FR3105983A1 - Dispositif de refroidissement d’un carter d’une turbomachine - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif de refroidissement d’un carter (18) d’une turbomachine (1), le dispositif (21) comportant au moins un boîtier (22) s’étendant selon l’axe (X) de la turbomachine (1) et comprenant au moins deux tubes (23) s’étendant circonférentiellement depuis le boitier (22) et décalés axialement l’un par rapport à l’autre, le boîtier (22) comportant une paroi radialement interne (25) et une paroi radialement externe (26) s’étendant axialement et reliées l’une à l’autre par des parois latérales (27), le boîtier (22) comportant une entrée d’air (31) débouchant dans le volume interne du boîtier (22) délimité par lesdites parois interne (25), externe (26) et latérales (27), l’entrée d’air (31) débouchant dans une zone amont du boîtier (22), chaque tube (23) débouchant au niveau de l’une desdites parois latérales (27) s’étendant axialement. Figure à publier avec l’abrégé : Figure n°6
Description
Domaine technique de l’invention
L’invention concerne un dispositif de refroidissement d’un carter d’une turbomachine, telle par exemple qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion.
Etat de la technique antérieure
La figure 1 représente une turbomachine 1 à double flux et à double corps. L’axe de la turbomachine est référencé X et correspond à l’axe de rotation des parties tournantes. Dans ce qui suit, les termes axial, radial et circonférentiel sont définis par rapport à l’axe X.
La turbomachine 1 comporte, de l’amont vers l’aval dans le sens d’écoulement des gaz, une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6 et une turbine basse pression 7.
L’air issu de la soufflante 2 est divisé en un flux primaire 8 s’écoulant dans une veine annulaire primaire 9, et un flux secondaire 10 s’écoulant dans une veine annulaire secondaire 11 entourant la veine annulaire primaire 10.
Le compresseur basse pression 3, le compresseur haute pression 4, la chambre de combustion 5, la turbine haute pression 6 et la turbine basse pression 7 sont ménagés dans la veine primaire 9.
Le rotor de la turbine haute pression 6 et le rotor du compresseur haute pression 4 sont couplés en rotation par l’intermédiaire d’un premier arbre 12 de manière à former un corps haute pression.
Le rotor de la turbine basse pression 7 et le rotor du compresseur basse pression 3 sont couplés en rotation par l’intermédiaire d’un second arbre 13 de manière à former un corps basse pression, la soufflante 2 pouvant être reliée directement au rotor du compresseur basse pression 3 ou bien par l’intermédiaire d’un train d’engrenage épicycloïdal par exemple.
Comme cela est mieux visible à la figure 2, la turbine basse-pression 7 comporte en particulier différents étages successifs le long de l’axe X comportant des roues mobiles 14 et des parties fixes. La roue mobile comporte un disque 15 au niveau duquel sont montées des aubes 16. Les extrémités des aubes 16 sont entourées d’un anneau fixe 17 en matériau abradable, ledit anneau 17 étant fixé sur le carter 18 de la turbine. Des distributeurs 19 sont situés en aval des roues mobiles 14. Les distributeurs 19 et les anneaux 17 sont montés sur le carter par l’intermédiaire de brides ou de crochets 20 s’étendant depuis la surface radialement interne du carter 18.
Afin de garantir un rendement élevé de la turbomachine, il convient de limiter le flux d’air ne traversant pas les roues mobiles 14 des différents étages, c’est-à-dire de limiter les fuites entre les extrémités radialement externes des aubes 16 et l’anneau 17 en matériau abradable. Pour cela, il convient de contrôler le jeu au niveau de cette interface, ce jeu étant dépendant de la température du carter 18, et notamment des zones dudit carter 18 comportant les crochets ou brides 20 supportant l’anneau 17.
Le flux d’air primaire issu de la chambre de combustion 5 présente une température élevée et échauffe les parties situées en aval, telles que les parties fixes et mobiles de la turbine 6, 7.
Afin de maîtriser le jeu précité et d’éviter toute dégradation prématurée des différentes parties fixes et mobiles de la turbine, il est nécessaire de prévoir des moyens de refroidissement efficaces pouvant s’intégrer aisément dans l’environnement de la turbomachine.
La demande de brevet FR 3 021 700, au nom de la Demanderesse, divulgue un dispositif de refroidissement 21 d’un carter 18 de turbine basse pression 7, visible à la figure 3, comportant des boîtiers 22, chaque boîtier 22 s’étend axialement.
Le dispositif 21 comporte de plus des tubes 23 s’étendant circonférentiellement de part et d’autre des boîtiers 22. Lesdits tubes 23, également appelés rampes, sont formés par des canalisations courbes de section circulaire, chaque tube 23 s’étendant circonférentiellement autour du carter par exemple selon un angle d’environ 90°.
Chaque tube 23 comporte une entrée d’air débouchant dans le boîtier 22 correspondant et une extrémité distale fermée. Chaque tube 23 comporte en outre une paroi cylindrique pourvue d’orifices d’éjection d’air tournés vers le carter 18, de sorte que de l’air de refroidissement puisse pénétrer dans les boîtiers 22 puis dans les tubes 23 avant de déboucher par les orifices en regard du carter 18, de manière à le refroidir. On parle notamment de refroidissement par impact puisque l’air vient impacter le carter 18.
La partie radialement interne du boîtier comporte également des orifices d’éjection d’air tournés vers le carter et destinés à son refroidissement.
Chaque boîtier 22 est fixé, à son extrémité amont, à une bride amont du carter, par l’intermédiaire d’un organe de fixation amont, et à son extrémité aval, à une bride aval du carter, par l’intermédiaire d’un organe de fixation aval. Les organes de fixation peuvent être formés par des tôles vissées sur les brides correspondantes.
En fonctionnement, la température d’une partie du carter, en particulier de la partie amont, est plus importante que la température des brides sur lesquelles sont fixés les boîtiers. Les températures élevées provoquent des dilatations axiales et radiales. Du fait des différences de température entre les brides et les zones plus chaudes du carter, il existe des phénomènes de dilatation différentielles pouvant provoquer un contact entre les tubes et le carter. Afin d’éviter un tel contact, et donc une dégradation du dispositif de refroidissement, les tubes sont écartés radialement du carter, ce qui tend à réduire l’efficacité du refroidissement par impact et/ou nécessite des débits d’air de refroidissement importants, réduisant le rendement de la turbomachine.
Par ailleurs, la fixation des boîtiers est assurée au travers de nombreuses pièces, ce qui génère une chaîne de cotes importante, augmentant les tolérances dimensionnelles nécessaires au montage du boîtier. De telles tolérances tendant à augmenter l’écartement radial ou entrefer entre les tubes et le carter.
L’invention a notamment pour but d’apporter une solution simple, efficace et économique à ces problèmes.
Présentation de l’invention
A cet effet, l’invention concerne un dispositif de refroidissement d’un carter d’une turbomachine, le dispositif s’étendant selon autour d’un axe, comportant au moins un boîtier s’étendant selon l’axe de la turbomachine et comprenant au moins deux tubes s’étendant circonférentiellement autour de l’axe depuis le boitier et décalés axialement l’un par rapport à l’autre, le boîtier comportant une paroi radialement interne et une paroi radialement externe s’étendant axialement et reliées l’une à l’autre par des parois latérales, le boîtier comportant une entrée d’air débouchant dans le volume interne du boîtier délimité par lesdites parois interne, externe et latérales, l’entrée d’air débouchant dans une zone amont du boîtier, chaque tube débouchant dans le volume interne du boîtier au niveau de l’une desdites parois latérales s’étendant axialement, caractérisé en ce que le boîtier comporte en outre une paroi intermédiaire s’étendant dans le volume interne du boîtier en regard de la paroi radialement interne et de la paroi radialement externe, la paroi intermédiaire comportant au moins un bord latéral ou extrémité circonférentielle qui est écarté, au moins dans une zone, d’un jeu circonférentiel déterminé par rapport à l’une au moins des parois latérales axiales du boîtier.
La présence d’une paroi intermédiaire dans le volume interne du boîtier permet de mieux homogénéiser les flux d’air au sein du boîtier, notamment entre la zone amont et la zone aval du boîtier, de façon à homogénéiser les débits d’air entrant dans les différents tubes. Ceci permet de mieux contrôler la température du carter et maîtriser ainsi les jeux entre les extrémités radialement externes des aubes de rotor et l’anneau en matériau abradable correspondant.
La circulation de l’air entre les parties radialement interne et externe du volume interne du boîtier, séparées par la paroi intermédiaire, est permise notamment au travers du jeu circonférentiel entre le bord latéral de la paroi intermédiaire et la paroi latérale correspondante du boîtier.
Ledit jeu circonférentiel peut être compris entre 5 et 20 mm.
Chaque tube peut comporter une pluralité d’orifices destinés à être tournés vers le carter de la turbomachine.
La paroi intermédiaire peut comporter au moins une zone s’étendant radialement de l’intérieur vers l’extérieur et respectivement axialement de l’amont vers l’aval.
Une telle caractéristique permet d’améliorer l’homogénéisation du flux d’air de refroidissement arrivant dans le boîtier en amont et s’écoulant vers l’aval avant de pénétrer dans les tubes.
La paroi intermédiaire peut comporter deux bords latéraux ou extrémités circonférentielles, chaque bord étant écarté d’un jeu circonférentiel déterminé par rapport à la paroi latérale axiale correspondante du boîtier.
Au moins une partie de la paroi intermédiaire peut s’étendre radialement à l’extérieur du débouché de chaque tube dans le volume interne du boîtier.
Les parois latérales axiales du boîtier peuvent être disposées circonférentiellement en regard et peuvent s’écarter l’une de l’autre de l’amont vers l’aval.
Chaque paroi latérale peut recevoir plusieurs tubes décalés axialement les uns des autres et débouchant chacun dans le volume interne du boîtier, au niveau de la paroi latérale correspondante.
La paroi intermédiaire peut être fixée au boîtier par soudage ou brasage.
Une fixation par brasage ou soudage permet de limiter les pertes de charge, par comparaison avec une fixation à l’aide de vis ou de rivets.
L’extrémité amont et/ou l’extrémité aval de la paroi intermédiaire peuvent être fixées au niveau de la paroi radialement externe du boîtier.
L’entrée d’air peut être située au niveau de la paroi radialement externe du boîtier.
L’entrée d’air peut être orientée dans un plan radial.
L’entrée d’air peut ainsi déboucher dans la partie radialement externe du volume interne tandis que les tubes peuvent déboucher dans la partie radialement interne du volume interne, lesdites parties radialement interne et externe étant séparées l’une de l’autre par la paroi intermédiaire.
Le boîtier peut comporter au moins cinq tubes décalés axialement les uns des autres et débouchant au niveau de chaque paroi latérale axiale du boîtier, le centre de l’entrée étant situé axialement entre le deuxième tube et le troisième tube.
Au moins un bord latéral de la paroi intermédiaire peut comporter au moins une zone en creux située en regard du débouché de l’un au moins des tubes dans le volume interne du boîtier.
Ladite zone en creux peut s’écarter de la paroi latérale correspondante du boîtier dans la direction circonférentielle par rapport aux zones dudit bord qui ne sont pas en creux.
Ledit bord latéral peut comporter une succession de zones en creux. Les zones en creux peuvent être formées par des ondulations ou des créneaux au niveau du bord latéral de la paroi intermédiaire. Les zones du bord latéral qui ne sont pas en creux peuvent ou non être décalées de la paroi latérale axiale correspondante du boîtier.
En d’autres termes, le jeu entre le bord latéral de la paroi intermédiaire et la paroi latérale correspondante du boîtier peut être formé uniquement au niveau des zones en creux ou, au contraire, sur la totalité ou la majeure partie du bord latéral correspondant de la paroi intermédiaire. Par majeure partie, on entend au moins 50% de la distance axiale dudit bord.
Au moins une zone en creux peut être formée au niveau de chaque bord latéral de la paroi intermédiaire.
La paroi intermédiaire peut présenter une surface externe pourvue d’une zone en creux s’étendant axialement sur au moins une partie de la paroi intermédiaire, la zone en creux de la surface externe de la paroi intermédiaire s’étendant en regard de l’entrée d’air.
Ladite zone en creux peut être formée au niveau d’une zone circonférentiellement médiane de la paroi intermédiaire. La zone en creux peut être formée par une section générale en U ou en V de la paroi intermédiaire, dans un plan radial.
Ladite zone en creux peut s’étendre axialement sur la majeure partie, c’est-à-dire sur au moins 50%, de la distance axiale ou longueur de la paroi intermédiaire, par exemple sur toute la longueur de la paroi intermédiaire.
L’invention concerne également une turbomachine, par exemple un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion, comportant un dispositif du type précité.
L’invention concerne également un aéronef, par exemple un avion, comportant une turbomachine du type précitée.
Brève description des figures
Description détaillée de l’invention
Les figures 4 à 9 illustrent un dispositif 21 de refroidissement d’un carter d’une turbomachine selon une première forme de réalisation de l’invention. Le dispositif 21 comporte au moins un boîtier 22, par exemple deux boîtiers 22 diamétralement opposés, chaque boîtier 22 s’étendant selon l’axe X de la turbomachine 1.
Chaque boîtier 22 comporte une paroi radialement interne 25 (figure 6) s’étendant axialement et une paroi radialement externe 26 s’étendant axialement. Lesdites parois interne 25 et externe 26 sont reliées l’une à l’autre par des parois latérales, ici par deux parois latérales 27 s’étendant axialement. Les parois latérales 27 et les parois interne 25 et externe 26 délimitent le volume interne du boîtier 22. Les parois latérales 27 sont disposées circonférentiellement en regard et s’écartent l’une de l’autre de l’amont vers l’aval. Chaque paroi latérale 27 s’étend globalement dans un plan qui est incliné d’un angle α (figure 5) par rapport au plan axial.
L’extrémité amont du boîtier 22 est fixée au carter 18 par l’intermédiaire d’une bride de fixation amont 29, présentant ici une forme générale en U. L’extrémité aval du boîtier 22 est fixée au carter 18 par l’intermédiaire d’une bride de fixation aval 30, présentant ici une forme générale plane.
La paroi radialement interne 25 s’écarte de l’axe X de la turbomachine 1, de l’amont vers l’aval, comme illustré à la figure 6, de façon à s’adapter à la forme tronconique du carter 18 à refroidir.
La paroi externe 26 comporte une partie amont 26a s’écartant de l’axe X de la turbomachine 1 de l’amont vers l’aval et une partie aval 26b s’étendant parallèlement à l’axe X.
Le boîtier 22 comporte en outre une entrée 31 débouchant dans le volume interne du boîtier 22, au niveau d’une zone amont de la paroi radialement externe 26. L’entrée 31 est formée par une ouverture entourée d’une douille 32. L’axe Y (figure 6) de l’entrée 13 est perpendiculaire à la partie amont 26a de la paroi externe 26.
Le boîtier 22 comporte de plus une paroi intermédiaire 33 s’étendant axialement dans le volume interne du boîtier 22. La paroi intermédiaire 33 comporte une extrémité amont de fixation 34 fixée par exemple par soudage ou brasage à l’extrémité amont de la paroi externe 26, et une extrémité aval de fixation 35 fixée par exemple par soudage ou brasage à l’extrémité aval de la paroi externe 26. La paroi intermédiaire 33 comporte en outre une zone médiane comportant une partie amont 33a plane et une partie aval 33b plane (figure 6), les parties amont et aval 33a, 33b formant un angle l’une par rapport à l’autre, cet angle étant par exemple compris entre 110 et 170°. L’extrémité amont 36 de la partie amont 33a est écartée de l’extrémité amont de fixation 34 et est reliée à l’extrémité amont de fixation 36 par l’intermédiaire d’une zone de liaison amont 36a. L’extrémité aval 37 de la partie aval 33b est écartée de l’extrémité aval de fixation 35 et est reliée à l’extrémité aval de fixation 35 par l’intermédiaire d’une zone de liaison aval 37a.
La paroi intermédiaire 33 comporte deux bords latéraux ou extrémités circonférentielles 38. Les bords latéraux 38 de la paroi intermédiaire 33 sont écartés des parois latérales correspondantes 27, de façon à former un jeu j (figure 7) dans la direction circonférentielle entre chaque paroi latérale 27, et le bord latéral 38 correspondant. Le jeu j peut être sensiblement constant sur la majeure partie ou sur toute la longueur de la paroi intermédiaire 33. La longueur de la paroi intermédiaire 33 est sa dimension axiale. La majeure partie signifie au moins 50% de la longueur de la paroi intermédiaire 33. Le jeu j peut être compris entre 5 et 20 mm par exemple. Il est bien entendu possible de faire varier le jeu j, par exemple de manière à ce qu’il augmente ou diminue progressivement de l’amont vers l’aval.
Le dispositif 21 comporte en outre des tubes 23 s’étendant circonférentiellement de part et d’autre de chaque boîtier 22. Lesdits tubes 23, également appelés rampes, sont formés par des canalisations courbes de section circulaire, chaque tube 23 s’étendant circonférentiellement autour du carter par exemple selon un angle d’environ 90°. Les tubes 23 sont agencés par paires, les tubes 23 d’une même paire étant situées sur un même plan axial. Les paires de tubes 23 sont décalées axialement les unes des autres. Ici, chaque boîtier 22 est associé à 8 paires de tubes 23. Bien entendu, le nombre de paires de tubes 23 peut varier, par exemple entre 3 et 10. Chaque tube 23 débouche dans le boîtier 21, au niveau d’une paroi latérale 27, par une première extrémité 23a du tube 23. La seconde extrémité non représentée de chaque tube 23 est fermée.
La paroi intermédiaire 33 est située radialement à l’extérieur des premières extrémités des tubes.
En fonctionnement, de l’air de refroidissement est amené par l’entrée 31 et débouche dans le volume interne du boîtier 22. Cet air pénètre dans la partie radialement externe du volume interne, délimitée entre la paroi intermédiaire 33 et la paroi externe 26, puis pénètre dans la partie radialement interne du boîtier 22, délimitée entre la paroi intermédiaire 33 et la paroi interne 25, au travers des jeux circonférentiels j entre les bords latéraux 38 et les parois latérales 27. L’air pénètre ensuite dans chaque tube 23 puis est éjecté en regard du carter 18 au travers des orifices d’éjection des tubes 23, de façon à refroidir le carter 18 par impact. La présence de la paroi intermédiaire 33 permet de répartir uniformément le flux d’air entre les tubes 23, de manière à contrôler efficacement la température du carter 18.
Les figures 10 et 11 illustrent un dispositif 21 de refroidissement selon une deuxième forme de réalisation, qui diffère de celle décrite en référence aux figures 4 à 9 en ce que la paroi intermédiaire 33 comporte une zone en creux 39 s’étendant axialement et formée au niveau d’une zone circonférentiellement médiane de la paroi intermédiaire 33. La zone en creux 39 peut être formée par une section générale en U ou en V de la paroi intermédiaire 33, dans un plan radial.
L’épaisseur ou dimension radiale de la paroi intermédiaire 33 est sensiblement constante, même au niveau de la zone en creux 39.
Une telle forme de réalisation permet d’améliorer encore l’homogénéité de la répartition de l’air au sein des tubes 23 du dispositif 21.
La figure 12 illustre une troisième forme de réalisation, qui diffère de celle décrite précédemment en référence aux figures 10 et 11 en ce que chaque bord latéral 38 de la paroi intermédiaire 33 comporte des ondulations formant une alternance de zones en creux 40 et de zones en saillie 41. Les zones en creux 40 sont situées axialement en regard des premières extrémités 23a des tubes 23. Les zones en saillie 41 sont situées axialement entre lesdites premières extrémités 23a.
Le jeu j circonférentiel entre chaque bord latéral 38 de la paroi intermédiaire 33 et chaque paroi latérale 27 du boîtier 22 peut donc varier entre 5 et20 mm.
Une telle forme de réalisation permet d’améliorer encore l’homogénéité de la répartition de l’air au sein des tubes 23 du dispositif 21.
Claims (11)
- Dispositif (21) de refroidissement d’un carter (18) d’une turbomachine (1), le dispositif (21) s’étendant autour d’un axe (X), comportant au moins un boîtier (22) s’étendant selon l’axe (X) de la turbomachine (1) et comprenant au moins deux tubes (23) s’étendant circonférentiellement autour de l’axe (X) depuis le boitier (22) et décalés axialement l’un par rapport à l’autre, le boîtier (22) comportant une paroi radialement interne (25) et une paroi radialement externe (26) s’étendant axialement et reliées l’une à l’autre par des parois latérales (27), le boîtier (22) comportant une entrée d’air (31) débouchant dans le volume interne du boîtier (22) délimité par lesdites parois interne (25), externe (26) et latérales (27), l’entrée d’air (31) débouchant dans une zone amont du boîtier (22), chaque tube (23) débouchant dans le volume interne du boîtier (22) au niveau de l’une desdites parois latérales (27) s’étendant axialement, caractérisé en ce que le boîtier (22) comporte en outre une paroi intermédiaire (33) s’étendant dans le volume interne du boîtier (22) en regard de la paroi radialement interne (25) et de la paroi radialement externe (26), la paroi intermédiaire (33) comportant au moins un bord latéral ou extrémité circonférentielle (38) qui est écarté, au moins dans une zone, d’un jeu (j) circonférentiel déterminé par rapport à l’une au moins des parois latérales axiales (27) du boîtier (22).
- Dispositif (21) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi intermédiaire (33) comporte au moins une zone (33a, 33b) s’étendant radialement de l’intérieur vers l’extérieur et respectivement axialement de l’amont vers l’aval.
- Dispositif (21) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la paroi intermédiaire (33) comporte deux bords latéraux ou extrémités circonférentielles (38), chaque bord (38) étant écarté d’un jeu (j) circonférentiel déterminé par rapport à la paroi latérale axiale (27) correspondante du boîtier (22).
- Dispositif (21) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’au moins une partie de la paroi intermédiaire (33) s’étend radialement à l’extérieur du débouché (23a) de chaque tube (23) dans le volume interne du boîtier (22).
- Dispositif (21) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les parois latérales axiales (27) du boîtier (22) sont disposées circonférentiellement en regard et s’écartent l’une de l’autre de l’amont vers l’aval.
- Dispositif (21) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque paroi latérale (27) reçoit plusieurs tubes (23) décalés axialement les uns des autres et les tubes (23) débouchent chacun dans le volume interne du boîtier (22), au niveau de la paroi latérale (27) correspondante.
- Dispositif (21) selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la paroi intermédiaire (33) est fixée au boîtier (22) par soudage ou brasage.
- Dispositif (21) selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la paroi intermédiaire (33) comprend une extrémité amont (34) et une extrémité aval (35), l’extrémité amont (34) et/ou l’extrémité aval (35) de la paroi intermédiaire (33) étant fixée(s) à la paroi radialement externe (26) du boîtier (22).
- Dispositif (21) selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l’entrée d’air (31) est située au niveau de la paroi radialement externe (26) du boîtier (22).
- Dispositif (21) selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’au moins un bord latéral (38) de la paroi intermédiaire (33) comporte au moins une zone en creux (40) située en regard du débouché (23a) de l’un au moins des tubes (23) dans le volume interne du boîtier (22).
- Dispositif (21) selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la paroi intermédiaire (33) présente une surface externe pourvue d’une zone en creux (39) s’étendant axialement sur au moins une partie de la paroi intermédiaire (33), la zone en creux (39) de la surface externe de la paroi intermédiaire (33) s’étendant en regard de l’entrée d’air (31).
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- 2020-01-08 FR FR2000130A patent/FR3105983B1/fr active Active
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