Brevet FR3054858A1 — publié le 20180209

TURBOMACHINE COMPORTANT UN DISPOSITIF D'ENTRAINEMENT D'UN EQUIPEMENT DISPOSE DANS LE CONE D'ECHAPPEMENT DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION Le domaine technique de l'invention est celui des turbomachines, et plus particulièrement celui des turbomachines comportant un cône d'échappement dans lequel est installé un équipement entraîné en rotation par un dispositif d'entraînement. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Actuellement, la tendance est à l'augmentation de la consommation électrique des aéronefs. Afin de fournir de la puissance électrique supplémentaire à un aéronef, il est connu d'installer un générateur électrique auxiliaire dans le cône d'échappement des turboréacteurs de l'aéronef. Cette solution permet de minimiser l'impact sur les turboréacteurs, notamment au niveau performances, masse et consommation en carburant, en utilisant le volume existant du cône d'échappement. Il est également connu d'entraîner ce générateur électrique en rotation au moyen d'une turbine fonctionnant avec de l'air prélevé dans le turboréacteur. L'air traverse la turbine, qui est alors mise en rotation et entraîne le générateur électrique, puis l'air s'échappe par l'extrémité du cône d'échappement. En fonctionnement, les gaz d'échappement issus de la combustion qui se produit dans le turboréacteur s'écoulent le long du cône d'échappement. Ce dernier constitue donc un environnement présentant des températures élevées qui peuvent atteindre 750 °C. Par conséquent, le générateur électrique disposé dans le cône d'échappement est soumis à de fortes contraintes thermiques, et peut être endommagé par une trop forte élévation de température. De plus, ces contraintes thermiques limitent le choix du générateur électrique pouvant être installé dans le cône d'échappement, par exemple au niveau du choix des matériaux ou des composants utilisés. RESUME DE L'INVENTION L'invention propose une solution visant à la fois à entraîner en rotation un équipement installé dans un cône d'échappement d'une turbomachine, et à réduire la température à laquelle est soumis cet équipement, le but étant de prévenir d'éventuels 3054858 2 dommages et d'élargir le choix dans le type d'équipement à installer dans le cône d'échappement. L'invention concerne essentiellement une turbomachine comportant : - une veine secondaire d'écoulement d'air ; 5 - un cône d'échappement s'étendant entre une extrémité amont et une extrémité aval, l'extrémité aval du cône d'échappement présentant un orifice d'échappement ; - un équipement destiné à être entrainé en rotation disposé dans le cône d'échappement ; 10 - un dispositif d'entraînement en rotation de l'équipement, le dispositif d'entraînement étant disposé dans le cône d'échappement et comportant : o une turbine à air configurée pour entraîner en rotation l'équipement ; o un dispositif d'approvisionnement en air de la turbine présentant un orifice d'admission d'air dans la veine secondaire ; 15 la turbine à air étant agencée dans le cône d'échappement de manière à ce que l'air sortant de la turbine circule autour de l'équipement avant de s'échapper par l'orifice d'échappement. L'air prélevé dans la veine secondaire du turboréacteur a seulement subis une compression à l'entrée du turboréacteur. Cet air présente donc des températures 20 faibles en comparaison de celles des gaz d'échappement issus de la combustion qui s'écoulent le long du cône d'échappement. Grâce à l'invention, cet air froid permet l'actionnement de la turbine à air et le refroidissement de l'équipement. Ce dernier est ainsi protégé des dommages dus à une trop forte élévation de température. De plus, les contraintes thermiques imposées à l'équipement sont réduites, ce qui permet 25 d'avoir un plus large choix d'équipement à installer dans le cône d'échappement. La turbomachine selon l'invention peut également comporter une ou plusieurs caractéristiques parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon les combinaisons techniquement possibles : - la turbine à air est disposée en amont de l'équipement et présente un orifice de 30 sortie d'air disposé en amont dans le cône d'échappement ; - la veine secondaire est délimitée intérieurement par une paroi interne, l'orifice d'admission affleurant la paroi interne ; - la turbine à air comporte un carter de turbine présentant un orifice d'entré d'air, le dispositif d'approvisionnement comportant : 3054858 3 o une écope de prélèvement d'air présentant une première extrémité, dans laquelle est aménagé l'orifice d'admission, et une deuxième extrémité ; o une canalisation d'air reliant la deuxième extrémité de l'écope de prélèvement à l'orifice d'entré d'air du carter de turbine ; 5 - la turbomachine comporte au moins un bras de carter d'échappement, la canalisation d'air étant disposée à l'intérieur dudit au moins un bras de carter d'échappement ; - le dispositif d'entraînement comporte des moyens pour modifier le rapport de vitesse entre la turbine et l'équipement ; 10 - les moyens pour modifier le rapport de vitesse comportent un réducteur disposé entre la turbine et l'équipement ; - le dispositif d'approvisionnement présente un débit d'air alimentant la turbine, le dispositif d'approvisionnement comportant des moyens de régulation du débit d'air ; 15 - le cône d'échappement comporte une protection thermique définissant un volume à l'intérieur duquel l'équipement et le dispositif d'entraînement sont disposés ; - le dispositif d'approvisionnement comporte une pluralité d'orifices d'admission disposés de manière circonférentielle dans la veine secondaire ; 20 - l'équipement est choisi parmi un générateur électrique, une pompe à carburant et une pompe à huile. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture 25 de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent, parmi lesquelles : - la figure 1A est une vue schématique en coupe longitudinale d'un premier mode de réalisation d'une turbomachine selon l'invention ; - la figure 1B est une vue de détail de la zone Z de la figure lA ; 30 - la figure 2 est une vue de détail de la zone Z d'une variante de la turbomachine de la figure lA ; - la figure 3 est une vue de détail de la zone Z d'un deuxième mode de réalisation d'une turbomachine selon l'invention. 3054 85 8 4 Les figures ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur toutes les figures. 5 DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION Un premier mode de réalisation d'une turbomachine 100 selon l'invention va maintenant être décrit, en référence aux figures 1 A et 1B. Dans ce mode de réalisation, la turbomachine 100 se présente sous la forme d'un turboréacteur d'aéronef du type à 10 double flux. La turbomachine 100 comporte une nacelle 1 s'étendant selon un axe longitudinal X entre une entrée d'air 11 et une sortie d'air 12, et un moteur 2 disposé dans la nacelle 1. Le moteur 2 comporte, d'amont en aval, une soufflante 20, un compresseur 21, une chambre de combustion 22, une turbine 23, un carter d'échappement 24 et un 15 cône d'échappement 25. L'amont et l'aval de la turbomachine 100 sont définis par rapport au sens d'écoulement de l'air traversant la turbomachine 100, l'amont correspondant à l'entrée d'air 11 et l'aval à la sortie d'air 12. En fonctionnement, la soufflante 20, entraînée en rotation par la turbine 23, aspire un flux d'air par l'entrée d'air 11. Ce flux d'air est divisé en un flux primaire, 20 représenté par une flèche A sur la figure 1, et un flux secondaire, représenté par une flèche B. Le flux primaire A traverse le moteur 2 dans une veine primaire d'écoulement d'air 3 qui s'étend longitudinalement entre une paroi interne 31 et une paroi externe 32. Le flux primaire A alimente le compresseur 21, puis est mélangé à du carburant 25 dans la chambre de combustion 22. Les gaz de combustion sortant de la chambre de combustion 22 entraînent la turbine 23 puis sont éjectés entre deux parois coaxiales du carter d'échappement 24 et sortent du moteur 2 en s'écoulant le long du cône d'échappement 25. Les parois coaxiales du carter d'échappement contribuent à former respectivement la paroi interne 31 et la paroi externe 32 de la veine primaire 3. Les 30 parois du carter d'échappement sont reliées par des bras de carter 24a disposés radialement. Le flux secondaire B s'écoule vers l'aval de la turbomachine 100 dans une veine secondaire d'écoulement d'air 4 qui s'étend longitudinalement entre une paroi interne 41 et une paroi externe 42. La paroi externe 32 de la veine primaire 3 et la paroi interne 3054858 5 41 de la veine secondaire 4 définissent un compartiment moteur 26. La paroi externe 42 de la veine secondaire 4 est formée par la paroi interne de la nacelle 1 et par un carter moteur carénant la soufflante 20. La figure 1B montre une vue de détail de la zone Z de la figure 1A. Le cône 5 d'échappement 25 s'étend entre une extrémité amont et une extrémité aval dans laquelle est aménagé un orifice d'échappement 29. La turbomachine 100 comporte un dispositif d'entraînement 5 en rotation d'un équipement 6. Le dispositif d'entraînement 5 et l'équipement 6 sont tous les deux disposés dans le cône d'échappement 25. L'équipement 6 peut être choisi parmi tous types d'équipements électriques ou 10 hydrauliques destinés à être entraînés en rotation. Dans ce premier mode de réalisation, l'équipement 6 est un générateur électrique apte à fournir de la puissance électrique supplémentaire à l'aéronef. L'équipement 6 peut également être un dispositif hydraulique de l'aéronef comme une pompe à huile servant par exemple à la lubrification des paliers arrière, une pompe à carburant. 15 Le dispositif d'entraînement 5 comporte une turbine à air 7 configurée pour entraîner en rotation l'équipement 6, et un dispositif d'approvisionnement en air 8 de la turbine. Le dispositif d'approvisionnement présente un orifice d'admission d'air 81 situé dans la veine secondaire 4. L'orifice d'admission 81 est agencé de manière à ce qu'une partie du flux d'air secondaire B pénètre dans le dispositif d'approvisionnement zo 8. De préférence, la turbine à air 7 comporte un rouet centrifuge 71 entouré par un carter de turbine 72 définissant un volume annulaire 73 autour du rouet. La turbine à air 7 présente un orifice d'entrée 74, par exemple aménagé dans une surface latérale du carter de turbine 72, par lequel le volume annulaire 73 est alimenté en air. L'air 25 entrant dans la turbine 7 entraîne le rouet centrifuge 71 en rotation. Dans ce premier mode de réalisation, le dispositif d'approvisionnement en air 8 comporte une écope de prélèvement d'air 82 disposée dans la paroi interne 41 de la veine secondaire 4. L'écope 82 présente une première extrémité située dans la veine secondaire 4 et dans laquelle est aménagé l'orifice d'admission 81. La première 30 extrémité de l'écope 82, et donc l'orifice d'admission 81, fait face au flux secondaire B. L'écope 82 présente une deuxième extrémité située dans le compartiment moteur 26 et reliée à l'orifice d'entrée 74 de la turbine à air 7 par une canalisation d'air 83. La canalisation 83 achemine l'air entrant par l'orifice d'admission 81 jusqu'au volume annulaire 73 de la turbine 7. 3054858 6 L'écope 82 a par exemple la forme d'un tube coudé. L'écope 82 est dimensionnée en fonction du débit d'air nécessaire pour entraîner en rotation le rouet centrifuge 71 de la turbine à air 7. L'écope est également dimensionnée de manière à assurer un environnement thermique dans le cône d'échappement 25 compatible avec 5 les spécifications de l'équipement 6. La canalisation d'air 83 est réalisée dans un matériau choisi notamment en fonction de la température à laquelle est soumise la canalisation 83. Par exemple, la canalisation 83 est réalisée en aluminium pour des températures supérieures à 200°C, en inconel pour des températures ne dépassant pas 400°C, en acier ou en titane pour 10 des températures supérieures à 400°C. De préférence, la canalisation 83 est disposée à l'intérieur d'un bras de carter 24a. En effet, la canalisation 83 connectée à la deuxième extrémité de l'écope 82 située dans le compartiment moteur 26 traverse un bras de carter 24a pour rejoindre le cône d'échappement 25. Ainsi, la canalisation 83 est protégée du flux d'air primaire 15 A qui présente une température élevée, généralement supérieure à 650 °C. Dans ce premier mode de réalisation, la turbine à air 7 comporte un pied 76 fixé à une plaque de support 51 disposée en amont du cône d'échappement 25. Le pied 76 présente une paroi 77 dans laquelle sont aménagés des orifices de sortie d'air 78. L'air alimentant la turbine 7 pour faire tourner le rouet centrifuge 71 s'échappe par les zo orifices de sortie 78. Dans ce premier mode de réalisation, la turbine à air 7 est positionnée en amont de l'équipement 6. Par conséquent, l'air prélevé dans la veine secondaire 4, après avoir entraîné en rotation la turbine à air 7, s'écoule autour de l'équipement à l'intérieur du cône d'échappement avant de sortir par l'orifice d'échappement 29, comme illustré 25 par des flèches sur la figure 1 B. L'équipement 6 se trouve dans un environnement très chaud, avec des températures pouvant atteindre 750 °C. De plus, lefonctionnement de l'équipement 6 peut également générer de la chaleur. C'est le cas par exemple lorsque l'équipement 6 est un générateur électrique. Grâce à l'invention, l'air provenant de la veine 30 secondaire 4, qui présente une température comprise entre -55°C et 80°C et qui est donc plus froid que l'air provenant de la veine primaire 3, permet à la fois de refroidir et d'entraîner en rotation l'équipement 6. Ceci est particulièrement avantageux lorsque l'équipement 6 comporte des composants électroniques qui supportent difficilement des températures supérieures à 180 °C. 3054858 7 Avantageusement, le dispositif d'entraînement 5 comporte des moyens 53 pour modifier le rapport de vitesse entre la turbine à air 7 et l'équipement 6. En effet, l'équipement 6 peut présenter des régimes de rotation pour lesquels le rendement est maximal. C'est le cas notamment pour un générateur électrique. Ainsi, l'équipement 6 5 peut tourner à une vitesse appropriée pour optimiser son fonctionnement. Dans ce mode de réalisation, les moyens 53 pour modifier le rapport de vitesse comportent un réducteur de vitesse disposé entre la turbine à air 7 et l'équipement 6. En effet, en fonctionnement, la turbine à air présente une vitesse de rotation élevée. Le réducteur de vitesse permet de diminuer la vitesse de rotation et d'augmenter le 10 couple. La turbine 7 est alimentée en air avec un débit qui est avantageusement contrôlé par des moyens de régulation (non représentés). Il est ainsi possible de faire varier la vitesse de rotation de la turbine 7, et par conséquent la vitesse de rotation de l'équipement 6 selon les besoins. Ces moyens de régulation comportent par exemple 15 un dispositif d'obturation de l'orifice d'admission 81, le dispositif d'obturation laissant plus ou moins d'air pénétrer dans le dispositif d'approvisionnement en air 8 de la turbine 7. Alternativement, la canalisation d'air 83 peut être équipée d'une vanne commandée en ouverture et en fermeture. Avantageusement, le cône d'échappement comporte une protection thermique 20 9 afin de protéger l'équipement 6 et le dispositif d'entraînement 5 contre la chaleur environnante. Dans ce mode de réalisation, la protection thermique 9 est une cloison qui entoure l'équipement 6 et le dispositif d'entraînement 5 et qui forme un conduit par lequel l'air sortant de la turbine 7 s'échappe, le conduit étant relié à l'orifice d'échappement 29. La protection thermique 9 est par exemple réalisée à partir d'un 25 matériau isolant thermiquement. La figure 2 est une vue de détail de la zone Z d'une variante du premier mode de réalisation de la turbomachine 100. Dans cette variante, l'orifice d'admission 81 affleure la paroi interne 41 de la veine secondaire 4. Par exemple, l'écope 82 fixée dans le compartiment moteur 26 présente une première extrémité alignée avec la paroi 30 interne 41 de la veine secondaire 4. Ainsi, l'écoulement de l'air dans la veine secondaire 4 n'est pas gêner, et cette dernière conserve ses performances aérodynamiques. Dans cette variante, la canalisation 83 est disposée derrière un bras de carter 24a. Les modifications à apporter à la structure du bras de carter 24a sont ainsi moins 3054858 8 importantes que dans le premier mode de réalisation, ce qui réduit les coûts de mise en oeuvre de l'invention. Dans un autre mode de réalisation, le dispositif d'approvisionnement en air 8 de la turbine 7 peut comporter plusieurs orifices d'admission 81 disposés de manière 5 circonférentielle dans la veine secondaire. Par exemple, plusieurs écopes 82 peuvent être installées dans le compartiment moteur 26, chaque écope 82 étant reliée à la turbine à air 7 par une canalisation d'air 83. Il est ainsi possible d'approvisionner la turbine 7 avec une plus grande quantité d'air. La figure 3 est une vue de détail de la zone Z d'un deuxième mode de réalisation 10 d'une turbomachine 200 selon l'invention dans lequel la turbine à air 7 est disposée en aval de l'équipement 6. Avantageusement, les orifices de sortie d'air 78 de la turbine sont orientés vers l'amont de la turbine 7. Dans ce deuxième mode de réalisation, la cloison formée par la protection thermique 9 comporte des orifices 91 situés en amont dans le cône d'échappement 15 25. Ainsi, l'air sortant de la turbine 7 circule autour de l'équipement 6, traverse les orifices 91 de la cloison pour rejoindre l'espace défini entre la paroi intérieure du cône d'échappement 25 et la cloison, puis s'échappe par l'orifice d'échappement 29, comme représenté par les flèches sur la figure 3. Cette configuration permet de ventiler non seulement l'équipement 6 mais aussi l'ensemble du volume défini par la protection 20 thermique 9 dans lequel l'équipement 6 et le dispositif d'entraînement 5 sont disposés. Le cheminement suivi par l'air étant plus long, l'efficacité du refroidissement s'en trouve alors améliorée. Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du cadre 25 de l'invention. Plutôt que d'avoir recours à une écope pour prélever de l'air dans la veine secondaire, il est par exemple possible d'aménager l'orifice d'admission dans l'un des bras, qui sont également appelés bifurcations, reliant la paroi interne et la paroi externe de la veine secondaire de manière à ce que l'orifice d'admission intercepte le flux d'air secondaire. L'équipement peut également être refroidi avec de 30 l'huile pour dissiper une partie de la chaleur, et ainsi abaisser davantage la température de l'équipement. Ainsi, les prélèvements d'air dans le flux secondaire peuvent être réduits aux seuls besoins d'entraînement de la turbine à air. REVENDICATIONS1 Turbomachine (100, 200) comportant : - une veine secondaire d'écoulement d'air (4) ; - un cône d'échappement (25) s'étendant entre une extrémité amont et une extrémité aval, l'extrémité aval du cône d'échappement présentant un orifice d'échappement (29) ; - un équipement (6) destiné à être entrainé en rotation disposé dans le cône d'échappement ; 10 - un dispositif d'entraînement (5) en rotation de l'équipement, le dispositif d'entraînement étant disposé dans le cône d'échappement et comportant : o une turbine à air (7) configurée pour entraîner en rotation l'équipement ; o un dispositif d'approvisionnement en air (8) de la turbine présentant un orifice d'admission d'air (81) dans la veine secondaire ; 15 la turbomachine étant caractérisée en ce que la turbine à air est agencée dans le cône d'échappement de manière à ce que l'air sortant de la turbine circule autour de l'équipement avant de s'échapper par l'orifice d'échappement. 2. Turbomachine (100) selon revendication 1 dans laquelle la turbine à air (7) est 20 disposée en amont de l'équipement (6) et présente un orifice de sortie d'air (78) disposé en amont dans le cône d'échappement (25). 3. Turbomachine (100, 200) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 dans laquelle la veine secondaire (4) est délimitée intérieurement par une paroi interne (41), 25 l'orifice d'admission (81) affleurant la paroi interne (41). 4. Turbomachine (100, 200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans laquelle la turbine à air (7) comporte un carter de turbine (72) présentant un orifice d'entré d'air (74), le dispositif d'approvisionnement (8) comportant 30 - une écope de prélèvement d'air (82) présentant une première extrémité, dans laquelle est aménagé l'orifice d'admission (81), et une deuxième extrémité ; - une canalisation d'air (83) reliant la deuxième extrémité de l'écope de prélèvement à l'orifice d'entré d'air du carter de turbine. 3054858 10 5. Turbomachine (100, 200) selon la revendication 4 comportant au moins un bras de carter (24a) d'échappement, la canalisation d'air (83) étant disposée à l'intérieur dudit au moins un bras de carter d'échappement. 6. Turbomachine (100, 200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans laquelle le dispositif d'entraînement (5) comporte des moyens (53) pour modifier le rapport de vitesse entre la turbine et l'équipement. 7. Turbomachine (100, 200) selon la revendication 6 dans laquelle les moyens (53) pour modifier le rapport de vitesse comportent un réducteur disposé entre la turbine (7) et l'équipement (6). 8. Turbomachine (100, 200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans laquelle le dispositif d'approvisionnement (8) présente un débit d'air alimentant la turbine (7), le dispositif d'approvisionnement comportant des moyens de régulation du débit d'air. 9. Turbomachine (100, 200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans 20 laquelle le cône d'échappement (25) comporte une protection thermique (9) définissant un volume à l'intérieur duquel l'équipement (6) et le dispositif d'entraînement (5) sont disposés. 10. Turbomachine (100, 200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 dans 25 laquelle le dispositif d'approvisionnement (8) comporte une pluralité d'orifices d'admission (81) disposés de manière circonférentielle dans la veine secondaire (4). 11. Turbomachine (100, 200) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 dans laquelle l'équipement (6) est choisi parmi un générateur électrique, une pompe à 30 carburant et une pompe à huile.