FR3120388A1 - Aube tournante pour turbine de turbomachine d’aéronef, comprenant un organe passif souple de régulation de débit d’air de refroidissement de l’aube - Google Patents

Abstract

L’invention se rapporte à un aube tournante (34) pour turbine de turbomachine d’aéronef, comprenant au moins un conduit (44) de circulation d’air pour la refroidir, ainsi qu’un organe passif souple (60) de régulation de la section de passage d’air (66) à travers ce conduit, l’organe passif souple (60) étant configuré pour se déplacer par effet centrifuge, de sorte qu’il entraîne une augmentation de la section de passage d’air (66) lorsque la vitesse de rotation de la turbine s’accroît. L’invention se rapporte également à une plaque (37) de calibrage de débit d’air de refroidissement comportant un tel organe passif souple (60). Figure pour l’abrégé : Figure 2

Description

Aube tournante pour turbine de turbomachine d’aéronef, comprenant un organe passif souple de régulation de débit d’air de refroidissement de l’aube

L’invention se rapporte à une aube tournante de turbine destinée à équiper une turbomachine d’aéronef, par exemple de type turboréacteur ou turbopropulseur. Elle se rapporte plus précisément au refroidissement des aubes tournantes de turbine, ainsi qu’à la gestion de ce refroidissement.

Un système de refroidissement des aubes tournantes de turbine est par exemple connu du document FR 3 052 183 A1.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Dans les turbomachines, il est connu de prélever de l’air au niveau des compresseurs pour refroidir les aubes tournantes de turbine, également dénommées aubes mobiles. En ne transitant pas par la chambre de combustion de la turbomachine, cet air de refroidissement ne génère ainsi aucun travail, et affecte le rendement de cette turbomachine.

Le rendement de la turbomachine est d’autant plus réduit que la quantité d’air de refroidissement prélevé est élevée. Or habituellement, les prélèvements d’air sont réalisés à débits pratiquement constants, et dimensionnés en fonction des points les plus chauds rencontrés durant les phases de vol les plus critiques, en particulier lors du décollage. Cette pratique, bien que permettant d’assurer la tenue des aubes lorsqu’elles sont soumises à de fortes températures, conduit à prélever des débits d’air de refroidissement souvent surdimensionnés pour certaines phases de vol, comme par exemple en régime de croisière où les besoins en refroidissement des aubes tournantes sont généralement moindres. Ce surdimensionnement impacte négativement le rendement de la turbomachine.

Pour résoudre ce problème, il a été proposé des solutions de refroidissement à débits d’air de refroidissement contrôlés, comme par exemple dans le document WO2014/197089 A1, qui prévoit un système actif de régulation du débit d’air de refroidissement des aubes de turbine haute pression. Cependant, la mise en œuvre de ces solutions requiert généralement une intégration lourde, avec notamment la nécessité d’implanter une alimentation électrique.

Pour pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus, relatifs aux réalisations de l’art antérieur, l’invention a tout d’abord pour objet une aube tournante pour turbine de turbomachine d’aéronef qui s’étend selon une direction d’extension de l’aube entre un pied de l’aube et une tête de l’aube, l’aube comprenant au moins un conduit interne de circulation d’air pour la refroidir, et comprend en outre un organe passif souple de régulation de la section de passage d’air à travers ledit conduit, l’organe passif souple étant configuré pour se déplacer par effet centrifuge, de préférence par déformation élastique, de sorte qu’il entraîne une augmentation de la section de passage d’air lorsque la vitesse de rotation de la turbine s’accroît.

L’invention apporte ainsi une solution simple, fiable et passive, en mettant à profit la corrélation existante entre la vitesse de rotation de la turbine et les besoins en refroidissement des aubes tournantes. En effet, l’augmentation du régime moteur s’accompagne d’une élévation de la vitesse de rotation de la turbine, et provoque également une augmentation de la température des gaz dans la veine, et donc un accroissement du besoin en refroidissement des aubes de turbine. L’invention s’appuie sur ce constat en prévoyant que l’organe passif souple se déplace sous l’effet de la force centrifuge résultant de la rotation de la turbine, de manière à provoquer une augmentation de la section de passage d’air du conduit lorsque la vitesse de rotation de la turbine s’accroît, et, inversement, de manière à provoquer une diminution de la section de passage d’air du conduit lorsque la vitesse de rotation de la turbine décroît.

Dans le conduit de circulation d’air, les débits d’air de refroidissement observés se révèlent par conséquent adaptés aux différents régimes moteur ainsi qu’aux différents besoins en refroidissement qui en découlent, grâce à l’organe passif souple qui délimite la section de passage d’air du conduit, et dont l’étendue du déplacement / de la déformation élastique dépend de la vitesse de rotation de la turbine.

Grâce à l’invention, il n’est plus nécessaire de prévoir un dimensionnement unique engendrant un débit d’air de refroidissement constant et élevé. L’invention permet ainsi à la turbomachine de présenter un meilleur rendement, en prélevant l’air de compresseur de manière variable, pour répondre au juste besoin en matière de refroidissement des aubes tournantes de turbine.

L’invention prévoit de préférence au moins l’une quelconque des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison.

De préférence, l’organe passif souple est une languette inclinée par rapport à la direction d’extension de l’aube, l’une des deux extrémités opposées de la languette étant solidaire de l’aube, et l’autre des deux extrémités étant libre à l’intérieur du conduit de manière à définir la section de passage d’air variable de ce conduit. Avec cette conception, plus la vitesse de rotation de la turbine s’élève, plus la languette tend vers une configuration d’alignement dans cette direction radiale de l’aube, dans laquelle davantage d’air peut circuler dans le conduit.

De préférence, le conduit de circulation d’air comporte, au niveau du pied de l’aube, une portion d’admission pour collecter l’air de refroidissement, l’organe passif souple traversant au moins une partie de la portion d’admission du conduit.

De préférence, l’organe passif souple est fixé sur un pied de l’aube, ou sur une plaque de calibrage de débit d’air de refroidissement, elle-même rapportée sur le pied d’aube.

De préférence, l’organe passif souple est fixé sur l’aube par soudage. Néanmoins, d’autres techniques d’assemblage peuvent être utilisées, sans sortir du cadre de l’invention. En outre, la languette pourrait alternativement être réalisée d’un seul tenant avec une autre partie de l’aube, par exemple le pied ou la plaque de calibrage.

De préférence, l’organe passif souple est métallique. D’autres matériaux restent néanmoins envisageables.

De préférence, l’aube comprend plusieurs conduits de circulation d’air internes pour la refroidir, un organe passif souple de régulation de la section de passage d’air étant associé à chaque conduit. Dans ce mode préféré de réalisation, chaque organe passif souple se comporte de la manière décrite précédemment, spécifique à la présente invention.

L’invention a également pour objet une turbine de turbomachine d’aéronef comprenant au moins une aube tournante telle que décrite ci-dessus, la turbine étant de préférence une turbine à étage unique, ou une turbine à plusieurs étages dont le premier étage est équipé desdites aubes tournantes.

L’invention a également pour objet une turbomachine d’aéronef comprenant au moins une telle turbine, la turbine étant préférentiellement une turbine haute pression.

Enfin, l’invention a pour objet une plaque de calibrage de débit d’air de refroidissement, destinée à équiper une aube tournante de turbine de turbomachine d’aéronef comprenant au moins un conduit de circulation d’air interne pour refroidir cette aube, la plaque de calibrage comportant un trou pour ajuster le débit d’air maximal destiné à être admis dans le conduit, la plaque de calibrage comprenant en outre, associé audit trou, un organe passif souple destiné à la régulation de la section de passage d’air à travers ledit conduit, l’organe passif souple étant configuré pour se déplacer par effet centrifuge, de préférence par déformation élastique, de sorte qu’il entraîne une augmentation de la section de passage d’air lorsque la vitesse de rotation de la turbine s’accroît. Il est noté que l’ensemble des caractéristiques décrites ci-dessus, pour l’organe passif souple, sont bien évidemment applicables lorsque cet organe est directement intégré à la plaque de calibrage, autre objet de l’invention qui partage les mêmes principes inventifs et les mêmes avantages.

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.

Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ;

représente une vue schématique d’un turboréacteur à double flux, en coupe longitudinale ;

représente une vue en demi-coupe axiale partielle d’une roue mobile de turbine du turboréacteur montré sur la figure précédente, selon un mode de réalisation préféré de l’invention ;

est une vue en perspective d’une partie d’une plaque de calibrage équipant les aubes tournantes de la roue mobile montrée sur la figure précédente ;

représente une vue agrandie en demi-coupe axiale d’une partie d’une aube tournante de la roue montrée sur la , l’organe passif souple équipant l’aube étant représenté dans une configuration observée lorsque la roue mobile est à l’arrêt ; et

représente une vue similaire à celle de la , avec l’organe passif souple représenté dans une configuration observée lorsque la roue mobile tourne à vitesse élevée.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION

En référence tout d’abord à la , il est représenté une turbomachine 1 d’aéronef, selon un mode de réalisation préféré de l’invention. Il s’agit ici d’un turboréacteur à double flux et à double corps. Néanmoins, il pourrait s’agir d’une turbomachine d’un autre type, par exemple d’un turbopropulseur, sans sortir du cadre de l’invention.

Le turboréacteur 1 présente un axe central longitudinal 2 autour duquel s’étendent ses différents composants. Elle comprend, d’amont en aval selon une direction principale 5 d’écoulement des gaz à travers ce turboréacteur, une soufflante 3, un compresseur basse pression 4, un compresseur haute pression 6, une chambre de combustion 11, une turbine haute pression 7 et une turbine basse pression 8.

De manière conventionnelle, après avoir traversé la soufflante, l’air se divise en un flux primaire central 12a et un flux secondaire 12b qui entoure le flux primaire. Le flux primaire 12a s’écoule dans une veine principale 14a de circulation des gaz traversant les compresseurs 4, 6, la chambre de combustion 11 et les turbines 7, 8. Le flux secondaire 12b s’écoule quant à lui dans une veine secondaire 14b délimitée radialement vers l’extérieur par un carter moteur, entouré d’une nacelle 9.

Les compresseurs 4, 6 et les turbines 7, 8 sont réalisés par l’alternance de roues mobiles, dites roues de rotor, et de roues fixes, dites roues de stator.

L’invention porte sur la conception des roues mobiles de turbine, et en particulier sur les aubes tournantes qui équipent ces roues. Ci-après, il sera décrit la roue mobile 20 de l’unique étage de la turbine haute pression 7, mais le principe peut être appliqué aux roues mobiles de la turbine basse pression 8, ou encore au premier étage d’une turbine haute pression qui comporterait plusieurs étages.

La roue mobile 20 de la comporte un disque 22, présentant un axe central 2 correspondant à l’axe central longitudinal du turboréacteur. Cet axe 2 correspond également à l’axe sur lequel est centrée la roue mobile 20. La partie périphérique 24 du disque 22 est pourvue de dents s’étendant vers l’extérieur selon une direction radiale 30a de la roue 20, en rapport à l’axe 2. Les dents sont espacées les unes des autres selon la direction circonférentielle du disque, référencée 30b sur la . De manière classique, les dents délimitent entre elles des alvéoles 32 ouvertes radialement vers l’extérieur, et recevant des aubes 34 complétant la roue mobile 20. Chaque alvéole 32 s’étend de préférence parallèlement ou sensiblement parallèlement à une direction axiale 30c de la roue 20, cette direction axiale étant parallèle à l’axe 2.

Sur la , seule l’une des aubes tournantes 34 est visible, avec une partie radialement interne 35 logée dans l’alvéole 32. Cette partie radialement interne 35 comporte un pied d’aube 36 ainsi qu’une plaque 37 de calibrage de débit d’air de refroidissement, rapportée radialement sous le pied d’aube 36 et dont la fonction sera décrite ultérieurement.

De manière conventionnelle, chaque aube 34 comporte de l’intérieur vers l’extérieur, selon une direction d’extension de l’aube entre le pied de l’aube et une tête de l’aube correspondant à la direction radiale 30a, la plaque de calibrage 37, le pied d’aube 36, une échasse 38, une plateforme 40, et une pale 42 constituant la partie aérodynamique de l’aube et incorporant à son extrémité la tête de l’aube.

L’aube 34 est équipée de plusieurs conduits 44 internes de circulation d’air pour la refroidir. Ce sont ici deux conduits 44 qui sont prévus à travers l’aube, mais leur nombre peut varier en fonction des besoins rencontrés, sans sortir du cadre de l’invention. Les deux conduits 44 d’alimentation en air sont espacés l’un de l’autre selon la direction axiale 30c, et ils s’étendent chacun essentiellement dans la direction radiale 30a à travers l’aube, sur tout ou partie de la longueur radiale de celle-ci. De manière connue, les conduits 44 peuvent alimenter des cavités de refroidissement au sein de l’aube 34, mais aucune description détaillée ne sera faite ici de ces aspects largement connus de l’homme du métier.

Par la suite, il ne sera décrit que l’un des deux conduits 44, mais il doit être noté que l’autre conduit dispose de la même conception et des mêmes fonctionnalités que celles qui seront détaillées ci-dessous.

Le conduit d’alimentation en air 44 comporte une portion d’admission d’air 46 qui se situe dans la partie radialement interne 35 de l’aube. La portion d’admission 46 est formée par un trou 50 à travers la plaque de calibrage 37, et par la partie du conduit 44 se situant à travers le pied d’aube 36, dans la continuité radiale du trou 50.

De manière connue, de l’air de refroidissement est prélevé en amont sur un ou plusieurs des compresseurs 4, 6 du turboréacteur, puis injecté axialement dans les alvéoles 24, entre la plaque de calibrage 37 et le fond des alvéoles. Le cheminement de l’air de refroidissement est schématisé par les flèches 54 sur la .

L’une des particularités de l’invention réside dans la mise en place d’un organe passif souple 60 dans le conduit de circulation d’air 44, de manière à réguler la section de passage d’air de ce dernier en fonction de la vitesse de rotation de la roue de turbine 20. Il s’agit d’une solution passive permettant de réguler le débit d’air de refroidissement dans le conduit 44, en fonction des besoins en refroidissement qui varient selon le régime moteur.

Dans ce mode de réalisation préféré de l’invention, l’organe passif souple prend la forme d’une languette 60, de préférence droite ou sensiblement droite à l’état non-contraint, lorsque la roue mobile 20 est à l’arrêt. Toujours à l’arrêt, la languette 60 adopte une configuration non-contrainte montrée sur les figures 2 et 3, configuration dans laquelle elle est inclinée par rapport à la direction radiale 30a, correspondant à la direction d’extension de l’aube. Dans cette configuration, une première extrémité 62a de la languette 60 est solidaire de la plaque de calibrage 37, et la seconde extrémité opposée 62b est libre à l’intérieur du conduit 44, en étant décalée axialement de la première extrémité 62a d’une distance d’écartement axiale maximale, pouvant aller jusqu’à la largeur totale du conduit 44. La première extrémité 62a correspond à l’extrémité radialement interne de la languette, tandis que la seconde extrémité 62b correspond à l’extrémité radialement externe de cette même languette. En outre, sur les figures, la languette 60 a été représentée en étant inclinée de manière à s’étendre vers l’amont en allant radialement vers l’extérieur, mais elle pourrait alternativement présenter une inclinaison inverse, de manière à s’étendre vers l’aval en allant radialement vers l’extérieur.

Il est noté que la languette 60 et la portion d’admission 46 du conduit 44 présentent des sections transversales de formes complémentaires, par exemple de sorte que les deux chants latéraux opposés de la languette 60 épousent ou affleurent respectivement deux portions opposées de la paroi intérieure du conduit 44.

La première extrémité 62a de la languette 60 est fixée sur la plaque de calibrage 37 par soudage, via une portion de liaison 64 faisant partie intégrante de cette languette. A cet égard, il est noté que la languette 60 peut présenter une souplesse sur toute sa longueur, ou bien sur une partie de celle-ci seulement. Dans le mode qui sera décrit ci-après, il est par exemple prévu que la portion de liaison 64 soit la partie souple de la languette qui permette le fonctionnement qui sera décrit ci-après, le reste de la languette demeurant rigide ou en tout cas plus rigide que la portion de liaison souple 64, de manière à rester droite ou sensiblement droite quels que soient le régime moteur et la vitesse de rotation de la roue 20.

Comme cela est visible sur les figures 2 et 3, la portion de liaison souple 64 se raccorde sur le chant de délimitation du trou 50. Ce trou 50, par lequel transite le flux d’air de refroidissement en provenance de l’alvéole du disque, permet de manière classique d’ajuster le débit maximal d’air qui va ensuite circuler dans le conduit 44. Ce débit pourra ensuite être régulé au cours du fonctionnement du turboréacteur, en fonction du régime moteur, comme cela sera détaillé ci-après. Alternativement, la languette pourrait être rapportée sur le pied d’aube 36, d’une manière identique ou similaire. Néanmoins, la solution de la languette 60 rapportée sur la plaque de calibrage 37 permet une intégration aisée de l’invention sur l’aube, notamment sur les aubes existantes, en opérant un simple changement de la plaque de calibrage.

La seconde extrémité opposée 62b permet quant à elle de définir, en association avec la paroi interne du conduit 44, la section de passage d’air variable de ce conduit. Lorsque la roue mobile 20 est à l’arrêt, et la languette 60 inclinée au maximum par rapport à la direction radiale 30a, cette section de passage 66 est nulle ou faible.

Comme évoqué précédemment, l’invention met à profit la corrélation existante entre la vitesse de rotation de la roue mobile de turbine 20, et les besoins évolutifs en refroidissement des aubes tournantes 34.

En effet, l’augmentation du régime moteur s’accompagne d’une élévation de la vitesse de rotation de la roue 20, et est également lié à une augmentation de la température des gaz dans la veine principale. En raison de cette augmentation de température, le besoin en refroidissement des aubes tournantes 34 s’accroît. L’invention prévoit alors avantageusement que la languette 60 se déforme élastiquement sous l’effet de la force centrifuge résultant de la rotation de la roue de turbine 20, pour laisser passer davantage d’air en vue du refroidissement de l’aube. Alternativement, le déplacement de la languette 60 par effet centrifuge pourrait être obtenu différemment que par déformation élastique de celle-ci, sans sortir du cadre de l’invention.

Lorsque la vitesse de rotation de la roue 20 augmente, la languette 60 passe de la configuration inclinée montrée sur les figures 2 à 4, à une configuration dans laquelle elle se redresse radialement et tend vers un alignement avec la direction radiale 30a, et ce grâce à l’effet centrifuge provoquant une déformation élastique de la portion de liaison 64. La montre une configuration extrême adoptée lorsque la roue de turbine 20 tourne à une vitesse maximale, configuration dans laquelle la languette 60 présente une inclinaison faible par rapport à la direction radiale 30a, voire nulle. La section de passage d’air 66 définie entre la paroi du conduit 44 et la seconde extrémité de languette 62b est augmentée, de sorte qu’un débit d’air supérieur peut circuler dans le conduit 44, de manière à renforcer le refroidissement de l’aube 34.

Ainsi, l’invention est remarquable en ce qu’elle permet, de manière passive, de provoquer une augmentation de la section de passage d’air 66 lorsque la vitesse de rotation de la roue de turbine 20 s’accroît, c’est-à-dire lorsque les besoins en refroidissement de l’aube s’avèrent plus conséquents. Inversement, il est observé une diminution de la section de passage d’air 66 lorsque la vitesse de rotation de la turbine décroît, et que les besoins en refroidissement de l’aube sont inférieurs. Les débits d’air de refroidissement observés se trouvent de ce fait parfaitement adaptés aux différents régimes moteur.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l’homme du métier à l’invention qui vient d’être décrite, uniquement à titre d’exemples non limitatifs et dont la portée est définie par les revendications annexées.

Claims (10)

1. Aube tournante (34) pour turbine de turbomachine d’aéronef qui s’étend selon une direction d’extension (30a) de l’aube entre un pied (36) de l’aube et une tête de l’aube, l’aube comprenant au moins un conduit (44) interne de circulation d’air pour la refroidir, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre un organe passif souple (60) de régulation de la section de passage d’air (66) à travers ledit conduit (44), l’organe passif souple (60) étant configuré pour se déplacer par effet centrifuge, de sorte qu’il entraîne une augmentation de la section de passage d’air (66) lorsque la vitesse de rotation de la turbine s’accroît.
2. Aube selon la revendication 1, caractérisée en ce que l’organe passif souple (60) est une languette inclinée par rapport à la direction d’extension (30a) de l’aube, l’une (62a) des deux extrémités opposées de la languette étant solidaire de l’aube, et l’autre (62b) des deux extrémités étant libre à l’intérieur du conduit (44) de manière à définir la section de passage d’air variable (66) de ce conduit.
3. Aube selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le conduit de circulation d’air (44) comporte, au niveau du pied (36) de l’aube, une portion d’admission (46) pour collecter l’air de refroidissement, l’organe passif souple (60) traversant au moins une partie de la portion d’admission (46) du conduit.
4. Aube selon la revendication 3, caractérisée en ce que l’organe passif souple (60) est fixé sur un pied (36) de l’aube, ou sur une plaque (37) de calibrage de débit d’air de refroidissement, elle-même rapportée sur le pied d’aube (36).
5. Aube selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’organe passif souple (60) est fixé sur l’aube par soudage.
6. Aube selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’organe passif souple (60) est métallique.
7. Aube selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend plusieurs conduits de circulation d’air (44) internes pour la refroidir, un organe passif souple (60) de régulation de la section de passage d’air (66) étant associé à chaque conduit (44).
8. Turbine (7) de turbomachine d’aéronef comprenant au moins une aube tournante (34) selon l’une quelconque des revendications précédentes, la turbine étant de préférence une turbine à étage unique, ou une turbine à plusieurs étages dont le premier étage est équipé desdites aubes tournantes.
9. Turbomachine (1) d’aéronef comprenant au moins une turbine (7) selon la revendication précédente, la turbine étant préférentiellement une turbine haute pression.
10. Plaque (37) de calibrage de débit d’air de refroidissement, destinée à équiper une aube tournante (34) de turbine de turbomachine d’aéronef comprenant au moins un conduit de circulation d’air (44) interne pour refroidir cette aube, la plaque de calibrage comportant un trou (50) pour ajuster le débit d’air maximal destiné à être admis dans le conduit, caractérisée en ce que la plaque de calibrage comprend en outre, associé audit trou (50), un organe passif souple (60) destiné à la régulation de la section de passage d’air (66) à travers ledit conduit (44), l’organe passif souple (60) étant configuré pour se déplacer par effet centrifuge, de sorte qu’il entraîne une augmentation de la section de passage d’air lorsque la vitesse de rotation de la turbine s’accroît.