FR3098253A1 - Turbomachine à double flux comprenant une tuyère compacte - Google Patents

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Abstract

Une tuyère (11) d’une turbomachine à double flux comprend, à la jonction entre la veine secondaire et une cavité (12) de ventilation d’un stator intermédiaire (4) séparant la veine primaire (5) de la veine secondaire (6), un volet (18) mobile réuni au stator par une liaison rigide mais fusible, et une liaison souple (19). En cas d’élévation de débit et de pression dans la cavité (12), la liaison fusible se rompt, et le volet (18) se déplace pour élargir l’ouverture (15) d’évacuation de la cavité (12). Figure pour l’abrégé : Figure 3.

Description

Turbomachine à double flux comprenant une tuyère compacte
L’invention présente est relative à une turbomachine à double flux dotée d’une tuyère à son extrémité aval. La tuyère peut être à flux séparés ou confluents, ce qui n’a pas d’influence sur la possibilité d’appliquer l’invention.
La nacelle de la turbomachine comprend une portion extérieure, enveloppant la veine secondaire, et une portion intérieure, qui constitue un carter intermédiaire (« core ») séparant la veine primaire de la veine secondaire. Ce carter intermédiaire contient une cavité parcourue par un flux de ventilation destiné à rafraîchir les portions adjacentes à la veine primaire et soumises à un fort échauffement. La cavité comprend une ouverture en aval qui permet à l’air de ventilation de la quitter en rejoignant l’écoulement de la veine secondaire à l’endroit de la tuyère. Des conduits appartenant à d’autres circuits de ventilation traversent aussi la cavité intérieure. Si l’un d’eux vient éclater (ce qu’on appelle un « burst duct »), le débit d’air qui le parcourt se dégage dans la cavité intérieure et doit ressortir par son ouverture aval, qui doit donc être dimensionnée plus largement en fonction de ces circonstances exceptionnelles d’accident. Cela impose concrètement une augmentation du rayon du carter intermédiaire en aval, et aussi de la nacelle extérieure pour maintenir la section de la veine secondaire a une valeur déterminée.
L’objet fondamental de l’invention est d’obtenir une tuyère plus compacte, et donc une conception améliorée de la turbomachine dans son ensemble, en s’affranchissant de cette contrainte d’ouverture large de la cavité du carter intermédiaire.
On y parvient au moyen d’une tuyère améliorée, dans laquelle le carter intermédiaire comprend un élément fusible à la sortie de sa cavité, qui reste immobile en service normal mais se rompt dès qu’apparaît une augmentation importante du débit parcourant la cavité intérieure, afin de permettre de maintenir une évacuation correcte de celle-ci en ouvrant plus sa sortie, même dans des circonstances exceptionnelles telles que l’éclatement d’une conduite de ventilation. On peut ainsi réduire aussi bien le rayon interne que le rayon extérieur de la veine secondaire à l’endroit de la tuyère, obtenant ainsi une structure plus compacte de la turbomachine.
Une définition générale de l’invention est une turbomachine comprenant une veine primaire et une veine secondaire concentriques, parcourues en fonctionnement de la turbomachine par un écoulement de gaz jusqu’à une tuyère de la turbomachine ; un carter intermédiaire séparant la veine primaire de la veine secondaire jusqu’à la tuyère et contenant une cavité de ventilation parcourue au fonctionnement par un débit gazeux de ventilation, comprenant une ouverture à une extrémité aval du carter intermédiaire, la cavité de ventilation s’étendant entre une paroi intérieure et une paroi extérieure, concentriques, du carter intermédiaire, la paroi extérieure séparant la cavité de ventilation de la veine secondaire; caractérisée en ce que le carter intermédiaire comprend une partie principale et un volet, le volet faisant partie de la paroi extérieure, qui comprend encore une région amont, appartenant à la partie principale du carter intermédiaire et située en amont du volet d’après un écoulement du débit de ventilation vers l’ouverture ; et le volet étant relié à la partie principale du carter intermédiaire par une liaison rigide mais conçue pour se rompre pour des valeurs extrêmes du débit de ventilation, et par une liaison souple permettant un déplacement du volet en cas de rupture de la liaison rigide.
Le volet, qui est l’élément mobile du carter intermédiaire, est donc lié à la partie principale de celui-ci par deux liaisons : une liaison rigide et fusible qui le maintient en place dans des circonstances normales, et une liaison souple qui lui permet de se déplacer pour élargir l’ouverture de la cavité intérieure en cas de besoin, sans toutefois lui permettre de se détacher complètement quand la liaison rigide s’est rompue, après l’apparition d’un débit d’air exceptionnellement élevé et un accroissement correspondant des forces de pression sur la face du volet qui donne sur la cavité intérieure.
Le dispositif est complètement passif afin de s’affranchir de la complexité et des risques de pannes d’un système de commande éventuelle.
Avantageusement, le volet est oblique à une portion de la paroi intérieure qu’il entoure, de manière à resserrer la cavité de ventilation vers l’aval, ce qui garantit une force de trainée importante sur le volet, apte à rompre sûrement la liaison rigide et fusible.
Le volet sera souvent annulaire. Il pourra alors être composé de segments jointifs et distincts, se succédant en direction tangentielle de la turbomachine. Chacun des segments pourra alors être doté d’une liaison rigide et fusible et d’une liaison souple particulière, telles que définies ci-dessus, ou de portions d’une liaison souple et d’une liaison rigide et fusible unitaires.
La liaison souple comprend avantageusement au moins une articulation. Dans une conception simple, elle consiste en une articulation unique qui relie le volet directement à l’extrémité aval de la région amont de la paroi extérieure. Elle peut aussi comprendre une pluralité d’articulations reliées par des bielles entre le volet et la portion principale, afin de permettre un dégagement plus important de l’ouverture de la cavité intérieure, grâce à une translation possible du volet. Dans une telle conception, il est possible qu’une des articulations soit montée sur la paroi intérieure et les bielles forment une ligne unique joignant la paroi intérieure au volet ; la ligne peut avoir une forme quelconque, notamment de ligne brisée, avant une rupture de la liaison rigide.
La liaison souple peut alors être composée de deux bielles faisant un angle saillant vers l’amont de la cavité de ventilation.
La liaison rigide et fusible relie en général le volet à une portion fixe de la turbomachine, mais par exemple à la région amont de la paroi extérieure, ce qui permet d’avoir une liaison rigide courte. Elle peut consister en un bras dont les extrémités sont respectivement fixées au volet et à une autre partie du carter intermédiaire, et qui est pourvue d’une portion fusible, représentant un point faible de sa structure.
Le volet est enfin avantageusement placé en prolongement de la région amont, dont il forme donc l’extrémité aval.
L’invention sera maintenant décrite dans ses différents aspects, caractéristiques et avantages au moyen des figures suivantes, qui en représentent certaines réalisations données à titre purement illustratif :
est une vue d’ensemble de la turbomachine ;
un détail montrant le carter intermédiaire et sa cavité intérieure ;
une première réalisation de l’invention ;
la même après la rupture ;
une construction du volet en segments jointifs ;
une deuxième réalisation de l’invention ;
la même après la rupture ;
le même état que la figure 7, représenté en perspective.
La figure 1 représente schématiquement une turbomachine à double flux, comprenant un rotor 1 entouré par une nacelle 2, celle-ci comprenant une nacelle extérieure 3 et un carter intermédiaire 4. Une veine primaire 5 s’étend entre le rotor 1 et le carter intermédiaire 4, et une veine secondaire 6 entre le carter intermédiaire 4 et la nacelle extérieure 3. La veine primaire 5 est occupée par des aubes fixes et des aubes mobiles, formant des compresseurs 7 en amont de l’écoulement des gaz, des turbines 8 en aval, et par une chambre de combustion 9 entre les compresseurs 7 et les turbines 8. Le carter intermédiaire 4 a une extension réduite en direction axiale, et à l’amont de lui se trouve une veine d’entrée 10 occupée par une soufflante 32 portée par une portion amont du rotor 1. Il s’interrompt aussi peu après les turbines 8 en aval, et la structure de la turbomachine forme une tuyère 11 à cet endroit.
La figure 2 est une vue plus détaillée des parties centrales de la turbomachine, et elle représente en particulier une cavité intérieure 12 contenue dans le carter intermédiaire 4. La configuration générale de la turbomachine étant annulaire, la cavité intérieure 12 a cette forme, et elle est délimitée par une paroi intérieure 13 et une paroi extérieure 14 qui la séparent respectivement de la veine primaire 5 et de la veine secondaire 6. La cavité intérieure 12 est parcourue par de l’air de ventilation originaire de la veine secondaire 6 et qui y retourne par une ouverture 15 en aval de la cavité intérieure 12, à travers la paroi extérieure 14. La cavité intérieure 12 contient des conduites 16 de différents circuits de ventilation qui peuvent toutefois éclater accidentellement et répandre le débit d’air qui les parcourt dans la cavité intérieure 12, ce qui oblige à prévoir l’évacuation de ce débit par l’ouverture 15.
On se reporte à la figure 3 pour la description d’une première réalisation de l’invention.
La paroi extérieure 14 se compose d’une région amont 17, solidaire d’une partie principale 33 du carter intermédiaire 4 comprenant encore la paroi intérieure 13, et d’un volet 18 mobile et annulaire qui prolonge la région amont 17 vers l’aval et constitue l’extrémité de la paroi extérieure 14, en délimitant l’ouverture 15 avec la paroi intérieure 13. La région amont 17 est adjacente au volet 18 auxiliaire. Une articulation 19 unit l’extrémité amont du volet 18 à l’extrémité aval de la région amont 17 de la paroi extérieure 14. Et un bras 20, dont les extrémités sont reliées à la paroi intérieure 13 et à la face intérieure du volet 18, s’étend à travers la cavité intérieure 12. Le volet 18 est oblique à la portion en regard 21 de la paroi intérieure 13 et resserre l’ouverture 15, c’est-à-dire que l’ouverture 15 a une section qui se réduit vers l’aval et que l’air sortant de la cavité intérieure 12 exerce une force sur le volet 18, d’autant plus grande que son débit est élevé et que le resserrement de l’ouverture 15 est prononcé. Si cette pression dépasse un seuil, le bras 20 se rompt et le volet 18 devient libre de tourner autour de l’articulation 19 en ouvrant plus largement l’ouverture 15, ce que représente la figure 4. Dans une tuyère classique, où la paroi extérieure 14 aurait été unitaire, il aurait fallu prévoir une ouverture large en toute circonstance de la cavité intérieure 12, et on aurait alors construit la paroi extérieure avec un contour tel que 22, autour de la paroi extérieure 14 réelle à l’extrémité aval, qui aurait donc imposé à la veine secondaire 6 un rayon intérieur plus grand à cet endroit et aussi un rayon extérieur plus grand pour maintenir sa section à une valeur déterminée. La nacelle 2 est donc moins encombrante quand l’invention est appliquée.
Il est nécessaire, dans ces conceptions où le volet 18 est annulaire et tourne, que celui-ci soit composé de plusieurs segments 23 se succédant en direction tangentielle autour de la circonférence de la turbomachine, ce que représente la figure 5. On trouve alors une articulation 19 et un bras 20 associés à chacun d’eux. Les segments 23 peuvent être jointifs pour former un anneau continu.
Une autre conception possible est représentée aux figures 6 à 8, où le volet 18 peut être le même, mais le bras 20 est remplacé par un bras plus court 24 qui relie l’extrémité amont du volet 18 (ou de chacun des segments 23 qui le composent) à l’extrémité aval de la région amont 17, et l’articulation 19 est remplacée par un embiellage 25 comprenant deux bielles 26 et 27 consécutives, reliées respectivement à la paroi intérieure 13 et à l’extrémité amont du volet 18 par des articulations extrêmes 28 et 29, et reliées entre elles par une articulation intermédiaire 30. L’articulation extrême 28 est plus en amont que l’articulation extrême 29 opposée, et les bielles 26 et 27 sont suffisamment longues pour que l’angle qu’elles forment, à l’endroit de l’articulation intermédiaire 30, soit relativement petit, presque droit par exemple, et qu’il saille vers l’amont de la cavité intérieure 12. Dans cette conception, après la rupture du bras 24 constituant l’élément fusible, le volet annulaire se déplace comme dans la conception précédente, mais l’embiellage 25 permet maintenant que le mouvement comprenne une translation vers l’aval en se détachant de la région amont. L’ouverture 15 est encore élargie, grâce au jeu 31 qui apparaît désormais entre la région amont et le volet 18 et par lequel une partie du débit d’air sortant de la cavité intérieure 12 peut s’écouler. La figure 8 illustre d’autres détails possibles de la réalisation, d’après lesquels le volet 18 est unitaire et continu sur une circonférence et l’embiellage 25 existe en un petit nombre d’exemplaires séparés et identiques, répartis sur la circonférence.
La liaison rigide et fusible comprenant par exemple le bras 20 ou 24 est conçue pour se rompre à l’application d’un effort déterminé. Elle peut comprendre un point faible de sa structure, comme un amincissement local du bras, une construction en matériau fragile, ou tout dispositif convenable.
Le volet mobile caractérisant l’invention peut être ou non continu sur une circonférence ou s’étendre sur une partie, ou plusieurs parties séparées, de celle-ci.

Claims (11)

  1. Turbomachine comprenant une veine primaire (5) et une veine secondaire (6) concentriques, parcourues en fonctionnement de la turbomachine par un écoulement de gaz jusqu’à une tuyère (11) de la turbomachine ; un carter intermédiaire (4) séparant la veine primaire de la veine secondaire jusqu’à la tuyère (11) et contenant une cavité de ventilation (12) parcourue au fonctionnement par un débit gazeux de ventilation, comprenant une ouverture (15) à une extrémité aval du carter intermédiaire (4), la cavité de ventilation s’étendant entre une paroi intérieure (13) et une paroi extérieure (14), concentriques, du carter intermédiaire (4), la paroi extérieure (14) séparant la cavité de ventilation (12) de la veine secondaire (6) ; caractérisée en ce que le carter intermédiaire comprend une partie principale (33) et un volet (18), le volet faisant partie de la paroi extérieure (14), qui comprend encore une région amont (17), appartenant à la partie principale (33) du carter intermédiaire et située en amont du volet (18) d’après un écoulement du débit de ventilation vers l’ouverture (15) ; et le volet (18) étant relié à la partie principale (33) du carter intermédiaire (4) par une liaison rigide (20, 24) mais conçue pour se rompre pour des valeurs extrêmes du débit de ventilation, et par une liaison souple (19, 25) permettant un déplacement du volet (18) en cas de rupture de la liaison rigide.
  2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le volet (18) est annulaire.
  3. Turbomachine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le volet (18) est composé de segments (23) distincts se succédant en direction tangentielle de la turbomachine.
  4. Turbomachine selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que la liaison souple comprend au moins une articulation (19, 28, 29, 30).
  5. Turbomachine selon la revendication 4, caractérisée en ce que l’articulation (19) relie le volet (18) directement à une extrémité aval de la région amont (17) de la paroi extérieure.
  6. Turbomachine selon la revendication 4, caractérisée en ce que la liaison souple (25) comprend une pluralité d’articulations (28, 29, 30), reliées par des bielles (26, 27), entre le volet (18) et la partie principale (33).
  7. Turbomachine selon la revendication 6, caractérisée en ce qu’une desdites articulations (28) est montée sur la paroi intérieure (13), et les bielles (26, 27) forment une ligne unique joignant la paroi intérieure et le volet (18).
  8. Turbomachine selon la revendication 7, caractérisée en ce que la liaison souple est composée de deux bielles (26, 27) faisant un angle, saillant vers un amont de la cavité de ventilation (12).
  9. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la liaison rigide (24) relie le volet (18) à la région amont (17) de la paroi extérieure.
  10. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le volet (18) est placé en prolongement de la région amont.
  11. Turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le volet (18) est oblique à une portion (21) de la paroi intérieure qu’il entoure, de manière à resserrer la cavité de ventilation (12) vers l’aval.
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