FR3134146A1 - Turbomachine à chambre de combustion à gain de pression - Google Patents

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Abstract

Turbomachine comprenant une veine principale (I) comportant un compresseur principal (4), une chambre de combustion (5) à gain de pression, une turbine principale (6), comportant des aubages, et un circuit de refroidissement (20), comportant un point de prélèvement (21) afin de prélever une portion du fluide de travail destinée à former un fluide de refroidissement, et un réseau de distribution (22) configuré pour distribuer le fluide de refroidissement au niveau des aubages de la turbine principale (6) afin de les refroidir, dans laquelle le circuit de refroidissement (20) comprend un compresseur auxiliaire (24), prévu entre le point de prélèvement (21) et le réseau de distribution (22), et dans laquelle le circuit de refroidissement (20) comprend au moins un échangeur (23, 25) configuré pour refroidir le fluide de refroidissement en amont du réseau de distribution (22). Fig. 2.

Description

Turbomachine à chambre de combustion à gain de pression
Le présent exposé concerne une turbomachine comprenant une chambre de combustion à gain de pression. Une telle turbomachine peut-être de tout type et peut notamment servir à la propulsion d’un aéronef.
Dans le domaine de l’aéronautique, de nouvelles architectures moteur sont en permanence étudiées afin d’augmenter toujours plus les performances des moteurs tout en limitant leur consommation, leur masse et leur impact environnemental.
Parmi les architectures envisagées figurent les architectures comprenant une chambre de combustion à gain de pression. En effet, dans une turbomachine conventionnelle, la chambre de combustion permet de générer une grande quantité de gaz brulés et d’augmenter très fortement la température du fluide de travail sans toutefois augmenter sa pression. A l’inverse, dans une telle chambre de combustion à gain de pression, la pression du fluide de travail est augmentée.
Une telle augmentation de pression est avantageuse car elle permet d’augmenter le rendement de la turbomachine. Toutefois, elle présente également des inconvénients, rendant en particulier plus difficile le refroidissement des aubages de la turbine. En effet, dans une turbine conventionnelle, les aubages sont refroidis par un circuit de refroidissement prélevant de l’air « froid » (au sens relatif, c’est-à-dire plus froid par rapport à la température régnant dans la turbine) en sortie du compresseur, donc avant qu’il ne soit chauffé dans la chambre de combustion. Or, si la chambre de combustion de ces nouvelles architectures augmente la pression du fluide de travail, la pression régnant dans la turbine devient supérieure à celle de l’air de refroidissement prélevé en amont de la chambre de combustion, ce qui empêche ce dernier de parvenir jusqu’à la turbine et d’y être injecté, l’air de refroidissement circulant dans les canaux de la turbomachine grâce à la différence de pression entre le point de prélèvement et le point d’injection.
Il existe donc un réel besoin pour une turbomachine du type à chambre de combustion à gain de pression qui soit dépourvue, au moins en partie, des inconvénients inhérents à la configuration connue précitée.
Le présent exposé concerne une turbomachine, comprenant
une veine principale, configurée pour être parcourue par un fluide de travail, comportant
- un compresseur principal,
- une chambre de combustion, prévue en aval du compresseur principal, et
- une turbine principale, comportant des aubages, prévue en aval de la chambre de combustion, et
un circuit de refroidissement, comportant
- un point de prélèvement afin de prélever une portion du fluide de travail destinée à former un fluide de refroidissement, et
- un réseau de distribution configuré pour distribuer le fluide de refroidissement au niveau des aubages de la turbine principale afin de les refroidir,
dans laquelle la chambre de combustion est une chambre de combustion à gain de pression configurée pour augmenter la température et la pression du fluide de travail,
dans laquelle le circuit de refroidissement comprend un compresseur auxiliaire, prévu entre le point de prélèvement et le réseau de distribution, configuré pour augmenter la pression du fluide de refroidissement, et
dans laquelle le circuit de refroidissement comprend au moins un échangeur configuré pour refroidir le fluide de refroidissement en amont du réseau de distribution.
Grâce à ce compresseur auxiliaire, il est possible d’augmenter la pression du fluide de refroidissement afin que ce dernier puisse atteindre la turbine principale et refroidir cette dernière malgré le gain de pression apporté par la chambre de combustion.
Toutefois, un tel compresseur auxiliaire augmente nécessairement la température du fluide de refroidissement en même temps qu’il augmente sa pression, ce qui réduit son efficacité pour refroidir la turbine.
Une première option imaginée par les inventeurs pour compenser cette augmentation de la température du fluide de refroidissement était d’augmenter le débit du fluide de refroidissement prélevé. Néanmoins, les inventeurs ont déterminé qu’une telle augmentation du débit nécessiterait une forte augmentation de la puissance de compression, réduisant ainsi fortement l’intérêt de la solution puisque l’augmentation de la puissance de compression vient nécessairement réduire d’autant la puissance utile générée par la turbomachine.
Une deuxième option imaginée par les inventeurs, et retenue dans le présent exposé, est de mettre en place un ou plusieurs échangeurs au sein du circuit de refroidissement afin de refroidir le fluide de refroidissement et, ainsi, compenser au moins en partie l’augmentation de température entrainée par le compresseur auxiliaire.
En fonction de la source froide utilisée, il est même possible de refroidir le fluide de refroidissement en-deçà de sa température de prélèvement, ce qui permet de réduire son débit et donc la puissance nécessaire à sa compression.
Il est ainsi possible de doter la turbine d’une turbomachine à chambre de combustion à gain de pression d’un système de refroidissement efficace et économe, ce qui lève un verrou technologique majeur de cette nouvelle architecture moteur.
Dans certains modes de réalisation, le point de prélèvement est prévu entre le compresseur principal et la chambre de combustion. Toutefois, en remplacement ou en complément, la veine principale peut comprendre un ou plusieurs points de prélèvement au niveau du compresseur principal.
Dans certains modes de réalisation, le compresseur principal est le module tournant le plus proche de la chambre de combustion sur son côté amont. Autrement dit, aucun autre module tournant n’est prévu entre le compresseur principal et la chambre de combustion. Cela n’interdit pas toutefois que la veine principale de la turbomachine comprenne un ou plusieurs compresseurs supplémentaires : par exemple, la turbomachine peut comprendre un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, auquel cas le compresseur principal est le compresseur haute pression.
Dans certains modes de réalisation, le compresseur principal est configuré de sorte que la pression du fluide de travail en sortie du compresseur principal soit comprise entre 0,15 et 5,0 MPa, de préférence comprise entre 0,8 et 2,0 MPa.
Dans certains modes de réalisation, le compresseur principal est configuré de sorte que la température du fluide de travail en sortie du compresseur principal soit comprise entre 150 et 1000°C, de préférence comprise entre 500 et 800°C.
Dans certains modes de réalisation, la chambre de combustion est configurée pour augmenter la pression du fluide de travail d’au moins 5%, de préférence d’au moins 20%. De préférence, cette augmentation de pression est inférieure à 50%.
Dans certains modes de réalisation, la chambre de combustion est configurée de sorte que la température du fluide de travail en sortie de la chambre de combustion soit supérieure à 1000°C, de préférence supérieure à 1200°C.
Dans certains modes de réalisation, la chambre de combustion est configurée pour être alimentée par du kérosène ou de l’hydrogène.
Dans certains modes de réalisation, la turbine principale est le module tournant le plus proche de la chambre de combustion sur son côté aval. Autrement dit, aucun autre module tournant n’est prévu entre la chambre de combustion et la turbine principale. Cela n’interdit pas toutefois que la veine principale de la turbomachine comprenne une ou plusieurs turbines supplémentaires : par exemple, la turbomachine peut comprendre une turbine haute pression et une turbine basse pression, auquel cas la turbine principale est la turbine haute pression.
Dans certains modes de réalisation, la turbine principale entraîne le compresseur principal en rotation.
Dans certains modes de réalisation, la turbine principale comprend un ou plusieurs étages d’aubes mobiles et un ou plusieurs étages d’aubes fixes. Ces aubes peuvent notamment être réalisées en céramique.
Dans certains modes de réalisation, le compresseur auxiliaire est configuré pour augmenter la pression du fluide de refroidissement d’au moins 8%, de préférence d’au moins 10%.
Dans certains modes de réalisation, le compresseur auxiliaire est configuré pour augmenter la pression du fluide de refroidissement de manière à atteindre une pression au moins 3% plus importante, de préférence au moins 5% plus importante, que la pression en sortie de la chambre de combustion. On facilite ainsi l’écoulement du fluide de refroidissement jusque dans la turbine principale, y compris en cas de surpression locale au sein de la turbine principale.
Dans certains modes de réalisation, le compresseur auxiliaire est configuré pour augmenter la pression du fluide de refroidissement de manière à atteindre une pression au plus 8% plus importante, de préférence au plus 5% plus importante, que la pression en sortie de la chambre de combustion. En effet, une compression trop importante augmente inutilement la puissance de compression requise, ce qui réduit le rendement de la turbomachine.
Dans certains modes de réalisation, le compresseur auxiliaire est configuré pour augmenter la température du fluide de refroidissement d’au moins 100°C, voire même d’au moins 150°C.
Dans certains modes de réalisation, le circuit de refroidissement est configuré de sorte que le débit du fluide de refroidissement soit compris entre 1% et 10%, de préférence compris entre 1% et 8% du débit du fluide de travail au niveau du point de prélèvement. De telles plages représentent de bon compromis entre efficacité du refroidissement et rendement de la turbomachine, le débit de prélèvement le plus faible possible étant visé.
Dans certains modes de réalisation, le circuit de refroidissement débouche dans la veine principale au niveau des aubages de la turbine principale.
Dans certains modes de réalisation, le réseau de distribution comprend des canaux de refroidissement prévus à l’intérieur des aubages de la turbine principale et des orifices de refroidissement prévus en surface des aubages de la turbine principale et alimentés par lesdits canaux de refroidissement.
Dans certains modes de réalisation, le réseau de distribution parcourt au moins certaines aubes mobiles et au moins certaines aubes fixes de la turbine principale. Ainsi, de préférence, au moins les premières aubes de la turbine principale sont refroidies de la sorte car ce sont celles exposées aux températures les plus élevées. Toutefois, toutes les aubes de la turbine principale peuvent être refroidies de la sorte.
Dans certains modes de réalisation, le circuit de refroidissement comprend au moins un échangeur en amont du compresseur auxiliaire et/ou au moins un échangeur en aval du compresseur auxiliaire. En particulier, il est possible d’obtenir un refroidissement plus important en disposant un premier échangeur en amont du compresseur auxiliaire et un deuxième échangeur en aval du compresseur auxiliaire.
Dans certains modes de réalisation, au moins un échangeur est configuré pour entrer en contact avec un flux de carburant destiné à la chambre de combustion principale. Cette configuration est d’autant plus avantageuse qu’elle permet de réchauffer le carburant avant son introduction dans la chambre de combustion, ce qui facilite son inflammation. De plus, certains carburants, comme l’hydrogène, sont stockés à basse température et constituent donc des sources froides particulièrement efficaces pour refroidir le fluide de refroidissement. Le cas de l’hydrogène est tout particulièrement avantageux car un tel échangeur permet également d’assurer le réchauffage de l’hydrogène qui devrait sans cela être assuré par d’autres moyens.
Dans certains modes de réalisation, la turbomachine comprend un circuit d’alimentation en carburant reliant une source de carburant à la chambre de combustion principale, le circuit d’alimentation passant par ledit au moins un échangeur. Cette source de carburant peut être un réservoir de carburant ou bien une entrée de carburant provenant de l’aéronef par exemple.
Dans certains modes de réalisation, la source de carburant est configurée pour fournir du carburant à une température inférieure à 30°C, de préférence inférieure à 0°C. Cette température peut notamment correspondre à la température de stockage du carburant, notamment lorsque le carburant est de l’hydrogène.
Dans certains modes de réalisation, au moins un échangeur est configuré pour entrer en contact avec au moins une portion du fluide de travail en amont de la chambre de combustion principale. Le fluide de travail est ainsi favorablement réchauffé avant son entrée dans la chambre de combustion.
Dans certains modes de réalisation, cet échangeur est prévu le long du circuit de refroidissement en aval du compresseur auxiliaire. C’est en effet ici que le fluide de refroidissement est le plus chaud et donc que son écart de température avec le fluide de travail est le plus important.
Dans certains modes de réalisation, cet échangeur est prévu le long de la veine principale en aval du compresseur principal. L’échangeur reste ainsi une zone à proximité du point de prélèvement, ce qui assure une certaine compacité au circuit de refroidissement.
Dans certains modes de réalisation, au moins un échangeur est configuré pour entrer en contact avec un flux d’air froid, la température de ce flux d’air froid étant inférieure à 50°C.
Dans certains modes de réalisation, la turbomachine comprend en outre une veine secondaire, distincte de la veine principale et concentrique à cette dernière, et une soufflante configurée pour accélérer un flux d’air secondaire dans la deuxième veine. La turbomachine est ainsi du type turboréacteur à double flux.
Dans certains modes de réalisation, au moins un échangeur est configuré pour entrer en contact avec au moins une portion du flux d’air secondaire. La température de la veine secondaire est en effet inférieure à celle de la veine principale, même en amont de la chambre de combustion, ce qui permet de refroidir d’autant plus le fluide de refroidissement. De plus, le réchauffage de la veine secondaire n’impacte pas les performances de la turbomachine.
Dans certains modes de réalisation, au moins un échangeur est configuré pour entrer en contact avec un flux d’air extérieur à la turbomachine. Cet air extérieur est en effet beaucoup plus froid que celui de la veine principale, ce qui permet de refroidir d’autant plus le fluide de refroidissement. De plus, cette configuration n’impacte pas non plus les performances de la turbomachine. En particulier, l’échangeur peut être disposé de manière à avaler une partie de la couche limite longeant le carter extérieur de la turbomachine.
Dans certains modes de réalisation, au moins un échangeur est configuré pour entrer en contact avec un flux de lubrifiant destiné à lubrifier la turbomachine.
Dans certains modes de réalisation, le fluide de travail est de l’air.
Le présent exposé concerne également un aéronef, comprenant une turbomachine selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.
Dans certains modes de réalisation, l’aéronef comprend un réservoir de carburant, de préférence d’hydrogène, maintenu à une température inférieure à -250°C, au moins un échangeur du circuit de refroidissement étant configuré pour entrer en contact avec du carburant issu de ce réservoir de carburant.
Dans le présent exposé, les termes « axial », « radial », « tangentiel », « intérieur », « extérieur » et leurs dérivés sont définis par rapport à l’axe principal de la turbomachine ; on entend par « plan axial » un plan passant par l’axe principal de la turbomachine et par « plan radial » un plan perpendiculaire à cet axe principal ; enfin, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation du fluide considéré dans la turbomachine.
Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation de la turbomachine et de l’aéronef proposés. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.
Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé.
Sur ces dessins, d’une figure à l’autre, des éléments (ou parties d’élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence. En outre, des éléments (ou parties d'élément) appartenant à des exemples de réalisation différents mais ayant une fonction analogue sont repérés sur les figures par des références numériques incrémentées de 100, 200, etc.
La est un plan en coupe axiale d’un premier exemple de turbomachine selon le présent exposé.
La est un schéma fonctionnel du corps haute pression de la turbomachine de la .
La est un schéma fonctionnel du corps haute pression d’un deuxième exemple de turbomachine.
La est un schéma fonctionnel du corps haute pression d’un troisième exemple de turbomachine.
La est un plan en coupe axiale d’un quatrième exemple de turbomachine selon le présent exposé.
La est un plan en coupe axiale d’un cinquième exemple de turbomachine selon le présent exposé.
La est une vue schématique d’un aéronef équipé d’une turbomachine selon l’exposé.
Afin de rendre plus concret l’exposé, des exemples de turbomachines sont décrits en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à ces exemples.
La représente, en coupe selon un plan vertical passant par son axe principal A, un turboréacteur à double flux 1 selon l’exposé. Il comporte, d’amont en aval selon la circulation du flux d’air, une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6 et une turbine basse pression 7.
Il comprend une veine principale I, également appelée veine primaire, et une veine secondaire II, s’étendant concentriquement autour de la veine principale I. La soufflante 2 permet d’accélérer l’air entrant dans la turbomachine 1 et de l’entraîner à la fois dans la veine principale I et dans la veine secondaire II. Le compresseur basse pression 3, le compression haute pression 4, la chambre de combustion 5, la turbine haute pression 6 et la turbine basse pression 7 sont tous prévus le long de la veine principale I ; la veine secondaire II est pour sa part dépourvue de tout module tournant en aval de la soufflante 2.
La illustre plus précisément le corps haute pression 10 de la turbomachine 1. Ce corps haute pression 10 comprend le compresseur haute pression 4, jouant le rôle de compresseur principal au sens du présent exposé, la chambre de combustion 5 et la turbine haute pression 6, jouant le rôle de turbine principale au sens du présent exposé. Il comprend en outre un circuit de refroidissement 20 destiné à refroidir les aubages de la turbine haute pression 6.
Le compresseur haute pression 4 est configuré pour comprimer le flux d’air principal circulant dans la veine principale I ; cette compression s’accompagne également d’une augmentation de température. Ainsi, en sortie du compresseur haute pression 4, représentée par le nœud N1 sur la , la pression du flux d’air principal est égale à P1 et sa température à T1. Dans le présent exemple, en régime de croisière, P1=1,8 MPa et T1=800°C.
Selon une caractéristique importante du présent exposé, la chambre de combustion 5 est du type chambre de combustion à gain de pression. Cela signifie qu’elle entraîne une augmentation de la pression du flux d’air principal en plus de l’augmentation de la température. Ainsi, en sortie de la chambre de combustion 5, représentée par le nœud N2 sur la , la pression du flux d’air principal est égale à P2 et sa température à T2. Dans le présent exemple, en régime de croisière, P2=2,2 MPa et T2=1750°C.
Plusieurs technologies et types de chambres permettent de réaliser cette fonction. Par exemple, les chambres à détonation créent, lors de la combustion du carburant et grâce à des taux spécifique d’air et de combustible, une onde de détonation qui se propage dans la chambre et qui augmente la pression du débit d’air qui la traverse. De plus, les chambres à volume constant permettent également d’augmenter la pression du débit d’air qui les traverse. En effet, l’air et le carburant sont mélangés dans des compartiments de la chambre qui se ferment lors de la combustion ce qui augmente la pression de l’air, puis qui s’ouvrent à la fin de la combustion pour libérer le produit final. D’autres exemples de chambres à gain de pression existent dans la littérature.
La turbine haute pression 6 est pour sa part configurée pour récupérer l’énergie du flux d’air principal chauffé et accéléré dans la chambre de combustion 5 pour la transformer en énergie mécanique destinée à entraîner au moins le compresseur haute pression 4.
La turbine haute pression 6 comprend des aubes mobiles et des aubes fixes, formant collectivement des aubages. Afin de résister aux très fortes températures régnant dans la turbine 6, ces aubages peuvent être réalisés en matériau céramique. Les aubages de la turbine sont en outre dotés de canaux de refroidissement, parcourant l’espace intérieur de chaque aube, mais également d’orifices de refroidissement connectant certains canaux de refroidissement avec l’extérieur de l’aube, par exemple au niveau du bord d’attaque et/ou du bord de fuite de chaque aube. Ces orifices de refroidissement permettent en effet de former une couche de fluide de refroidissement en surface des aubes.
Le circuit de refroidissement 20 est ainsi chargé de prélever dans la veine principale 1 de l’air plus frais au niveau d’un point de prélèvement 21 situé en amont de la chambre de combustion, au niveau du nœud N1, et de l’amener jusqu’à un réseau de distribution 22 situé au niveau de la turbine principale 6 et incluant les canaux de refroidissement et les orifices de refroidissement mentionnés ci-dessus. Dans le présent exemple, le débit du flux de refroidissement prélevé correspond à 5% du débit du flux principal au niveau du point de prélèvement 21.
Entre le point de prélèvement 21 et le réseau de distribution 22, d’amont en aval, le circuit de refroidissement comprend un premier échangeur 23, un compresseur auxiliaire 24 et un deuxième échangeur 25.
Les échangeurs 23 et 25 sont des échangeurs à contre-courant s’interposant sur un circuit d’alimentation en carburant 31 amenant du carburant depuis un réservoir 30, situé de préférence à bord de l’aéronef 90, comme cela est représenté sur la , jusqu’à la chambre de combustion 5. Dans le présent exemple, le carburant est de préférence de l’hydrogène ; le réservoir 30 est alors un réservoir réfrigéré prévu pour maintenir l’hydrogène à une température de stockage de l’ordre de -250°C.
Le nœud N3 correspond à l’entrée du premier échangeur 23. La pression P3 et la température T3 du fluide de refroidissement y sont égales à la pression P1 et à la température T1 du flux principal au niveau du point de prélèvement 21, c’est-à-dire du nœud N1. Donc, dans le présent exemple, en régime de croisière, P3=P1=1,8 MPa et T3=T1=800 °C.
La température du carburant en amont du premier échangeur 23 étant inférieure à T3, le premier échangeur 23 permet de diminuer la température du fluide de refroidissement. Ainsi, en sortie du premier échangeur 23, repérée par le nœud N3’, la température T3’ est inférieure à T3 ; sa pression reste pour sa part sensiblement inchangée. Dans le présent exemple, en régime de croisière, P3’=P3=1,8 MPa et T3’=650°C.
Le compresseur auxiliaire 24 permet pour sa part d’augmenter la pression du fluide de refroidissement de manière à compenser le gain de pression apporté au flux principal par la chambre de combustion 5 de telle sorte à obtenir une pression au point 22 supérieure à la pression P2 du nœud N2, ce qui permettra d’injecter l’air de refroidissement au niveau de la turbine haute pression 6. Toutefois, cette compression augmente également la température du fluide de refroidissement. Ainsi, en sortie du compresseur auxiliaire 24, représentée par le nœud N4, la pression du fluide de refroidissement est égale à P4 et sa température à T4, avec P4>P2 et T4>T3’. Dans le présent exemple, en régime de croisière, P4=2,33 MPa et T4=800°C.
La température du carburant en amont du deuxième échangeur 25 étant inférieure à T4, le deuxième échangeur 25 permet de diminuer la température du fluide de refroidissement. Ainsi, en sortie du deuxième échangeur 25, repérée par le nœud N4’, la température T4’ est inférieure à T4 ; sa pression reste pour sa part sensiblement inchangée. Dans le présent exemple, en régime de croisière, P4’=P4=2,33 MPa et T4’=650°C.
Dès lors, puisque la pression P4’ du fluide de refroidissement est supérieure à la pression P2 régnant à l’entrée de la turbine, le fluide de refroidissement peut atteindre le réseau de distribution 22, refroidir les aubages de la turbine 6 et déboucher normalement dans la veine principale I au niveau des orifices de refroidissement des aubages.
De plus, grâce aux échangeurs 23 et 25, la température du carburant a été augmentée à deux reprises, ce qui permet de l’injecter dans la chambre de combustion 5 avec une température favorable.
La illustre un deuxième exemple de turbomachine tout à fait analogue au premier exemple, sauf en ce qui concerne le circuit de refroidissement 120. Ainsi, seules les différences avec le premier exemple seront décrites.
Le corps haute pression 110 comprend ainsi, de manière analogue au premier exemple, un compresseur principal 104, une chambre de combustion à gain de pression 105 et une turbine principale 106.
Dans ce deuxième exemple, le circuit de refroidissement 120 n’est plus refroidi par le circuit d’alimentation en carburant mais par le flux principal en amont de la chambre de combustion 105.
Plus précisément, dans ce deuxième exemple, entre le point de prélèvement 121, inchangé, et le réseau de distribution 122, également inchangé, le circuit de refroidissement 120 comprend, d’amont en aval, un compresseur auxiliaire 124 et un échangeur 126.
Le compresseur auxiliaire 124 est analogue au compresseur auxiliaire du premier exemple. Le nœud N3 correspond à l’entrée du compresseur auxiliaire 124. La pression P3 et la température T3 du fluide de refroidissement y sont égales à la pression P1 et à la température T1 du flux principal au niveau du point de prélèvement 121, c’est-à-dire du nœud N1. Donc, dans le présent exemple, en régime de croisière, P3=P1=1,8 MPa et T3=T1=800 °C.
Le compresseur auxiliaire 124 permet d’augmenter la pression du fluide de refroidissement de manière à compenser le gain de pression apporté au flux principal par la chambre de combustion 105. Toutefois, cette compression augmente également la température du fluide de refroidissement. Ainsi, en sortie du compresseur auxiliaire 124, représentée par le nœud N4, la pression du fluide de refroidissement est égale à P4 et sa température à T4, avec P4>P2 et T4>T3. Dans le présent exemple, en régime de croisière, P4=2,33 MPa et T4=950°C.
La température T1 du flux principal au niveau du nœud N1 étant inférieure à T4, l’échangeur 126 permet de diminuer la température du fluide de refroidissement. Ainsi, en sortie de l’échangeur 126, repérée par le nœud N4’, la température T4’ du fluide de refroidissement est inférieure à T4 et se rapproche de la température T1 d’entrée de l’échangeur qui représente la température de refroidissement dans une configuration classique d’une turbomachine refroidie; sa pression reste pour sa part sensiblement inchangée. Dans le présent exemple, en régime de croisière, P4’=P4=2,33 MPa et T4’=850°C. Par ailleurs, compte tenu du débit beaucoup plus important du flux principal, la pression P1’ et la température T1’ du flux principal en sortie de l’échangeur 126, repérée par le nœud N1’, est pratiquement inchangée.
Dès lors, puisque la pression P4’ du fluide de refroidissement est supérieure à la pression P2 régnant à l’entrée de la turbine, le fluide de refroidissement peut atteindre le réseau de distribution 122, refroidir les aubages de la turbine 106 et déboucher normalement dans la veine principale I au niveau des orifices de refroidissement des aubages.
La illustre un troisième exemple de turbomachine tout à fait analogue au premier exemple, sauf en ce qui concerne le circuit de refroidissement 220. Ainsi, seules les différences avec le premier exemple seront décrites.
Le corps haute pression 210 comprend ainsi, de manière analogue au premier exemple, un compresseur principal 204, une chambre de combustion à gain de pression 205 et une turbine principale 206.
Dans ce troisième exemple, le circuit de refroidissement 220 n’est plus refroidi par le circuit d’alimentation en carburant mais par une autre source froide 233, ici un circuit de distribution de lubrifiant.
Plus précisément, dans ce troisième exemple, entre le point de prélèvement 221, inchangé, et le réseau de distribution 222, également inchangé, le circuit de refroidissement 220 comprend, d’amont en aval, un compresseur auxiliaire 224 et un échangeur 227.
Le compresseur auxiliaire 224 est analogue au compresseur auxiliaire du premier exemple. Le nœud N3 correspond à l’entrée du compresseur auxiliaire 224. La pression P3 et la température T3 du fluide de refroidissement y sont égales à la pression P1 et à la température T1 du flux principal au niveau du point de prélèvement 221, c’est-à-dire du nœud N1. Donc, dans le présent exemple, en régime de croisière, P3=P1=1,8 MPa et T3=T1=800 °C.
Le compresseur auxiliaire 224 permet d’augmenter la pression du fluide de refroidissement de manière à compenser le gain de pression apporté au flux principal par la chambre de combustion 205. Toutefois, cette compression augmente également la température du fluide de refroidissement. Ainsi, en sortie du compresseur auxiliaire 124, représentée par le nœud N4, la pression du fluide de refroidissement est égale à P4 et sa température à T4, avec P4>P2 et T4>T3. Dans le présent exemple, en régime de croisière, P4=2,33 MPa et T4=950°C.
La température du circuit de lubrifiant 233 étant inférieure à T4, l’échangeur 226 permet de diminuer la température du fluide de refroidissement. Ainsi, en sortie de l’échangeur 226, repérée par le nœud N4’, la température T4’ du fluide de refroidissement est inférieure à T4 ; sa pression reste pour sa part sensiblement inchangée. Dans le présent exemple, en régime de croisière, P4’=P4=2,33 MPa et T4’=700°C.
Dès lors, puisque la pression P4’ du fluide de refroidissement est supérieure à la pression P2 régnant à l’entrée de la turbine, le fluide de refroidissement peut atteindre le réseau de distribution 222, refroidir les aubages de la turbine 206 et déboucher normalement dans la veine principale I au niveau des orifices de refroidissement des aubages.
La illustre un quatrième exemple de turbomachine 301 tout à fait analogue au troisième, sauf en ce qui concerne la source froide. Ainsi, seules les différences avec le troisième exemple seront décrites.
En effet, dans ce quatrième exemple, la source froide est le flux d’air secondaire 334 circulant dans la veine secondaire II de la turbomachine 301. L’échangeur 327 est ainsi disposé le long de la paroi intérieure 308 de la veine secondaire II afin d’être traversé par une partie du flux d’air secondaire 334.
Le fonctionnement du circuit de refroidissement 320 est par ailleurs analogue à celui du troisième exemple.
La représente, en coupe selon un plan vertical passant par son axe principal A, un cinquième exemple de turbomachine 401 selon l’exposé, ici du type turbopropulseur. Ce turbopropulseur comporte, d’amont en aval selon la circulation du flux d’air, une hélice 402, un compresseur 404, une chambre de combustion 405 et une turbine 406. La turbine 406 entraîne en rotation un arbre 406a qui entraîne à son tour le compresseur 404. L’arbre 406a entraîne également en rotation l’hélice 402 par l’intermédiaire d’un réducteur 402a.
Ce turbopropulseur 401 comprend donc une veine principale et unique I. Par ailleurs, du fait du déplacement relatif du turbopropulseur 401 dans l’air ambiant, une circulation d’air ambiant 435 apparait le long du carter extérieur 409 de la turbomachine 401.
Par ailleurs, l’architecture de son unique corps est tout à fait analogue à celle du corps haute pression du troisième exemple si ce n’est que l’échangeur 427 du circuit de refroidissement 420 est disposé le long du carter extérieur 409 de la turbomachine 401 afin d’être en contact avec la circulation d’air ambiant 435.
Le fonctionnement du circuit de refroidissement 420 est par ailleurs analogue à celui du troisième exemple.
Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.
Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé.

Claims (13)

  1. Turbomachine, comprenant
    une veine principale (I), configurée pour être parcourue par un fluide de travail, comportant
    - un compresseur principal (4),
    - une chambre de combustion (5), prévue en aval du compresseur principal (4), et
    - une turbine principale (6), comportant des aubages, prévue en aval de la chambre de combustion (5), et
    un circuit de refroidissement (20), comportant
    - un point de prélèvement (21) afin de prélever une portion du fluide de travail destinée à former un fluide de refroidissement, et
    - un réseau de distribution (22) configuré pour distribuer le fluide de refroidissement au niveau des aubages de la turbine principale (6) afin de les refroidir,
    dans laquelle la chambre de combustion (5) est une chambre de combustion à gain de pression configurée pour augmenter la température et la pression du fluide de travail,
    dans laquelle le circuit de refroidissement (20) comprend un compresseur auxiliaire (24), prévu entre le point de prélèvement (21) et le réseau de distribution (22), configuré pour augmenter la pression du fluide de refroidissement, et
    dans laquelle le circuit de refroidissement (20) comprend au moins un échangeur (23, 25) configuré pour refroidir le fluide de refroidissement en amont du réseau de distribution (22).
  2. Turbomachine selon la revendication 1, dans laquelle le point de prélèvement est prévu entre le compresseur principal (4) et la chambre de combustion (5)
  3. Turbomachine selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la chambre de combustion (5) est configurée pour augmenter la pression du fluide de travail d’au moins 5%, de préférence d’au moins 20%.
  4. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le compresseur auxiliaire (24) est configuré pour augmenter la pression du fluide de refroidissement de manière à atteindre une pression au moins 3% plus importante, de préférence au moins 5% plus importante, que la pression en sortie de la chambre de combustion.
  5. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le circuit de refroidissement (20) est configuré de sorte que le débit du fluide de refroidissement soit compris entre 1% et 10%, de préférence compris entre 1% et 8%, du débit du fluide de travail au niveau du point de prélèvement (21).
  6. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le circuit de refroidissement (20) comprend au moins un échangeur (23) en amont du compresseur auxiliaire (24) et/ou au moins un échangeur (25) en aval du compresseur auxiliaire (24).
  7. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle au moins un échangeur (23, 25) est configuré pour entrer en contact avec un flux de carburant (31) destiné à la chambre de combustion principale (5).
  8. Turbomachine selon la revendication 7, comprenant un circuit d’alimentation en carburant (31) reliant une source de carburant (30) à la chambre de combustion principale (5), le circuit d’alimentation (31) passant par ledit au moins un échangeur (23, 25), et
    dans laquelle la source de carburant (30) est configurée pour fournir du carburant à une température inférieure à 30°C, de préférence inférieure à 0°C.
  9. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle au moins un échangeur (126) est configuré pour entrer en contact avec au moins une portion du fluide de travail en amont de la chambre de combustion principale (105).
  10. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle au moins un échangeur (327) est configuré pour entrer en contact avec un flux d’air froid (334), la température de ce flux d’air froid (334) étant inférieure à 50°C.
  11. Turbomachine selon la revendication 10, comprenant en outre une veine secondaire (II), distincte de la veine principale (I) et concentrique à cette dernière, et une soufflante (302) configurée pour accélérer un flux d’air secondaire dans la deuxième veine (II), et
    dans laquelle au moins un échangeur (327) est configuré pour entrer en contact avec au moins une portion du flux d’air secondaire (334).
  12. Turbomachine selon la revendication 10 ou 11, dans laquelle au moins un échangeur (427) est configuré pour entrer en contact avec un flux d’air extérieur (435) à la turbomachine (401).
  13. Aéronef, comprenant une turbomachine (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 12.
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