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WO 2019/229377
PCT/FR2019/051258
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DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT D'UN CARTER DE
TURBOMACHINE
DOMAINE
[001] La présente invention concerne un dispositif de refroidissement d'un
carter d'une turbomachine, telle par exemple qu'une turbomachine à double
flux.
CONTEXTE
[002] 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 et radial
sont définis par rapport à l'axe X.
[003] 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.
[004] 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.
[005] 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.
[006] 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.
[007] 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
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pouvant être reliée directement au rotor du compresseur basse pression 3
ou bien par l'intermédiaire d'un train d'engrenage épicycloïdal par exemple.
[008] Comme cela est mieux visible à la figure 2, la turbine basse-pression
7 comporte en particulier différents étages successifs 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.
[009] 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.
[010] 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.
[011] 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.
[012] 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 collecteurs 22,
chaque boîtier collecteur 22 formant un canal s'étendant axialement.
[013] Le dispositif 21 comporte de plus des tubes 23 s'étendant
circonférentiellement de part et d'autre des boîtiers collecteurs 22. Lesdits
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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
900.
[014] Chaque tube 23 comporte une entrée d'air débouchant dans le canal
du boîtier collecteur 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 collecteurs 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.
[015] La partie radialement interne du boîtier comporte également des
orifices d'éjection d'air tournés vers le carter et destinés à son
refroidissement.
[016] Il a été constaté que les zones du carter situées en regard des boîtiers
comportent des dégradations générées par d'importantes contraintes
thermiques dues à un refroidissement insuffisant de ces zones.
RESUME DE L'INVENTION
[017] L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple,
efficace et économique à ces problèmes.
[018] A cet effet, elle propose un dispositif de refroidissement d'un carter
annulaire de turbomachine, comportant un boîtier collecteur destiné à
s'étendre circonférentiellement autour de l'axe du carter, au moins deux
tubes de refroidissement s'étendant circonférentiellement et reliés au volume
interne du boîtier, le boîtier et/ou chaque tube comportant des orifices
d'éjection débouchant rad ialement vers le carter, caractérisé en ce que des
portions de raccordement des tubes formées d'un seul tenant avec le boîtier
s'étendent circonférentiellement en saillie du boîtier en formant entre elles
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au moins une zone en creux du boîtier qui permet un passage d'air
radialement de l'intérieur vers l'extérieur du boîtier.
[019] La zone en creux peut s'étendre radialement de l'intérieur vers
l'extérieur. La zone en creux peut s'étendre d'une extrémité radialement
interne du boîtier à une extrémité radialement externe du boîtier. En d'autres
termes, la zone en creux peut également déboucher radialement à l'extérieur
du boitier.
[020] En variante, la zone en creux peut s'étendre sur une partie
uniquement de la dimension radiale du boîtier et déboucher dans une zone
radialement médiane du boîtier.
[021] La zone en creux peut être formée par au moins un trou ménagé dans
le boîtier. En d'autres termes, la zone en creux peut comporter une section
fermée.
[022] En variante, la zone en creux peut être formée par au moins une
rainure ou, plus généralement, comporter une section ouverte et déboucher
circonférentiellement.
[023] Dans tous les cas, la zone en creux permet d'extraire une partie de
l'air de refroidissement ayant impacté le carter et de l'évacuer vers une
autre
zone. On évite ainsi de piéger une partie de l'air de refroidissement entre le
boîtier et le carter, ce qui provoquerait un échauffement important de la zone
concernée du carter, et donc une dégradation prématurée au niveau de cette
zone.
[024] Au contraire, dans l'invention, la zone en creux permet une meilleure
circulation de l'air, en évitant ainsi un échauffement et une dégradation du
carter.
[025] Chaque zone en creux peut comporter une partie rectiligne s'étendant
radialement d'une extrémité radialement interne à une extrémité radialement
externe du boîtier.
[026] La partie rectiligne radiale de la zone en creux peut être formée par
une rainure ou un trou.
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[027] Chaque zone en creux peut comporter une partie rectiligne s'étendant
circonférentiellement d'une première extrémité axiale à une seconde
extrémité axiale du boîtier.
[028] La partie rectiligne s'étendant circonférentiellement de la zone en
5 creux peut être formée par une rainure ou un trou.
[029] Chaque zone en creux est raccordée à une portion de raccordement
des tubes par une zone arrondie ou un congé de raccordement.
[030] On limite ainsi les pertes de charge lors de l'écoulement de l'air dans
la zone en creux.
[031] Les tubes peuvent être reliés à une portion de raccordement des tubes
agencée sur une partie radialement interne du boîtier.
[032] Le dispositif de refroidissement peut comporter une conduite
d'alimentation en air de refroidissement débouchant dans le volume interne
du boîtier, en partie radialement externe du boîtier.
[033] La conduite d'alimentation peut déboucher dans le boîtier selon une
direction orientée radialement. La conduite d'alimentation peut déboucher
dans une zone axialement médiane du boîtier.
[034] Le dispositif de refroidissement peut comporter au moins deux
premiers tubes et au moins deux seconds tubes, les premiers et seconds
tubes s'étendant circonférentiellement de part et d'autre du boîtier,
respectivement, le boîtier délimitant au moins une première zone en creux
située axialement entre deux premiers tubes et au moins une seconde zone
en creux située axialement entre les deux seconds tubes.
[035] Le rapport entre la dimension circonférentielle du boîtier au niveau de
chaque zone de raccordement d'un tube et la dimension circonférentielle du
boîtier au niveau de chaque zone en creux peut être compris entre 0,2 et 0,7.
[036] L'invention concerne également un ensemble comportant un carter
annulaire de turbomachine, par exemple un carter annulaire de turbine,
caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de refroidissement du type
précité, monté sur ledit carter et entourant ledit carter.
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[037] L'invention concerne en outre une turbomachine comportant au moins
un ensemble du type précité.
[038] L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques
et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description
suivante
faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
- la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un turboréacteur à
double flux de l'art antérieur,
- la figure 2 est une vue en coupe axiale d'une partie du
turboréacteur de l'art antérieur, illustrant notamment la turbine basse
pression,
- la figure 3 est une vue en perspective d'un dispositif de
refroidissement de l'art antérieur,
- la figure 4 est une vue en perspective d'une partie d'un
dispositif de refroidissement selon une forme de réalisation de l'invention,
- la figure 5 est une vue schématique d'une partie d'un dispositif
de refroidissement selon l'invention,
- la figure 6 est une vue correspondant à la figure 4, illustrant une
variante de réalisation de l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
[039] Les figures 4 et 5 représentent une partie d'un dispositif de
refroidissement 21 d'un carter 18 de turbomachine 1 selon une forme de
réalisation de l'invention. Dans la description, les termes axial ,
radial
et circonférentiel sont définis par rapport à l'axe du carter 18, qui
correspond également à l'axe X de la turbomachine 1.
[040] Le dispositif comporte un boîtier collecteur 22 s'étendant selon l'axe
du carter 18, creux et délimitant un volume interne.
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[041] Des tubes 23 de refroidissement s'étendant circonférentiellement de
part et d'autre du boîtier 22 sont reliés au volume interne du boîtier 22.
[042] Chaque tube 23 comporte par exemple une première extrémité
circonférentielle 24 débouchant dans le boîtier 22 et une seconde extrémité
circonférentielle fermée, comme cela est connu en soi. Chaque tube 23
comporte une section circulaire, des orifices d'éjection d'air 25 étant formés
en partie radialement interne de chaque tube 23, les orifices d'éjection 25
débouchant en regard du carter 18. Chaque tube 23 s'étend
circonférentiellement autour du carter 18, sur une plage angulaire pouvant
varier en fonction des applications. Chaque tube 23 s'étend par exemple
circonférentiellement sur 90 ou 180 degrés environ.
[043] Les tubes 23 sont reliés à la partie radialement interne 26 du boîtier
22.
[044] Des orifices d'éjection d'air 27 sont également formés dans la partie
radialement interne du boîtier 22, en particulier au niveau de la surface
radialement interne 28 tournée vers le carter, lesdits orifices 27 débouchant
en direction du carter 18.
[045] Les orifices 26 du boîtier 22 et les orifices des tubes 23 sont
régulièrement répartis sur la circonférence et situés ici dans un même plan
radial. Le pas entre les orifices 25, 28 peut être fixe ou variable, en
fonction
des applications. Les orifices 25, 28 ont par exemple une section circulaire.
[046] Le boîtier 22 comporte des passages d'air formés par des zones en
creux 29. Chaque passage d'air ou zone en creux 29 comporte en particulier
une partie rectiligne 30 formée par une rainure s'étendant radialement de
l'extrémité radialement interne à l'extrémité radialement externe du boîtier
22. Chaque zone en creux 29 comporte en outre une partie rectiligne 31
formée par une rainure s'étendant axialement et débouchant à ses
extrémités.
[047] Pour chaque paire de tubes 23 adjacents situés d'un même côté
circonférentiel du boîtier 22, la rainure radiale 30 correspondante est située
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axialement entre les plans radiaux dans lesquels s'étendent lesdits tubes 23
adjacents.
[048] Chaque rainure 30, 31 est délimitée par une surface de fond 32 et
deux surfaces latérales 33. Dans la forme de réalisation illustrée aux figures
4 et 5, les surfaces latérales 33 sont planes et sont perpendiculaires à la
surface de fond 32. Selon une autre forme de réalisation illustrée à la figure
6, les surfaces latérales 33 et la surface de fond 32 peuvent comporter des
zones de congés de raccordement ou des zones arrondies 34.
[049] Le rapport entre la dimension circonférentielle du boîtier 22 au niveau
de chaque zone de raccordement d'un tube 23 et la dimension
circonférentielle du boîtier 22 au niveau de chaque zone en creux 29 est
compris entre 0,2 et 0,7.
[050] Le dispositif de refroidissement 21 comporte en outre une conduite 35
d'alimentation en air de refroidissement débouchant dans le volume interne
du boîtier 22, en partie radialement externe du boîtier 22 et dans une zone
axialement médiane du boîtier 22.
[051] La conduite d'alimentation 35 débouche dans le boîtier 22 selon une
direction orientée radialement.
[052] En fonctionnement, de l'air de refroidissement est amené dans le
volume interne du boîtier 22 par la conduite d'alimentation 35. Cet air de
refroidissement est ensuite distribué de façon homogène entre les différents
tubes 23 de refroidissement. Une partie de l'air contenu dans le boîtier 22
est éjecté en direction du carter 18 par les orifices 28 du boîtier 22. L'air
circulant dans les tubes 23 est éjecté en direction du carter 18 par les
orifices
des tubes 23. Cet air de refroidissement impacte le carter 18, ce qui permet
d'abaisser sa température. L'air ayant servi à refroidir le carter 18 est
évacué,
non seulement dans les espaces délimités axialement entre les tubes 23,
mais également au travers des zones en creux 29. En particulier, une partie
de l'air de refroidissement réchauffée au contact du carter 18 est évacuée
radialement vers l'extérieur, au travers des rainures radiales 30 et/ou au
travers des rainures axiales 31.
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[053] On améliore ainsi le refroidissement du carter 18, en évitant la
stagnation d'air chaud sous le boîtier 22, c'est-à-dire radialement entre le
boîtier 22 et le carter 18.
