FR3079875A1

FR3079875A1 - Dispositif de decharge de turbomachine comportant une vanne

Info

Publication number: FR3079875A1
Application number: FR1852967A
Authority: FR
Inventors: Marie Georges Caratge Antoine
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2019-10-11
Anticipated expiration: 2038-04-05
Also published as: FR3079875B1

Abstract

Dispositif comportant un contrôleur (64), un actionneur (52), avec une cavité interne (54) reliée à un port d'entrée d'air (56) et un port de sortie d'air (58), et avec un organe mobile (60) dans la cavité (54) entre une position d'ouverture du port (58) et une position de fermeture du port (58), une vanne de décharge (30) avec une première chambre (40) configurée de manière à permettre la circulation d'un flux d'air de décharge lorsque la vanne (30) est ouverte, un élément mobile (43) entre une position d'ouverture et une position de fermeture de la vanne (30), une deuxième chambre (41) comportant des moyens de rappel (44) de l'élément mobile (43) dans ladite position d'ouverture, et une troisième chambre (42) configurée de manière à actionner l'élément mobile (43). Le port de sortie d'air (58) de l'actionneur (52) est relié à la sortie d'air (50) de la vanne (30), et ladite sortie d'air (50) débouche dans ladite troisième chambre (42).

Description

DISPOSITIF DE DÉCHARGE DE TURBOMACHINE COMPORTANT UNE VANNE

DOMAINE TECHNIQUE [0001] La présente invention concerne un dispositif de décharge d’une turbomachine comportant une vanne de décharge ne présentant pas de fuites d’air lorsque celle-ci est fermée.

ÉTAT DE L’ART [0002] 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).

[0003] De manière classique et bien connue en soi, et comme l'illustre la figure 1 qui est une vue schématique en coupe axiale d'un turboréacteur 10 à double corps, 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 un veine d’écoulement d’un flux primaire de gaz 22 et forment le compartiment central 15 («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.

[0004] La pression Pi dans la veine d’écoulement de flux primaire est supérieure à la pression Pu dans la veine d’écoulement de flux secondaire.

[0005] Les vannes de décharge se situent classiquement dans le compartiment central (« 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.

[0006] 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 dudit 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.

[0007] Le phénomène de pompage réduit les performances des compresseurs, et peut également être destructeur pour les aubes dudit compresseur.

[0008] 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 décollage de l’aéronef.

[0009] 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 centrifugés et acheminés jusqu’à la veine secondaire.

[0010] Ainsi, chaque moteur aéronautique est muni de systèmes pour le déchargement du compresseur sous forme de vannes classiquement actionnées par des actionneurs hydrauliques ou pneumatiques.

[0011] Comme visible sur la figure 2, une vanne de décharge classique 30, comporte un piston central 32 permettant, ou non, la mise en communication des deux veines d’écoulement de flux primaire et secondaire 22, 28. La vanne 30 comporte également un conduit latéral 34 relié à un contrôleur (non représenté) permettant l’actionnement de la vanne 30 par modification des équilibres de pression au sein de la vanne 30, comme il sera décrit plus loin. La vanne 30 est maintenue fermée grâce à de l’air sous pression 36 (appelé servo pressure ou « air de commande >>) envoyé via le canal 34. L’inconvénient des vannes 30 connues de l’état de la technique, est qu’elles présentent des fuites d’air au niveau d’un joint 38 placé autour du piston 32. L’air sous pression 36 nécessaire à la fermeture de la vanne 30 (air de commande) fuit donc en permanence vers l’environnement extérieur de la vanne 30, notamment la veine d’écoulement du flux secondaire 28. La dégradation des joints augmentant les débits de fuite de ces derniers, le problème est de plus en plus impactant au fil du temps, et peut amener à remplacement prématuré de la vanne 30.

[0012] Afin de porter réponse à ce problème, la présente invention propose une solution technique prenant la forme d’un ensemble de décharge comportant une vanne de décharge et son contrôleur, dont les fuites d’air de commande sont nulles quand la vanne de décharge est en position fermée pendant que le moteur est en régime de croisière ou en phase de décollage. En effet c’est pour ces deux régimes moteurs que les vannes sont fermées et que les performances moteur sont les plus importantes : chaque gain compte.

EXPOSÉ DE L’INVENTION [0013] A cet effet, la présente invention propose un dispositif de décharge pour une turbomachine, comportant :

- un contrôleur électropneumatique,

- un actionneur pneumatique de commande, comprenant un corps comportant une cavité interne reliée à un port d’entrée d’air et un port de sortie d’air, et comportant un organe mobile agencé dans ladite cavité entre une position d’ouverture du port de sortie d’air et une position de fermeture du port de sortie d’air,

- une vanne de décharge comportant :

o une première chambre configurée de manière à permettre la circulation d’un flux d’air de décharge lorsque la vanne est ouverte, o un élément mobile entre une position d’ouverture de la vanne et une position de fermeture de la vanne, et o une deuxième chambre comportant des moyens de rappel de l’élément mobile dans ladite position d’ouverture de la vanne, o une troisième chambre, dite chambre interne inférieure, configurée de manière à actionner l’élément mobile à l’encontre des moyens de sollicitation, caractérisé en ce que le port de sortie d’air de l’actionneur de commande est en communication fluidique avec le port de sortie d’air de la vanne, et que ladite sortie d’air débouche dans ladite troisième chambre.

[0014] De cette façon, le mouvement de l’élément mobile est induit par un circuit d’air séparé de celui de l’air de décharge et les fuites d’air de commande sont nulles lorsque la vanne est fermée.

[0015] Le dispositif selon l’invention peut également présenter l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison :

- la première chambre peut être annulaire et s’étendre autour des deuxième et troisième chambres,

- l’organe mobile peut être un piston comportant un joint annulaire coopérant avec une paroi interne de la cavité,

- l’élément mobile peut être un piston présentant, en section axiale, une forme globalement en H,

- l’élément mobile peut être configuré de manière à ce que la fermeture de la vanne s’effectue par une translation de l’élément mobile vers une extrémité distale de la vanne,

- le piston peut comprendre une paroi transversale reliée à deux parois cylindriques s’étendant de part et d’autre de la paroi transversale et portant des bagues de guidage, une première bague de guidage et une deuxième bague de guidage coopérant avec une paroi de la deuxième chambre,

- la première bague de guidage peut être configurée pour coopérer avec une face externe de la paroi interne et la deuxième bague de guidage peut être configuré pour coopérer avec une face interne de la paroi,

- le dispositif peut être configuré de manière à ce que, quand le port de sortie d’air est fermé, la pression au sein de la cavité interne (est sensiblement égale à celle au sein de la première chambre, et à celle dans les deuxième et troisième chambres.

[0016] La présente invention a également pour un objet une turbomachine comportant un dispositif de décharge tel que décrit ci-dessus.

DESCRIPTION DES FIGURES [0017] 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 figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un turboréacteur à double corps,

- la figure 2 est une vue en coupe axiale d’une vanne de décharge selon l’état de la technique,

- les figures 3, 4 et 5 sont des vues schématiques en coupe axiale d’un dispositif de décharge selon l’invention respectivement lorsque la turbomachine est à l’arrêt, lorsque la vanne est en position fermée et lorsque la vanne est en position ouverte, et

- la figure 6 est une vue schématique et en coupe axiale d’un deuxième mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention.

- la figure 7 est une vue schématique et en coupe axiale d’un troisième mode de réalisation d’un dispositif selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE [0018] Les figures 1 et 2 ont été décrites dans ce qui précède.

[0019] Comme visible sur les figures 3, 4 ou 5, le dispositif selon l’invention comporte une vanne de décharge 30.

[0020] La vanne 30 selon l’invention présente une forme générale cylindrique d’axe de révolution X et est destinée à s’étendre radialement entre la veine de circulation de flux primaire 22 (dans laquelle règne une pression P|) et la veine de circulation du flux secondaire 28 (dans laquelle règne une pression Pu). La pression Pu est inférieure à la pression P|.

[0021] La vanne 30 présente ainsi une extrémité distale 30D débouchant dans la veine secondaire et une extrémité proximale 30P débouchant dans la veine primaire (ou une cavité qui débouche, elle, dans la veine primaire). Lorsque la vanne 30 est ouverte (voir figures 3 ou 5), les deux veines de circulation de flux primaire et secondaire 22, 28 sont mises en communication et l’air quitte la veine primaire pour aller dans la veine secondaire du fait de la différence de pression (Pu < Pi). Lorsque la vanne 30 est fermée (voir figure 4), les deux veines sont isolées.

[0022] La vanne 30 comporte trois chambres coaxiales :

- une première chambre 40 (chambre externe annulaire), délimitée par une paroi externe E de la vanne 30 et par une paroi interne I annulaire, et traversée par le flux d’air issu de la veine primaire vers la veine secondaire lorsque la vanne 30 est ouverte,

- une deuxième chambre 41 (chambre interne supérieure) reliée à la pression ambiante qui est la pression environnante de la vanne 30,

- une troisième chambre 42 (chambre interne inférieure) reliée à la sortie d’air de l’actionneur de commande. La chambre interne supérieure 42 est délimitée par la paroi interne I coopérant avec un élément mobile 43, ici un piston. Les deux chambres 40, 42 sont isolées l’une de l’autre par des bagues de guidage 46 et 48, faisant office de joints d’étanchéité. Ces bagues 46, 48 servent avant tout à faire coulisser l’élément mobile 43.

[0023] L’élément mobile 43 est mobile en translation le long de l’axe X entre une position d’ouverture de la vanne 30 et une position de fermeture de la vanne 30. Ainsi, lorsque la vanne 30 est ouverte, l’élément mobile 43 ne coopère qu’avec la paroi interne I de la vanne 30. Lorsque la vanne 30 est fermée, l’élément mobile 43 coopère avec les paroi interne I et externe E de la vanne 30.

[0024] La chambre interne supérieure 41 comprend des moyens de rappel 44 (ici un ressort) de l’élément mobile 43 dans sa position d’ouverture de la vanne 30.

[0025] L’élément mobile 43 est ici un piston présentant, en section verticale (selon l’axe X), une forme globalement en H. Le piston comprend ainsi une paroi transversale reliée à deux parois cylindriques. Chaque paroi cylindrique s’étend de part et d’autre de la paroi transversale.

[0026] Afin d’assurer l’isolement étanche des deux chambre 40, 42, l’élément mobile 43 est muni, sur ses parois cylindriques, de part et d’autre de la paroi transversale, des deux bagues de guidage 46 et 48, faisant office de joints d’étanchéités : une première bague (bague distale) 46 et une deuxième bague (bague proximale) 48. Chaque bague de guidage 46, 48 coopère avec la paroi interne I définissant la chambre interne 40. Plus précisément, la première bague 46 coopère avec une face externe de cette paroi interne I et la deuxième bague 48 coopère avec une face interne de cette paroi interne I.

[0027] La fermeture de la vanne 30 s’effectue par une translation de l’élément mobile 43 vers l’extrémité distale 30D de la vanne 30, en opposition à la force de rappel du moyen de rappel 44 (ici un ressort), luimême logé dans une partie distale de la chambre interne inférieure 42, la chambre supérieure 41. Le moyen de rappel 44 coopère ainsi avec l’âme de l’élément mobile 43.

[0028] La chambre interne 42 comporte en outre une sortie d’air 50, distincte des extrémités proximales et distales 30P, 30D de la vanne 30.

[0029] Le dispositif selon l’invention comporte par ailleurs un actionneur pneumatique de commande 52 qui donne (ou non) de l’air de commande. L’actionneur de commande 52 ne fait pas bouger physiquement l’élément mobile 43. L’actionneur pneumatique 52 comprend un corps comportant une cavité interne 54 reliée à un port d’entrée d’air 56 et à un port de sortie d’air 58. L’actionneur 52 comporte en outre un organe mobile 60, ici un piston. L’organe mobile 60 est mobile dans la cavité 54 entre une position d’ouverture du port de sortie d’air 58 et une position de fermeture du port de sortie d’air 58. L’organe mobile 60 comporte par ailleurs un joint annulaire (ou une bague de guidage faisant fonction de joint) 62 coopérant avec une face interne de la paroi de la cavité 54.

[0030] Le port d’entrée d’air 56 est destiné à recevoir de l’air sous pression (l’air de commande) 36 de manière continue. Cet air peut provenir, comme illustré sur les figures 3, 4, 5, 6 ou 7, de la chambre externe 40 qui, lorsque le moteur est en marche, est remplie d’air issu de la veine primaire et qui est donc à une pression P| en permanence. Cet air de commande 36 peut toutefois venir d’une source externe, comme illustré à la figure 7. Notons que, dans ce cas de figure, comme l’air de commande a une pression différente de l’air en entrée de la vanne 30, la deuxième bague 48 sera le siège de fuites résiduelles quand la vanne sera fermée due à une différence de pression de part et d’autre de la deuxième 48 bague. Ceci peut être amélioré en utilisant un air de commande à plus forte pression : il est ainsi possible de diminuer le diamètre de l’élément mobile 43, et donc la taille de la vanne 30.

[0031] La sortie d’air 50 de la chambre interne inférieure 42 de la vanne 30 est reliée au port de sortie d’air 58 de l’actionneur 52 et ces deux sorties peuvent être mises en communication fluidique par déplacement de l’organe mobile 60 (ici un piston). Ce piston mobile 60 fait s’ouvrir la soupape. Entre l’organe mobile 60 et la soupape ouvrant/fermant la sortie d’air 50, le dispositif comporte une tige coulissant dans un palier 57, typiquement un palier carbone (comme visible sur les figures 3, 4 et 5, par exemple).

[0032] Lorsque la sortie d’air 50 de la chambre interne inférieure 42 est en communication fluidique avec le port de sortie d’air 58 de l’actionneur, la pression à l’intérieur de la chambre interne inférieure 42 chute, comme visible sur la figure 5. Le moyen de rappel 44 ne rencontre plus de force d’opposition et se détend. L’élément mobile 43 subit un mouvement de translation (selon l’axe X) vers l’extrémité proximale 30P de la vanne 30, induisant l’ouverture de cette dernière. L’air peut circuler entre les deux veines de circulation de flux primaire et secondaire 22, 28.

[0033] De par la position des joints sur les faces externes et internes de la paroi interne, chaque bague de guidage 46, 48 voit la même pression de part et d’autre quand la vanne 30 est fermée et les débits de fuites autour des bagues (joints) 46, 48 sont ainsi supprimés. Il n’y a pas de fuites d’air de commande car :

- la pression ambiante est des deux côtés de la bague 46,

- la pression Pi est des deux côtés de la bague 48,

- la pression Pi est des deux côtés du joint 62,

- la pression P| est des deux côtés du palier de l’organe mobile 60,

- il y a un contact métal/métal au niveau du port de sortie d’air 58,

- il y a un contact métal/métal au niveau de la coupelle mobile 67.

[0034] Il n’y a donc plus de fuite d’une chambre 40, 42 vers l’autre à travers la bague 48. De même, il n’y a pas de fuite autour du joint 62. L’absence de fuites permanentes autour des bagues 46, 48 assure une durée de vie fortement augmentée au système par rapport à l’état de l’art actuel.

[0035] L’actionneur est commandé par un contrôleur électropneumatique 64. Dans le cas de la présente invention, l’actionneur 52 et le contrôleur 64 forment un dispositif monobloc. Le contrôleur 64 comporte deux bobines électriques 66 et une coupelle mobile 67 de manière à former une électrovanne. Cette électrovanne permet, de manière classique et connue en soi, de mettre l’organe mobile 60 de l’actionneur 52 en mouvement par modification des équilibres de pression dans la cavité 54 via des conduits fluidiques.

[0036] La figure 6 présente un mode de réalisation différent, dans lequel l’architecture de l’actionneur 52 est simplifiée et dans lequel l’organe mobile 60 de l’actionneur se confond avec la coupelle mobile 67 du contrôleur de manière à former une vanne de type « bille-tige >>. Il est aussi possible de mélanger les variantes illustrées aux figures 6 et 7, en prenant, par exemple, une alimentation en air de commande externe, et en utilisant le principe « bille-tige >>.

[0037] Pour que la vanne 30 se ferme, il faut ici deux conditions :

- une des deux bobines 66 doit être traversée par un courant (par exemple de l’ordre de 100 mA), et

- une pression minimum doit être appliquée à extrémité proximale 30P de la vanne 30, (de l’ordre 0.3 bar par exemple).

[0038] Par ailleurs, un filtre (non représenté) peut être ajouté en amont du port d’entrée d’air 56 pour minimiser l’ingestion de polluants solides dans l’actionneur 52 et donc aussi le contrôleur 64 électropneumatiques lors des mouvements d’ouverture et de fermeture de la vanne 30.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif de décharge pour une turbomachine (10), comportant :

- un contrôleur électropneumatique (64),

- un actionneur pneumatique de commande (52), comprenant un corps comportant une cavité interne (54) reliée à un port d’entrée d’air (56) et un port de sortie d’air (58), et comportant un organe mobile (60) agencé dans ladite cavité (54) entre une position d’ouverture du port de sortie d’air (58) et une position de fermeture du port de sortie d’air (58),

- une vanne de décharge (30) comportant :

o une première chambre (40) configurée de manière à permettre la circulation d’un flux d’air de décharge lorsque la vanne (30) est ouverte, o un élément mobile (43) entre une position d’ouverture de la vanne (30) et une position de fermeture de la vanne (30), et o une deuxième chambre (41) comportant des moyens de rappel (44) de l’élément mobile (43) dans ladite position d’ouverture de la vanne (30), o une troisième chambre, dite chambre interne inférieure, (42) configurée de manière à actionner l’élément mobile (43) à l’encontre des moyens de sollicitation, caractérisé en ce que le port de sortie d’air (58) de l’actionneur de commande (52) est en communication fluidique avec le port de sortie d’air (50) de la vanne (30), et que ladite sortie d’air (50) débouche dans ladite troisième chambre (42).
2. Dispositif de décharge selon la revendication précédente, dans lequel la première chambre (40) est annulaire et s’étend autour des deuxième et troisième chambres (41,42).
3. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’organe mobile (60) est un piston comportant un joint annulaire (62) coopérant avec une paroi interne de la cavité (54).
4. Dispositif de décharge selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’élément mobile (43) est un piston présentant, en section axiale, une forme globalement en H.
5. Dispositif de décharge selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’élément mobile (43) est configuré de manière à ce que la fermeture de la vanne (30) s’effectue par une translation de l’élément mobile (43) vers une extrémité distale (30D) de la vanne (30).
6. Dispositif de décharge selon la revendication précédente, dans lequel le piston comprend une paroi transversale reliée à deux parois cylindriques s’étendant de part et d’autre de la paroi transversale et portant des bagues de guidage (46, 48), une première bague de guidage (46) et une deuxième bague de guidage (48) coopérant avec une paroi de la deuxième chambre (42).
7. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la première bague de guidage (46) est configurée pour coopérer avec une face externe de la paroi interne (I) et la deuxième bague de guidage (48) est configuré pour coopérer avec une face interne de la paroi (I).
8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, configuré de sorte que, quand le port de sortie d’air (58) est fermé, la pression au sein de la cavité interne (54) est sensiblement égale à celle au sein de la première chambre (40), et à celle dans les deuxième et troisième chambres (41,42).
9. Turbomachine comportant un dispositif de décharge selon l’une quelconque des revendications précédentes.