FR3129426A1 - Turbomachine à régulation passive du débit de ventilation des injecteurs de turbine - Google Patents

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David René Pierre LE CAIR
Guilhem Camille François Verron
Sébastien Serge Francis Congratel
Francesco SALVATORI
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Abstract

Turbomachine à régulation passive du débit de ventilation des injecteurs de turbine Turbomachine d’aéronef comportant une chambre de combustion (12) qui entoure un carter intérieur (32) percé d’une pluralité d’orifices (32A) d’admission d’air de refroidissement débouchant dans un conduit annulaire (22) aboutissant à des injecteurs de turbine, et un nombre déterminé de clapets (38B) venant sélectivement obturer un même nombre déterminé d’orifices d’admission d’air de refroidissement, chacun des clapets étant articulé sur une rotule (36) solidaire d’une extrémité d’un bilame (34) dont l’autre extrémité est fixée à un support (40) sur le carter intérieur de la chambre de combustion, chaque bilame étant constitué de deux matériaux ayant des coefficients de dilatation thermique différents pour permettre, sous l’effet des températures mises en œuvre durant différentes phases de vol de l’aéronef, la déformation de ce bilame et donc l’ouverture ou la fermeture sélective du clapet. Figure pour l’abrégé : Fig. 6.

Description

Turbomachine à régulation passive du débit de ventilation des injecteurs de turbine
La présente invention se rapporte essentiellement au domaine de la ventilation des turbines à haute pression mono-étage de turbomachines d’aéronef. Toutefois, son application à une turbine à haute pression multi-étages ou une turbine à basse pression mono-étage est aussi envisageable.
La illustre un rotor de turbine à haute pression 10 disposé en aval d’une chambre de combustion 12 et qui comporte un disque de turbine 14 équipé d’aubes 16 et un flasque 18 disposé en amont du disque. Le flasque présente des trous de ventilation18A par lequel un débit d’air de refroidissement A prélevé en fond de chambre et ayant circulé dans un conduit annulaire 20 est mis en rotation par des injecteurs 22 afin d’abaisser la température de l’air. Le débit d’air de refroidissement A sortant des injecteurs 22 et émergeant dans une enceinte 24 est séparé en un premier débit d’air de refroidissement A1 traversant le flasque 18 vers une cavité 26 et ensuite dirigé radialement vers l’extérieur pour pénétrer dans les pieds des aubes 16 afin de les refroidir et un second débit d’air de refroidissement A2 ne traversant pas le flasque 18 mais évacué radialement vers l’extérieur via un labyrinthe d’étanchéité 28 (typiquement un massif labyrinthe à trois léchettes ou un labyrinthe du type décrit dans la demande FR2841591) pour finir dans une cavité de purge amont 30 du rotor de turbine 10.
En temps normal, l’air de refroidissement des aubes à haute pression et de purge est prélevé au niveau du compresseur. Ce compresseur fournit du travail à l’air afin d’en augmenter la pression. Or, cet air de refroidissement est réinjecté derrière les turbines. Il n’est donc pas générateur de travail et donc diminue le rendement de la turbomachine.
En outre, il passe au niveau des injecteurs dont l’objectif est de mettre en rotation l’air afin de mieux faire la répartition entre d’un côté le refroidissement des aubes qui permet de rester en-dessous des limites de fonctionnement des matériaux et de l’autre la purge qui limite les réintroductions d’air de veine au niveau des circuits hors-veine. Les circuits d’air de veine sont faits avec des pièces dont les matériaux ne tiennent pas aux températures d’air de veine, c’est pourquoi il est important d’avoir un débit suffisant de purge (air froid) pour éviter les réintroductions.
De plus, actuellement, le débit de refroidissement (en %W25) est pratiquement constant et dimensionné sur les points de vol les plus chauds (par exemple correspondant à la phase de décollage) afin d’assurer la tenue des pièces soumises alors à de fortes températures. Or, les points de vol à fort poids sur la consommation moteur (pendant la phase de croisière par exemple) sont souvent moins chauds, de sorte que les pièces nécessitent alors moins de débit de refroidissement.
Il existe donc un besoin pour un système, actif ou passif, permettant en fonction du point de vol d’augmenter le débit de refroidissement sur les points chauds afin d’augmenter la durée de vie des pièces refroidies, par exemple une aube de turbine, et de diminuer ce débit sur les points froids pour conserver la fonction génératrice de poussée de l’air de veine améliorant le rendement du moteur.
La présente invention a donc pour but principal d’améliorer le rendement des turbines à haute pression en réduisant le débit de refroidissement des aubes de turbines lorsque cela est possible sans risquer d’endommager les pièces de la turbine. Un autre but est d’éviter une perte supplémentaire de rendement en adaptant le débit de purge afin d’éviter son augmentation résultant de la diminution du débit de refroidissement.
Ces buts sont atteints par une turbomachine d’aéronef comportant une chambre de combustion qui entoure un carter intérieur, le carter intérieur étant percé d’une pluralité d’orifices d’admission d’air de refroidissement débouchant dans un conduit annulaire aboutissant à des injecteurs de turbine, caractérisée en ce qu’elle comporte en outre un nombre déterminé de clapets venant sélectivement obturer un même nombre déterminé d’orifices d’admission d’air de refroidissement, chacun des clapets étant articulé sur une rotule solidaire d’une extrémité d’un bilame dont l’autre extrémité est fixée à un support sur le carter intérieur de la chambre de combustion, chaque bilame étant constitué de deux matériaux ayant des coefficients de dilatation thermique différents pour permettre, sous l’effet des températures mises en œuvre durant différentes phases de vol de l’aéronef, la déformation de ce bilame et donc l’ouverture ou la fermeture sélective du clapet.
Ainsi, avec un bilame venant ouvrir ou fermer des ouvertures en nombre prédéterminé alimentant les injecteurs de turbine, l’invention propose un système passif plutôt simple et robuste permettant de réguler en sortie de ces injecteurs à la fois le débit de purge et le débit de refroidissement du rotor de turbine.
De préférence, pour améliorer l’étanchéité du clapet à la fermeture, elle comporte autour de l’orifice d’admission d’air de refroidissement, au niveau d’une zone de contact entre le clapet et le carter intérieur, des chicanes ou un joint d’étanchéité qui est avantageusement du type à tresse, à brosse ou en un polymère.
De préférence, chaque bilame est en liaison avec un unique clapet correspondant à actionner, chaque bilame s’étendant en saillie à partir d’une couronne. Chaque bilame a avantageusement une épaisseur inférieure à 1 mm.
De préférence, le nombre déterminé de clapets est inférieur au nombre d’orifices d’admission d’air de refroidissement.
De préférence, les deux matériaux de chaque bilame sont déterminés pour permettre une pleine ouverture du clapet en phase de décollage et une pleine fermeture du clapet en phase de croisière.
La turbomachine comporte en outre avantageusement un moyen de chauffage électrique configuré pour chauffer par effet Joule au moins un bilame de sorte à contrôler la déformation du bilame et ainsi agir sur le temps d’ouverture du clapet.
Cette adjonction permet de transformer simplement le système passif en un système actif de régulation de débit gérant la section en amont des injecteurs de turbine et prenant en compte le vieillissement du moteur. Notamment, avec ce système actif, il est possible d’agir sur le temps d’ouverture des clapets (ouvrir un clapet plus une seconde etc. jusqu’à ouvrir tous les clapets disponibles si nécessaire) au fur et à mesure des dégradations moteurs et donc des augmentations de températures de veine. Cela peut ainsi permettre une gestion des débits de purge et de refroidissement tout au long de la vie du moteur de l’aéronef.
Avantageusement, le clapet et les orifices d’admission d’air de refroidissement sont circulaires.
De préférence, la turbine est une turbine haute pression mono-étage ou multi-étage ou une turbine basse pression mono-étage.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur les lesquels :
la est une vue partielle d’une turbomachine d’aviation montrant un rotor de turbine à haute pression disposé en aval d’une chambre de combustion,
la montre dans une position de fermeture un premier exemple d’un système de bilames conforme à l’invention,
la montre dans une position d’ouverture un premier exemple d’un système de bilames conforme à l’invention,
la montre en vue de dessus et en position fermée le système de bilames de la ,
la montre en vue de dessus et en position fermée un autre exemple de système de bilames conforme à l’invention,
la montre dans une position de fermeture une variante du premier exemple d’un système de bilames conforme à l’invention, et
la montre dans une position de fermeture une autre variante du premier exemple d’un système de bilames conforme à l’invention.

Claims (10)

  1. Turbomachine d’aéronef comportant une chambre de combustion (12) qui entoure un carter intérieur (32), le carter intérieur (32) étant percé d’une pluralité d’orifices d’admission d’air de refroidissement (32A) débouchant dans un conduit annulaire (22) aboutissant à des injecteurs de turbine (26), caractérisée en ce qu’elle comporte en outre un nombre déterminé de clapets (38) venant sélectivement obturer un même nombre déterminé d’orifices d’admission d’air de refroidissement, chacun des clapets (38) étant articulé sur une rotule (36) solidaire d’une extrémité d’un bilame (34, 42) dont l’autre extrémité est fixée à un support (40) sur le carter intérieur de la chambre de combustion, chaque bilame (34, 42) étant constitué de deux matériaux ayant des coefficients de dilatation thermique différents pour permettre, sous l’effet des températures mises en œuvre durant différentes phases de vol de l’aéronef, la déformation de ce bilame (34, 42) et donc l’ouverture ou la fermeture sélective du clapet (38).
  2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que, pour améliorer l’étanchéité du clapet (38) à la fermeture, elle comporte autour de l’orifice d’admission d’air de refroidissement (32A), au niveau d’une zone de contact entre le clapet (38A, 38B) et le carter intérieur (32), des chicanes (44) ou un joint d’étanchéité (46).
  3. Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce que le joint d’étanchéité (46) est du type à tresse, à brosse ou en un polymère.
  4. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque bilame (34, 42) est en liaison avec un unique clapet (38 correspondant à actionner, chaque bilame (34, 42) s’étendant en saillie à partir d’une couronne (42, 42A, 42B).
  5. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le nombre déterminé de clapets (38) est inférieur au nombre d’orifices d’admission d’air de refroidissement (32A).
  6. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les deux matériaux de chaque bilame (34, 42) sont déterminés pour permettre une pleine ouverture du clapet (38) en phase de décollage et une pleine fermeture du clapet (38) en phase de croisière.
  7. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chaque bilame (34, 42) a une épaisseur inférieure à 1 mm.
  8. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu’elle comporte en outre un moyen de chauffage électrique configuré pour chauffer par effet Joule au moins un bilame (34, 42) de sorte à contrôler la déformation du bilame (34, 42) et ainsi agir sur le temps d’ouverture du clapet (38).
  9. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le clapet et les orifices d’admission d’air de refroidissement sont circulaires.
  10. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la turbine est une turbine haute pression mono-étage ou multi-étage ou une turbine basse pression mono-étage.
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