Brevet FR3038656A1 — publié le 20170113

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un ensemble de turbomachine comprenant un aubage mobile de turbine, un carter entourant cet aubage, et un système de refroidissement du carter permettant le pilotage d'un jeu entre le carter et l'aubage mobile en fonction de la dilatation thermique du carter. L'invention s'applique notamment au pilotage de jeux entre un aubage de turbine basse-pression et un carter de turbine basse-pression de turbomachine. ETAT DE LA TECHNIQUE En référence à la figure 1, une turbomachine comprend classiquement une turbine basse-pression, comprenant un aubage mobile 2, un carter de turbine 3 s'étendant autour de l'aubage, et un système de refroidissement du carter de turbine. Le système de refroidissement protège le carter d'un échauffement excessif, mais il présente également un autre rôle, qui est celui du pilotage du jeu radial entre l'aubage mobile de la turbine et le carter qui l'entoure. En effet, les changements de température du carter provoquent une variation du jeu entre l'aubage mobile et le carter à cause de la dilatation thermique du carter. Or, la réduction du jeu entre le sommet de l'aubage mobile et le carter est un élément déterminant pour les performances de la turbomachine car plus les jeux radiaux sont faibles, moins le débit contournant l'aubage est important et meilleur est le rendement de la turbine. Il est souhaitable de diminuer le jeu radial entre l'aubage mobile et le carter autant que possible. Néanmoins, le jeu radial doit être piloté en fonction du régime de la turbomachine. En particulier, comme représenté sur la figure 1, une garniture de matériau abradable 4 recouvre la circonférence interne du carter. Lors d'une phase d'accélération de la turbomachine (phase de décollage ou de montée en altitude de l'aéronef dans lequel est montée la turbomachine), la force centrifuge exercée sur l'aubage mobile tend à fermer le jeu entre l'aubage et le carter de sorte que les aubes creusent un sillon dans la garniture de matériau abradable. Dans les phases ultérieures de croisière ou de décélération, la force centrifuge est réduite et un jeu apparaît dans le sillon entre les aubes et le matériau abradable. 3038656 2 Si le carter est trop refroidi pendant la phase d'accélération, l'usure dans l'abradable est plus importante, le jeu résultant dans les phases suivantes est donc trop important et les performances de la turbomachine pendant toute la suite du fonctionnement du moteur sont dégradées. 5 Par conséquent, les systèmes de refroidissement actuels pilotent le jeu entre l'aubage mobile et le carter en limitant le refroidissement du carter lors des phases d'accélération pour diminuer le jeu résultant dans les phases de croisière. Pour cela, un système de refroidissement connu est représenté sur la figure 1. Il comprend un ensemble de rampes 5 perforées disposées autour de la surface 10 externe du carter de turbine. Ces rampes sont alimentées en air froid sous pression, prélevé plus en amont dans la turbomachine, comme par exemple, dans le cas d'une turbomachine à double-flux, dans le flux secondaire. L'air froid est projeté au travers des perforations des rampes sur la surface externe du carter et vient donc refroidir le carter. 15 La modulation du refroidissement du carter est opérée en modulant le débit d'air circulant dans les rampes. Ce système présente un impact négatif sur la performance de la turbomachine, car le flux d'air froid prélevé pour assurer le refroidissement ne participe plus à la poussée de la turbomachine. 20 Il existe donc un besoin pour un moyen alternatif de refroidir le carter d'une turbine tout en pilotant le jeu radial entre le carter et l'aubage mobile et la turbine. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention a pour but de proposer un système de refroidissement d'un carter 25 de turbine permettant le pilotage du jeu entre le carter et l'aubage mobile de turbine sans dégrader les performances de la turbomachine. A cet égard, l'invention a pour objet un ensemble de turbomachine comprenant : 30 - un aubage de turbine mobile en rotation autour d'un axe, - un carter de turbine s'étendant autour de l'aubage, et - un système de refroidissement du carter de turbine, ledit système étant adapté pour réguler un jeu entre l'aubage et le carter en régulant la température du carter, 3038656 3 caractérisé en ce que le système de refroidissement comprend une pluralité de caloducs rapportés sur une surface externe du carter, et en ce que chaque caloduc est adapté pour générer un flux thermique de refroidissement au travers de sa paroi : 5 - croissant avec la température du carter jusqu'à une température seuil, et - décroissant avec la température du carter à partir de ladite température seuil. Avantageusement, mais facultativement, l'ensemble selon l'invention peut en 10 outre comprendre au moins l'une des caractéristiques suivantes : la température seuil est une température du carter lors d'une phase de décollage. - chaque caloduc est adapté pour générer un flux thermique de refroidissement au travers de sa paroi : o strictement croissant avec la température du carter jusqu'à une 15 seconde température seuil, et o sensiblement constant avec la température du carter entre les deux températures seuil, la seconde température seuil correspondant à une température minimale du carter lors d'une phase de croisière de la turbomachine. 20 - chaque caloduc est du type contrôlé en pression, comportant une quantité de gaz non-condensable. - le système de refroidissement comprend en outre une commande des caloducs, adaptée pour moduler le volume occupé par le gaz non-condensable en fonction de la température du carter. 25 - la commande des caloducs est adaptée pour augmenter la quantité de gaz non-condensable dans un caloduc ou augmenter le volume d'un soufflet contenant ladite quantité lorsque la température du carter excède la température seuil. - au moins une partie des caloducs est répartie régulièrement sur la 30 circonférence d'une portion annulaire de la surface externe du carter. - des caloducs sont alignés axialement sur la surface externe du carter. - le carter de turbine comprend une pluralité de crochets de fixation d'un aubage fixe, et chaque caloduc est disposé au droit d'un crochet de fixation. 3038656 4 L'invention concerne également une turbomachine, comprenant un ensemble selon la description qui précède. L'invention a également pour objet un Procédé de pilotage d'un jeu entre un 5 aubage mobile et un carter d'aubage d'un ensemble de turbomachine selon la description qui précède, le procédé comprenant la diminution du flux thermique de refroidissement d'au moins un caloduc du système de refroidissement lorsque la température du carter excède un seuil prédéterminé. 10 L'ensemble proposé comprend un système de refroidissement du carter par un ensemble de caloducs dont le flux thermique avec l'extérieur est décroissant à partir d'une température seuil. Cette température correspond de préférence à une température à laquelle se trouve le carter lors d'une phase d'accélération de la turbomachine. 15 De ce fait, il est possible de diminuer le refroidissement du carter pour ce type de phase, et donc de limiter la contraction du carter résultant de son refroidissement. Lors des autres phases de fonctionnement telles que les phases de croisière ou de décélération, le jeu restant est limité et ainsi les performances de la turbomachine sont préservées. 20 D'autre part, les caloducs ne prélèvent pas d'air dans la turbomachine et ne gênent pas d'écoulement d'air dans la turbomachine car ils se trouvent autour de la surface externe du carter de la turbine. Les caloducs n'ont donc pas d'impact négatif sur les performances de la turbomachine. 25 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, déjà décrite, représente une vue en coupe axiale partielle d'une 30 turbomachine de l'art antérieur. - La figure 2 représente une vue en coupe axiale partielle d'une turbomachine comprenant un ensemble selon un mode de réalisation de l'invention. - Les figures 3a et 3b illustrent des variantes de disposition possibles de caloducs d'un système de refroidissement, 3038656 5 - La figure 4a est un schéma de principe d'un caloduc, - La figure 4b représente le caloduc de la figure 4a avec un volume inférieur occupé par le fluide de travail, - Les figures 5a et 5b illustrent des variantes de positionnement de caloducs 5 autour d'un carter de turbine. - La figure 6 illustre le profil de flux thermique de refroidissement des caloducs en fonction de la température du carter de turbine. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE 10 L'INVENTION En référence à la figure 2, on a représenté un ensemble 1 de turbomachine, comprenant un aubage 10 d'une turbine, de préférence d'une turbine basse-pression, mobile en rotation autour d'un axe X-X (représenté sur les figures 5a et 15 5b), et un carter 20 de turbine s'étendant autour de cet aubage et centré sur l'axe de rotation de l'aubage 10. Le carter 20 comprend une surface externe 21, et une surface interne 22 à laquelle est fixée une garniture 23 en matériau abradable. L'aubage mobile 10 comprend quant à lui une pluralité d'aubes 11, dont la 20 tête présente au moins une protubérance radiale 12 venant creuser dans le matériau abradable lorsqu'un jeu J entre la tête de l'aube 11 et la garniture 23 est fermé, par exemple lors d'une phase d'accélération de la turbomachine. Le carter 20 comprend en outre une pluralité de crochets 24 en saillie par rapport à sa surface interne 22, les crochets 24 permettant la fixation d'aubes d'un 25 aubage fixe 40 de la turbine basse-pression. Avantageusement, les crochets 24 s'étendent continument sur la circonférence de la surface interne 22 de manière à former un rail annulaire, et ce en plusieurs positions axiales du carter 20. Enfin, l'ensemble 1 de turbomachine comprend un système de 30 refroidissement 30 du carter 20, comportant une pluralité de caloducs 31 positionnés sur la surface externe 21 du carter. Comme les caloducs se trouvent sur la surface externe 21 du carter, ils n'ont pas d'impact aérodynamique sur le fonctionnement de la turbomachine car l'air contribuant à sa propulsion se trouve du côté de la surface interne du carter. 3038656 6 En référence respectivement aux figures 3a et 3b, les caloducs 31 peuvent présenter une portion s'étendant axialement à partir de la surface externe 21 du carter, ou s'étendre sensiblement tangentiellement autour de ladite surface. 5 En référence à la figure 4a, on a représenté le schéma de principe d'un caloduc 31. Un caloduc 31 comprend une paroi 310 étanche et conductrice thermiquement. Le caloduc 31 est positionné entre deux milieux à des températures différentes. En l'occurrence, comme représenté sur la figure 2, une extrémité du 10 caloduc, « extrémité chaude 31C » est rapportée sur la surface externe 21 du carter, et à la température de cette surface, et l'extrémité opposée, « extrémité froide 31F » s'étend dans une veine de la turbomachine dans laquelle circule de l'air froid. La paroi 310 délimite un volume interne 311 dans lequel un fluide 15 diphasique, également appelé fluide de travail, circule. A titre d'exemple non limitatif le fluide de travail peut être de l'eau, du glycol, etc. Enfin, la paroi 310 du caloduc est revêtue sur sa surface interne d'une couche 312 de matériau poreux permettant la circulation de liquide par capillarité. Le cycle opéré par le fluide de travail à l'intérieur du volume interne 311 du 20 caloduc est le suivant : - La phase liquide du fluide est ramenée par capillarité à proximité de la surface externe du carter et à son contact se vaporise. - La phase gazeuse du fluide circule alors dans le volume non occupé par la couche de matériau poreux vers l'extrémité plus froide du caloduc, 25 - Le refroidissement progressif de la phase gazeuse du fluide à mesure qu'il parvient à l'extrémité froide du caloduc entraîne sa condensation, et la phase gazeuse pénètre à nouveau dans le matériau poreux. Le caloduc 31 refroidit donc le carter en évacuant sa chaleur dans la veine entourant la surface extérieure du carter. 30 En outre, afin de pouvoir piloter le jeu entre le carter 20 de la turbine et l'aubage mobile 10, et notamment de limiter la réduction du jeu lors d'une phase d'accélération de la turbomachine, chaque caloduc 31 du système de refroidissement est adapté pour générer un flux thermique de refroidissement au 3038656 7 travers de sa paroi croissant avec la température du carter jusqu'à une température seuil T1, puis décroissant lorsque la température du carter augmente encore à partir de cette température. La température du carter qui est considérée est de préférence la 5 température carter 20 au droit des crochets 24 de fixation des aubes fixes 30. Avantageusement, la température seuil T1 correspond à une température du carter atteinte uniquement lors d'une phase d'accélération de la turbomachine. Cette température seuil peut par exemple être supérieure à 400°C, de préférence supérieure à 450°C, et plus avantageusement au moins égale à 500°C. 10 De préférence, en référence à la figure 6 le flux thermique de refroidissement au travers de la paroi de chaque caloduc 31 est strictement croissant jusqu'à une seconde température seuil T2 du carter, puis constant entre les températures seuils T2 et T1, puis décroissant au-delà de Ti. La température seuil T2 correspond à une température minimale du carter 15 atteinte lors d'une phase de croisière de la turbomachine. Cette température est strictement inférieure à T1. Elle peut par exemple mais non limitativement être comprise entre 300 et 450°C, par exemple égale à 400°C. Les températures inférieures à la température seuil T2 correspondent à des phases de ralenti ou de décélération de la turbomachine. 20 Ainsi le refroidissement du carter suit l'évolution suivante : - Il est faible pour une température faible du carter (inférieure à T2) correspondant à une phase de ralenti ou de décélération de la turbomachine, - Il est plus important pour une température plus importante du carter (entre 25 T2 et T1) correspondant à une phase de croisière de la turbomachine, - Il diminue ensuite lorsque la température augmente encore (au-delà de T1) lors d'une phase d'accélération de la turbomachine, correspondant à une phase de décollage ou de montée en altitude de l'aéronef dans lequel est installé la turbomachine. 30 De cette façon le jeu entre l'aubage 10 et le carter 20 est piloté comme désiré. En particulier le refroidissement limité du carter pendant une phase d'accélération limite la fermeture du jeu, et donc le jeu résultant lors de la phase de croisière qui suit. 3038656 8 La variation du flux thermique en fonction de la température du carter peut être obtenue par une variation des conditions d'équilibre liquide-vapeur du fluide de travail contenu dans le caloduc, c'est-à-dire les conditions de pression et de température du fluide de travail, notamment la pression de vapeur saturante du 5 fluide et la température de changement d'état. Ainsi, pour obtenir la variation de flux thermique souhaitée, les caloducs 31 du système de refroidissement sont de préférence des caloducs contrôlés en pression. 10 Sur la figure 4a, un tel caloduc 31 comporte en outre une quantité de gaz non-condensable occupant une partie 313 du volume interne 311 délimité par la paroi. Le gaz non-condensable est ramené vers l'extrémité froide du caloduc 31 par le mouvement du fluide de travail, cependant ce gaz ne se condense pas. 15 La température de fonctionnement du caloduc, et donc le flux thermique qu'il génère au travers de la paroi 310, est modulée en fonction de la quantité de gaz non-condensable et/ou du volume de gaz occupé par le gaz non-condensable. En effet, en référence à la figure 4b, si le volume 313 occupé par le gaz non-condensable augmente, le volume occupé par le fluide de travail diminue et la 20 pression de vapeur saturante du fluide ainsi que la température de changement d'état augmentent. L'efficacité de refroidissement du caloduc est diminuée. Pour un caloduc 31 contrôlé en pression, le volume 313 occupé par le gaz-non condensable est piloté pour moduler l'efficacité de refroidissement du caloduc. A cet égard, le système de refroidissement 30 comprend en outre une 25 commande 32, une électronique de contrôle 321, par exemple une unité comprenant un processeur et une mémoire (non représentés) et un actionneur 322 commandé par l'électronique de contrôle et adapté pour moduler le volume 313 occupé par le gaz non-condensable dans chaque caloduc en fonction de la température du carter 20. 30 Cette température du carter 20 peut provenir d'un modèle thermique de la turbomachine établissant la température du carter en fonction d'une phase de fonctionnement de la turbomachine. Alternativement, on peut prévoir un thermomètre 320 mesurant la température du carter et connecté à l'électronique de contrôle. 3038656 9 Cette modulation de volume peut être réalisée en modulant la quantité de gaz non-condensable dans le caloduc 31. Dans ce cas, l'actionneur 321 peut comprendre un circuit muni d'une pompe et d'un réservoir (non représentés) pour injecter ou prélever du gaz non-condensable du caloduc 31. 5 Alternativement, le caloduc peut comprendre un soufflet 314 contenant le gaz non-condensable, et l'actionneur 321 peut directement moduler le volume occupé par le gaz non-condensable en déployant plus ou moins le soufflet 314 pour modifier le volume 313 occupé par le gaz non-condensable. Dans tous les cas, lorsque la température du carter 20 excède la 10 température seuil, l'électronique de contrôle 321 commande l'actionneur pour augmenter le volume 313 occupé par le gaz non-condensable et ainsi augmenter la température de fonctionnement du caloduc et réduire sa capacité de refroidissement. 15 De retour à la figure 2, les caloducs 31 du système de refroidissement 31 sont de préférence disposés au droit des crochets 24 de fixation des aubes fixes car c'est la position radiale des crochets 24 qui détermine la largeur du jeu radial entre la tête d'une aube mobile et le carter de turbine. Or comme on l'a indiqué les crochets 24 se trouvent disposés continument 20 sur la circonférence de la surface interne du carter, sur plusieurs étages séparés axialement. Alors, en référence à la figure 5b, au moins une partie des caloducs 31 du système de refroidissement peut être répartie régulièrement autour d'une section annulaire du carter 20, au droit des crochets 24 formant un rail annulaire, et/ou une 25 partie des caloducs peut être alignée axialement sur la surface externe du carter, chaque caloduc étant au droit d'un crochet respectif, comme sur la figure 5a. L'ensemble 1 proposé permet donc de refroidir le carter 20 de la turbine basse-pression tout en régulant les jeux entre le carter et l'aubage mobile, sans 30 dégrader les performances aérodynamiques de la turbomachine. REVENDICATIONS1. Ensemble (1) de turbomachine comprenant : - un aubage (10) de turbine mobile en rotation autour d'un axe (X-X), - un carter (20) de turbine s'étendant autour de l'aubage, et - un système de refroidissement (30) du carter de turbine, ledit système étant adapté pour réguler un jeu (J) entre l'aubage (10) et le carter (20) en régulant la température du carter, caractérisé en ce que le système de refroidissement (30) comprend une pluralité de caloducs (31) rapportés sur une surface externe (21) du carter (20), et en ce que chaque caloduc (31) est adapté pour générer un flux thermique de refroidissement au travers de sa paroi : - croissant avec la température du carter jusqu'à une température seuil, et - décroissant avec la température du carter à partir de ladite température seuil. 2. Ensemble (1) de turbomachine selon la revendication 1, dans lequel la température seuil est une température du carter (20) lors d'une phase de décollage. 3. Ensemble (1) de turbomachine selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel chaque caloduc (31) est adapté pour générer un flux thermique de refroidissement au travers de sa paroi : - strictement croissant avec la température du carter jusqu'à une seconde température seuil (T2), et - sensiblement constant avec la température du carter entre les deux températures seuil (T1, T2), la seconde température seuil (T2) correspondant à une température minimale du carter lors d'une phase de croisière de la turbomachine. 4. Ensemble (1) de turbomachine selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque caloduc (31) est du type contrôlé en pression, comportant une quantité de gaz non-condensable. 3038656 11 5. Ensemble (1) de turbomachine selon la revendication 4, dans lequel le système de refroidissement (30) comprenant en outre une commande (32) des caloducs, adaptée pour moduler le volume (313) occupé par le gaz non-condensable en 5 fonction de la température du carter (20). 6. Ensemble (1) de turbomachine selon la revendication 5, dans lequel la commande (32) des caloducs (31) est adaptée pour augmenter la quantité de gaz non-condensable dans un caloduc ou augmenter le volume d'un soufflet (314) 10 contenant ladite quantité lorsque la température du carter excède la température seuil. 7. Ensemble (1) de turbomachine selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins une partie des caloducs (31) est répartie régulièrement sur la 15 circonférence d'une portion annulaire de la surface externe (21) du carter (20). 8. Ensemble (1) de turbomachine selon l'une des revendications précédentes, dans lequel des caloducs sont alignés axialement sur la surface externe (21) du carter. 20 9. Ensemble de turbomachine selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le carter (20) de turbine comprend une pluralité de crochets de fixation (24) d'un aubage fixe (40), et chaque caloduc (31) est disposé au droit d'un crochet de fixation (24). 25 10. Turbomachine, comprenant un ensemble selon l'une des revendications précédentes. 11. Procédé de pilotage d'un jeu entre un aubage mobile (10) et un carter d'aubage (20) d'un ensemble de turbomachine selon la revendication 1, le procédé 30 comprenant : la diminution du flux thermique de refroidissement d'au moins un caloduc (31) du système de refroidissement lorsque la température du carter (20) excède un seuil prédéterminé.