FR3073002A1 - Aube de guidage avec circuit d'injection de liquide de refroidissement - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne le domaine des turbomachines, et plus précisément une aube de guidage (13) comprenant un circuit (19) d'injection de liquide de refroidissement dans une veine d'air (20) d'une turbomachine (4) afin de permettre cette injection sans encombrement supplémentaire de la veine d'air (20) et avec un risque réduit de givrage.
Description
Arrière-plan de l'invention
La présente invention concerne le domaine des turbomachines et en particulier un dispositif d'augmentation temporaire de puissance d'au moins une première turbomachine.
On entend par « turbomachine », dans le présent contexte, toute machine permettant la conversion de l'énergie thermique d'un fluide de travail en énergie mécanique par détente dudit fluide de travail dans une turbine. Plus particulièrement, ce fluide de travail peut être un gaz de combustion résultant de la réaction chimique d'un combustible avec de l'air dans une chambre de combustion. Ainsi, les turbomachines, telles que comprises dans le présent contexte, comprennent les turboréacteurs à flux simple ou double, les turbopropulseurs, les turbomoteurs ou les turbines à gaz, entre autres. Dans la description qui suit, les termes amont et aval sont définis par rapport au sens de circulation normal du fluide de travail dans la turbomachine.
Dans certaines circonstances, il peut être souhaitable d'augmenter temporairement la puissance d'une turbomachine. Par exemple, dans un groupe moteur comprenant une pluralité de turbomachines, la défaillance d'une d'entre elles peut nécessiter une augmentation temporaire de la puissance des autres afin de compenser la puissance perdue par la turbomachine défaillante pendant une période de sécurité.
Une des solutions connues de la personne du métier pour obtenir cette augmentation temporaire de puissance est l'injection d'un liquide de refroidissement, qui peut être, entre autres, de l'eau ou un mélange d'eau et d'un antigel, comme par exemple le méthanol, l'éthanol ou le glycol, dans l'admission d'air en amont de la chambre de combustion. D'une part cette injection permet de refroidir cet air en amont de la chambre de combustion, augmentant ainsi sa densité et donc le débit massique d'oxygène admis dans la chambre de combustion. D'autre part, la vaporisation de ce liquide de refroidissement dans la chambre de combustion permet d'augmenter très sensiblement la pression et/ou le débit volumique en aval de la chambre de combustion, et donc le travail mécanique récupéré dans la turbine.
On a ainsi proposé, par exemple dans la publication de demande de brevet français FR 3 000 137 Al, l'intégration de rampes d'injection de liquide de refroidissement dans les entrées d'air des turbomachines. Ces dispositifs présentent toutefois des inconvénients, dont notamment l'encombrement des entrées d'air par les rampes d'injection, les difficultés pour intégrer ces rampes d'injection en dehors des turbomachines ellesmêmes et le risque de givrage par basses températures. Il a aussi été proposé, dans le brevet US 6,553,768 Bl, d'utiliser les mêmes rampes d'injection pour le lavage de la turbomachine que pour son augmentation temporaire de puissance par injection de liquide de refroidissement. Toutefois, le dimensionnement requis pour ces deux fonctions différentes n'est pas nécessairement le même.
Objet et résumé de l’invention
La présente divulgation vise à remédier à ces inconvénients, en proposant un dispositif permettant l'injection de liquide de refroidissement dans une veine d'air d'une turbomachine sans encombrement supplémentaire de la veine d'air.
Dans au moins un mode de réalisation, ce but est atteint grâce au fait qu'une aube de guidage comprend un circuit d'injection de liquide de refroidissement dans une veine d'air d'une turbomachine.
En intégrant ainsi le circuit d'injection de liquide de refroidissement dans une aube de guidage, on évite un encombrement supplémentaire de la veine d'air, tout en permettant l'injection du liquide de refroidissement au sein même de la turbomachine, ce qui réduit le risque de givrage, puisqu'on peut ainsi éviter d'exposer ce liquide de refroidissement à des températures excessivement basses en amont.
Pour permettre l'admission de liquide de refroidissement dans ce circuit d'injection, l'aube de guidage peut comprendre une ouverture d'admission du circuit d'injection de liquide de refroidissement située sur une extrémité de l'aube de guidage. En particulier, l'aube de guidage peut comprendre un pivot d'extrémité d'aube dans lequel soit située l'ouverture d'admission du circuit d'injection de liquide de refroidissement. Ainsi, l'aube de guidage peut être à pas variable par pivotement autour du pivot de pied d'aube, sans pour autant empêcher l'admission de liquide de refroidissement dans le circuit d'injection et son injection subséquente dans la veine d'air.
Afin de permettre l'injection de liquide de refroidissement sans déranger l'écoulement de l'air sur l'aube de guidage, le circuit d'injection peut déboucher sur au moins une tuyère d'injection située sur un bord de fuite de l'aube de guidage. Alternativement ou en complément à cette disposition, le circuit d'injection peut déboucher sur au moins une tuyère d'injection située sur un bord d'attaque, un extrados et/ou un intrados de l'aube de guidage, afin de diriger le liquide de refroidissement contre une autre aube de guidage adjacente ou, au contraire, pour éviter le contact direct du liquide de refroidissement contre une autre aube ou pale tournante. Par ailleurs, pour favoriser la pulvérisation du liquide de refroidissement, le circuit d'injection peut déboucher sur au moins une tuyère d'injection hélicoïdale et/ou divergente, par exemple conique ou plate.
Afin de distribuer l'injection de liquide de refroidissement sur la largeur de la veine d'air, le circuit d'injection peut déboucher sur une pluralité de tuyères d'injection écartées les unes par rapport aux autres dans une direction de hauteur de l'aube de guidage.
La présente divulgation concerne aussi une grille de pré-rotation pour turbomachine, comprenant une pluralité d'aubes de guidage dont au moins une aube de guidage pouvant comprendre un circuit d'injection de liquide de refroidissement dans une veine d'air d'une turbomachine, ainsi qu'une turbomachine pouvant comprendre, successivement dans un sens d'écoulement d'un fluide de travail, cette grille de pré-rotation, un compresseur, une chambre de combustion et au moins une première turbine couplée au compresseur pour l'entraînement du compresseur. Afin d'en extraire un travail mécanique, cette turbomachine peut aussi comprendre une deuxième turbine couplée à un arbre de prise de force.
La présente divulgation concerne également un procédé d'augmentation de puissance d'une turbomachine, pouvant comprendre une étape d'injection de liquide de refroidissement dans une veine d'air de la turbomachine, à travers un circuit d'injection compris dans au moins une aube de guidage, afin d'augmenter le débit massique d'air admis dans la turbomachine. Par ailleurs, le procédé peut comprendre en outre une vaporisation du liquide de refroidissement dans une chambre de combustion située en aval de l'aube de guidage, afin d'augmenter la pression et le débit volumique des gaz de combustion, et ainsi le travail mécanique pouvant être extrait de ces gaz en aval de la chambre de combustion.
Brève description des dessins
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'un aéronef à voilure tournante équipé d'une turbomachine suivant un mode de réalisation,
- la figure 2 est une vue schématique de la turbomachine de l'aéronef de la figure 1,
- la figure 3 est une vue schématique d'une grille de pré-rotation à pas variable de la turbomachine de la figure 2,
- la figure 4A est une vue de détail de la grille de pré-rotation de la figure 3,
- la figure 4B est une vue de détail d'une grille de pré-rotation suivant un mode de réalisation alternatif, et
- les figures 5A à 5C sont des vues de détail de dispositions alternatives pour les tuyères d'injection, et
- les figures 6A à 6D illustrent des formes alternatives pour les tuyères d'injection.
Description détaillée de l'invention
La première figure illustre un aéronef 1 à voilure tournante, plus spécifiquement un hélicoptère avec un rotor principal 2 et un rotor de queue anti-couple 3 couplés à une turbomachine 4 pour leur actionnement. La turbomachine 4 illustrée peut être plus spécifiquement un turbomoteur dont l'arbre de prise de force 5 soit relié à une boîte de transmission principale 6 pour actionner le rotor principal 2 et le rotor de queue 3.
La turbomachine 4 est illustrée en plus grand détail sur la figure 2. Comme illustré de manière exemplaire, cette turbomachine 4 peut comprendre, successivement dans un sens d'écoulement de l'air dans une veine d'air 20 de la turbomachine 4, une grille de pré-rotation 7, un compresseur 8, une chambre de combustion 9, une première turbine 10 reliée par un arbre moteur 11 au compresseur 8 et une deuxième turbine 12, ou turbine libre, couplée à l'arbre de prise de force 5. Bien que cette turbomachine 4 soit illustrée avec une entrée d'air radiale, un compresseur 8 à un seul étage centrifuge et des turbines 10, 12 à un seul étage axial chacune, d'autres configurations sont également envisageables : l'entrée d'air peut par exemple être axiale plutôt que radiale, et les compresseur et turbines peuvent avoir un ou plusieurs étages radiaux et/ou axiaux.
Comme illustré sur la figure 3, la grille de pré-rotation 7 peut être formée par un ensemble d'aubes 13 arrangées radialement autour de l'axe de rotation X de l'arbre moteur 11 afin d'adapter l'incidence de l'écoulement en amont d'un rotor du compresseur 8, pour ainsi en accroître l'efficacité. Les aubes 13 de la grille de pré-rotation 7 ne sont normalement pas aptes à tourner autour de l'axe de rotation X de l'arbre moteur 11 mais, pour pourvoir la grille de pré-rotation 7 d'un pas variable, chacune de ces aubes 13 peut être apte à pivoter autour d'un axe radial Z correspondant.
Pour cela, comme illustré en plus grand détail sur la figure 4, chaque aube 13, s'étendant en direction radiale d'un pied d'aube 14 du côté de l'axe de rotation X vers une tête d'aube 15 du côté opposé de l'axe de rotation X, peut comprendre un pivot 16 de pied d'aube et un pivot 17 de tête d'aube. Comme dans l'exemple illustré, un bras 18 couplé en rotation au pivot 17 de tête d'aube peut être utilisé pour actionner le pivotement de l'aube 13 autour de son axe radial Z lors d'un changement de pas de la grille de pré-rotation 7. Toutefois, d'autres mécanismes d'actionnement et transmission, par exemple des roues dentées ou des courroies, sont également envisageables. Par ailleurs, il est également envisageable que l'actionnement de ce pivotement soit effectué à travers le pivot 16 de pied d'aube, plutôt que le pivot 17 de tête d'aube.
Comme illustré aussi sur la figure 4A, chaque aube 13 peut comprendre, internement, un réseau de conduits formant un circuit 19 d'injection de liquide de refroidissement dans la veine d'air 20. Pour permettre son alimentation en liquide de refroidissement, par exemple en eau ou en un mélange d'eau et d'un antigel, tel que notamment le méthanol, l'éthanol ou le glycol, ce circuit 19 d'injection de liquide de refroidissement peut comprendre une ouverture d'admission 21 en communication fluide avec un circuit 22 d'alimentation en liquide de refroidissement comportant par exemple un réservoir 23 de liquide de refroidissement et une pompe 24. Plus spécifiquement, cette ouverture d'admission 21 peut être située sur l'une des extrémités radiales de l'aube, et notamment être percée dans l'un des pivots 16, 17, par exemple, comme illustré sur la figure 4A, dans le pivot 17 de tête d'aube. Il est toutefois aussi envisageable qu'elle soit percée dans le pivot 16 de pied d'aube. Le circuit 22 d'alimentation en liquide de refroidissement peut déboucher dans une cavité 25 annulaire ou partiellement annulaire dans une bague 28 de réception du pivot correspondant, de telle manière que le circuit d'injection 19 reste en communication fluide avec le circuit d'alimentation 22 indépendamment du pivotement de l'aube 13 autour de l'axe radial Z, et donc du pas de la grille de pré-rotation 7. Cette cavité 25 peut être entourée d'anneaux d'étanchéité 30, dans l'un et l'autre sens suivant l'axe radial Z, afin de limiter ou éviter entièrement les fuites de liquide de refroidissement. Alternativement, toutefois, la connexion du circuit d'alimentation 22 au circuit d'injection 19 pourrait se faire à travers un conduit flexible 31 connecté à l'ouverture d'admission 21. Dans ce cas, comme illustré sur la figure 4B, cette ouverture d'admission 21 pourrait être percée à l'extrémité de l'un des pivots 16, 17, dans la direction de l'axe radial Z. Les éléments restants dans ce mode de réalisation alternatif sont analogues à ceux du mode de réalisation illustré sur la figure 4A et reçoivent donc les mêmes chiffres de référence.
Le circuit d'injection 19 peut déboucher sur une ou plusieurs tuyères d'injection 26 situées sur une surface externe de l'aube 13. En particulier, comme illustré sur les figures 4A et 4B, il peut déboucher sur une pluralité de tuyères d'injection 26 distribuées sur un bord de fuite 27 de l'aube 13, de manière à limiter leur interférence avec l'écoulement d'air autour de l'aube 13. Ainsi, ces tuyères d'injection 26 peuvent être écartées les unes par rapport aux autres dans une direction de hauteur de l'aube 13, suivant par exemple des intervalles réguliers, comme illustré sur la figure 4. Il est toutefois aussi envisageable que ces intervalles soient irréguliers, ou que le circuit d'injection 19 ne comporte qu'une seule tuyère d'injection 26, plutôt qu'une pluralité. Il est également envisageable, alternativement ou en complément au placement sur le bord de fuite 27, qu'au moins une tuyère d'injection 26 ne soit pas située sur ce bord de fuite 26, mais à un endroit différent de l'aube 13. Ainsi, comme illustré sur la figure 5B, au moins une tuyère d'injection 26 peut être située sur l'intrados 32 ou l'extrados 33 de l'aube 13, afin d'envoyer un jet de liquide refroidissant contre l'extrados 33 ou l'intrados 32 opposé d'une aube 13 adjacente, et ainsi obtenir une meilleure pulvérisation grâce à l'impact du jet contre cette aube 13 adjacente. Il est également envisageable, comme illustré sur la figure 5C, qu'au moins une tuyère d'injection 26 soit située sur le bord d'attaque 34, de manière à injecter le liquide de refroidissement contre le sens d'écoulement de l'air et ainsi obtenir une meilleure pulvérisation tout en évitant le contact direct du jet de liquide de refroidissement avec les aubes 13 de la grille de pré-rotation 7 ou les pales en aval. Des combinaisons de ces différents agencements sont également envisageables afin d'optimiser le flux de liquide de refroidissement pulvérisé dans la veine d'air.
Bien que, dans leur forme la plus simple, chaque tuyère d'injection 26 puisse être un simple orifice droit, comme illustré sur la figure 6A, il est également envisageable de conformer chaque tuyère d'injection 26 pour optimiser la pulvérisation du liquide de refroidissement. Ainsi, chaque tuyère d'injection 26 peut prendre une forme divergente plate, c'est-à-dire en éventail, comme illustré sur la figure 6B, ou divergente conique, comme illustré sur la figure 6C. Il est également envisageable que chaque tuyère d'injection 26 soit hélicoïdale, comme illustré sur la figure 6D, de manière à mettre le liquide de refroidissement en rotation pour en favoriser l'injection. Bien sûr, quand le circuit d'injection 19 comporte plusieurs tuyères d'injection 26, il est également envisageable de combiner des tuyères d'injection 26 de plusieurs formes différentes, notamment parmi celles susmentionnées.
Il est envisageable que toutes, ou seulement une partie, des aubes 13 de la grille de pré-rotation 7 soient pourvues de tels circuits 19 d'injection de liquide de refroidissement. Il est également envisageable qu'au moins une aube de guidage autre que celles d'une grille de prérotationicDNRi], soie pourvue d'un tel circuit d'injection de liquide de refroidissement. Ainsi, par exemple, au moins une aube de guidage en aval d'au moins un rotor du compresseur 8 pourrait être pourvue d'un tel circuit d'injection de liquide de refroidissement, alternativement ou en complément à la présence d'un circuit d'injection de liquide de refroidissement dans au moins une aube 13 de la grille de pré-rotation 7.
En fonctionnement, quand une augmentation temporaire d'une puissance de la turbomachine 4 est souhaitée, par exemple pour un décollage de l'aéronef 1 à forte charge, haute altitude et/ou haute température, ou dans une situation d'urgence, l'injection du liquide de refroidissement peut être commandée, de manière manuelle et/ou automatique, de telle façon que ce liquide de refroidissement soit fourni aux aubes 13 de la grille de pré-rotation 7.
Le liquide de refroidissement, peut ainsi arriver au circuit d'injection 19 à partir du circuit d'alimentation 22, à travers la cavité 25 et l'ouverture d'admission 21, et traverser l'aube 13 à travers ce circuit d'injection 19 pour être injecté dans la veine d'air 20 de la turbomachine 4 par les tuyères d'injection 26.
Dans la veine d'air 20, ce liquide de refroidissement peut ainsi refroidir l'écoulement d'air, et en augmenter la masse volumique, pour augmenter son débit massique, et en particulier le débit massique d'oxygène fourni à la chambre de combustion 9 en aval, permettant ainsi la combustion d'un plus grand débit massique de carburant pour obtenir une plus grande puissance. Par ailleurs, la chaleur de combustion peut assurer la vaporisation du liquide de refroidissement dans la chambre de combustion 9, entraînant une augmentation considérable de la pression en amont des turbines 10, 12, et du débit volumique des gaz de combustion, permettant ainsi l'extraction d'une plus grande puissance mécanique par les turbines 10, 12 lors du passage des gaz de combustion à travers celles-ci, en aval de la chambre de combustion. En outre, la chaleur absorbée par la vaporisation du liquide de refroidissement dans la chambre de combustion permet d'éviter une augmentation excessive de la température des gaz de combustion à l'entrée des turbines 10, 12 pour que leurs limites maximales de température ne soient pas atteintes malgré la combustion d'un plus grand débit de carburant dans la chambre de combustion 9 et l'augmentation de la puissance de la turbomachine 4.
Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.
Claims (13)
1. Aube de guidage (13) comprenant un circuit (19) d'injection de liquide de refroidissement dans une veine d'air (20) d'une turbomachine (4).
2. Aube de guidage (13) suivant la revendication 1, comprenant une ouverture d'admission (21) du circuit (19) d'injection de liquide de refroidissement, située sur une extrémité de l'aube de guidage (13).
3. Aube de guidage (13) suivant la revendication 2, comprenant un pivot (17) d'extrémité d'aube dans lequel est située l'ouverture d'admission (21) du circuit (19) d'injection de liquide de refroidissement.
4. Aube de guidage (13) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le circuit d'injection (19) débouche sur au moins une tuyère d'injection (26) sur un bord de fuite (27) de l'aube de guidage (13).
5. Aube de guidage (13) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le circuit d'injection (19) débouche sur au moins une tuyère d'injection (26) sur un extrados et/ou sur un intrados de l'aube de guidage (13).
6. Aube de guidage (13) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le circuit d'injection (19) débouche sur au moins une tuyère d'injection (26) divergente, par exemple conique ou plate.
7. Aube de guidage (13) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le circuit d'injection (19) débouche sur au moins une tuyère d'injection (26) hélicoïdale.
8. Aube de guidage (13) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le circuit d'injection (19) débouche sur une pluralité de tuyères d'injection (26) écartées les unes par rapport aux autres dans une direction de hauteur de l'aube de guidage (13).
9. Grille de pré-rotation (7) pour turbomachine, comprenant une pluralité d'aubes de guidage dont au moins une aube de guidage (13) suivant l'une quelconque des revendications précédentes.
10. Turbomachine (4) comprenant, successivement dans un sens d'écoulement d'un fluide de travail, une grille de pré-rotation (7) suivant la revendication 9, un compresseur (8), une chambre de combustion (9) et au moins une première turbine (10) couplée au compresseur (8) pour l'entraînement du compresseur (8).
11. Turbomachine (4) suivant la revendication 10, comprenant une deuxième turbine (12) couplée à un arbre de prise de force (5).
12. Procédé d'augmentation de puissance d'une turbomachine (4), comprenant une étape d'injection de liquide de refroidissement dans une veine d'air de la turbomachine (4), à travers un circuit d'injection (19) compris dans au moins une aube de guidage (13).
13. Procédé suivant la revendication 12, comprenant en outre une vaporisation du liquide de refroidissement dans une chambre de combustion (9) située en aval de l'aube de guidage (13).
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| FR1760090A FR3073002B1 (fr) | 2017-10-26 | 2017-10-26 | Aube de guidage avec circuit d'injection de liquide de refroidissement |
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| EP0887530A2 (fr) * | 1997-06-27 | 1998-12-30 | Hitachi, Ltd. | Turbine à gaz avec recyclage des gaz de combustion |
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-
2017
- 2017-10-26 FR FR1760090A patent/FR3073002B1/fr active Active
Patent Citations (4)
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