Brevet FR3057614A1 — publié le 20180420

DOMAINE DE L'INVENTION [0001] La présente invention concerne le domaine des turbomachines et plus particulièrement les turbomachines équipées d'un dispositif d'augmentation temporaire de puissance d'une turbomachine, un ensemble propulsif comprenant une telle turbomachine, et un aéronef équipé d'un tel ensemble propulsif. [0002] Le terme « turbomachine » désigne l'ensemble des appareils à turbine à gaz produisant une énergie motrice, parmi lesquels on distingue notamment les turboréacteurs fournissant une poussée nécessaire à la propulsion par réaction à l'éjection à grande vitesse de gaz chauds, et les turbomoteurs dans lesquels l'énergie motrice est fournie par la rotation d'un arbre moteur. Par exemple, des turbomoteurs sont utilisés comme moteur pour des hélicoptères, des navires, des trains, ou encore comme moteur industriel. Les turbopropulseurs (turbomoteur entrainant une 15 hélice) sont également des turbomoteurs utilisés comme moteur d'avion. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0003] Dans certaines circonstances, il peut être souhaitable d'augmenter temporairement la puissance d'une turbomachine. Par exemple, lors du décollage d'un aéronef ou dans des conditions de vol 20 spécifiques, on peut avoir besoin d'un apport ponctuel de puissance additionnelle. Selon un autre exemple, dans un ensemble propulsif comprenant une pluralité de turbomachines, la défaillance de l'une d'entre elles peut nécessiter une augmentation temporaire de la puissance d'une ou plusieurs autres afin de compenser la puissance perdue par la 25 turbomachine défaillante. [0004] Une des solutions connues de la personne du métier pour obtenir cette augmentation temporaire de puissance est l'injection d'un fluide réfrigérant, qui peut être, entre autres, de l'eau ou un mélange d'eau et d'un antigel, comme par exemple le méthanol, l'éthanol ou le 30 glycol, dans la veine d'air en amont de la chambre de combustion. D'une part cette injection permet de refroidir cet air en amont de la chambre de combustion, augmentant ainsi sa densité et donc le débit massique d'oxygène admis dans la chambre de combustion. D'autre part, la vaporisation de ce fluide réfrigérant dans la chambre de combustion 35 permet d'augmenter très sensiblement la pression et/ou le débit 3057614 2 volumique en aval de la chambre de combustion, et donc le travail mécanique récupéré dans la turbine. [0005] Une telle solution est décrite par FR1262433, où le fluide réfrigérant est contenu dans un réservoir pressurisé, et injecté au sein de 5 la turbomachine par l'activation d'une vanne. Toutefois, ces équipements sont lourds, couteux, et demandent une maintenance régulière. Il existe donc un besoin en ce sens. PRESENTATION DE L'INVENTION [0006] Un mode de réalisation concerne une turbomachine 10 comprenant une unité de commande et un dispositif d'augmentation temporaire de puissance, ledit dispositif d'augmentation temporaire de puissance comprenant un réservoir non-pressurisé configuré pour contenir un fluide réfrigérant, et un circuit d'injection connecté audit réservoir et débouchant sur au moins un injecteur, le circuit d'injection comprenant une pompe commandée par l'unité de commande. [0007] Dans le présent exposé, les termes « aval » et « amont » sont considérés suivant le sens d'écoulement normal des gaz au sein de la turbomachine. [0008] Le dispositif d'augmentation temporaire de puissance permet, lorsque cela s'avère nécessaire, d'augmenter temporairement la puissance de ladite turbomachine en injectant le fluide réfrigérant en amont de la chambre de combustion. L'unité de commande est configurée pour détecter une telle situation et pour commander alors la pompe de sorte à injecter du fluide réfrigérant. [0009] Grâce à la présence de la pompe, il n'est pas nécessaire de pressuriser le réservoir, ni d'utiliser des tuyauteries et des vannes adaptées à un circuit pressurisé. Par rapport aux dispositifs d'augmentation temporaire de puissance connus, ceci permet de réduire les risques de fuite, la masse globale du dispositif et son coût, mais également d'améliorer sa fiabilité, son intégrabilité et sa testabilité. [0010] Dans certains modes de réalisation, la pompe est une pompe à débit variable. [0011] On comprend bien entendu qu'une pompe à débit variable est une pompe dont on peut contrôler le débit. Une telle pompe permet de maîtriser et d'adapter le débit de fluide réfrigérant selon les circonstances. Par exemple, la pompe présente une cylindrée fixe mais une vitesse de 3057614 3 rotation du rotor variable, ou bien la vitesse de rotation du rotor est fixe tandis que la cylindrée est variable. [0012] Dans certains modes de réalisation, l'unité de commande est un système de régulation électronique numérique à pleine autorité de la 5 turbomachine. [0013] L'homme du métier connait également le système de régulation électronique numérique à pleine autorité sous l'acronyme FADEC (pour en anglais « Full Authority Digital Engine Control »). L'utilisation du système de régulation électronique numérique à pleine autorité de la turbomachine 10 (ci-après, et sauf indication contraire, le « système de régulation ») en tant qu'unité de commande du dispositif d'augmentation de puissance permet d'intégrer cette fonction au sein d'un système de commande central, grâce à quoi la cohérence du contrôle avec les autres éléments de la turbomachine est améliorée. 15 [0014] Dans certains modes de réalisation, la turbomachine comprend une entrée d'air et une chambre de combustion, l'injecteur étant disposé entre l'entrée d'air et la chambre de combustion. [0015] On comprend que l'injecteur peut être positionné à tout emplacement entre l'entrée d'air et la chambre de combustion. Par 20 exemple, la turbomachine comprend un compresseur basse pression et un compresseur haute pression. On comprend que le compresseur haute pression compresse l'air à une pression plus importante que le compresseur basse pression. Ainsi les termes « haute pression » et « basse pression » sont à considérer de manière relative l'un par rapport à 25 l'autre. Bien entendu, le compresseur haute pression est en aval du compresseur basse pression. Par exemple, l'injecteur peut être disposé entre l'entrée d'air et le compresseur basse pression, entre le compresseur basse pression et le compresseur haute pression, ou entre le compresseur haute pression et la chambre de combustion. 30 [0016] Dans certains modes de réalisation, un clapet de sécurité est disposé entre la pompe et l'injecteur. [0017] Le clapet de sécurité est configuré pour empêcher l'écoulement du fluide réfrigérant entre la pompe et l'injecteur lorsque la pompe est inactive, et pour permettre l'écoulement du fluide entre la pompe et 35 l'injecteur lorsque la pompe est activée. Ce clapet de sécurité permet ainsi d'améliorer l'étanchéité du dispositif en évitant une fuite, et donc une 305 7 6 1 4 4 vidange non souhaitée du réservoir dans la turbomachine lorsque la pompe est inactive. On améliore ainsi la sécurité en s'assurant que le réservoir contient effectivement le volume de fluide réfrigérant requis lorsqu'on souhaite augmenter temporairement la puissance. 5 [0018] Dans certains modes de réalisation, le réservoir non-pressurisé comprend un détecteur de niveau configuré pour déterminer le niveau de fluide réfrigérant au sein du réservoir, ledit détecteur de niveau étant connecté à l'unité de commande de la turbomachine. [0019] Le détecteur de niveau est disposé dans le réservoir non- 10 pressurisé, et permet de déterminer le niveau de fluide réfrigérant dans celui-ci, et d'envoyer l'information correspondante à l'unité de commande. Ce détecteur de niveau permet ainsi, par l'intermédiaire de l'unité de commande, de signaler un niveau de fluide réfrigérant trop bas pour pouvoir alimenter le circuit d'injection. 15 [0020] Un mode de réalisation concerne également un ensemble propulsif comprenant plusieurs turbomachines, au moins une turbomachine parmi lesdites plusieurs turbomachines étant une turbomachine selon l'un quelconque des modes de réalisation décrits dans le présent exposé. 20 [0021] Ainsi, l'augmentation temporaire de la puissance de ladite turbomachine selon le présent exposé permet par exemple de compenser une éventuelle anomalie, par exemple lorsque une ou plusieurs des autres turbomachines de l'ensemble propulsif tombe(nt) en panne. La puissance globale de l'ensemble propulsif peut ainsi être maintenue à une valeur 25 prédéterminée pendant une période donnée, par exemple une période critique telle que le décollage ou l'atterrissage d'un aéronef. Si plusieurs turbomachines comportent un dispositif d'augmentation temporaire de puissance, il peut y avoir un unique réservoir commun, ou plusieurs réservoirs communs ou pas. Ainsi, chaque turbomachine peut être reliée à 30 un unique réservoir, ou à plusieurs réservoirs distincts. [0022] Dans certains modes de réalisation, l'ensemble propulsif comprend au moins deux turbomachines selon l'un quelconque des modes de réalisation décrits dans le présent exposé, le réservoir de fluide réfrigérant étant commun auxdites deux turbomachines. 35 [0023] On comprend que le réservoir commun aux deux turbomachines, est relié à un circuit d'injection propre à chaque 3 0 5 7 6 1 4 5 turbomachine. La présence d'un seul réservoir permet de simplifier l'intégration du réservoir et de minimiser le poids global de l'ensemble propulsif sans nuire à la sécurité, la probabilité que deux turbomachines soient simultanément défaillantes étant très faible. 5 [0024] Dans certains modes de réalisation, l'ensemble propulsif comprend au moins deux réservoirs de fluide réfrigérant, chacun des au moins deux réservoirs étant relié à une unique turbomachine. [0025] Dans ce cas, chaque turbomachine est reliée à un unique réservoir qui est propre à chaque turbomachine. Chacun de ces réservoirs 10 étant ainsi indépendant des réservoirs des autres turbomachines, il peut donc être disposé au plus près de la turbomachine correspondante, voire intégré à ladite turbomachine, ce qui permet d'obtenir un ensemble compact, d'encombrement réduit. [0026] Un mode de réalisation concerne également un aéronef, en 15 particulier un hélicoptère, comprenant un ensemble selon l'un quelconque des modes de réalisation décrits dans le présent exposé. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS [0027] L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de 20 réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement un aéronef comprenant un ensemble propulsif; - la figure 2 représente un schéma de principe de l'ensemble 25 propulsif de l'aéronef de la figure 1 selon un premier mode de réalisation ; - la figure 3 représente un schéma de principe de l'ensemble propulsif de l'aéronef de la figure 1 selon un deuxième mode de réalisation. DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLES DE REALISATION 30 [0028] La figure 1 illustre un aéronef 1 à voilure tournante, plus spécifiquement un hélicoptère avec un rotor principal 2 et un rotor de queue anti-couple 3 couplés à un ensemble propulsif 4 pour leur actionnement. L'ensemble propulsif 4 illustré comprend deux turbomachines, à savoir dans cet exemple un premier turbomoteur 5A et 35 un deuxième turbomoteur 56 dont les arbres de sortie 6 sont tous les 305 7 6 1 4 6 deux reliés à une boîte de transmission principale 7 pour actionner le rotor principal 2 et le rotor de queue 3. [0029] L'ensemble propulsif 4 est illustré schématiquement sur la figure 2. Afin de compenser au moins temporairement une chute de 5 puissance due à une défaillance éventuelle de l'un des turbomoteurs 5A ou 5B, ces derniers sont équipés, respectivement, d'un premier dispositif 13A d'augmentation temporaire de puissance (ci-après « le premier dispositif ») et d'un deuxième dispositif 13B d'augmentation temporaire de puissance (ci-après « le deuxième dispositif »). Les traits discontinus sur la 10 figure 2 représentent schématiquement les premier et deuxième turbomoteurs 5A et 5B respectivement. [0030] Le premier turbomoteur 5A comprend un premier dispositif 13A qui comporte une première pompe 18A piloté par une première unité de commande 19A, tandis que le deuxième turbomoteur 5B comprend un 15 deuxième dispositif 13B qui comporte une deuxième pompe 18B pilotée par une deuxième unité commande 19B. Le premier turbomoteur 5A et le deuxième turbomoteur 5B comprennent chacun un compresseur basse pression 50A, 50B, un compresseur haute pression 52A, 52B, une entrée d'air 53A, 53B, une chambre de combustion 54A, 54B et des turbines 56A, 20 56B, les gaz s'écoulant au sein de chaque turbomoteur depuis les compresseurs vers les turbines (de l'amont vers l'aval). [0031] Les unités de commande 19A et 19B sont dans cet exemple des systèmes de régulation électronique numérique à pleine autorité de turbomachine (ou FADEC) respectivement des turbomoteurs 5A et 5B. 25 Dans cet exemple, les pompes 18A et 18B sont des pompes volumétriques à cylindrée fixe, mais pourraient bien entendu, selon une variante, être à vitesse de rotation fixe et cylindrée variable. Le premier dispositif 13A comprend un premier circuit d'injection 16A de liquide réfrigérant pour le premier turbomoteur 5A, et le deuxième dispositif 13B comprend un 30 deuxième circuit d'injection 16B de liquide réfrigérant pour le deuxième turbomoteur 5B. [0032] Dans l'exemple illustré sur la figure 2, les dispositifs 13A et 13B comprennent un unique réservoir commun non pressurisé 14 contenant le liquide réfrigérant, ledit réservoir 14 étant donc commun au premier et au 35 deuxième turbomoteur 5A et 5B. Ce réservoir 14 est relié aux premier et deuxième circuits d'injection 16A et 16B par l'intermédiaire d'un circuit de 3057614 7 prélèvement 15. Dans cet exemple, le réservoir 14 n'est pas disposé au sein d'un turbomoteur, mais à l'extérieur des turbomoteurs, au sein de l'aéronef. [0033] Le réservoir 14 est équipé d'un détecteur de niveau 17, 5 permettant de surveiller le niveau de liquide réfrigérant dans le réservoir 14. Le signal indiquant le niveau de liquide réfrigérant est envoyé directement ou indirectement à l'unité de commande 19A, 19B. Dans cet exemple, le détecteur 17 est relié à l'unité de commande 19A et 19B par l'intermédiaire de l'unité de contrôle électronique de l'aéronef 40, 10 également connu par l'homme du métier sous le terme « avionique ». [0034] Chacun des premier et deuxième circuits d'injection 16A et 16B débouche sur une pluralité d'injecteurs 22A, 22B (représentés schématiquement par une flèche) disposés entre l'entrée d'air 53A, 53B et la chambre de combustion 54A, 54B. Dans l'exemple de la figure 2, les 15 injecteurs 22A, 22B sont disposés en aval du compresseur haute pression 52A, 52B (et donc en aval du compresseur basse pression 50A, 50B). Chacun de ces circuits d'injection 16A et 16B comporte un clapet de sécurité 23 pour bloquer le passage du liquide réfrigérant depuis la pompe 18A, 18B vers les injecteurs 22A, 22B, en dessous d'un certain seuil de 20 pression au sein du circuit 16A, 16B, pour éviter toute fuite intempestive vers les injecteurs 22A, 22B lorsque la pompe 18A, 18B ne fonctionne pas. [0035] Des crépines 34 dans les circuits d'injection 16A et 16B permettent de filtrer les éventuelles impuretés présentes dans le fluide réfrigérant. 25 [0036] En cas de défaillance d'un turbomoteur 5A ou 5B, l'unité de commande de l'autre moteur détecte, via l'unité de contrôle électronique de l'aéronef 40, une situation nécessitant l'augmentation de puissance. Ainsi, si le premier turbomoteur 5A est défaillant, l'unité de contrôle 19B détecte la nécessité d'augmenter la puissance du deuxième turbomoteur 30 5B (ou, bien entendu, inversement). Par exemple, il peut s'agir de la détection d'une situation 30s OEI (de l'anglais « One Engine Inoperative », signifiant « un moteur en panne »), qui nécessite l'augmentation pendant 30 secondes de la puissance d'un turbomoteur en cas de panne de l'autre turbomoteur. 35 [0037] Ainsi, en cas de besoin, le dispositif d'augmentation temporaire de puissance du turbomoteur qui n'est pas en panne détecte une situation 3057614 8 nécessitant une augmentation temporaire de puissance, et commande l'injection de fluide réfrigérant en pilotant le débit de la pompe de manière adaptée. [0038] La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation qui ne 5 diffère du premier mode de réalisation représenté sur la figure 2 que par les réservoirs 114A, 114B. Ainsi, les autres éléments inchangés ne sont pas décrits de nouveau, tandis que les signes de référence sont incrémentés de 100. [0039] Dans ce mode de réalisation, l'ensemble propulsif comporte 10 deux réservoirs distincts : un premier réservoir 114A intégré au premier turbomoteur 105A, et un deuxième réservoir 114B intégré au deuxième turbomoteur 105B. Les premier et deuxième réservoirs 114A et 114B sont donc distincts et propres à chaque turbomoteur 105A et 105B respectivement tandis que les premier et deuxièmes circuits d'injection 15 116A et 116B sont respectivement reliés directement aux premier et deuxième réservoirs 114A et 114B (i.e. sans l'intermédiaire d'un circuit de prélèvement). [0040] En cas de panne d'un des deux turbomoteurs, le fluide réfrigérant est puisé dans le réservoir du turbomoteur qui n'est pas en 20 panne. [0041] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie 25 par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. 30 REVENDICATIONS1. Turbomachine (5A) comprenant une unité de commande (19A) et un dispositif d'augmentation temporaire de puissance (13A), ledit dispositif d'augmentation temporaire de puissance (13A) comprenant un réservoir non-pressurisé (14) configuré pour contenir un fluide réfrigérant, et un circuit d'injection (16A) connecté audit réservoir (14) et débouchant sur au moins un injecteur (22A), le circuit d'injection (16A) comprenant une pompe (18A) commandée par l'unité de commande (19A). 2. Turbomachine (5A) selon la revendication 1, dans laquelle la pompe (18A) est une pompe à débit variable. 3. Turbomachine (5A) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle l'unité de commande (19A) est un système de régulation électronique numérique à pleine autorité de la turbomachine. 4. Turbomachine (5A) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant une entrée d'air (53A) et une chambre de combustion (54A), l'injecteur (22A) étant disposé entre l'entrée d'air (53A) et la chambre de combustion (54A). 5. Turbomachine (5A) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle un clapet de sécurité (23) est disposé entre la pompe (18A) et l'injecteur (22A). 6. Ensemble propulsif (4) comprenant plusieurs turbomachines, au moins une turbomachine parmi lesdites plusieurs turbomachines étant une turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Ensemble propulsif (4) selon la revendication 6 comprenant au moins deux turbomachines (5A, 5B) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, le réservoir (14) de fluide réfrigérant étant commun auxdites au moins deux turbomachines (5A, 5B). 8. Ensemble propulsif (4) selon la revendication 6 comprenant au moins deux réservoirs de fluide réfrigérant (114A, 114B), chacun des au moins deux réservoirs (114A, 1146) étant relié à une unique turbomachine (105A, 105B). 9. Aéronef, en particulier un hélicoptère, comprenant un ensemble selon la revendication 7 ou 8.