FR3042820A1 - Dispositif de ventilation d'un compartiment de turbomachine - Google Patents

Abstract

Dispositif de ventilation (40, 40') d'un compartiment de turbomachine, en particulier d'une turbomachine d'aéronef, comportant une entrée d'air (41, 41') reliée à un diffuseur (44, 44'), caractérisé en ce qu'il comporte en outre un corps (46, 46') situé en aval du diffuseur, le diffuseur (44, 44') et le corps (46, 46') définissant entre eux une section de passage d'air, l'un (46, 44') parmi ledit diffuseur et ledit corps étant mobile par rapport à l'autre (44, 46') de façon à modifier ladite section, le corps (44, 44') étant en outre configuré pour dévier des objets étrangers susceptibles de traverser ladite section.

Description

Dispositif de ventilation d’un compartiment de turbomachine

DOMAINE TECHNIQUE L’invention concerne un dispositif de ventilation d’un compartiment de turbomachine telle qu’un turbopropulseur d’aéronef.

ETAT DE L’ART

Dans toutes applications de moteur (turbosoufflante, turbopropulseur, etc.), le compartiment nacelle abrite un certain nombre d’équipements sensibles et susceptibles de monter en température au cours d’un vol. C’est notamment le cas du calculateur FADEC.

Une ventilation du compartiment nacelle est donc nécessaire. Pour cela, un prélèvement est généralement réalisé via une écope située sur une paroi externe de la nacelle et captant de l’air ambiant.

Suivant les phases de vol, les conditions d’alimentation de l’écope peuvent varier très fortement. Dans le cas d’un turbopropulseur, on peut notamment distinguer deux phases : - en croisière : la pression totale disponible en amont est élevée (vitesse d’avance de l’aéronef) et la pression statique en aval du système (confluence avec l’échappement) est faible (point de fonctionnement adapté), ce qui se traduit par un débit de ventilation de la nacelle très important, - au ralenti sol : la pression totale disponible en amont est très faible (uniquement due à la faible compression de l’hélice) et la pression statique en aval est relativement élevée (point de fonctionnement fortement non adapté), ce qui se traduit par un débit de ventilation de la nacelle très faible.

La problématique d’optimisation du débit de ventilation de la nacelle doit répondre à deux objectifs et une contrainte.

Le premier objectif est d’assurer un débit minimum afin de refroidir suffisamment les équipements installés dans le compartiment nacelle, ce qui représente un point critique au ralenti sol.

Le second objectif est de limiter le débit à un certain débit maximum pour assurer l’efficacité du système d’extinction feu du compartiment nacelle, ce qui représente un point critique en vol.

Enfin, la contrainte est de limiter la traînée du système (différence entre la traînée de captation et la récupération de poussée résiduelle dans la tuyère). Cette traînée est croissante avec le débit traversant la nacelle. L’un des degrés de liberté pour régler le débit dans la nacelle est la perte de charge entre la zone de captation et la zone d’échappement. Ainsi, pour minimiser le débit dans la nacelle, il faut augmenter ces pertes de charge alors que pour augmenter le débit, il faut les minimiser.

La satisfaction du premier objectif mène à vouloir limiter la perte de charge au ralenti. La satisfaction du second objectif et de la contrainte mène à vouloir augmenter ces pertes de charge pendant les phases de vol.

La présente invention a pour objectif de permettre une variation des pertes de charge suivant les phases de vol.

Un autre objectif de la présente invention est la protection des équipements face aux objets étrangers appelés couramment FOD (acronyme de l’anglais Foreign Object Debris/Damage). En effet, dans certains cas, la position des écopes de captation du débit de ventilation de la nacelle autorise l’ingestion de nombreux corps étrangers (grêle, poussières, graviers et même oiseaux de petite taille). Ces problématiques d’ingestion peuvent mener à déplacer certains équipements de la zone directement en aval de l’écope (ce qui a des impacts sur l’installation et la ventilation, la zone la mieux ventilée étant la zone juste en aval de l’écope) ou de protéger ces équipements (impact sur la masse).

La présente invention a pour objectif d’empêcher le choc direct (sans rebond) entre des corps étrangers du type FOD et des équipements.

Finalement, dans le cas d’un turbopropulseur équipé de deux écopes dynamiques situées de part et d’autre de l’entrée d’air, la dissymétrie créée par l’hélice située juste en amont des écopes de ventilation induit une dissymétrie de l’alimentation des écopes et donc un déséquilibre dans la ventilation du compartiment nacelle.

La présente invention a pour objectif de permettre un rétablissement des débits entre les deux écopes dans ce type particulier de configuration.

EXPOSE DE L'INVENTION L’invention propose ainsi un dispositif de ventilation d’un compartiment de turbomachine, en particulier d’une turbomachine d’aéronef, comportant une entrée d’air reliée à un diffuseur caractérisé en ce qu’il comporte en outre un corps situé en aval du diffuseur, le diffuseur et le corps définissant entre eux une section de passage d’air, l’un parmi ledit diffuseur et ledit corps étant mobile par rapport à l’autre de façon à modifier ladite section, le corps étant en outre configuré pour dévier des objets étrangers susceptibles de traverser ladite section.

Un des postes de pertes de charge principaux entre la captation et l’échappement par un dispositif de ventilation est celle liée à l’écoulement dans le dispositif de ventilation. Cette perte de charge croît de manière quadratique en fonction du Mach présent dans le dispositif de ventilation. Avantageusement, le dispositif de ventilation selon l’invention permet de faire varier le Mach dans le dispositif de ventilation en modifiant sa section de passage.

Un autre poste de pertes de charge concerne l’éclatement du jet dans la nacelle dans la mesure où le dispositif de ventilation alimente un compartiment nacelle. Au premier ordre, un tel éclatement crée une perte de charge égale à la pression dynamique du jet d’air. Ainsi, pour minimiser ces pertes, un diffuseur permettant de transformer la pression dynamique en pression statique en amont de l’éclatement peut être installé. Cette récupération de pression statique est d’autant plus importante que le rapport de diffusion (section de sortie/section d’entrée) est grand. Le dispositif de ventilation permet de faire varier ce rapport de diffusion.

Finalement, dans le cas où un turbopropulseur serait équipé de deux dispositifs de ventilation dont les conditions d’alimentation seraient différentes, il serait possible de rééquilibrer le débit traversant chacun d’eux en dissymétrisant le rapport de diffusion des deux dispositifs de ventilation et donc de leurs pertes de charge.

La variation de la section de passage et du rapport de diffusion dans le dispositif de ventilation est réalisée par déplacement du corps vis-à-vis du diffuseur, ou inversement.

Le dispositif de ventilation selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - le diffuseur est prolongé par un conduit qui le relie à l’entrée d’air, le maître couple du corps étant supérieur au rayon minimal du conduit, - le diffuseur a une forme tubulaire allongée d’axe longitudinal A, le corps étant aligné sur l’axe A, et l’un parmi ledit diffuseur et ledit corps étant mobile par rapport à l’autre en translation le long dudit axe, - la section de passage d’air a une forme annulaire, - le diffuseur a une forme évasée du côté du corps, - le corps comprend une partie amont en ogive et éventuellement une partie aval en ogive, - le corps comprend une partie amont dont la section, de forme générale circulaire de préférence, augmente vers l’aval, depuis une extrémité amont en pointe de section quasi nulle, jusqu’à une partie de plus grande section maximale du corps, - le corps comprend une partie aval dont la section, de forme générale circulaire de préférence, diminue vers l’aval, depuis une partie de plus grande section maximale du corps jusqu’à une extrémité aval en pointe de section quasi nulle, - le diffuseur ou le corps est mobile depuis une première position dans laquelle ladite partie amont est partiellement insérée dans ledit diffuseur, et une seconde position dans laquelle ladite partie amont est sensiblement entièrement insérée dans ledit diffuseur, - le diffuseur est fixe et le corps est mobile et relié par des bras à un anneau qui s’étend autour de l’axe A en amont dudit diffuseur et qui est configuré pour coopérer avec un moyen d’entraînement en translation dudit anneau et donc dudit corps le long dudit axe, - les bras traversent des orifices du diffuseur, et - le corps est fixe et le diffuseur est mobile et configuré pour coopérer avec au moins un moyen de guidage en translation et un moyen d’entraînement en translation le long de l’axe A.

La présente invention concerne encore une turbomachine, telle qu’un turbopropulseur d’aéronef, comportant au moins un dispositif de ventilation tel que décrit ci-dessus, en particulier pour l’alimentation en air d’un compartiment nacelle.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue très schématique d’un turbopropulseur d’aéronef, - la figure 2 est une vue schématique en perspective de l’avant ou de l’amont d’un turbopropulseur d’aéronef, - les figures 3 et 4 sont des vues schématiques en perspective d’un dispositif de ventilation selon l’invention, dont un corps mobile est respectivement dans deux positions différentes, - la figure 5 est une vue schématique en perspective du dispositif de ventilation des figures 3 et 4, vue depuis l’aval, et - la figure 6 est une vue très schématique en coupe axiale d’une variante de réalisation d’un dispositif de ventilation selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE

On se réfère d’abord à la figure 1 qui représente un turbopropulseur 10 pour un aéronef.

Le turbopropulseur 10 est ici du type double corps et comprend un corps basse pression 12 et un corps haute pression 14, le corps basse pression 12 entraînant une hélice de propulsion par l’intermédiaire d’une boîte d’engrenages 16 ou boîte de réduction, appelée couramment PGB (pour Propeller Gear Box). Seul l’arbre 18 de l’hélice de propulsion est représenté en figure 1.

Le corps basse pression 12 comprend ici seulement un rotor de turbine relié par un arbre à la boîte d’engrenages 16. Le corps haute pression 14 comprend un rotor de compresseur relié par un arbre à un rotor de turbine. L’arbre du corps haute pression 14, appelé arbre HP 20, est tubulaire et traversé coaxialement par l’arbre du corps basse pression 12, appelé arbre BP 22 ou de puissance. L’arbre BP 22 comprend à une extrémité un pignon (non représenté) accouplé par l’intermédiaire d’une série de pignons de la boîte d’engrenages 16 à l’arbre 18 de l’hélice de propulsion.

Le turbopropulseur 10 comprend un boîtier 24 d’entraînement d’équipements accessoires (appelé boîtier d’accessoires ou AGB pour Accessory Gear Box) qui est accouplé au corps haute pression de la turbomachine 14, et en particulier à l’arbre HP, par l’intermédiaire d’un arbre radial 26. Le boîtier d’accessoires 24 est monté dans la nacelle 28 du turbopropulseur 10, qui est schématiquement représentée par un rectangle.

Le turbopropulseur 10 comprend en outre une manche d’entrée d’air 32 pour l’alimentation en air du moteur, et une tuyère 34 d’échappement des gaz de combustion. Le turbopropulseur 10 comprend en outre une chambre de combustion 35, entre le compresseur HP et la turbine HP.

La figure 2 représente l’avant ou l’amont d’un turbopropulseur 10 selon l’invention, les termes amont et aval faisant référence à la direction d’écoulement de l’air autour et à l’intérieur du turbopropulseur 10 en fonctionnement dans l’intégralité de la présente demande.

On constate que l’extrémité amont de la nacelle 28 intègre la lèvre de la manche 32 d’entrée d’air, qui est traversée par un plan P médian sensiblement vertical passant par l’axe de rotation de l’hélice. La nacelle 28 comprend en outre, de part et d’autre de ce plan P, et sensiblement entre la lèvre de la manche 32 et l’hélice, deux dispositif de ventilation 40 du type écopes destinés à prélever de l’air par une entrée d’air 41 en vue de l’alimentation d’un compartiment interne de la nacelle 28 et de la ventilation d’équipements logés dans ce compartiment. La figure 2 permet de comprendre que les deux dispositifs de ventilation 40 ne sont pas alimentés de manière identique, puisque lorsque l’hélice tourne dans le sens antihoraire par exemple, le dispositif 40 d’un côté (gauche sur le dessin) est alimenté par déplacement des pales en phase descendante, et le dispositif 40 situé de l’autre côté (droit sur le dessin) est alimenté par déplacement des pales en phase montante.

Les figures 3 à 5 montrent un dispositif de ventilation 40 selon un mode de réalisation de l’invention. Dans l’exemple représenté, ce dispositif de ventilation 40 comprend d’amont en aval un conduit 42, un diffuseur 44 et un corps mobile 46.

Le conduit 42 et le diffuseur 44 peuvent former un seul et même élément. Le conduit 42 a une forme allongée ici cylindrique et tubulaire. Il débouche à son extrémité amont sur une face externe d’un capot de nacelle 28 pour définir un orifice d’alimentation ou d’admission d’air, et est en communication fluidique à son extrémité aval avec le diffuseur 44. Le conduit 42 définit une section de passage circulaire, sensiblement constante le long de son axe longitudinal A.

Le diffuseur 44 a une forme allongée et tubulaire le long de l’axe A. Il a une forme évasée du côté opposé au conduit 42. Son extrémité évasée est destinée à recevoir le corps 46 mobile qui est déplaçable en translation le long de l’axe A entre une première position représentée à la figure 3 où il est partiellement inséré dans le diffuseur 44, et une seconde position représentée à la figure 4 où il est davantage inséré dans le diffuseur 44. Le diffuseur 44 et le corps 46 définissent entre eux une section sensiblement annulaire de passage d’air, qui est maximale à la figure 3 et minimale à la figure 4.

Le corps 46 a une forme ovoïde centrée sur l’axe A et dont les extrémités amont et aval sont en pointe. Autrement dit, le corps 46 a une partie amont sensiblement en ogive ou tête d’ogive et une partie aval sensiblement en ogive ou tête d’ogive. La forme profilée de la partie aval du corps 46 est destinée à limiter les pertes de charge dans le flux d’air de ventilation délivré dans la nacelle 28. La forme profilée de la partie amont du corps 46 permet d’attribuer une fonction spécifique au corps 46 qui est de dévier les objets étrangers susceptibles de pénétrer dans le dispositif 40. Cette partie amont présente par exemple une conicité d’angle supérieur ou égal à 30°. Ces objets étrangers sont destinés à pénétrer dans le conduit 42 puis dans le diffuseur 44 et à venir impacter la partie amont du corps 46 pour être déviés radialement vers l’extérieur de l’axe A. Un équipement sensible qui serait disposé en aval du dispositif 40 ne risquerait donc pas de recevoir d’objets étrangers. Les équipements qui seraient disposés latéralement pourraient recevoir des objets étrangers après rebond (c’est-à-dire après avoir perdus une grande partie de leur énergie cinétique, et donc inoffensifs). Ils ne recevraient pas d’objets étrangers à pleine vitesse.

Le corps 46 est ici relié par des bras longitudinaux 50 à un anneau 48 monté autour du conduit 42. L’anneau 48 peut éventuellement être placé autour du diffuseur 44, cela dépend des longueurs respectives du conduit 42 et du diffuseur 44. Dans tous les cas, l’anneau 48 est de préférence disposé en amont de l’évasement du diffuseur 44.

Les bras 50 sont ici au nombre de trois et sont régulièrement répartis autour de l’axe A. L’anneau 48 est monté mobile en coulissement le long de l’axe A sur le conduit 42 voire une partie (amont) du diffuseur 44. Il a ici un diamètre externe inférieur ou égal au diamètre de l’extrémité évasée du diffuseur 44. Les bras longitudinaux 50 sont inscrits dans un cylindre entourant l’anneau 48 et le diffuseur 44 et traversent des orifices 52 du diffuseur. Ceci permet de limiter l’encombrement du dispositif 40 mais les bras 50 pourraient en variante ne pas traverser le diffuseur 44 mais simplement s’étendre longitudinalement autour de celui-ci.

Bien que cela ne soit pas représenté dans les dessins, l’anneau 48 porte une crémaillère longitudinale (non représentée) qui est engrenée avec un pignon 54 dont l’axe B de rotation est perpendiculaire à l’axe A.

Le déplacement de l’anneau 48 et donc du corps 46 est réalisé grâce à la rotation du pignon 54 qui est provoqué par un moyen d’entraînement tel qu’un moteur électrique (non représenté).

En plus de permettre une modification de la section de passage, le déplacement du corps 46 dans le diffuseur 44 permet de faire varier le rapport de diffusion du diffuseur 44. La position de la figure 3 est particulièrement adaptée à un régime de ralenti, le dispositif 40 permettant de fournir un fort rapport de dilution. La position de la figure 4 est particulièrement adaptée à un régime de croisière, le dispositif 40 fournissant alors un faible rapport de diffusion.

Le corps 46 obstruant est de préférence profilé afin de minimiser les pertes de pression qu’il génère. La course de la crémaillère devra être suffisamment grande afin de pouvoir dégager quasi totalement le corps 46 du diffuseur 44. Les bras 50 transmettant l’effort de translation sont de préférence suffisamment robustes pour conserver une bonne concentricité entre le corps 46 et le diffuseur 44. Ils devront être profilés et relativement fins, afin de limiter les pertes provoquées par leurs sillages.

Le maître couple du corps 46 obstruant est de préférence supérieur au rayon minimal du conduit 42. C’est en effet grâce au fait que le diamètre de la section du corps est supérieur au diamètre du conduit d’entrée d’air, que les objets étrangers sont correctement déviés. Cette spécificité lui permet donc de remplir sa fonction de protection contre les impacts de FOD directs. A titre d’exemple, l’anneau 48 peut être réalisé en métal. Le corps 46 mobile peut être réalisé en plastique ou en composite. Un roulement à billes pourra être intégré entre le conduit 42 ou le diffuseur 44 et l’anneau 48 afin de guider en translation ce dernier.

On se réfère désormais à la figure 6 qui représente une variante du dispositif 40’ selon l’invention. Par opposition au précédent mode de réalisation, le diffuseur 44’ du dispositif 40’ est ici mobile et son corps 46’ est fixe.

Le corps 46’ est monté fixement à l’intérieur de la nacelle 28, ici sur une paroi 28’ fixe de cette dernière. Il est aligné sur l’axe A et disposé en amont d’un équipement 56 en vue de sa protection contre les FOD. Le corps 46’ est monté sur la paroi 28’ au moyen de bras 50’ qui comprennent des parties s’étendant sensiblement parallèlement à l’axe A et qui sont configurées pour former des moyens de guidage en translation du diffuseur 44’.

Le conduit 42’ est relié à l’entrée d’air 41’ et comprend une portion cylindrique de guidage sur lequel est montée une extrémité amont du diffuseur 44’. Le diffuseur 44’ a une forme allongée cylindrique d’axe longitudinal A. Il est monté à son extrémité amont sur la portion cylindrique du conduit 42’ et à son extrémité aval à l’intérieur des bras 50’ qui le guident. Dans l’exemple représenté, le diffuseur 44’ comprend une partie cylindrique amont de plus petit diamètre qui est monté en coulissement longitudinal le long de l’axe A sur la portion cylindrique du conduit, et une partie cylindrique aval de plus grand diamètre qui est monté en coulissement longitudinal le long de l’axe A à l’intérieur des bras 50’.

Comme dans le précédent mode de réalisation, le déplacement en translation peut être réalisé par un pignon 54’ qui engrène une crémaillère, ici du diffuseur 44’, et qui est lui-même entraîné par un moteur électrique par exemple.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif de ventilation (40, 40’) d’un compartiment de turbomachine, en particulier d’une turbomachine d’aéronef, comportant une entrée d’air (41, 41’) reliée à un diffuseur (44, 44’), caractérisé en ce qu’il comporte en outre un corps (46, 46') situé en aval du diffuseur, le diffuseur (44, 44’) et le corps (46, 46’) définissant entre eux une section de passage d’air, l’un (46, 44’) parmi ledit diffuseur et ledit corps étant mobile par rapport à l’autre (44, 46’) de façon à modifier ladite section, le corps (44, 44’) étant en outre configuré pour dévier des objets étrangers susceptibles de traverser ladite section.
2. 2. Dispositif de ventilation (40, 40’) selon la revendication 1, dans lequel le diffuseur (44, 44’) est prolongé par un conduit (42, 42’) qui le relie à l’entrée d’air, le maître couple du corps (46, 46’) étant supérieur au rayon minimal du conduit (42, 42’).
3. 3. Dispositif de ventilation (40, 40’) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le diffuseur (44, 44’) a une forme tubulaire allongée d’axe longitudinal A, le corps (46, 46’) étant aligné sur l’axe A, et l’un parmi ledit diffuseur et ledit corps étant mobile par rapport à l’autre en translation le long dudit axe.
4. 4. Dispositif de ventilation (40, 40’) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la section de passage d’air a une forme annulaire.
5. 5. Dispositif de ventilation (40, 40’) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le diffuseur (44, 44’) a une forme évasée du côté du corps (46, 46’).
6. 6. Dispositif de ventilation (40, 40’) selon l’une des revendications 3 à 5, dans lequel le corps (46, 46’) comprend une partie amont en ogive et éventuellement une partie aval en ogive.
7. 7. Dispositif de ventilation (40, 40’) selon la revendication précédente, dans lequel le diffuseur (44, 44’) ou le corps (46, 46’) est mobile depuis une première position dans laquelle ladite partie amont est partiellement insérée dans ledit diffuseur, et une seconde position dans laquelle ladite partie amont est sensiblement entièrement insérée dans ledit diffuseur.
8. 8. Dispositif de ventilation (40) selon l’une des revendications 3 à 7, dans lequel le diffuseur (44) est fixe et le corps (46) est mobile et relié par des bras (50) à un anneau (48) qui s’étend autour de l’axe A en amont dudit diffuseur et qui est configuré pour coopérer avec un moyen (54) d’entraînement en translation dudit anneau et donc dudit corps le long dudit axe.
9. 9. Dispositif de ventilation (40) selon la revendication précédente, dans lequel les bras (50) traversent des orifices du diffuseur (44).
10. 10. Dispositif de ventilation (40’) selon l’une des revendications 3 à 7, dans lequel le corps (46’) est fixe et le diffuseur (44’) est mobile et configuré pour coopérer avec au moins un moyen de guidage en translation et un moyen (54’) d’entraînement en translation le long de l’axe A.
11. 11. Turbomachine, telle qu’un turbopropulseur, d’aéronef, comportant au moins un dispositif de ventilation (40, 40’) selon l’une des revendications précédentes, en particulier pour l’alimentation en air d’un compartiment nacelle.