Brevet FR2962489A1 — publié le 20120113

L'invention concerne un système de dégivrage d'une entrée d'air de turbomachine. Dans certaines phases de vol (montée, descente, approche), l'entrée d'air d'un turboréacteur d'aéronef est susceptible d'être soumis à des conditions atmosphériques dites « givrantes », en particulier pour une température ambiante inférieure ou égale à zéro degré Celsius et lorsque l'aéronef traverse un nuage d'eau en surfusion. Au niveau de l'entrée d'air, ces conditions peuvent engendrer une accumulation de givre sur le cône avant, les bras radiaux et éventuellement les volets mobiles (qui forment la roue directrice d'entrée), ce qui dégrade les performances aérodynamiques du turboréacteur. En outre, dans ces conditions, des blocs de givre sont susceptibles de se détacher et de venir endommager le rotor du turboréacteur situé en aval. Afin de dégivrer l'entrée d'air d'une turbomachine, il est déjà connu de prélever de l'air comprimé, donc chauffé, dans le compresseur situé en aval, par l'intermédiaire d'une canalisation, puis d'injecter cet air dans la zone de l'entrée d'air à dégivrer. Pour cela, comme indiqué par exemple dans le document de brevet US 3,925,979, il est recouru à des cavités pratiquées dans l'entrée d'air, au niveau de la zone à dégivrer, de sorte que l'air puisse circuler à l'intérieur de cette cavité pour chauffer ladite zone à dégivrer, puis sortir au niveau de perçages préalablement aménagés. Ce type de système de dégivrage présente un inconvénient majeur, dans la mesure où il implique de prélever de l'air sur un compresseur, ce qui a nécessairement pour effet - et bien qu'ils ne fonctionnent que par intermittence lorsque l'aéronef rencontre des conditions climatiques givrantes - de diminuer les performances du turboréacteur. En outre, ce type de système nécessite de dissiper une puissance importante et d'élever la température des structures à dégivrer. Or, si cette température peut être tolérée pour des éléments métalliques, ce n'est pas nécessairement le cas pour des structures à base de matériaux composites. Toujours afin de dégivrer l'entrée d'air d'une turbomachine, il est connu du document de brevet FR 2 723 761 de la société SNECMA de chauffer les bras radiaux de l'entrée d'air en générant des micro-ondes. Pour cela, un générateur de micro-ondes est fixé sur l'entrée d'air et des guides d'ondes annulaires sont disposés à proximité des zones à dégivrer afin d'y faire se propager les micro-ondes générées. Il n'est ainsi plus nécessaire de prélever de l'air sur un étage du turboréacteur, et il est permis d'utiliser des matériaux composites de type « froid », plus faciles à mettre en oeuvre et moins chers. Un autre solution, faisant l'objet du document de brevet FR 2 912 467 de la société SNECMA, consiste à faire circuler de l'huile à proximité du cône avant, au moyen d'un tube d'alimentation solidaire dudit cône avant, d'une peau doublant la paroi dudit cône avant en laissant un passage pour la circulation d'huile, et d'une pluralité de tubes radiaux de retour d'huile. On évite ainsi de prélever de l'air en sortie de compresseur et, de plus, la circulation d'huile fonctionne en permanence, que les conditions extérieures soient givrantes ou non, ce qui rend inutile le recours à des vannes de régulation. Dans chacune de ces solutions, les systèmes utilisés, afin de permettre un 25 antigivrage qui ne laisse aucun givre résiduels, sont particulièrement complexes. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne un système de dégivrage d'une entrée d'air de turbomachine qui ne nécessite qu'un faible débit, qui soit indépendant de la température extérieure de l'air et qui puisse agir de façon quasi-instantanée sur le givre. A cette fin, selon l'invention, le système de dégivrage du type défini ci-dessus est remarquable par le fait qu'il comporte des moyens d'expansion pneumatique disposés contre au moins une partie de l'entrée d'air de manière à éliminer par choc mécanique le givre sur ladite entrée d'air. Grâce à l'invention, il n'est pas nécessaire de disposer d'un débit important, ni d'une température élevée, mais simplement d'une pression d'air suffisante pour gonfler ponctuellement les moyens d'expansion pneumatique, ce qui assure donc des performances satisfaisantes du turboréacteur. En outre, ces moyens d'expansion pneumatique agissent sur le givre de façon quasi-instantanée, puisque le choc mécanique produit par le subit gonflement desdites moyens permet de provoquer des fissures dans chaque plaque de givre et ainsi de les rompre instantanément. Le système de dégivrage selon l'invention est donc particulièrement efficace lorsqu'il s'agit d'éliminer du givre de façon ponctuelle et en temps réel. De surcroît, on note que le système de dégivrage selon l'invention permet de maintenir les pièces à de faibles températures et n'est pas polluant. On note que l'un des principaux avantages de l'invention est qu'elle fonctionne indépendamment de la température de l'air prélevé et avec un très fable débit par rapport aux systèmes de l'art antérieur qui fonctionnent avec de l'air chaud. Dans le cas où l'entrée d'air comprend un cône avant et une roue directrice d'entrée munie de bras radiaux fixés entre une structure externe annulaire et le cône avant, au moins une partie des moyens d'expansion pneumatique est avantageusement disposée : - contre ledit cône avant, et/ou - contre au moins un bras radial de la roue directrice d'entrée. Dans le cas où ces moyens sont disposés à la fois contre le cône avant et les bras radiaux de la roue directrice d'entrée, l'entrée se trouve particulièrement bien protégée contre un éventuel givrage. On note également que ces moyens d'expansion pneumatique peuvent être avantageusement disposés contre toute autre partie de l'entrée d'air, en particulier les volets mobiles. Selon une forme particulière de réalisation, les moyens d'expansion pneumatique sont formés de bandes gonflables, ce qui permet de couvrir des surfaces de l'entrée d'air en plaquant simplement lesdites bandes gonflables contre lesdites surfaces. Afin d'assurer un gonflage quasi-instantané de ces bandes gonflables, des trous sont avantageusement pratiqués dans la partie desdites bandes gonflables disposée en regard de l'entrée d'air, ces trous étant en liaison avec des cavités pratiquées à l'intérieur de ladite entrée d'air pour l'acheminement d'air sous pression dans lesdites bandes gonflables. Dans ce cas, selon une forme particulière de réalisation pour l'acheminement d'air, le système de dégivrage selon l'invention comporte une vanne d'activation dudit système de dégivrage, ce qui permet le gonflage des bandes gonflables par mise sous pression d'au moins une cavité de l'entrée d'air en liaison avec lesdites bandes gonflables. Afin que les bandes gonflables ne soient dans leur forme gonflée que lorsque 30 du givre est à éliminer et qu'elles reprennent ensuite leur forme initiale dégonflée, des trous sont pratiqués dans la partie desdites bandes gonflables situées à l'opposé de l'entrée d'air pour le dégonflage desdites bandes gonflables. Selon une forme particulière de réalisation, les moyens d'expansion pneumatique sont constitués d'un matériau élastomère. L'invention concerne également une turbomachine comprenant une entrée d'air équipée d'un système de dégivrage selon l'une des formes de réalisation 10 décrites ci-dessus. L'invention concerne également un procédé de dégivrage d'une entrée d'air de turbomachine, remarquable par le fait que l'on gonfle des moyens d'expansion pneumatique disposés contre au moins une partie de ladite entrée d'air de 15 manière à éliminer par choc mécanique le givre sur ladite entrée d'air. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront lors de la description qui suit faite en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, dans lequel : 20 - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une turbomachine comprenant une entrée d'air ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe de l'entrée d'air de la turbomachine de la figure 1, équipé d'un système de dégivrage selon l'invention ; 25 - les figures 3A, 3B et 3C sont des vues schématiques en coupe d'un bras radial de l'entrée d'air de la figure 2, à différents stades de fonctionnement du système de dégivrage selon l'invention. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments techniques 30 semblables. Le turboréacteur 1 de la figure 1 est du type à double-flux et double-corps, présentant une symétrie de révolution autour d'un axe X-X'. De manière connue, ce turboréacteur 1 comprend, au sein d'une nacelle servant d'enveloppe à ses différents organes, une entrée d'air 3 par lequel un flux d'air entrant F peut pénétrer pour traverser ensuite une soufflante d'entrée 4. Ce flux d'air F est alors séparé en deux flux respectivement primaire et secondaire, via un carter intermédiaire 5 dont l'extrémité forme un bec séparateur. Dans la suite de la description, les termes « amont » et « aval » se rapportent à des positions axiales le long de l'axe longitudinal X-X' dans le sens de l'écoulement du flux d'air dans le turboréacteur 1. Le flux secondaire traverse un étage de redresseur pour ensuite être éjecté en aval du turboréacteur. Le flux primaire traverse successivement un compresseur basse pression 6, compresseur haute pression 7, une chambre de combustion 8, une turbine haute pression 9 et une turbine basse pression 10, pour, enfin, être éjecté hors du turboréacteur à travers une tuyère (non référencée). La nacelle de ce turboréacteur est annulaire et disposée de manière au moins approximativement coaxiale autour de l'axe longitudinal X-X'. Elle permet de canaliser les flux gazeux générés par le turboréacteur en définissant des lignes d'écoulement aérodynamique internes et externes pour des flux gazeux. En référence à présent à la figure 2, l'entrée d'air 3, dont l'axe est dans la proximité de l'axe X-X' de révolution de la turbomachine 1, comporte une structure annulaire externe 11, formant une manche d'entrée d'air, ainsi qu'un cône avant 12. La structure annulaire externe 11 de la nacelle définit l'ouverture amont du turboréacteur 1, sa surface aérodynamique interne formant l'enveloppe externe amont de la veine d'air au sein dudit turboréacteur 1. Le cône avant 12 permet le guidage aérodynamique et la répartition du flux total F autour de l'axe X-X'. La roue directrice d'entrée est munie d'une série d'aubes fixes, qui forment des bras radiaux 13 fixés d'un côté à la structure annulaire externe 11 et de l'autre au cône avant 12. Derrière ces bras radiaux 13 sont disposés des volets mobiles 14. Lors de certaines phases de vol (montée, descente, approche), les conditions climatiques peuvent être telles que du givre se forme sur Ventrée d'air 3, et plus particulièrement sur le cône avant 12 et les bras radiaux 13 et les volets 14. On observe alors l'apparition d'une couche de givre 15 sur le bras radial 13 représenté sur la figure 2, ainsi qu'une couche de givre 16 sur le cône avant 12. Il va de soi que ces couches de givre sont susceptibles de s'accumuler sur toute la surface de l'entrée d'air 3, c'est-à-dire sur l'ensemble de la couverture annulaire du cône 12 ainsi que sur les surfaces de tous les bras radiaux 13 et les volets 14. Afin d'éliminer ces couches 15 et 16, le système de dégivrage 17 selon l'invention comporte des moyens d'expansion pneumatique sous la forme de bandes gonflables 18 et 19, réalisées par exemple en un matériau élastomère et plaquées respectivement contre une partie du cône avant 12 et contre une partie des bras radiaux 13 et des volets 14... On décrit à présent le fonctionnement du système de dégivrage 17 selon l'invention, en référence aux figures 3A, 3B et 3C. Sur ces figures, seule est représentée la partie du système de dégivrage 17 liée à l'un des bras radiaux 13. Sur la figure 3A, la bande gonflable 18 est dans sa position initiale dégonflée, tandis que la couche de givre 15 est au moins en partie superposée, sinon proche, de ladite bande gonflable 18. On voit sur cette figure que le système de dégivrage 17 comporte une vanne 20 d'activation dudit système 17, en liaison avec la bande gonflable 18. Cette vanne 20 est connectée à une cavité 22 (représentée en pointillés) pratiquée à l'intérieur de bras radial 13, qui permet la circulation d'air à proximité de la bande gonflable 18. Un ou plusieurs trous 23 sont ménagés dans le bras 13 sous la bande gonflable 18. A une position de distance suffisante des trous d'alimentation 23 sont aménagés un ou plusieurs trous qui permettent à la bande de reprendre sa forme initiale rapidement après fermeture de la vanne 20. Lors de l'activation du système de dégivrage 17 (figure 3B), la vanne 20 est ouverte, ce qui permet de mettre sous pression la cavité 22 ménagée dans le bras 13. Par l'intermédiaire des trous 23, de l'air sous pression est ainsi acheminé jusque dans la bande gonflable 18 au niveau de sa première extrémité, ce qui a pour effet de faire subitement augmenter son volume jusqu'à ce qu'elle atteigne sa forme gonflée. Le volume de la bande gonflée 18 heurte alors la couche de givre 15, ce qui résulte en un choc mécanique entre ladite bande 18 et ledit givre 15, ce choc étant d'autant plus important que le gonflage de ladite bande 18 est rapide. La couche de givre 15 est alors brisée en multiples morceaux. Quelques instants après le gonflage (figure 3C), les différents éclats de la couche de givre 15 se détachent du bras radial 13 et sont ainsi éliminés dudit bras, sans qu'ils n'impactent négativement la partie aval de la turbomachine 1, du fait de leur petites tailles. 30 Le bras 13 ayant donc été dégivré, la vanne 20 est refermée, peu de temps après son ouverture. L'air sous pression atteint la seconde extrémité de la bande 18, où se trouve le trou 24. Cet air s'échappe donc par ce trou, ce qui engendre le dégonflage de ladite bande 18. Le nombre de trous 23 et 24 ou leurs sections sera ajusté afin de contrôler la vitesse de gonflage et dégonflage. Après quelques instants encore, la bande 18 atteint sa forme initiale dégonflée, tandis que la vanne 20 est fermée. Le système de dégivrage 17 a donc retrouvé sa position initiale, le givre ayant été éliminé. Le système 17 est alors prêt à être de nouveau activé ponctuellement si du givre s'accumule à nouveau sur le bras 13. On comprend de ce qui précède que les moyens d'expansion pneumatique permettent de briser ponctuellement le givre qui s'accumule sur la surface de l'entrée d'air 3, ce givre pouvant alors être éliminé sans qu'il ne puisse dégrader le turboréacteur 1 en aval. Le système de dégivrage 17 selon l'invention a été décrit ci-dessus pour le dégivrage d'un bras radial 13. Concernant, le dégivrage du cône avant 12 au moyen de la bande gonflable 19, le système 17 présente un fonctionnement analogue, basé sur le gonflage de ladite bande 19 par des vannes en liaison avec une cavité pratiquée dans ledit cône avant 12, elle-même en liaison avec des trous dans la partie inférieure de ladite bande 19, et sur son dégonflage par des perçages de sa partie supérieure. On notera en particulier qu'il est possible que les cavités à l'intérieur des bras 13 et du cône avant 12 se rejoignent, ce qui permet de ne disposer que d'un seul couple de vannes pour faire fonctionner tout le système de dégivrage, l'air sous pression utilisé pouvant être acheminé de façon successive dans chacune de ces cavités pour gonfler successivement chacune des bandes gonflables.30 Selon d'autres variantes de mise en oeuvre de l'invention, des bandes gonflables analogues à celles décrites ci-dessus peuvent être disposées tout le long du cône avant 12 et sur chacun des bras radiaux 13. Il n'est néanmoins pas nécessaire d'en disposer sur l'ensemble de la surface de ces éléments, dans la mesure où il suffit que lesdites bandes puissent briser les couches de givre au moins en certains endroits afin qu'elles se rompent entièrement. L'invention a été décrite ci-dessus pour des moyens d'expansion pneumatique sous la forme de bandes gonflables, mais il va de soi que l'homme du métier saura adapter l'invention à d'autres types de moyens pneumatiques, en particulier sous d'autres formes dans la mesure où ces formes n'impactent que très peu l'aérodynamisme des bras radiaux 13 en condition de vol de croisière et permettent de briser suffisamment les différentes couches de givre en vue de les éliminer.15 REVENDICATIONS1. Système de dégivrage (17) d'une entrée d'air (3) de turbomachine (1), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'expansion pneumatique (18, 19) disposés contre au moins une partie (12, 13) dudit carter d'entrée d'air (3) de manière à éliminer par choc mécanique le givre (15, 16) sur ladite entrée d'air (3). 2. Système de dégivrage selon la revendication 1, dans lequel, l'entrée d'air (3) comprenant un cône avant (12) et une roue directrice d'entrée munie de bras radiaux (13) fixés entre une structure externe annulaire (11) et le cône avant (12), au moins une partie (19) des moyens d'expansion pneumatique (18, 19) est disposée contre ledit cône avant (12). 3. Système de dégivrage selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel, l'entrée d'air (3) comprenant un cône avant (12) et une roue directrice d'entrée munie de bras radiaux (13) fixés entre une structure externe annulaire (11) et le cône avant (12), au moins une partie (18) des moyens d'expansion pneumatique (18, 19) est disposée contre au moins un bras radial (13) de la roue directrice d'entrée. 4. Système de dégivrage selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les moyens d'expansion pneumatique (18, 19) sont formés de bandes gonflables (18, 19). 5. Système de dégivrage selon la revendication 4, dans lequel des trous (23) sont pratiqués dans la partie des bandes gonflables (18) disposée en regard de l'entrée d'air (3), en liaison avec des cavités (22) pratiquées à l'intérieur de ladite entrée d'air (3) pour l'acheminement d'air sous pression dans lesdites bandes gonflables (18). 6. Système de dégivrage selon la revendication 5, comportant une vanne (20) d'activation dudit système de dégivrage (17). 7. Système de dégivrage selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel des trous (24) sont pratiqués dans la partie des bandes gonflables (18) situées à l'opposé de l'entrée d'air (3) pour le dégonflage desdites bandes gonflables (18). 8. Système de dégivrage selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens d'expansion pneumatique (18, 19) sont constitués d'un matériau élastomère. 9. Turbomachine (1) comprenant une entrée d'air (3) équipée d'un système de dégivrage (17) selon l'une des revendications précédentes. 10. Procédé de dégivrage d'une entrée d'air (3) de turbomachine (1), caractérisé en ce que l'on gonfle des moyens d'expansion pneumatique (18, 19) disposés contre au moins une partie (12, 13) de ladite entrée d'air (3) de manière à éliminer par choc mécanique le givre (15, 16) sur ladite entrée d'air (3).