FR3152829A1 - Circuit de dégivrage d’un bec de séparation de turbomachine - Google Patents
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Abstract
Le présent exposé concerne un ensemble pour turbomachine. L’ensemble comprenant :
- un bec annulaire de séparation, et
- un carter annulaire fixé au bec en aval du bec ;
le carter comprenant au moins un conduit d’air de dégivrage s’étendant de l’aval vers l’amont, une sortie du conduit d’air débouchant le bec, et une chambre de diffusion, constituée par un conduit annulaire positionné en aval du conduit d’air, la chambre de diffusion comprenant au moins une entrée alimentée par de l’air chaud issue d’un moteur et une sortie reliée au conduit d’air, le conduit d’air et la chambre de diffusion étant tous deux formés avec la paroi interne du carter.
Figure pour l’abrégé : Fig. 3
Description
Le présent exposé concerne le domaine des turbomachines et concerne plus particulièrement le dégivrage des becs de séparation de flux équipant les turbomachines.
Dans une turbomachine aéronautique du type à double corps et double flux, une veine d'écoulement du flux primaire (ou flux chaud) et une veine d'écoulement du flux secondaire (ou flux froid) sont séparées en aval d’une soufflante par un bec de séparation.
Le bec de séparation est un élément interne de la turbomachine qui est particulièrement exposé à la formation de glace en conditions givrantes de vol. En effet, dans de telles conditions, de l'air humide et de la pluie peuvent pénétrer à l'intérieur de la turbomachine et se déposer sur le bec de séparation sous la forme de blocs de glace. Pour éviter la formation de blocs de glace sur le bec de séparation, il est connu de venir injecter à l'intérieur du bec de séparation de l'air chaud prélevé sur un étage d’un compresseur de la turbomachine. Cet air est typiquement acheminé par des conduits rapportés qui traversent un carter de la turbomachine sur lequel est fixé le bec de séparation et viennent se fixer sur le bec de séparation pour y décharger l'air prélevé.
Cependant, afin d'optimiser la masse et les performances aérodynamiques de la turbomachine en conservant le même rapport entre les sections des veines d'écoulement des flux primaire et secondaire, les motoristes cherchent à diminuer les rayons de ces veines et la distance inter-veine (soit l’épaisseur du bec).
Le document FR3095229 décrit des conduits qui traversent la veine primaire d’aval vers amont pour déboucher sur une ouverture d’une paroi interne du bec. Une telle disposition des canaux permet de réduire l’épaisseur radiale du bec mais nécessite d’épaissir un bras positionné dans la veine primaire et que traverse le conduit. Ainsi, cette disposition induit des modifications dans l’écoulement du flux circulant dans la veine primaire.
Le document FR3004485 décrit un carter fixé en aval du bec comprenant une virole interne. Un conduit est directement intégré à la virole interne. Mais cette autre disposition nécessite la mise en place d’une canalisation circonférentielle additionnelle, rapportée au carter et fixée au carter.
Il existe donc un besoin de réduction de l’encombrement radial et de diminution du nombre de pièces afin de faciliter le montage de la turbomachine et d’augmenter ses performances.
Un but de l’exposé est de résoudre au moins l’un des problèmes précédemment cités.
Il est à cet effet proposé, selon un aspect du présent exposé, un ensemble pour turbomachine. L’ensemble comprend :
- un bec annulaire de séparation, configuré pour être positionné en aval d’une soufflante de turbomachine, dans un sens de circulation d’un flux de gaz issu de la soufflante, et pour séparer ledit flux en un flux primaire et un flux secondaire, le bec comprenant une cavité intérieure annulaire, et
- un carter annulaire fixé au bec en aval du bec, le carter comprenant une paroi interne annulaire délimitant extérieurement une veine d’écoulement primaire dans laquelle circule le flux primaire.
Le carter comprend :
- au moins un conduit d’air de dégivrage s’étendant de l’aval vers l’amont, une sortie du conduit d’air débouchant dans la cavité intérieure du bec, et
- une chambre de diffusion, constituée par un conduit annulaire positionné en aval du conduit d’air, la chambre de diffusion comprenant au moins une entrée alimentée par de l’air chaud issue d’un moteur et une sortie reliée au conduit d’air.
Le conduit d’air et la chambre de diffusion sont tous deux formés avec la paroi interne du carter.
Un tel ensemble permet de se passer de la présence d’une canalisation circonférentielle rapportée afin de réduire l’encombrement de la turbomachine au niveau du bec de séparation. L’absence de canalisation circonférentielle rapportée sur le carter permet de réduire significativement le nombre de pièce car il n’est plus nécessaire d’utiliser des éléments de visserie et de maintien. Il en résulte un gain de temps important au moment du montage de l’ensemble, ainsi q’un gain sur la masse de l’ensemble.
Cet ensemble résout également le problème des risques de rupture d’une canalisation induit par une surpression ou de fuites liée à une déficience d’étanchéité.
Avantageusement, mais facultativement, l’ensemble exposé comprend l’une au moins des caractéristiques suivantes, prise seule ou dans une quelconque combinaison :
- le carter comprend une bride radiale annulaire positionnée en aval de la paroi interne et de manière radialement externe la paroi interne, la chambre de diffusion formant une jonction entre la paroi interne et la bride radiale ;
- le carter comprend une bride radiale annulaire positionnée en aval de la paroi interne et de manière radialement externe la paroi interne, la chambre de diffusion formant une jonction entre la paroi interne et la bride radiale ;
- la paroi interne comprend au moins un raidisseur en forme de plaque s’étendant depuis la paroi interne vers la bride radiale selon un plan longitudinal comprenant un axe longitudinal de la turbomachine ;
- le raidisseur est positionné sur la paroi interne au niveau du conduit d’air, de manière à former une paroi du conduit d’air ;
- le carter, le conduit d’air et la chambre de diffusion sont réalisés par fabrication additive ou par fonderie ;
- une pluralité de conduits d’air est répartie régulièrement autour de la paroi interne, la chambre de diffusion comprenant autant de sorties que de conduits d’air ;
- l’au moins une entrée de la chambre de diffusion est directement alimentée en air prélevé en aval dans la veine d’écoulement primaire ;
- la chambre de diffusion comprend plusieurs entrées.
Selon un autre aspect, il est proposé une turbomachine d’aéronef comprenant : une soufflante et un ensemble tel que précédemment décrit, l’ensemble étant positionné en aval de la soufflante.
Selon un troisième aspect, il est proposé un aéronef comprenant une cellule et une turbomachine telle que précédemment décrite, dans lequel la turbomachine est fixée à la cellule.
D’autres caractéristiques, buts et avantages ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La FIG. 1 illustre un aéronef de façon schématique, selon un mode de réalisation du présent exposé ;
La FIG. 2 illustre une vue en coupe schématique d’un ensemble propulsif pour aéronef, selon un mode de réalisation du présent exposé ;
La FIG. 3 illustre schématiquement un ensemble selon un mode de réalisation du présent exposé ;
La FIG. 4 illustre schématiquement une vue en perspective d’un carter de l’ensemble, selon un mode de réalisation du présent exposé ;
La FIG. 5 illustre schématiquement une vue en coupe d’un carter de l’ensemble, selon un mode de réalisation du présent exposé.
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
LaFIG. 1 illustre un aéronef100est un appareil configuré pour s’élever et se déplacer dans l’air, et peut, par exemple, être un avion, civil ou militaire, voire un hélicoptère. Un aéronef100comprend une cellule qui, dans le cas d’un avion, est composée d’un fuselage, d’une voilure comprenant deux ailes, d’empennages, de gouvernes de vol et d’un train d’atterrissage.
Un ensemble propulsif1tel qu’illustré par laFIG. 2 comprend un moteur2(ou turbomachine) et une nacelle3, et présente une direction principale s’étendant selon un axe longitudinal X-X. L’ensemble propulsif1est configuré pour être fixé sur la cellule de l’aéronef100, par exemple sous ses ailes, dans le cas d’un avion, et ce par l’intermédiaire d’un pylône (ou mât). L’ensemble propulsif1peut également être monté sur l’aile de l’avion ou encore à l’arrière de son fuselage, voire être intégré à son fuselage.
Le moteur2peut être un turboréacteur caréné à double corps, double flux et entraînement direct, tel que décrit ci-après, mais peut également comporter un nombre différent de corps et/ou de flux, et/ou être un autre type de turboréacteur, tel qu’un turboréacteur à réducteur ou un turbopropulseur, avec ou sans postcombustion, caréné ou non-caréné.
Sauf précision contraire, les termes « amont » et « aval » sont utilisés en référence à la direction globale d’écoulement d’air à travers l’ensemble propulsif1en fonctionnement. De même, une direction axiale correspond à la direction de l'axe longitudinal X-X et une direction radiale est une direction perpendiculaire à l’axe longitudinal X-X et coupant l’axe longitudinal X-X. Par ailleurs, un plan axial est un plan contenant l'axe longitudinal X-X et un plan radial est un plan perpendiculaire à l’axe longitudinal X-X. Une circonférence s’entend comme un cercle appartenant à un plan radial et dont le centre appartient à l’axe longitudinal X-X. Une direction tangentielle ou circonférentielle est une direction tangente à une circonférence : elle est perpendiculaire à l’axe longitudinal X-X mais ne passe pas par l’axe longitudinal X-X. Enfin, 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-X que la partie extérieure du même élément.
Le moteur2comprend, de l’amont vers l’aval, une soufflante20, une section de compresseur22, comprenant un compresseur basse pression220et un compresseur haute pression222, une chambre de combustion24et une section de turbine26, comprenant une turbine haute pression262et une turbine basse pression260.
La section de compresseur22comprend une succession d'étages comprenant chacun une roue d'aubes mobiles (rotor) tournant devant une roue d'aubes fixes (stator). La section de turbine26comprend également une succession d'étages comprenant chacun une roue d'aubes fixes (stator) derrière laquelle tourne une roue d'aubes mobiles (rotor).
La soufflante20, la partie rotorique du compresseur basse pression220, et la partie rotorique de la turbine basse pression260sont reliées entre elles par un arbre basse pression280s’étendant le long de l’axe longitudinal X-X, formant ainsi un corps basse pression20,220,260,280. La partie rotorique du compresseur haute pression222et la partie rotorique de la turbine haute pression262sont reliées entre elles par un arbre haute pression282s’étendant le long de l’axe longitudinal X-X, formant ainsi un corps haute pression222,262,282. L’arbre basse pression280est généralement logé, sur un tronçon de sa longueur, dans l’arbre haute pression282et est coaxial à l’arbre haute pression282.
La section de compresseur22, la chambre de combustion24et la section de turbine26sont entourées par un carter moteur23, autrement appelé moyeux (ou « fan frame » ou « fan case » selon la terminologie anglo-saxonne), auquel sont reliées les parties statoriques du compresseur basse pression220, du compresseur haute pression222, de la turbine haute pression262et de la turbine basse pression260, tandis que la soufflante20est entourée par un carter de soufflante25. Le carter moteur23et le carter de soufflante25sont reliés entre eux par des bras27profilés formant des redresseurs (ou OGV pour« Outlet Guide Vanes »dans la terminologie anglo-saxonne) répartis de manière circonférentielle tout autour de l’axe longitudinal X-X. Au moins certains de ces bras27peuvent être prévus structuraux. L’axe longitudinal X-X définit l’axe de rotation pour la soufflante20, les parties rotoriques de la section de compresseur22et les parties rotoriques de la section de turbine26, autrement dit pour le corps basse pression20,220,260,280et le corps haute pression222,262,282, lesquels sont chacun susceptibles d’être entraînés en rotation autour de l’axe longitudinal X-X par rapport au carter moteur23et au carter de soufflante25.
La nacelle3s’étend radialement à l’extérieur du moteur2, tout autour de l’axe longitudinal X-X, de sorte à entourer à la fois le carter de soufflante25et le carter moteur23, et à définir, avec une partie aval du carter moteur23, une partie aval d’une veine secondaireB, la partie amont de la veine secondaireBétant définie par le carter de soufflante25et une partie amont du carter moteur23. La partie amont de la nacelle3définit en outre une entrée d’air29par laquelle la soufflante20aspire le flux d’air circulant à travers l’ensemble propulsif1. La nacelle3est solidaire du carter de soufflante25et rapportée et fixée à l’aéronef100au moyen du mât.
Le moteur2peut également comprendre au moins un boîtier d’accessoires, appelé AGB (pour« A ccessory gear box »dans la terminologie anglo-saxonne), par exemple logé dans une cavité ménagée au sein de la nacelle3. Le boîtier d’accessoires comprend un ensemble d’éléments rotatifs, tels que des engrenages, permettant d’entraîner en rotation une pluralité d’arbres autour de leur propre axe, des accessoires étant montés sur ces arbres pour tirer de leur rotation une puissance mécanique utile. L’ensemble d’engrenages est lui-même entraîné à l’aide d’un arbre de prise de mouvement (ou RDS pour« Radial Drive Shaft »dans la terminologie anglo-saxonne) reliant, éventuellement par l’intermédiaire d’un boîtier de transfert, le boîtier d’accessoires à l’un au moins parmi le corps haute pression222,262,282et le corps basse pression20,220,260,280, typiquement en étant engrené avec l’un au moins parmi l’arbre haute pression282et l’arbre basse pression280. A cet égard, l’arbre de prise de mouvement peut s’étendre à l’intérieur d’une cavité longitudinale ménagée au sein de l’un des bras27. De cette manière, une puissance mécanique est susceptible d’être prélevée sur l’un au moins parmi le corps haute pression222,262,282et le corps basse pression20,220,260,280pour être délivrée à l’au moins des accessoires par l’intermédiaire du boîtier d’accessoires.
Carter moteur
Le carter moteur23, tel qu’illustré par laFIG. 3 , est annulaire et comprend une paroi interne231(ou virole interne) et une paroi externe232. Pour plus de simplicité, le carter moteur23est par la suite simplement appelé carter23. Une veine primaireAest située de manière radialement interne à la paroi interne231du carter23et une veine secondaireBs'étend entre la paroi externe232et une paroi interne carter de soufflante25. Le carter23forme ainsi un compartiment inter-veines.
Le carter23comprend en outre une bride radiale233positionnée en aval de la paroi interne231et de manière radialement externe à la paroi interne231. En d’autres termes, la bride radiale233s’étend dans le carter23entre la paroi interne231du carter23et la paroi externe232du carter23. La bride radiale233est par exemple configurée pour renforcer la rigidité du carter23et assure également une fonction de paroi feu.
En outre, et comme illustré par les figures 4 et 5, le carter23comprend un ou plusieurs raidisseurs234en forme de plaque s’étendant axialement vers l’extérieur entre la paroi interne231du carter23et la bride du carter23. Les raidisseurs234sont préférentiellement répartis uniformément dans le carter23tout autour de l’axe longitudinale X-X du carter23. Les raidisseurs234sont configurés pour assurer une meilleure rigidité du carter23.
En fonctionnement, la soufflante20, illustrée par laFIG. 2 , aspire un flux d’air dont une portion, circulant au sein de la veine primaireAtraversant le carter23moteur23de part en part, est, successivement, comprimée au sein de la section de compresseur22, enflammée au sein de la chambre de combustion24par combustion de carburant, et détendue au sein de la section de turbine26avant d’être éjectée hors du moteur2. Une autre portion du flux d’air circule au sein de la veine secondaireBqui prend une forme annulaire allongée entourant le carter23moteur23, l’air aspiré par la soufflante20étant redressé par les redresseurs27puis éjecté hors de l’ensemble propulsif1. Cette poussée peut, par exemple, être mise au profit de l’aéronef100sur lequel l’ensemble propulsif1est rapporté et fixé. De cette manière, l’ensemble propulsif1génère une poussée.
Bec annulaire de séparation
La portion de flux d’air traversant la veine primaireA, dit flux primaire, et la portion de flux d’air traversant la veine secondaireB, dit flux secondaire, sont séparée l’une de l’autre en amont du carter23par un bec21annulaire de séparation. Le carter23et le bec21formant un ensembleE, comme illustré par laFIG. 3 . Le bec21est positionné en aval de la soufflante20et est fixé en amont du carter23. Le bec21forme le point de séparation amont entre la veine primaireAet la veine secondaireB. Le bec21comprend une paroi interne211, une paroi externe212et une paroi axiale213séparant le bec21du carter23. La paroi interne211du bec21et la paroi externe212du bec21sont respectivement dans le prolongement de la paroi interne231du carter23et de la paroi externe232du carter23.La paroi interne211du bec21et la paroi externe212du bec21sont jointes l’une à l’autre en amont du bec21. La paroi axiale213, ou paroi avale, est positionnée en aval du bec21et est en contact avec la partie amont du carter23.
Le bec21de séparation présente une cavité intérieure214annulaire. La cavité intérieure214est comprise radialement entre la paroi interne211du bec21et la paroi externe212du bec21et axialement entre la jonction amont de la paroi interne211du bec21et la paroi avale213du bec21. Préférentiellement, la cavité214communique avec le carter23à travers la paroi avale214du bec21et grâce à des orifices215prévus à cet effet dans la paroi avale214du bec21. La paroi avale213du bec21comprend au moins un orifice215et préférentiellement plusieurs orifice215répartis uniformément tout autour de l’axe longitudinal X-X du bec21.
Dispositif de dégivrage
Le carter23comprend en outre un dispositif de dégivrage, comme illustré par les figures 3 à 5. Le dispositif de dégivrage est configuré pour acheminer de l’air chaud dans la cavité intérieure du bec21afin de le réchauffer. En effet, le bec21est soumis à de faibles températures ce qui peut s’avérer problématique du fait de la création de morceaux de glace induite par le givrage du bec21.
Le dispositif de dégivrage est configuré pour prélever de l’air chaud dans le moteur2, en aval dans la veine d’écoulement primaireA. L’air chaud est par exemple prélevé dans un compresseur du moteur2comme le compresseur haute pression222et le communique à la cavité intérieure213du bec21par l’intermédiaire des orifices215prévus dans la paroi aval214du bec21.
Le dispositif de dégivrage comprend préférentiellement une chambre de diffusion235et un ou plusieurs conduits d’air236. Le dispositif de dégivrage234est formé dans le carter23et forme une unique pièce avec le carter23. En d’autres termes, le carter23, la chambre de diffusion235et les conduits d’air236sont fabriqués d’une seule et même pièce au cours d’un unique procédé de fabrication comme par exemple par fonderie en utilisant des noyaux afin de ménager les conduits ou bien par fabrication additive. Avantageusement, la chambre de diffusion235et les conduits d’air236sont formés dans une paroi du carter23comme, par exemple, dans la paroi interne231du carter23.
Le conduit d’air236est un conduit s’étendant longitudinalement entre le bec21et la chambre de diffusion235positionnée en aval du conduit d’air236. Le conduit d’air236relie fluidiquement la cavité intérieure213du bec21à la chambre de diffusion235. Le conduit d’air236comprend une entrée2361et une sortie2362, comme illustré par laFIG. 5 . L’entrée2361est connectée à la chambre de diffusion235et la sortie2362est connectée à un orifice215de la paroi avale214du bec21. Le dispositif de dégivrage234comprend au moins un conduit d’air236et préférentiellement une pluralité de conduits d’air236. Les conduits d’air236sont avantageusement positionnés uniformément et à intervalle régulier dans le carter23autour de l’axe longitudinal X-X. Chaque conduit d’air236communique en amont avec un orifice215de la paroi avale214du bec21et communique en aval avec la chambre de diffusion235.
Avantageusement, chaque conduit d’air236est positionné dans le carter23au niveau d’un raidisseur234.
La chambre de diffusion235est un conduit annulaire s’étendant dans le carter23moteur et tout autour de la veine primaire. La chambre de diffusion235comprend une ou plusieurs entrées2351reliées fluidiquement à une canalisation237d’apport d’air chaud du moteur2. La chambre de diffusion235comprend autant de sorties2352que le nombre de conduits d’air236, chaque sortie2352de la chambre de diffusion235étant connectée fluidiquement à un conduit d’air236. La chambre de diffusion235permet ainsi de répartir l’air chaud prélevé dans le moteur2dans toute la cavité intérieure213du bec21par l’intermédiaire de la pluralité de conduits d’air236.
Avantageusement, la chambre de diffusion235est positionnée dans le carter23à la jonction de la paroi interne231du carter23et de la bride radiale233du carter23.
Avantages
La formation des conduits d’air236et de la chambre de diffusion235directement dans la paroi interne231du carter23permet de réduire l’épaisseur radiale du carter23et ainsi de limiter la dimension radiale du compartiment inter-veine. Cette réduction d’épaisseur permet d’augmenter les performances du moteur2.
La formation des conduits d’air236et de la chambre de diffusion235tel que précédemment décrit permet également de limiter le nombre de pièces du moteur2et donc d’en faciliter le montage. Il permet aussi d’éviter tout risque de fuite dans le carter23(ou «burst duct» selon la terminologie anglosaxonne) lié une rupture d’une canalisation rapportée ou bien à un défaut de montage.
Le dispositif de dégivrage tel que décrit permet de ne pas modifier la structure du moteur2et la forme de la veine d’écoulement primaireAet de la veine d’écoulement secondaireB.
Le positionnement des conduits d’air236par rapport aux raidisseurs234permet de faciliter et simplifier la fabrication du carter23.
Claims (10)
- Ensemble (E) pour turbomachine comprenant :
- un bec (21) annulaire de séparation, configuré pour être positionné en aval d’une soufflante (20) de turbomachine, dans un sens de circulation d’un flux de gaz issu de la soufflante, et pour séparer ledit flux en un flux primaire et un flux secondaire, le bec (21) comprenant une cavité intérieure (213) annulaire,
- un carter (23) annulaire fixé au bec (21) en aval du bec (21), le carter (23) comprenant une paroi interne (231) annulaire délimitant extérieurement une veine d’écoulement primaire (A) dans laquelle circule le flux primaire, le carter (23) comprenant :
- au moins un conduit d’air (236) de dégivrage s’étendant de l’aval vers l’amont, une sortie du conduit d’air (236) débouchant dans la cavité intérieure (213) du bec (21),
- une chambre de diffusion (235), constituée par un conduit annulaire positionné en aval du conduit d’air (236), la chambre de diffusion (235) comprenant au moins une entrée (2351) destiné à être alimentée par de l’air chaud issue d’une turbomachine (2) et une sortie (2352) reliée au conduit d’air (236) ;
le conduit d’air (236) et la chambre de diffusion (235) étant tous deux formés avec la paroi interne (231) du carter (23). - Ensemble (E) selon la revendication 1, dans lequel le carter (23) comprend une bride radiale (233) annulaire positionnée en aval de la paroi interne (231) et de manière radialement externe la paroi interne (231), la chambre de diffusion (235) formant une jonction entre la paroi interne (231) et la bride radiale (233).
- Ensemble (E) selon la revendication 2, dans lequel la paroi interne (231) comprend au moins un raidisseur (234) en forme de plaque s’étendant depuis la paroi interne (231) vers la bride radiale (233) selon un plan longitudinal comprenant un axe longitudinal (X-X) de la turbomachine.
- Ensemble (E) selon la revendication 3, dans lequel le raidisseur (234) est positionné sur la paroi interne (231) au niveau du conduit d’air (236), de manière à former une paroi du conduit d’air (236).
- Ensemble (E) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le carter (23), le conduit d’air (236) et la chambre de diffusion (235) sont réalisés par fabrication additive ou par fonderie.
- Ensemble (E) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant une pluralité de conduits d’air (236) répartis régulièrement autour de la paroi interne (231), la chambre de diffusion (235) comprenant autant de sorties (2352) que de conduits d’air (236).
- Ensemble (E) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’au moins une entrée (2351) de la chambre de diffusion (235) est directement alimentée en air prélevé en aval dans la veine d’écoulement primaire (A).
- Ensemble (E) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la chambre de diffusion (235) comprend plusieurs entrées (2351).
- Turbomachine (1) d’aéronef (100) comprenant : une soufflante (20) et un ensemble (E) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, l’ensemble (E) étant positionné en aval de la soufflante (20).
- Aéronef (100) comprenant une cellule et une turbomachine (1) selon la revendication 9, dans lequel la turbomachine (1) est fixée à la cellule.
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