Brevet FR2466617A1 — publié le 19810410

L'invention concerne, d'une manière générale, un moteur à turbine à gaz et, plus particulièrement, un système pour re- tirer ou séparer du fluide gazeux circulant dans le chemin d'é- coulement principal d'un moteur à turbine à gaz les particules étrangères qui s'y trouvent. Les moteurs à turbine à gaz, et spécialement les turbo- moteurs à turbine à gaz équipant les hélicoptères, sont sus- ceptibles d'ingérer des particules étrangères. Ce risque est associé à la variété des milieux rigoureux dans lesquels opère l'appareil. Le sable des déserts, le sel des océans et le feuil- lage des tropiques sont pour le moteur autant de dangers poten- tiels et peuvent notablement réduire ses performances. Les problèmes posés par l'ingestion de particules étrangè- res dans un moteur à turbine à gaz sont bien connus et on a dé- jà essayé de réaliser un dispositif qui sépare les particules étrangères avant que le fluide gazeux, à savoir l'air, arrive dans les parties internes du moteur. Un procédé de la techni- que antérieure s'est montré particulièrement adapté à cette tâche: il s'agit du séparateur de particules et épurateur à volute décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique nO 3.832.086. Le séparateur de particules décrit dans ce bre- vet communique aux particules une composante radiale de vites- se suivant une direction les éloignant de l'entrée d'air du compresseur interne. Les particules s'écartent de l'entrée du compresseur et pénètrent dans une chambre de collecte. Un ven- tilateur est chargé de créer un vide qui aspire les particules et les fait sortir de la chambre de collecte. Ce système de séparation des particules s'est généralement montré satisfai- sant pour empêcher les composants internes du moteur d'être endommagés. Toutefois, l'emploi d'un ventilateur pour créer le vide grâce auquel les particules sortent de la chambre de collecte s'est traduit par un accroissement de masse et de coût du système. De plus, le ventilateur doit périodiquement recevoir un entretien courant, être réparé et soumis à des pro- cédures d'entretien, ce qui rend plus coûteux le fonctionnement du moteur. Un autre séparateur de particules de la technique anté- rieure, décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n0 3.766.719, opère par succion pour retirer les particules de la chambre de collecte du séparateur: l'effet est obtenu en faisant passer par une buse reliée par des conduits à la cham- bre de collecte les gaz sortant du moteur. Une buse utilisée de cette manière porte le nom d'éjecteur. L'éjecteur décrit dans le brevet en référence décharge le flux d'air dans une direction de manière générale parallèle à celle des gaz ejec- tés circulant dans le chemin d'écoulement principal. Avec une décharge parallèle, le mélange du flux d'air de l'éjecteur et des gaz éjectés ne se fait pas immédiatement et le canal d'é- jection du moteur doit se prolonger sensiblement en aval de l'endroit o l'éjecteur se trouve par rapport aux gaz éjectés pour permettre aux deux flux d'air de se mélanger et de créer un vide suffisant. Si l'on place l'éjecteur en aval du diffu- seur de sortie du moteur, le vide qu'il est possible de créer est limité, et il faut allonger considérablement le canal d'é- jection pour obtenir un vide suffisant. Le fait de placer l'é- jecteur en amont du diffuseur entraîne aussi l'emploi obliga- toire d'un prolongement du canal en avant du diffuseur, car le diffuseur n'opérera pas de détente et de décélération sur le flux de fluide si l'air aspiré ne se mélange pas bien avec les gaz du flux principal. Dans les deux cas, l'emploi d'un canal prolongé pour obtenir de l'éjecteur une succion suffi- sante augmente le coût, la masse et la longueur du moteur. Comme le canal ne demande que peu ou pas d'entretien, cette méthode supprime les dépenses d'entretien d'un ventilateur. Mais la masse et le coût supplémentaire liés au canal prolongé sont encore des caractéristiques indésirables. De plus, l'ac- croissement de la longueur totale du moteur, dû à la longueur additionnelle du canal, peut faire que le moteur ne peut pas-- se monter sur des appareils n'admettant que des moteurs d'un encombrement limité. Un objectif de la présente invention est donc de réaliser un séparateur de particules étrangères pour moteur à turbine à gaz. Un autre objectif de la présente invention est de réali- ser un séparateur de particules étrangères pourvu d'un éjec- teur, séparateur caractérisé en ce qu'il est compatible avec 2466617 i la faible masse, la fiabilité élevée et la longueur réduite que doit avoir le moteur. En résumé, ces objectifs et avantages, ainsi que d'autres, que la description suivante et les dessins en annexe feront ap- paraître, sont obtenus grâce à la présente invention; celle-ci, dans une forme, réalise un séparateur de particules placé à l'entrée d'un moteur à turbine à gaz ayant une entrée, un com- presseur, une chambre de combustion et une turbine reliés pour former un chemin d'écoulement principal dans lequel un flux de fluide gazeux est comprimé, brûle et se détend. Le séparateur constitue un dispositif, placé au voisinage de l'entrée du mo- teur, qui retire du chemin d'écoulement principal les particu- les étrangères qui s'y trouvent. Un système de conduites re- lie le séparateur à un éjecteur dont le rôle est de provoquer un écoulement d'un second flux de fluide gazeux dans le sys- tème de conduites pour aspirer les particules étrangères à tra- vers celui-ci et les éloigner du séparateur. Un mélangeur, dis- posé en aval de la turbine, est relié au système de conduites pour recevoir le second flux de fluide gazeux et pour mélanger ce dernier avec le flux de fluide circulant dans le chemin d'é- coulement principal. L'éjecteur peut fonctionner en réponse au flux de fluide détendu et peut comprendre un premier et un se- cond éjecteur fonctionnant, respectivement, en réponse au flux de fluide détendu et au flux de fluide comprimé. La description qui va suivre se réfère aux figures anne- xées, qui représentent respectivement: Fig. 1, une vue en coupe schématique d'un moteur à turbi- ne à gaz comprenant le séparateur de particules étrangères de la présente invention; Fig. 2, une vue en perspective agrandie d'une partie aval du moteur représenté sur la figure 1; et Fig. 3, une réalisation de la présente invention qui dif- fère de la réalisation des figures 1 et 2, La figure 1 représente en 10, sous forme schématique, un moteur à turbine à gaz comprenant le séparateur de particules étrangères de la présente invention. Le moteur 10 est orienté, de manière générale, axialement le long de l'axe central du moteur, ou axe X-X, et comporte un carter 12, ouvert à son ex- 2466617 ' trémité avant pour réaliser une entrée annulaire 14. Le fluide gazeux, ou air, pénétrant dans le moteur 10'par l'entrée 14 traverse successivement le compresseur 16, o l'air est-compri- mé, puis la chambre de combustion 18, o l'air se mélange à du carburant et est brûlé. Les gaz chauds provenant de la combus- tion sortent à vitesse élevée de la chambre de combustion 18 et traversent successivement la turbine haute pression 20 et la turbine basse pression 22, o les gaz se détendent pour donner de l'énergie. L'énergie prélevée sur les gaz chauds par la tur- bine haute pression 20 donne la force motrice destinée au com- presseur 16, qui est relié à la turbine haute pression 20 par l'arbre 24. L'énergie prélevée sur les gaz chauds par la turbi- ne basse pression 22 donne la force motrice destinée à l'arbre d'entraînement principal 26 du moteur, qui délivre de l'énergie à un dispositif consommateur d'énergie tel qu'un rotor d'héli- coptère (non représenté). Une fois sortis de la turbine basse pression 22, les gaz chauds produits par la combustion suivent le canal d'éjection 27 du moteur; ce canal comporte un diffu- seur 28, dans lequel les gaz se détendent, et une sortie 30 du moteur. On remarquera que l'entrée 14, le compresseur 16, la chambre de combustion 18, les turbines 20 et 22, et le diffu- seur 28 sont reliés entre eux de façon à former un chemin -d'é- coulement principal 32, annulaire, qui traverse le moteur 10 de l'entrée 14 à la sortie 30. Dans le chemin d'écoulement prin- cipal 32, le flux de fluide gazeux est successivement comprimé, brûlé, détendu, diffusé et éjecté dans l'atmosphère. Le fonc- tionnement général du moteur à turbine à gaz 10 étant bien connu des spécialistes, on pense qu'il n'est pas nécessaire de le décrire davantage pour faire comprendre la présente inven- tion de façon pleine et entière. Le dispositif qu'est le séparateur de particules représen- té en 34 sert à retirer du chemin d'écoulement principal 32. les particules étrangères qui s'y trouvent; il est placé entre l'entrée 14 et le compresseur 16. L'air passant par l'entrée 14 rencontre en 36, dans le chemin d'écoulement principal 32, un coude en saillie radialement vers l'extérieur. Grâce à ce cou- de, le flux d'air et les particules entraînées par lui se di- rigent en partie radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe X-X du moteur. Immédiatement en aval de 36, le chemin d'écoulement principal 32 tourne brusquement, radialement vers l'intérieur, en direction de l'axe central X-X. L'air du flux tourne radialement vers l'intérieur pour suivre le chemin d'é- coulement principal 32. Mais lesparticules sont plus lourdes que l'air et ont une quantité de mouvement considérable; elles continuent donc à se déplacer radialement vers l'extérieur. Le séparateur 34 comporte en outre un passage annulaire 38, orienté circulairement et axialement, qui fait communiquer le chemin d'écoulement principal 32, immédiatement en aval de 36, avec une chambre annulaire de collecte 40, orientée circu- lairement. Les particules projetées radialement vers l'exté- rieur, comme décrit plus haut, par le coude susmentionné, en saillie radialement vers l'extérieur, du chemin d'écoulement principal 32 pénètrent dans le passage 38 et se déposent dans la chambre de collecte 40. Un système de conduites constitué de deux conduits 42, qui communique avec la chambre de collec- te 40 du séparateur 34 de particules va, axialement vers l'a- val, jusqu'au collecteur 44 orienté circulairement. La figure 2 représente une vue en perspective agrandie de la partie aval du moteur 10. On remarque que le dispositif de mélange, qui est un mélangeur 45 à lobes placé dans le chemin d'écoulement principal 32, comprend une structure ondulée. Le mélangeur 45 comporte un premier ensemble de gouttières 48, orientées axialement et radialement, qui communiquent avec le collecteur 44; ce premier ensemble s'intercale entre un second ensemble de gouttières 50, orientées axialement et radialement. Le fluide gazeux circulant dans le chemin d'écoulement princi- pal 32 passe dans les gouttières 50. On réalise un éjecteur, sous la forme de sorties 46 de gouttière, dans le plan de dé- charge, ou de coïncidence, des gouttières 48 et 50. Plus pré- cisément, en choisissant avec soin la surface du plan de sortie des sorties 46 des gouttières, on peut obtenir un effet d'éjec- teur. De manière générale, le choix d'une surface particulière pour le plan de sortie dépend des caractéristiques du flux d'air du moteur particulier à turbine à gaz auquel s'applique la présente invention. L'éjecteur 46 a pour effet, en réponse au fluide gazeux 2466617 i circulant dans le chemin d'écoulement principal 32, de provo- quer l'écoulement d'un second flux de fluide gazeux dans les conduits 42 pour entraîner les particules dans les conduits 42 et les éloigner du séparateur 34. Plus précisément, le fluide gazeux circulant à vitesse élevée dans le chemin d'écoulement principal 32 crée une basse pression au niveau des sorties 46 des gputtières, ce qui provoque l'écoulement d'un second flux gazeux dans les conduits 42. Le principe de fonctionnement de l'éjecteur 46 est le même que celui des éjecteurs connus dans la technique, et une explication détaillée de son principe de fonctionnement ne semble donc pas nécessaire à la compréhen- sion pleine et entière de la présente invention. Avec les gouttières 48 intercalées entre les gouttières de la manière décrite plus haut, une série de filets dis- crets sortant des gouttières 48 se déchargent entre une série de filets discrets sortant des gouttières 50. De cette façcon, le premier et le second flux de fluide se mélangent au niveau du plan de coïncidence, c'est-à-dire à la limite la plus en aval du mélangeur 45. Mais la présence du mélangeur 45 provo- que encore un mélange supplémentaire en aval du plan de coin- cidence. Plus précisément, le long périmètre ondulé 52 que présente le mélangeur 45 au niveau du plan de coïncidence as- sure une interface étendue,et des forces totales de cisaille- ment importantes, entre les filets contigus. En raison des charges de cisaillement importantes introduites par le long périmètre 52, le mélange convenable des filets contigus se fait en un minimum de temps et sur une longueur minimale, pendant leur écoulement en aval du mélangeur 45. Le mélange, réalisé par l'éjecteur 46 de la manière décri- te ci-dessus, du fluide gazeux circulant dans le chemin d'écou- lement principal 32 et du secon.d flux de fluide provoqué par l'éjecteur 46, permet d'avoir dans le moteur un canal d'éjec- tion 27 plus court que ceux connus jusqu'ici dans la technique antérieure. Plus précisément, le diffuseur 28 du canal d'éjec- tion 27 n'assure une fonction de diffusion avec un rendement convenable que si le fluide gazeux qui le traverse possède des profils de vitesse, de pression et de température sensiblement uniformes. Le mélangeur 45 facilite l'obtention des profils voulus en faisant alterner les filets de fluide du second flux et de fluide du chemin de circulation principal 32. Le mélange initial des filets au niveau du plan de coïncidence et leur mélange ultérieur à l'interface des filets permet au mélange de se faire en un temps plus court et sur une longueur d'écoulement moindre que dans les séparateurs de la technique antérieure, il n'est donc pas nécessaire d'avoir entre l'éjec- teur 45 et le diffuseur 28 le long canal caractérisant les dis- positifs de la technique antérieure. L'emploi d'un mélangeur 45 conforme à la présente invention supprime les inconvénients liés aux dispositifs de la technique antérieure. Si l'on considère maintenant d'autres aspects de la-pré- sente invention qu'il faut noter, on trouve sur la figure 3 une réalisation qui vient en supplément de celle de la figure 1. Plus précisément, la figure 3 représente une vue schémati- que du compresseur 16 de la figure 1, avec, dans le conduit 42, un êjecteur 54 fonctionnant en réponse à de l'air comprimé prélevé sur le compresseur 16. On peut utiliser l'éjecteur 54 à la place de l'éjecteur 46 actionné par les gaz détendus, ou bien on peut l'utiliser en plus de l'éjecteur 46 afin d'avoir un vide supplémentaire pour aspirer les particules de la cham- bre de collecte 40. L'éjecteur 54 comporte une vanne de comman- de 56, qui détermine la quantité d'air prélevée sur le compres- seur 16, et par conséquent le flux de fluide dans le conduit 42 pour améliorer le rendement du moteur 10 à turbine à gaz. L'é- jecteur 54 peut aussi servir à interrompre le flux d'air préle- vé quand l'appareil est dans la partie de sa mission o il n'est pas nécessaire de séparer les particules étrangères. De plus, la présente invention prévoit l'emploi d'une vanne de ré- glage 58 dans le conduit 42, pour régler le flux d'air traver- sant celui-ci, grâce à quoi on obtient une augmentation du ren- dement du moteur 10 à turbine à gaz. La vanne de réglage 58 peut aussi servir à interrompre le flux d'air dans le conduit 42 quand il n'est pas nécessaire de séparer les particules, par exemple à haute altitude. Bien que les réalisations recommandées de la présente in- vention aient fait l'objet d'une description et de dessins, les spécialistes se rendront compte qu'il est possible de leur 2466617 t apporter des modifications, des substitutions et des change- ments sans s'écarter du champ de l'invention exposé dans les revendications en annexe. A titre d'exemple, le mélangeur par- ticulier décrit ici est du type à lobes, ou âàgouttières, mais il doit être bien entendu que le mélangeur couvert par la pré- sente invention peut comporter des générateurs de tourbillons, des mélangeurs à injection, des amplificateurs de turbulence et autres dispositifs et structures visant à améliorer le mé- lange d'un premier flux de fluide avec un second flux de flui- de dans lequel le premier flux est introduit. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 - Séparateur de particules monté à l'entrée d'un moteur à turbine à gaz ayant une entrée (14), un compresseur (16), une chambre de combustion (18) et une turbine (20, 22), réunis pour former un chemin d'écoulement principal, dans lequel un flux de fluide gazeux est comprimé, brûlé et détendu, séparateur caractérisé en ce qu'il comprend: un dispositif (38, 40), placé au voisinage de l'entrée (14), qui retire du chemin d'écoulement principal les particu- les étrangères qui s'y trouvent; un système de conduites(42), relié au dispositif séparant les particules, qui reçoit les particules retirées du chemin d'écoulement principal par le dispositif séparant les parti- cules; un éjecteur (46) ayant pour effet de provoquer dans le système de conduitesun écoulement d'un second flux de fluide gazeux pour aspirer les particules à. travers le système de conduiteset les éloigner du dispositif séparant les particu- les; et un mélangeur (45), placé en aval de la turbine et commu- niquant avec le système de conduites,qui reçoit le second flux de fluide et le mélange au flux de fluide circulant dans le chemin d'écoulement principal. 2 - Séparateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'éjecteur (46) fonctonne en réponse au flux de fluide détendu. 3 Séparateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'éjection (46) comprend un premier et un second éjecteur fonctionnant, respectivement, en réponse au flux de fluide détendu et au flux de fluide comprimé. 4 - Séparateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'éjection (46) fonctionne en réponse au flux de fluide comprimé. - Séparateur suivant la revendication 1, et comprenant en outre un dispositif de réglage qui ajuste l'écoulement du second flux de fluide dans le dispositif de conduite. 6 - Séparateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le mélangeur (45) décharge le second flux de fluide dans le chemin d'écoulement principal sous la forme de plusieurs fi- lets discrets.