz comportant un compresseur basse pression 112, un compresseur haute pression 113, une chambre annulaire de combustion 114, une turbine haute pression 115 et une turbine basse pression 116.
Les rotors du compresseur haute pression et de la turbine haute pression sont reliés par un arbre haute pression (HP) 117 et forment avec lui un corps haute pression. Les rotors du compresseur basse pression et de la turbine basse pression sont reliés par un arbre basse pression (BP) 118 et forment avec lui un corps basse pression. Les arbres HP et BP s'étendent suivant un axe longitudinal X-X’ de la turbomachine.
L'arbre de soufflante est lié en rotation à l'arbre BP 118 directement ou indirectement.
La turbomachine comprend également un carter de soufflante qui s’étend autour des pales qui est porté par des bras aérodynamiques, et qui définit une veine d’entrée d’air des flux. Une partie de cet air pénètre dans une veine annulaire interne d'écoulement d’un flux primaire 120 et l’autre partie alimente une veine annulaire externe d’écoulement d’un flux secondaire 119. La veine traverse les compresseurs BP et HP, la chambre de combustion, et les turbines HP et BP. La veine externe enveloppe des carters des compresseurs et des turbines et rejoint la veine interne au niveau d'une tuyère de la turbomachine.
Ainsi, on peut réguler le débit d’air de ventilation en utilisant uniquement la pression de sortie du compresseur haute pression et la pression dans la veine secondaire.

Claims (15)

  1. Turbomachine (10, 100) à double flux d’axe longitudinal (X-X’) comprenant une veine primaire (20, 120) dans laquelle circule un flux primaire (F1) à une pression primaire (P3) et une veine secondaire (19, 119) entourant radialement ladite veine primaire (20, 120) et dans laquelle circule un flux secondaire (F2) à une pression secondaire (PS), ladite veine primaire (20, 120) comportant au moins un compresseur (13) configuré pour comprimer le flux primaire (F1), une turbine (15, 16, 115, 116) entraînant en rotation ledit compresseur (13, 113) et une chambre de combustion (14, 114) destinée à recevoir en entrée le flux d’air primaire comprimé par le compresseur (13, 113), ladite turbomachine (10, 100) comprenant en outre un circuit de refroidissement (23, 24, 123, 124) s’étendant entre le compresseur (13, 113) et la turbine (15, 16, 115, 116), caractérisée en ce que le circuit de refroidissement (23, 123) comprend un dispositif de régulation du débit d’air (30) disposé en amont de la turbine (15, 16, 115, 116) et comprenant au moins une vanne (42) mobile entre une position ouverte et une position fermée en fonction de la différence de pression (ΔP) entre la pression (P3) dans la veine primaire (20, 120) située entre le compresseur (13, 113) et la chambre de combustion (14, 114) et la pression (PS) dans la veine secondaire (19, 119).
  2. Turbomachine (10, 100) selon la revendication 1, dans laquelle le dispositif de régulation du débit d’air (30) est configuré pour assurer un débit d’air minimal lorsque la différence de pression (ΔP) entre la pression (P3) dans la veine primaire (20, 120) entre le compresseur (13, 113) et la chambre de combustion (14, 114) et la pression (PS) dans la veine secondaire (19, 119) est inférieure à une valeur de seuil (S1) et pour assurer un débit d’air maximal lorsque ladite différence de pression (ΔP) est supérieure ou égale à la valeur de seuil (S1).
  3. Turbomachine (10, 100) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le dispositif de régulation du débit d’air (30) comprend un capot annulaire (31) de calibrage du débit de ventilation monté dans le circuit de refroidissement (23) à l’extrémité aval dudit circuit (23) en amont d’un rotor de turbine (25, 16) et solidaire d’une partie statorique (14) de la turbomachine, la vanne (42) étant montée dans ledit capot (31).
  4. Turbomachine (10, 100) selon la revendication 3, dans laquelle le capot (31) comprend au moins un orifice de passage (32a) longitudinal débouchant dans le circuit de refroidissement (23), la vanne (42) étant montée en aval dudit orifice de passage (32a).
  5. Turbomachine (10, 100) selon la revendication 4, dans laquelle la vanne (42) comprend un logement cylindrique (43), un vérin (44) mobile en translation dans ledit logement (43) selon un axe (X1-X1’) parallèle à l’axe (X-X’) de rotation du rotor de turbine (25, 16), entre la position fermée de la vanne (42) dans laquelle le vérin (44) obture l’orifice de passage (32a) et la position ouverte de la vanne (42) dans laquelle le vérin (44) permet le passage d’un flux d’air à travers l’orifice de passage (32a), ledit logement (43) étant relié à un tube (38) d’amenée de pression secondaire (PS) débouchant dans la veine secondaire (19, 119).
  6. Turbomachine (10, 100) selon la revendication 5, dans laquelle la vanne (42) comprend un organe élastique (46) configuré pour précontraindre le vérin dans la position fermée de la vanne (42) et logé dans ledit logement (43) et coopérant avec une extrémité aval (44b) du vérin (44), ledit organe élastique (46) étant dimensionné pour empêcher le mouvement de translation du vérin (44) dans la position fermée de la vanne (42) lorsque la différence de pression (ΔP) entre la pression (P3) dans la veine primaire (20) située entre le compresseur (13, 113) et la chambre de combustion (14, 114) et la pression secondaire (PS) dans la veine secondaire (19, 119) est inférieure à la valeur de seuil (S1).
  7. Turbomachine (10, 100) selon la revendication 5 ou 6, dans laquelle le capot (31) comprend une chambre annulaire (40) dans laquelle débouche le tube (38) d’amenée de pression secondaire.
  8. Turbomachine (10, 100) selon la revendication 7, dans laquelle le dispositif de régulation de débit (30) comprend en outre au moins un conduit (48) d’amenée de pression secondaire relié à la chambre annulaire de répartition (40) et au logement cylindrique (43) de la vanne (42).
  9. Turbomachine (10, 100) selon l’une quelconque des revendications 3 à 8, dans lequel le capot (31) comprend en outre un canal (36) s’étendant entre l’orifice de passage (32a) et le rotor de turbine (25, 16) pour permettre le passage d’un flux d’air (F1) provenant de l’orifice de passage (32a) vers ledit rotor de turbine (25, 16).
  10. Turbomachine (10, 100) selon l’une quelconque des revendications 3 à 9, dans laquelle le capot (31) comprend une pluralité d’orifices de passage (32a) longitudinaux débouchants dans le circuit de refroidissement (23, 24, 123, 124).
  11. Turbomachine (10, 100) selon la revendication 10, dans laquelle le dispositif de régulation du débit d’air (30) comprend une pluralité de vannes (42) configurées chacune pour être actionnées en fonction de la différence de pression (ΔP) entre la pression (P3) dans la veine primaire (20) située entre le compresseur (13, 113) et la chambre de combustion (14, 114) et la pression (PS) dans la veine secondaire (19, 119), chaque vanne (42) étant montée dans le capot (31) en aval d’un orifice de passage (32a) associé.
  12. Turbomachine (10, 100) selon la revendication 11, dans laquelle le nombre de vannes (42) est inférieur au nombre d’orifices de passage (32a).
  13. Turbomachine (10, 100) selon la revendication 11 ou 12, dans laquelle les organes élastiques (46) des vannes (42) sont identiques entre eux.
  14. Turbomachine (10, 100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le rotor de turbine (25, 16) comprend un disque de turbine (25a, 16a), au moins une aube de rotor (25b, 16b) montée radialement sur la circonférence dudit disque de turbine (25a, 16a) et un disque d’étanchéité (26, 50) présentant la forme générale d’une pièce annulaire dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation (X-X’) du rotor, disposé en aval et solidaire en rotation dudit disque de rotor (25a, 16a).
  15. Turbomachine (10, 100) selon les revendications 9 et 14, dans laquelle le circuit de refroidissement (23, 24, 123, 124) débouche dans un volume (V) de refroidissement ménagé entre le disque d’étanchéité (26, 50) et la surface amont du disque de turbine (25a, 16a), le disque d’étanchéité (26, 50) comprenant au moins un orifice de ventilation (26a, 50c) débouchant dans le canal (36).
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