FR3128971A1 - Turbomachine d'aéronef et procédé associé - Google Patents

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Yohan Smith
Pascal Nicolas BONNEAU Guillaume
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Abstract

TURBOMACHINE D'AÉRONEF ET PROCÉDÉ ASSOCIÉ Un aspect de l’invention concerne une turbomachine d'aéronef comprenant : un étage de compression (3, 4) configuré pour produire de l'air frais ;un circuit de génération de gaz (20) configuré pour chauffer l'air frais et produire du gaz à partir de l'air chauffé ;un distributeur (7), comprenant un circuit d'échappement du gaz et un circuit de refroidissement ; la turbomachine (1) étant remarquable en ce qu'elle comprend également un circuit de distribution d'air frais (21), séparé du circuit de génération de gaz (20), alimenté en air frais par l'étage de compression (4) et alimentant en air frais le circuit de refroidissement. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 3

Description

TURBOMACHINE D'AÉRONEF ET PROCÉDÉ ASSOCIÉ
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
Le domaine technique de l’invention est celui des turbomachines d'aéronef et plus particulièrement des turbomachines à cycle récupéré, c'est à dire comprenant un système de chauffage de l'air mis en œuvre en tant que comburant lors de la production de gaz.
La présente invention concerne également un procédé d'assemblage d'une turbomachine d'aéronef et plus particulièrement à cycle récupéré.
ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Une turbomachine d'aéronef permet de fournir une énergie mécanique et/ou cinétique à un aéronef. Une sous-catégorie des turbomachines comprend les turbomoteurs dont l'énergie mécanique produite entraîne un arbre de sortie. Un turbomoteur est avantageusement mis en œuvre dans un hélicoptère, l'arbre de sortie du turbomoteur étant par exemple couplé au système d'entrainement de pales de l'hélicoptère, permettant ainsi leur mise en rotation.
La montre un schéma de turbomachine 1' d'aéronef selon l'art antérieur et plus particulièrement d'un turbomoteur. La turbomachine 1' comprend un étage de compression 2, 3 configuré pour fournir de l'air comprimé à une chambre de combustion 6'. La chambre de combustion 6' produit, à partir de l'air comprimé, une grande quantité de gaz. Le gaz est ensuite détendu dans un étage de détente 7, 8, 10, 11 et éjecté de la turbomachine par une tuyère 11. L'énergie mécanique de la turbomachine 1' est en partie récupérée lors de la détente du gaz. Lors de sa détente, il entraîne une turbine libre 10, elle-même liée à un système d'entraînement 12, 13 d'un arbre de sortie 14 ou d’un train d’engrenages d'un boitier de relais d’accessoires 15. L'arbre de sortie 14 est destiné à fournir une part substantielle de l'énergie mécanique de la turbomachine 1', par exemple pour entraîner les pales d'un hélicoptère. Le boitier de relais d’accessoires 15 est destiné à entraîner des équipements comme par exemple un système hydraulique ou un générateur électrique.
L'étage de compression de la turbomachine 1' tel qu'illustré par la comprend un premier compresseur 2 dit "compresseur basse pression", alimenté en air ambiant et configuré pour comprimer une première fois l'air. L'étage de compression peut également comprendre un deuxième compresseur 3, dit "compresseur haute pression", alimenté en air par le compresseur basse pression 2 et configuré pour comprimer davantage l'air. Malgré l'augmentation inhérente de la température de l'air lors de ses compressions successives à chaque étage d’un compresseur, cette température est encore considérée comme basse au vu des températures en jeu lors de la génération de gaz. L'air comprimé produit par le compresseur haute pression est alors appelé "air frais".
L'air frais produit par l'étage de compression est injecté directement dans la chambre de combustion 6', afin d'être utilisé comme comburant lors de la production de gaz. On parle dans ce cas de turbomachines à cycle classique.
Les turbomachines à cycle classique ne présentent pas le meilleur rendement énergétique, notamment à cause de la différence de température entre l'air frais et le gaz produit par la chambre de combustion. Le rendement énergétique est amélioré en réduisant la différence de température, par exemple en chauffant l'air frais avant son injection dans la chambre de combustion. Une solution technique mise en œuvre dans les turbomachines dites "à cycle récupéré" consiste à récupérer une partie de la chaleur du gaz éjecté pour chauffer l'air frais au moyen d'un échangeur de chaleur. L'air injecté dans la chambre de combustion est ainsi plus chaud, ce qui améliore le rendement de la turbomachine.
Toutefois, les turbomachines à cycle récupéré posent de nouveaux problèmes. En effet, une partie de l'air injecté dans la chambre de combustion n'est pas employée à la génération de gaz mais est employée au refroidissement des pièces situées en aval de la génération de gaz. Il s'agit par exemple d'un distributeur à aubage fixe, destiné à accélérer et orienter le gaz avant qu'il n'atteigne une roue de turbine. Ou encore un anneau de turbine, dont la dilatation crée une fuite de gaz et réduit la conversion d'énergie mécanique obtenue de la détente du gaz.
Dans une turbomachine à cycle classique, l'air frais constitue une source froide pertinente pour refroidir lesdites pièces. En revanche, dans une turbomachine à cycle récupéré, l'air injecté est trop chaud et peut conduire à une dégradation de la durée de vie du distributeur et/ou de l’anneau de turbine ainsi qu’une perte de performance non négligeable de la turbomachine.
Il existe donc un besoin d'améliorer le refroidissement des composants d'une turbomachine à cycle récupéré situés en aval de la génération de gaz.
L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en permettant de ségréguer l'air servant de source froide et l’air servant de comburant avant que ce dernier ne soit chauffé.
Pour cela, l'invention concerne une turbomachine d'aéronef comprenant :
  • un compresseur, configuré pour produire de l'air comprimé dit "air frais" ;
  • un diffuseur, alimenté en air frais par le compresseur ;
  • un circuit de génération de gaz, comprenant :
    • un échangeur de chaleur, configuré pour produire de l'air chaud à partir d'air frais et alimenté en air frais par le diffuseur ;
    • une chambre de combustion, configurée pour produire du gaz à partir d'air chaud et alimentée en air chaud par l'échangeur de chaleur ; et
un distributeur, comprenant :
  • un circuit d'échappement, alimenté en gaz par le circuit de génération de gaz ; et
  • un circuit de refroidissement dit "premier circuit de refroidissement" ;
La turbomachine est remarquable en ce qu'elle comprend également un circuit de distribution d'air frais, séparé du circuit de génération de gaz et alimenté en air frais par le diffuseur et en ce que le circuit de distribution d'air frais alimente en air frais le premier circuit de refroidissement.
La turbomachine, comprenant un échangeur de chaleur, permet de chauffer l'air à injecter dans la chambre de combustion et améliorer ainsi le rendement énergique de la turbomachine.
Grâce au circuit de distribution, de l'air frais est acheminé jusqu'au distributeur de manière à le refroidir. Le circuit de distribution étant séparé du circuit de génération de gaz, aucun gaz ou air chaud ne pénètre dans le premier circuit de refroidissement, permettant d'obtenir un refroidissement du distributeur au moins équivalent à celui d'une turbomachine à cycle classique.
Selon une variante de l'invention, le circuit de distribution d'air frais comprend :
  • une première partie dite "premier sous-circuit de distribution", alimentée en air frais par le diffuseur et alimentant en air frais le premier circuit de refroidissement ; et
  • une deuxième partie dite "deuxième sous-circuit de distribution", disposée dans la continuité du premier sous-circuit de distribution et alimentée en air frais par le premier circuit de refroidissement.
Le premier sous-circuit de distribution est avantageusement séparé du circuit de génération de gaz par une première paroi. Le deuxième sous-circuit de distribution est également avantageusement séparé du circuit de génération de gaz par une deuxième paroi.
La turbomachine selon l'invention peut en outre comprendre une turbine, ladite turbine comprenant :
  • une roue de turbine ; et
  • un anneau de turbine, entourant la périphérie de la roue de turbine et comprenant un circuit de refroidissement dit "deuxième circuit de refroidissement".
Le deuxième circuit de refroidissement est alors avantageusement alimenté par le circuit de distribution d'air frais et préférentiellement par le deuxième sous-circuit de distribution.
La turbomachine selon l'invention comprend également un axe de rotation principal. Le circuit de distribution d'air frais présente alors avantageusement une forme annulaire s'étendant autour de l'axe de rotation principal.
Selon un autre variante de l'invention, la chambre de combustion est inversée.
Un autre aspect de l'invention concerne également un procédé de fabrication d'une turbomachine d'aéronef, comprenant la mise en place d'une première paroi de séparation séparant le premier sous-circuit de distribution du circuit de génération de gaz, et d'une deuxième paroi de séparation séparant le deuxième sous-circuit de distribution du circuit de génération de gaz.
Le procédé permet ainsi de fabriquer une turbomachine à cycle récupéré montrant des performances de refroidissement au moins équivalent à une turbomachine à cycle classique.
L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.
, déjà décrite, représente une turbomachine à cycle classique selon l'art antérieur.
représente schématiquement une turbomachine selon l'invention.
représente, selon une première coupe, des écoulements d'air frais, d'air chaud et de gaz dans un mode de réalisation de la turbomachine.
représente structurellement, selon la première coupe, la turbomachine de la .
représente, selon une perspective, un distributeur de la turbomachine de la .
représente un détail de la turbomachine de la .

Claims (8)

  1. Turbomachine (1) d'aéronef comprenant :
    • un compresseur (3), configuré pour produire de l'air comprimé dit "air frais" ;
    • un diffuseur (4), alimenté en air frais par le compresseur (3) ;
    • un circuit de génération de gaz (20), comprenant :
      • un échangeur de chaleur (16), configuré pour produire de l'air chaud à partir d'air frais et alimenté en air frais par le diffuseur (4) ;
      • une chambre de combustion (6), configurée pour produire du gaz à partir d'air chaud et alimentée en air chaud par l'échangeur de chaleur (16) ;
    • un distributeur (7), comprenant :
      • un circuit d'échappement (72), alimenté en gaz par le circuit de génération de gaz (20) ; et
      • un circuit de refroidissement (73) dit "premier circuit de refroidissement" ;
    la turbomachine (1) étant caractérisée en ce qu'elle comprend également un circuit de distribution d'air frais (21), séparé du circuit de génération de gaz (20) et alimenté en air frais par le diffuseur (4) et en ce que le circuit de distribution d'air frais (21) alimente en air frais le premier circuit de refroidissement (73).
  2. Turbomachine (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le circuit de distribution d'air frais (21) comprend :
    • une première partie (18) dite "premier sous-circuit de distribution", alimentée en air frais par le diffuseur (4) et alimentant en air frais le premier circuit de refroidissement (73) ; et
    • une deuxième partie (19) dite "deuxième sous-circuit de distribution", disposée dans la continuité du premier sous-circuit de distribution (18) et alimentée en air frais par le premier circuit de refroidissement (73).
  3. Turbomachine (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le premier sous-circuit de distribution (18) est séparé du circuit de génération de gaz (20) par une première paroi de séparation (181) et en que le deuxième sous-circuit de distribution (19) est séparé du circuit de génération de gaz (20) par une deuxième paroi de séparation (191).
  4. Turbomachine (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine (8, 17) comprenant :
    • une roue de turbine (8) ; et
    • un anneau de turbine (17), entourant la périphérie de la roue de turbine (8) et comprenant un circuit de refroidissement (171) dit "deuxième circuit de refroidissement" ;
    le deuxième circuit de refroidissement (171) étant alimenté par le circuit de distribution d'air frais (21).
  5. Turbomachine (1) selon la revendication précédente et l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce que le deuxième circuit de refroidissement (171) est alimenté par le deuxième sous-circuit de distribution d'air frais (19).
  6. Turbomachine (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un axe de rotation principal (A), le circuit de distribution (21) d'air frais présentant une forme annulaire s'étendant autour de l'axe de rotation principal (A).
  7. Turbomachine (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la chambre de combustion (6) est inversée.
  8. Procédé de fabrication d'une turbomachine (1) d'aéronef, comprenant la mise en place d'une première paroi de séparation (181) séparant le premier sous-circuit de distribution (18) du circuit de génération de gaz (20), et d'une deuxième paroi de séparation (191) séparant le deuxième sous-circuit de distribution (19) du circuit de génération de gaz (20).
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