FR3136505A1 - Dispositif de ventilation amélioré de turbine de turbomachine - Google Patents

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Abstract

Dispositif de ventilation amélioré de turbine de turbomachine Turbine de turbomachine d’aéronef comprenant une veine annulaire d’écoulement d’air chaud, une cavité sous veine (68), et au moins un clapet fusible (100) configuré pour injecter un débit d’air de refroidissement dans la cavité sous veine (68), le clapet fusible (100) comprenant une partie fixe (110) fixée à une paroi (P) de la cavité sous veine (68), une partie mobile (120), mobile par rapport à la partie fixe (110) entre une position d’obturation empêchant l’air de refroidissement de pénétrer dans la cavité sous veine (68), et une position d’ouverture permettant à l’air de refroidissement de pénétrer dans la cavité sous veine (68), la partie mobile (120) étant fixée à la partie fixe (110) par un frettage (F) et maintenue en position d’obturation par ledit frettage (F) avec la partie fixe (110), la partie fixe (110) présentant un coefficient de dilatation plus élevée que la partie mobile (120). Figure pour l’abrégé : Fig. 3.

Description

Dispositif de ventilation amélioré de turbine de turbomachine
L'invention concerne le domaine des circuits de ventilation des turbomachines. Plus précisément, l’invention concerne une turbine de turbomachine d’aéronef, et une turbomachine comprenant une telle turbine.
Dans les turbomachines d’aéronef, il est courant d’utiliser des circuits d’air secondaires, permettant par exemple d’assurer des débits de ventilation nécessaires dans certaines régions de ces turbomachines. Il est par exemple possible de prélever de l’air sur un compresseur disposé en amont, par exemple un compresseur haute pression pour refroidir des pièces dans des étages en aval présentant un environnement plus chaud. L’amont et l’aval s’entendent selon le sens d’écoulement de l’air dans la turbomachine. L’air de refroidissement prélevé sur le compresseur haute pression est par exemple acheminé vers la turbine basse pression, ou vers la turbine haute pression de la turbomachine. L’air acheminé permet alors la purge de l’air chaud et la ventilation de certaines pièces (ex : disques, aubes mobiles) de ces turbines. La purge de l’air chaud joue le rôle de protection thermique des rotors de turbine afin d’empêcher l’air de la veine annulaire d’écoulement d’air chaud de s’introduire dans la cavité sous veine située sous le rotor, au niveau du disque et des pieds d’aubes. Cet air de refroidissement permet ainsi de limiter les risques de surchauffe des pièces mobiles des turbines, pouvant aboutir à une dégradation de celles-ci et dans le pire des cas, à une rupture de ces pièces.
Par ailleurs, en vue de garantir la conformité des dispositifs de refroidissement aux normes aéronautiques, il est courant de sur-dimensionner ces dispositifs de refroidissement.
A titre d’exemple, il est possible de réaliser un dispositif comprenant plusieurs canaux de prélèvement d’air sur le compresseur haute pression, ces canaux assurant également la circulation de l’air prélevé vers la turbine basse pression ou vers la turbine haute pression afin de refroidir celles-ci. De tels canaux forment ainsi un dispositif de refroidissement de ces turbines. Un surdimensionnement de ce dispositif de refroidissement peut alors consister à réaliser des canaux présentant un diamètre plus important que nécessaire, ces canaux acheminant alors plus d’air que nécessaire pour refroidir la turbine basse pression ou haute pression, ou encore d’augmenter le nombre de canaux. Avantageusement, ce surdimensionnement permet de garantir en cas de dysfonctionnement, par exemple en cas d’obstruction partielle ou de perçage partiel ou de rupture d’un canal, que le dispositif continue à délivrer suffisamment d’air de refroidissement à la turbine basse pression ou haute pression. Un autre exemple de dysfonctionnement peut être causé par une dégradation de l’étanchéité de la turbine, due par exemple à l’usure d’un joint labyrinthe de la turbine basse ou haute pression, entraînant une fuite d’air de refroidissement et donc une diminution du débit de purge d’air chaud.
Bien que fiables, les surdimensionnements des dispositifs de refroidissement décrits ci-dessus conduisent à prélever plus d’air que réellement nécessaire sur le compresseur haute pression dans une situation nominale de fonctionnement de la turbomachine, par exemple en l’absence de défaillance d’un canal de circulation d’air, de telles défaillances étant par ailleurs exceptionnelles. Un tel sur-prélèvement d’air impacte alors de manière non négligeable la consommation spécifique en carburant (SFC) de l’aéronef, et induit une dégradation des performances du moteur.
Pour des raisons d’optimisation de fonctionnement des turbomachines, et d’économie d’énergie, il est donc souvent souhaitable que ces circuits secondaires fonctionnent uniquement en cas de dysfonctionnements. Pour contrôler ces circuits d’air secondaires en fonction des conditions de températures, il est connu d’utiliser des systèmes comprenant des pièces telles que des bouchons fusibles, pouvant fondre au-delà d’une certaine température.
Cependant, en environnement moteur, ces solutions existantes peuvent présenter des inconvénients, dans des localisations proches de pièces tournantes à haute énergie notamment. En effet, ces pièces fusibles peuvent libérer des quantités importantes de matière pouvant entrer en contact avec les pièces tournantes, et créer des dommages mécaniques préjudiciables. Ces particules de matières peuvent également venir perturber l’équilibrage de la turbine. Des dispositifs permettant la rétention de ces résidus de matière peuvent être par ailleurs encombrants. De plus, la réutilisation du dispositif est souvent impossible à cause des résidus de matière fusibles. Il existe donc un besoin pour palier au moins en partie à ces inconvénients.
Le présent exposé concerne une turbine de turbomachine d’aéronef comprenant une veine annulaire d’écoulement d’air chaud, une cavité sous veine coaxiale à la veine d’écoulement d’air chaud, et au moins un clapet fusible configuré pour injecter un débit d’air de refroidissement dans la cavité sous veine, le clapet fusible comprenant :
- une partie fixe fixée à une paroi de la cavité sous veine,
- une partie mobile, mobile par rapport à la partie fixe entre une position d’obturation empêchant l’air de refroidissement de pénétrer dans la cavité sous veine, et une position d’ouverture permettant à l’air de refroidissement de pénétrer dans la cavité sous veine, la partie mobile étant fixée à la partie fixe par un frettage et maintenue en position d’obturation par ledit frettage avec la partie fixe, la partie fixe présentant un coefficient de dilatation plus élevée que la partie mobile.
Dans certains modes de réalisation, la partie fixe est configurée pour maintenir la partie mobile en position d’obturation par une force exercée par le frettage sur la partie mobile lorsqu’une température au sein de la cavité sous veine est inférieure à une valeur seuil prédéterminée, et pour relâcher la force exercée par le frettage par dilatation différentielle lorsque la température au sein de la cavité sous veine est supérieure à ladite valeur seuil prédéterminée, de manière à permettre le passage de la partie mobile en position d’ouverture.
La position d’obturation est une position dans laquelle, lorsque l’air de refroidissement s’écoule dans une direction amont-aval depuis son prélèvement vers la cavité sous veine, l’air ne peut s’écouler entre l’amont et l’aval de la paroi de la cavité sous veine. En d’autres termes, une région en amont de la paroi de la cavité sous veine n’est pas en communication fluidique avec la cavité sous veine. A l’inverse, la position d’ouverture est une position dans laquelle l’air peut s’écouler entre l’amont et l’aval de la paroi de la cavité sous veine. En d’autres termes, la région en amont de la paroi de la cavité sous veine est en communication fluidique avec la cavité sous veine.
L’air chaud s’écoulant dans la veine annulaire est l’air provenant de la combustion du moteur de la turbomachine, et permettant d’entraîner les aubes de la turbine. La cavité sous veine est une enceinte disposée par exemple radialement à l’intérieur de la veine annulaire. La turbine comprend un dispositif d’injection comprenant le ou les clapet(s) fusible(s), et peut comprendre également des injecteurs permettant d’injecter de manière continue dans cette cavité sous veine de l’air de refroidissement prélevé en amont, dans le compresseur haute pression par exemple. Par « injecter de manière continue », on comprend que les injecteurs injectent un premier débit d’air de refroidissement en permanence lorsque le moteur est en fonctionnement.
Ce premier débit peut être constant ou osciller autour d’un débit d’air de refroidissement nominal correspondant à un fonctionnement nominal de la turbomachine, c’est-à-dire un fonctionnement caractérisé par une absence d’anomalie ou de panne dans la turbine. On notera que ce fonctionnement nominal peut comprendre l’usure de la turbomachine, mais pas les cas de pannes telles que la rupture d’un canal d’alimentation d’air. De plus, en cas de panne entraînant une augmentation de la température, les caractéristiques structurelles des injecteurs ne changent pas, de sorte qu’ils continuent à injecter le premier débit. Ce premier débit est donc un débit d’air de refroidissement nécessaire pour assurer une purge d’air chaud suffisante lors d’un tel fonctionnement nominal de la turbomachine, sans qu’il soit nécessaire de surdimensionner le dispositif d’injection.
Le clapet fusible est en revanche configuré pour empêcher un débit d’air de refroidissement de pénétrer dans la cavité sous veine dans des conditions de fonctionnement nominales. Pour ce faire, la partie fixe maintient la partie mobile en position d’obturation, par frettage. On comprend que le frettage consiste à assembler deux pièces par un ajustement serré, la pièce extérieure, dans ce cas la partie fixe, étant appelée « frette », et la pièce intérieure, dans ce cas la partie mobile, étant « frettée ». Le frettage peut par exemple être réalisé par chauffage de la frette pour la dilater avant de l'insérer sur l'élément à fretter. Le refroidissement de la frette entraîne sa rétraction, celle-ci venant ainsi se serrer autour de la pièce à fretter.
Compte tenu du fait que la partie fixe présente un coefficient de dilatation plus important que la partie mobile, une élévation de la température dans la cavité sous veine entraîne une dilatation plus importante de la partie fixe que celle de la partie mobile. Par le jeu des dilatations différentielles, l’étreinte exercée par la partie fixe sur la partie mobile se relâche donc, libérant la partie mobile et permettant son passage en position d’ouverture, notamment par la pression exercée par l’air de refroidissement sur la partie mobile. On comprend par ailleurs que la partie mobile est mobile en ce sens où elle est apte à passer d’une position d’obturation à une position d’ouverture en cas de dysfonctionnement, mais est toutefois configurée pour rester immobile, en position d’obturation grâce au frettage, lors d’un fonctionnement nominal de la turbomachine, c’est-à-dire la majeure partie du temps.
Par conséquent, le dépassement d’une valeur seuil de température au sein de la cavité sous veine, indiquant un débit d’air de refroidissement insuffisant engendré par une anomalie apparue dans le circuit de refroidissement de la turbomachine, engendre le relâchement du frettage entre la partie fixe et la partie mobile, et donc la libération de la partie mobile. Le passage de la partie mobile en position d’ouverture permet alors l’injection d’un débit d’air de refroidissement supplémentaire, supérieur au premier débit, dans la cavité sous veine. Le débit total d’air de refroidissement, comprenant l’air injecté par les injecteurs, et l’air injecté par l’intermédiaire du clapet fusible, est alors supérieur au débit d’air de refroidissement nominal (comprenant le premier débit seul) injecté par le dispositif d’injection lors d’un fonctionnement nominal de la turbomachine.
Par conséquent, le pilotage du débit d’air de refroidissement injecté dans la cavité sous veine en fonction de la température au sein de celle-ci, permet d’augmenter le débit d’air de refroidissement uniquement en cas de dysfonctionnement ou de panne, caractérisés par une augmentation de la température au sein de la cavité sous veine. Cela permet donc d’augmenter le débit d’air de refroidissement uniquement lorsque cela est nécessaire, sans nécessiter un surdimensionnement permanent du dispositif de refroidissement. L’impact du système de refroidissement sur la consommation en carburant est ainsi limité, ce qui permet ainsi d’améliorer les performances du moteur.
En outre, ce dispositif ne nécessite aucun matériau fusible. Cela permet d’éviter les inconvénients précités liés au relâchement des résidus de matériaux fusibles dans la turbine, et de s’affranchir de la présence d’un récupérateur pour récupérer les résidus de matériaux fusibles, limitant ainsi l’encombrement du dispositif. Il est également possible de réutiliser le clapet fusible après une chauffe du frettage et remise en position d’obturation de la partie mobile du clapet.
Dans certains modes de réalisation, la partie fixe comprend un matériau différent d’un matériau de la partie mobile.
Le matériau peut être déterminé en fonction de la température seuil souhaitée, correspondant à la présence d’une anomalie et permettant le passage de la partie mobile en position d’ouverture. En particulier, dans certains modes de réalisation, la valeur seuil de température est comprise entre 550 et 600°C.
Cette température seuil est de préférence inférieure à une température critique à partir de laquelle les éléments de la turbine tels que les disques et aubes se détériorent. Ainsi, lorsque la valeur seuil de température au sein de la cavité est atteinte, l’injection d’un débit d’air de refroidissement supplémentaire, par l’intermédiaire du clapet fusible, permet de diminuer la température de la turbine avant que les aubes, ou le disque portant les aubes, ne se détériorent.
Dans certains modes de réalisation, la partie fixe comprend un alliage à base de nickel, tel que de l’Inconel®, et la partie mobile comprend du carbure de tungstène ou des céramiques.
Dans certains modes de réalisation, la partie mobile est mobile en translation par rapport à la partie fixe entre la position d’obturation et la position d’ouverture.
Dans certains modes de réalisation, la partie mobile comprend un obturateur configuré pour empêcher l’air de refroidissement de pénétrer dans la cavité sous veine lorsque la partie mobile est en position d’obturation, et une tige de guidage fixée à l’obturateur et insérée dans un alésage de la partie fixe par le frettage.
En d’autres termes, l’obturateur agit comme un bouchon empêchant l’air de refroidissement de pénétrer dans la cavité sous veine. L’obturateur peut être un disque obturant un passage formé dans le clapet fusible. La tige de guidage peut être un cylindre dont une extrémité est fixée à l’obturateur, l’autre extrémité étant insérée dans l’alésage, qui peut également être un orifice cylindrique. La partie mobile présente ainsi la forme d’un piston, configuré pour se déplacer en translation par rapport à la partie fixe. On comprend toutefois que compte tenu du fait que la tige de guidage est insérée dans l’alésage par frettage, un tel déplacement n’est pas possible tant que la température au sein de la cavité sous veine est inférieure à la valeur seuil.
Dans certains modes de réalisation, la partie fixe comprend un corps de clapet amont fixé à la paroi de la cavité sous veine d’un côté opposé à ladite cavité sous veine, et un corps de clapet aval fixé au corps de clapet amont en étant disposé dans la cavité sous veine, la partie mobile étant disposée au moins en partie dans une cavité formée entre le corps de clapet amont et le corps de clapet aval.
Les termes « amont » et « aval » sont considérés selon le sens d’écoulement des gaz dans la turbomachine, notamment de l’air de refroidissement. En d’autres termes, la partie fixe comprend deux parties disposées chacune de part et d’autre de la paroi de la cavité sous veine. On comprend également que le corps de clapet amont et le corps de clapet aval forment ensemble une cavité dans laquelle est disposée la partie mobile.
Dans certains modes de réalisation, le corps de clapet aval comprend l’alésage dans lequel est fixée la tige de guidage de la partie mobile, et comprend au moins un évent permettant le passage de l’air de refroidissement lorsque la partie mobile est en position d’ouverture.
On comprend que l’évent formé dans le corps de clapet aval met en communication fluidique la cavité formée par l’assemblage du corps de clapet aval avec le corps de clapet aval, et la cavité sous veine. Ainsi, lorsque la partie mobile est en position d’ouverture, l’obturateur ayant été déplacé autorise le passage de l’air de refroidissement provenant de l’amont de la paroi de la cavité sous veine, ledit air de refroidissement pouvant ensuite être transmis depuis l’intérieur du clapet fusible vers la cavité sous veine par l’intermédiaire de l’évent formé dans le corps de clapet aval.
Dans certains modes de réalisation, le clapet fusible comprend un ressort de rappel monté en compression entre une paroi amont du corps de clapet amont et l’obturateur de la partie mobile lorsque la partie mobile est maintenue en position d’obturation par la partie fixe.
La paroi amont du corps de clapet amont peut comprendre un passage mettant en communication fluidique la région amont à la paroi de la cavité sous veine et la cavité à l’intérieur du clapet fusible. L’air de refroidissement est toutefois bloqué par l’obturateur de la partie mobile lorsque celle-ci est en position d’obturation.
On comprend en outre que le ressort de rappel, monté en compression entre ladite paroi amont du corps de clapet amont et l’obturateur, tend à pousser la partie mobile vers la position d’ouverture, le mouvement de la partie mobile étant toutefois empêché par la rétention assurée par le frettage entre la partie mobile et la partie fixe. En revanche, lorsque la température au sein de la cavité sous veine devient supérieure à la valeur seuil de température, et que la rétention de la partie mobile, assurée par le frettage entre l’alésage de la partie fixe et la tige de guidage de la partie mobile, n’a plus lieu du fait des dilatations différentielles, le ressort entraîne alors la partie mobile en translation vers la position d’ouverture, et peut maintenir la partie mobile dans cette position d’ouverture.
Dans certains modes de réalisation, une force exercée par le ressort de rappel sur l’obturateur est inférieure à la force exercée par le frettage entre la partie mobile et la partie fixe lorsque la température au sein de la cavité sous veine est inférieure à la valeur seuil prédéterminée.
On comprend que la tige de guidage est comprimée dans l’alésage du corps de clapet aval de la partie fixe, la force de cette compression étant supérieure à la force exercée par le ressort sur l’obturateur. Ainsi, lorsque la température au sein de la cavité sous veine est inférieure à la valeur seuil prédéterminée, la partie mobile reste en position d’obturation, empêchant l’injection d’air de refroidissement dans la cavité sous veine.
Le présent exposé concerne également une turbomachine comprenant une turbine selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents.
L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles :
La représente une vue schématique en coupe longitudinale d’une turbomachine,
La représente une vue schématique en coupe longitudinale et partielle d’une turbine basse pression de la turbomachine de la ,
La représente une vue en coupe longitudinale d’un clapet fusible selon l’exposé, en position d’obturation,
La représente une vue de face d’une paroi amont du clapet fusible de la ,
La représente une vue en coupe longitudinale du clapet fusible de la , en position d’ouverture.
Un mode de réalisation du présent exposé va être présenté en référence aux figures 1 à 5.
Les termes « amont » et « aval » sont par la suite définis par rapport au sens d’écoulement des gaz au travers une turbomachine, indiqué par la flèche G sur les figures 1 et 2.
La illustre une turbomachine 1 à double flux comprenant de manière connue d’amont en aval successivement au moins une soufflante 10, une partie moteur comprenant successivement au moins un étage de compresseur basse pression 20, de compresseur haute pression 30, une chambre de combustion 40, au moins un étage de turbine haute pression 50 et de turbine basse pression 60.
Des rotors, tournant autour de l'axe principal X de la turbomachine 1 et pouvant être couplés entre eux par différents systèmes de transmission et d'engrenages, correspondent à ces différents éléments.
De manière connue, une fraction d’air est prélevée sur le compresseur haute pression 30 et est acheminée par l’intermédiaire d’un conduit de refroidissement 32 en vue de refroidir des zones plus chaudes de la turbomachine 1, notamment la turbine haute pression 50 et la turbine basse pression 60.
La est un agrandissement d’une zone de la turbomachine 1, illustrant de manière simplifiée la partie amont de la turbine basse pression 60, la turbine haute pression 50 n’étant pas représentée.
La turbine basse pression 60 ici illustrée comprend une pluralité d’étages 61, 62 de turbine. Un premier étage 61, ainsi que les étages 62 situés en aval de celui-ci comprennent respectivement un ensemble de distributeurs fixes 70 et 65. Chaque étage 61, 62 comprend en outre un disque 63 mobile sur lequel est monté un ensemble d’aubes 64 entraînées en rotation par le disque 63 mobile. Le premier étage 61 de la turbine basse pression 60 comprend au moins une aube 64 mobile, ainsi qu’au moins un distributeur 70 creux, dans lequel circule de l’air de refroidissement. Dans l’exemple illustré sur la , le distributeur 70 forme une seule pièce avec un carter 66 constitutif de la turbine et est creux pour laisser passer de l’air de refroidissement, sortant par l’intermédiaire d’un dispositif d’injection 80 associés au distributeur 70, comprenant une pluralité d’injecteurs. Les étages 62 suivants, situés en aval de la turbine basse pression 60, comprennent chacun au moins une aube 64 mobile et un distributeur 65 se présentant sous la forme d’un aubage fixe. Le disque 63 mobile est solidaire en rotation d’un arbre basse pression 102 s’étendant selon l’axe X-X, tandis que chaque stator 65 est relié au carter 66. Chaque étage 61, 62 de turbine comprend en outre un anneau de turbine 67 situé en regard des aubes 64 mobiles, et qui est solidaire du carter 66.
Conformément au présent exposé, la turbomachine 1 comprend un dispositif de refroidissement permettant d’acheminer, via le conduit de refroidissement 32, la fraction d’air prélevée sur le compresseur haute pression 30 vers au moins un étage de la turbine basse pression 60. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessous, la fraction d’air de refroidissement prélevée est distribuée au niveau d’un étage amont de la turbine basse pression 60. La turbine basse pression 60 est ainsi refroidie. Cependant, l’invention n’est pas limitée à ce mode de réalisation, la fraction d’air prélevée pouvant être également distribuée à d’autres étages de la turbine basse pression 60 et à la turbine haute pression 50.
Dans le mode de réalisation illustré sur la , la fraction d’air prélevée dans le compresseur haute pression 30 s’écoule dans le conduit de refroidissement 32, puis dans le distributeur 70 creux. La direction de circulation de la fraction d’air au travers du distributeur creux 70 est illustrée par les flèches 71. La fraction d’air est ensuite injectée via le dispositif d’injection 80 dans une cavité sous veine 68. L’air distribué permet notamment de refroidir les disques 63 des turbines, comme l’illustrent les flèches 75.
L’air de refroidissement injecté par le dispositif d’injection 80 permet par ailleurs la purge de l’air chaud présent dans la turbine basse pression 60, assurant ainsi le refroidissement de celles-ci. Plus précisément, l’air de refroidissement prélevé dans le compresseur haute pression et acheminé jusque dans la cavité sous veine 68, constitue une barrière de pression, ou purge, empêchant l’air chaud provenant de la chambre de combustion et s’écoulant dans la veine principale de circulation d’air des turbines, c’est-à-dire dans la veine primaire de circulation d’air de la turbomachine 1, de pénétrer dans la cavité sous veine 68. La purge de l’air chaud de la turbine basse pression 60 est ici symbolisée par la flèche 76. Les risques de surchauffe des rotors des turbines sont ainsi limités. En particulier, en empêchant l’air de la veine primaire de rentrer dans la cavité sous veine 68, cette cavité est moins chaude que la veine, et le rotor de la turbine peut donc résister à des efforts centrifuges plus élevés et être dimensionné sur des contraintes limites moins élevées.
De manière connue, un ou plusieurs conduits 32 de circulation d’air de refroidissement prélèvent chacun une fraction d’air de refroidissement d’un flux d’air circulant dans le compresseur haute pression 30, et acheminent la fraction d’air prélevée au niveau d’au moins un étage de la turbine basse pression 60.
Un dysfonctionnement du refroidissement de la turbine 60 peut avoir plusieurs causes. Une cause du dysfonctionnement du refroidissement peut être le dysfonctionnement d’un conduit 32, par exemple la rupture ou l’obturation accidentelle d’un des conduits 32 de circulation d’air. Une autre cause de ce dysfonctionnement peut résulter de l’usure excessive ou de la rupture d’un ou plusieurs joints d’étanchéité, ou joint dynamique de la turbine basse pression 60. Un dysfonctionnement du refroidissement de la turbine 60 résulte à titre d’exemple d’une défaillance d’un joint labyrinthe 69 assurant l’isolation en pression de la cavité sous veine 68 de la turbine basse pression 60.
Le dispositif d’injection 80 comporte une pluralité de premiers injecteurs 81, et au moins un, de préférence plusieurs clapets fusibles 100, répartis sur une paroi P du distributeur 70 autour de l’axe X. On notera que la présence des premiers injecteurs 81 est optionnelle, le dispositif d’injection 80 pouvant ne comprendre que des clapets fusibles 100. Afin de simplifier la description de ce mode de réalisation, un seul premier injecteur 81 et un seul clapet fusible 100 sont représentés sur la . Par ailleurs, bien que le mode de réalisation soit décrit en référence à la turbine basse pression 60, l’invention pourrait également s’appliquer à la turbine haute pression 50.
Le premier injecteur 81 est un orifice réalisé dans la paroi P du distributeur 70, permettant d’injecter en permanence, c’est-à-dire de manière continue lorsque la turbomachine est en fonctionnement, un premier débit d’air de refroidissement dans la cavité sous veine 68. Ce premier débit permet d’assurer le refroidissement, plus précisément la purge 76 et le maintien en température de la turbine basse pression 60 dans des conditions de fonctionnement nominal de celle-ci, c’est-à-dire en l’absence d’un des dysfonctionnements mentionnés ci-dessus. Les dimensions de l’orifice sont déterminées de manière à ce que le premier débit soit par exemple compris entre 270 et 310 g/s. Dans certaines applications où les températures en jeu sont plus basses, un tel refroidissement par un premier débit n’est pas nécessaire en conditions de fonctionnement nominales. Dans ce cas, seuls les clapets fusibles 100 sont nécessaires.
Le clapet fusible 100 comprend une partie fixe 110 et une partie mobile 120. La partie fixe 110 comprend un corps de clapet amont 111 et un corps de clapet aval 112. Le corps de clapet amont 111 peut avoir une forme cylindrique d’axe A dont une majeure partie est disposée d’un côté de la paroi P opposé à la cavité sous veine 68. Toutefois, une extrémité 111a du corps de clapet amont 111 peut être insérée dans un orifice de la paroi P et faire saillie à l’intérieur de la cavité sous veine 68. On notera que le corps de clapet amont 111 peut être fixé à la paroi P par exemple par soudage ou brasage, au niveau de son extrémité 111a. Par ailleurs, l’extrémité 111a peut être filetée.
Une portion du corps de clapet aval 112, comprenant un taraudage, est alors vissée sur l’extrémité 111a. Le corps de clapet aval 112 est disposé de l’autre côté de la paroi P que le corps de clapet amont 111, c’est-à-dire dans la cavité sous veine 68. Le corps de clapet aval 112 présente ainsi la forme d’un disque. L’assemblage du corps de clapet amont 111 et du corps de clapet aval 112 forme une cavité interne I.
Le corps de clapet aval 112 comprend au moins un évent 112a, de préférence une pluralité d’évents 112a (deux sont visibles sur la ) répartis circonférentiellement autour de l’axe A sur une face latérale du corps de clapet aval 112, mettant en communication fluidique la cavité interne I du clapet fusible 100 avec la cavité sous veine 68. Par ailleurs, une face du corps de clapet aval 112 comprend une portion en saillie comprenant un trou traversant s’étendant de la cavité interne I à la cavité sous veine 68, ledit trou traversant formant un alésage 112b destiné à recevoir une portion de la partie mobile 120 décrite ci-dessous.
La partie mobile 120 est disposée au moins en partie dans la cavité interne I entre le corps de clapet amont 111 et le corps de clapet aval 112. Plus précisément, la partie mobile 120 comprend un obturateur 121 disposé entièrement dans la cavité interne I, et une tige de guidage 122 s’étendant depuis une face aval de l’obturateur 121 et disposée en partie dans l’alésage 112b. La partie mobile 120 présente ainsi la forme d’un piston apte à se déplacer par translation le long de l’axe A.
Dans la position d’obturation représentée sur la , la partie mobile 120 est positionnée le long de l’axe A de telle sorte que l’obturateur 121 soit en contact avec une paroi du corps de clapet amont 111. Ainsi, l’air de refroidissement présent dans le clapet fusible 100 en amont de l’obturateur 121, c’est-à-dire à gauche de l’obturateur 121 sur la , ne peut accéder à la partie de la cavité interne I située en aval de l’obturateur 121, et par conséquent aux évents 112a.
La partie mobile 120 est maintenue dans cette position d’obturation par le frettage F de la tige de guidage 122 dans l’alésage 112b. En effet, la tige de guidage 122 est insérée dans l’alésage 112b par un ajustement serré. Le frettage F peut par exemple être réalisé par chauffage initial du corps de clapet aval 112 pour le dilater, avant d'insérer la tige de guidage 122 dans l’alésage 112b du corps de clapet aval 112 ainsi dilaté. Le refroidissement du corps de clapet aval 112 entraîne sa rétraction, l’alésage 112b venant ainsi se serrer autour de la tige de guidage 122.
Par ailleurs, la partie fixe 110, en particulier le corps de clapet aval 112 comprend un matériau présentant un coefficient de dilatation plus important que le coefficient de dilatation de la partie mobile 120, en particulier la tige de guidage 122. Par exemple, la partie fixe 110 comprend un alliage à base de nickel, tel que de l’Inconel®, et la partie mobile 120 comprend du carbure de tungstène ou des céramiques. Ainsi, en cas d’élévation de la température, le corps de clapet aval 112, en particulier l’alésage 112b, se dilate de manière plus importante que la tige de guidage 122.
Le corps de clapet amont 111 comprend en outre une paroi amont 130, fixée par soudage ou brasage par exemple, à une paroi interne du corps de clapet amont 111. La paroi amont 130 est une rondelle dont une vue de face selon l’axe A est représentée sur la . La rondelle comprend un contour 135 fixé sur la paroi interne du corps de clapet amont 111, et une partie centrale 133 circulaire reliée au contour 135 par au moins deux bras structuraux 132. Entre le contour 135, les bras structuraux 132 et la partie centrale 133, sont formées deux ouvertures 131. Les ouvertures 131 permettent le passage de la fraction 71 de l’air de refroidissement circulant dans le distributeur creux 70, jusqu’à l’intérieur de la cavité interne I du clapet fusible 100, dans la portion de ladite cavité interne I située en amont de l’obturateur 121.
Un ressort de rappel 140 est disposé dans la cavité interne I, en amont de l’obturateur 121. Le ressort de rappel 140 est monté en compression entre la partie central 133 de la paroi amont 130, et la face amont de l’obturateur 121 de la partie mobile en position d’obturation. A cet effet, la partie centrale 133 de la paroi amont 130 comprend de préférence un sillon 134 circulaire, configuré pour recevoir une extrémité du ressort 140 afin de maintenir ce dernier.
On comprend ainsi que la force exercée par le frettage F entre la tige de guidage 122 et l’alésage 122b est supérieure à la force exercée par le ressort de rappel 140 sur l’obturateur 121, et également à la force exercée par la pression de l’air de refroidissement en amont dudit obturateur 121. Le frettage F est par exemple configuré pour résister aux différences de pression, dans des conditions de fonctionnement nominal, entre l’air présent en amont de l’obturateur 121 et la cavité sous veine 68, de l’ordre de 3 bars. En condition de fonctionnement nominal, la partie mobile 120 est ainsi maintenue en position d’obturation.
A l’inverse, en cas d’élévation de la température dans la cavité sous veine 68 due à une anomalie, entraînant une dilatation de l’alésage 112b plus importante que celle de la tige mobile 122, l’étreinte exercée par l’alésage 112b sur la tige mobile 122 se relâche par le jeu des dilatations différentielles. La force exercée par le ressort de rappel 140 devient ainsi plus importante que la force exercée par le frettage F. Le ressort de rappel 140 pousse alors la partie mobile 120 qui se déplace ainsi en translation le long de l’axe A vers l’aval, permettant son passage en position d’ouverture, représentée sur la , et le maintien dans cette position.
Dans cette position d’ouverture, l’obturateur 121 n’est plus en contact avec le corps de clapet amont 111, de telle sorte que les parties amont et aval de la cavité interne I sont en communication. Par conséquent, l’air de refroidissement présent initialement en amont de l’obturateur 121 peut s’écouler jusqu’aux évents 112a, et être ainsi injecté dans la cavité sous veine 68.
On notera qu’en l’absence de ressort, le passage en position d’ouverture peut être assuré par la pression de l’air de refroidissement sur l’obturateur en amont de la partie mobile. Le refroidissement de la température au sein de la cavité interne 68 peut ensuite permettre le maintien de la partie mobile en position d’ouverture du fait de la rétraction de l’alésage 112b.
Ainsi, lorsqu’un des dysfonctionnements mentionnés ci-dessus se produit, la température au sein de la cavité sous veine 68 augmente et atteint des valeurs supérieures aux températures représentatives d’un fonctionnement nominal. Lorsque la température au sein de la cavité sous veine 68 atteint une valeur seuil de dilatation de l’alésage 112b, le clapet fusible 100 s’ouvre. Un débit d’air de refroidissement supplémentaire, par exemple compris entre 80 et 90 g/s peut alors être injecté dans la cavité sous veine 68 par l’intermédiaire du clapet fusible 100, en plus du premier débit injecté par le premier injecteur 81.
La somme des premier et deuxième débits est supérieure aux plages de débits représentatives d’un fonctionnement nominal, et permet de couvrir les cas de dysfonctionnements, caractérisés par une augmentation de la température dans la turbine. Ainsi, il est possible d’accentuer le refroidissement des disques 63, avant que ces éléments ne se trouvent détériorés par une augmentation excessive de la température. En particulier, l’injection du débit d’air de refroidissement supplémentaire permet d’augmenter le débit de purge 76, et ainsi d’empêcher l’air chaud de la veine de pénétrer dans la cavité sous veine 68.
Lors d’un retour en conditions de fonctionnement nominal, il est également possible de réutiliser le clapet fusible 100, notamment en chauffant à nouveau le corps de clapet aval 112 de manière à entrainer une nouvelle dilatation de l’alésage 112b, en repositionnant la partie mobile 120 en position d’obturation en comprimant le ressort de rappel 140, puis en rétablissant le frettage F entre l’alésage 112b et la tige de guidage 122, par refroidissement du corps de clapet aval 112.
Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (11)

  1. Turbine (60) de turbomachine d’aéronef comprenant une veine annulaire d’écoulement d’air chaud, une cavité sous veine (68) coaxiale à la veine d’écoulement d’air chaud, et au moins un clapet fusible (100) configuré pour injecter un débit d’air de refroidissement dans la cavité sous veine (68), le clapet fusible (100) comprenant :
    - une partie fixe (110) fixée à une paroi (P) de la cavité sous veine (68),
    - une partie mobile (120), mobile par rapport à la partie fixe (110) entre une position d’obturation empêchant l’air de refroidissement de pénétrer dans la cavité sous veine (68), et une position d’ouverture permettant à l’air de refroidissement de pénétrer dans la cavité sous veine (68), la partie mobile (120) étant fixée à la partie fixe (110) par un frettage (F) et maintenue en position d’obturation par ledit frettage (F) avec la partie fixe (110), la partie fixe (110) présentant un coefficient de dilatation plus élevée que la partie mobile (120).
  2. Turbine (60) selon la revendication 1, dans laquelle la partie fixe (110) est configurée pour maintenir la partie mobile (120) en position d’obturation par une force exercée par le frettage (F) sur la partie mobile (120) lorsqu’une température au sein de la cavité sous veine (68) est inférieure à une valeur seuil prédéterminée, et pour relâcher la force exercée par le frettage (F) par dilatation différentielle lorsque la température au sein de la cavité sous veine (68) est supérieure à ladite valeur seuil prédéterminée, de manière à permettre le passage de la partie mobile en position d’ouverture.
  3. Turbine selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la partie fixe (110) comprend un matériau différent d’un matériau de la partie mobile (120).
  4. Turbine (60) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la partie fixe (110) comprend un alliage à base de nickel, et la partie mobile (120) comprend du carbure de tungstène ou des céramiques.
  5. Turbine (60) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la partie mobile (120) est mobile en translation par rapport à la partie fixe (110) entre la position d’obturation et la position d’ouverture.
  6. Turbine (60) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la partie mobile (120) comprend un obturateur (121) configuré pour empêcher l’air de refroidissement de pénétrer dans la cavité sous veine (68) lorsque la partie mobile (120) est en position d’obturation, et une tige de guidage (122) fixée à l’obturateur (121) et insérée dans un alésage (112b) de la partie fixe (110) par le frettage (F).
  7. Turbine (60) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la partie fixe (110) comprend un corps de clapet amont (111) fixé à la paroi (P) de la cavité sous veine (68) d’un côté opposé à ladite cavité sous veine (68), et un corps de clapet aval (112) fixé au corps de clapet amont (111) en étant disposé dans la cavité sous veine (68), la partie mobile (120) étant disposée au moins en partie dans une cavité (I) formée entre le corps de clapet amont (111) et le corps de clapet aval (112).
  8. Turbine (60) selon les revendications 6 et 7, dans laquelle le corps de clapet aval (112) comprend l’alésage (112b) dans lequel est fixée la tige de guidage (122) de la partie mobile (120), et comprend au moins un évent (112a) permettant le passage de l’air de refroidissement lorsque la partie mobile (120) est en position d’ouverture.
  9. Turbine (60) selon les revendications 6 et 7 ou la revendication 8, dans laquelle le clapet fusible (100) comprend un ressort de rappel (140) monté en compression entre une paroi amont (130) du corps de clapet amont (111) et l’obturateur (121) de la partie mobile (120) lorsque la partie mobile est maintenue en position d’obturation par la partie fixe (110).
  10. Turbine (60) selon les revendications 2 et 9 dans laquelle une force exercée par le ressort de rappel (140) sur l’obturateur (121) est inférieure à la force exercée par le frettage (F) entre la partie mobile (120) et la partie fixe (110) lorsque la température au sein de la cavité sous veine (68) est inférieure à la valeur seuil prédéterminée.
  11. Turbomachine comprenant une turbine (60) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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