FR3137119A1 - Système de refroidissement amélioré pour un ensemble mobile de turbomachine - Google Patents
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Abstract
Système de refro idissement amélioré pour un ensemble mobile de turbomachine Ensemble comprenant un rotor (200), un distributeur (100), et un dispositif de refroidissement, les aubes mobiles (210) étant mobiles en rotation autour de l’axe principal (Z-Z), le distributeur (100) comprenant un carter (105) et une pluralité d’aubes fixes (110) assemblées au carter via un support amont (120) et un support aval (130) du carter (105), le dispositif de refroidissement (300) comprenant une pluralité de tubes de refroidissement (310) adaptés pour réaliser une circulation de fluide de refroidissement de manière à refroidir le carter (105), les tubes de refroidissement (310) définissant une pluralité de circuits de refroidissement, chaque circuit de refroidissement (300) réalisant un refroidissement dans une portion de carter et permet un refroidissement différentié des supports amont (120) et des supports aval (130) du carter (105) au sein de ladite zone de carter. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.
Description
La présente invention concerne un système de refroidissement amélioré pour distributeur de turbomachine.
Différents éléments de turbomachine comprennent une pluralité d’aubes fixes entre lesquelles sont interposées des aubes mobiles en rotation autour d’un axe principal de la turbomachine. On peut notamment citer la turbine et le distributeur basse pression, et la turbine et le distributeur haute pression.
Afin d’optimiser les performances, on cherche à minimiser les fuites d’air au sein de la veine d’air. On positionne ainsi typiquement des cartouches de matériau abradable en regard de léchettes des aubes mobiles, de sorte qu’en fonctionnement, les léchettes viennent au contact du matériau abradable et forment ainsi une étanchéité entre la partie tournante et la partie fixe de la turbomachine.
Cependant, les exigences croissantes conduisent à minimiser le jeu axial, et donc à entrainer des risques de contact entre les éléments du rotor et du stator du fait de déformations axiales au cours du fonctionnement et donc une usure prématurée des composants voire des risques de rupture.
La présente invention vise ainsi à remédier au moins partiellement à ces problématiques.
A cet effet, la présente invention concerne un ensemble comprenant un rotor de turbomachine mobile en rotation selon un axe principal, un aubage stator entourant le rotor, et un dispositif de refroidissement, le rotor comprenant une pluralité d’aubes mobiles s’étendant autour de l’axe principale, les aubes mobiles étant mobiles en rotation autour de l’axe principal, l’aubage stator comprenant un carter entourant le rotor, et une pluralité d’aubes fixe assemblées dans un volume interne du carter, chaque aube fixe étant assemblée au carter via un support amont et un support aval du carter, les aubes fixes étant disposées de part et d’autre des aubes mobiles selon l’axe principal, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement comprend une pluralité de tubes de refroidissement adaptés pour réaliser une circulation de fluide de refroidissement de manière à refroidir le carter, les tubes de refroidissement définissant une pluralité de circuits de refroidissement, chaque circuit de refroidissement étant adapté de manière à réaliser un refroidissement dans une portion de carter et étant configuré de manière à permettre un refroidissement différentié des supports amont et des supports aval du carter au sein de ladite zone de carter.
Selon un exemple, le circuit de refroidissement définit un circuit amont et un circuit aval, le circuit amont étant configuré de manière à permettre un refroidissement des supports amont du carter, et le circuit aval étant configuré de manière à permettre un refroidissement des supports aval du carter.
Selon un exemple, le circuit amont et le circuit aval sont pilotés de manière indépendante.
Selon un exemple, chaque tube de refroidissement est muni d’une vanne de pilotage, de manière à permettre un pilotage du débit de fluide de refroidissement circulant dans chacun desdits tubes.
Selon un exemple, ledit ensemble comprend en outre un contrôleur, adapté pour piloter les vannes de pilotage en fonction de paramètres liés au régime de fonctionnement dudit ensemble.
Selon un exemple, l’aubage stator et le rotor sont chacun munis de secteurs d’étanchéité et de léchettes adaptées pour venir au contact des secteurs d’étanchéité et définir un contact étanche entre l’aubage stator et le rotor.
Selon un exemple, les secteurs d’étanchéité sont formés par des couches de matériau abradable.
Selon un exemple, le rotor est une turbine basse pression et l’aubage stator est un distributeur basse pression de turbomachine. Le présent exposé concerne également une turbomachine comprenant un tel ensemble.
Le présent exposé concerne en outre un aéronef comprenant une telle turbomachine.
L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples non limitatifs.
Sur l’ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques.
On représente sur les figures un ensemble faisant typiquement partie d’une turbomachine telle qu’un turboréacteur, l’ensemble comprenant un aubage stator 100, un rotor 200 et un dispositif de refroidissement 300 associé. Le sens d’écoulement d’air dans le système présenté est symbolisé par une flèche F, de l’amont vers l’aval.
L’aubage stator 100 est monté fixe. Le rotor 200 est positionné dans un volume interne de l’aubage stator 100, et est montée tournante selon un axe principal Z-Z par rapport à l’aubage stator 100. L’ensemble tel que proposé forme par exemple un compresseur basse pression ou une turbine basse pression de turbomachine.
Le rotor 200 comprend une pluralité d’aubes mobiles 210 s’étendant atour de l’axe principal Z-Z, les aubes mobiles 210 étant mobiles en rotation autour de l’axe principal Z-Z. Le rotor 200 est ainsi mobile, par rapport à l’aubage stator 100.
L’aubage stator 100 comprend un carter 105 entourant la rotor 200, et une pluralité d’aubes fixe 110 assemblées dans un volume interne du carter 105, chaque aube fixe 110 étant assemblée au carter 105 via un support amont 120 et un support aval 130 du carter 105, de manière à être disposées radialement par rapport à l’axe principal Z-Z. Les supports amont 120 et supports aval 130 forment typiquement des crochets, dans lesquels les aubes fixes 110 sont insérées.
Les aubes fixes 110 sont disposées de part et d’autre des aubes mobiles 210 selon l’axe principal Z-Z, de manière à définir une alternance entre les aubes fixes 110 et les aubes mobiles 210 selon l’axe principal Z-Z. Plus généralement, les aubes fixes 110 et les aubes mobiles 210 sont typiquement agencées de manière à définir des secteurs ou disques aubagés, chaque disque aubagé étant muni d’une pluralité d’aubes s’étendant radialement par rapport à l’axe principal Z-Z. L’aubage stator 100 et le rotor 200 présentent ainsi chacun une pluralité de disques aubagés centrés selon l’axe principal Z-Z, et de sorte que chaque disque aubagé de l’aubage stator 100 soit encadré par deux disques aubagés du rotor 200 et réciproquement, à l’exception des extrémités.
Afin d’optimiser les performances et minimiser les fuites, le carter 105 de l’aubage stator 100 est muni de secteurs d’étanchéité primaires 140 positionnés en regard des aubes mobiles 210. Ces secteurs d’étanchéité primaires 140 sont formés d’un matériau que l’on qualifie usuellement de matériau abradable.
Les aubes mobiles 210 sont munies de nervures 215 s’étendant depuis l’extrémité radiale externe des aubes mobiles 210, qui forment ainsi des léchettes venant au contact des secteurs d’étanchéité primaires 140 pour réaliser une fonction de joint d’étanchéité et ainsi éviter des fuites ou pertes de flux d’air traversant le système.
De la même manière, des secteurs d’étanchéité secondaires 142 sont disposés sur une extrémité radiale interne des aubes fixes 110, et rotor 200 est munie de léchettes secondaires 217 formées sur un anneau mobile, les léchettes secondaires 217 étant adaptées pour venir au contact des secteurs d’étanchéité secondaires 142 pour réaliser une fonction de joint d’étanchéité et ainsi éviter des fuites ou pertes de flux d’air traversant le système.
Les secteurs d’étanchéité primaires 140 et les secteurs d’étanchéité secondaires 142 sont ainsi des pièces d’usure, visant à réaliser une étanchéité.
Cependant, en fonctionnement, on observe des déformations et déplacement axiaux des aubes fixes 110 et/ou des aubes mobiles 210 résultant notamment des écarts thermiques. Des variations de température trop importantes peuvent conduire à amener les aubes fixes 110 et les aubes mobiles 210 en contact, notamment au niveau de tôles de recouvrement 112 des aubes fixes 110 ou de becquets mobiles 212 d’aubes mobiles 210. On symbolise sur la par des flèches l’effet de variations de température. La flèche F1 désigne une dilatation d’un support amont 120, et la flèche F2 symbolise l’effet de bascule qui en résulte pour une aube 110 considérée. La zone entourée en pointillés Z1 indique alors une zone de contact potentiel.
Une solution pourrait être de réduire les tôles de recouvrement 112 et les becquets mobiles 212 pour minimiser les risques de contact. Toutefois, une telle solution viendrait dégrader les performances en termes d’étanchéité, ce qui aurait pour conséquence d’augmenter les fuites, et donc de dégrader les performances générales.
Le système tel que proposé comprend ainsi un dispositif de refroidissement 300 qui est positionné autour du carter 105 de l’aubage stator 100. Le dispositif de refroidissement 300 comprend une pluralité de tubes de refroidissement 310 adaptés pour réaliser une circulation de fluide de refroidissement de manière à refroidir le carter 105. Les tubes de refroidissement sont positionnés en regard des supports amont 120 et des supports aval 130 du carter 105, c’est à dire radialement autour des supports amont 120 et des supports aval 130 du carter 105. On peut ainsi définir des tubes amont 312 qui sont positionnés radialement autour des supports amont 120, et des tubes aval 313 qui sont positionnés radialement autour des supports aval 130. Lorsque l’ensemble des tubes de refroidissement 310 sont exploités, on réalise un refroidissement typiquement uniforme du carter 105, et donc on réalise un pilotage du jeu radial engendré par les variations de température.
Le dispositif de refroidissement 300 est configuré de manière à définir au moins deux circuits de refroidissement distincts, afin de permettre un refroidissement différentié des supports amont 120 et des supports aval 130 du carter 105, ou le cas échéant un refroidissement individualisé pour chacun des supports amont 120 et des supports aval 130.
On peut ainsi par exemple définir un circuit amont et un circuit aval, adaptés pour réaliser un refroidissement individualisé pour chacun des supports amont 120 et des supports aval 130 respectivement.
Le dispositif de refroidissement 300 peut comprendre une pluralité de circuits amont et de circuits aval, de manière à refroidir différentes zones ou portions du carter, chaque zone étant en regard d’un élément du stator. Chaque circuit amont ou circuit aval présente par exemple une admission de fluide unique, et va ensuite réaliser une distribution de ce fluide de refroidissement pour réaliser le refroidissement des différents supports pour la zone considérée du carter. A titre d’exemple, on peut ainsi définir plusieurs portions ou zones du carter 105, chaque portion ou zone formant un secteur angulaire autour de l’axe principal Z-Z, et s’étendant selon l’axe principal Z-Z. le circuit de refroidissement permet ainsi de réaliser un refroidissement différentié au sein d’une portion ou zone de carter considérée, sans nécessiter une multiplication des systèmes de refroidissement distincts.
Le circuit de refroidissement 300 comprend ainsi une ou plusieurs admissions de fluide 320 reliés chacun à des tubes de refroidissement distincts, de manière à définir au moins deux circuits de refroidissement pouvant être pilotés indépendamment. Dans l’exemple illustré sur la , l’admission de fluide 320 est centrale, et des tubes de refroidissement 310 s’étendent de part et d’autre de l’admission de fluide 320. On notera que dans un système de régulation active pour une turbine basse pression de type LPTACC mis en place au niveau du carter de la turbine basse pression, les différents tubes viennent typiquement injecter un jet de fluide de refroidissement, par exemple de l’air, directement dans la veine de fluide traversant l’ensemble. Le dispositif tel que présenté permet ainsi par exemple avec une unique admission d’air, d’appliquer un refroidissement différencié sur une portion de carter, notamment afin que les différents supports amont 120 et supports aval 130 soient soumis à un refroidissement adapté.
On comprend que ce mode de réalisation n’est pas limitatif, et que l’admission et la distribution de fluide de refroidissement aux différents tubes de refroidissement 310 peut être réalisée selon toute structure appropriée. Le circuit de refroidissement 300 est typiquement configuré de manière à venir entourer tout ou partie du carter 105 de l’aubage stator 100.
Selon un premier mode de réalisation, le circuit de refroidissement comprend deux admissions de fluide, de manière à définir deux circuits de refroidissement distincts ; un circuit de refroidissement amont adapté pour refroidir les supports amont 120 en faisant circuler un fluide de refroidissement dans les tubes amont 312, et un circuit de refroidissement aval adapté pour refroidir les supports aval 130 en faisant circuler un fluide de refroidissement dans les tubes aval 313.
Un tel mode de réalisation permet ainsi d’éviter ou de piloter un effet de bascule des aubes fixes 110 afin d’éviter un contact entre les aubes fixes 110 et les aubes mobiles 210. On comprend en effet qu’en modulant le refroidissement entre le support amont 120 et le support aval 130 d’une aube fixe 110 considérée, on modifie la position axiale desdits supports, ce qui permet de prévenir ou de compenser un effet de bascule entrainé par une dilatation thermique des composants.
Selon un second mode de réalisation, les différents tubes de refroidissement 310 sont chacun munis d’organes de pilotage tels que des vannes ou des clapets de pilotage, de manière à permettre un pilotage individualisé du refroidissement des différents supports amont 120 et supports aval 130.
Les différents organes de pilotage sont alors typiquement pilotés au moyen d’un contrôleur, adapté pour moduler le refroidissement en fonction de paramètres tels que le régime de fonctionnement de la turbomachine, la phase de vol, la température mesurée, ou tout autre paramètre ou combinaison de paramètres adapté.
Le système tel que proposé permet ainsi de réaliser un refroidissement différencié à l’échelle d’une portion de carter au regard d’un unique élément du stator, et un pilotage du jeu axial, en plus du pilotage du jeu radial qui est lui réalisé via un refroidissement uniforme. L’invention permet ainsi notamment d’éviter une multiplication de circuits de refroidissements distincts qui seraient pénalisants en termes de structure, d’encombrement et de masse.
Le système tel que proposé permet en outre prévenir l’usure prématurée des secteurs d’étanchéité et de prévenir les contacts entre les aubes fixes 110 et les aubes mobiles 210, ce qui permet ainsi de réduire les opérations de maintenance requises et donc de réduire les périodes d’immobilisation et les coûts associés à l’exploitation de la turbomachine associée.
De plus, une telle maîtrise des jeux permet de les optimiser, et ainsi d’améliorer l’étanchéité et donc d’améliorer les performances de l’ensemble.
Le système tel que proposé peut par exemple être appliqué à une turbine haute pression ou à un compresseur haute pression de turbomachine.
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 (10)
- Ensemble comprenant un rotor (200) de turbomachine mobile en rotation selon un axe principal (Z-Z), un aubage stator (100), et un dispositif de refroidissement (300),
le rotor (200) comprenant une pluralité d’aubes mobiles (210) s’étendant atour de l’axe principale (Z-Z), les aubes mobiles (210) étant mobiles en rotation autour de l’axe principal (Z-Z),
l’aubage stator (100) comprenant un carter (105) entourant le rotor (200), et une pluralité d’aubes fixes (110) assemblées dans un volume interne du carter (105), chaque aube fixes (110) étant assemblée au carter via un support amont (120) et un support aval (120) du carter (105), les aubes fixes (110) étant disposées de part et d’autre des aubes mobiles (210) selon l’axe principal (Z-Z),
caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement (300) comprend une pluralité de tubes de refroidissement (310) adaptés pour réaliser une circulation de fluide de refroidissement de manière à refroidir le carter (105), les tubes de refroidissement (310) définissant une pluralité de circuits de refroidissement, chaque circuit de refroidissement (300) étant adapté de manière à réaliser un refroidissement dans une portion de carter et étant configuré de manière à permettre un refroidissement différentié des supports amont (120) et des supports aval (130) du carter (105) au sein de ladite zone de carter. - Ensemble selon la revendication 1, dans lequel le circuit de refroidissement (300) définit un circuit amont et un circuit aval, le circuit amont étant configuré de manière à permettre un refroidissement des supports amont (120) du carter (105), et le circuit aval étant configuré de manière à permettre un refroidissement des supports aval (130) du carter (105).
- Ensemble selon la revendication 2, dans lequel le circuit amont et le circuit aval sont pilotés de manière indépendante.
- Ensemble selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel chaque tube de refroidissement (310) est muni d’une vanne de pilotage, de manière à permettre un pilotage du débit de fluide de refroidissement circulant dans chacun desdits tubes (310).
- Ensemble selon la revendication 4 comprenant en outre un contrôleur, adapté pour piloter les vannes de pilotage en fonction de paramètres liés au régime de fonctionnement dudit ensemble.
- Ensemble selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’aubage stator (100) et le rotor (200) sont chacun muni de secteurs d’étanchéité (140, 142, 240, 242) et des léchettes (115, 117, 215, 217) adaptées pour venir au contact des secteurs d’étanchéité (140, 142, 240, 242) et définir un contact étanche entre le rotor (200) et l’aubage stator (100).
- Ensemble selon la revendication 6, dans lequel les secteurs d’étanchéité (140, 142, 240, 242) sont formés par des couches de matériau abradable.
- Ensemble selon l’une des revendications 1 à 7 dans lequel le rotor (200) est une turbine basse pression et l’aubage stator (100) est un distributeur basse pression de turbomachine.
- Turbomachine comprenant un ensemble selon l’une des revendications 1 à 8.
- Aéronef comprenant une turbomachine selon la revendication 9.
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