WO2025248187A1 - Turbomachine à poutre structurelle comprenant un conduit de décharge - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne une turbomachine (110) comprenant : - un canal principal (171), - un canal auxiliaire (173) séparé du canal principal (171) par un compartiment central (12), - un conduit de décharge (2) s'étendant dans le compartiment central (12) d'une bouche de prélèvement (21), à une sortie d'air (22) débouchant dans le canal auxiliaire (12), le conduit de décharge (2) comprenant une première portion (221) formée dans le compartiment central (12) et une deuxième portion (222) formée dans une poutre structurelle (4) du compartiment central (12), la poutre structurelle (4) s'étendant le long du canal auxiliaire (173) et étant adaptée pour conférer une rigidité au compartiment central (12), le conduit de décharge (2) étant adapté pour prélever de l'air depuis le canal principal (171) et l'amener vers un canal auxiliaire (173).

Description

Turbomachine à poutre structurelle comprenant un conduit de décharge

DOMAINE TECHNIQUE

Le présent exposé concerne le domaine général des systèmes propulsifs, en particulier les turbomachines à hélice non carénée, à au moins deux flux, destinées à la propulsion d’aéronef. Les turbomachines à au moins deux flux désignent notamment plus particulièrement les turbomachines connues sous la dénomination de « turbomachine à double flux » ou de « turbomachine à triple flux ».

Le présent exposé concerne plus particulièrement une turbomachine comprenant un conduit de décharge destiné à faire chuter la pression en aval du compresseur basse pression d’une turbomachine d’aéronef à au moins deux flux ainsi qu’une turbomachine d’aéronef à au moins deux flux équipée d’un tel conduit de décharge.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Une turbomachine présente un axe longitudinal autour duquel elle s’étend et comporte typiquement, d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression, et une turbine basse pression comprenant notamment un carter d’échappement. L’air entrant dans la turbomachine est comprimé par la soufflante puis se divise en un flux d'air primaire, qui traverse le corps primaire, et un flux d’air secondaire qui contourne le flux d’air primaire et optionnellement un flux tertiaire qui contourne le flux primaire.

Par ailleurs, une telle turbomachine comprend généralement un conduit de décharge qui permet d’éviter le phénomène de pompage ou de décrochage du compresseur basse pression.

Dans un compresseur en général, et plus précisément dans le compresseur basse pression, l’air est comprimé de sorte qu’il sort du compresseur à une pression plus élevée que la pression d’entrée. Toutefois, de façon similaire à une aile d’avion qui peut perdre sa portance et « décrocher » lorsqu’elle se trouve sous une incidence élevée et que l’avion est à faible vitesse, un compresseur peut subir un phénomène analogue.

Ainsi, à débit réduit, le compresseur ne pousse plus le flux d’air vers l’aval et l’air se trouvant à haute pression à l’aval du compresseur se vide vers l’entrée du compresseur qui se trouve à une pression inférieure. Une inversion du sens d’écoulement de l’air peut même se produire. Lorsque le refoulement d’air s’est suffisamment produit, le compresseur peut revenir à des conditions de fonctionnement normales et rétablir le débit d’air dans le bon sens (d’amont vers l’aval). De telles fluctuations cycliques de débit portent le nom de « pompage ». Un tel phénomène peut toutefois être destructeur pour les aubes des compresseurs et provoquer leur destruction ou à tout le moins entrainer des vibrations dans celles-ci.

Afin d’éviter ces problèmes, il est connu d’installer au moins un conduit de décharge, en aval du compresseur basse pression et en amont du compresseur haute pression.

Ce conduit de décharge est configuré pour être raccordé à une vanne de décharge, ou bouche de prélèvement, connue sous le sigle anglais de VBV (pour « Variable Bleed Valve ») ou sous le sigle français de VDV (pour « Vanne de décharge variable »). Cette vanne de décharge, qui constitue l’extrémité radialement interne du conduit de décharge, est positionnée dans le flux d'air primaire.

La turbomachine comprend de plus différents carters, notamment un carter intermédiaire (intercalé entre le compresseur basse pression et le compresseur haute pression de la turbomachine, et est donc traversé par un flux de gaz sortant du compresseur basse pression et destiné à alimenter le compresseur haute pression) et un carter associé au carter intermédiaire dit « kit moteur » (ou « kit engine » en anglais) à savoir un carter structuré mécaniquement par des bras de passage de servitudes qui relient la première paroi intermédiaire à une virole extérieure du kit moteur, cette virole extérieure formant une partie de la paroi qui délimite extérieurement une veine de gaz secondaire. Un échangeur thermique est également placé à ce niveau afin de dissiper la chaleur dans le flux secondaire, plus froid. Le carter « kit moteur » est disposé juste en aval du carter intermédiaire précité, de façon adjacente, le long de l'axe du moteur. Actuellement, il est connu de disposer l’extrémité radialement externe du conduit de décharge, c’est-à-dire une sortie de l’air prélevé, au sein de ce kit moteur.

Cependant, afin d’augmenter la rigidité générale de la turbomachine et de cet agencement de carters, le kit moteur est remplacé par un nouveau carter structurel. Cela pose un problème d’aménagement du conduit de décharge, les contraintes mécaniques ne permettant pas de disposer les sorties d’air dans le carter structurel. De plus, de nombreux équipements et servitudes présents directement en amont et en aval font peser des contraintes d’intégration rendant difficile l’aménagement des sorties à proximité de leur ancienne position. D’autre part, un conduit de décharge ayant une géométrie complexe peut aboutir à une perte de charge importante du fait des changements de direction imposés à l’air dans ce conduit modifié. Enfin, un angle d’éjection important du conduit de décharge à la sortie est source de perturbation aérodynamique, en particulier derrière l’échangeur thermique. On rencontre bien entendu les mêmes problématiques avec une turbomachine à triple flux, qui est également menacée par le phénomène de pompage. Il existe donc un besoin d’un nouveau conduit de décharge présentant une géométrie simple et un placement de la sortie d’air répondant aux différentes contraintes.

EXPOSE DE L'INVENTION

Un but de l’invention est de remédier aux inconvénients précités, en proposant une turbomachine comprenant :

- un canal principal configuré pour alimenter au moins un étage de compression en air,

- un canal auxiliaire séparé du canal principal par un compartiment central, le canal principal et le canal auxiliaire s’étendant autour d’un axe qui s’étend d’amont en aval dans un sens d’écoulement de l’air dans la turbomachine,

- un conduit de décharge s’étendant dans le compartiment central d’une bouche de prélèvement, débouchant dans le canal principal, à une sortie d’air débouchant dans le canal auxiliaire, la bouche de prélèvement étant configurée pour prélever de l’air dans le canal principal, le conduit de décharge comprenant une première portion formée dans le compartiment central et une deuxième portion formée dans une poutre structurelle du compartiment central, la poutre structurelle s’étendant le long du canal auxiliaire et étant adaptée pour conférer une rigidité au compartiment central, le conduit de décharge étant adapté pour prélever de l’air depuis le canal principal et l’amener vers un canal auxiliaire.

La turbomachine selon l’invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : un bras s’étendant radialement depuis le compartiment central au travers du canal auxiliaire, la poutre structurelle étant disposée en vis-à-vis du bras, la première portion du conduit de décharge traversant alors le bras ; la poutre structurelle est fixée au bras au moyen de boulons ; un joint d’étanchéité placé à une interface entre le bras et la poutre structurelle ; plusieurs bras, chaque bras s’étendant radialement depuis le compartiment central au travers du canal auxiliaire, la première portion du conduit de décharge s’étendant entre deux bras ; la bouche de prélèvement comprend une vanne de décharge variable configurée pour régler un débit d’un flux s’écoulant à travers le conduit de décharge.

L’invention concerne également un aéronef comprenant une turbomachine selon l’invention. La turbomachine selon l’invention présente un encombrement réduit du compartiment central et des performances aérodynamiques améliorées grâce à la configuration structurelle proposée pour le conduit de décharge.

DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 est une vue en coupe d’une turbomachine à soufflante non carénée ;

La figure 2 est une vue en coupe de détail d’un conduit de décharge de l’art antérieur ;

La figure 3 est une vue en coupe de détail d’un conduit de décharge selon un mode de réalisation ;

La figure 4 est une vue en coupe de détail d’un conduit de décharge selon un autre mode de réalisation.

Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

La figure 1 représente une turbomachine 110 selon un mode de réalisation de l’invention. La turbomachine 110 s’étend selon un axe A et comprend deux hélices 121 et 131 non carénées qui forment ensemble une soufflante. En particulier, la soufflante est composée de l’hélice amont 121 non carénée mobile en rotation autour de l’axe A qui est située en amont de l’hélice aval 131 non carénée ou redresseur fixe.

La turbomachine 110 comprend également un canal principal 171 qui s’étend à travers la turbomachine 110 d’amont en aval dans un sens G de circulation des gaz dans la turbomachine, essentiellement parallèlement à l’axe A, depuis une entrée principale 170 jusqu’à une sortie principale 180 débouchant à l’extérieur du carter de la turbomachine 110.

Le canal principal 171 est configuré pourfaire circuler un flux d’air primaire selon un sens d’écoulement général des gaz, représenté par la flèche G dans la figure 1 , de l’entrée principale 170 vers la sortie principale 180 qui est donc située en aval de l’entrée principale 170.

Dans la suite de la description, les termes « radialement interne » et « radialement externe » font référence à la position radiale d’un élément par rapport à l’axe A, et les termes amont et aval se définissent par rapport au sens d’écoulement général G des gaz au travers de la turbomachine 110. Entre l’hélice et les aubes directrices, c’est-à-dire en aval d’une hélice non carénée 121 et en amont des aubes directrices non carénées 131 , la turbomachine présente dans son carter l’entrée principale 170 du canal principal 171 .

Dans ce même mode de réalisation de l’invention, et tout au long du canal principal 171 , la turbomachine 110 comporte successivement dans le sens G d’écoulement des gaz:

- au moins un étage de compression 145 formant par exemple une section de compression, la section de compression pouvant comprendre en amont un compresseur basse pression et en aval un compresseur haute pression 127,

- une chambre de combustion 128.

On entend par étage de compression 145 un ensemble d’une roue d’aubes mobiles (ou rotor avec des aubes mobiles) et d’une roue d’aubes fixes (ou stator avec des aubes fixes), la roue d’aubes mobiles pouvant être située en amont ou en aval de la roue d’aubes fixes. Cet étage de compression 145, par la mise en rotation de la roue d’aubes mobiles peut créer une augmentation de pression d’air à l’aval de l’étage par rapport à l’amont de l’étage de compression 145.

Dans le canal principal 171 , la turbomachine 110 comporte, en outre, en aval de la chambre de combustion 128, une section de turbine pouvant comprendre en amont une turbine haute pression 129, et en aval une turbine basse pression 150. La turbomachine est également alimentée en air par le canal principal 171.

Le canal principal 171 est configuré pour alimenter en air entrant par l’entrée d’air 170 au moins un étage de compression 145 et la chambre de combustion. Plus précisément, c’est l’air comprimé par l’au moins un étage de compression 145 qui est déplacé dans le canal principal 171 jusqu’à la chambre de combustion et qui en assure l’alimentation. Cette alimentation s’effectue selon le sens d’écoulement G de l’entrée principale 170 vers les étages de compression.

La turbomachine 110 comprend aussi un canal auxiliaire 173 qui s’étend depuis une entrée auxiliaire débouchant dans le canal principal 171 jusqu’à une sortie auxiliaire 178 débouchant à l’extérieur de la turbomachine 110. L’entrée auxiliaire est située en amont de chaque étage de compression 145 du canal principal 171. Le canal principal 171 est séparé du canal auxiliaire 173 par un compartiment central 12 (« compartiment core » dans la terminologie anglo-saxonne).

Un carter externe 13 ou nacelle, radialement extérieur au compartiment central 12 entoure la turbomachine 110 et délimite avec le compartiment central 12, le canal auxiliaire 173. Ainsi, le canal auxiliaire 173 est localisé radialement plus à l’extérieur que le canal principal 171 , c’est-à-dire que le canal principal 171 se situe entre l’axe A de la turbomachine 110 et le canal auxiliaire 173. Le canal auxiliaire 173 peut présenter une forme annulaire et s’étendre autour de l’axe A de la turbomachine 110, entre le compartiment central 12 et le carter externe 13. La sortie d’air 178 est située en aval des aubes directrices 131 et en amont de la sortie principale 180.

Afin de conférer une plus grande rigidité à la turbomachine 110, au moins un bras 33, préférentiellement plusieurs bras 33, relient une face radialement externe 121 du compartiment central 12 à une face radialement interne 131 du carter externe 13. Ces bras 33 s’étendent radialement par rapport à l’axe A et sont donc disposés en travers du canal auxiliaire 173. Chaque bras 33 remplit une fonction structurelle et assure le positionnement relatif du carter externe 13 avec le compartiment central 12. De plus, le compartiment central 12 est traversé longitudinalement par au moins une poutre structurelle 4, afin d’augmenter sa raideur. Autrement dit, la ou les poutres structurelles 4 sont préférentiellement parallèle à l’axe A, ou sensiblement parallèle à l’axe A et suivent la face radialement externe 121 du compartiment central 12. Alternativement, les poutres structurelles 4 peuvent être située au moins partiellement à l’extérieur du compartiment central 12, c’est-à-dire qu’elles font saillies sur la paroi radialement externe 121 dans le canal auxiliaire 173, ce qui permet d’occuper moins d’espace dans le compartiment central 12

Toujours dans le même mode de réalisation de l’invention illustré en figure 1 , la turbomachine 110 peut comprendre au moins un échangeur thermique 174 situé dans le canal auxiliaire 173. L’échangeur thermique 174 est configuré pour être refroidi par l’air s’écoulant à travers le canal auxiliaire 173. L’échangeur thermique 174 peut être notamment utilisé pour assurer le refroidissement d’une boîte de réduction de vitesse configurée pour entraîner en rotation l’hélice amont 121. Différentes technologies d’échangeur thermique peuvent être envisagées comme les échangeurs volumiques, surfaciques, les échangeurs à ailettes, etc...

Selon ce même mode de réalisation, la turbomachine 110 comprend un conduit de décharge 2 débouchant dans le canal principal 171 , c’est-à-dire qu’une bouche de prélèvement 21 du conduit de décharge 2 débouche sur le canal principal 171 et est situé en aval d’au moins un étage de compression situé dans le canal principal 171. Le conduit de décharge 2 s’étend donc depuis le canal principal 171 vers l’extérieur, à travers le compartiment central 12 et débouche dans le canal auxiliaire 173. Plus précisément, le conduit de décharge 2 comprend une première portion 221 formée dans le compartiment central 12 et une deuxième portion 222 formée dans une poutre structurelle 4. Cet agencement permet de diminuer l’encombrement du compartiment central 12. A une extrémité de la deuxième portion 222, le conduit de décharge 2 débouche à une sortie d’air 22 dans le canal auxiliaire 12, de sorte à conduire une partie des gaz du flux d’air primaire traversant le canal principal 171 vers le canal auxiliaire 173. Préférentiellement une vanne de décharge variable 176 est disposée dans la bouche de prélèvement 21 et est configurée pour régler un débit d’un flux s’écoulant à travers le conduit de décharge 2.

La sortie d’air 22 est placée en aval de l’échangeur thermique 174 et présente préférentiellement un angle d’éjection inférieur à 60° par rapport à la face radialement externe 121 et au sens d’écoulement des gaz G. Ainsi, cette configuration permet en plus du gain de place d’obtenir une réduction des turbulences par rapport à l’art antérieur illustré figure 2, premièrement grâce à une plus grande distance entre la sortie d’air 22 et l’échangeur thermique 174 et deuxièmement grâce à un angle d’éjection inférieur, permis par la disposition de la seconde portion 222 dans la poutre structurelle 4. Cela accroit les performances aérodynamiques de la turbomachine 110.

Dans un second mode de réalisation, illustré figure 3, la poutre structurelle 4 est disposée en vis-à-vis du bras 33, la première portion 221 du conduit de décharge 2 traversant alors le bras 33 afin d’assurer la continuité de l’écoulement. Préférentiellement, la poutre structurelle 4 est boulonnée au bras 33 pour assurer la continuité des efforts mécaniques. Encore plus préférentiellement, un joint d’étanchéité 35 est placé à une interface 36 entre le bras 33 et la poutre structurelle 4, le joint d’étanchéité 35 assurant l’étanchéité entre la première portion 221 et la seconde portion 222 du conduit de décharge 2, de sorte qu’aucune perte de gaz n’est lieu entre le conduit de décharge 2 et le compartiment central 12. Avantageusement, le joint d’étanchéité 35 est résistant aux hautes températures et au feu afin de limiter la propagation d’incendie dans la turbomachine 110.

Alternativement, dans un troisième mode de réalisation illustré figure 4, la première portion 221 du conduit de décharge 2 s’étend entre deux bras 33, ce qui représente une configuration plus simple et permet de préserver plus de place au niveau des bras 33.

Bien entendu, les modes de réalisations détaillés dans le présent exposés sont adaptables à une turbomachine à triple flux, le canal auxiliaire 173 s’entendant alors comme le canal où circule le flux tertiaire.

Claims

REVENDICATIONS

1. Turbomachine (110) comprenant :

- un canal principal (171 ) configuré pour alimenter au moins un étage de compression

(145) en air,

- un canal auxiliaire (173) séparé du canal principal (171 ) par un compartiment central

(12), le canal principal (171 ) et le canal auxiliaire (173) s’étendant autour d’un axe (A) qui s’étend d’amont en aval dans un sens d’écoulement (G) de l’air dans la turbomachine (110),

- un conduit de décharge (2) s’étendant dans le compartiment central (12) d’une bouche de prélèvement (21 ), débouchant dans le canal principal (171 ), à une sortie d’air (22) débouchant dans le canal auxiliaire (12), la bouche de prélèvement (21 ) étant configurée pour prélever de l’air dans le canal principal (171 ), le conduit de décharge (2) comprenant une première portion (221 ) formée dans le compartiment central (12) et une deuxième portion (222) formée dans une poutre structurelle (4) du compartiment central (12), la poutre structurelle (4) s’étendant le long du canal auxiliaire (173) et étant adaptée pour conférer une rigidité au compartiment central (12), le conduit de décharge (2) étant adapté pour prélever de l’air depuis le canal principal (171 ) et l’amener vers un canal auxiliaire (173).

2. Turbomachine (1 ) selon la revendication 1 , comprenant un bras (33) s’étendant radialement depuis le compartiment central (12) au travers du canal auxiliaire (173), la poutre structurelle (4) étant disposée en vis-à-vis du bras (33), la première portion (221 ) du conduit de décharge (2) traversant alors le bras (33).

3. Turbomachine (110) selon la revendication 2, dans laquelle la poutre structurelle (4) est fixée au bras (33) au moyen de boulons.

4. T urbomachine (110) selon l’une des revendications 2 ou 3, comprenant un joint d’étanchéité (35) placé à une interface (36) entre le bras (33) et la poutre structurelle (4).

5. Turbomachine (110) selon la revendication 1 , comprenant plusieurs bras (33), chaque bras s’étendant radialement depuis le compartiment central (12) au travers du canal auxiliaire (173), la première portion (221 ) du conduit de décharge (2) s’étendant entre deux bras (33).

6. Turbomachine (110), selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle la bouche de prélèvement (21) comprend une vanne de décharge variable (23) configurée pour régler un débit d’un flux s’écoulant à travers le conduit de décharge (2). 7. Aéronef comprenant une turbomachine (110) selon l’une des revendications précédentes.