FR3096071A1

FR3096071A1 - Contrôle de jeu entre des aubes de rotor d’aéronef et un carter

Info

Publication number: FR3096071A1
Application number: FR1905166A
Authority: FR
Inventors: Rumon BRUSQ Tangi; Valérie BON Florence; Damien Bonneau; Antoine Van Noort; Camille François VERRON Guilhem
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2019-05-16
Filing date: 2019-05-16
Publication date: 2020-11-20
Anticipated expiration: 2039-05-16
Also published as: US20200362719A1; US11319830B2; FR3096071B1

Abstract

Est concerné un dispositif de contrôle de jeu entre des sommets d'aubes rotatives d’une turbomachine d’aéronef et un carter (31). Un chemin de circulation d’air (35) permet de souffler de l’air sur le carter (31), afin d'en modifier une température. Sont en outre prévus des moyens de chauffage (43) agissant sur l’air en circulation pour le chauffer. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 3.

Description

CONTROLE DE JEU ENTRE DES AUBES DE ROTOR D’AERONEF ET UN CARTER

Domaine technique de l’invention

La présente invention se rapporte au domaine général du contrôle de jeu entre le sommet d'aubes rotatives d'un rotor de turbomachine à gaz pour aéronef et un carter annulaire d'un stator de la turbomachine.

Un tel contrôle de jeu est utile notamment dans la turbine afin d'accroître le rendement de la turbomachine.

Etat de la technique antérieure

Par exemple FR2858652 ou FR2867806 divulgue ainsi un dispositif de contrôle de jeu comme précité, comprenant au moins un chemin de circulation d’un flux d’air entre :
- un prélèvement d’air adapté pour permettre de prélever de l’air en au moins une première zone de la turbomachine, et
- un soufflage d’air adapté pour permettre de souffler de l’air en au moins une seconde zone de la turbomachine, sur ledit carter précité, afin d'en modifier une température.

Une turbomachine à gaz pour aéronef s’étend autour d’un axe longitudinal et comprend généralement une turbine et un compresseur ayant chacun une pluralité d'aubes fixes disposées suivant l’axe longitudinal en alternance avec une pluralité d'aubes mobiles. Les aubes mobiles sont entourées sur toute la circonférence de la turbine ou du compresseur par une partie de stator, appelé ci-avant carter annulaire qui définit, suivant l’axe longitudinal de la turbomachine, une portion annulaire de la veine d'écoulement des gaz à travers cette turbomachine.

Dans la turbine, les aubes reçoivent l’énergie de gaz chauds issus de la chambre de combustion de la turbomachine pour entrainer la soufflante de la turbomachine. Afin de récupérer cette énergie, il est nécessaire de minimiser les jeux entre les aubes et le carter annulaire.

Pour parvenir à réduire ce jeu, des moyens permettant de faire varier le diamètre du carter annulaire ont été élaborés, qui peuvent se présenter sous la forme de conduites annulaires entourant le carter annulaire et parcourues par de l'air prélevé sur d'autres parties de la turbomachine. Cet air est injecté sur la surface extérieure du carter annulaire qui est opposée à la veine d'écoulement des gaz et provoque ainsi des dilatations ou des contractions thermiques du carter annulaire faisant varier son diamètre. Ces dilatations et contractions thermiques peuvent être commandées par l'intermédiaire d'une vanne, selon le régime de fonctionnement de la turbomachine, ses températures/pressions ou la phase de vol de l’aéronef.

La capacité à moduler le jeu ici concerné est limitée par la technologie utilisée (impact d’air prélevé) et par le débit pouvant être prélevé, lequel peut pénaliser la performance de la turbomachine. De ce fait, le jeu choisi en sommet d’aubes à froid est typiquement un compromis entre la capacité à absorber les fermetures de jeu pouvant conduire à des usures (accélérations, démarrages à chaud de la turbomachine…) et la capacité à atteindre un jeu en croisière le plus fermé possible, moyennant la modulation du jeu de fermeture disponible. Sur certaines phases de vol, lorsque le jeu devient nul localement et qu’il y a contact entre le carter et les aubes mobiles, le jeu moyen augmente et la capacité à moduler le jeu en croisière pour parvenir au même jeu de performance peut devenir critique. A terme, une fois utilisé la totalité de cette capacité de fermeture du jeu, une usure supplémentaire se traduira immédiatement par une baisse de performance due à l’ouverture du jeu en sommet d’aubes.

A ce jour l’impact d’air peut s’avérer avoir un temps de réponse trop long pour ouvrir efficacement les jeux en fonctionnement de sorte à limiter les usures néfastes à la performance. Par conséquent, il existe un besoin de fournir un dispositif de contrôle de jeux pouvant délivrer une consigne en température plus rapide de sorte à limiter le temps de réponse.

Présentation - Résumé de l’invention

Pour chercher une solution à une partie au moins des problèmes précités, il est proposé que ledit dispositif de contrôle de jeu comprenne en outre des moyens de chauffage d’air adaptés à agir sur l’air circulant sur ledit chemin de circulation du flux d’air pour permettre de le chauffer.

Ainsi, on devrait favoriser une limitation des usures, via notamment la possibilité alors offerte de chauffer fortement et rapidement le carter pour le dilater au cours les phases où il peut y avoir un contact entre les aubes mobiles et le carter : accélérations, ré-accélérations, démarrages chauds, inversion de poussée, etc.

Si, comme cela pourra typiquement être le cas, le (chaque) prélèvement d’air est situé en une (dite première) zone de la turbomachine plus froide (moins chaude) que la (dite seconde) zone de soufflage d’air, il va être possible :
- de refroidir le carter annulaire en ne réchauffant pas l’air prélevé, et donc de réaliser une fermeture du jeu,
- ou de chauffer ce carter en augmentant la température de l’air ; ouverture du jeu, donc.

Pour le rendement, la fiabilité et la finesse des contrôles/réglages, il est aussi proposé que les moyens de chauffage d’air comprennent plusieurs éléments de chauffage d’air (moyens en plusieurs éléments, donc) disposés dans le flux d’air, de façon que l’air puisse les rencontrer successivement ou simultanément.

Pour tenir compte d’un compromis coût/efficacité thermique/énergie disponible/rendement/ montage/fiabilité, il est proposé, de préférence :
- que les moyens de chauffage d’air comprennent des moyens de chauffage par convection,
- et/ou que ces moyens de chauffage d’air soient, sur le chemin de circulation du flux d’air, interposés dans le flux d’air et soient ainsi en contact avec ledit air,
- et/ou que les moyens de chauffage de l’air comprennent des résistances électriques.

Dans ce dernier cas, de nouveau pour le rendement, la fiabilité et la finesse des contrôles/réglages, il est aussi proposé que les résistances électriques soient montées en étant branchées en parallèle.

En effet, une solution par résistances électriques permet un réglage fin du chauffage possible, via notamment une modulation du courant électrique et/ou l’activation de réseaux de résistances montées en parallèle. Afin là encore de favoriser le rendement, la fiabilité, la finesse des contrôles/réglages, l’efficacité thermique, il est aussi proposé que soient en outre prévus, sur le dispositif de contrôle :
- des capteurs adaptés à relever des paramètres physiques dans la turbomachine et/ou dans son environnement, et
- des moyens de pilotage connectés avec les moyens de chauffage d’air afin de contrôler ledit chauffage en fonction des paramètres physiques relevés par les capteurs.

On pourra en particulier recourir à des capteurs de régime (de rotation) de la turbomachine, de températures, de pressions, d’altitude.

Un avantage de la solution proposée pourrait aussi résider dans la capacité à pouvoir choisir si la température de l’air prélevé est à moduler ou non et/ ou si les pertes de charge liées auxdits moyens de chauffage d’air sont considérées comme acceptables ou pas.

En liaison avec ce point, il est proposé que le chemin de circulation du flux d’air puisse comprendre :
- un premier circuit sur lequel lesdits moyens de chauffage d’air seraient adaptés à agir sur l’air qui y circulent pour permettre de le chauffer, et
- un circuit de dérivation qui by-passerait ces moyens de chauffage d’air.

By-passer (mettre en dérivation) les moyens de chauffage d’air (c’est-à-dire donc assurer une dérivation dudit premier circuit) pourrait permettre de gagner en réactivité au passage entre le chaud et le froid ou bien encore de « pré-chauffer » ces moyens de chauffage d’air en vue d’une utilisation future, avant donc d’y faire circuler ledit air à chauffer.

Un autre avantage de la solution proposée pourrait aussi résider dans la capacité à pouvoir piloter à la fois :
- le niveau de chauffage de l’air prélevé (modulation du chauffage de cet air par lesdits moyens de chauffage d’air), et
- le débit d’air, via au moins une vanne qui ne serait de préférence pas « tout ou rien », mais à débit variable.

Aussi est-il proposé :
- que ledit dispositif de contrôle de jeu comprenne en outre une vanne de régulation interposée sur le chemin de circulation d’un flux d’air pour permettre de faire circuler plus ou moins d'air dans le chemin de circulation d’air, voire,
- que les moyens de pilotage précités soient en outre connectés avec ladite vanne de régulation, pour contrôler le débit d’air vers le soufflage d’air en fonction des paramètres physiques relevés par les capteurs.

Concernant la turbomachine en elle-même, comprenant le dispositif de contrôle de jeu présenté ci-avant avec tout ou partie de ses caractéristiques, il est proposé :
- que le dispositif de contrôle de jeu y comprenne en outre un boîtier de pilotage adapté pour entourer ledit carter annulaire, et
- que les moyens de chauffage de l’air y soient :
-- soit disposés en amont du boîtier de pilotage (l’amont et l’aval étant définis par rapport au sens de circulation du flux d’air depuis le prélèvement d’air vers le soufflage d’air), ou
-- soit disposés dans le boîtier de pilotage.

On notera que plus les moyens de chauffage d’air seront proches du carter à chauffer, plus le temps de réponse sera rapide car il n’y aura moins de « longueur de canalisation » à chauffer avant d’arriver au boîtier de pilotage du carter.

Or, le choix de moyens de chauffage d’air pour agir sur l’air prélevé permet de pouvoir les disposer là où cela est le plus propice.

A ce sujet, il est proposé plus précisément :
- que la turbomachine comprenne en outre :
-- un compresseur où se situe ledit prélèvement d’air et ladite au moins une première zone de la turbomachine,
-- une turbine comprenant ledit carter annulaire et lesdites aubes rotatives de rotor qui entraînent en rotation d’autres aubes rotatives de rotor du compresseur, par l’intermédiaire d’un arbre,
- que dans cette turbomachine le boîtier de pilotage comprenne successivement, sur le chemin de circulation d’un flux d’air :
-- au moins un tube d'alimentation en air pour alimenter en air des tubes collecteur d'air et qui communique avec ledit prélèvement d’air,
-- lesdits tubes collecteur d'air, en forme d’anneau ou portion d’anneau, pour alimenter en air au moins une conduite d'air s'ouvrant dans l’un au moins des tubes collecteur d'air et débouchant dans au moins une rampe annulaire de circulation d'air disposée circonférentiellement autour du carter annulaire et percée d’orifices définissant ledit soufflage d’air à l’endroit de ladite seconde zone de la turbomachine,
-- ladite au moins une conduite d'air,
-- ladite au moins une rampe annulaire de circulation d'air, et
- que les moyens de chauffage de l’air soient disposés en amont dudit au moins un tube d'alimentation en air ou dans ledit au moins un tube d'alimentation en air.

Selon un autre aspect, il est aussi proposé que la turbomachine en cause comprenne plusieurs étages d'un compresseur de la turbomachine, et que ladite première zone de prélèvement d’air dans la turbomachine soit située au niveau de l’un seulement desdits plusieurs étages.

Ainsi, s’il existait une solution de prélever de l’air sur deux étages de compresseur différents et de mélanger ces deux prélèvements via une vanne trois voies, un avantage de la solution proposée résiderait dans la simplification de la solution en ne prélevant l’air que sur un seul étage et en ajustant sa température via les moyens de chauffage d’air, de préférence disposés en réseau. Ceci présenterait un gain en coût, en masse et en encombrement, la solution pouvant même être encore davantage simplifiée en travaillant à débit constant et en supprimant la vanne de réglable en débit. La seule variabilité resterait alors la température via les moyens de chauffage d’air.

Brève description des figures

représente un schéma de turbomachine à gaz double flux pour aéronef, en coupe dans un plan contenant l’axe X autour duquel tourne le rotor ;

représente une coupe dans le même plan d’une zone de la turbine de la turbomachine;

représente un schéma de possible dispositif de contrôle de jeu selon l’invention utilisant de possibles moyens de chauffage d’un air issu d’un prélèvement d’air sur la turbomachine ;

représente la solution de la figure 3 de façon plus détaillée;

représente une possible réalisation d’une partie de la turbomachine entourant la zone de soufflage d’air permettant de souffler de l’air sur un carter annulaire fixe de cette turbomachine.

Description détaillée de l’invention

Dans la description suivante, les mêmes références désignent des parties identiques ou correspondantes dans les différentes figures.

En outre, est axial ce qui s’étend suivant ou parallèlement à l’axe longitudinal (X) de rotation de la partie concernée de la turbomachine, lequel axe sera a priori l’axe général de rotation de cette turbomachine. Est radial (axe Z) ce qui s’étend radialement à l'axe X et est circonférentel ce qui s’étend autour de l'axe X. Est interne ou intérieur et externe ou extérieur ce qui l’est radialement, vis-à-vis de l’axe X, sauf ponctuellement, comme pour l’extérieur et l’intérieur du bras 78.

Selon le sens commun en aéronautique moteur :
- HP a pour sens haute pression, et BP a pour sens basse pression,
- le stator est la partie fixe de la turbomachine et le rotor la partie mobile (par rapport au stator).

En se référant maintenant aux dessins, et en particulier à la figure 1, est illustrée une turbomachine à gaz, désignée globalement par 10, pour aéronef (non représenté). La turbomachine 10 présente un dit axe longitudinal X et un carter interveine 12 annulaire, disposé coaxialement et concentriquement autour de l'axe X. La turbomachine 10 comprend un générateur de gaz 14 qui est pourvu, axialement d’amont (AM) vers l’aval (AV), d'un ensemble compresseur 16, d'une chambre de combustion 18 annulaire, et d’un ensemble turbine 20, tous agencés de manière coaxiale le long de l'axe longitudinal X.

L’ensemble turbine 20 comprend successivement :
- une turbine haute pression 23 reliée au compresseur haute pression 25 de l'ensemble compresseur 16, par un arbre HP 22 d’entraînement (arbre haute pression), et
- une turbine 24 basse pression.

L’ensemble compresseur 16 comprend successivement un compresseur 27 basse pression et le compresseur haute pression (HP) 25.

Le compresseur haute pression 25 peut définir un compresseur double étage : compresseur intermédiaire (IP) suivi du véritable compresseur haute pression.

Le générateur de gaz 14 génère des gaz de combustion. L'air sous pression provenant du compresseur HP 25 est mélangé avec du carburant dans la chambre de combustion 18 où le mélange est enflammé, générant ainsi des gaz de combustion. Une partie du travail est extraite de ces gaz par la turbine haute pression 23 qui entraîne le compresseur HP 25. Les gaz de combustion sont évacués du générateur de gaz 14 dans la turbine 24 basse pression.

La turbine basse pression 24 comprend un rotor 26 qui est fixé de manière fixe à un arbre BP 28 d'entraînement (arbre basse pression) monté de manière rotative à l'intérieur de l'arbre HP 22 d'entraînement, par l'intermédiaire de paliers différentiels 30. L’arbre BP 28 entraîne le rotor du compresseur 27 basse pression. Le compresseur 27 supporte une rangée amont de pales (ou aubes rotatives) d’une soufflante (fan) 36. La soufflante 36 est liée directement ou indirectement à l’arbre BP 28 d'entraînement.

Comme cela est le cas pour les compresseurs 27 et 25, notamment la turbine haute pression 23 qui, dans l’ensemble turbine 20, est donc un élément du rotor de la turbomachine, comprend des aubes rotatives qui tournent, autour de l’axe X, à l’intérieur d’un carter annulaire fixe, lequel est donc un élément du stator 19 de la turbomachine.

Sur la figure 2, l’une des aubes rotatives de la turbine haute pression 23 est repérée 29. Le carter annulaire fixe, centré sur de l'axe X, est repéré 31. Ainsi, les aubes rotatives (partie rotor) de la turbine haute pression 23 (telle celle repérée 29) tourne à l’intérieur du carter annulaire fixe 31 (partie stator). Typiquement, ce carter annulaire fixe 31 pourra être formé d’une pluralité de segments d'anneau, tels que 32,34,36 montés par l'intermédiaire d'entretoises (non représentées). Les parties du stator 19 qui font face au sommet des aubes rotatives, telle que 29, seront alors formées par la surface interne des segments d'anneau.

La paroi que définit le carter annulaire fixe 31 délimite extérieurement la veine 38 d'écoulement du flux d'air primaire dans laquelle tourne notamment l’aube rotative 29 qui est montée entre deux rangées d'aubes fixes amont 40 et aval 42. Les aubes fixes 40, 42 sont portées respectivement par les segments d'anneau (fixes) 32, 36 entre lesquels, suivant l’axe X, se situe le segment d'anneau (fixe) 34, en regard de l’extrémité extérieure de l’aube mobile 29, laquelle aube est, comme les autres aubes mobiles de la turbine haute pression, portée par un disque de rotor de cette turbine haute pression (non représenté).

Dans ce qui suit, on va évoquer l’exemple privilégié d’un contrôle de jeu sur la turbine haute pression 23. En effet, la performance de la turbine 23 retenue en exemple (non limitatif) est fonction, au premier ordre, du jeu radial J résiduel entre le sommet des aubes rotatives (telle l’aube 29) et le carter annulaire fixe 31 (dans l’exemple le segment d'anneau 34 fixe).

Toutefois, autant un tel contrôle est critique sur une telle turbine compte tenu des contraintes survenant en fonctionnement, autant le principe de l’invention peut, dans ses généralités, s’appliquer à d’autres emplacements dans la turbomachine, dès lors qu’il est souhaité de maîtriser un jeu radial entre des aubes rotatives du rotor et un carter (une paroi) annulaire du stator 19, qui les entoure.

Quoi qu’il en soit, dans toutes ces situations, il est ici proposé que ledit jeu radial J résiduel entre un sommet d’aubes rotatives (telle que 29) et un carter annulaire fixe (tel que 31) disposé autour soit contrôlé, si nécessaire tout au long du fonctionnement de la turbomachine et suivant alors la phase de vol, en pilotant la température du carter annulaire fixe externe, qui, par sa dilatation, ouvre plus ou moins le jeu radial (jeu J dans l’exemple).

Ce pilotage est, dans l’invention, réalisé par l’intermédiaire d’un dispositif 33 de contrôle de ce jeu (J), comprenant (au moins) un chemin 35 de circulation d’un flux d’air F entre :
- (au moins) un prélèvement d’air 37 adapté pour permettre de prélever de l’air en au moins une première zone de la turbomachine, telle que 39a et/ou 39b figure 3, et
- (au moins) un soufflage d’air 41 adapté pour permettre de souffler de l’air en au moins une seconde zone 42 de la turbomachine, sur le carter annulaire fixe concerné (ici celui repéré 31), afin d'en modifier une température.

Appliqué à une turbine, et en particulier la turbine haute pression 23, on fixera avantageusement:
- la (les) première(s) zone(s), telle que 39a et/ou 39b, de prélèvement d’air 37 sur un ou plusieurs étages de compresseur 27 et/ou 25, et
- la (les) seconde(s) zone(s) 42 de soufflage d’air 41 sur un ou plusieurs étages de turbine 23 et/ou 24.

Or, il a été noté que la technologie actuelle de contrôle du jeu radial précité est insuffisamment performante pour l’ouverture de ce jeu. Notamment, l’impact de soufflage d’air 41 chaud est insuffisamment efficace car le temps de réponse de la température d’air d’impact est élevé du fait de l’inertie de la (des) première(s) zone(s) de prélèvement d’air et des tubulures d’alimentation en air qui s’y raccordent. L’ouverture du jeu radial J peut être trop lente vis-à-vis du déplacement du carter annulaire fixe 31, typiquement lors d’une accélération de la turbomachine. Il peut alors ne plus être possible de se protéger efficacement contre les usures nées de frottement.

Aussi l’invention propose-t-elle que le dispositif 33 de contrôle comprenne en outre des moyens 43 de chauffage d’air adaptés à agir sur l’air circulant sur ledit chemin 35 de circulation du flux d’air, afin de pouvoir le chauffer, comme schématisé figure 3.

Pour notamment tenir compte d’un compromis efficacité thermique/énergie disponible/rendement/fiabilité, il est proposé que les moyens 43 de chauffage d’air comprennent des moyens 430 de chauffage par convection.

Et il est aussi proposé que ces moyens 43 de chauffage d’air soient, sur le chemin 35 de circulation du flux d’air, disposés directement dans le flux d’air F prélevé. Ainsi interposés, les moyens 43 seront en contact avec ledit air F circulant dans le(s) conduit(s) ou volume(s) 44 du chemin 35 de circulation du flux d’air prélevé.

En outre, pour pouvoir disposer de moyens 43 de chauffage d’air qui soient aisément activables à la demande, sans nécessiter de moyens complexes et qui puissent être « immergés » dans le flux d’air prélevé, pour le réchauffer ou non, utiliser des résistances électriques 431 comme moyens 43 de chauffage d’air sera approprié.

Pour un réglage à la fois fin et puissant, on pourra privilégier l’utilisation de résistances électriques 431 montées électriquement en parallèle (voir figure 4), suivant un ou plusieurs réseaux, certains réseaux pouvant être en série (voir arrachement en pointillé figure 4 qui image une possibilité ou alternative de résistances électriques 431a; 431b en série, à l’endroit de tout ou partie desdits montages électriquement en parallèle ; tout ou partie des résistances 431 seraient donc remplacées alors par plusieurs résistances - telles que 431a; 431b - en série). Ainsi les échanges thermiques entre le flux d’air F prélevé et ces résistances électriques 431 pourront être tant successif que simultané. A noter également qu’avec des résistances électriques 431 montées en parallèle, on pourra obtenir une redondance en cas de panne d’une ou plusieurs de ces résistances.

Afin de favoriser de nouveau notamment le rendement, la finesse des contrôles/réglages, voire le contrôle de l’énergie disponible dans la turbomachine, on utilisera favorablement, sur le dispositif 33 de contrôle :
- des capteurs 45 adaptés à relever des paramètres physiques dans la turbomachine et/ou dans son environnement, telles que la température dans l’environnement extérieur de la turbomachine 10 et/ou l’altitude où elle se trouve au moment où la donnée est captée, et
- des moyens 47 de pilotage connectés avec les moyens 43 de chauffage d’air afin de contrôler ledit chauffage en fonction des paramètres physiques relevés par les capteurs.

Comme symbolisé figure 4, on pourra en particulier recourir à un ou plusieurs capteur(s) 45a de régime (de rotation) de la turbomachine, capteur(s) 45b de températures, capteur(s) 45c de pressions, capteur(s) 45d d’altitude, en vol de la turbomachine.

Les capteur(s) 45c de pressions et capteur(s) 45b de températures pourront en particulier relever ces pressions et températures sur l’ensemble compresseur 16 et l’ensemble turbine 20. Avantageusement, on disposera de ces conditions tant au niveau de la (des) première(s) zone(s) 39a et/ou 39b de prélèvement d’air 37 que de la (des) seconde(s) zone(s) 42 de soufflage d’air 41.

De manière simplifiée, on pourra considérer que les capteurs 45 des paramètres physiques considérés communiqueront avec le FADEC 53 (en anglais de Full Authority Digital Engine Control/Ssystème de régulation numérique à pleine autorité, qui est donc le système qui s'interface entre le cockpit de l’aéronef et la turbomachine). En tant que paramètres issus des capteurs 45, 45a, etc.., ce FADEC 53 pourra donc en particulier recevoir des paramètres liés à différentes températures, pressions, débits, régimes internes à la turbomachine et à des paramètres de l’aéronef : vitesse (Mach), altitude, poids sur les roues, température ambiante.

En tant qu’élément des moyens 47 de pilotage, le FADEC 53 pourra piloter un graduateur 55 connectés avec les moyens 43 de chauffage d’air, pour en ajuster la puissance (en particulier dans le cas de résistances électriques 431).

Un avantage de la solution proposée pourra aussi résider dans la capacité à pouvoir piloter à la fois :
- le niveau de chauffage de l’air prélevé (modulation du chauffage de cet air par lesdits moyens 43 de chauffage d’air), et
- le débit d’air, via au moins une vanne 51 qui ne sera de préférence pas « tout ou rien », mais à débit variable.

Aussi est-il proposé :
- que ledit dispositif de contrôle de jeu 33 comprenne en outre une vanne 51 de régulation interposée sur le chemin 35 de circulation du flux d’air F pour permettre de faire circuler plus ou moins d'air dans ce chemin de circulation d’air, voire,
- que les moyens 47 de pilotage précités soient en outre connectés avec ladite vanne 51 de régulation, pour contrôler le débit d’air vers la (des) seconde(s) zone(s) 42 de soufflage d’air, en fonction des paramètres physiques relevés par les capteurs 45.

Avec une vanne 51 mélangeuse réglable en débit, on prévoira avantageusement que le FADEC 53 la pilote, en complément du graduateur 55.

Sur le chemin 35 de circulation du flux d’air F la vanne 51 sera située en aval de la (des) première(s) zone(s) 39a et/ou 39b de prélèvement d’air 37 et en amont :
- tant des moyens 43 de chauffage d’air (en particulier dans le cas de résistances électriques 431),
- que de la (des) seconde(s) zone(s) 42 de soufflage d’air sur le carter annulaire fixe 31.

Ainsi, en fonction des phases de vol de l’aéronef, et donc de la turbomachine, la logique incluse dans le FADEC 53 distribuera soit de l’air « froid » (non chauffé en aval du prélèvement 41), soit de l’air chauffé par les moyens 43 de chauffage d’air.

A ce sujet, on pourra utilement prévoir que la vanne 51 soit une vanne trois voies permettant, typiquement sous la commande des moyens 47 de pilotage, de diriger l’air issu du prélèvement d’air 37 :
- vers les moyens 43 de chauffage d’air, et/ou
- via un conduit de bypass 56, directement vers une partie aval 35a du chemin 35 de circulation du flux d’air F située en aval des moyens 43 de chauffage d’air, entre (le volume 58 qui renferme) lesdits moyens 43 de chauffage d’air et la (les) seconde(s) zone(s) 42 de soufflage d’air.

Par exemple avec une vanne 51 proportionnelle on pourra assurer une distribution proportionnelle de l’air prélevé, entre l’air à diriger vers le conduit de bypass 56 et l’air à diriger vers les moyens 43 de chauffage d’air.

Ainsi, dans certaines situations de vol et/ou au sol (par exemple en vol à moyenne altitude ou quand un avion roule au sol), on pourra ne pas faire passer l’air prélevé au contact des moyens 43 de chauffage d’air.

On peut donc considérer que le dispositif 33 de contrôle sera alors tel que le chemin de circulation du flux d’air 35 comprenne :
- un premier circuit 71 sur lequel lesdits moyens 43 de chauffage d’air seront adaptés à agir sur l’air F qui y circulent pour permettre de le chauffer (comme expliqué ci-avant), et
- un circuit de dérivation 73 qui permettra de by-passer ces moyens 43 de chauffage d’air, en les contournant. Ainsi, l’air prélevé au niveau du prélèvement d’air 37 pourra être distribué dans la zone de soufflage d’air 41 sans être passé au contact des moyens 43 de chauffage, que ceux-ci fonctionnent ou non.

Pour orienter (en tout ou partie) l’air prélevé vers le premier circuit 71 ou vers le circuit de dérivation 73, on pourra soit utiliser la vanne 51, qui sera alors favorablement une vanne trois voies, soit, en remplacement ou en complément, interposer sur le chemin 35, en amont des moyens 43 de chauffage, une vanne de dérivation 75 (qui pourra aussi être une vanne trois voies, du type tout ou rien ou du type doseuse/de régulation) ; voir figure .4 où les pointillés marquent, dans la zone concernée, les hypothèses de dérivation possibles.

Avec une combinaison entre les moyens 43 de chauffage d’air et la vanne 51, il va être possible de refroidir ou réchauffer le carter 31 et de fermer plus ou moins le jeu radial J en fonction de la quantité de débit (flux F) et du ratio de mélange entre les différents prélèvements (voire entre les différents conduits, comme avec le conduit de bypass 56), si plusieurs premières zones, telles que 39a,39b, successives suivant l’axe X existent, comme symbolisé figure 3. Ces deux paramètres pourront être gérés par l’intermédiaire de la vanne 51 qui laissera passer plus ou moins d’air prélevé, dans le compresseur pour l’exemple retenu, et qui modulera le mélange entre les sources (zones 39a,39b). Les zones 39a,39b de prélèvement d’air pourront être situées respectivement vers le milieu axial du compresseur HP 25 et vers l’extrémité axiale aval de ce compresseur HP 25.

On pourra toutefois préférer que ce prélèvement d’air s’opère au niveau de l’un seulement des étages du compresseur HP 25, tel donc que vers l’étage axial médian de ce compresseur, simplifiant ainsi le prélèvement et les pressions à prendre en compte.

En aval des moyens 43 de chauffage d’air, le dispositif de contrôle de jeu 33 pourra comprendre en outre, pour distribuer efficacement et à température souhaitée l’air F, un boîtier 57 circulaire de pilotage adapté pour entourer ledit carter annulaire 31 ; voir figure 5.

Dans ce contexte, les moyens 43 de chauffage de l’air pourront être disposés:
- soit en amont de ce boîtier 57 circulaire de pilotage,
- soit dans ce boîtier 57.

La compacité de la solution à résistances électriques 431 permettra en effet de pouvoir les placer directement dans le boîtier 57.

De fait, on pourra en particulier prévoir, pour l’efficacité thermique et donc une bonne répartition de l’air autour du carter 31, que le boîtier 57 de pilotage comprenne successivement, sur le chemin 35 de circulation d’un flux d’air, d’amont vers l’aval :
- au moins un tube 59 d'alimentation en air,
- des tubes collecteur d'air 61, en forme d’anneau ou de portion d’anneau,
- au moins une conduite d'air 63,
- au moins une rampe 65 de circulation d'air disposée circonférentiellement autour du carter 31 annulaire et percée d’orifices 67 définissant le soufflage d’air 41 à l’endroit de ladite seconde zone 42 de la turbomachine.

Le tube 59 d'alimentation en air recevra l’air dans ladite partie aval 35a du chemin 35 de circulation du flux d’air F.

Le tube 59 d'alimentation en air communique donc avec le prélèvement d’air 37 pour alimenter en air les tubes collecteur d'air 61. Ces tubes collecteur d'air 61 alimentent ensuite en air la (les) conduite(s) d'air 63 qui débouche(nt) dans la (les) rampe(s) 65 de circulation d'air percée(s) d'orifices 67 de soufflage de l’air sur le carter 31, à l’endroit de ladite seconde zone 42 de la turbomachine. Seuls quelques orifices 67 ont été représentés figure 5.

Mis bout à bout (voir figure 5), les tubes collecteur d'air 61 peuvent s’étendre selon un anneau ou une portion d’anneau.

Les moyens 43 de chauffage de l’air sont disposés en amont du (des) tube(s) d'alimentation en air 59. Ils pourraient aussi être disposés dans ce(s) tube(s) d'alimentation en air 59, bien que cette situation soit plus délicate à gérer que la précédente car sujette à davantage de pertes de charge et plus exiguë.

Comme illustré en figure 5, le dispositif de pilotage pourra comprendre trois rampes de circulation d'air axialement successives (axe X). Ces rampes peuvent être montées circonférentiellement autour de la surface externe du carter 31 par l'intermédiaire de moyens de fixation. Une unique rampe de circulation d'air pourrait être envisagée.

Les rampes de circulation d'air 65 sont espacées axialement les unes des autres et sont sensiblement parallèles entre elles.

Les rampes 65 sont donc pourvues d'une pluralité d’orifices 67 de soufflage d’air, disposés en regard de la surface externe du carter 31 et des ailettes, permettent ainsi à l'air à la température souhaitée de se décharger sur le carter 31 afin d'en modifier la température très efficacement.

La/les rampes 65 peuvent être segmentées en plusieurs secteurs angulaires de rampes distincts et régulièrement répartis sur toute la circonférence du carter 31.

Concernant, l’apport d’énergie électrique vers le dispositif, et donc les moyens de chauffage d’air 43, deux solutions peuvent en particulier être envisagées :
- un prélèvement de puissance électrique sur l’alternateur 69 dont est équipée la turbomachine (figure 1),
- un prélèvement de puissance électrique sur des batteries et/ou condensateurs 71 qui seraient chargés au préalable sur l’aéronef.

Les phases de vol où le réchauffage est nécessaire devraient être relativement courtes, inférieures à 30mn.

Claims

Dispositif de contrôle de jeu entre des sommets d'aubes rotatives (29) d'un rotor (26) de turbomachine à gaz pour aéronef et un carter (31) annulaire d'un stator (19) de la turbomachine, ledit dispositif de contrôle de jeu comprenant un chemin de circulation d’un flux d’air (35) entre :
- un prélèvement d’air (37) adapté pour permettre de prélever de l’air en au moins une première zone (39a,39b) de la turbomachine, et
- un soufflage d’air (41) adapté pour permettre de souffler de l’air en au moins une seconde zone (42) de la turbomachine, sur ledit carter (31), afin d'en modifier une température,
caractérisé en ce qu’il comprend en outre des moyens de chauffage d’air (43) adaptés à agir sur l’air circulant sur ledit chemin de circulation du flux d’air (35) pour permettre de le chauffer.
Dispositif de contrôle de jeu selon la revendication 1, dans lequel les moyens de chauffage d’air (43) comprennent des moyens de chauffage par convection (430) de l’air.
Dispositif de contrôle de jeu selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de chauffage d’air (43) sont interposés sur le chemin de circulation du flux d’air (35), dans le flux d’air et sont ainsi en contact avec l’air.
Dispositif de contrôle de jeu selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de chauffage d’air (43) comprennent plusieurs éléments de chauffage d’air (43) disposés dans le flux d’air de façon que l’air puisse les rencontrer successivement ou simultanément.
Dispositif de contrôle de jeu selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de chauffage (43) de l’air comprennent des résistances électriques (431).
Dispositif de contrôle de jeu selon la revendication 5, dans lequel les résistances électriques (431) sont montées en parallèle.
Dispositif de contrôle de jeu selon l’une quelconque des revendications précédentes, qui comprend en outre :
- des capteurs (45) adaptés à relever des paramètres physiques dans la turbomachine et/ou dans son environnement, et
- des moyens de pilotage (47) connectés avec les moyens de chauffage d’air (43) afin de contrôler ledit chauffage en fonction des paramètres physiques relevés par les capteurs (45).
Dispositif de contrôle de jeu selon l’une quelconque des revendications précédentes, qui comprend en outre une vanne (51,75) de régulation interposée sur le chemin de circulation du flux d’air (35) pour permettre de faire circuler plus ou moins d'air dans le chemin de circulation d’air.
Dispositif de contrôle de jeu selon les revendications 7 et 8, dans lequel les moyens de pilotage (47) sont en outre connectés avec ladite vanne (51,75) de régulation, pour contrôler le débit d’air vers le soufflage d’air (41) en fonction des paramètres physiques relevés par les capteurs.
Dispositif de contrôle de jeu selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le chemin de circulation du flux d’air (35) comprend :
- un premier circuit (71) dans lequel lesdits moyens de chauffage d’air (43) sont adaptés à agir sur l’air qui y circule pour permettre de le chauffer, et
- un circuit de dérivation (73) qui by-passe lesdits moyens de chauffage d’air (43).
Turbomachine à gaz pour aéronef comprenant le dispositif de contrôle de jeu (33) selon l’une quelconque des revendications précédentes et dans laquelle:
- le dispositif de contrôle de jeu comprend en outre un boîtier de pilotage (57) monté sur ledit carter (31) annulaire, et
- les moyens de chauffage de l’air (43) sont disposés en amont du boîtier de pilotage (57) par rapport au sens de circulation du flux d’air depuis le prélèvement d’air (37) vers le soufflage d’air (41) et/ou sont disposés dans le boîtier de pilotage (57).
Turbomachine selon la revendication 11 :
- comprenant en outre :
-- un compresseur (16), comprenant ladite au moins une première zone (39a,39b) de la turbomachine où se situe ledit prélèvement d’air (37),
-- une turbine (20) comprenant ledit carter (31) annulaire et lesdites aubes rotatives (29) de rotor qui entraînent en rotation d’autres aubes rotatives de rotor du compresseur, par l’intermédiaire d’un arbre,
- dans laquelle le boîtier de pilotage (57) comprend successivement, sur le chemin de circulation d’un flux d’air (35) :
-- au moins un tube d'alimentation en air (59) pour alimenter en air des tubes collecteur d'air (61) et communiquant avec ledit prélèvement d’air (37),
-- lesdits tubes collecteur d'air (61), en forme d’anneau ou portion d’anneau, pour alimenter en air au moins une conduite d'air (63) s'ouvrant dans l’un au moins des tubes collecteur d'air (61) et débouchant dans au moins une rampe de circulation d'air (65) disposée circonférentiellement autour du carter (31) et percée d’orifices définissant ledit soufflage d’air (41) à l’endroit de ladite seconde zone (42) de la turbomachine,
-- ladite au moins une conduite d'air (63),
-- ladite au moins une rampe de circulation d'air (65), et
les moyens de chauffage de l’air (43) étant disposés en amont dudit au moins un tube d'alimentation en air (59) ou dans ledit au moins un tube d'alimentation en air (59).