FR3140398A1 - Carter d’echappement d’une turbomachine, turbomachine correspondante. - Google Patents

Carter d’echappement d’une turbomachine, turbomachine correspondante. Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un carter (2) d’échappement pour une turbomachine (1) d’axe (X) longitudinal comprenant : une virole externe (3) centrée sur l’axe (X) ;un moyeu (4) présentant une surface radialement extérieure (49) centrée sur l’axe (X) qui délimite une veine (A) de circulation des gaz radialement vers l’intérieur ;une pluralité de bras radiaux (6) solidarisant ladite virole externe (3) audit moyeu (4), caractérisé en ce que ledit carter d’échappement (2) comprend en outre un circuit d’alimentation en air comprenant au moins une entrée d’air (50) débouchant sur cette surface radialement extérieure (49) et une sortie d’air (51) qui débouche sur cette surface radialement extérieure (49) et qui se situe en aval de ladite entrée d’air (50), de sorte à prélever de l’air provenant de ladite veine (A) et à la faire traverser au moins partiellement ladite surface radialement extérieure (49), ladite au moins une entrée d’air (50) et ladite au moins une sorte d’air (51) étant reliées par un premier réseau (52) de canaux thermiques. Figure 4

Description

CARTER D’ECHAPPEMENT D’UNE TURBOMACHINE, TURBOMACHINE CORRESPONDANTE. Domaine de l’invention
La présente invention se rapporte au domaine des turbomachines.
Plus particulièrement, l’invention concerne un carter d’échappement d’une turbomachine d’aéronef ainsi qu’une turbomachine d’aéronef correspondante.
L’invention concerne tous les types de turbomachine d’aéronef, en particulier les turboréacteurs et les turbopropulseurs.
 Etat de la technique antérieure
Une construction classique de turbomachine telle que présentée dans la demande FR 3 117 528 A1 comprend, de l’amont vers l’aval en se référant à la direction globale d’écoulement de gaz à travers la turbomachine en fonctionnement, une soufflante, une section de compresseur, une chambre de combustion, et une section de turbine.
En partie arrière, en aval de la turbine basse pression, une telle turbine comprend un carter d’échappement, usuellement désigné par l’acronyme TRF pour « Turbine Rear Frame ». Ce carter d’échappement comporte une virole externe et un moyeu, ou virole interne, solidarisés entre eux par des bras radiaux.
La durée de vie d’un tel carter d’échappement est fortement impactée par les efforts engendrés par la différence de température entre la virole et le moyeu, notamment ceux créés au niveau des bras radiaux reliant le moyeu et la virole externe.
En effet, lors du décollage d’un aéronef, ou lors des phases d’accélération, la virole externe se réchauffe plus vite que le moyeu qui est plus massif, et cette différence de température crée des efforts en traction au niveau des bras qui relient la virole externe au moyeu du fait de la dilatation plus rapide de la virole externe par rapport au moyeu. Inversement, à l’arrêt de la turbomachine, la virole externe se refroidit plus vite que le moyeu ce qui crée des efforts de compression au niveau des bras qui relient la virole externe au moyeu.
Il existe donc un besoin de fournir une solution permettant de diminuer le gradient thermique entre la virole externe et le moyeu afin de limiter les efforts exercés sur le carter d’échappement.
L’invention a pour but de remédier au moins en partie aux inconvénients mentionnés ci-dessus relatifs aux techniques de l’art antérieur.
Pour ce faire, l’invention concerne un carter d’échappement pour une turbomachine d’axe X longitudinal comprenant :
  • une virole externe centrée sur l’axe X ;
  • un moyeu présentant une surface radialement extérieure centrée sur l’axe X qui délimite une veine de circulation des gaz radialement vers l’intérieur ;
  • une pluralité de bras radiaux solidarisant ladite virole externe audit moyeu.
Selon l’invention, ledit carter d’échappement comprend en outre un circuit d’alimentation en air comprenant au moins une entrée d’air débouchant sur cette surface radialement extérieure et une sortie d’air qui débouche sur cette surface radialement extérieure et qui se situe en aval de ladite entrée d’air, de sorte à prélever de l’air provenant de ladite veine et à la faire traverser au moins partiellement ladite surface radialement extérieure, ladite au moins une entrée d’air et ladite au moins une sorte d’air étant reliées par un premier réseau de canaux thermiques.
Ainsi, l’invention propose une approche nouvelle et inventive permettant de résoudre au moins en partie certains des inconvénients de l’art antérieur. Notamment, par la mise en œuvre d’un circuit d’alimentation en air au niveau de la surface radialement extérieure dudit moyeu, on réduit le gradient thermique entre le moyeu et la virole externe. De ce fait, on diminue également les efforts engendrés au niveau des bras radiaux du fait de la diminution de la différence de température entre la virole externe et le moyeu.
Selon un aspect d’au moins un mode de réalisation de l’invention, la surface radialement extérieure comprend un rebord amont et un rebord aval s’étendant chacun radialement, ladite au moins une entrée d’air étant portée par ledit rebord amont, et/ou ladite au moins une sortie d’air étant portée par ledit rebord aval dudit moyeu.
De cette manière, l’air prélevé provenant de la veine traverse toute la longueur axiale de la surface radialement extérieure du moyeu.
Selon un aspect d’au moins un mode de réalisation de l’invention, ladite au moins une entrée d’air présente un profil évasé orienté vers une direction amont et/ou ladite au moins une sortie d’air présente un profil évasé orienté vers une direction aval.
Une telle extrémité évasée permet d’améliorer le guidage de l’air vers et/ou en dehors du circuit de circulation d’air.
Selon un aspect d’au moins un mode de réalisation de l’invention, ledit circuit d’alimentation en air comprend en outre un deuxième réseau de canaux thermiques radialement espacé dudit premier réseau de canaux thermiques, ledit premier réseau de canaux thermiques étant radialement intercalé entre ledit deuxième réseau de canaux thermiques et ladite surface radialement extérieure dudit moyeu.
Dans ce cas, selon un aspect d’au moins un mode de réalisation de l’invention, le circuit d’alimentation en air comprend une structure de maintien positionnée entre le premier réseau de canaux thermiques et le deuxième réseau de canaux thermiques.
Une telle structure de maintien permet d’amortir les effets résiduels de torsion et de compression s’appliquant au niveau du moyeu, et également de maintenir l’espacement entre le premier réseau de canaux thermiques et le deuxième réseau de canaux thermiques.
Selon un aspect d’au moins un mode de réalisation de l’invention, la structure de maintien comporte une pluralité de géométries structurelles aérées.
Dans ce cas, selon un aspect d’au moins un mode de réalisation de l’invention, la structure de maintien comprend une pluralité de croisillons.
Selon un aspect d’au moins un mode de réalisation de l’invention, ledit circuit d’alimentation en air comprend une pluralité de protubérances ménagées entre ladite au moins une entrée d’air et ladite au moins une sortie d’air.
De telles protubérances permettent de perturber le flux d’air circulant et ainsi d’améliorer les échanges thermiques.
Selon un aspect d’au moins un mode de réalisation de l’invention, ladite pluralité de protubérances comprend au moins une colonne s’étendant radialement et ménagée au voisinage de ladite entrée d’air et/ou au moins une protubérance présentant une surface supérieure courbée vers l’axe X et ménagée au voisinage de la sortie d’air.
Une protubérance en forme de colonne, c’est-à-dire s’étendant radialement, ménagée au voisinage de l’entrée d’air permet de maximiser l’absorption de chaleur dès l’arrivée du flux d’air dans le circuit d’alimentation en air. Quant à la au moins une protubérance présentant une surface supérieure courbée vers l’axe X, elle permet de redresser le flux d’air avant éjection du circuit d’alimentation en air tout en maximisant la surface d’échange thermique.
Selon un aspect d’au moins un mode de réalisation de l’invention, le carter d’échappement comprend une pluralité de bras de renforts répartis uniformément sur le pourtour intérieur de ladite surface radialement extérieure dudit moyeu.
Selon un aspect d’au moins un mode de réalisation de l’invention, chacun des bras de renfort comprend au moins une paroi latérale présentant un profil en treillis.
L’invention concerne également une turbomachine pour aéronef comprenant un carter d’échappement.
Selon un aspect particulier d’au moins un mode de réalisation, la turbine est un turboréacteur.
 Brève description des figures
L’invention, ainsi que les différents avantages qu’elle présente, seront plus facilement compris à la lumière de la description qui va suivre d’un mode de réalisation illustratif et non limitatif de celle-ci, et des dessins annexés parmi lesquels :
est une vue schématique en coupe d’une turbomachine ;
est une vue schématique en coupe latérale d’une turbomachine comprenant un carter d’échappement selon un mode de réalisation de l’invention ;
est une vue en coupe latérale du carter d’échappement de la ;
est une vue partielle en perspective du carter d’échappement de la ;
est vue en perspective d’un moyeu de carter d’échappement selon le mode de réalisation de la ;
est vue en perspective d’une partie du moyeu de la ;
est une vue schématique de face d’un circuit d’alimentation en air d’un carter d’échappement selon le mode de réalisation de la , et
est une vue en perspective d’une partie d’un moyeu de carter d’échappement selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
Il est à noter que l’invention s’applique à tout type de turbomachine, et notamment aux turbomachines d’aéronef.
Cette turbomachine 1, qui s’étend selon un axe X, est par exemple destinée à être montée sur un aéronef (non représenté), tel qu’un avion ou un hélicoptère, par exemple sous l’aile de l’aéronef, sur l’aile ou encore à l’arrière du fuselage de l’aéronef.
La turbomachine 1 illustrée sur la est un turboréacteur à double corps, double flux et entraînement direct. Ceci n’est toutefois pas limitatif puisque la turbomachine 1 peut ne pas être destinée à être montée sur un aéronef, être un autre type de turboréacteur, tel qu’un turboréacteur à réducteur, un turbopropulseur ou une unité de puissance auxiliaire (également appelée « APU », pour « Auxiliary Power Unit »).
Dans l’ensemble de la description, une direction axiale correspond à la direction de l’axe longitudinal X et une direction radiale est une direction perpendiculaire à l’axe longitudinal X et coupant l’axe longitudinal X. De même, un plan axial est un plan contenant l’axe longitudinal X et un plan radial est un plan perpendiculaire à l’axe longitudinal X.
De même, les adjectifs « intérieur » (ou « interne ») et extérieur (« ou externe ») sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie intérieure d’un élément est, suivant une direction radiale, plus proche de l’axe longitudinal X que la partie extérieure du même élément.
De plus, sauf précision contraire, les termes « amont » et « aval » sont utilisés en référence à la direction globale d’écoulement de gaz à travers la turbomachine en fonctionnement.
Comme visible sur la , la turbomachine 1 comprend, de l’amont vers l’aval, une soufflante 10, une section de compresseur 12, une chambre de combustion 14 et une section de turbine 16. L’axe longitudinal X forme l’axe de rotation d’au moins une partie de la section de compresseur 12 et de la section de turbine 16, lesquelles sont susceptibles d’être entraînées en rotation autour de l’axe longitudinal X par rapport à un carter 18 de la turbomachine 1.
En fonctionnement, la soufflante 10 aspire un flux d’air dont une portion, circulant au sein d’une veine primaire 100 est, successivement, comprimée au sein de la section de compresseur 12, enflammée au sein de la chambre de combustion 14, et détendue au sein de la section de turbine 16 avant d’être éjectée hors de la turbomachine 1. De cette manière, la turbomachine 1 génère une poussée. Cette poussée peut d’ailleurs, par exemple, être mise au profit de l’aéronef sur lequel la turbomachine 1 est rapportée et fixée.
En partie arrière de cette turbomachine, en aval de la turbine basse pression, est ménagé un carter d’échappement, usuellement désigné par l’acronyme TRF pour « Turbine Rear Frame ».
On présente maintenant, en relation avec les figures 1 à 7, un premier mode de réalisation d’un carter d’échappement selon l’invention.
Comme illustré, le carter 2 d’échappement comprend :
  • une virole externe 3 centrée sur l’axe X ;
  • un moyeu 4 présentant une surface radialement extérieure 49 centrée sur l’axe X qui délimite une veine A de circulation des gaz radialement vers l’intérieur ;
  • une pluralité de bras radiaux 6 solidarisant la virole externe 3 au moyeu 4.
Comme visible, le carter comprend en outre une pluralité de bras de renforts 42 répartis uniformément sur le pourtour intérieur de la surface radialement extérieure 49 du moyeu 4.
Selon l’invention, le carter d’échappement 2 comprend en outre un circuit d’alimentation en air comprenant au moins une entrée d’air 50 débouchant sur cette surface radialement extérieure 49 et une sortie d’air 51 qui débouche sur cette surface radialement extérieure 49 et qui se situe en aval de l’entrée d’air 50.
Le fait d’implémenter un circuit d’alimentation en air au niveau de la surface radialement extérieure du moyeu, on réduit le gradient thermique entre le moyeu et la virole externe, notamment lors des différentes phases de fonctionnement de la turbomachine. De ce fait, la mise en œuvre d’un circuit d’alimentation en air au niveau de la surface radialement extérieure du moyeu permet de diminuer les efforts engendrés au niveau des bras radiaux du fait de la diminution de la différence de température entre la virole externe et le moyeu. Cela permet notamment d’améliorer la durée de vie d’un carter d’échappement.
Plus particulièrement, dans ce mode de réalisation, le circuit d’alimentation en air comprend une pluralité d’entrées d’air 50 et de sorties d’air 51 réparties de manière régulière sur le pourtour de la surface radialement extérieure 49 du moyeu 4.
Ces entrées d’air et sorties d’air permettent de prélever de l’air provenant de la veine A et de la faire traverser au moins partiellement la surface radialement extérieure 49.
Comme illustré, dans ce mode de réalisation, la surface radialement extérieure 49 comprend un rebord amont 40 et un rebord aval 41 s’étendant chacun radialement. Ici, ces rebords amont et aval s’étendent sur toute la périphérie de la surface radialement extérieure 49.
De ce fait, les entrées d’air 50 sont réparties de manière régulière sur le rebord amont 40 de la surface radialement extérieure 49 du moyeu 4.
De leur côté, les sorties d’air 51 sont réparties de manière régulière sur le rebord aval 41 de la surface radialement extérieure 49 du moyeu 4.
Par ailleurs, et comme illustré, la pluralité de bras de renforts 42 est répartie uniformément sur la périphérie intérieure de la surface radialement extérieure 49 du moyeu 4, chacun des bras de renfort venant en appui contre le rebord aval.
Selon l’invention, les entrées d’air 50 et les sorties d’air 51 sont reliées par un premier réseau 52 de canaux thermiques.
Ce premier réseau de canaux thermiques peut, par exemple, être constitué d’une pluralité de caludocs permettant de transporter la chaleur extraite du flux d’air circulant dans le circuit d’alimentation en air et de l’acheminer sur toute l’étendue du premier réseau 52.
De sorte à faciliter l’arrivée de l’air provenant de la veine A dans le circuit d’alimentation en air, les entrées d’air 50 présentent un profil évasé orienté vers une direction amont.
En d’autres termes, les entrées d’air 50 présentent un profil relativement élargi et dépourvu d’arêtes au niveau d’une extrémité de chacune des entrées d’air 50.
Le fait que de telles entrées d’air présentent un profil évasé permet d’améliorer le guidage de l’air vers le circuit de circulation d’air.
De manière similaire, et de sorte à faciliter la sortie de l’air du circuit d’alimentation en air vers la veine A, les sorties d’air 51 présentent un profil évasé orienté vers une direction aval.
En outre, et de sorte à favoriser les échanges de chaleur au sein du circuit d’alimentation en air, le circuit d’alimentation en air comprend une pluralité de protubérance ménagées entre les entrées d’air 50 et les sorties d’air 51.
Ici, cette pluralité de protubérances comprend des colonnes s’étendant radialement et ménagées au voisinage des différentes entrées d’air 50. Ces colonnes permettent de maximiser l’absorption de chaleur dès l’entrée de l’air dans le circuit d’alimentation en air et donc d’optimiser les échanges thermiques.
En outre, cette pluralité de protubérances comprend des protubérances présentant une surface supérieure courbée vers l’axe X et ménagée au voisinage des sorties d’air 51. Une telle surface supérieure courbée permet de redresser le flux d’air avant sa sortie du circuit d’alimentation en air vers la veine A, ceci en maximisant la surface d’échange thermique.
Il est à noter que selon les modes de réalisation, la pluralité de protubérances comprend au moins une colonne s’étendant radialement et ménagée au voisinage de l’au moins une entrée d’air 50 et/ou au moins une protubérance présentant une surface supérieure courbée vers l’axe X et ménagée au voisinage de l’au moins une sortie d’air 51.
Comme visible notamment sur la , le circuit d’alimentation en air comprend en outre un deuxième réseau 53 de canaux thermiques radialement espacé du premier réseau 52 de canaux thermiques.
De ce fait, selon la configuration illustrée en , le premier réseau 52 de canaux thermiques est radialement intercalé entre le deuxième réseau 53 de canaux thermiques et la surface radialement extérieure 49 du moyeu 4.
Plus particulièrement, l’espace entre le premier réseau 52 de canaux thermiques et le deuxième réseau 53 de canaux thermiques est constant sur l’étendue de ces deux réseaux de canaux thermiques.
Ici, le premier réseau 52 de canaux thermiques tout comme le deuxième réseau 53 de canaux thermiques s’étendent sur toute une surface périphérique intérieure de la surface radialement externe du moyeu 4.
Dans ce mode de réalisation, cet espace entre le premier réseau 52 de canaux thermiques et le deuxième réseau 53 de canaux thermiques est compris entre 2 mm et 15 mm.
De sorte à maintenir cet espace relativement constant au cours du temps, le circuit d’alimentation en air comprend une structure de maintien 54 positionnée entre le premier réseau 52 de canaux thermiques et ledit deuxième réseau 53 de canaux thermiques.
Cette structure de maintien 54 comporte, dans ce mode de réalisation, une pluralité de croisillons.
Ces croisillons sont, comme illustré en , régulièrement espacés sur toute la surface périphérique intérieure de la surface radialement externe du moyeu 4.
On pourrait également prévoir d’autres modes de réalisation de la structure de maintien.
On pourrait par exemple prévoir une structure de maintien comprenant une pluralité de géométries structurelles aérées.
Par exemple, on pourrait prévoir une structure de maintien formée d’un ensemble de modules conducteurs de chaleur, de treillis, ou de pions régulièrement espacés.
On présente maintenant, en relation avec la , un deuxième mode de réalisation d’un carter d’échappement.
Plus particulièrement, la illustre un deuxième mode de réalisation d’un moyeu 4’ compris dans un carter d’échappement.
Il est à noter que la description des éléments communs entre le premier mode de réalisation et le deuxième mode de réalisation n’est pas répétée.
Le moyeu 4’ présente ici, et de même que le moyeu de carter d’échappement selon le premier mode de réalisation, une surface radialement extérieure 49 centrée sur l’axe X qui délimite une veine A de circulation des gaz radialement vers l’intérieur.
Comme visible sur la , le carter comprend en outre une pluralité de bras de renforts 42’ répartis uniformément sur le pourtour intérieur de la surface radialement extérieure 49 du moyeu 4’ et en appui contre le rebord aval.
Dans ce mode de réalisation, chacun des bras de renfort 42 comprend au moins une paroi latérale 420’ présentant un profil en treillis. Plus particulièrement, ici, chacun des bras de renfort 42’ comprend deux parois latérales 420’ présentant un profil en treillis.
De tels bras de renfort comprenant au moins une paroi latérale présentant un profil en treillis permettent ainsi d’alléger le moyeu et également de faciliter les échanges thermiques.
De manière similaire au premier mode de réalisation, le carter d’échappement comprend, outre le moyeu 4’ :
  • une virole externe centrée sur l’axe X (non visible sur la ) ;
  • une pluralité de bras radiaux (non illustrés) solidarisant la virole externe au moyeu 4’ ;
  • un circuit d’alimentation en air comprenant au moins une entrée d’air débouchant sur la surface radialement extérieure du moyeu et une sortie d’air qui débouche sur la surface radialement extérieure du moyeu et qui se situe en aval de l’entrée d’air.
On pourrait également prévoir des modes de réalisation dans lesquels seulement certains des bras de renfort présentent des parois latérales avec un profil en treillis.
On pourrait également prévoir un mode de réalisation dans lequel les bras de renfort comprennent au moins une paroi latérale présentant au moins un perçage débouchant, ce perçage pouvant prendre la forme d’une rainure ou d’un perçage circulaire.

Claims (12)

  1. Carter (2) d’échappement pour une turbomachine (1) d’axe (X) longitudinal comprenant :
    • une virole externe (3) centrée sur l’axe (X) ;
    • un moyeu (4) présentant une surface radialement extérieure (49) centrée sur l’axe (X) qui délimite une veine (A) de circulation des gaz radialement vers l’intérieur ;
    • une pluralité de bras radiaux (6) solidarisant ladite virole externe (3) audit moyeu (4),
    caractérisé en ce que ledit carter d’échappement (2) comprend en outre un circuit d’alimentation en air comprenant au moins une entrée d’air (50) débouchant sur cette surface radialement extérieure (49) et une sortie d’air (51) qui débouche sur cette surface radialement extérieure (49) et qui se situe en aval de ladite entrée d’air (50), de sorte à prélever de l’air provenant de ladite veine (A) et à la faire traverser au moins partiellement ladite surface radialement extérieure (49), ladite au moins une entrée d’air (50) et ladite au moins une sorte d’air (51) étant reliées par un premier réseau (52) de canaux thermiques.
  2. Carter (2) d’échappement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface radialement extérieure (49) comprend un rebord amont (40) et un rebord aval (41) s’étendant chacun radialement, ladite au moins une entrée d’air (50) étant portée par ledit rebord amont (40), et/ou ladite au moins une sortie d’air (51) étant portée par ledit rebord aval (41) dudit moyeu (4).
  3. Carter d’échappement selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite au moins une entrée d’air (50) présente un profil évasé orienté vers une direction amont et/ou ladite au moins une sortie d’air (51) présente un profil évasé orienté vers une direction aval.
  4. Carter d’échappement selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit circuit d’alimentation en air comprend en outre un deuxième réseau (53) de canaux thermiques radialement espacé dudit premier réseau (52) de canaux thermiques, ledit premier réseau (52) de canaux thermiques étant radialement intercalé entre ledit deuxième réseau (53) de canaux thermiques et ladite surface radialement extérieure (49) dudit moyeu (4).
  5. Carter d’échappement selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit d’alimentation en air comprend une structure de maintien positionnée entre ledit premier réseau (52) de canaux thermiques et ledit deuxième réseau (53) de canaux thermiques.
  6. Carter d’échappement selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite structure de maintien (54) comporte une pluralité de croisillons.
  7. Carter d’échappement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit circuit d’alimentation en air comprend une pluralité de protubérance ménagées entre ladite au moins une entrée d’air (50) et ladite au moins une sortie d’air (51).
  8. Carter d’échappement selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite pluralité de protubérance comprend au moins une colonne s’étendant radialement et ménagée au voisinage de ladite entrée d’air (50) et/ou au moins une protubérance présentant une surface supérieure courbée vers l’axe (X) et ménagée au voisinage de ladite sortie d’air (51).
  9. Carter d’échappement selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une pluralité de bras de renforts (42) répartis uniformément sur le pourtour intérieur de ladite surface radialement extérieure (49) dudit moyeu (4).
  10. Carter d’échappement selon la revendication 9, caractérisé en ce que chacun desdits bras de renfort (42) comprend au moins une paroi latérale présentant un profil en treillis.
  11. Turbomachine (1) pour aéronef comprenant un carter d’échappement selon l’une des revendications 1 à 10.
  12. Turbomachine pour aéronef selon la revendication 11, caractérisée en ce qu’elle est un turboréacteur.
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