Brevet FR3086700A1 — publié le 20200403

CIRCUIT DE VENTILATION D'AUBES D'UN TURBOMOTEUR, EQUIPE D'UNE VALVE AUTOMATIQUE DESCRIPTION Le sujet de l'invention est un circuit de ventilation d'aubes d'un turbomoteur, équipé d'une valve automatique. Certains éléments des turbomoteurs peuvent être soumis à des températures excessives pendant le fonctionnement. C'est le cas par exemple des aubes de turbines haute pression en aval de la chambre de combustion, qui sont exposées aux gaz chauds circulant dans la veine d'écoulement. De telles portions du turbomoteur peuvent alors être refroidies par un circuit de ventilation dans lequel du gaz plus frais est acheminé. Dans des conceptions usuelles, ce gaz est de l'air soutiré des compresseurs du turbomoteur. Ce gaz circule le long du circuit à l'aide de la pression qu'il a acquise dans la veine d'écoulement jusqu'à des cavités creusées dans les aubes. De tels circuits de ventilation sont décrits dans de très nombreux brevets. Un de leurs inconvénients est que le soutirage d'une portion du débit des gaz hors de la veine d'écoulement diminue le rendement de la machine. Parmi les circuits connus, certains comportent une vanne d'ajustement du débit de ventilation, de manière à prélever seulement le débit nécessaire à la ventilation en fonction du régime du moteur. L'emploi d'une vanne nécessite toutefois un système de pilotage qui implique un système relativement complexe, coûteux et sujet à des pannes dont les conséquences peuvent être l'endommagement du moteur si les turbines s'échauffent excessivement. Des dispositifs à vanne passive, dont l'ouverture est commandée par la la vitesse de rotation du rotor et les forces centrifuges entraînant des déformations mécaniques, ont aussi été proposés. Ces dispositifs sont toutefois peu précis et peu efficaces, puisque le degré d'ouverture des vannes est généralement proportionnel au carré du régime de rotation du rotor haute pression du moteur, mais qu'en réalité les régimes de ralenti, pour lesquels une ventilation beaucoup plus faible suffit, sont à une 2 vitesse relativement proche des vitesses extrêmes (50 % ou même 60 %). Ces dispositifs passifs permettent donc seulement de faibles variations du débit de ventilation. Des dispositifs à vanne passive, dont l'ouverture est commandée par la pression de la chambre ont aussi été proposés. Ces dispositifs sont toutefois peu précis et peu efficaces, car la pression de la chambre est modifiée par les conditions de vols - telles que l'altitude, la pression et la température atmosphérique - et ceci altère le comportement de ces vannes et donc leur capacité de régulation. Le sujet de l'invention est un circuit de ventilation d'aubes d'un turbomoteur dépourvu de ces inconvénients, comprenant un conduit s'étendant d'un 10 point de prélèvement de gaz frais auxdites aubes et passant par un rotor du turbomoteur, et original en ce que le conduit est divisé en deux branches parallèles dont une première branche reste passante et une seconde branche est pourvue d'une valve située dans le rotor, et la valve comprend un clapet de fermeture de la seconde branche, se déformant par flambage élastique sous ses propres efforts centrifuges, lors du franchissement d'un 15 seuil de vitesse de rotation du rotor, ce seuil étant inclus dans une plage de vitesses de rotation de fonctionnement du turbomoteur, pour rendre la seconde branche passante. La caractéristique de fonctionnement de cette valve est que le flambage élastique ouvre complètement la seconde branche dès que le seuil de vitesse de rotation est dépassé. On obtient donc un système à deux états extrêmes sans états 20 d'intermédiaires, dans lequel la seconde branche est soit fermée, soit ouverte. La commutation est complète, rapide, réversible et le seuil est invariable car il ne dépend que des caractéristiques géométriques de clapet, de son matériau et de son montage -encastré ou rotulant - dans le circuit. Ces paramètres seront définis en fonction du régime seuil que l'on souhaite obtenir pour ce turbomoteur La simplicité du dispositif réduit ou élimine 25 complètement les risques de pannes ou d'avaries ; un débit suffisant est garanti pour les hauts régimes du moteur ; et une économie du débit de ventilation est aussi assurée aux régimes plus bas. Dans une réalisation préférée de l'invention, le clapet est une languette ayant un bord radialement extérieur fixé au rotor et un bord radialement intérieur libre, et le circuit comprend un becquet, délimitant une portion de la seconde branche, en appui 3 sur une face latérale de la languette au-dessous dudit seuil ; et de préférence, la languette est plane et d'orientation radiale au-dessous dudit seuil, ce qui permet de bien maîtriser des paramètres de fonctionnement de la valve. Le becquet assure le bon positionnement initial du clapet, et force le flambage du clapet sur le côté opposé au becquet. Selon une autre disposition avantageuse, le circuit comprend encore une cellule dans laquelle le clapet est logé, cette cellule étant limitée par une face d'arrêt sur laquelle s'appuie le clapet au-dessus dudit seuil de vitesse, afin de limiter ses déformations pour s'assurer de l'absence de déformation plastique dans le clapet. Un autre aspect de l'invention est un turbomoteur pourvu de ce circuit 10 de ventilation. L'invention sera maintenant décrite en détail dans ses différents aspects, caractéristiques et avantages au moyen des figures suivantes, qui en illustrent une réalisation particulière : - la figure 1 est une vue générale d'un circuit de ventilation équipé de 15 l'invention et monté dans un turbomoteur ; - les figures 2 et 3 illustrent les caractéristiques plus spécialement originales de l'invention, à un état fermé, puis un état ouvert de la valve. La figure 1 représente schématiquement un turbomoteur équipé d'un rotor 1 et d'un stator 2 qui l'entoure ; des compresseurs 3, une chambre de combustion 4 20 et des turbines 5 se succèdent le long de l'axe X du moteur, et de rotation de rotor 1. Des gaz traversent les compresseurs 3, la chambre de combustion 4, puis les turbines 5 en s'écoulant le long d'une veine 6 annulaire s'étendant entre le rotor 1 et le stator 2. Un circuit de ventilation 7 s'étend d'un point de prélèvement 8 de gaz frais, généralement d'une portion du débit du gaz de la veine 6 à l'endroit des compresseurs 3, à une chambre 25 de distribution 9 formée dans le rotor 1 et qui communique à des évidements centraux d'aubes 10, solidaires du rotor 1 d'une des turbines 5. La pression de compression de ce gaz frais lui permet de rentrer et circuler dans le conduit du circuit de ventilation 7 sans [GF(AEl] devoir être aspiré par l'aval du circuit, puis de se déverser dans la chambre de distribution 9 et d'entrer dans des cavités des aubes 10, qu'il refroidit puisqu'il est à une 30 température beaucoup plus faible que celle des turbines 5. Le gaz peut ensuite sortir des 4 aubes 10 par des perçages de leur paroi extérieure et revenir ainsi à la veine 6, ou par une branche aval du circuit de ventilation 7 selon les réalisations. En variante, le gaz peut entrer en contact avec des pieds d'aubes pleines qui communiqueraient avec la chambre de distribution 9. Le circuit de ventilation 7 considéré dans l'invention s'étend au moins en partie dans le rotor 1, après avoir éventuellement traversé la veine 6 le long d'un bras radial 11. L'agencement caractéristique, comprend un dédoublement du conduit de ventilation 7 en une branche principale 12 et une branche auxiliaire 13, la branche auxiliaire 13 comprenant une valve 14 dans le rotor 1. Les branches 12 et 13 peuvent se réunir ensuite 10 avant d'arriver à la chambre de distribution 9. On se reporte maintenant aux figures 2 et 3. Dans la réalisation particulière qu'on représente, les branches 12 et 13 se divisent juste avant l'extrémité du bras radial 11 qui aboutit au rotor 1, et elles entrent dans le rotor 1 après avoir traversé le jeu à cet endroit par un joint à labyrinthe 15 qui les sépare l'une de l'autre, et deux autres 15 joints à labyrinthe 16 et 17, qui séparent les branches 12 et 13 de l'atmosphère environnante, tous ces joints à labyrinthe 15, 16 et 17 étant répartis entre le rotor 1 et le bras radial 11. La valve 14 s'étend à l'entrée de la branche auxiliaire 13 dans le rotor 1 ; elle est limitée d'un côté par une paroi continue 18 de direction radiale, et d'un côté opposé par un becquet 19, situé dans le prolongement du joint à labyrinthe 15 médian, de direction 20 globalement radiale mais s'incurvant vers la paroi continue 18. Le becquet 19 s'étend vers l'axe X (dans le sens radial intérieur) d'un raccord à une paroi 24 du rotor 1 faisant face à l'extrémité du bras radial 11, et que traversent les branches 12 et 13, à une extrémité libre. Le volume s'étendant entre la paroi continue 18 et le becquet 19 est une cellule 20 qu'occupe un clapet 21, en forme de languette plane à sa position de repos. La branche 25 auxiliaire 13 débouche dans la cellule 20 entre le clapet 21 et le becquet 19 par un orifice 26. Le becquet 19 sépare la cellule 20 d'une chambre 22 délimitée par le rotor 1, dans laquelle débouche la branche principale 12, et en aval de laquelle le circuit de ventilation 7, réunifié, continue dans le rotor 1 vers la chambre 9. La cellule 20 débouche dans la chambre 22 au-delà de l'extrémité libre du becquet 19. 5 Le clapet 21 comprend une extrémité encastrée 23 dans la paroi 24 du rotor 1, et une extrémité libre 25, opposée à la précédente et s'étendant dans la cellule 20. Le clapet 21 s'étend donc d'une position radiale extérieure à une position radiale intérieure entre les extrémités 23 et 25. Il est tangent au becquet 19 à une partie intermédiaire à l'état de la figure 2. L'air de ventilation peut alors accéder au rotor 1 seulement par la branche principale 12, la branche auxiliaire 13 étant fermée par le contact entre le becquet 19 et le clapet 21, et son débit est donc nul ou limité à des fuites. Cette situation correspond à une vitesse de rotation modérée du rotor 1 (observée entre autres aux régimes de croisière), pour laquelle l'échauffement des aubes 10 n'est pas très important, de même 10 que l'importance du refroidissement qu'elles doivent subir. Le becquet 19 assure en outre le bon positionnement initial du clapet, force le flambage du clapet sur le côté opposé au becquet, vers la face incurvée 27. L'autre état de la valve 14 du dispositif est représenté à la figure 3 et s'observe à des vitesses de rotation plus importante du rotor 1 : ces vitesses correspondent 15 à des régimes (correspondant entre autres aux décollages) pour lesquels l'échauffement des aubes 10 est plus important, et pour lesquels, conformément à l'invention, le clapet 21, soumis à des efforts de compression plus important par les forces centrifuges, subit un flambage qui l'éloigne du becquet 19 et le plaque contre une face incurvée 27 de la paroi extérieure 18, ouvrant un débouché vers la chambre 22 à l'orifice 26 et ouvrant donc la 20 branche auxiliaire 13. Le débit passant par le circuit de ventilation 7 subit alors une augmentation immédiate qui permet d'augmenter le refroidissement des aubes 10. La déformation du clapet 21 étant un flambage qui est une déformation de nature instable, s'accroissant tant que l'effort exercé subsiste jusqu'à ce qu'une butée soit atteinte, la commutation entre les états des figures 2 et 3 s'effectue rapidement et sans état 25 intermédiaire. La face incurvée 27 est dessinée pour permettre de limiter la déformation du clapet 21, de façon à ce qu'elle ne se plastifie pas et que le flambage reste élastique. Ainsi, le retour à l'état de la figure 2 s'opère dès que la vitesse de rotation diminue sous le seuil de transition. Ce dispositif complètement passif est particulièrement simple et fiable, 30 mais dans le cas d'une rupture du clapet 21, un état d'ouverture permanent de la branche 6 auxiliaire 13, équivalent à celui de la figure 3, devrait être atteint, en évitant donc la situation dangereuse pour les aubes 10 d'une ventilation insuffisante à régime de rotation élevé du moteur, au prix seulement d'une REVENDICATIONS1) Circuit de ventilation d'aubes (10) d'un turbomoteur, comprenant un conduit (7) s'étendant d'un point de prélèvement (8) de gaz frais auxdites aubes et passant par un rotor (1) du turbomoteur, caractérisé en ce que le conduit est divisé en deux branches parallèles dont une première branche (12) reste passante et une seconde branche (13) est pourvue d'une valve (14) située dans le rotor, et la valve comprend un clapet (21) de fermeture de la seconde branche, se déformant par flambage élastique, se déformant par flambage élastique sous ses propres efforts centrifuges, lors du franchissement d'un seuil de vitesse de rotation du rotor, ce seuil étant inclus dans une plage de vitesses de rotation de fonctionnement du turbomoteur, pour rendre la seconde branche passante. 2) Circuit de ventilation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le clapet (21) est une languette ayant un bord radialement extérieur (23) fixé au rotor (1) et un bord radialement intérieur (25) libre, et le circuit comprend un becquet (19), délimitant une portion de la seconde branche, en appui sur une face latérale de la languette au- dessous dudit seuil. 3) Circuit de ventilation selon la revendication 2, caractérisé en ce que la languette est plane et d'orientation radiale au-dessous dudit seuil. 4) Circuit de ventilation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une cellule (20) dans laquelle le clapet est logé, la cellule étant limitée par une face d'arrêt (27) du clapet, sur laquelle s'appuie le clapet au-dessus dudit seuil de vitesse, afin de limiter les déformations du clapet en s'assurant de l'absence de déformation plastique dans le clapet. 5) Turbomoteur, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de ventilation selon l'une quelconque des revendications précédentes.