INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
MODULE POUR UNE TURBOMACHINE D’AERONEF Domaine technique de l'invention L’invention concerne le domaine des modules pour une turbomachine d’aéronef. L’invention concerne plus particulièrement les modules comprenant un moyeu mobile en rotation et des aubes à calage variable portées par le moyeu, tels que les modules de soufflante ou d’hélice.
Arrière-plan technique Une turbomachine d’aéronef comprend de manière générale un module s’étendant autour d’un axe longitudinal et présentant un moyeu mobile en rotation autour de l’axe longitudinal et sur lequel sont montées des aubes. Le module est typiquement relié à un générateur de gaz. Le générateur de gaz comprend par exemple d’amont en aval un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression, une turbine basse pression et une tuyère d’échappement des gaz. Le rotor du compresseur haute pression est relié au rotor de la turbine haute pression par un arbre haute pression et le rotor du compresseur basse pression est relié au rotor de la turbine basse pression par un arbre basse pression. L’arbre basse pression est par ailleurs relié à un arbre d’entrainement du moyeu du module pour l’entrainer en rotation.
Le module est par exemple une soufflante ou une hélice. Dans le cas d’une soufflante, les aubes sont entourées d’un carter externe fixé à une nacelle de l’aéronef. Dans le cas d’une hélice, les aubes de soufflante sont montées en dehors de la nacelle et ne sont pas donc entourées par un carter externe.
Afin d’optimiser le fonctionnement du module et assurer son opérabilité selon les phases de vol de l’aéronef notamment en maintenant une marge au pompage suffisante, il est connu de modifier l’orientation des aubes au cours du vol de l’aéronef. A cet effet, les aubes sont mobiles autour d’un axe de calage qui s’étend perpendiculairement à l’axe longitudinal. Les aubes sont dites à calage ou à pas variable. Par exemple, les aubes à calage variable peuvent occuper une position dite d’inversion de poussée (connue sous le terme anglais « reverse ») dans laquelle celles-ci permettent de générer une contre poussée pour participer au ralentissement de l’aéronef et une position de mise en drapeau dans laquelle, en cas de défaillance ou de panne, celles-ci permettent de limiter leur résistance.
Afin d’entrainer en rotation les aubes autour de leur axe de calage, le module de la turbomachine comprend typiquement un dispositif de changement de calage des aubes agencé à l’intérieur du moyeu du module. Le document FR-A1-3 087 232 décrit une turbomachine comprenant un module de soufflante présentant un moyeu mobile autour d’un axe longitudinal et sur lequel sont montées des aubes à calage variable. Le module comprend un dispositif de changement de calage des aubes comprenant un actionneur hydraulique relié aux aubes, une pompe d’alimentation en fluide de l’actionneur hydraulique et un moteur électrique pour actionner la pompe d’alimentation.
Selon ce document, la pompe d’alimentation est mobile en rotation autour de l’axe longitudinal et le moteur électrique est mobile autour de l’axe longitudinal c’est-à-dire que l’organe fixe du moteur, également appelé stator, est fixé au moyeu du module et est donc dans un repère tournant du module. Le dispositif de changement de calage des aubes comprend en outre un transformateur électrique tournant permettant d’alimenter en énergie électrique le moteur à partir d’une source d’énergie électrique située dans un repère fixe de la turbomachine.
Le document FR-A1-2 831 225 décrit une turbomachine comprenant un module de soufflante présentant un moyeu mobile autour d’un axe longitudinal et sur lequel sont montées des aubes à calage variable. Le module comprend un dispositif de changement de calage des aubes comprenant un actionneur hydraulique, une pompe d’alimentation en fluide de l’actionneur hydraulique et un moteur électrique pour actionner la pompe d’alimentation. Selon ce document, la pompe d’alimentation et le moteur électrique sont mobiles en rotation autour de l’axe longitudinal. Dans ce cadre, le dispositif de changement de calage des aubes comprend en outre un transformateur électrique tournant permettant d’alimenter en énergie électrique le moteur à partir d’une source d’énergie électrique située dans un repère fixe de la turbomachine.
Ces configurations ne donnent pas entière satisfaction en ce que le moteur électrique est entrainé en permanence en rotation conduisant à une consommation de puissance électrique et un dimensionnement du moteur important. Par ailleurs, le module de la turbomachine présente un encombrement qui rend difficile l’ajout d’un transformateur électrique. L’ajout d’un transformateur implique d’augmenter la taille du module. Aussi, la masse et le coût du transformateur sont importants. De plus, l’entrainement en rotation de la pompe d’alimentation autour de l’axe de la turbomachine est problématique. En effet, il a été constaté qu’à de grandes vitesses d’entrainement en rotation du module, la pompe pouvait subir des dommages irréversibles.
Il existe donc un besoin de fournir un module de turbomachine pour un aéronef, comprenant un moyeu portant des aubes à calage variable, qui soit fiable, compact, léger, faiblement consommateur d’énergie et peu coûteux.
A cet effet, l’invention propose un module pour une turbomachine d’aéronef, ce module comportant un axe longitudinal et comprenant :
- un moyeu mobile en rotation autour de l’axe longitudinal,
- des aubes portées par le moyeu, chacune de ces aubes étant mobiles en rotation autour d’un axe de calage s’étendant radialement par rapport à l’axe longitudinal, et
- un dispositif de changement de calage des aubes autour de leurs axes de calage, ce dispositif comprenant :
un actionneur hydraulique mobile en rotation autour de l’axe longitudinal et configuré pour entrainer les aubes autour de leurs axes de calage,
une pompe d’alimentation en fluide de l’actionneur hydraulique, cette pompe d’alimentation comprenant un axe d’entrainement mobile en rotation autour de l’axe longitudinal et une enveloppe fixe en rotation autour de l’axe longitudinal, et
une machine électrique configurée pour actionner la pompe d’alimentation, la machine électrique comprenant un organe rotatif d’entrainement de l’axe d’entrainement et un organe fixe qui est fixe en rotation par rapport à l’axe longitudinal.
Comme représenté sur la , on fait coulisser de haut en bas le système de déplacement 3à travers l’ouverture traversante. Cette étape se fait de préférence dans l’eau par une profondeur suffisante, ou en plaçant la planche 2 sur des tréteaux. Une fois le carter 43 et l’hélice 42 passés à travers l’ouverture traversante, on forme le palier inférieur autour du mat vertical 34. Dans l’exemple, on assemble les deux plaques 16, 17 à la trappe 9 par appui sur les saillies 19. Les plaques 16, 17 forment alors l’ouverture 15 circulaire autour du mat vertical 34 de section complémentaire, et sont solidarisées à la planche 2 par exemple de manière magnétique. La représente un état intermédiaire dans lequel les plaques 16, 17 n’ont pas encore été posées sur les saillies 19.
On referme alors la portion de maintien supérieure 21, celle-ci venant se solidariser avec le tour périphérique 10, dans le cas présent de manière magnétique. On abaisse le système de déplacement 3 jusqu’à ce que la plaque 39 se solidarise avec la portion de maintien supérieure 21. Dans le cas présent, la plaque 39 vient en appui sur la surface de support 23. Le mat vertical 34 passe à travers l’ouverture 22. Dans cet exemple, la plaque 39 est assemblée à la portion de maintien supérieure 21 par magnétisme.
Dans cette configuration, on peut prévoir de maintenir le mat vertical sur la portion de maintien supérieure 21 par tout moyen additionnel adapté, comme par exemple un cavalier 44 porté sur les plaques 25 et 26 et déplacé en configuration où il retient la plaque 39.
Le système flottant 1 est alors assemblé et peut être utilisé. L’utilisateur monte sur le système flottant visible sur la . Le système de déplacement est positionné de sorte que l’utilisateur peut se tenir debout dans une région centrale de la planche 2, ce qui est optimal en terme de stabilité. De plus, en position neutre du guidon, la turbine se trouve juste sous ses pieds et orientée vers l’arrière. Cette configuration est également optimale du point de vue de la stabilité.
L’utilisateur utilise l’interface homme-machine pour commander la vitesse de rotation du moteur et le sens de déplacement vers l’avant et vers l’arrière.
L’utilisateur peut tourner le guidon, de sorte à faire tourner la tige 40 autour de l’axe vertical dans le palier inférieur et dans le manchon 38 qui, lui, est bloqué en rotation par le relief d’anti-rotation 24.
L’utilisateur modifie ainsi l’axe de la turbine par rapport à la planche 2, ce qui fait tourner le système flottant 1.
Après utilisation, le système de déplacement peut être désolidarisé par une suite d’action inverse que celles présentées ci-dessus pour la solidarisation. L’alimentation électrique peut, au besoin, être échangée et/ou rechargée. Si la planche doit être transportée dans un espace restreint (coffre de voiture, etc..), elle est dégonflée.
Le tour périphérique 10 peut par exemple comprendre une portion supérieure, assemblée à la planche 2 depuis la surface supérieure de la planche, une portion inférieure assemblée à la planche 2 depuis la surface supérieure de la planche, les portions inférieure et supérieure étant assemblées l’une à l’autre par tout moyen approprié, tel que vissage ou autre.
Système et procédé de mise à l’eau d’une charge lourde La présente invention concerne la mise à l’eau de charges lourdes et plus particulièrement mais non exclusivement celles des embases gravitaires (encore appelées GBF pour « Gravity Base Foundation ») utilisées dans l’éolien en mer, ou encore celles des structures jackets ou des fondations flottantes.
Les tours de générateurs éoliens sont de plus en plus hautes afin d’augmenter l’énergie captée grâce à une surface balayée par les pales la plus grande possible. Les tours éoliennes offshores ont une hauteur au rotor pouvant atteindre 140m ou plus. Leur conception implique une embase gravitaire dont le poids est en rapport avec la puissance installée (typiquement de 6000 à 12000 tonnes). Ces embases sont le plus souvent préfabriquées à terre pour optimiser le coût de leur construction. La partie basse (immergée) du mât est construite en béton avec le socle de l’embase tandis que sa partie émergée peut être construite soit en béton soit en acier.
La partie basse du mât, construite en béton, couvre toujours au moins la partie immergée. Comme il est courant de poser des éoliennes sur une profondeur comprise entre 20 et 40m, la hauteur de mât correspondante de l’embase est généralement comprise entre 40 et 60m.
Les méthodes traditionnelles de mise à l’eau deviennent des solutions plus onéreuses à mesure que les dimensions et poids des éléments à mettre à l’eau augmentent.
Les méthodes connues de mise à l’eau peuvent faire appel à :
Une barge (flotteur) spécifiquement conçue ; l’embase alors chargée avec des transporteurs de type SPMT (« Self-Propelled Modular Transporter » – par exemple de type Kamag) ou avec un portique de grande capacité. La barge est ensuite ballastée et immergée pour mettre l’embase en flottaison ; Un ou plusieurs navires équipés de moyen de levage de grosse capacité, dont les coûts sont en proportion et dont la disponibilité est limitée pour ces charges exceptionnelles ; Une plateforme descendue par des câbles avec treuils ou vérins hydrauliques. Les dimensions et poids des embases présentent une limite à cette solution, sans oublier la nécessité de disposer d’une forme de radoub (fosse de mise à l’eau) sous la plateforme ; Un ripage (translation) sur une rampe de pente constante et limitée, à l’instar de la technique ancienne utilisée pour mise à l’eau des navires. Celle-ci amène des contraintes et efforts significatifs dans la structure portuaire et également dans l’embase ; Un portique ou une structure permettant la prise en charge par le haut puis un ripage (translation) avant la mise à l’eau. Cette solution est utilisée classiquement pour la mise à l’eau d’éléments préfabriqué tels des caissons portuaires. Néanmoins, la hauteur du mât de l’embase est un facteur limitant lorsque celui-ci est assemblé à terre plutôt qu’en flottaison.
Il existe par conséquent un besoin pour bénéficier d’un système permettant de mettre à l’eau des charges lourdes telles que des embases gravitaires, présentant un mât de hauteur significative, remédiant aux inconvénients de l’art antérieur.
TURBINE A GAZ HAUTE-PRESSION POUR TURBOMACHINE La présente description se rapporte à une turbine à gaz haute-pression pour une turbomachine. Elle se rapporte également à une turbomachine comprenant une telle turbine à gaz.
Classiquement, telle que représentée à la , une turbomachine 10 de type turboréacteur à double flux comporte, de l’amont vers l’aval dans le sens de la circulation des gaz à l’intérieur de la turbomachine 10, une soufflante 14, un compresseur basse-pression 16, un compresseur haute-pression 18, une chambre de combustion 20, une turbine haute-pression 22, une turbine basse-pression 24 et une tuyère d’échappement 26. Le compresseur basse-pression 16, le compresseur haute-pression 18, la chambre de combustion 20, la turbine haute-pression 22, la turbine basse-pression 24 et la tuyère d’échappement 26 sont agencés radialement à l’intérieur d’un carter 12 qui délimite, radialement vers l’extérieur, une veine annulaire 11 de la turbomachine 10 dans laquelle s’écoule les gaz de l’amont vers l’aval.
Le compresseur haute-pression 14 et le compresseur basse-pression 18 sont respectivement reliés à une turbine haute-pression 22 et une turbine basse-pression 24 par un arbre 15, 17 respectif s’étendant selon l’axe longitudinal X de rotation des arbres de la turbomachine 10. Dans la suite, les qualificatifs d’orientation, tels que « longitudinal », « radial » et « circonférentiel » sont définis par référence à l’axe longitudinal. Par ailleurs, les termes amont et aval sont définis par rapport au sens de circulation des gaz au sein de la turbomachine.
La turbine haute-pression 22 comprend une pluralité d’étages, l’un d’entre eux étant partiellement représenté à la , comportant chacun un distributeur 30 et une roue mobile 40 montée en aval du distributeur 30.
Le distributeur 30 comporte une plateforme annulaire interne 34 et une rangée annulaire d’aubes fixes 32. Chaque aube fixe 32 s’étend radialement dans la veine annulaire 11 et est reliée, radialement à l’intérieur à la plateforme annulaire interne 34. Le distributeur 30 comporte généralement une bride radiale annulaire 36 d’accrochage au carter 5.
La roue mobile 40 comporte une rangée annulaire d’aubes mobiles 42 portée par un disque 41 comprenant une pluralité d’alvéoles sur sa périphérie externe, chacune recevant un pied 46 d’une aube 42. Chaque aube mobile 42 comprend en outre un secteur d’une plateforme annulaire interne 44 de la roue mobile 40 depuis lequel s’étend une pale 42’ radialement vers l’extérieur à travers la veine annulaire 11. La plateforme annulaire interne 44 comporte ainsi une pluralité de secteurs disposés circonférentiellement bout à bout autour de l’axe longitudinal X.
La plateforme annulaire interne 34 du distributeur 30 et la plateforme annulaire interne 44 de la roue mobile 40 délimitent chacune, radialement vers l’intérieur, la veine annulaire 11.
En fonctionnement, les gaz s’écoulant dans la veine annulaire 11 s’introduisent dans un espace formé longitudinalement entre la plateforme annulaire interne 34 du distributeur 30 et la plateforme annulaire interne 44 de la roue mobile 40, ce qui réduit les performances de la turbomachine 10. Pour limiter ce phénomène, il est connu d’agencer, radialement à l’intérieur de la plateforme annulaire interne 34 du distributeur 30, un becquet annulaire amont 47 de la plateforme annulaire interne 44 et un becquet annulaire aval 54 d’une pièce annulaire 50 d’étanchéité du carter 5. Ainsi, une chicane est formée dans l’espace longitudinal entre la plateforme annulaire interne 34 du distributeur 30 et la plateforme annulaire interne 44 de la roue mobile 44, limitant la fuite, radialement vers l’intérieur, des gaz s’écoulant dans la veine annulaire 11.
La pièce annulaire 50 comporte une cavité 51 dans laquelle est logé un organe élastique 51’.
Par ailleurs, un flux d’air de purge, prélevé dans le compresseur basse-pression 14 et/ou le compresseur haute-pression 16, est dirigé à travers une cavité annulaire de purge 62 vers l’espace formé longitudinalement entre la plateforme annulaire interne 34 du distributeur 30 et la plateforme annulaire interne 44 de la roue mobile 4. Ce flux d’air de purge permet ainsi de rediriger les gaz s’étant introduits dans la cavité de purge 62 vers la veine annulaire 11.
Toutefois, cette solution ne présente pas entière satisfaction en ce que le prélèvement d’air pris au niveau du compresseur basse-pression 14 et/ou du compresseur haute-pression 16 diminue le rendement de la turbomachine 10. Par ailleurs, la réintroduction, dans la veine annulaire 11, de l’air de purge et des gaz s’étant introduit dans la cavité de purge 62 perturbe l’écoulement dans la veine annulaire 11, ce qui diminue également les performances de la turbomachine 10.
Il est proposé une turbine à gaz haute-pression pour une turbomachine s’étendant autour d’un axe longitudinal, la turbine comprenant : - un distributeur comprenant une plateforme annulaire interne et une rangée annulaire d’aubes fixes, chaque aube fixe étant reliée, radialement vers l’intérieur, à la plateforme annulaire interne, - une rangée annulaire d’aubes mobiles montée en aval du distributeur, comportant un disque à partir duquel des aubes s’étendent radialement vers l’extérieur, - une pièce d’étanchéité amont appliquée sur une face aval du distributeur et une pièce d’étanchéité aval appliquée sur une face amont du disque de la rangée annulaire d’aubes mobiles, - la pièce d’étanchéité amont comportant une partie annulaire à partir de laquelle un becquet annulaire aval s’étend longitudinalement vers l’aval, ladite partie annulaire présentant une partie radialement externe comportant une cavité annulaire amont, ladite cavité amont étant ouverte au niveau d’un jeu annulaire radialement externe, délimité entre la face aval du distributeur et la pièce d’étanchéité amont, - la pièce d’étanchéité aval comprenant un premier becquet amont agencé, au moins en partie, radialement à l’intérieur de la plateforme annulaire interne du distributeur et radialement à l’extérieur du becquet aval de la pièce d’étanchéité amont, ladite pièce d’étanchéité aval comprenant en outre un second becquet amont agencé, au moins en partie, radialement à l’intérieur du becquet aval, le becquet aval s’étendant, au moins en partie, en vis-à-vis radial des premier et second becquets amont, les premier et second becquets amont et le becquet aval définissant une double chicane.
La double chicane génère une perte de charge limitant le débit de fuite de gaz issus de la veine radialement vers l’intérieur, entre le distributeur et la rangée annulaire d’aubes mobiles, limitant également le débit de purge d’air nécessaire. Par ailleurs, la cavité annulaire amont permet également de limiter un tel débit de fuite, par création d’une perte de charge supplémentaire.
Par ailleurs, on réduit le débit d’air de purge nécessaire pour rediriger les gaz chauds s’étant introduits entre le distributeur et la rangée annulaire d’aubes mobiles vers la veine annulaire. Ainsi, les éléments de la rangée annulaire d’aubes mobiles sont mieux protégés. Aussi, la quantité d’air de purge prélevée dans le compresseur haute-pression et/ou le compresseur basse-pression est réduite, ce qui permet d’améliorer le rendement global de la turbomachine et donc de diminuer la consommation spécifique.
Dans le présent exposé, une pièce dite annulaire peut comprendre une pluralité de secteurs disposés circonférentiellement bout à bout autour d’un axe, notamment à 360° autour dudit axe. Bien entendu, une pièce dite annulaire peut également être monobloc, c’est-à-dire formée d’une seule pièce et non de secteurs.
L’actionneur hydraulique assure l’entrainement des aubes autour de leurs axes de calage pour optimiser les performances du module selon les phases de vol de l’aéronef. L’actionneur hydraulique est alimenté en fluide par la pompe d’alimentation. La pompe d’alimentation est actionnée par la machine électrique qui fournit une énergie électrique à la pompe pour son fonctionnement. Selon l’invention, l’enveloppe de la pompe d’alimentation ainsi que l’organe fixe de la machine électrique sont fixes en rotation par rapport à l’axe longitudinal. En d’autres termes, la pompe d’alimentation et la machine électrique alimentant en énergie électrique la pompe d’alimentation sont fixes en rotation par rapport à l’axe longitudinal du module.
Par conséquent, la machine électrique et la pompe d’alimentation sont dans un repère fixe du module. Contrairement au module de l’art antérieur dans lequel le moteur électrique est dans un repère tournant c’est-à-dire qu’à la fois l’organe fixe et l’organe mobile sont entrainés en rotation autour de l’axe longitudinal, une telle configuration selon l’invention permet de s’affranchir d’un transformateur électrique tournant pour transférer l’énergie électrique d’une source d’énergie située dans un repère fixe du module vers la machine électrique. Le module est donc simplifié et plus compact. Aussi, l’organe fixe de la machine n’étant plus entrainée en rotation autour de l’axe longitudinal de la turbomachine, la consommation de puissance électrique du module est moindre. Ceci permet de dimensionner la machine électrique en conséquence. Enfin, un tel module est plus fiable puisque l’entrainement en rotation du moyeu n’impacte plus les composants du dispositif tels que la pompe d’alimentation qui présente désormais une enveloppe qui est également fixe en rotation par rapport à l’axe longitudinal.
- le dispositif comprend une unité de transfert du fluide agencée axialement entre la pompe d’alimentation et l’actionneur hydraulique et comprenant un premier moyeu fixe en rotation autour de l’axe longitudinal présentant un passage interne en communication fluidique avec la pompe d’alimentation et un second moyeu mobile en rotation autour de l’axe longitudinal agencé autour du premier moyeu et présentant des second canaux en communication fluidique avec l’actionneur hydraulique et le passage interne ;
- la pompe d’alimentation est une pompe à cylindrée fixe réversible ;
- la machine électrique est un moteur électrique ;
- un arbre d’entrainement configuré pour entrainer en rotation le moyeu et un réducteur de vitesse mécanique configuré pour relier l’arbre d’entrainement à un arbre basse pression de la turbomachine, le réducteur de vitesse étant agencé en aval de la machine électrique et comprenant un premier élément destiné à coopérer avec l’arbre basse pression, un second élément solidaire en rotation de l’arbre d’entrainement et un troisième élément fixe en rotation et relié à l’organe fixe de la machine électrique ;
- le premier élément est un solaire, le second élément est une couronne et le troisième élément est un porte-satellites ;
- le dispositif comprend un accumulateur hydraulique fixe en rotation par rapport à l’axe longitudinal et en communication fluidique avec la pompe d’alimentation, l’accumulateur hydraulique étant agencé en aval de l’actionneur hydraulique ;
- le dispositif comprend un accumulateur hydraulique agencé en amont de l’actionneur hydraulique et solidaire de l’actionneur hydraulique, l’accumulateur hydraulique étant en communication fluidique avec la pompe d’alimentation ;
- la pompe présente un régime de fonctionnement qui est fonction d’une puissance de la machine électrique, le module comprenant en outre un circuit électronique de commande relié à la machine électrique configuré pour moduler la puissance de la machine électrique ;