Brevet FR3115815A1 — publié le 20220506

La turbine de turbomachine à gaz s’étend autour d’un axe principal et comprend: - un stator, - un rotor comprenant une roue d’aubes, et - un circuit de ventilation. Le circuit de ventilation comprend : - au moins une centrifugeuse (30) agencée pour mettre de l'air en rotation et s’étendant le long d’un axe principal distant de l’axe principal de la turbine, - des injecteurs situés en aval de la centrifugeuse par référence à la direction d’un flux d’air dans le circuit de ventilation en fonctionnement et en amont d'une cavité interne qui débouche sur un disque du rotor, et - des ouvertures (46) agencées pour évacuer hors du circuit de ventilation des particules provenant de la centrifugeuse de sorte que les particules ne soient pas communiquées aux injecteurs. Figure pour l’abrégé : Fig. 3 Turbomachine équipée d’un circuit de ventilation des aubes de turbine DOMAINE DE L’INVENTION L'invention concerne les turbomachines à gaz, telles que les turboréacteurs d’avion, et en particulier le circuit de ventilation des turbomachines à gaz. ETAT DE LA TECHNIQUE Une turbine haute pression d'un turbomoteur d'avion comprend un disque de rotor disposé en sortie de la chambre de combustion et sur lequel sont montées des aubes de turbine entraînées en rotation par le flux de gaz éjectés par cette chambre. Du fait des températures élevées atteintes par les gaz de combustion, le disque de rotor et les aubes de turbine qu'il porte sont soumis à d'importantes contraintes thermiques pouvant induire des dilatations. Pour limiter l'impact négatif de ces contraintes sur la durée de vie des aubes, ces dernières sont munies de circuits internes de refroidissement qui comprennent des conduits parcourus par de l'air de ventilation. Cet air de ventilation est généralement prélevé radialement sous la chambre de combustion par des injecteurs d'air répartis en direction circonférentielle autour de l'axe longitudinal de la turbomachine. L'air de ventilation sortant des injecteurs pénètre dans une cavité formée par le flasque d'étanchéité et le disque de turbine en traversant des orifices formés dans le flasque. La cavité communique avec le fond d’une alvéole formée par la tête de disque et le pied d’aube, puis avec les circuits internes de refroidissement ménagés à l'intérieur des aubes. On pourra se référer à la demande FR-2 943 092 qui décrit des exemples d’une telle architecture de turbine haute pression. En même temps que l'air nécessaire au fonctionnement du moteur, des poussières diverses (en particulier du sable fin) peuvent être aspirées dans la turbomachine. Si la plupart des poussières traversent la turbomachine sans dommage, il arrive que certaines d'entre elles parviennent jusqu'aux circuits de refroidissement des aubes de turbine. Or leur accumulation à l'intérieur de ces circuits risque de boucher les orifices d'évacuation en sortie des cavités et ainsi de mettre en péril l'intégrité de l'aube. Pour empêcher ce phénomène, les aubes de turbine sont équipées, en plus des perçages et des évents de refroidissement, de trous de dépoussiérage calibrés dont le rôle est de garantir l'évacuation des poussières. Ces trous de dépoussiérage sont mis en place pour chacune des cavités. Le calibrage du trou est dicté par des critères de taille de poussière et est donc indépendant de la taille globale des aubes. Cependant, les trous de dépoussiérage ne peuvent en aucun cas prévenir l’accumulation de particules dans le fond de l’alvéole, ni même l’érosion des disques. De tels phénomènes ont pu être observés lors du démontage de turbines haute pression de certains moteurs. L’accumulation de particules de sable dans le fond de l'alvéole peut à terme réduire le débit de refroidissement entrant dans les circuits internes des aubages et donc diminuer le refroidissement de ceux-ci. Un but de l’invention est de réduire ou d’éviter cette érosion et cette accumulation. A cet effet, on prévoit une turbine de turbomachine à gaz s’étendant autour d’un axe principal et comprenant : - un stator, - un rotor comprenant une roue d’aubes, et - un circuit de ventilation, le circuit de ventilation comprenant : - au moins une centrifugeuse agencée pour mettre de l'air en rotation et s’étendant le long d’un axe principal distant de l’axe principal de la turbine, - des injecteurs situés en aval de la centrifugeuse par référence à la direction générale d’écoulement du flux d’air dans le circuit de ventilation en fonctionnement et orientés pour déboucher sur un disque du rotor, et - des ouvertures agencées pour évacuer hors du circuit de ventilation des particules provenant de la centrifugeuse de sorte que les particules ne soient pas communiquées aux injecteurs. Ainsi, la centrifugeuse permet de rassembler en périphérie du flux d’air une grande partie des poussières et des grains de sable qui s’y trouvent. Tout ou partie de ceux-ci sont alors facilement emportés par la fraction d’air évacuée par les ouvertures hors du circuit de ventilation. Comme cette évacuation a lieu en amont des injecteurs et donc aussi des aubes, on réduit l'érosion et l’accumulation de sable et de poussières en aval des injecteurs. L’invention pourra présenter au moins l’une des caractéristiques suivantes : - la centrifugeuse comprend un moyeu présentant une extrémité amont s’évasant en direction de l’aval ; - la centrifugeuse comprend des pales inclinées par rapport à l’axe principal de rotation de la centrifugeuse ; - la centrifugeuse comprend des pales à profil NACA ou tout autre type de pales réalisant la fonction de mise en rotation de l’air de ventilation, et - la centrifugeuse comprend des pales présentant chacune un bord d'attaque et un bord de fuite et agencées de sorte qu'une section de passage d’air de la centrifugeuse au niveau des bords d'attaque est plus grande qu’une section de passage d’air de la centrifugeuse au niveau des bords de fuite. Les profils NACA sont des profils aérodynamiques pour les ailes d'avion développés par le Comité consultatif national pour l'aéronautique (NACA, États-Unis). On pourra se référer à ce sujet par exemple à la page Wikipedia en français intitulée « Profil NACA ». Avantageusement, le circuit de ventilation comprend au moins deux centrifugeuses. Ainsi, la charge de la centrifugation se trouve répartie sur plusieurs centrifugeuses, pour une meilleure efficacité et une meilleure répartition du volume de ces organes dans la machine. On peut prévoir que les ouvertures sont conformées de sorte qu’un flux d’air traversant chaque ouverture soit orienté selon une direction parallèle à l'axe principal de rotation de la centrifugeuse. Cette configuration facilite l’évacuation des poussières et des particules mises en rotation dans le flux d’air centrifugé puisque le flux qui porte ces poussières et ces particules conserve sa composante axiale en passant par les ouvertures. Dans un mode de réalisation, le circuit de ventilation comprend un conduit adjacent à un tronçon aval de la centrifugeuse et présentant un diamètre externe amont strictement inférieur à un diamètre interne aval de la centrifugeuse. Le diamètre externe étant strictement inférieur à l'autre, leur égalité est exclue. De la sorte, grâce à cette différence de diamètre, on réduit la quantité de poussières et de grains de sable qui pourraient passer dans ce conduit. Par exemple, le conduit s'étend à l'intérieur du tronçon aval, les ouvertures d'évacuation étant formées dans un espace séparant le conduit et le tronçon aval. Cette disposition est particulièrement efficace pour l’évacuation des poussières et des grains de sable. On peut prévoir que le circuit de ventilation comprend au moins un distributeur s'étendant en aval de la centrifugeuse et en amont des injecteurs, le ou chaque distributeur étant en communication avec au moins deux des injecteurs respectifs. Ce distributeur facilite l’association d’une même centrifugeuse à plusieurs injecteurs. On prévoit également selon l’invention une turbomachine comprenant au moins une turbine selon l’invention, la turbine étant une turbine haute pression, la turbomachine comprenant en outre une turbine basse pression. La turbomachine peut former un turboréacteur ou un turbopropulseur d'aéronef. On prévoit aussi selon l’invention un procédé de ventilation d'aubes d'une turbine d'une turbomachine à gaz, dans lequel : - on met de l'air en rotation autour d'un axe principal distant d'un axe principal de la turbomachine, - une fraction de l'air mis en rotation est communiquée à des injecteurs, puis depuis les injecteurs à une cavité interne des aubes respectives, et - des ouvertures évacuent une autre fraction de l'air mis en rotation de sorte que cette autre fraction de l'air n’est pas communiquée aux injecteurs. DESCRIPTION DES FIGURES Nous allons maintenant présenter un mode de réalisation de l'invention à titre d'exemple non-limitatif à l'appui des dessins sur lesquels : La est une vue en coupe axiale d’un turboréacteur d’avion constituant un mode de réalisation de l’invention ; La est une vue à plus grande échelle du turboréacteur de la , montrant notamment le circuit de ventilation ; Les figures 3 et 4 sont des vues en perspective avec arrachement d’une partie de ce circuit de ventilation ; Les figures 5 à 7 sont trois autres vues du circuit de ventilation ; et La illustre certains organes du circuit. L'invention s'applique notamment aux turbines haute pression d'une turbomachine à double corps, telles que la turbine haute pression 2 d'un turboréacteur 1 d'avion représenté sur la . Le turboréacteur s’étend autour d’un axe longitudinal principal X-X. Il comprend un rotor 11 et un stator 12. Il comporte de gauche à droite, c’est-à-dire de l’amont vers l’aval par référence au flux de gaz qui s’écoule dans la veine principale en fonctionnement dans la turbomachine : une soufflante 9, un compresseur haute pression 5, une chambre de combustion 4, la turbine haute pression 2 et une turbine basse pression 3. La turbine haute pression 2 est dotée d’aubes 8. Elle est positionnée en sortie de la chambre de combustion 4 pour récupérer de l'énergie d'un flux de gaz de combustion issu de cette chambre et entraîner en rotation le compresseur haute pression 5 disposé en amont de la chambre et alimentant cette dernière en air sous pression. Comme illustré à la , la turbine haute pression 2 comprend un disque de rotor 6 centré sur l’axe longitudinal X-X et qui est disposé en sortie de la chambre de combustion 4. Les aubes 8 de la turbine sont montées sur le disque de rotor 6 et sont entraînées en rotation par le flux de gaz éjecté par cette chambre de combustion 4. La turbine 2 comprend également un flasque d'étanchéité 10 qui est centré sur l'axe longitudinal X-X et disposé en amont du disque de rotor 6. Ce flasque 10 est mobile en rotation et tourne avec le disque. Il porte un joint d'étanchéité à labyrinthe destiné à réaliser une étanchéité avec le carter 7 de la turbomachine. Par ailleurs, le flasque d'étanchéité 10 délimite avec le disque de rotor 6 une cavité annulaire de ventilation 24 destinée à recevoir de l'air de ventilation pour le diriger vers des cavités internes de refroidissement des aubes 8. A cet effet, des injecteurs d'air de ventilation 27, visibles sur la , sont régulièrement répartis suivant la direction circonférentielle autour de l'axe longitudinal X-X. Ils sont raccordés en amont à un espace annulaire 28 de contournement de la chambre de combustion 4, pour acheminer l'air de ventilation du compresseur vers la cavité de ventilation 24. Comme représenté sur la demie vue en coupe de la , l’espace annulaire 28 s’étend autour de la chambre de combustion 4. Plus précisément, l'air de ventilation sortant des injecteurs 27 pénètre dans la cavité 24 en traversant des orifices formés dans le flasque d'étanchéité 10. La cavité de ventilation 24 communique avec les circuits internes de refroidissement aménagés à l'intérieur des aubes de turbine 8. Nous allons maintenant décrire plus en détail le circuit de ventilation en amont des injecteurs 27. Cette partie du circuit et les injecteurs 27 est référencée globalement 26 sur la et illustrée en détail sur les autres figures 3 à 7. Centrifugeuse Le circuit de ventilation des aubes 8 comprend plusieurs centrifugeuses 30 telles que celle illustrée sur ces figures. Chaque centrifugeuse 30 est agencée pour mettre en rotation de l'air et présente un axe principal W-W de rotation distant de l’axe principal X-X de rotation de la turbomachine et parallèle à ce dernier. Chaque centrifugeuse comprend un moyeu conique ou ovoïde amont 32, une pointe du moyeu étant dirigée vers l'amont de sorte que l’extrémité du moyeu s’évase vers l’aval. Dans toute la suite de la description, les termes "amont" et "aval" font référence au flux d’air dans le circuit de ventilation. La centrifugeuse 30 comprend aussi des pales 34 inclinées par rapport à l’axe principal W-W de la centrifugeuse. Les pales sont à profil NACA. Elles présentent chacune un bord d'attaque 36 et un bord de fuite 38 agencés de sorte qu'une section de passage d’air de la centrifugeuse au niveau des bords d'attaque est plus grande qu’une section de passage d’air de la centrifugeuse au niveau des bords de fuite. Les pales sont par exemple au nombre de huit, ce nombre n’étant pas limitatif. Ces éléments de la centrifugeuse forment en l’espèce un stator de centrifugeuse rigide logé dans un tube 40 de la centrifugeuse en y étant rigidement fixés. La centrifugeuse a pour fonction d’accélérer et de mettre en rotation l’air chargé en particules. Cette fonction est assurée par le stator dont les pales inclinées 34 définissent une section de passage d’air au bord de fuite S BF beaucoup plus petite que la section de passage au bord d’attaque S BA . En outre, une accélération supplémentaire est produite par la différence de pression entre l’amont de la centrifugeuse et l’aval des injecteurs de turbine 27. Plutôt que de prévoir autant de centrifugeuses que d’injecteurs 27, il est préférable de mettre en place un petit nombre de centrifugeuses 30 alimentant chacune plusieurs injecteurs. Les turbines actuelles de ces moteurs possèdent en général 12 injecteurs 27. Ainsi il est plus judicieux de prévoir deux centrifugeuses 30 couplées chacune par un distributeur ou rampe 48 à six orifices avec six injecteurs, ou bien alors quatre centrifugeuses 30 alimentant chacune un distributeur 48 à trois orifices et donc trois injecteurs. Conduit et ouvertures Le circuit de ventilation comprend un conduit de transfert 42 adjacent à un tronçon aval du tube 40 de la centrifugeuse et présentant un diamètre externe amont DEM strictement inférieur à un diamètre interne aval DIV du tronçon aval de la centrifugeuse 30. Le tube 40 et le conduit 42 sont tous deux rectilignes et coaxiaux en l’espèce. Le conduit de transfert 42 s'étend à l'intérieur de ce tronçon aval. Le conduit de transfert a une section de passage d’air S transfert . Le tube 40 de la centrifugeuse est fixé sur le conduit de transfert par l’intermédiaire de raidisseurs de liaison formés par des bras de maintien 44 visibles notamment à la . Les bras sont par exemple au nombre de quatre. Ces bras 44 s’étendent dans l’espace annulaire ménagé entre la face interne du tube 40 de la centrifugeuse et la face externe du conduit de transfert située en regard. Les tronçons annulaires laissés vides entre les bras forment des ouvertures d’évacuation 46, en même nombre que les bras. Les ouvertures d'évacuation sont ainsi formées dans l'espace séparant en direction radiale le conduit 42 et le tronçon aval. Elles sont conformées de sorte qu’un flux d’air traversant chaque ouverture 46 a une direction parallèle à l'axe principal W-W de la centrifugeuse. Ce flux est ensuite évacué hors du circuit de ventilation. Les ouvertures 46 sont ainsi agencées pour évacuer hors du circuit de ventilation une fraction d'air provenant de la centrifugeuse 30 de sorte que cette fraction d'air n’est pas communiquée aux injecteurs 27. Distributeurs Le circuit de ventilation comprend en outre au moins un distributeur ou rampe tubulaire 48, et en l’espèce autant de distributeurs que de centrifugeuses 30, associés de façon bijective. Chaque distributeur 48 s'étend en aval du conduit de transfert 42 associé et donc de la centrifugeuse, et en amont des injecteurs 27. Le distributeur est fixé rigidement à une extrémité aval du conduit de transfert. Il est en communication avec plusieurs des injecteurs via des orifices respectifs 50 du distributeur. Chaque orifice 50 a une section de passage d’air S orifice et alimente un injecteur 27 respectif de section S injecteur . Chaque distributeur 48 a une forme générale en arc de cercle centré sur l’axe principal X-X de la turbomachine. Les différents distributeurs se font suite en direction circonférentielle autour de cet axe, sans communiquer directement les uns avec les autres, les extrémités des distributeurs étant obturées. L’intérêt des distributeurs d’alimentation alimentant chacun plusieurs injecteurs est de minimiser la masse et le nombre de pièces nécessaires à la mise en place du dispositif. Les injecteurs 27 sont situés en aval du distributeur associé et en amont d'une cavité interne des aubes respectives qu’ils alimentent en air de ventilation, comme le montre la . Fonctionnement Le procédé de ventilation des aubes 8 de la turbine haute pression de cette turbomachine à gaz est mis en œuvre comme suit. Chaque centrifugeuse 30 reçoit de l’air prélevé sous la chambre de combustion 4 comme illustré à la par la flèche 51. Elle met cet air en rotation autour de l’axe principal W-W, pour créer un tourbillon, comme illustré par les flèches 52. Dans ce flux tourbillonnaire, s’il se trouvent des poussières et des grains de sable, ils sont entrainés dans la partie du flux radialement la plus distante de l’axe W-W, de sorte qu’ils se trouvent au voisinage de la face interne du tube 40. Ils se trouvent ainsi principalement dans le tronçon annulaire de ce flux le plus distant de l’axe W-W. Les ouvertures 46 évacuent cette fraction de l’air hors du circuit de ventilation suivant les flèches 53 puisqu’elles se trouvent en regard de ce tronçon suivant la direction axiale. Ainsi, cette fraction de l'air n’est pas communiquée aux injecteurs 27. L’autre fraction de l'air mis en rotation, celle située le plus près de l’axe W-W, est communiquée au conduit 42 qui s’étend en regard suivant la direction axiale, comme le montre la flèche 54. Elle passe ensuite dans le distributeur 48 puis par ses orifices 50 et les injecteurs 27, pour finalement aboutir dans les cavités internes des aubes de la turbine haute pression à refroidir. En d’autres termes, au passage du stator, les particules subissent un effet centrifuge et traversent alors le tube 40 de la centrifugeuse de manière circulaire et proche de la paroi de celui-ci. Le diamètre interne du conduit de transfert 42 étant plus petit que le tube 40 de la centrifugeuse, les particules sont alors éjectées à travers la section entre les deux conduits. L’air ingéré dans le conduit de transfert 42 est alors faiblement concentré en particules et celui-ci permet d’alimenter les injecteurs par l’intermédiaire des orifices 50 de sortie du distributeur. L’invention permet donc de minimiser l’ingestion de particules, notamment de particules de sable, dans les aubes. Elle met en œuvre pour cela un processus de séparation air – particules dans la partie amont du circuit de ventilation de la turbine haute pression, notamment en amont des injecteurs de turbine. Elle peut être intégrée dans la cavité située sous la chambre de combustion. La différence de diamètre entre le tube de la centrifugeuse et le conduit de transfert devrait permettre de laisser passer la plus grande majorité des particules. Une distance radiale minimale de 2 mm entre les deux tubes est recommandée à cette fin. La longueur du tube de la centrifugeuse devrait être de l’ordre du centimètre. En effet, un tube trop long pourrait générer des efforts visqueux supplémentaires qui iraient dans le sens de diminuer l’effet centrifuge des particules. Les différentes sections de passage du dispositif devraient donc vérifier de préférence la relation suivante : La valeur de la section S injecteur est déterminée grâce au débit nécessaire au refroidissement de l’aubage. Cette valeur, associée au choix technologique du distributeur et au volume de la cavité sous la chambre de combustion, permet ensuite de déterminer les autres sections de passage du dispositif. L’invention permet d’éviter l’ingestion de particules en aval du circuit de ventilation afin de conserver un refroidissement efficace sur l’ensemble du circuit et pas uniquement dans les canaux d’aubages. L’intégration de ce dispositif permet de supprimer les trous de dépoussiérage situés sur les aubages et entraine ainsi un gain en débit de l’ordre de 0.5 %W25 sur un débit de refroidissement pour les aubages de 4.5 %W25 (soit un gain de 11 %). Ce gain se traduit par une diminution de consommation de carburant de 0.2 %. L’ensemble des disques du rotor de turbine est également préservé du phénomène d’érosion. L’invention peut être mise en œuvre sur toutes les turbines refroidies. Bien entendu, on pourra apporter à l’invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. On pourra varier la forme, l’agencement et le nombre des pales ou plus globalement la configuration de la centrifugeuse permettant la réalisation de la fonction de mise en rotation de l’air de ventilation. On pourra notamment varier la forme, l’agencement et le nombre des ouvertures d’évacuation. Il en est de même pour les distributeurs. Turbine de turbomachine à gaz (1) s’étendant autour d’un axe principal (X-X) et comprenant : - un stator (12), - un rotor (11) comprenant une roue d’aubes (8), et - un circuit de ventilation, le circuit de ventilation comprenant : - au moins une centrifugeuse (30) agencée pour mettre de l'air en rotation et s’étendant le long d’un axe principal (W-W) distant de l’axe principal (X-X) de la turbine, - des injecteurs (27) situés en aval de la centrifugeuse par référence à la direction générale d’écoulement du flux d’air dans le circuit de ventilation en fonctionnement et orientés pour déboucher sur un disque (6) du rotor, et - des ouvertures (46) agencées pour évacuer hors du circuit de ventilation des particules provenant de la centrifugeuse de sorte que les particules ne soient pas communiquées aux injecteurs (27). Turbine selon la revendication précédente dans laquelle la centrifugeuse (30) comprend un moyeu (32) présentant une extrémité amont s’évasant en direction de l’aval. Turbine selon au moins l’une des revendications précédentes dans laquelle la centrifugeuse (30) comprend des pales (34) inclinées par rapport à l’axe principal (W-W) de rotation de la centrifugeuse. Turbine selon au moins l’une des revendications précédentes dans laquelle la centrifugeuse (30) comprend des pales (34) ayant de préférence un profil NACA. Turbine selon au moins l’une des revendications précédentes dans laquelle la centrifugeuse (30) comprend des pales (34) présentant chacune un bord d'attaque (36) et un bord de fuite (38) et agencées de sorte qu'une section de passage d’air de la centrifugeuse au niveau des bords d'attaque est plus grande qu’une section de passage d’air de la centrifugeuse au niveau des bords de fuite. Turbine selon au moins l’une des revendications précédentes dans laquelle le circuit de ventilation comprend au moins deux centrifugeuses (30). Turbine selon au moins l’une des revendications précédentes dans laquelle les ouvertures (46) sont conformées de sorte qu’un flux d’air traversant chaque ouverture soit orienté selon une direction parallèle à l'axe principal (W-W) de rotation de la centrifugeuse (30). Turbine selon au moins l’une des revendications précédentes dans laquelle le circuit de ventilation comprend un conduit (42) adjacent à un tronçon aval (43) de la centrifugeuse (30) et présentant un diamètre externe amont (DEM) strictement inférieur à un diamètre interne aval (DIV) de la centrifugeuse. Turbine selon la revendication précédente dans laquelle le conduit (42) s'étend à l'intérieur du tronçon aval, les ouvertures d'évacuation (46) étant formées dans un espace séparant le conduit (42) et le tronçon aval. Turbine selon au moins l’une des revendications précédentes dans laquelle le circuit de ventilation comprend au moins un distributeur (48) s'étendant en aval de la centrifugeuse (30) et en amont des injecteurs (27), le ou chaque distributeur étant en communication avec au moins deux des injecteurs respectifs (27). Turbomachine comprenant au moins une turbine selon au moins l’une des revendications précédentes, la turbine (2) étant une turbine haute pression, la turbomachine comprenant en outre une turbine basse pression (3).