FR3115317A1 - Rampe de refroidissement pour turbomachine - Google Patents

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FR2010734A
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Thomas Pierre Etienne MOUROT
Mostafa BENBOUDA
Pierre Marie MULHEIM
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Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
    • F01D11/24—Actively adjusting tip-clearance by selectively cooling-heating stator or rotor components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/12—Cooling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Abstract

Rampe (100) de refroidissement pour une turbomachine d’aéronef, cette rampe (100) comprenant un corps (10) tubulaire qui a une forme générale incurvée et qui définit un passage interne de circulation d’air de refroidissement, ce corps (10) étant métallique et comprenant des orifices (11) d’éjection d’air, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre une couche (20) d’isolation thermique qui recouvre au moins une partie dudit corps (10). Figure pour l'abrégé : Figure 3

Description

RAMPE DE REFROIDISSEMENT POUR TURBOMACHINE
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne une rampe de refroidissement pour une turbomachine d’aéronef ainsi que le procédé de réalisation d’une telle rampe.
Arrière-plan technique
Il est connu de l’état de la technique, comme montré par la figure 1, qu’une turbine T de turbomachine est protégée par un carter C de forme générale annulaire. Ce carter C est généralement équipé d’un ou plusieurs boîtier(s) B de distribution d’air sous pression, chacun étant raccordé à au moins une rampe R de refroidissement. De l’air sous pression est distribué par le boîtier B à l’intérieur de la rampe R. Il est généralement préféré que cet air sous pression soit de l’air frais. Chaque rampe R comporte un corps tubulaire métallique percé d’une série d’orifices débouchant au droit de la surface extérieure du carter C. L’air sous pression est ainsi éjecté au travers de ces orifices sur le carter C dans le but de le ventiler et de le refroidir.
Lorsque la turbomachine est en fonctionnement, le carter émet un rayonnement thermique qui peut être partiellement réfléchi par le corps métallique de la rampe. Toutefois, la réflexion n’est pas suffisante pour empêcher un réchauffement de l’air sous pression circulant à l’intérieur de la rampe. En effet, des écarts de températures peuvent être relevés en fonction de la position tangentielle de la rampe. De ce fait, l’air soufflé sur le carter n’a pas une température constante tout autour du carter. Ceci peut se traduire localement par une diminution de l’efficacité du refroidissement du carter et, par conséquent, à une température du carter de la turbine plus élevée dans une zone donnée. Autrement dit, des hétérogénéités thermiques peuvent survenir dans le carter. Une augmentation de la température du carter est un inconvénient car elle implique une dilatation plus forte, ce qui entraîne une ouverture des jeux dans la turbine, notamment des jeux entre les sommets des aubes de turbine et des revêtements abradables montés autour des aubes et accrochés au carter. Toute augmentation de ce type de jeu implique une augmentation du débit de fuite dans la turbine et donc une diminution des performances de la turbomachine.
La présente invention a pour but de remédier à au moins un de ces inconvénients et concerne une rampe de refroidissement pour une turbomachine d’aéronef ainsi qu’un procédé de réalisation de cette rampe, qui sont simples et efficaces.
À cet effet, l’invention propose une rampe de refroidissement pour une turbomachine d’aéronef, cette rampe comprenant un corps tubulaire qui a une forme générale incurvée et qui définit un passage interne de circulation d’air de refroidissement, ce corps étant métallique et comprenant des orifices d’éjection d’air, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre une couche d’isolation thermique qui recouvre au moins une partie dudit corps.
Ainsi, grâce à l’invention, on s’assure d’améliorer l’isolation thermique de l’air sous pression circulant à l’intérieur du corps de la rampe. En effet, la couche d’isolation thermique permet de limiter l’augmentation de température de l’air sous pression, permettant un refroidissement plus efficace du carter de turbine.
En outre, grâce à l’invention, on s’assure de réduire les hétérogénéités dans les usures de pièces abradables, autrement dit, on s’assure d’une réduction du vieillissement des pièces. En effet, un meilleur refroidissement du carter permet de limiter les gradients de températures et par conséquent de limiter les contraintes mécaniques dues à la dilatation des pièces, soit une amélioration des performances du moteur.
La rampe selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- la couche d’isolation thermique se présente sous la forme d’une gaine qui est rapportée sur le corps et qui s’étend sur au moins une majeure partie du corps ;
- les orifices débouchent dans des buses en saillie sur le corps, chaque buse comportant une base reliée au corps et opposée à une extrémité libre de la buse ;
- la couche d’isolation thermique s’étend jusqu’à la base de ces buses et est maintenue en translation et/ou en rotation sur le corps par appui sur ces bases ;
- la couche est réalisée en matériau composite à base de fibres, et en particulier de fibres de verre ou de fibres céramiques, ou à base d’aluminium ;
-- les fibres sont non-tissées ;
- la couche est configurée pour réfléchir un rayonnement thermique et a de préférence une couleur claire choisie parmi le blanc et le jaune ;
- la couche a une épaisseur comprise entre 1 et 20 mm ;
- la couche a une épaisseur constante le long et autour du corps ; et
- la couche a une épaisseur variable le long et autour du corps.
La présente invention concerne également un dispositif de refroidissement pour une turbomachine d’aéronef, ce dispositif comportant au moins une rampe de refroidissement comme décrit dans ce qui précède et un boîtier de distribution d’air sous pression, la rampe étant raccordée au boîtier de sorte que de l’air sous pression provenant du boîtier puisse circuler dans le passage.
La présente invention concerne également une turbomachine d’aéronef comportant au moins un dispositif de refroidissement tel que décrit précédemment, ce dispositif s’étendant autour d’un carter de turbine.
La présente invention concerne également un procédé de réalisation d’une rampe décrite dans ce qui précède, le procédé comportant les étapes suivantes :
a) préparer au moins une gaine thermo-rétractable configurée pour former une couche d’isolation thermique ;
b) monter l’au moins une gaine autour du corps ; et
c) chauffer l’au moins une gaine de façon à ce qu’elle enserre le corps.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
la figure 1 est une demie-vue schématique de face de la périphérie externe d’une turbine de turbomachine connue de la technique ;
la figure 2 est une vue schématique en perspective d’une rampe de refroidissement selon une forme de réalisation de l’invention ;
la figure 3 est une vue schématique en perspective et en coupe de la rampe de la figure 2 ; et
la figure 4 est une vue très schématique d’un dispositif de refroidissement comprenant au moins une rampe telle que présentée sur les figures 2 et 3.
Description détaillée de l'invention
Le Demandeur a mis au point une rampe de refroidissement telle que décrite dans ce qui suit aux fins de résoudre les problèmes et inconvénients soulevés dans ce qui précède.
On se réfère aux figures 2 et 3, illustrant une rampe 100 de refroidissement selon une forme de réalisation de l’invention.
Cette rampe 100 comprend notamment un corps 10 tubulaire qui a une forme générale incurvée, c’est-à-dire sensiblement arquée. Ce corps 10 tubulaire est creux et définit un passage interne de circulation d’air de refroidissement. En outre, le corps 10 est métallique et comprend des orifices 11 d’éjection d’air.
Le corps 10 comprend une surface cylindrique externe 13 et une surface cylindrique interne 14.
Les orifices 11 sont alignés les uns à la suite des autres et espacés à intervalle régulier. Les orifices 11 peuvent déboucher dans des buses 12 en saillie sur le corps 10 et en particulier sur la surface cylindrique externe 13. Chaque buse 12 a une forme générale allongée et cylindrique ou tronconique qui s’étend le long d’un axe normal à la surface externe 13. La buse 12 comprend une première extrémité reliée au corps 10, formant une base, et une seconde extrémité opposée qui est libre. Les buses 12 permettent de diriger le flux d’air sous pression éjecté par les orifices 11 en direction du carter 30.
La rampe 100 comprend également une couche 20 d’isolation thermique, recouvrant au moins une partie du corps 10 et en particulier de la surface externe 13. La couche 20 peut recouvrir toute ou partie de la longueur du corps 10 et donc de la rampe 100.
La couche 20 peut se présenter sous la forme d’une gaine qui est rapportée sur le corps 10 et qui s’étend sur au moins une majeure partie du corps 10. Une gaine présente l’avantage d’être aisément manipulable par un opérateur et de pouvoir être segmentée. Autrement dit, la couche 20 peut être un assemblage de plusieurs gaines rapportées sur le corps 10. En variante, la couche 20 pourrait être formée par un revêtement déposé et solidarisé sur le corps 10, par exemple par séchage.
La couverture de tout ou partie du corps 10 par la couche 20 permet de cibler, si nécessaire, des zones à isoler thermiquement davantage que d’autres.
La couche 20 peut s’étendre autour et le long du corps 10, jusqu’à la base des buses 12. Elle peut être maintenue en translation et/ou en rotation sur le corps 10 par appui sur les bases des buses 12, en particulier lorsque la couche 20 est formée par une gaine comme dans l’exemple précité. On comprend que, de la sorte, la couche 20 n’obstrue pas les orifices 11 du corps 10, les jets d’air sous pression sont ainsi préservés.
La couche 20 d’isolation thermique peut être de différents types. En effet, elle peut être de type thermo-réflecteur, c’est-à-dire qu’elle réfléchit le rayonnement thermique sous forme d’ondes, ou bien de type calorifuge, c’est-à-dire qu’elle préserve d’un gain ou d’une déperdition d’énergie.
Dans le cas présent, il est préféré que la couche 20 soit de type thermo-réflecteur. On comprend dans ce cas que la couche 20 est configurée pour réfléchir le rayonnement thermique émis par le carter 30. Pour cela, on préférera une couche 20 de couleur claire, choisie parmi le blanc et le jaune par exemple, de sorte à limiter l’absorption et maximiser la réflexion du rayonnement. On comprend que la couleur revêt un caractère technique et non esthétique. En outre, la couche 20 peut être réalisée à partir de différents matériaux. La couche 20 peut être choisie parmi un matériau composite à base de fibres, en particulier de fibres de verre ou de fibres céramiques, mais peut aussi être à base d’aluminium. Ces matériaux présentent l’avantage d’avoir un coefficient d’émissivité et une conductivité thermique faibles. Par exemple, l’aluminium poli peut réfléchir plus de 96% des rayonnements thermiques et la conductivité thermique de la fibre de verre est inférieure à 0,03 W/m.K (Watt par mètre-Kelvin).
Les fibres de la couche 20 peuvent être tissées, tressées, etc. Elles sont de préférence non-tissées et se présentent sous forme d’un revêtement.
La couche 20 peut avoir une épaisseur comprise entre 1 et 20 mm, et de préférence entre 2 et 7 mm.
L’épaisseur de la couche 20 peut être constante le long et autour du corps 10. En variante, l’épaisseur de la couche 20 pourrait aussi être variable. En effet, dans un exemple de mise en œuvre, la couche 20 a une épaisseur variable le long et autour du corps 10 de la rampe 100. La température de l’air sous pression étant plus élevée en fin de rampe qu’au début, c’est-à-dire proche de l’arrivée d’air, la couche 20 d’isolation thermique peut avoir une épaisseur qui augmente à mesure que le corps 10 s’éloigne de l’arrivée d’air sous pression. On comprend qu’un gradient d’épaisseur peut être réalisé afin de garantir une protection thermique uniforme à l’air sous pression circulant à l’intérieur du corps 10.
Le Demandeur a également mis au point un dispositif D de refroidissement pour une turbomachine d’aéronef, illustré sur la figure 4, qui comporte au moins une rampe 100 de refroidissement, telle que décrite dans ce qui précède, et un boîtier 40 de distribution d’air sous pression. La rampe 100 est raccordée au boîtier 40 de sorte que de l’air sous pression provenant du boîtier 40 puisse circuler dans le passage interne du corps 10. Comme illustré à la figure 1, le dispositif D pourrait comprendre plusieurs rampes 100, chacune raccordée au boîtier 40 de sorte que l’air sous pression distribué par le boîtier 40 soit réparti à l’intérieur des différentes rampes 100.
Le dispositif D de refroidissement peut être du type LPTACC (de l’anglaisLow Pressure Turbine Active Clearance Control), c’est-à-dire contrôle actif du jeu de turbine basse pression, ou du type HPTACC (de l’anglaisHigh Pressure Turbine Active Clearance Control), c’est-à-dire contrôle actif du jeu de turbine haute pression. Autrement dit, le dispositif D peut être utilisé pour des turbines basse pression ou des turbines haute pression de turbomachines.
Le Demandeur a également mis au point une turbomachine d’aéronef qui comporte au moins un dispositif D tel que décrit précédemment. Dans cette turbomachine, le dispositif D de refroidissement s’étend autour du carter 30 de turbine de sorte à pouvoir le ventiler et le refroidir grâce aux jets d’air sous pression s’échappant des rampes 100.
Le Demandeur a aussi mis au point un procédé de réalisation d’une rampe 100 de refroidissement telle que décrite précédemment. Ce procédé comprend les étapes suivantes :
a) préparer au moins une gaine thermo-rétractable configurée pour former une couche 20 d’isolation thermique ;
b) monter la gaine autour du corps 10 ; et
c) chauffer la gaine de façon à ce qu’elle enserre le corps 10.
À l’étape b), la gaine est disposée autour du corps 10 de la rampe 100. On comprend que la gaine présente un diamètre sensiblement supérieur au diamètre externe du corps 10. De la sorte, la gaine est montée facilement autour du corps 10.
Dans un cas particulier où plusieurs gaines sont utilisées pour réaliser la couche 20 d’isolation thermique, chaque gaine est montée adjacente à une autre gaine le long du corps 10. Ceci présente l’avantage de faciliter l’installation.
À l’étape c), la gaine thermo-rétractable se rétracte sur elle-même sous l’effet de l’augmentation de la température. De la sorte, la gaine enserre le corps 10.
L’invention telle que décrite dans ce qui précède présente ainsi l’avantage d’être facile à réaliser. En effet, l’installation de la gaine autour du corps 10 de la rampe 100 est aisément réalisable grâce à ses propriétés thermo-rétractables.
Un autre avantage est d’améliorer l’isolation thermique de l’air sous pression circulant à l’intérieur du corps de la rampe. En effet, la couche d’isolation thermique permet de réfléchir une plus grande partie du rayonnement thermique émis par le carter de turbine pendant son fonctionnement. De la sorte, l’air sous pression ne se réchauffe pas et permet une diminution des écarts de température à la surface du carter. En d’autres termes, le refroidissement du carter est plus efficace.
Un avantage, encore, est de réduire les hétérogénéités dans les usures de pièces abradables, autrement dit, on s’assure d’une réduction du vieillissement des pièces. En effet, un meilleur refroidissement du carter permet de limiter les gradients de température et par conséquent de limiter les contraintes mécaniques dues à la dilatation des pièces, soit une amélioration des performances du moteur.

Claims (11)

  1. Rampe (100) de refroidissement pour une turbomachine d’aéronef, cette rampe (100) comprenant un corps (10) tubulaire qui a une forme générale incurvée et qui définit un passage interne de circulation d’air de refroidissement, ce corps (10) étant métallique et comprenant des orifices (11) d’éjection d’air, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre une couche (20) d’isolation thermique qui recouvre au moins une partie dudit corps (10).
  2. Rampe (100) selon la revendication précédente, dans laquelle ladite couche (20) se présente sous la forme d’une gaine qui est rapportée sur ledit corps (10) et qui s’étend sur au moins une majeure partie dudit corps.
  3. Rampe (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle lesdits orifices (11) débouchent dans des buses (12) en saillie sur ledit corps (10), chaque buse (12) comportant une base reliée au corps (10) et opposée à une extrémité libre de ladite buse (12), ladite couche (20) s’étendant jusqu’à la base de ces buses et étant maintenue en translation et/ou en rotation sur ledit corps par appui sur ces bases.
  4. Rampe (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite couche (20) est réalisée en matériau composite à base de fibres, et en particulier de fibres de verre ou de fibres céramiques, ou à base d’aluminium.
  5. Rampe (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite couche (20) est configurée pour réfléchir un rayonnement thermique et a de préférence une couleur claire choisie parmi le blanc et le jaune.
  6. Rampe (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite couche (20) a une épaisseur comprise entre 1 et 20 mm.
  7. Rampe (100) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite couche (20) a une épaisseur constante le long et autour dudit corps (10).
  8. Rampe (100) selon l’une des revendications 1 à 6, dans laquelle ladite couche (20) a une épaisseur variable le long et autour dudit corps (10).
  9. Dispositif (D) de refroidissement pour une turbomachine d’aéronef, ce dispositif (D) comportant au moins une rampe (100) selon l’une des revendications précédentes et un boîtier (40) de distribution d’air sous pression, la rampe (100) étant raccordée audit boîtier (40) de sorte que de l’air sous pression provenant du boîtier (40) puisse circuler dans ledit passage.
  10. Turbomachine d’aéronef comportant au moins un dispositif (D) selon la revendication précédente, ce dispositif (D) s’étendant autour d’un carter de turbine.
  11. Procédé de réalisation d’une rampe (100) selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes :
    a) préparer au moins une gaine thermo-rétractable configurée pour former une couche (20) d’isolation thermique ;
    b) monter ladite au moins une gaine autour dudit corps (10) ; et
    c) chauffer ladite au moins une gaine de façon à ce qu’elle enserre le corps (10).
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