Brevet FR3134146A1 — publié le 20231006

Turbomachine comprenant une veine principale (I) comportant un compresseur principal (4), une chambre de combustion (5) à gain de pression, une turbine principale (6), comportant des aubages, et un circuit de refroidissement (20), comportant un point de prélèvement (21) afin de prélever une portion du fluide de travail destinée à former un fluide de refroidissement, et un réseau de distribution (22) configuré pour distribuer le fluide de refroidissement au niveau des aubages de la turbine principale (6) afin de les refroidir, dans laquelle le circuit de refroidissement (20) comprend un compresseur auxiliaire (24), prévu entre le point de prélèvement (21) et le réseau de distribution (22), et dans laquelle le circuit de refroidissement (20) comprend au moins un échangeur (23, 25) configuré pour refroidir le fluide de refroidissement en amont du réseau de distribution (22). Fig. 2. Turbomachine à chambre de combustion à gain de pression Le présent exposé concerne une turbomachine comprenant une chambre de combustion à gain de pression. Une telle turbomachine peut-être de tout type et peut notamment servir à la propulsion d’un aéronef. Dans le domaine de l’aéronautique, de nouvelles architectures moteur sont en permanence étudiées afin d’augmenter toujours plus les performances des moteurs tout en limitant leur consommation, leur masse et leur impact environnemental. Parmi les architectures envisagées figurent les architectures comprenant une chambre de combustion à gain de pression. En effet, dans une turbomachine conventionnelle, la chambre de combustion permet de générer une grande quantité de gaz brulés et d’augmenter très fortement la température du fluide de travail sans toutefois augmenter sa pression. A l’inverse, dans une telle chambre de combustion à gain de pression, la pression du fluide de travail est augmentée. Une telle augmentation de pression est avantageuse car elle permet d’augmenter le rendement de la turbomachine. Toutefois, elle présente également des inconvénients, rendant en particulier plus difficile le refroidissement des aubages de la turbine. En effet, dans une turbine conventionnelle, les aubages sont refroidis par un circuit de refroidissement prélevant de l’air « froid » (au sens relatif, c’est-à-dire plus froid par rapport à la température régnant dans la turbine) en sortie du compresseur, donc avant qu’il ne soit chauffé dans la chambre de combustion. Or, si la chambre de combustion de ces nouvelles architectures augmente la pression du fluide de travail, la pression régnant dans la turbine devient supérieure à celle de l’air de refroidissement prélevé en amont de la chambre de combustion, ce qui empêche ce dernier de parvenir jusqu’à la turbine et d’y être injecté, l’air de refroidissement circulant dans les canaux de la turbomachine grâce à la différence de pression entre le point de prélèvement et le point d’injection. Il existe donc un réel besoin pour une turbomachine du type à chambre de combustion à gain de pression qui soit dépourvue, au moins en partie, des inconvénients inhérents à la configuration connue précitée. Le présent exposé concerne une turbomachine, comprenant une veine principale, configurée pour être parcourue par un fluide de travail, comportant - un compresseur principal, - une chambre de combustion, prévue en aval du compresseur principal, et - une turbine principale, comportant des aubages, prévue en aval de la chambre de combustion, et un circuit de refroidissement, comportant - un point de prélèvement afin de prélever une portion du fluide de travail destinée à former un fluide de refroidissement, et - un réseau de distribution configuré pour distribuer le fluide de refroidissement au niveau des aubages de la turbine principale afin de les refroidir, dans laquelle la chambre de combustion est une chambre de combustion à gain de pression configurée pour augmenter la température et la pression du fluide de travail, dans laquelle le circuit de refroidissement comprend un compresseur auxiliaire, prévu entre le point de prélèvement et le réseau de distribution, configuré pour augmenter la pression du fluide de refroidissement, et dans laquelle le circuit de refroidissement comprend au moins un échangeur configuré pour refroidir le fluide de refroidissement en amont du réseau de distribution. Grâce à ce compresseur auxiliaire, il est possible d’augmenter la pression du fluide de refroidissement afin que ce dernier puisse atteindre la turbine principale et refroidir cette dernière malgré le gain de pression apporté par la chambre de combustion. Toutefois, un tel compresseur auxiliaire augmente nécessairement la température du fluide de refroidissement en même temps qu’il augmente sa pression, ce qui réduit son efficacité pour refroidir la turbine. Une première option imaginée par les inventeurs pour compenser cette augmentation de la température du fluide de refroidissement était d’augmenter le débit du fluide de refroidissement prélevé. Néanmoins, les inventeurs ont déterminé qu’une telle augmentation du débit nécessiterait une forte augmentation de la puissance de compression, réduisant ainsi fortement l’intérêt de la solution puisque l’augmentation de la puissance de compression vient nécessairement réduire d’autant la puissance utile générée par la turbomachine. Une deuxième option imaginée par les inventeurs, et retenue dans le présent exposé, est de mettre en place un ou plusieurs échangeurs au sein du circuit de refroidissement afin de refroidir le fluide de refroidissement et, ainsi, compenser au moins en partie l’augmentation de température entrainée par le compresseur auxiliaire. En fonction de la source froide utilisée, il est même possible de refroidir le fluide de refroidissement en-deçà de sa température de prélèvement, ce qui permet de réduire son débit et donc la puissance nécessaire à sa compression. Il est ainsi possible de doter la turbine d’une turbomachine à chambre de combustion à gain de pression d’un système de refroidissement efficace et économe, ce qui lève un verrou technologique majeur de cette nouvelle architecture moteur. Dans certains modes de réalisation, le point de prélèvement est prévu entre le compresseur principal et la chambre de combustion. Toutefois, en remplacement ou en complément, la veine principale peut comprendre un ou plusieurs points de prélèvement au niveau du compresseur principal. Dans certains modes de réalisation, le compresseur principal est le module tournant le plus proche de la chambre de combustion sur son côté amont. Autrement dit, aucun autre module tournant n’est prévu entre le compresseur principal et la chambre de combustion. Cela n’interdit pas toutefois que la veine principale de la turbomachine comprenne un ou plusieurs compresseurs supplémentaires : par exemple, la turbomachine peut comprendre un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, auquel cas le compresseur principal est le compresseur haute pression. Dans certains modes de réalisation, le compresseur principal est configuré de sorte que la pression du fluide de travail en sortie du compresseur principal soit comprise entre 0,15 et 5,0 MPa, de préférence comprise entre 0,8 et 2,0 MPa. Dans certains modes de réalisation, le compresseur principal est configuré de sorte que la température du fluide de travail en sortie du compresseur principal soit comprise entre 150 et 1000°C, de préférence comprise entre 500 et 800°C. Dans certains modes de réalisation, la chambre de combustion est configurée pour augmenter la pression du fluide de travail d’au moins 5%, de préférence d’au moins 20%. De préférence, cette augmentation de pression est inférieure à 50%. Dans certains modes de réalisation, la chambre de combustion est configurée de sorte que la température du fluide de travail en sortie de la chambre de combustion soit supérieure à 1000°C, de préférence supérieure à 1200°C. Dans certains modes de réalisation, la chambre de combustion est configurée pour être alimentée par du kérosène ou de l’hydrogène. Dans certains modes de réalisation, la turbine principale est le module tournant le plus proche de la chambre de combustion sur son côté aval. Autrement dit, aucun autre module tournant n’est prévu entre la chambre de combustion et la turbine principale. Cela n’interdit pas toutefois que la veine principale de la turbomachine comprenne une ou plusieurs turbines supplémentaires : par exemple, la turbomachine peut comprendre une turbine haute pression et une turbine basse pression, auquel cas la turbine principale est la turbine haute pression. Dans certains modes de réalisation, la turbine principale entraîne le compresseur principal en rotation. Dans certains modes de réalisation, la turbine principale comprend un ou plusieurs étages d’aubes mobiles et un ou plusieurs étages d’aubes fixes. Ces aubes peuvent notamment être réalisées en céramique. Dans certains modes de réalisation, le compresseur auxiliaire est configuré pour augmenter la pression du fluide de refroidissement d’au moins 8%, de préférence d’au moins 10%. Dans certains modes de réalisation, le compresseur auxiliaire est configuré pour augmenter la pression du fluide de refroidissement de manière à atteindre une pression au moins 3% plus importante, de préférence au moins 5% plus importante, que la pression en sortie de la chambre de combustion. On facilite ainsi l’écoulement du fluide de refroidissement jusque dans la turbine principale, y compris en cas de surpression locale au sein de la turbine principale. Dans certains modes de réalisation, le compresseur auxiliaire est configuré pour augmenter la pression du fluide de refroidissement de manière à atteindre une pression au plus 8% plus importante, de préférence au plus 5% plus importante, que la pression en sortie de la chambre de combustion. En effet, une compression trop importante augmente inutilement la puissance de compression requise, ce qui réduit le rendement de la turbomachine. Dans certains modes de réalisation, le compresseur auxiliaire est configuré pour augmenter la température du fluide de refroidissement d’au moins 100°C, voire même d’au moins 150°C. Dans certains modes de réalisation, le circuit de refroidissement est configuré de sorte que le débit du fluide de refroidissement soit compris entre 1% et 10%, de préférence compris entre 1% et 8% du débit du fluide de travail au niveau du point de prélèvement. De telles plages représentent de bon compromis entre efficacité du refroidissement et rendement de la turbomachine, le débit de prélèvement le plus faible possible étant visé. Dans certains modes de réalisation, le circuit de refroidissement débouche dans la veine principale au niveau des aubages de la turbine principale. Dans certains modes de réalisation, le réseau de distribution comprend des canaux de refroidissement prévus à l’intérieur des aubages de la turbine principale et des orifices de refroidissement prévus en surface des aubages de la turbine principale et alimentés par lesdits canaux de refroidissement. Dans certains modes de réalisation, le réseau de distribution parcourt au moins certaines aubes mobiles et au moins certaines aubes fixes de la turbine principale. Ainsi, de préférence, au moins les premières aubes de la turbine principale sont refroidies de la sorte car ce sont celles exposées aux températures les plus élevées. Toutefois, toutes les aubes de la turbine principale peuvent être refroidies de la sorte. Dans certains modes de réalisation, le circuit de refroidissement comprend au moins un échangeur en amont du compresseur auxiliaire et/ou au moins un échangeur en aval du compresseur auxiliaire. En particulier, il est possible d’obtenir un refroidissement plus important en disposant un premier échangeur en amont du compresseur auxiliaire et un deuxième échangeur en aval du compresseur auxiliaire. Dans certains modes de réalisation, au moins un échangeur est configuré pour entrer en contact avec un flux de carburant destiné à la chambre de combustion principale. Cette configuration est d’autant plus avantageuse qu’elle permet de réchauffer le carburant avant son introduction dans la chambre de combustion, ce qui facilite son inflammation. De plus, certains carburants, comme l’hydrogène, sont stockés à basse température et constituent donc des sources froides particulièrement efficaces pour refroidir le fluide de refroidissement. Le cas de l’hydrogène est tout particulièrement avantageux car un tel échangeur permet également d’assurer le réchauffage de l’hydrogène qui devrait sans cela être assuré par d’autres moyens. Dans certains modes de réalisation, la turbomachine comprend un circuit d’alimentation en carburant reliant une source de carburant à la chambre de combustion principale, le circuit d’alimentation passant par ledit au moins un échangeur. Cette source de carburant peut être un réservoir de carburant ou bien une entrée de carburant provenant de l’aéronef par exemple. Dans certains modes de réalisation, la source de carburant est configurée pour fournir du carburant à une température inférieure à 30°C, de préférence inférieure à 0°C. Cette température peut notamment correspondre à la température de stockage du carburant, notamment lorsque le carburant est de l’hydrogène. Dans certains modes de réalisation, au moins un échangeur est configuré pour entrer en contact avec au moins une portion du fluide de travail en amont de la chambre de combustion principale. Le fluide de travail est ainsi favorablement réchauffé avant son entrée dans la chambre de combustion. Dans certains modes de réalisation, cet échangeur est prévu le long du circuit de refroidissement en aval du compresseur auxiliaire. C’est en effet ici que le fluide de refroidissement est le plus chaud et donc que son écart de température avec le fluide de travail est le plus important. Dans certains modes de réalisation, cet échangeur est prévu le long de la veine principale en aval du compresseur principal. L’échangeur reste ainsi une zone à proximité du point de prélèvement, ce qui assure une certaine compacité au circuit de refroidissement. Dans certains modes de réalisation, au moins un échangeur est configuré pour entrer en contact avec un flux d’air froid, la température de ce flux d’air froid étant inférieure à 50°C. Dans certains modes de réalisation, la turbomachine comprend en outre une veine secondaire, distincte de la veine principale et concentrique à cette dernière, et une soufflante configurée pour accélérer un flux d’air secondaire dans la deuxième veine. La turbomachine est ainsi du type turboréacteur à double flux. Dans certains modes de réalisation, au moins un échangeur est configuré pour entrer en contact avec au moins une portion du flux d’air secondaire. La température de la veine secondaire est en effet inférieure à celle de la veine principale, même en amont de la chambre de combustion, ce qui permet de refroidir d’autant plus le fluide de refroidissement. De plus, le réchauffage de la veine secondaire n’impacte pas les performances de la turbomachine. Dans certains modes de réalisation, au moins un échangeur est configuré pour entrer en contact avec un flux d’air extérieur à la turbomachine. Cet air extérieur est en effet beaucoup plus froid que celui de la veine principale, ce qui permet de refroidir d’autant plus le fluide de refroidissement. De plus, cette configuration n’impacte pas non plus les performances de la turbomachine. En particulier, l’échangeur peut être disposé de manière à avaler une partie de la couche limite longeant le carter extérieur de la turbomachine. Dans certains modes de réalisation, au moins un échangeur est configuré pour entrer en contact avec un flux de lubrifiant destiné à lubrifier la turbomachine. Dans certains modes de réalisation, le fluide de travail est de l’air. Le présent exposé concerne également un aéronef, comprenant une turbomachine selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents. Dans certains modes de réalisation, l’aéronef comprend un réservoir de carburant, de préférence d’hydrogène, maintenu à une température inférieure à -250°C, au moins un échangeur du circuit de refroidissement étant configuré pour entrer en contact avec du carburant issu de ce réservoir de carburant. Dans le présent exposé, les termes « axial », « radial », « tangentiel », « intérieur », « extérieur » et leurs dérivés sont définis par rapport à l’axe principal de la turbomachine ; on entend par « plan axial » un plan passant par l’axe principal de la turbomachine et par « plan radial » un plan perpendiculaire à cet axe principal ; enfin, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation du fluide considéré dans la turbomachine. Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation de la turbomachine et de l’aéronef proposés. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés. Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé. Sur ces dessins, d’une figure à l’autre, des éléments (ou parties d’élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de référence. En outre, des éléments (ou parties d'élément) appartenant à des exemples de réalisation différents mais ayant une fonction analogue sont repérés sur les figures par des références numériques incrémentées de 100, 200, etc. La est un plan en coupe axiale d’un premier exemple de turbomachine selon le présent exposé. La est un schéma fonctionnel du corps haute pression de la turbomachine de la . La est un schéma fonctionnel du corps haute pression d’un deuxième exemple de turbomachine. La est un schéma fonctionnel du corps haute pression d’un troisième exemple de turbomachine. La est un plan en coupe axiale d’un quatrième exemple de turbomachine selon le présent exposé. La est un plan en coupe axiale d’un cinquième exemple de turbomachine selon le présent exposé. La est une vue schématique d’un aéronef équipé d’une turbomachine selon l’exposé. Turbomachine, comprenant une veine principale (I), configurée pour être parcourue par un fluide de travail, comportant - un compresseur principal (4), - une chambre de combustion (5), prévue en aval du compresseur principal (4), et - une turbine principale (6), comportant des aubages, prévue en aval de la chambre de combustion (5), et un circuit de refroidissement (20), comportant - un point de prélèvement (21) afin de prélever une portion du fluide de travail destinée à former un fluide de refroidissement, et - un réseau de distribution (22) configuré pour distribuer le fluide de refroidissement au niveau des aubages de la turbine principale (6) afin de les refroidir, dans laquelle la chambre de combustion (5) est une chambre de combustion à gain de pression configurée pour augmenter la température et la pression du fluide de travail, dans laquelle le circuit de refroidissement (20) comprend un compresseur auxiliaire (24), prévu entre le point de prélèvement (21) et le réseau de distribution (22), configuré pour augmenter la pression du fluide de refroidissement, et dans laquelle le circuit de refroidissement (20) comprend au moins un échangeur (23, 25) configuré pour refroidir le fluide de refroidissement en amont du réseau de distribution (22). Turbomachine selon la revendication 1, dans laquelle le point de prélèvement est prévu entre le compresseur principal (4) et la chambre de combustion (5) Turbomachine selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la chambre de combustion (5) est configurée pour augmenter la pression du fluide de travail d’au moins 5%, de préférence d’au moins 20%. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le compresseur auxiliaire (24) est configuré pour augmenter la pression du fluide de refroidissement de manière à atteindre une pression au moins 3% plus importante, de préférence au moins 5% plus importante, que la pression en sortie de la chambre de combustion. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le circuit de refroidissement (20) est configuré de sorte que le débit du fluide de refroidissement soit compris entre 1% et 10%, de préférence compris entre 1% et 8%, du débit du fluide de travail au niveau du point de prélèvement (21). Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le circuit de refroidissement (20) comprend au moins un échangeur (23) en amont du compresseur auxiliaire (24) et/ou au moins un échangeur (25) en aval du compresseur auxiliaire (24). Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle au moins un échangeur (23, 25) est configuré pour entrer en contact avec un flux de carburant (31) destiné à la chambre de combustion principale (5). Turbomachine selon la revendication 7, comprenant un circuit d’alimentation en carburant (31) reliant une source de carburant (30) à la chambre de combustion principale (5), le circuit d’alimentation (31) passant par ledit au moins un échangeur (23, 25), et dans laquelle la source de carburant (30) est configurée pour fournir du carburant à une température inférieure à 30°C, de préférence inférieure à 0°C. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle au moins un échangeur (126) est configuré pour entrer en contact avec au moins une portion du fluide de travail en amont de la chambre de combustion principale (105). Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle au moins un échangeur (327) est configuré pour entrer en contact avec un flux d’air froid (334), la température de ce flux d’air froid (334) étant inférieure à 50°C. Turbomachine selon la revendication 10, comprenant en outre une veine secondaire (II), distincte de la veine principale (I) et concentrique à cette dernière, et une soufflante (302) configurée pour accélérer un flux d’air secondaire dans la deuxième veine (II), et dans laquelle au moins un échangeur (327) est configuré pour entrer en contact avec au moins une portion du flux d’air secondaire (334). Turbomachine selon la revendication 10 ou 11, dans laquelle au moins un échangeur (427) est configuré pour entrer en contact avec un flux d’air extérieur (435) à la turbomachine (401). Aéronef, comprenant une turbomachine (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 12.