Brevet FR2637251A1 — publié le 19900406

La présente invention concerne les moteurs à turbine à gaz pour avion qui utilisent un capot d'admission d'air afin de diriger l'écoulement d'air dans le moteur principal et plus particulièrement un dispositif permettant de prévenir et d'éliminer l'accumulation de glace sur le capot d'admission d'un moteur à turbine à gaz d'avion. La formation de glace sur les bords avant des entrées d'un moteur d'avion peut se produire lors du vol lorsque l'avion traverse des nuages contenant des gouttelettes d'eau superrefroidies ou lors du fonctionnement au sol par temps peu clément. La protection contre la formation de la glace est indispensable car son amoncellement près de l'entrée du moteur peut gêner la libre circulation de l'air pénétrant dans le moteur et l'entourant, d'où un effet néfaste sur les performances du moteur. De plus, les aubes des turbines ou autres composants interne s du moteur peuvent être endommagés par les morceaux de glace se détachant du bord avant de l'entrée d'air et pénétrant dans le courant d'air d'admission. Dans un système anti-givre typique d'un capot d'entrée, de l'air chaud est introduit dans une chambre située à l'intérieur du bord avant du capot. Ce système maintient la surface intérieure du capot au-dessus de la température de gel et évite la formation de glace qui pourrait affecter les performances du moteur. L'air consommé par ce système anti givre s'échappe souvent à l'extérieur sans qu'il y ait un emploi complet de l'énergie thermique qu'il renferme, d'où le gaspillage de l'énergie extraite pendant le cycle de propulsion du moteur. Le moteur à hélice non-carénée de la société dite General Electric Company fonctionne avec des aubages tournant tant à l'intérieur qu'à l'extérieur du capot d'entrée et par conséquent nécessite un anti-givrage de la surface extérieure du capot en plus .de celui de la surface intérieure car l'accumulation de glace sur la surface extérieure peut gêner l'écoulement d'air dans l'aubage,extérieur ou provoquer son détachement et son impact sur l'aubage. L'expulsion vers l'extérieur de l'air anti-givre consommé peut également avoir un effet néfaste sur les structures en aval ou les performan-. ces du moteur. La présente invention a pour objet principal un dispositif anti-givre pour capot d'entrée d'un moteur à turbine. à gaz d'avion, qui ne soit pas victime des inconvénients précédents. La présente invention a pour objet supplémentaire un dispositif anti-givre perfectionné qui prévient et élimine l'accumulation de glace tant sur la surface intérieure que sur la surface extérieure du capot du nez d'un moteur d'avion. La présente invention a encore pour objet un dispositif anti-givre perfectionné pour moteur à turbine à gaz d'avion, comportant un moyen perfectionné pour procéder à l'échappement de l'air consommédu dispositif anti-givre. La présente invention a aussi pour objet un dispositif anti-givre perfectionné pour moteur à turbine à gaz d'avion qui utilise d'une manière plus efficace l'énergie thermique extraite du cycle de propulsion du moteur afin de prévenir et d'éliminer l'accumulation de glace sur les bords avant du capot d'entrée. Selon la présente invention, on propose un dispositif pour prévenir et éliminer l'accumulation de glace sur les surfaces intérieure et extérieure du capot d'entrée d'un moteur à turbine à gaz d'avion. Une chambre annulaire est ménagée dans le capot d'entrée, les parois intérieures avant et extérieures avant du capot constituant celles de la chambre. A l'intérieur de la chambre se trouve une conduite annulaire d'air qui, pendant le fonctionnement du moteur, est alimentée avec de l'air à haute pression, à température élevée, de préférence à partir d'un orifice ménagé dans le compresseur du moteur. Des tuyères d'éjection d'air sont espacées les unes des autres autour de la conduite d'air et servent à diriger de l'air anti-givre à une vitesse supersonique vers la surface intérieure avant du capot d'entrée. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les tuyères sont inclinées de. manière à créer une masse tourbillonnante anti-givre qui frotte toutes les surfaces de la chambre. On prévoit également un moyen perfectionné pour faire sortir de la chambre l'air anti-givre consommé par l'intermédiaire d'une multitude de petits évents situés dans la surface intérieure du capot pour qu'il entre dans le cylindre intérieur de l'entrée du moteur. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement Figure 1, une vue en perspective de la partie antérieure d'un moteur à turbine à gaz d'avion, partiellement en crevé afin de faire ressortir le dispositif de la présente invention figure 2, une vue en coupe axiale du capot d'entrée du moteur à turbine à gaz de la figure 1, figure 3, une section avant du capot d'entrée du moteur à turbine à gaz de la figure 1, figure 4, un détail en coupe de l'une des tuyères d'éjection d'air représentées en figure 3, et figure 5, un détail en coupe d'une variante de réalisation de la tuyère d'éjection d'air représentée en figure 4. Dans les dessins, la figure 1 est une vue en perspective de la section d'entrée d'un moteur à turbine à gaz, en partie en crevé pour faire ressortir le dispositif de la présente invention. La partie antérieure du moteur comprend un ensemble 10 à ailettes de guidage de l'admission et un cône de nez 12 enfermé dans un capot d'entrée 14 généralement tubulaire, s'étendant axialement et ayant une paroi extérieure 16 et une paroi intérieure 18. La paroi intérieure 18 forme une conduite d'entrée qui dirige l'air d'admission du moteur par l'intermédiaire de l'ensemble 10 pour qu'il entre dans le compresseur (non représenté) du moteur. En vol ou pendant le fonctionnement au sol lors de la présence de givre, la glace à tendance à se former sur les surfaces avant des parois 16 et 18. La glace change la géométrie de la surface d'entrée entre le capot 14 et le cône 12 du nez, d'où un effet néfaste sur la quantité nécessaire et le trajet d'écoulement de l'air d'admission. De plus, des morceaux de glace peuvent se détacher et provoquer l'endommagement des composants internes ou externes situés en aval du moteur. Pour éviter la formation de glace le long des surfaces avant du capot 14, une chambre annulaire 20 est formée entre les surfaces avant des parois 16 et 18. Un anneau structurel ou cloison 22 joignant les parois 1.6 et 18 forme la paroi arrière de la chambre 20. Dans la chambre 20 est incluse une conduite annulaire d'air 24 comportant une multitude de tuyères 26 d'éjection de l'air. Pendant la marche, la conduite d'air 24 est alimentée avec de l'air à haute température et pression élevée, à partir d'un orifice ménagé dans le compresseur (non représenté) du moteur par l'intermédiaire d'un moyen de -conduite 28. En variante, les gaz d'échappement chauds prélevés à l'échappement du moteur pourraient être fournis à la conduite d'air 24. L'air anti-givre chauffé est ensuite injecté dans la chambre 20 par les tuyères 26 de manière à chauffer les surfaces avant des parois 16 et 18. Une multitude d'évents 30 sont pratiqués dans la paroi intérieure 18 à l'arrière de la chambre 20 pour permettre l'échappement de l'air anti-givre consommé afin qu'il quitte la chambre 20 et entre dans le courant d'air d'admission du moteur. La figure 2 est une vue en coupe axiale du capot d'entrée du moteur à turbine à gaz de la figure 1, représentant en coupe la chambre 20 et la conduite d'air 24. L'air anti-givre entre dans la conduite 24 qui est située à la zone arrière la plus à l'extérieur dans la chambre 20 en passant par un orifice 34 ménagé dans la cloison 22 et est injecté à une vitesse supersonique en traversant les tuyères 26 d'éjection d'air pour entrer dans la chambre 20. Les tuyères 26 sont conçues pour fournir un chauffage préférentiel de la paroi intérieure du capot en dirigeant l'écoule- ment d'air vers la surface intérieure avant de la paroi 18 comme cela - est indiqué par la flèche 32. La chaleur est transmise directement au bord avant de la paroi intérieure 18 par impact de l'air .anti-givre. L'air anti-givre consommé sort de la chambre 20 en passant par les évents 30 situés autour de la surface intérieure du capot.Les évents dirigent l'air d'échappement le long de la surface de la paroi intérieure 18, empechant toute perturbation importante du courant d'air d'admission du moteur et évitant le givrage sur les bords avant du capot de l'eau de reflux. L'air d'échappement entrera dans le moteur et constituera une partie de l'écoulement d'air du moteur. La figure 3 est une vue en coupe de l'avant du capot d'entrée du moteur à turbine à gaz de la figure 1. On a représenté dans cette figure la partie supérieure de la chambre annulaire 20 et la conduite annulaire d'air 24. Comme on peut le voir, les tuyères 26 d'éjection d'air dirigent les courants d'air vers la paroi intérieure 18 mais également suivant un certain angle par rapport à une ligne radiale tracée jusqu'à l'axe du moteur de manière à provoquer un effet de tourbillonnement à haute vitesse autour de la chambre annulaire 20 avec des passages multiples de l'air anti-givre et un effet vigoureux du frottement de l'air. Les directions de ces courants d'air sortant des tuyères d'éjection sont représentées par les flèches 36. Un exemple de courant d'air est représenté par la flèche 38.Les tuyères 36 sont placées de manière à produire une interférence minimale avec la masse de l'air tourbillonnant. Ainsi, on propose deux procédés pour la transmission de la chaleur entre l'air anti-givre et les surfaces du capot d'entrée, l'impact d'air et le frottement de l'air. Le dispositif d'injection d'air provoque un chauffage préférentiel de la paroi intérieure du capot, donne le chauffage désiré pour la paroi extérieure du capot, et crée un effet de tourbillonnement autour de la chambre 20 avec les passages multiples de l'air anti-givre pour le transfert de la chaleur aux surfaces de la chambre avant l'échappement de l'air. Les évents d'échappement 30 sont placés par groupes autour de la paroi intérieure du capot de sorte que l'air chaud s'écoulant vers l'arrière ne rencontrera pas l'équipe- ment en aval, par exemple des capteurs de la température d'admission, et n'en perturbera pas le fonctionnement. La surface totale des évents d'échappement est limitée de manière à maintenir une pression appropriée à l'intérieur de la chambre 20. la figure 4 est une vue détaillée en coupe de l'une des tuyères d'éjection d'air représentées en figure 3. On voit que le canal traversant la tuyère est divergent, ayant une surface en coupe plus grande au droit de l'échappement 40 de la tuyère qu'à son admission 42. La tuyère divergente, permettant une dilatation contrôlée de l'air anti-givre alors qu'il traverse la conduite 24 pour entrer dans la chambre 20, a pour effet de rendre supersonique la vitesse de l'écoule ment d'air. En se dilatant, l'écoulement d'air à vitesse supersonique augmente le contact entre l'air anti-givre à haute température et les surfaces du capot, accroissant le transfert de chaleur vers les surfaces du capot.Il y a également augmentation du transfert de chaleur sous l'effet du frottement de l'air car la vitesse de la masse de l'air tourbillonnant et la vigueur de l'action de frottement sont rendues plus grandes par l'augmentation de la vitesse de l'écoulement d'air. la figure 5 est une vue détaillée en coupe d'une variante de réalisation de la tuyère d'éjection d'air représentée en figure 4. On voit que la tuyère est un trou de diamètre uniforme 44 pratiqué dans la paroi de la conduite d'air 24. Le trou 44 sert à diriger un courant d'air à vitesse non supersonique vers la paroi intérieure du capot et aussi à créer. une masse d'air tourbillonnant à l'intérieur de la chambre annulaire 20. La discussion précédente et les dessins annexés décrivent un dispositif perfectionné anti-givre pour le capot d'entrée d'un moteur d'avion. Ce .dispositif perfectionné fournit un chauffage efficace tant de la surface intérieure que de la surface extérieure du capot, un chauffage préférentiel étant fourni aux bords avant de la surface intérieure du capot, zone où l'accumulation de glace est des plus dangereuses. La chaleur est transférée de l'air anti-givre aux surfaces avant du capot d'entrée par impact de l'air et sous l'effet du frottement de l'air. De plus, l'air anti-givre consommé s'échappe en longeant la paroi intérieure du capot pour entrer dans le courant d'air d'admission du moteur, évitant le nouveau gel de l'eau de reflux du capot.Le tourbillonnement de l'air anti-givre autour de la chambre annulaire pendant de nombreuses révolutions avant l'échappement de l'air et l'échappement de l'air dans la conduite d'admission le long de la paroi intérieure du capot fournissent de meilleures opportunités pour le transfert de la chaleur à partir de l'air anti-givre, rendant plus efficace l'emploi de l'énergie thermique extraite du cycle de propulsion du moteur. D'après le mémoire précédent, il apparaîtra au technicien que la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation spécifique décrit et que de nombreuses modifications peuvent lui être apportées sans sortir du domaine de l'invention. Par exemple, le nombre, l'emplacement .ou la réalisation des éjecteurs d'air et des évents d'échappement peuvent être modifiés afin de produire des températures, pressions, vitesses différentes à l'intérieur de la chambre 20 en conformité avec les conditions de givrage attendues. La forme géométrique de la chambre 20, de la conduite d'air 24 et des autres composants du dispositif et la mise en place des composants peuvent etre également modifiés. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour prévenir et éliminer l'accumulation de givre sur le bord avant d'un capot (14) d'entrée d'un moteur à turbine à gaz, le capot ayant une paroi intérieure (18) et une paroi extérieure (161, la paroi intérieure définissant une conduite d'entrée d'air afin de diriger l'air pour qu'il pénètre dans le moteur, caractérisé en ce qu'il comprend - une chambre annulaire (20).au droit du bord avant du capot, les parois intérieure avant et extérieure avant du capot formant les parois de la chambre - une multitude de tuyères d'ejection d'air (26) espacées les unes des autres autour de la chambre, chaque tuyere étant placée de manière à diriger un courant d'air ayant une vitesse supersonique vers la paroi interieure avant (18) du capot, et, un moyen pour fournir de l'air à haute pression et à température élevée à chacune des tuyères d'éjection d'air. 2. Dispotitif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tuyères d'éjection d'air (26) sont espacées les unes des autres de la meme distance autour de conduite d'air (24). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tuyeres d'éjection d'air (26) sont placées de façon à créer une masse d'air chaud tourbillonnant à l'intérieur de la chambre annulaire (20), provoquant le chauffage tant de la paroi intérieure (18) que de la paroi extérieure (16). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'air à haute pression et à température élevée est un orifice ménage dans le compresseur du moteur; 5. Dispositif selon la revendieation 1, caractérisé en ce que la source d'air à haute pression et à température élevée est un orifice ménagédans le système d'échappement du moteur. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (30) pour provoquer l'échappement de l'air vers l'extérieur de la chambre (20). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens provoquant l'échappement de l'air comporte une multitude d'évents (30) situés autour de la paroi intérieure (18) du capot pour évacuer l'air à partir de la zone arrière de la chambre et l'introduire dans la conduite d'entrée (24). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la surface totale des évents est limitée de manière à maintenir une pression d'air prédéterminée à l'intérieur de la chambre (20). 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la multitude d'évents (30) dirigent l'air d'échappement le long de la paroi intérieure (18) définissant la conduite d'entrée (24). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les évents (30) sont espacées les uns des autres de la même distance autour de la paroi intérieure (18). 11. Dispositif pour prévenir et éliminer l'accumulà- tion de glace sur le bord avant d'un capot d'entrée (14) d'un moteur à turbine à gaz, le capot présentant une paroi intérieure (18) et une paroi extérieure (16), la paroi intérieure définissant une conduite d'entrée d'air (24) pour diriger l'air dans. le moteur, caractérisé en ce qu'il comprend:: une chambre annulaire (20) au bord avant du capot, les parois intérieure avant et extérieure avant du capot constituant les parois de la chambre, une multitude de tuyères d'éjection d'air (26) espacées les unes des autres autour de la chambre, chaque tuyère étant placée de manière à diriger un courant d'air vers la paroi intérieure avant du capot, les tuyères étant en outre placées de manière à créer une masse d'air chaud tourbillonnant dans la chambre annulaire, et un moyen pour fournir de l'air à haute pression et à température élevée à chacune des tuyères. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les tuyères sont espacées lesunes des autrse de la mêXe distance autour de la conduite d'air. 13. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les tuyères confèrent une vitesse supersonique au courant d'air. 14. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que la source d'air à haute pression et à température élevée est un orifice pratiqué dans le compresseur du moteur. 15. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que la source de l'air à haute pression et température élevée est un orifice pratiqué dans le système d'échappement du moteur. 16. Dispositif selon revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour provoquer l'échappement de l'air vers l'extérieur de la chambre. 17. Dispositi-f selon la revendication 16, caractérisé en ce que les moyens provoquant l'échappement de l'air comporte une multitude d'évents (30) placés autour de la paroi intérieure (18) du capot pour faire échapper l'air de la zone arrière de la chambre et le faire pénétrer dans la conduite d'entrée (24). 18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que la surface totale des évents est limitée de manière à maintenir une pression d'air prédéterminée à l'intérieur de la chambre (20). 19. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que les éventes dirigent l'air s'échappant le long de la paroi intérieure (18) définissant la conduite d'entrée. 20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que les évents sont espacés de la meme distance autour de la paroi intérieure (18). 21. Dispositif pour prévenir- et éliminer l'accumulation de glace sur le bord avant d'un capot d'entrée (14) d'un moteur à turbine à gaz, le capot présentant une paroi intérieure (18) et une paroi extérieure (16), la paroi intérieure définissant une conduite d'entrée (24) pour diriger l'air dans le moteur, caractérisé en ce qu'il comprend: une chambre annulaire (20) au bord avant du capot, les parois intérieure avant et extérieure avant du capot constituant les parois de la chambrer une conduite annulaire d'air (24) à l'intérieur de la chambre, un moyen pour fournir de l'air à haute pression et température élevée à la conduite d'air et, une multitude de tuyères d'éjection d'air (26) espacées les unes des autres autour de la conduite (24), chaque tuyère dirigeant un courant d'air ayant une vitesse supersonique vers la paroi intérieure avant du capot. 22. Dispositif selon'la revendication 21, caractérisé en ce que le capot comprend un anneau structurel extérieur (22) et la conduite d'air est en une pièce avec cet anneau. 23. Dispositif pour prévenir et éliminer l'accumulation de glace sur le bord avant d'un capot d'entrée (14) d'un moteur à turbine à gaz, le capot présentant une paroi intérieure (18) et une paroi extérieure (16), la paroi intérieure définissant une conduite d'entrée d'air afin de diriger l'air dans le moteur, caractérisé en ce qu'il comprend: : une chambre annulaire (20) au bord avant du capot, les parois intérieure avant et extérieure avant du capot constituant les parois de la chambre, une conduite annulaire d'air (24) à l'intérieur de la chambre, un moyen pour fournir à la conduite d'air, de l'air à haute pression et température élevée à partir d'un orifice ménagé dans le compresseur du moteur, une multitude de tuyères d'éjection d'air (26) espacées les unes des autres de la même distance autour de la conduite, chaque tuyère dirigeant un courant d'air ayant une vitesse supersonique vers la paroi intérieure avant du capot et dans un sens provoquant la création d'une masse d'air chaud tourbillonnant à l'intérieur de la chambre annulaire, d'où le chauffage tant de la paroi intérieure que de la paroi extérieure du capot; et une multitude d'évents (30) situés autour de la paroi intérieure (18) du capot pour provoquer l'échappement de l'air de la zone arrière de la chambre pour qu'il penètre dans la conduite d'entrée, les évents dirigeant l'air d'échappement le long de la paroi intérieure définissant la conduite d'entrée. 24. Dispositif pour moteur à turbine à gaz d'avion qui est enfermé dans un logement, caractérisé en ce qu'il comprend: un capot généralement tubulaire (14) pour former une extrémité antérieure du logement du moteur et ayant un bord avant annulaire, le capot présentant une paroi intérieure (18) et une paroi extérieure (16), -la paroi intérieure définissant une conduite d'entrée pour diriger l'air dans le moteur, une cloison (22) reliant la paroi intérieure et la paroi extérieure et formant une chambre (20) au bord avant du capot; ; une conduite annulaire d'air (24) à l'intérieur de la chambre, un moyen pour fournir dé l'air à- haute pression et température élevée à la conduite d'air, et une multitude de tuyères d'éjection d'air (26) espacées les unes des autres de la même distance autour de la conduite, chaque tuyère. dirigeant un courant d'air ayant une vitesse supersonique vers la paroi intérieure avant du capot et dans un sens provoquant la création d'une masse d'air chaud tourbillonnant dans la chambre annulaire, d'où le chauffage tant de la paroi intérieure que de la paroi extérieure du capot.