Brevet FR2630162A1 — publié le 19891020

SYSTEME D'ANTIGIVRAGE DE CONE D'ENTREE POUR-TURBOMOTEURS A GAZ La présente invention concerne l'antigivrage de cônes d'entrée rotatifs de turbomoteurs à gaz. Le réchauffage de cônes d'entrée rotatifs présente des problèmes particuliers. Il est, par exemple, impossible, comme on pourrait le faire pour des cônes d'entrée statiques, d'incorporer des dispositifs chauffants électriques sans utiliser des bagues collectrices, ou autres complications similaires, pour porter le courant du dispositif chauffant à travers l'interface entre les parties statiques et rota- tives du moteur. D'autres procédés ont été essayés, comme par exemple d'amener, par des conduits, au cône d'entrée de l'air chaud provenant d'autres parties du moteur, et de projeter cet air chaud sur le cône d'entrée, ou de former un film d'air chaud sur la surface intérieure du cône d'en- trée. A nouveau, ce procédé présentait l'inconvénient que l'air chaud, soit devait être autorisé à s'échapper du cône d'entrée dans le flux d'air pénétrant dans le compresseur du moteur, o il perturbait à la fois l'allure de pression et l'allure de température de l'air, soit devait être évacué par-des conduits vers une autre partie du moteur afin d'éviter l'échauffement des disques du compresseur, ce qui augmentait la complexité de la conception du moteur. On a constaté que certaines formes de cône d'entrée, par exemple en pointe ou en ogive, étaient satisfaisantes sans prendre de mesures particulières en matière de dégi- vrage, mais le problème reste le même pour les cônes d'en- trée aplatis, qui sont préférés dans certains types de' moteurs du fait de leur longueur réduite. Cela étant, les présents demandeurs Qnt constaté qu'il était possible d'obtenir un antigivrage satisfaisant de la totalité du cône d'entrée giratoire, pourvu qu'une surface relativement petite, voisine de l'axe de rotation, soit maintenue exempte de givre. Le brevet britannique 2046843 divulgue un procédé très satisfaisant d'antigivrage d'un cône d'entrée rotatif. Le procédé décrit dans ce document utilise la différence de température qui apparaît entre des positions axiales différentes le long du moteur. De l'énergie peut ainsi être rendue disponible pour produire un effet de "thermosiphon" rotatif, utilisant le cône d'entrée comme refroidisseur, et utilisant une région en aval du cône d'entrée comme entrée de chaleur. On fait s'écouler le gaz chaud le long du centre d'un tube ou arbre d'entraînement creux et rotatif du moteur, vers le cône d'entrée. L'air refroidi, plus dense, est cen- trifugé contre la paroi de l'alésage de l'arbre, et il reflue le long de l'arbre pour sortir par l'arrière de l'arbre. Le brevet britannique précité divulgue également un mode de réalisation qui utilise un arbre rotatif creux qui est fermé à l'extrémité avant par un ensemble de cône d'en- trée, et ouvert à l'arrière. Il est expliqué dans ce docu- ment que, bien que le tube à extrémité ouverte ne soit pas, en soi, un thermosiphon, il fonctionne d'une manière simi- laire à un thermosiphon, en ceci que les forces centrifu- ges agissant sur les différentes densités de gaz pompent les gaz chauds vers le bas au centre du tube pour chauffer le cône d'entrée, et refoulent les gaz refroidis vers l'arrière contre la paroi de l'arbre. Si le système d'antigivrage du brevet britannique précité fonctionne très bien, on -a constaté que, dans cer- tains agencements de moteurs, il y a un écoulement insuf- fisant d'air chaud vers le bas au centre du tube rotatif. C'est particulièrement le cas lorsque la source des gaz chauds est une masse tourbillonaire de gaz provenant du voisinage des éléments coqstitutifsde la turbine. On a constaté que, dans des agencements de moteurs de ce dernier type, o le rotor fait tourbillonner l'air entrant, le flux de gaz, le long du centre de l'arbre, est sérieusement entravé, et peut même être totalement stoppé. La présente invention a pour but de fournir un moyen pour supprimer le tourbillonnement du flux d'air au centre du tube ou arbre rotatif. Selon la présente invention, un système d'antigivrage dans un turbomoteur à gaz qui possède un ensemble de cône d'entrée rotatif, un tube creux rotatif qui est efficace- ment obturé à son extrémité avant par l'ensemble de cône d'entrée et qui est ouvert à son extrémité arrière, un système d'antigivrage dans lequel le gaz chaud est forcé à s'écouler le long du centre du tube vers l'ensemble de cône d'entrée pour réchauffer ce dernier et l'air froid est forcé à refluer le long du tube vers l'extrémité ouverte sous la forme d'un flux radialement extérieur, et des moyens pour fournir du gaz chaud à l'extrémité ouverte du tube, ce système est caractérisé en ce qu'il comprend un moyen induc- teur de flux disposé au voisinage de l'extrémité ouverte du tube, ce moyen possédant une entrée pour recevoir le gaz chaud entrant tourbillonnant, et un moyen directeur pour réorienter le gaz entrant et diriger le gaz chaud dans une direction axiale le long du centre du tube. Le tube est de préférence fermé à son extrémité aval, et possède des orifices dans sa paroi pour permettre l'entrée de l'air chauffé. Dans une forme préférentielle de l'invention, la tota- lité de l'écoulement auto-induit a lieu dans un tube central et qui est relié à,et fermé à l'extrémité avant par une région centrale de la surface du cône d'entrée. Le tube s'étend vers l'arrière jusqu'à l'extrémité aval du mfoteur. Ce système fournit un système d'antigivrage très efficace, avec un minimum de complications supplémentaires. Le tube central peut, dans ce mode de réalisation, comprendre, au moins partiellement, un arbre principal creux du moteur, qui sera de préférence l'arbre principal le plus intérieur. L'extrémité arrière du tube est ouverte pour permettre à une partie de l'air refroidi provenant de la partie radialement extérieure de l'intérieur de l'arbre de s'écou- ler hors de l'arbre, et pour permettre l'écoulement de l'air chaud dans l'arbre sur l'axe de ce dernier. Le diamètre du tube augmente, de préférence, sur sa longueur, et il peut changer progressivement, ou par une série de gradins. On va maintenant décrire plus particulièrement des exemples de l'invention en référence au dessin annexé, dans lequel: Figure 1 est une vue en coupe partielle d'un turbomo- teur à gaz possédant un système d'antigivrage selon la pré- sente invention; Figure 2 est une vue agrandie du compresseur et du système d'antigivrage de cône d'entrée du moteur de la figure 1; Figure 3 représente l'amélioration apportée par la présente invention, à savoir, l'inducteur de flux pour supprimer le tourbillonnement de l'air entrant et pour le diriger axialement le long de l'arbre; Figure 4 est une vue schématique d'un turbomoteur à gaz, vu en coupe pour représenter un autre système d'an- tigivrage possible incorporant l'amélioration apportée par la présente invention; Figure 5 est une représentation schématique agrandie de l'arbre du moteur de la figure 4, représentant le flux auto-induit; et Figure 6 est une représentation schématique d'une autre forme possible d'arbre. Les figures 1 à 3 représentent un turbomoteur à gaz à double fJux 1 comprenant un compresseur basse pression 2, un compresseur haute pression 3, un équipement de combus- tion 4, une turbine haute pression 5, et une turbine basse pression 6. Le compresseur basse pression 2 est entraîné par la turbine basse pression 6 par l'intermédiaire d'un arbre basse pression 7, et la tur- bine haute pression 5 entraîne le compresseur haute pres- sion 3 par l'intermédiaire d'un arbre haute pression repré- senté schématiquement en 8. Les gaz d'échappement produits par le moteur passent dans l'atmosphère par l'intermédiaire de tuyères (non représentées) à l'extrémité aval du moteur. A l'extrémité amont du moteur se trouve un ensemble de cône d'entrée 10, qui constitue la paroi radialement intérieure de l'entrée annulaire d'air vers le compresseur basse pression. L'ensemble de cône d'entrée 10, qui est sujet à la formation de givre, nécessite un système d'anti- givrage pour empêcher la formation de dépôts importants de glace qui peuvent se briser et passer dans l'entrée du com- presseur, y causant des dégradations. Des essais ont montré que seule la partie centrale du cône d'entrée doit être réchauffée à des fins d'antigi- vrage, car si la formation de glace sur la partie centrale est empêchée, la force centrifuge empêchera la formation excessive de glace sur le reste de la surface. On a cons- taté que seuls environ 20 à 25 centimètres carrés de la surface du cône d'entrée, centrés sur l'axe du moteur, doivent être réchauffés pour que la totalité du cône d'en- trée soit maintenue dégagée de toute formation excessive de glace. On a constaté qu'un flux induit d'un tube rotatif était efficace pour réchauffer la partie centrale du cône d'entrée. On utilise ainsi la force centrifuge exercée sur l'air à des températures différentes dans un système essen- tiellement fermé, pour produire une circulation d'air dans laquelle l'air plus chaud reste proche de l'axe de rotation, tandis que l'air plus froid est forcé vers les parois radial lement extérieures. Afin d'obtenir cet effet dans le moteur de la figure 1, on a étudié un système d'antigivrage qui utilise l'augmen- tation de la température à travers la totalité du moteur pour réchauffer la région centrale du cône d'entrée. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 2, l'ensemble de cône d'entrée 10 possède un tube central 14 qui est fermé à son extrémité arrière. L'extrémité arrière du tube 14 est reliée à l'extrémité avant d'un arbre d'entraînement creux 7 qui relie la turbine BP au compresseur BP. l'arbre 7 est ouvert à son extrémité arrière, et il est pourvu d'un dispositif pour supprimer le tourbillonnement du flux d'air (voir la figure 3). Selon la figure 2, l'ensemble de cône d'entrée 10 possède des enveloppes intérieure et extérieure 16, 18 qui définissent entre elles un espace 20. L'extrémité amont du tube 14 est reliée à l'enveloppe intérieure 16, et l'extré- mité aval est entraînée par l'arbre 7 par l'intermédiaire d'un raccord cannelé 19. Le tube 14 communique avec l'es- pace 20, de sorte que de l'air relativement chaud provenant de l'intérieur du tube 14 est projeté sur la partie cen- trale de l'enveloppe extérieure 18 du cône d'entrée. Cet air est refroidi par le cône d'entrée, et tandis que sa densité augmente, il est centrifugé vers l'extérieur dans l'espace 20, créant ainsi une zone de pression inférieure à l'extrémité amont du tube 14. L'air refroidi quitte l'es- pace 20 par l'intermédiaire d'une série d'ouvertures 22 formée dans l'enveloppe intérieure 16, et il passe dans la chambre 12 sur la paroi radialement extérieure de cette dernière. Tandis que cet air se déplace vers l'arrière le long de la paroi radialement extérieure de la chambre, il pré- lève de la chaleur de la paroi et, tandis que sa densité diminue, 1il aura tendance à être poussé radialement vers l'intérieur par le flux d'air plus dense et plus froid provenant de l'espace 20. L'air réchauffé pénètre dans le tube 14 à l'extrémité aval de la chambre 12 par l'inter- médiaire d'orifices 24 dans la paroi du tube, et il s'écou- le vers l'avant jusqu'au cône d'entrée 10. Cette circula- tion fournit une alimentation continue en air réchauffé de la partie centrale de la surface du cône d'entrée et elle a été constatée efficace dans la plupart des conditions régnantes pour maintenir le cône d'entrée exempt de forma- tions notables de glace. Le tube 14 est obturé par une plaque 26 pour empêcher les gaz chauds à une température très élevée, provenant de l'extrémité aval du moteur, de pénétrer dans la chambre 12. L'air chaud est prélevé du voisinage des éléments constitutifs de la turbine du moteur, et il est amené dans une direction globalement radiale vers le centre du moteur. La rotation à vitesse élevée des rotors de la turbine induit la masse d'air chaud en tourbillonnement, et on a constaté que ce tourbillonnement pouvait effectivement gêner, voire totalement empêcher l'air chaud d'atteindre l'intérieur de l'arbre 7. Si l'écoulement auto-induit continue d'avoir lieu dans l'arbre 7 sans que des quantités notables de gaz chaud frais atteignent l'extrémité ouverte du tube, l'effi- cacité de l'écoulement auto-induit est considérablement inférieure à ce qu'elle pourrait être. En conséquence, la présente invention fournit un moyen pour supprimer le tour- billonnement de l'air chaud entrant, et pour le diriger axialement le long du centre de l'arbre 7. La figure 3 représente le dispositif pour supprimer le tourbillonnement de l'air. Ce dispositif 110 comprend une pluralité de pales radiales 111 espacées à des distances égales autour de l'axe central 112 du moteur. Les pales 111 sont fixées à une structure stationnaire, par exemple la cloison avant du cône arrière du moteur, de sorte que les pales sont situées au voisinage de l'extrémité ouverte de l'arbre 7. Chaque pale 111 possède une partie radiale 111(a) et une partie axiale 111(b). Les pales sont portées en leur centre par un moyeu fixe 114. Un carénage 115 est prévu pour recouvrir les pales. Le carénage 115 joue le rôle de sépara- teur de flux, et il définit une entrée périphérique pour recevoir l'air chaud tourbillonnant provenant du voisinage des éléments constitutifs de la turbine, et il définit une sortie axiale pour évacuer l'air chaud axialement le long de l'axe central médian de l'arbre 7. La sortie cylindrique 116 du carénage 115 est globa- lement conique, afin d'améliorer l'écoulement et d'empê- cher la formation de tourbillons en aval de là lèvre 117. La lèvre 117 est située sur un rayon de la couche limite sur laquelle le flux laminaire extérieur d'air refroidi (représenté par la flèche 118) rencontre le flux central chaud représenté par la flèche 119. Des expériences ont montré que, dans certains modes de réalisation de l'invention, il peut ne pas être néces- saire de prévoir le carénage 115, car, à des vitesses de rotation très élevées de l'arbre 7, l'air refroidi est ac- céléré vers l'extérieur à l'extrémité ouverte de l'arbre 7. Dans ce dernier agencement, il peut être toujours néces- saire de séparer l'air chaud entrant du flux d'air sortant plus froid, en définissant les parcours d'entrée et de sor- tie de manière à éviter trop de mélange. Dans certains agen- cements, le mélange du flux d'air chaud et du flux d'air refroidi peut être toléré. Toutefois, pour tenir compte de conditions plus dures, qui peuvent exiger la fourniture de plus de chaleur au cône d'entrée que celle qui peut être fournie par l'agencement représenté aux figures 1 et 2, on peut utiliser un autre système utilisant le principe de base de la figure 2. Dans cet autre système, représenté aux figures 4 à 6, le tube central est totalement fermé, à l'extrémité avant', par la surface intérieure du cône d'entrée,qui possède une seule enveloppe, et le tube est constitué par l'arbre 7 qui relie la turbine BP au compresseur BP. L'arbre est ouvert à l'ex- trémité arrière, et il s'étend vers l'arrière, en augmentant de diamètre, jusqu'à l'extrémité de la turbine du moteur, o de l'air à une température nettement plus élevée est dis- ponible pour réchauffer le tube et le cône d'entrée, et 263O162 l'écoulement auto-induit a lieu entièrement dans l'arbre 7. les figures 4 à 6 représentent un turbomoteur à gaz possédant une soufflante 50, un compresseur haute pression 52, un système de combustion 54, une turbine haute pression 56 et une turbine basse pression 58. Le compresseur haute pression 52 et la turbine haute pression 56 sont mutuelle- ment reliés, en entraînement, par un arbre haute pression , et la soufflante 50 et la turbine basse pression 58 sont mutuellement reliés, en entraînement, par un arbre creux basse pression 62, qui tourne coaxialement dans l'ar- bre haute pression. Le moteur possède un cône d'entrée 64 qui est assemblé, par des boulons 66, à la soufflante 50 pour tourner conjointement avec cette dernière. Dans ce mode de réalisation de l'invention, l'arbre basse pression 62 augmente de diamètre par gradins depuis l'extrémité amont du moteur jusqu'à l'extrémité aval, et il est prévu un tube 68 qui est relié entre l'extrémité amont de l'arbre 62 et le cône d'entrée 64, et qui est d'un diamètre inférieur ou égal au diamètre de l'extrémité amont de l'arbre 62. Comme on peut le voir plus clairement à la figure 4, l'écoulement audioinduit est créé entièrement dans le tube 68 et l'arbre 62, et il est indiqué par les flèches 70. Un dispositif de suppression du tourbillonnement 110, qui est le même que celui représenté à la figure 3, est situé à l'extrémité de turbine de l'arbre 62. Le tube 68 est relié au cône d'entrée d'une manière telle qu'il est fermé, à son extrémité amont, par une région 72 de la surface intérieure du cône d'entrée, au voisinage de l'axe du moteur. L'air chaud présent dans le tube 68, fourni par le dispositif 110, entre ainsi en contact avec le cône d'entrée froid à l'extrémité avant du tube, et il est refroidi. La force centrifuge agissant sur cette partie de l'air dans le tube devient alors supérieure à celle agis- sant sur l'air plus chaud ailleurs dans le tube, suite à l'augmentation de la densité de l'air tandis que sa température diminue. L'air plus froid est ainsi centrifugé sur la partie radialement extérieure du tube, permettant à plus d'air chaud, à proximité de l'axe central du tube, de se déplacer en contact avec le cône d'entrée, et établis- sant ainsi une circulation dans le tube. Lorsque le tube 68 -est relié à l'arbre principal 62, il y a une augmentation de diamètre qui favorise encore plus l'écoulement radialement vers l'extérieur de l'air refroidi, par suite de la force centrifuge plus élevée agissant sur lui, et, avec la succession des modifications par gradins du diamètre de l'arbre sur sa longueur, l'air refroidi est encouragé à refluer vers l'arrière, le long des parois, pre- mièrement du tube 68, puis de l'arbre 62, jusqu'à ce qu'il atteigne l'extrémité aval de l'arbre. Pendant cet écoulement, l'air est réchauffé, et lorsqu'il atteint l'extrémité aval de l'arbre, il s'écoule autour de l'extrémité de l'arbre, et il est centrifugé radialement- vers l'extérieur amélio- rant ainsi l'ensemble de l'écoulement d'air dans le tube 68 et l'arbre 62. Il est clair, comme l'arbre 62 est ouvert à son extré- mité aval, qu'il se produira un échange d'air tandis que de l'air plus froid sort de l'arbre 62 et que dé l'air chaud est induit dans le centre de l'arbre 62. Un arbre à extré- mité ouverte fournit donc un effet de thermosiphon, bien qu'il puisse ne pas agir "en soi" comme un véritable ther- mosiphon. Le système fournit donc une alimentation continue en air chaud de la partie centrale du cône d'entrée à des fins d'antigivrage, mais il n'y a pas d'écoulement de l'air chaud dans l'air d'admission. admis à l'entrée d'air à l'avant du moteur, o cet air chaud pourrait présenter un danger en surchauffant le disque de soufflante, ou les disques des premiers étages du compresseur HP. De l'air plus chaud peut donc être utilisé en provenance de l'extrémité aval du mo- teur, et on peut ainsi obtenir-un antigivrage plus efficace. Les présents demandeurs ont constaté que les systèmes ili décrits cidessus pouvaient transmettre suffisamment de chaleur pour réchauffer la région centrale du cône d'en- trée, c'est-à-dire une région centrale d'une superficie allant jusqu'à 25 centimètres carrés pour qu'aucune for- mation dangereuse de glace ne se produise, sur aucune par- tie du cône d'entrée. Selon un autre mode de construction possible, repré- senté schématiquement à la figure 6, l'ensemble combiné tube/arbre 80 est disposé de manière à présenter un diamè- tre augmentant progressivement de l'avant à l'arrière du moteur, ce qui favorise le reflux vers l'arrière de l'air plus froid sur la surface intérieure de la paroi du tube/ arbre, comme représenté par les flèches 82, et améliore ainsi la circulation d'air. 12. - REVENDICATIONS - 1. Système d'antigivrage dans un turbomoteur à gaz qui possède un ensemble de cône d'entrée (10) rotatif,un tube creux rotatif (7,62)qui est efficacement obturé à son extré- mité avant par l'ensemble de cône d'entrée (10) et qui est ouvert à son extrémité arrière, un système d'antigivrage.dans lequel le gaz chaud est forcé à s'écouler le long du centre du tube (7,62) vers l'ensemble de cône d'entrée (10) pour réchauffer ce dernier et l'air froid est forcé à refluer le long du tube (7,62) vers l'extrémité ouverte sous la forme d'un flux radialement extérieur, et des moyens pour fournir du gaz chaud à l'extrémité ouverte du 'tube (7,62), carac- térisé en ce qu'il comprend un moyen inducteur de flux (110) disposé au voisinage de l'extrémité ouverte du tube (7,62), ce moyen possédant une entrée pour recevoir le gaz chaud entrant tourbillonnant, et un moyen directeur pour réorienter le gaz entrant et diriger le gaz chaud dans une direction axiale le long du centre du tube (7,62). 2. Système d'antigivrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen directeur de flux comprend une pluralité de pales fixes (111) qui présentent une partie s'étendant radialement et une partie s'étendant dans une direction axiale vers l'extrémité ouverte du tube (7,62). 3. Système d'antigivrage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen inducteur de flux (110) com- prend un carénage (115) autour des pales (111), le carénage (115) définissant une entrée périphérique et une sortie axiale (116). 4. Système d'antigivrage selon la revendication 3, caractérisé en ce que la sortie (116) possède une lèvre cy- lindrique (117) qui est disposée sur un rayon qui sépare le flux central de gaz chaud (119) du flux radialement exté- rieur de gaz refroidi (118) qui reflue le long du tube (7, 62) vers l'extrémité ouverte. 5. Système d'antigivrage selon la revendication 4, caractérisé en ce que la lèvre (117) est située sur la couche de délimitation du flux laminaire de gaz refroidi (118) qui reflue le long du tube (7,62) vers l'extrémité ouverte. 6. Système d'antigivrage selon la revendication 4, caractérisé en ce que la lèvre (117) coopère avec un moyeu central fixe (114) pour définir une ouverture de sortie annulaire orientée axialement. 7. Système d'antigivrage selon la revendication 4, caractérisé en ce que la lèvre (117) est tronconique. 8. Système d'antigivrage selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyeu central (114) est conique.