Brevet FR3092141A1 — publié le 20200731

Description Titre de l'invention : Turbomachine comprenant un système antifléchissement d'un arbre du rotor utilisant de l'air comprimé. Domaine technique [0001] Le présent exposé concerne une turbomachine comprenant un système anti- fléchissement d'un arbre de rotor. [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 hélice) sont également des turbomoteurs utilisés comme moteur d'avion. [0003] On considère qu'une turbomachine est à l'arrêt lorsque la chambre de combustion est éteinte tandis qu'elle est en fonctionnement lorsque la chambre de combustion est allumée. Technique antérieure [0004] Les turbomachines telles que les turboréacteurs posent une problématique récurrente de dissipation de la chaleur une fois à l'arrêt. En effet, lors de leur fonctionnement, les turbomachines emmagasinent une quantité importante de chaleur, notamment dans les zones à proximité de leur chambre de combustion, qu'il faut dissiper. En fonctionnement, la rotation du rotor assure une dissipation de cette chaleur. Cependant, une fois la turbomachine à l'arrêt, la dissipation de la chaleur emmagasinée pose plusieurs problématiques. [0005] En effet, la chaleur emmagasinée, notamment dans la chambre de combustion, va na- turellement se propager au travers de la turbomachine, et va alors par un phénomène de convection se localiser essentiellement dans la partie supérieure de la turbomachine. Il en résulte une dilatation non homogène des différents composants, et notamment de l'arbre de la turbine haute pression, ce qui entraine un phénomène de flexion de l'arbre que l'on désigne communément sous l'appellation en langue anglaise « bowed rotor », ce phénomène étant d'autant plus important que l'arbre présente une longueur élevée et que la température de fonctionnement de la turbomachine augmente, [0006] Les solutions conventionnelles pour remédier à ce phénomène consistent à rallonger le temps de démarrage de la turbomachine, la chaleur étant alors dissipée par effet de ventilation réalisée par le démarreur. De tels procédés de démarrage rallongés ne sont 2 cependant plus acceptables au vu des contraintes imposées pour le démarrage des turbomachines, notamment en raison de l'augmentation du trafic aérien. 11 est rappelé que dans le principe de la ventilation, basé sur l'évacuation des calories du moteur, la rotation de l'arbre est supérieure à 100 rotations par minute [0007] Le présent exposé vise ainsi à proposer unc solution permettant de répondre au moins partiellement à cette problématique. Exposé de l'invention [0008] Un mode de réalisation concerne une turbomachine comprenant un carter et un arbre mobile en rotation par rapport au carter, la turbomachine étant caractérisée en ce qu'elle comprend une conduite d'air équipée d'au moins un volet, ladite conduite d'air étant configuréc, lorsque le au moins un volet est fermé, pour stocker de l'air sous pression, grâce à quoi la conduite d'air forme un réservoir d'air pressurisé, et un système d'entrainement pour entrainer l'arbre en rotation lorsque la turbomachine est à l'arrêt à l'aide de l'air pressurisé stocké dans le réservoir d'air pressurisé. [0009] On comprend que la conduite d'air (ci-après, et sauf indication contraire, « la conduite »), comprend un ou plusieurs volets. Par la suite, et sauf indication contraire, par « le volet » on entend « le au moins un volet ». Lorsque le volet est fermé, la conduite peut être totalement isolée et former une enceinte close, ou bien présenter une ou plusieurs ouverture(s) formant des ouvertures de fuite. On comprend qu'une telle ouverture de fuite autorise un débit d'air réduit, grâce à quoi la conduite reste sous pression pendant une durée prédéterminée lorsque le volet est fermé. En d'autres termes, la conduite permet dans une première configuration où le volet est ouvert de conduire de l'air, et dans une autre configuration, où le volet est fermé, de stocker de l'air sous pression et former ainsi un réservoir d'air pressurisé. Par exemple, l'air est stocké sous une pression de 15 bars, à température ambiante au sol. Bien entendu, la conduite est dimensionnée pour tenir mécaniquement à la pression. Par « volet » on entend tout dispositif permettant de fermer / ouvrir une ouverture, i.c. qui réalise une fonction de vanne. [0010] Un tel système permet de facilement emmagasiner de l'énergie sous forme d'air comprimé, par exemple pendant le fonctionnement de la turbomachine, et de la restituer pendant que la turbomachine est à l'arrêt pour faire tourner l'arbre. Ceci permet d'homogénéiser la température de l'arbre lorsqu'il est soumis à la chaleur résiduelle de la chambre de combustion, grâce à quoi on évite le phénomène de flexion de l'arbre par effet thermique. Ceci permet d'éviter les procédés de démarrage rallongés de l'état de la technique. [0011] Dans certains modes de réalisation, la turbomachine comprend une canalisation de fuite reliant la conduite d'air et le système d'entrainement, la section de la canalisation 3 de fuite étant inférieure ou égale à 50% de la section de la conduite d'air, par exemple inférieure ou égale à 20% de la section de la conduite d'air, par exemple compris entre 20% et 10% de la section de la conduite d'air. [0012] On comprend que la canalisation de fuite permet d'alimenter en continu, lorsque la turbomachine est à l'arrêt, le système d'entrainement, grâce au débit de fuite qu'elle permet. Cette configuration est particulièrement simple et efficace. [0013] Dans certains modes de réalisation, le système d'entrainement est configuré pour cntrainer l'arbre en rotation à une vitesse de rotation comprise entre 0,1 et 50 tours par minute, ou entre 0,1 et 20 tours par minute, ou encore entre 0,1 et 10 tours par minute, ou entre 0,1 et 5 tours par minute, ou entre 0,1 et 2 tours par minute, ou égale à 1 tour par minute. [0014] Ces vitesses de rotation sont intéressantes pour éviter le phénomène de flexion de l'arbre par effet thermique tout en ménageant les réserves d'air comprimé stocké dans le réservoir. [0015] Dans certains modes de réalisation, la turbomachine comprend en outre un embrayage permettant de sélectivement engager le système d'entrainement avec l'arbre. [0016] Ceci permet de faire tourner l'arbre uniquement lorsque cela est nécessaire, grâce à quoi on ménage les réserves d'air comprimé stocké dans le réservoir. [0017] Dans certains modes de réalisation, la conduite comprend un détendeur configuré pour alimenter le système d'entrainement en ah- comprimé à une pression sensiblement constante. [0018] Ceci permet d'assurer un fonctionnement stable du système d'entrainement, indé- pendamment de la pression d'air effective au sein du réservoir. [0019] Dans certains modes de réalisation, le système d'entrainement comprend une roue à aubes configurée pour tourner à 500 tours par minute ou moins, lorsqu'elle est alimentée par l'ah- pressurisé. [0020] En d'autres termes, la roue à aubes est configurée pour tourner à une vitesse prédé- terminée lorsqu'elle est alimentée en air pressurisé contenu dans le réservoir formé par la conduite. [0021] Dans certains modes de réalisation, la turbomachine comprend un démarreur pneumatique, le système d'entrainement comprenant le démarreur pneumatique, la roue à aubes appartenant au démarreur pneumatique. [0022] Un démarreur pneumatique est également connu par l'homme du métier sous le nom anglais « Air Turbine Starter » ou « ATS ». Pour le démarrage de la turbomachine, un tel démarreur et généralement alimenté en air comprimé par une turbine auxiliaire ou unité de puissance auxiliaire (également connue par l'homme du métier sous le terme anglais « Auxiliary Power Unit » ou « APU »), et est couplé avec l'arbre de la tur- bomachine pour l'entrainer à une vitesse de rotation prédéterminée de démarrage, en général une vitesse importante, par exemple plus de 100000 tours par minutes. [0023] Le système d'entraincment comprend le démarreur pneumatique pour faire tourner l'arbre, lorsque la turbomachine est arrêtée. Le démarreur comprend la roue à aubes configure° pour tourner à la vitesse prédéterminée lorsqu'elle est alimentée en air pressurisé contenu dans le réservoir formé par la conduite. Par exemple, le démarreur comprend deux roues à aubes, à savoir une roue connue par ailleurs utilisée pour le démarrage de la turbomachine, et la roue à aubes précitée, utilisée pour faire tourner l'arbre pendant que la turbomachine est arrêtée. Par exemple, un tel démarreur est un démarreur à deux voies d'air. [0024] Dans certains modes de réalisation, la turbomachine comprend un démarreur pneumatique, le système d'entrainement étant distinct du démarreur pneumatique. [0025] On comprend que le système d'entrainement est un système indépendant du démarreur. [0026] Dans certains modes de réalisation, la turbomachine comprend un démarreur pneumatique et une canalisation d'alimentation d'air de démarrage pour alimenter le démarreur pneumatique en air, ladite canalisation formant la conduite d'air. [0027] La canalisation d'alimentation d'air de démarrage est la canalisation qui s'étend entre la turbine auxiliaire et le démarreur pneumatique. Une telle configuration permet d'optimiser l'encombrement et la masse de la turbomachine. [0028] Dans certains modes de réalisation, la turbomachine comprend un corps haute pression, un corps basse pression, et un système de prélèvement d'air configuré pour prélever de l'air dans le corps haute pression et le conduire dans la conduite lorsque la turbomachine fonctionne. [0029] On comprend que le corps haute pression est l'ensemble formé par un compresseur haute pression, une turbine haute pression, et un arbre les reliant tandis que le corps basse pression est l'ensemble formé par un compresseur base pression, une turbine basse pression et un arbre les reliant. Bien entendu, les termes « haute » et « basse » pression sont à considérer relativement l'un à l'autre, la pression de l'air au sein du corps haute pression étant plus importante que la pression de l'air au sein du corps basse pression, et inversement. Une telle turbomachine est par exemple un turboréacteur double corps double flux, comprenant une veine primaire d'air et une veine secondaire d'air. Le système de prélèvement d'air prélève ainsi de l'air au sein de la veine primaire d'air. [0030] En fonctionnement, l'air au sein du corps haute pression est pressurisé. Une partie de cet air est prélevé et conduite par le système de prélèvement d'air vers la conduite afin d'y être stocké. [0031] Dans certains modes de réalisation, la turbomachine comprend un compresseur configuré pour comprimer de l'air destiné à être stocké dans la conduite pendant que la turbomachine fonctionne. [0032] Dans certains modes de réalisation, la turbomachine comprend un démarreur pneumatique, le démarreur pneumatique formant le compresseur. [0033] Un mode de réalisation concerne un procédé d'entrainement d'un arbre de tur- bomachine lorsque la turbomachine est à l'arrêt, dans lequel on stocke de l'air sous pression dans un réservoir d'air pressurisé pendant que la turbomachine est en fonctionnement, on arrête la turbomachine, et on entrainc ledit arbre en rotation à l'aide de l'air pressurisé et stocké dans le réservoir d'air pressurisé afin d'imposer un mouvement de rotation à l'arbre. [0034] Dans certains modes de réalisation, on cntrainc l'arbre en rotation à une vitesse de rotation comprise entre 0,1 et 50 tours par minute, ou entre 0,1 et 20 tours par minute, ou entre 0,1 et 10 tours par minute, ou entre 0,1 et 5 tours par minute, ou entre 0,1 et 2 tours par minute, ou entre 0,5 et 2 tours par minute, ou égale à 1 tour par minute. [0035] L'objet du présent exposé et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées. Brève description des dessins [0036] [fig.1] La figure 1 est une représentation schématique d'une turbomachine selon une première variante. [0037] [fig.2] La figure 2 est une représentation schématique d'une turbomachine selon une deuxième variante. [0038] [fig.3] La figure 3 est une représentation schématique d'une turbomachine selon une troisième variante. [0039] [fig.4] La figure 4 est une représentation schématique d'une turbomachine selon une quatrième variante. [0040] [fig.5] La figure 5 est une représentation schématique d'une cinquième variante. Description des modes de réalisation 100411 La figure 1 représente schématiquement une turbomachine 10, dans cet exemple un turboréacteur, selon une première variante, comprenant un carter 11 logeant un corps basse pression 12, un corps haute pression 14 et une chambre de combustion 16. Le 6 corps basse pression 12 comprend un compresseur basse pression 12A et une turbine basse pression 12B couplés en rotation par un arbre 12C. Le corps haute pression 14 comprend un compresseur haute pression 14A et une turbine haute pression 14B couplés en rotation par un arbre 14C. L'arbre 12C est coaxial à l'arbre 14C, et s'étend au travers de l'arbre 14C. Les arbres 12C et 14C sont mobiles en rotation autour de l'axe X de la turbomachine. La turbomachine 10 comprend également un démarreur pneumatique 18 alimenté en air par une turbine auxiliaire (ou unité de puissance auxiliaire) 20 via une canalisation d'alimentation d'air de démarrage 22 pour le démarrage de la turbomachine 10. Le fonctionnement de ces différents composants est bien connu, et ne sera pas décrit plus en détail ici. La canalisation 22 est configurée pour pouvoir accumuler de l'air sous pression. [0042] Les arbres 12C et 14C sont tournants par rapport au carter 11. Comme indiqué en in- troduction du présent exposé, ces arbres sont susceptibles de fléchir en raison de la chaleur accumulée dans la turbomachine en fonctionnement, dont la dissipation n'est pas assurée une fois la turbomachine à l'arrêt. [0043] La canalisation 22 qui forme une conduite d'air, et est équipée de volets 22A, 22B. Lorsque les volets 22A, 22B sont fermés, la conduite d'air 22 forme un réservoir d'air 22 capable de stocker de l'air sous pression. [0044] La turbomachine comprend un système d'entrainement 24 pour entrainer l'arbre 14C en rotation à une vitesse de rotation comprise entre 0,1 et 50 tours par minute lorsque la turbomachine 10 est à l'arrêt à l'aide de l'air pressurisé stocké dans le réservoir d'air 22. [0045] Sur l'exemple de la figure 1, le système d'entrainement 24 comprend le démarreur pneumatique 18, ce dernier étant équipé d'une roue à aubes 24A configurée pour tourner à 500 tours par minute ou moins lorsqu'elle est alimentée par l'air pressurisé contenu dans le réservoir 22. En d'autres termes, la roue à aubes 24A est utilisée pour faire tourner l'arbre 14C entre 0,1 et 50 tours par minute lorsque la turbomachine est à l'arrêt à l'aide de l'air pressurisé stocké dans le réservoir 22 d'air pressurisé. La roue à aubes 24A fait tourner l'arbre 14C par l'intermédiaire de l'arbre de transmission15 reliant le démarreur 18 à l'arbre 14C. Le démarreur 18 comprend également une roue à aubes 18A utilisée pour le démarrage de la turbomachine 10. Le démarreur 18 est un dispositif à deux voies d'air, une voie pour entrainer la roue 24A et une voie pour entrainer la roue 18A. La roue à aubes 18A du démarreur tourne à plusieurs milliers de tours par minute et reçoit un important débit d'air. Son objectif est d'atteindre 20% de la vitesse nominale de l'arbre du corps haute pression pour pouvoir faire démarrer le moteur. De fait elle est optimisée pour transmettre un couple important et une puissance de plusieurs dizaines de KW. La roue 24A tourne à un maximum de 500 tours et reçoit un débit très faible. Le faible débit reçu impose de minimiser au 7 maximum les pertes d'air / fuites au niveau de cette roue 24A. Le couple transmit est faible et la puissance transmise est de l'ordre d'une dizaine de watts. [0046] Sur l'exemple de la figure 1, la turbomachine 10 comprend un système de pré- lèvement d'air 26 configuré pour prélever de l'air dans le corps haute pression 14 (i.c. dans la veine primaire des gaz) et le conduire dans la conduite 22 lorsque la turhomachinc 10 fonctionne via une conduite d'alimentation 30. [0047] En utilisation, pour démarrer la turhomachinc 10 on alimente en air comprimé la roue à aubes 18A du démarreur 18, via la conduite 22, à l'aide de la turbine auxiliaire 20. Lorsque la turbomachine est démarrée, elle fonctionne pendant une période de fonctionnement, où notamment la chambre de combustion 16 est allumée (i.e. du carburant est Brulé). Pendant le fonctionnement de la turbomachine 10, par exemple durant une phase de décollage de l'aéronef sur lequel la turhomachinc est montée, les volets 22A et 22B sont fermés et le système de prélèvement d'air 26 prélève de l'air pressurisé dans le corps haute pression et l'envoie au sein de la conduite 22 pour stocker cet air prélevé au sein de la conduite 22. On note qu'un clapet and-retour 27, formant un volet, permet d'éviter tout retour d'air vers le corps haute pression. Ensuite, après la période de fonctionnement de la turhomachinc 10, lorsque la turhomachinc 10 est arrêtée, la roue à aubes 24A du système d'entrainement 24 est alimentée avec l'air comprimé stocké dans la conduite 22, grâce à quoi on entrainc l'arbre 14C en rotation à une vitesse de rotation comprise entre 0,1 et 50 tours par minute. Ceci permet d'homogénéiser la température de l'arbre 14C après une période de fonctionnement de la turbomachine 10, lorsqu'elle est arrêtée, l'arbre étant est soumis à la chaleur résiduelle de la chambre de combustion 16, et d'éviter ainsi les phénomènes de flexion de l'arbre. [0048] Une deuxième variante représentée sur la figure 2, diffère de la première variante uniquement en ce que la turbomachine 10' ne comprend pas de système de prélèvement d'air 26, mais un compresseur configuré pour comprimer de l'air destiné à être stocké dans la conduite 22 pendant que la turbomachine 10' fonctionne. Le clapet anti-retour 27 permet d'éviter tout retour d'air vers le compresseur. Dans l'exemple de la figure 2, le compresseur est formé par le démarreur 18, et plus particulièrement par la roue à aubes 18A du démarreur 18, qui est par exemple entrainé en rotation par une boite d'accessoire (aussi connue par l'homme du métier par le terme anglais Accessory Gear Box », ou « AGB ») non représentée. Selon une variante, la roue à aubes 24A du démarreur 18 est utilisée comme roue de compresseur. [0049] Une troisième variante représentée sur la figure 3, diffère de la première variante uniquement en ce que le démarreur 18 de la turbomachine 10" est distinct du système d'entrainement 24. Dans ce cas, le démarreur 18 ne comprend que la roue à aubes 18A tandis que la roue à aubes 24A est logée dans le système d'entrainement 24. 8 [0050] Une quatrième variante représentée sur la figure 4, diffère de la troisième variante uniquement en ce que la turbomachine 10"' ne comprend pas de système de prélèvement d'air 26, mais un compresseur configuré pour comprimer de l'air destiné à être stocké dans la conduite 22 pendant que la turbomachine 10w fonctionne. Le compresseur est formé dans cet exemple par le système d'entrainemcnt 24, et plus particulièrement par la roue à aubes 24A du système d'entrainement 24, qui est par exemple entrainé en rotation par une boite d'accessoire non représentée. Selon une variante, le compresseur est formé par le démarreur 18, et plus particulièrement par la roue à aubes 18A du démarreur 18. [0051] Le fonctionnement des deuxième, troisième et quatrième variantes est similaire au fonctionnement de la première variante et n'est donc pas décrit de nouveau. [0052] La figure 5 représente une cinquième variante où une conduite d'air 22' est équipée d'un seul volet 27 et d'une conduite de fuite 23, et forme un réservoir d'air pressurisé. Dans cet exemple, la conduite 22' s'étend au moins en partie dans la conduite 220 reliant la turbine auxiliaire 20 au démarreur pneumatique 18. Ainsi, la conduite 220 forme une « double peau » pour la conduite 22', renforçant la rigidité et réduisant l'encombrement global. Selon une variante, la conduite 22' ne s'étend pas dans la conduite 220. Le volet 27 est dans cet exemple le clapet anti-retour disposé dans la conduite d'alimentation 30. La canalisation de fuite 23 relie la conduite d'air 22' et le système d'entrainement 24, la section de la canalisation de fuite 23 étant comprise entre 20% et 10% de la section de la conduite d'air 22'. Une telle configuration peut être utilisée en remplacement de la conduite 22 des première, deuxième, troisième et quatrième variantes. [0053] Lorsque la turbomachine fonctionne, on stocke de l'air sous pression dans la conduite 22' via la conduite d'alimentation 30, grâce au système de prélèvement d'air 26 (de manière similaire à la première ou troisième variante) ou au compresseur 18 (de manière similaire à la deuxième ou quatrième variante). Lorsque la turbomachine est à l'arrêt, le clapet 27 est fermé, et la canalisation de fuite 23 procure un débit de fuite qui alimente en continu le système d'entrainement 24, tout en limitant la perte de pression au sein de la conduite/réservoir 22'. Ainsi, la conduite/réservoir 22' est configuré dans cet exemple pour stocker de l'air pressurisé pendant une durée prédéterminée. [0054] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des modes 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 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. Par exemple, la description 9 se réfère à un turboréacteur double corps double flux, mais le présent exposé est applicable à tout type de turbomachine (par exemple un turbomoteur, mais pas uniquement), de tout type de structure (par exemple simple corps simple flux, mais pas uniquement). [0055] TI est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé. 10