Brevet FR3103532A1 — publié le 20210528

Vanne de décharge (30) pour turbomachine (10), comportant un boîtier fixe (31) définissant un conduit interne et relié à une entrée d’air et à une sortie d’air, un organe mobile (34) entre au-moins deux positions, respectivement d’ouverture et de fermeture dudit conduit, un espace annulaire (44) audit boîtier (31), configuré pour être alimentée en gaz sous pression (42) en vue du déplacement dudit organe (34) entre ses deux positions. Ledit organe mobile (34) comprend une portion tubulaire qui délimite intérieurement un passage d’écoulement d’air (32) de décharge, et qui est entourée par ledit espace annulaire (44). Figure de l’abrégé : figure 4a VANNE DE DECHARGE A PISTON A CONDUIT INTERNE Domaine technique de l’invention La présente invention concerne une vanne de décharge pour une turbomachine en particulier d’aéronef. Arrière-plan technique Une turbomachine à double flux comprend une veine d’écoulement d’un flux primaire (ou flux chaud) et une veine d’écoulement d’un flux secondaire (ou flux froid). Il est connu d’équiper une telle turbomachine de vannes de décharge, parfois désignées par leur acronyme anglais VBV (Variable Bleed Valve) ou appelées vannes air (car elles ouvrent ou ferment des canalisations air). Ce sont classiquement des vannes de type tout ou rien (fermées ou ouvertes). De manière classique et bien connue en soi, et comme l'illustre la qui est une vue schématique en coupe axiale d'un turboréacteur à double corps 10, un tel turboréacteur comporte en général, de l'amont vers l'aval selon la direction d'écoulement des gaz, un compresseur basse pression 12, un compresseur haute pression 14 (core HP), une chambre de combustion 16, une turbine haute pression 18 et une turbine basse pression 20, qui définissent une veine d’écoulement d’un flux primaire 22 de gaz et forment le compartiment central 15 (à repérer sur la ) (« zone core ») du turboréacteur. Dans le cas des turboréacteurs à double flux, le turboréacteur comporte en outre une soufflante 24 carénée par une nacelle 26 pour générer un flux secondaire 28 traversant une veine d'écoulement secondaire annulaire, définie entre la nacelle 26 et le compartiment central 15 du turboréacteur. La pression P I dans la veine d’écoulement de flux primaire et supérieure à la pression P II dans la veine d’écoulement de flux secondaire. Les vannes de décharge 30 se situent classiquement dans le compartiment central 15 (« zone core ») de la turbomachine, plus particulièrement à proximité d’un compresseur, et sont destinées à réguler le débit d’entrée d’air dans la veine primaire afin notamment de limiter les risques de pompage du compresseur de la turbomachine en permettant l'évacuation ou la décharge d’un flux d’air dans la veine secondaire. Le pompage est un phénomène aérodynamique bien connu de toute personne du métier, intervenant dans un compresseur : lorsque la différence de pression entre l'entrée et la sortie du compresseur est trop élevée, des instabilités (appelée décollements) apparaissent au niveau des aubes du compresseur. Si ce phénomène de décollement est trop important, le flux de gaz généré dans le compresseur ne permet plus de pousser ledit gaz dans le bon sens, et la partie « haute pression » du compresseur (la sortie) se vide dans sa partie « basse pression » (l'entrée). Dans certains cas extrêmes, on peut observer une inversion du sens d'écoulement. Le phénomène de pompage réduit les performances des compresseurs, et peut également être destructeur pour les aubes du compresseur. Le pompage est l'un des problèmes les plus graves auxquels un pilote peut avoir à faire face, car il se produit assez généralement au moment du décollage de l’aéronef. Par ailleurs, en cas de pénétration accidentelle dans la veine primaire d'eau, notamment sous forme de pluie ou de grêle, ou encore de débris divers qui sont susceptibles de nuire au fonctionnement de la turbomachine, ces vannes permettent de récupérer cette eau ou ces débris qui sont alors centrifugés et acheminés jusqu’à la veine secondaire pour être éjectés. Ainsi, chaque moteur aéronautique est muni de systèmes pour le déchargement du compresseur sous forme de vannes classiquement actionnées par des actionneurs électro- pneumatiques. Classiquement, les vannes de décharge sont donc des vannes tout ou rien à actionnement électro-pneumatique, et sont aujourd’hui toutes construites sur le même schéma : un piston au centre d’un boîtier fixe autour duquel s’écoule un air de décharge lorsque la vanne est ouverte. Lorsque la vanne est ouverte, les parois extérieures de celle-ci s’échauffent fortement et atteignent la température de l’air en entrée de la vanne (l’air issu de la veine primaire), soit 300-500°. Il en résulte un rayonnement dans le compartiment où est placée la vanne et cela rend très difficile d’accoler à la vanne de décharge, un actionneur électro-pneumatique muni d’une électrovanne pour la commander. Il serait possible d’intercaler une cale thermique entre la vanne de décharge et son électrovanne, mais cette solution n’est pas fiable car les cales thermiques se dégradent avec le temps. Ainsi, la solution retenue couramment est que les vannes sont fixées dans le compartiment central de la turbomachine mais sont commandées par un équipement dédié, appelé contrôleur, placé en zone froide, par exemple dans le compartiment fan. Ceci permet d’éviter tout problème thermique et d’éviter de dépasser la température limite de fonctionnement de l’électrovanne de l’actionneur électro-pneumatique du contrôleur. Toutefois, cet éloignement peut engendrer des imprécisions au niveau de la commande et nécessite de longues conduits fluidiques (ici des canalisations d’air) qui peuvent être encombrants et dans lesquels on observe des phénomènes de condensation. La présente invention propose une solution à ce problème. A cet effet, la présente invention propose une vanne de décharge pour turbomachine, comportant - un boîtier fixe définissant un conduit interne et relié à une entrée d’air et à une sortie d’air, - un organe mobile entre au-moins deux positions, respectivement d’ouverture et de fermeture dudit conduit, - un espace annulaire audit boîtier, configuré pour être alimenté en gaz sous pression en vue du déplacement dudit organe entre ses deux positions ouverte et fermée, ledit organe mobile comprenant une portion tubulaire qui délimite intérieurement un passage d’écoulement d’air de décharge, et qui est entourée par ledit espace annulaire, l’organe mobile comprenant un bulbe central à profil aérodynamique, relié à une paroi de l’organe mobile par une grille. Le gaz présent dans l’espace annulaire permet d’isoler les parois du boitier fixe de l’air de décharge chaud. Ceci permet donc d’empêcher le réchauffement intense des parois du boîtier externe et de les maintenir à une température moyenne. Le dispositif selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : la portion tubulaire peut comporter une partie cylindrique et une partie tronconique, le bulbe central peut être relié à la paroi de la partie tronconique de l’organe mobile, le bulbe central peut être configuré pour coopérer avec un siège annulaire dudit boîtier en vue de la fermeture étanche dudit canal, l’organe mobile peut être muni de moyens d’étanchéité entre les extrémités longitudinales de la portion tubulaire de l’organe mobile et le boîtier. Selon une alternative de l’invention, l’organe mobile peut comprendre un bulbe central à profil aérodynamique, relié à une paroi de l’organe mobile par une rangée annulaire de bras. L’invention a également pour objet un dispositif de décharge comportant une vanne telle que décrite ci-dessus, caractérisé en ce qu’il comprend un actionneur électro-pneumatique fixé au boîtier de la vanne. L’actionneur électro-pneumatique peut être fixé au boîtier au niveau de l’espace annulaire. La présente invention a finalement pour troisième objet, une turbomachine comportant un dispositif tel que décrit ci-dessus. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la est vue schématique en coupe axiale d'un turboréacteur à double corps, la est une vue schématisée d’une coupe longitudinale d’une vanne de décharge selon l’état de la technique et d’un actionneur électro-pneumatique associé, la vanne étant en position fermée, la est une vue schématisée d’une coupe longitudinale de la vanne de la en position ouverte, la est une vue schématisée de coupe longitudinale de 3/4 d’une vanne de décharge selon l’invention en position fermée, la est une vue schématisée de coupe longitudinale de face d’une vanne de décharge selon l’invention en position fermée, la est une vue schématisée de coupe longitudinale similaire à la d’une vanne de décharge selon l’invention en position ouverte la est une vue schématisée de coupe longitudinale similaire à la d’une vanne de décharge selon l’invention en position ouverte. Description détaillée de l’invention Comme visible sur la , une vanne 30 selon l’état de la technique présente un boîtier fixe 31 de forme générale de cylindre, d’axe de révolution X. La vanne 30 s’étend sensiblement radialement par rapport à l’axe longitudinal de la turbomachine 10, entre la veine de circulation de flux primaire 22 (dans laquelle règne une pression PI) et la veine de circulation du flux secondaire 28 (dans laquelle règne une pression PII). La pression PII est inférieure à la pression PI. Le boîtier 31 comporte une cavité 32 ouverte aux deux extrémités du boîtier 31, permettant de relier les deux veines de circulation de flux primaire et secondaire 22, 28. La vanne 30 selon l’état de la technique, présente une extrémité distale 30D débouchant dans la veine secondaire 28 formant sortie d’air, et une extrémité proximale 30P débouchant dans la veine primaire 22 formant entrée d’air. Lorsque la vanne 30 est ouverte (voir , par exemple), l’extrémité proximale 30P et l’extrémité distale 30D sont mises en communication fluidique : les deux veines de circulation de flux primaire et secondaire 22, 28 sont donc également mises en communication fluidique et l’air quitte la veine primaire 22 pour aller dans la veine secondaire 28 du fait de la différence de pression (puisque PII Un organe mobile 34 (ici une soupape) déplaçable en translation le long de l’axe X est logé dans la cavité 32. Cet organe mobile 34 est de forme générale cylindrique et permet de fermer, le cas échéant, la vanne 30 en coopérant avec un goulot d’étranglement de la cavité 32. L’organe mobile 34 est lié à un moyen de rappel (ici entouré d’un ressort de rappel) 36 qui, lorsqu’il se détend, ouvre la vanne 30. Lorsque la vanne 30 est en position ouverte, l’air de décharge circule autour de l’organe mobile 34, comme visible sur la . Lorsque la vanne 30 est en position fermée (voir ), les deux veines primaire et secondaire 22,28 sont isolées. La vanne 30 s’ouvre avec une translation de l’organe mobile 34 vers l’extrémité distale 30Dde la vanne 30. L’organe mobile 34 formant soupape, présente une forme allongée de révolution. Cet organe mobile 34 comporte une partie proximale constituant le siège de la soupape coopérant avec le goulot d’étranglement de la cavité 32, et une partie distale constituant un piston, les deux extrémités étant reliées par une tige. Ledit piston coulisse dans une cavité centrale interne du boitier 31. Le piston sépare ainsi la cavité centrale interne en deux chambres internes, la chambre interne inférieure 37 et la chambre interne supérieure 39. La chambre interne supérieure 39 présente une ouverture 38 débouchant sur un canal relié à un port de sortie d’air d’un « contrôleur-actionneur » électro-pneumatique 40. Le contrôleur-actionneur 40 peut prendre deux configurations : une configuration d’ouverture de la vanne 30 et une configuration de fermeture de la vanne 30. Le contrôleur-actionneur 40 permet, en changeant de configuration, d’ouvrir ou de fermer la vanne 30 en modifiant l’équilibre des pressions au sein de celle-ci. Le changement de configuration du contrôleur-actionneur 40 est induit par une électrovanne 41 comportant au moins une bobine électrique E. Lorsque le contrôleur-actionneur 40 est en configuration de fermeture de la vanne 30, du gaz sous pression (gaz de commande, ici de l’air) 42 est envoyé dans le canal, vers l’ouverture 38 et il règne une pression de commande P C dans la chambre interne supérieure 39. Cette pression P C est supérieure à la pression de la chambre interne inférieure 37, proche de la pression P II de la veine d’écoulement de flux secondaire 28, et la vanne 30 est maintenue en position fermée. C’est la configuration qu’illustre la . Lorsque le contrôleur-actionneur 40 est en configuration d’ouverture de la vanne 30 (non représenté), il n’y a plus de gaz de commande 42 envoyé vers l’ouverture 38, et la chambre interne supérieure 39 se retrouve à P atm . Comme la pression de la chambre interne inférieure 37 est supérieure à P amb (car égale à P I quand la vanne 30 est en position ouverte), le ressort 36 se détend et la vanne 30 s’ouvre. C’est la configuration de la . Comme mentionné plus haut, la distance entre la vanne de décharge 30 et le contrôleur-actionneur 40 est importante et peut être source de problèmes. Ainsi, la présente invention propose notamment de modifier la vanne 30 afin de permettre d’y accoler le contrôleur-actionneur 40 et de réduire cette distance. Selon l’invention, le boîtier fixe 31 définit un conduit interne, et l’organe mobile 34 de la vanne 30 selon l’invention n’est plus une soupape mobile au centre de la cavité 32, mais une couronne (ou portion tubulaire) délimitant intérieurement un passage d’écoulement d’air de décharge 32 par lequel s’écoule l’air déchargé de la veine de circulation de flux primaire 22 en direction de la veine de circulation de flux secondaire 28. Comme visible sur les figures 4a, 4b, 5a et 5b, la portion tubulaire de l’organe mobile 34 est formée de deux parties : une partie cylindrique distale et une partie tronconique proximale. Ainsi, le diamètre de l’organe mobile 34 augmente en direction de l’extrémité proximale 30P de la vanne 30. Ceci permet de libérer un espace annulaire 44 entre une paroi 46 de l’organe mobile 34 et une paroi 48 de la vanne 30. Cette espace annulaire 44 entoure le passage d’écoulement d’air 32 et forme une zone d’isolation. Comme visible sur les figures 4a et 4b et de manière semblable à la description de la , la vanne 30 est en position fermée lorsque l’organe mobile 34 est maintenu vers l’extrémité proximale 30P de la vanne, le ressort 36 étant compressé. L’organe mobile 34 est maintenu vers l’extrémité proximale 30P par l’entrée d’air de commande 42 à P c dans l’espace annulaire 44 via l’orifice 38 placé dans la paroi 48 de la vanne 30. Cet air de commande 42 exerce une pression sur la paroi 46 de la partie tronconique de l’organe mobile 34 et maintient la vanne 30 en position fermée, la pression P C étant supérieure à la pression P I de la veine d’écoulement de flux primaire 22. Le fait que l’organe mobile 34 comporte une partie tronconique proximale permet donc l’application d’une pression Pc de commande de fermeture de la vanne 30 sur l’organe mobile 34 et de renforcer la caractéristique isolante de l’espace annulaire 44. L’espace annulaire 44 permet ainsi de former une zone de refroidissement et permet de placer le contrôleur-actionneur 40 et son électrovanne 41 au contact de la vanne 30 en assurant son maintien à une température en dessous de la température limite malgré l’environnement moteur à température élevée et le passage d’air chaud dans la vanne 30 lorsque celle-ci est en position ouverte. Placer le contrôleur-actionneur 40 au contact de la vanne 30 permet un gain de masse très important du système pneumatique. De plus, on observe un gain fonctionnel car toute la chaine de commande de la vanne 30 (dont l’électrovanne 41 du contrôleur-actionneur 40) est sur un même équipement, ce qui simplifie les recherches de panne et les échanges en maintenance. Plus précisément, la fermeture de la vanne 30 se fait par un bulbe central 50 relié à la paroi 46 de l’organe mobile 34 par des bras 52 s’étendant radialement dans le canal de décharge 32. Dans un autre mode de réalisation (non représenté), les bras 52 peuvent être remplacés, par exemple, par une grille. On peut d’ailleurs considérer que les bras 52 constituent une grille présentant un pas très large. Lorsque la vanne 30 est en position fermée, le bulbe 50 vient coopérer et s’appuyer sur un siège 54 et il se produit un contact métal-métal assurant une très bonne étanchéité. La concentricité de l’association « bulbe 50 – siège 54 » est assurée par des moyens de guidage annulaires assurant également l’étanchéité (ici deux bagues de guidage faisant offices de joints d’étanchéité) 56, 58 situés entre la paroi 46 de l’organe mobile 34 et la paroi 48 de la vanne 30. La vanne 30 se ferme par le bas, ce qui permet d’avoir une vanne 30 refroidie en position fermée. L’étanchéité de l’association « bulbe 50 - siège 54 » est réalisée en entrée de la vanne 30 dans les sens d’écoulement du flux de décharge, du côté proximal 30P. La zone en amont de cette étanchéité est sensiblement à la température de l’air du flux primaire 22, donc très chaud (car il y a des phénomènes de recirculation d’air). La zone en aval de cette étanchéité est sensiblement à la température de l’air du flux secondaire 28 (donc plutôt froid). Dans la configuration présente, on voit bien que l’espace annulaire 44 (et donc le contrôleur-actionneur électropneumatique 40) est en aval de l’étanchéité. Ainsi, cet espace annulaire 44 est en ambiance froide quand la vanne 30 est en position fermée. Ceci est important car ce type de vanne de décharge 30 est presque toujours en position fermée lors du fonctionnement de la turbomachine et ceci permet donc de la maintenir à température basse. Comme visible sur les figures 5a et 5b, en l’absence de pression P c induite par l’entrée d’air de commande 42, la pression P I à l’extrémité proximale du passage 32 de la vanne 30, conjuguée à l’effort du ressort 36, repousse et soulève naturellement l’organe mobile 34 et la vanne 30 s’ouvre. La forme du bulbe 50, ainsi que la présence éventuelle d’un déflecteur (représenté sur la par une grille 60) en aval du siège 54 de la vanne 30, permettent de limiter la turbulence du débit de l’air de décharge lorsque la vanne 30 est en position ouverte et que les deux veines de circulation de flux primaire et secondaire 22, 28 sont mises en communication fluidique. Le ressort 36 permet ici d’ouvrir la vanne 30 en l’absence de pression dans le système (par exemple quand toutes les pressions sont égales, quand la turbomachine 10 est à l’arrêt). Vanne de décharge (30) pour turbomachine (10), comportant : un boîtier fixe (31) définissant un conduit interne et relié à une entrée d’air et à une sortie d’air, un organe mobile (34) entre au-moins deux positions, respectivement d’ouverture et de fermeture dudit conduit, un espace annulaire (44) audit boîtier (31), configuré pour être alimentée en gaz sous pression (42) en vue du déplacement dudit organe (34) entre ses deux positions, ledit organe mobile (34) comprenant une portion tubulaire qui délimite intérieurement un passage d’écoulement d’air (32) de décharge, et qui est entourée par ledit espace annulaire (44), caractérisée en ce que l’organe mobile comprend un bulbe central (50) à profil aérodynamique, relié à une paroi (46) de l’organe mobile (34) par une grille. Vanne (30) selon la revendication précédente, dans laquelle la portion tubulaire comporte une partie cylindrique et une partie tronconique. Vanne (30) selon la revendication 2, dans laquelle le bulbe central (50) est relié à la paroi de la partie tronconique de l’organe mobile (34). Vanne (30) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bulbe central (50) est configuré pour coopérer avec un siège annulaire (54) dudit boîtier en vue de la fermeture étanche dudit passage d’écoulement d’air (32). Vanne (30) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’organe mobile (34) est muni de moyens d’étanchéité (56, 58) entre les extrémités longitudinales de la portion tubulaire de l’organe mobile (34) et le boîtier (31). Dispositif de décharge comportant une vanne (30) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un contrôleur-actionneur électro-pneumatique (40) fixé au boîtier (31) de la vanne (30). Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le contrôleur-actionneur électro-pneumatique (40) est fixé au boîtier (31) au niveau de l’espace annulaire (44). Turbomachine (10) comportant un dispositif selon l’une quelconque des revendications 6 et 7.