Brevet FR3054000A1 — publié le 20180119

Dispositif de refroidissement d'un carter de turbine pour une turbomachine La présente invention concerne un dispositif de refroidissement d'un carter de turbine pour une turbomachine, telle par exemple qu'un turboréacteur d'avion, en particulier un turboréacteur à double flux. Un turboréacteur à double flux comporte classiquement une soufflante en aval de laquelle s'étend : - une veine primaire dans laquelle s'écoule un flux primaire, ladite veine primaire traversant notamment, dans le sens d'écoulement du flux primaire, un compresseur basse-pression, un compresseur haute-pression, une chambre de combustion, une turbine haute-pression et une turbine, la veine primaire étant délimitée extérieurement au niveau de la turbine par un carter de turbine, - une veine secondaire dans laquelle s'écoule un flux secondaire distinct du flux primaire. Le flux d'air primaire issu de la chambre de turbine présente une température très élevée et échauffe les parties situées en aval, en particulier le carter de turbine. Afin d'éviter toute dégradation prématurée dudit carter de turbine, il est nécessaire de prévoir des moyens de refroidissement efficaces pouvant s'intégrer aisément dans l'environnement du turboréacteur. La demande de brevet FR 2 867 806, au nom de la Demanderesse, divulgue un dispositif de refroidissement d'un carter de turbine pour une turbomachine comportant des moyens de prélèvement et d'amenée d'air et des moyens de distribution de l'air prélevé comprenant des rampes s'étendant circonférentiellement autour de l'axe de la turbomachine. Les rampes sont reliées aux moyens de prélèvement et d'amenée d'air par des zones de liaison. Chaque rampe comporte des orifices répartis le long de la rampe, l'air prélevé étant destiné à s'échapper desdits orifices pour refroidir le carter. 3054000 2 Les orifices sont uniformément répartis le long de chaque rampe de façon à avoir un débit relativement uniforme sur toute la circonférence du carter. Il a été constaté que l'air circulant dans les rampes est chauffé 5 par son environnement au fur et à mesure qu'il progresse le long de la rampe, c'est-à-dire au fur et à mesure qu'il s'éloigne de la zone de liaison par laquelle il débouche dans la rampe. Les écarts de température de l'air traversant la zone de la rampe située à proximité de la zone de liaison et l'air traversant la zone de la rampe éloignée de la zone de liaison peuvent 10 être supérieurs à 200°C par exemple. Les zones du carter situées à distance des zones de liaison sont ainsi moins bien refroidies et sont soumises à des contraintes thermiques pouvant provoquer des risques de dégradation. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, 15 efficace et économique à ce problème. A cet effet, elle propose un dispositif de refroidissement d'un carter de turbine pour une turbomachine, telle par exemple qu'un turboréacteur d'avion, comportant des moyens de prélèvement et d'amenée d'air, des moyens de distribution de l'air prélevé comprenant au 20 moins une rampe s'étendant circonférentiellement autour de l'axe de la turbomachine, ladite rampe étant reliée aux moyens de prélèvement et d'amenée d'air par une zone de liaison, ladite rampe comportant des orifices répartis le long de la rampe, l'air prélevé étant destiné à s'échapper desdits orifices pour refroidir le carter, caractérisé en ce que la répartition 25 des orifices le long de la rampe est telle que la densité des orifices est plus importante dans une zone de la rampe éloignée de la zone de liaison que dans une zone de la rampe proche de la zone de liaison. De cette manière, le débit d'air de refroidissement dans la zone de la rampe éloignée de la zone de liaison est plus important que dans la 30 zone de la rampe proche de la zone de liaison, de façon à compenser 3054000 3 l'augmentation de la température de l'air au fur et à mesure que l'air progresse le long de la rampe. De préférence les orifices sont répartis de telle manière que l'on observe un échange convectif d'air constant sur toute la longueur de la 5 rampe, de façon à assurer un refroidissement homogène du carter de turbine. Selon l'invention, afin d'ajuster le débit d'air, on agit sur la densité des orifices en fonction de leur position le long de la rampe, plutôt que sur le diamètre desdits orifices. En effet, le fait d'augmenter le diamètre 10 des orifices, s'il permet d'augmenter le débit d'air, ne permet pas nécessairement d'augmenter de façon importante l'échange thermique convectif. La rampe peut s'étendre sur toute la circonférence, c'est-à-dire à 360° ou quasiment à 360°, ou sur une partie seulement de la périphérie, 15 par exemple selon un angle de l'ordre de 180° ou de l'ordre de 90°. Une rampe peut s'étendre circonférentiellement de chaque côté de la zone de liaison. Ainsi, une même zone de liaison peut alimenter deux rampes opposées s'étendant chacune sur 90° par exemple, de manière à couvrir et refroidir une zone du carter s'étendant à 180°. 20 Les moyens de prélèvement et d'amenée d'air permettent de prélever de l'air dans une ou plusieurs zones de la turbomachine où l'air est relativement froid, par comparaison avec la température du carter de turbine en fonctionnement, par exemple au niveau d'une veine d'écoulement du flux secondaire, dans le cadre d'un turboréacteur à double 25 flux, ou au niveau du compresseur, par exemple au niveau du compresseur basse-pression. Les moyens de prélèvement et d'amenée d'air peuvent être équipés d'une vanne permettant de réguler le débit d'air prélevé, par exemple en fonction du régime moteur et/ou des conditions de vol. 30 La rampe peut comporter au moins une rangée d'orifices écartés les uns des autres, le pas ou entraxe entre les orifices étant plus faible 3054000 4 dans la zone éloignée de la zone de liaison que dans la zone proche de la zone de liaison. On définit par pas ou entraxe la distance entre les centres de deux orifices consécutifs ou adjacents. 5 La rampe peut comporter une première zone proche de la zone de liaison et une seconde zone éloignée de la zone de liaison, les orifices étant écartés d'un premier pas dans la première zone et d'un second pas dans la seconde zone, le second pas étant inférieur au premier pas. De cette manière, la rampe comporte deux types d'entraxe, ce 10 qui reste relativement simple à réaliser en termes de gamme d'usinage par exemple. Dans ce cas, la première zone de la rampe peut s'étendre sur une longueur comprise entre 50 et 80% de la longueur de la rampe, de préférence comprise entre 60 et 75 % de la longueur de la rampe, encore 15 plus préférentiellement comprise entre 64 et 70% de la longueur de la rampe. En variante, le pas ou l'entraxe entre les orifices peut varier de façon continue le long de la rampe, de sorte que ledit pas ou entraxe est progressivement réduit au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la zone de 20 liaison. Dans un tel cas, le pas peut être constant sur une partie de la rampe proche de la zone de liaison, puis être progressivement réduit au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la zone de liaison. Une telle variante de réalisation, si elle est plus complexe à réaliser, permet de contrôler plus finement la répartition de l'air le long de la 25 rampe, en fonction des besoins. Les orifices de la rampe peuvent être situés sur un même plan radial. Les orifices sont alors agencés selon une ligne circonférentielle le long de la rampe. 3054000 5 Les orifices de la rampe peuvent être répartis sur au moins deux plans radiaux écartés axialement l'un de l'autre, les orifices des deux plans radiaux étant agencés en quinconce. Dans ce cas, les orifices sont agencés selon au moins deux 5 lignes circonférentielles le long de la rampe. Les orifices peuvent être cylindriques et avoir sensiblement le même diamètre. Le dispositif peut comporter au moins deux zones de liaison, situés par exemple de façon diamétralement opposées. 10 Deux rampes peuvent s'étendre de part et d'autre de chaque zone de liaison. Les rampes situées sur un même plan radial peuvent couvrir toute la circonférence du carter, c'est-à-dire s'étendre sensiblement sur 360°. Le dispositif peut comporter au moins deux rampes s'étendant 15 circonférentiellement dans deux plans radiaux décalés axialement l'un de l'autre, les deux rampes étant reliées à une même zone de liaison. La zone de liaison forme ainsi un collecteur apte à recevoir l'air issu des moyens de prélèvement et d'amenée d'air et à le distribuer dans chacune des rampes. 20 L'invention concerne également un turboréacteur à double flux, comportant une soufflante en aval de laquelle s'étend : - une veine primaire dans laquelle s'écoule un flux primaire, ladite veine primaire traversant notamment, dans le sens d'écoulement du flux primaire, un compresseur, une chambre de combustion et une turbine 25 comportant un carter de turbine, - une veine secondaire dans laquelle s'écoule un flux secondaire distinct du flux primaire, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de refroidissement du type précité, la rampe s'étendant circonférentiellement autour de l'axe 30 du turboréacteur et étant située radialement à l'extérieur du carter de turbine, les orifices étant tournés en direction dudit carter de turbine, les 3054000 6 moyens de prélèvement et d'amenée d'air étant aptes à prélever de l'air issu de la veine secondaire. Le flux d'air secondaire ne traverse pas le compresseur et la chambre de combustion, de sorte qu'il est à une température relativement 5 basse. Cet air peut donc être prélevé et utilisé pour refroidir efficacement le carter de la turbine. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux 10 dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une partie d'un réacteur à double flux selon une forme de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective du dispositif de refroidissement selon l'invention, 15 - la figure 3 est une vue schématique d'une partie d'une rampe, - la figure 4 est une vue de face d'une partie du dispositif de refroidissement, - la figure 5 est un diagramme illustrant l'évolution de la température de l'air le long d'une rampe, en fonction de la position 20 angulaire par rapport à la zone de liaison correspondante, dans le cas de l'art antérieur et dans le cas de l'invention, - la figure 6 est une vue schématique d'une partie d'une rampe, selon une variante de réalisation de l'invention. La figure 1 illustre une partie d'un turboréacteur à double flux 25 selon l'invention, en particulier la turbine basse pression 1. Celle-ci comporte un rotor comportant des roues 2 assemblées axialement les unes aux autres par des brides annulaires 3 et comportant chacune un disque 4 portant des aubes 5. Entre les roues mobiles 2 se trouvent des rangées annulaires 30 d'aubes fixes 6 qui sont montées par des moyens appropriés à leurs extrémités radialement externes sur un carter 7 de la turbine basse- 3054000 7 pression 1. Les aubes fixes 6 de chaque rangée sont réunies entre elles à leurs extrémités radialement internes par des secteurs annulaires placés circonférentiellement bout à bout. Comme indiqué précédemment, le flux d'air primaire F1 issu de la 5 chambre de combustion et s'écoulant dans la veine primaire 8 échauffe de façon important le carter 7. Afin d'assurer le refroidissement du carter 7, le turboréacteur comporte un dispositif de refroidissement 9, mieux visible à la figure 2. Celui-ci comporte des moyens de prélèvement et d'amenée d'air 10 comprenant : une écope 10 comprenant une ouverture 10a débouchant par exemple dans la veine secondaire du turboréacteur afin d'y prélever de l'air froid, un organe de raccordement 11 présentant une forme générale 15 de Y comprenant une partie amont 12 raccordé à l'écope 10, et une partie aval comprenant une première branche 13 dont la fonction ne sera pas détaillée ici, et une seconde branche 14, une vanne de régulation 15 montée en aval de la seconde branche 14 et apte à être commandée en fonction du régime 20 moteur et/ou des conditions de vol par exemple, de manière à ajuster le débit prélevé, un organe de distribution 16 formé d'une ou plusieurs pièces et comportant une partie amont 17 raccordée en sortie de la vanne de régulation 15, et deux branches aval 18 s'étendant 25 circonférentiellement autour de l'axe du turboréacteur, de part et d'autre de l'extrémité aval de la partie amont 17. Chaque branche 18 s'étend par exemple sur environ 90°. Le dispositif 9 comporte en outre des collecteurs ou zones de liaison 19, ici au nombre de deux, raccordées aux extrémités 30 correspondantes des branches 18, chaque collecteur 19 formant un canal s'étendant axialement. 3054000 8 Le dispositif 9 comporte de plus des rampes 20a, 20b (ou plus généralement notée 20) formées par des canalisations courbes de section circulaire, chaque rampe 20a, 20b s'étend selon un angle d'environ 90°, plus précisément de l'ordre de 90° ici. 5 Chaque rampe 20 comporte une extrémité proximale 21 débouchant dans le canal du collecteur correspondant 19 et une extrémité distale 22 fermée. Chaque rampe 20 comporte en outre des orifices 23 (figure 3) tournés vers le carter 7 de sorte que l'air prélevé au travers de l'écope 10, de l'organe 11, de la vanne 15 et de l'organe de distribution 16, 10 pénètre dans les collecteurs 19 puis dans les rampes 20 avant de déboucher par les orifices 23 en regard du carter 7, de manière à le refroidir. Les deux collecteurs 19 sont diamétralement opposés, chaque collecteur 19 étant associé à plusieurs paires de rampes 20, à savoir des 15 rampes 20a s'étendant circonférentiellement d'un côté et des rampes 20b s'étendant circonférentiellement du côté opposé. Ainsi, chaque collecteur 19 et les rampes opposées associées 20a, 20b couvrent une plage angulaire d'environ 180°. Dans la forme de réalisation représentée aux figures, chaque collecteur 19 est associé à plusieurs paires de rampes, par 20 exemple 9 paires de rampes 20a, 20b. Les rampes 20a, 20bd'une même paire sont situées sur un même plan radial, les rampes 20a, 20b de paires différentes étant décalées les unes des autres selon l'axe X de la turbomachine, comme cela est visible à la figure 2. Les deux collecteurs 19 et les paires de rampes 20 associées 25 présentent des structures sensiblement identiques et sont agencés de façon diamétralement opposée. De cette manière, les rampes 20 sont situées sur plusieurs plans radiaux décalés axialement l'un de l'autre, les rampes 20 d'un même plan radial formant un anneau de refroidissement entourant le carter 7 30 sensiblement toute la périphérie, c'est-à-dire sensiblement à 360°. 3054000 9 Les orifices 23 de chaque rampe sont répartis de telle façon que la densité des orifices 23 est plus importante dans une zone Z2 de la rampe 20 éloignée de la zone de liaison 19 que dans une zone de la rampe Z1 proche de la zone de liaison 19. 5 En particulier, chaque rampe 20 comporte une rangée d'orifices 23 écartés les uns des autres, le pas ou entraxe entre les orifices 23 étant plus faible dans la zone Z2 éloignée de la zone de liaison 19 que dans la zone Z1 proche de la zone de liaison 19. On définit par pas ou entraxe la distance entre les centres de deux orifices 23 consécutifs ou adjacents. 10 Les orifices 23 sont cylindriques et ont sensiblement le même diamètre. Le diamètre des orifices 23 est par exemple compris entre 0,5 et 1,5 mm, par exemple de l'ordre de 0,8 mm. Chaque rampe 20 comporte ainsi une première zone Z1 proche de la zone de liaison et une seconde zone Z2 éloignée de la zone de liaison, 15 les orifices 23 étant écartés d'un premier pas P1 dans la première zone Z1 et d'un second pas P2 dans la seconde zone Z2, le second pas P2 étant inférieur au premier pas P1. De cette manière, chaque rampe 20 comporte deux types d'entraxes P1, P2. Le rapport P1 /P2 est par exemple compris entre 1 et 3, par exemple de l'ordre de 2. 20 La première zone Z1 de la rampe 20 s'étend sur une longueur comprise entre 64 et 70% de la longueur de la rampe 20, ici 68% de la longueur de la rampe 20, la seconde zone Z2 de la rampe 20 s'étendant donc sur le reste de la longueur de la rampe 20. Comme cela est représenté à la figure 4, on définit par : 25 - al l'angle sur lequel s'étend la totalité de chaque rampe 20, - a2 l'angle sur lequel s'étend la première zone Z1, - a3 l'angle sur lequel s'étend la seconde zone Z2. al est compris entre 45 et 90°, de préférence de l'ordre de 90°. a2 est compris entre 0 et 90°, de préférence de l'ordre de 61°. a3 est compris 30 entre 0 et 90°, de préférence de l'ordre de 29°. 3054000 10 De cette manière, en fonctionnement, le débit d'air de refroidissement dans la seconde zone Z2 est plus important que dans la première zone Z1 de la rampe 20, de façon à compenser l'augmentation de la température de l'air au fur et à mesure que l'air progresse le long de la 5 rampe 20. Les orifices 23 sont répartis de telle manière que l'on observe un échange convectif d'air quasiment constant sur toute la longueur de la rampe 20, de façon à assurer un refroidissement homogène du carter 7. Selon une variante non représenté, le pas entre les orifices 23 peut varier de façon continue le long de la rampe 20, de sorte que ledit pas 10 ou entraxe est progressivement réduit au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la zone de liaison 19. Dans un tel cas, le pas peut être constant sur une zone de la rampe 20 proche de la zone de liaison 19, puis être progressivement réduit au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la zone de liaison 19. 15 Une telle variante de réalisation, si elle est plus complexe à réaliser, permet d'affiner plus finement la répartition de l'air le long de la rampe 20, en fonction des besoins. La figure 5 est un diagramme illustrant l'évolution de la température de l'air le long d'une rampe 20, en fonction de la position 20 angulaire a par rapport à la zone de liaison correspondante 19, dans le cas de l'art antérieur ayant des orifices 23 uniformément répartis (courbe C1) et dans le cas de la forme de réalisation représentée aux figures 1 à 4 ayant une répartition non uniforme des orifices 23 (courbe C2). On constate que, dans le cas de l'art antérieur (courbe C1), la 25 température de l'air augmente de façon exponentielle au fur et à mesure qu'elle parcourt la rampe 20, c'est-à-dire au fur et à mesure que l'angle a augmente, cette température étant très importante en bout de rampe 20, c'est-à-dire pour un angle a important. Par voie de conséquence, le carter 7 est mal refroidi dans les zones situées en regard des zones Z2 des rampes 30 20 qui sont éloignées des collecteurs 19, dans le cas de l'art antérieur. 3054000 11 Au contraire, dans le cas de l'invention (courbe C2), on constate que la température au niveau de la zone Z2 qui est éloignée du collecteur correspondant 19 (c'est-à-dire pour un angle a important) est plus faible que dans le cas de l'art antérieur, ce qui permet un meilleur refroidissement du 5 carter 7 dans cette zone Z2. La figure 6 illustre une autre forme de réalisation, qui diffère de celle exposée précédemment en ce que chaque rampe 20 comporte des orifices 23 répartis sur deux plans radiaux R1, R2 écartés axialement l'un de l'autre, les orifices 23 des deux plans radiaux R1, R2 étant agencés en 10 quinconce. Dans ce cas, les orifices 23 sont agencés selon deux lignes circonférentielles le long de la rampe 20. Les orifices 23 d'une même ligne ou d'un même plan radial R1, R2 sont ainsi écarté d'un pas noté y, les deux plans radiaux R1, R2 étant 15 écartés d'une distance axiale notée x. Les orifices 23 agencés en quinconce sont ainsi écartés deux à deux d'une distance notée d. Dans cette forme de réalisation, il est possible de faire varier la distance y de manière à ajuster le pas entre les orifices 23, en fonction des zones Z1, Z2 de la rampe 20 20 La première zone Z1 peut ainsi comporter un premier pas y1 et la seconde zone Z2 peut comporter un second pas y2, y2 étant inférieur à y1. En variante, chaque rampe 20 peut comporter une première zone Z1, proche de la zone de liaison ou du collecteur 19, comportant des orifices 23 qui sont tous agencés sur un même plan radial, et une seconde zone Z2, 25 éloignée de la zone de liaison ou du collecteur 19, comportant des orifices 23 qui sont agencés en quinconce. REVENDICATIONS1. Dispositif (9) de refroidissement d'un carter (7) de turbine (1) pour une turbomachine, telle par exemple qu'un turboréacteur d'avion, comportant des moyens de prélèvement et d'amenée d'air (10, 11, 15, 16), des moyens de distribution de l'air prélevé comprenant au moins une rampe (20) s'étendant circonférentiellement autour de l'axe (X) de la turbomachine, ladite rampe (20) étant reliée aux moyens de prélèvement et d'amenée d'air (10, 11, 15, 16) par une zone de liaison (19), ladite rampe (20) comportant des orifices (23) répartis le long de la rampe (20), l'air prélevé étant destiné à s'échapper desdits orifices (23) pour refroidir le carter (7), caractérisé en ce que la répartition des orifices (23) le long de la rampe (20) est telle que la densité des orifices (23) est plus importante dans une deuxième zone (Z2) de la rampe (20) éloignée de la zone de liaison (19) que dans une première zone (Z1) de la rampe (20) proche de la zone de liaison (19). 2. Dispositif (9) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rampe (20) comporte au moins une rangée d'orifices (23) écartés les uns des autres, le pas ou entraxe (Pl, P2) entre les orifices (23) étant plus faible dans la deuxième zone (Z2) éloignée de la zone de liaison (19) que dans la première zone (Z1) proche de la zone de liaison (19). 3. Dispositif (9) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la première zone (Z1) de la rampe (20) s'étend sur une longueur comprise entre 50 et 80% de la longueur de la rampe (20), de préférence comprise entre 60 et 75 % de la longueur de la rampe (20). 4. Dispositif (9) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les orifices (23) de la rampe (20) sont situés sur un même plan radial. 5. Dispositif (9) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les orifices (23) de la rampe (20) sont répartis sur au moins deux plans radiaux (R1, R2) écartés axialement l'un de l'autre, les orifices (23) des deux plans radiaux (R1, R2) étant agencés en quinconce. 3054000 13 6. Dispositif (9) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les orifices (23) sont cylindriques et ont sensiblement le même diamètre. 7. Dispositif (9) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé 5 en ce qu'il comporte au moins deux zones de liaison (19), situées par exemple de façon diamétralement opposées. 8. Dispositif (9) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux rampes (20) s'étendant circonférentiellement dans deux plans radiaux décalés axialement l'un de 10 l'autre, les deux rampes (20) étant reliées à une même zone de liaison (19). 9. Turboréacteur à double flux, comportant une soufflante en aval de laquelle s'étend : - une veine primaire (8) dans laquelle s'écoule un flux primaire (F1), ladite veine primaire (8) traversant notamment, dans le sens 15 d'écoulement du flux primaire (F1), un compresseur, une chambre de combustion et une turbine (1) comportant un carter de turbine (7), - une veine secondaire dans laquelle s'écoule un flux secondaire distinct du flux primaire, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de refroidissement 20 (9) selon l'une des revendications 1 à 8, la rampe (20) s'étendant circonférentiellement autour de l'axe (X) du turboréacteur et étant située radialement à l'extérieur du carter de turbine (7), les orifices (20) étant tournés en direction dudit carter de turbine (7), les moyens de prélèvement et d'amenée d'air (10, 11, 15, 16) étant aptes à prélever de l'air issu de la 25 veine secondaire.