FR3135299A1

FR3135299A1 - Module de turbomachine avec dispositif d’équilibrage

Info

Publication number: FR3135299A1
Application number: FR2204189A
Authority: FR
Inventors: Mohamed-Amine BOULMAKOUL; Gema BRAVO FERNANDEZ; Anaïs HOUPLON; Cécile NOYER
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2022-05-03
Filing date: 2022-05-03
Publication date: 2023-11-10
Anticipated expiration: 2042-05-03
Also published as: FR3135299B1

Abstract

Module de turbomachine permettant la détection d’anomalie de refroidissement, et un procédé de détection d’anomalie d’une telle turbomachine, le module comprenant une cavité à température contrôlée (68), une partie rotative (6), s’étendant au moins en partie dans la cavité à température contrôlée (68), et un dispositif d’équilibrage (9), équipant la partie rotative (6), le dispositif d’équilibrage (9) étant configuré pour maintenir les vibrations du module de turbomachine (60) dans une plage de valeurs prédéterminée, lorsque la température au sein de ladite cavité à température contrôlée (68) est inférieure à une valeur seuil prédéterminée de température, et pour changer d’état de manière à engendrer des vibrations supérieures aux vibrations de la plage de valeurs prédéterminée, lorsque la température au sein de ladite cavité à température contrôlée (68) est supérieure ou égale à ladite valeur seuil prédéterminée de température, dans lequel le dispositif d’équilibrage (9) comprend au moins un composant à mémoire de forme (90) réalisé dans un matériau à mémoire de forme dont la température de transformation correspond à ladite valeur seuil prédéterminée de température. Fig. 2.

Description

Module de turbomachine avec dispositif d’équilibrage

L'invention concerne le domaine des turbomachines. Plus précisément, l’invention concerne la détection d’anomalie de refroidissement d’un module de turbomachine d’aéronef, et un procédé de détection d’anomalie d’une telle turbomachine.

Il est courant dans une turbomachine de prélever de l’air sur un compresseur disposé en amont, par exemple un compresseur haute pression, pour refroidir des pièces dans des étages en aval présentant un environnement plus chaud. L’amont et l’aval s’entendent selon le sens d’écoulement de l’air dans la turbomachine. L’air de refroidissement prélevé sur le compresseur haute pression est par exemple acheminé vers la turbine basse pression, ou vers la turbine haute pression de la turbomachine. L’air acheminé permet alors la purge de l’air chaud et la ventilation de certaines pièces (ex : disques, aubes mobiles) de ces turbines. Un tel refroidissement permet ainsi de limiter les risques de surchauffe des pièces mobiles des turbines, pouvant aboutir à une dégradation de celles-ci et dans le pire des cas, à une rupture de ces pièces.

Par ailleurs, en vue de garantir la conformité des dispositifs de refroidissement aux normes aéronautiques, il est courant de sur-dimensionner ces dispositifs de refroidissement.

A titre d’exemple, il est possible de réaliser un dispositif comprenant plusieurs canaux de prélèvement d’air sur le compresseur haute pression, ces canaux assurant également la circulation de l’air prélevé vers la turbine basse pression ou vers la turbine haute pression afin de refroidir celles-ci. De tels canaux forment ainsi un dispositif de refroidissement de ces turbines. Un surdimensionnement de ce dispositif de refroidissement peut alors consister à réaliser des canaux présentant un diamètre plus important que nécessaire, ces canaux acheminant alors plus d’air que nécessaire pour refroidir la turbine basse pression ou haute pression, ou encore d’augmenter le nombre de canaux. Avantageusement, ce surdimensionnement permet de garantir en cas de dysfonctionnement, par exemple en cas d’obstruction partielle ou de perçage partiel ou de rupture d’un canal, que le dispositif continue à délivrer suffisamment d’air de refroidissement à la turbine basse pression ou haute pression. Un autre exemple de dysfonctionnement peut être causé par une dégradation de l’étanchéité de la turbine, due par exemple à l’usure d’un joint labyrinthe de la turbine basse ou haute pression, entraînant une fuite d’air de refroidissement et donc une diminution du débit de purge d’air chaud.

Bien que fiables, les surdimensionnements des dispositifs de refroidissement décrits ci-dessus conduisent à prélever plus d’air que réellement nécessaire sur le compresseur haute pression dans une situation nominale de fonctionnement de la turbomachine, par exemple en l’absence de défaillance d’un canal de circulation d’air, de telles défaillances étant par ailleurs exceptionnelles. Un tel sur-prélèvement d’air impacte alors de manière non négligeable la consommation spécifique en carburant (SFC) de l’aéronef, et induit une dégradation des performances du moteur.

Afin d’éviter un tel surdimensionnement des dispositifs de refroidissement, il a été proposé de mettre en place des dispositifs permettant de détecter un éventuel réchauffement anormal afin de permettre de prendre des mesures correctives, par exemple une augmentation du débit de refroidissement, uniquement lorsque cela est réellement nécessaire. Toutefois, les dispositifs connus à ce jour présentent certains inconvénients : en particulier, ces dispositifs nécessitent généralement une intervention humaine pour les réarmer.

Il est donc souhaitable d’améliorer les performances de la turbomachine, notamment de limiter l’impact des systèmes de refroidissement sur la consommation en carburant de l’aéronef.

Le présent exposé concerne un module de turbomachine, comprenant
une cavité à température contrôlée,
une partie rotative, s’étendant au moins en partie dans la cavité à température contrôlée, et
un dispositif d’équilibrage, équipant la partie rotative, le dispositif d’équilibrage étant configuré pour maintenir les vibrations du module de turbomachine dans une plage de valeurs prédéterminée, lorsque la température au sein de ladite cavité à température contrôlée est inférieure à une valeur seuil prédéterminée de température, et pour changer d’état de manière à engendrer des vibrations supérieures aux vibrations de la plage de valeurs prédéterminée, lorsque la température au sein de ladite cavité à température contrôlée est supérieure ou égale à ladite valeur seuil prédéterminée de température,
dans lequel le dispositif d’équilibrage comprend au moins un composant à mémoire de forme réalisé dans un matériau à mémoire de forme dont la température de transformation correspond à ladite valeur seuil prédéterminée de température, ledit composant à mémoire de forme étant configuré pour avoir une première géométrie en-dessous de ladite température de transformation et une deuxième géométrie au-dessus de ladite température de transformation.

Dans la suite de l’exposé, un fonctionnement nominal du module de turbomachine désigne un fonctionnement dans laquelle aucune panne du circuit de refroidissement du module de turbomachine n’existe. On notera que ce fonctionnement nominal peut comprendre l’usure de la turbomachine, mais pas les cas de pannes telles que la rupture d’un canal d’alimentation d’air.

Un fonctionnement nominal du moteur se caractérise de plus par des vibrations du module de la turbomachine, ces vibrations restant comprises dans une plage de valeurs prédéterminée correspondant à un fonctionnement nominal. Ces vibrations peuvent être caractérisées par les fréquences de vibration du module de turbomachine, ou par les amplitudes de ces vibrations, par exemple.

Ainsi, un contrôle correct de la température dans la cavité à température contrôlée se caractérise par une température, au sein de cette cavité, restant inférieure à une valeur seuil, et par des vibrations restant dans la plage de valeurs prédéterminée.

Le dépassement de cette valeur seuil de la température indique une anomalie de refroidissement, engendré par exemple par une anomalie apparue dans le circuit de refroidissement de la turbomachine. On comprend par circuit de refroidissement de la turbomachine, le circuit suivi par l’air de refroidissement, depuis son prélèvement jusqu’à son injection dans la cavité à température contrôlée. La température de la cavité à température contrôlée est ainsi contrôlée par la régulation du débit d’air de refroidissement. Par conséquent, l’élément défectueux du circuit de refroidissement de la turbomachine peut être, selon la configuration de ce dernier, un élément au niveau du prélèvement de l’air, un des canaux acheminant l’air du compresseur aux modules de la turbomachine, une boite de répartition d’air, des passages de purges entres les aubes mobiles et des parties fixes, et des joints dynamiques entre les parties mobiles et fixes de la cavité sous veine.

Un dépassement de la valeur seuil de température provoque la transition du composant à mémoire de forme de sa première géométrie à sa seconde géométrie et donc une modification de la répartition des masses de la partie tournante du module de la turbomachine. Dès lors, cette modification de géométrie entraîne l’apparition d’un balourd qui empêche le dispositif d’équilibrage de maintenir les vibrations de la turbine dans la plage de valeurs prédéterminée correspondant au fonctionnement nominal. Ainsi, ce changement de géométrie engendre des vibrations supérieures aux vibrations de la plage de valeurs prédéterminée, cette augmentation des vibrations résultant du dépassement de la valeur seuil prédéterminée de température. A cet égard on précise que « équipant la partie rotative » signifie que le dispositif d’équilibrage est prévu sur la partie rotative.

Il est ainsi possible, par l’augmentation des vibrations au-delà de la plage de valeurs prédéterminée, de détecter la présence d’un dysfonctionnement ou d’une panne, sans nécessiter un surdimensionnement permanent du dispositif de refroidissement. L’impact du système de refroidissement sur la consommation en carburant est ainsi limité, ce qui permet ainsi d’améliorer les performances du moteur. Par ailleurs, cette configuration permet de détecter la présence d’une anomalie sans nécessiter l’ajout de capteurs supplémentaires tel qu’un capteur de température, par exemple. En effet, les turbomachines comprennent d’ordinaire un ou plusieurs capteurs de vibration afin de détecter d’autres types d’anomalies vibratoires.

De plus, puisque le déséquilibrage est obtenu par un simple changement de géométrie d’un composant à mémoire de forme, l’intégrité du dispositif d’équilibrage n’est pas altérée. En particulier, aucune dégradation ou décrochage de pièce ne survient : le risque d’endommagement du moteur est donc réduit. De plus, le composant à mémoire de forme peut être réutilisé sans qu’un démontage du moteur ne soit nécessaire.

Par ailleurs, il est possible de régler relativement finement la température seuil en choisissant un matériau à mémoire de forme possédant une température de transformation adaptée. En effet, il existe une grande variété de matériaux à mémoire de forme ayant des températures de transformation très différentes les unes des autres. La plage de températures exploitables est donc large, ce qui permet de nombreuses applications différentes.

Dans certains modes de réalisation, le centre de gravité du composant à mémoire de forme est déplacé au moins radialement entre sa première géométrie et sa deuxième géométrie. Un tel déplacement radial permet de décaler le centre de gravité de la partie tournante par rapport à son axe de rotation, ce qui introduit un balourd générateur de vibrations.

Dans certains modes de réalisation, la composante radiale du déplacement du centre de gravité du composant à mémoire de forme entre la première géométrie et la deuxième géométrie est supérieure à 5 cm, de préférence supérieure à 10 cm, de préférence encore supérieure à 20 cm. En effet, plus cette composante est importante, plus le balourd sera important, générant ainsi des vibrations d’autant plus fortes.

Dans certains modes de réalisation, la deuxième géométrie du composant à mémoire de forme est la géométrie de repos du composant à mémoire de forme tandis que sa première géométrie est une géométrie déformée sous contrainte. Le composant à mémoire de forme est ainsi préparé en exerçant une contrainte sur ce dernier lorsqu’il se trouve dans son état froid, c’est-à-dire en dessous de sa température de transformation : le composant à mémoire de forme se déforme alors et maintient cette géométrie déformée dans son état froid. Ce n’est que lorsque le composant à mémoire de forme atteint sa température de transformation, entrant ainsi dans son état chaud, qu’il retrouve sa géométrie initiale de repos.

Dans certains modes de réalisation, le composant à mémoire de forme est configuré de sorte que la taille d’au moins l’une de ses portions augmente dans au moins une direction lors de sa transformation entre la première et la deuxième géométrie. Par exemple, le composant à mémoire de forme peut prendre la forme d’une bandelette qui a été comprimée dans son état froid et dont la longueur augmente pour retrouver sa longueur initiale dans son état chaud.

Dans certains modes de réalisation, le composant à mémoire de forme est configuré de sorte que l’orientation d’au moins l’une de ses portions est modifiée lors de sa transformation entre la première et la deuxième géométrie. Par exemple, le composant à mémoire de forme peut prendre la forme d’une bandelette rectiligne qui a été pliée ou courbée dans son état froid et qui se redresse pour retrouver son orientation initiale dans son état chaud.

Dans certains modes de réalisation, la masse dudit composant à mémoire de forme est au moins égale à 35g, de préférence au moins égale à 40g. Sa masse est de préférence inférieure à 120g, de préférence encore inférieure à 100g. De telles plages de masse constituent un bon compromis entre l’utilité de générer un balourd suffisant pour être détectable et l’importance de limiter le balourd maximal créé dans la turbomachine.

Dans certains modes de réalisation, le matériau à mémoire de forme est à double-sens, la transformation entre la première et la deuxième géométrie étant réversible. On comprend ainsi que le matériau prend une première géométrie dans son état chaud, c’est à dire au-dessus de la température de transformation, et une deuxième géométrie dans son état froid, c’est-à-dire en-dessous de la température de transformation, et que le passage de la première à la deuxième géométrie est réversible dès lors que la température redescend en dessous de la température de transformation. Le dispositif d’équilibrage peut ainsi être réarmé sans aucune intervention humaine, le composant à mémoire de forme retrouvant sa première géométrie lorsque la température dans la cavité à température contrôlée repasse en dessous de la température de transformation. A noter à cet égard que certains matériaux à mémoire de forme présentent un cycle d’hystérésis, le passage de la première géométrie à la deuxième géométrie ayant lieu à une première température de transformation tandis que le passage de la deuxième géométrie a lieu à une deuxième température de transformation, inférieur à la première température de transformation. Toutefois, dans un tel cas, l’écart entre les première et deuxième températures de transformation reste relativement faible, le plus souvent inférieur à 20°C.

Dans certains modes de réalisation, le matériau à mémoire de forme est un alliage métallique, de préférence comprenant un ou plusieurs éléments parmi les suivants : Ni, Ti, Cu, Zn, Al, Co, Si, Ge. En particulier, il peut comprendre un mélange de Co et de Ni, incluant éventuellement en outre Si, Ge et/ou Al. Un tel mélange présente une température de transformation autour de 600°C.

Dans certains modes de réalisation, la température de transformation du matériau à mémoire de forme est comprise entre 10 et 1000 °C, de préférence comprise entre 500 et 600°C. En effet, selon les applications visées, il est généralement souhaité que la température d’une cavité sous veine reste en dessous de 500°C.

Dans certains modes de réalisation, la cavité à température contrôlée est prévue pour fonctionner normalement à une température nominale prédéterminée, et la température de transformation du matériau à mémoire de forme est supérieure à ladite température nominale de la cavité à température contrôlée avec un écart compris entre 10 et 100°C, de préférence compris entre 25 et 75°C.

Dans certains modes de réalisation, le dispositif d’équilibrage comprend plusieurs composants à mémoire de forme, ces composants à mémoire de forme étant prévus de manière asymétrique autour de l’axe de rotation de la partie rotative. Ceci permet d’augmenter le balourd global en gardant une taille raisonnable pour chaque composant à mémoire de forme. De plus, ceci augmente la redondance du système et permet donc de prévenir le risque que l’un des composants à mémoire de forme ne réalise pas correctement sa transformation.

Dans certains modes de réalisation, les composants à mémoire de forme sont prévus dans un secteur angulaire n’excédant pas 180°, de préférence, n’excédant pas 90°. Chaque composant à mémoire de forme contribue ainsi à décaler le centre de gravité de la partie tournante sensiblement dans la même direction.

Dans certains modes de réalisation, la cavité à température contrôlée jouxte une veine d’écoulement d’air chaud. La température de cet air chaud est au moins 100° plus élevée que la température nominale de la cavité à température contrôlée. Elle est également plus élevée que la température de transformation du matériau à mémoire de forme.

Dans certains modes de réalisation, la cavité à température contrôlée comprend au moins un passage de purge débouchant dans la veine d’écoulement d’air chaud.

Dans certains modes de réalisation, la cavité à température contrôlée est configurée pour être refroidie par un fluide de refroidissement. Il s’agit de préférence d’air de refroidissement prélevé en amont, de préférence au niveau d’un compresseur de la turbomachine. Sa température est inférieure à la température de transformation du matériau à mémoire de forme.

Dans certains modes de réalisation, le module de turbomachine est du type turbine, comprenant une veine annulaire d’écoulement d’air chaud, dans lequel la cavité à température contrôlée est une cavité sous veine coaxiale à la veine d’écoulement d’air chaud, et dans lequel la partie rotative est un rotor comprenant au moins un disque mobile supportant des aubes mobiles. L’air chaud s’écoulant dans la veine annulaire est l’air provenant de la combustion du moteur de la turbomachine et permettant d’entraîner les aubes de la turbine. La cavité sous veine est une enceinte disposée par exemple radialement à l’intérieur de la veine annulaire.

Dans certains modes de réalisation, le composant à mémoire de forme est monté sur une bride du rotor. En particulier, le composant à mémoire de forme peut être maintenu dans une direction radiale par un support rapporté sur la bride du rotor.

Dans certains modes de réalisation, le dispositif d’équilibrage comprend au moins une masselotte d’équilibrage présentant une masse prédéterminée comprise entre 2 et 100 g, de préférence entre 2 et 50 g, de préférence encore entre 2 et 10 g. La masse de chaque masselotte peut varier en fonction du nombre de masselottes que comprend le dispositif d’équilibrage. De telles masselottes, installées après la mise en place du composant à mémoire de forme dans sa première géométrie, permettent de réaliser l’équilibrage initial de la partie tournante autour de son axe de rotation.

Dans certains modes de réalisation, le module de turbomachine comprend un capteur de vibrations pour mesurer les vibrations dans le module de turbomachine. Ce capteur de vibrations peut être par exemple un capteur de fréquences de vibrations. De manière connue, un tel capteur est présent dans les turbines de turbomachines.

Le présent exposé concerne également une turbomachine, comprenant
un module de turbomachine selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents,
un capteur de vibrations configuré pour mesurer les vibrations du module de turbomachine, et
un calculateur connecté au capteur de vibrations et configuré pour délivrer un signal d’anomalie lorsque les vibrations détectées par le capteur de vibrations sont supérieures aux vibrations de la plage prédéterminée.

La turbomachine du présent exposé permet la détection d’anomalie dans le circuit d’air de refroidissement, en utilisant un capteur déjà présent dans la turbomachine, sans nécessité l’ajout d’un nouveau capteur. Par ailleurs, il n’est pas nécessaire de surdimensionner le dispositif de refroidissement afin de couvrir en permanence des augmentations anormales de la température en cas de pannes. En effet, l’identification d’une anomalie par le calculateur, dès que les vibrations dépassent des valeurs caractéristiques d’un fonctionnement nominal, permet à un utilisateur de prendre les mesures nécessaires, telles que modifier le pilotage pour éviter des conditions de fonctionnement défavorables, augmenter le débit de prélèvement de l’air de refroidissement ou activer un éventuel circuit de purge secondaire. L’impact du système de refroidissement sur la consommation en carburant est ainsi limité, ce qui permet ainsi d’améliorer les performances du moteur.

Le présent exposé concerne également un procédé de détection d’anomalie de la turbomachine selon l’un quelconque des modes de réalisation précédents, comprenant les étapes suivantes :
détection des vibrations dans le module de turbomachine, par l’intermédiaire du capteur de vibrations, et
comparaison des vibrations, dans laquelle, si les vibrations mesurées lors de l’étape de détection sont supérieures aux vibrations de la plage prédéterminée, un signal d’anomalie est délivré par le calculateur.

Ce procédé présente l’avantage d’utiliser des équipements déjà présents dans la turbomachine, tels que des capteurs de vibration et un calculateur, sans nécessiter l’ajout de nouveaux capteurs dédiés uniquement à la détection d’anomalies. Par ailleurs, l’identification d’une anomalie par le calculateur, dès que les vibrations dépassent des valeurs caractéristiques d’un fonctionnement nominal, permet à un utilisateur de prendre les mesures nécessaires, telles que modifier le pilotage pour éviter des conditions de fonctionnement défavorables, augmenter le débit de prélèvement de l’air de refroidissement ou activer un éventuel circuit de purge secondaire. L’impact du système de refroidissement sur la consommation en carburant est ainsi limité, ce qui permet ainsi d’améliorer les performances du moteur.

Dans le présent exposé, les termes « axial », « radial », « tangentiel », « intérieur », « extérieur » et leurs dérivés sont définis par rapport à l’axe de rotation du module de turbomachine ; on entend par « plan axial » un plan passant par cet axe de rotation et par « plan radial » un plan perpendiculaire à cet axe de rotation ; enfin, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation de l’air 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 du module de turbomachine et du procédé 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.

La est une vue en coupe axiale d’une turbomachine selon le présent exposé.

La est une vue en coupe axiale et partielle de turbines haute et basse pression dans une turbomachine selon le présent exposé.

La est un schéma illustrant le fonctionnement d’un matériau à mémoire de forme.

La est un schéma illustrant l’introduction d’un balourd grâce à un composant à mémoire de forme.

Afin de rendre plus concret l’exposé, un exemple de turbomachine est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.

La illustre une turbomachine 100 à double flux comprenant successivement, d’amont en aval, au moins une soufflante 10, une partie moteur comprenant successivement au moins un étage de compresseur basse pression 20, au moins un étage de compresseur haute pression 30, une chambre de combustion 40, au moins un étage de turbine haute pression 50 et au moins un étage de turbine basse pression 60.

Des rotors, tournant autour de l'axe principal X de la turbomachine 100 et pouvant être couplés entre eux par différents systèmes de transmission et d'engrenages, correspondent à ces différents éléments.

De manière connue, une fraction d’air est prélevée sur le compresseur haute pression 30 et est acheminée par l’intermédiaire d’un conduit de refroidissement 32 en vue de refroidir des zones plus chaudes de la turbomachine 100, notamment la turbine haute pression 50 et la turbine basse pression 60.

La est un agrandissement d’une zone de la turbomachine 100, illustrant de manière simplifiée la partie aval de la turbine haute pression 50 et la partie amont de la turbine basse pression 60.

La partie aval de la turbine haute pression 50 ici représentée illustre un étage 51 comprenant au moins une aube mobile 52 assemblée sur un disque 53 mobile solidaire en rotation d’un arbre haute pression 101.

La turbine basse pression 60 ici illustrée comprend une pluralité d’étages 61, 62 de turbine. Un premier étage 61, ainsi que les étages 62 situés en aval de celui-ci, comprennent respectivement un ensemble de distributeurs fixes 70 et 65. Chaque étage 61, 62 comprend en outre des disques 63 mobiles sur lesquels est monté un ensemble d’aubes 64 fixées dans des alvéoles disposées dans une jante des disques 63, les aubes 64 étant entraînées en rotation par le disque 63 mobile. Les disques mobiles 63 sont fixés axialement les uns aux autres le long de l’axe principal X, pour former les différents étages 61, 62 de la turbine 60.

Le premier étage 61 de la turbine basse pression 60 comprend au moins un disque mobile 63 ainsi qu’au moins un distributeur 70 creux, dans lequel circule de l’air de refroidissement. Dans l’exemple illustré sur la , le distributeur 70 forme une seule pièce avec un carter 66 constitutif de la turbine et est creux pour laisser passer de l’air de refroidissement, sortant par l’intermédiaire d’un dispositif d’injection 80 associés au distributeur 70, comprenant une pluralité d’injecteurs 81. Les étages 62 suivants, situés en aval du premier étage 61 de la turbine basse pression 60, comprennent chacun au moins une aube 64 mobile et un distributeur 65, ou stator, se présentant sous la forme d’un aubage fixe. Les disques 63 mobiles sont solidaires en rotation d’un arbre basse pression 102 s’étendant selon l’axe X-X, tandis que chaque stator 65 est relié au carter 66. Chaque étage 61, 62 de turbine comprend en outre un anneau de turbine 67 situé en regard des aubes 64 mobiles, et qui est solidaire du carter 66.

La turbomachine comprend un dispositif de refroidissement permettant d’acheminer, via le conduit de refroidissement 32, la fraction d’air prélevée sur le compresseur haute pression 30 vers au moins un étage de la turbine haute pression 50 et de la turbine basse pression 60. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessous, la fraction d’air de refroidissement prélevée est distribuée au niveau d’un étage aval de la turbine haute pression 50 et d’un étage amont de la turbine basse pression 60. Les turbines haute et basse pression 50, 60 sont ainsi refroidies. Cependant, l’invention n’est pas limitée à ce mode de réalisation, la fraction d’air prélevée pouvant être également distribuée à d’autres étages des turbines.

Dans le mode de réalisation illustré sur la , la fraction d’air prélevée dans le compresseur haute pression 30 s’écoule dans le conduit de refroidissement 32, puis dans le distributeur 70 creux. La direction de circulation de la fraction d’air au travers du distributeur creux 70 est illustrée par les flèches 71. La fraction d’air est ensuite injectée via les injecteurs 81 dans une cavité sous veine 58, 68. L’air distribué permet notamment de refroidir les disques 53, 63 de la turbine, comme l’illustrent les flèches 75. L’air de refroidissement injecté par les injecteurs 81 permet par ailleurs la purge de l’air chaud présent dans la turbine haute pression 50 et dans la turbine basse pression 60, assurant ainsi le refroidissement de celles-ci. Plus précisément, l’air de refroidissement prélevé dans le compresseur haute pression 30 et acheminé jusque dans les cavités sous veine 58, 68, constitue une barrière de pression, ou purge, empêchant l’air chaud provenant de la chambre de combustion et s’écoulant dans la veine primaire de circulation d’air de la turbomachine 100, de pénétrer dans les cavités sous veine 58, 68. On entend par veine primaire la veine principale de circulation d’air des turbines. La purge de l’air chaud de la turbine haute pression 50 et de la turbine basse pression 60 sont ici symbolisées respectivement par les flèches 73, 76. Les risques de surchauffe des rotors des turbines sont ainsi limités. En particulier, en empêchant l’air de la veine primaire de rentrer dans la cavité sous veine, cette cavité est moins chaude que la veine, et les rotors de turbine peuvent donc résister à des efforts centrifuge plus élevé et être dimensionnés sur des contraintes limites moins élevées.

De manière connue, un ou plusieurs conduits 32 de circulation d’air de refroidissement prélèvent chacun une fraction d’air de refroidissement d’un flux d’air circulant dans le compresseur haute pression 30, et acheminent la fraction d’air prélevée au niveau d’au moins un étage de la turbine haute pression 50 et de la turbine basse pression 60.

Un dysfonctionnement du refroidissement des turbines 50, 60 peut avoir plusieurs causes. Une cause du dysfonctionnement du refroidissement peut être le dysfonctionnement d’un conduit 32, par exemple la rupture ou l’obturation accidentelle d’un des conduits 32 de circulation d’air. Une autre cause de ce dysfonctionnement peut résulter de l’usure excessive ou de la rupture d’un ou plusieurs joints d’étanchéité, ou joint dynamique de la turbine haute pression 50 ou de la turbine basse pression 60. Un dysfonctionnement du refroidissement de la turbine 50, 60 résulte à titre d’exemple d’une défaillance d’un joint labyrinthe 69 assurant l’isolation en pression de la cavité sous veine 58, 68 de la turbine haute ou basse pression 50, 60.

Le dispositif d’injection 80 comporte une pluralité d’injecteurs 81 répartis sur une paroi du distributeur 70 autour de l’axe X. Afin de simplifier la description de ce mode de réalisation, un seul injecteur 81 est représenté sur la dans chaque cavité sous veine 58, 68. Par ailleurs, dans la suite de la description, le mode de réalisation est décrit en référence à la turbine basse pression 60, par soucis de concision. Néanmoins, les caractéristiques décrites ci-dessous sont également applicables à la turbine haute pression 50.

L’injecteur 81 est un orifice réalisé dans la paroi du distributeur 70, permettant d’injecter en permanence, c’est-à-dire de manière continue lorsque la turbomachine est en fonctionnement, un débit d’air de refroidissement dans la cavité sous veine 68. Ce débit permet d’assurer le refroidissement, plus précisément la purge 76 et le maintien en température de la turbine basse pression 60 dans des conditions de fonctionnement nominal de celle-ci, c’est-à-dire en l’absence d’un des dysfonctionnements mentionnés ci-dessus. Les dimensions de l’orifice sont déterminées de manière à ce que le débit soit par exemple compris entre 270 et 310 g/s.

La turbine 60 comprend en outre un dispositif d’équilibrage permettant de créer un plan d’équilibrage du rotor, et ainsi d’équilibrer le rotor lors du fonctionnement de la turbomachine 100. Cet équilibrage permet de maintenir un niveau de vibration de la turbine dans une plage donnée d’amplitudes et de fréquences, cette plage donnée correspondant à un fonctionnement nominal de la turbine. Plus précisément, le dispositif d’équilibrage permet d’équilibrer la turbine sur une plage de régime de la turbomachine allant de 5000 à 25000 tours/min. De manière connue, un capteur V de fréquence de vibration est disposé dans la turbine 60, en étant par exemple fixé au carter 66 de la turbine 60, et permet de mesurer les fréquences des vibrations et amplitudes des vibrations de la turbine 60 engendrées par la rotation du rotor. Le capteur V est connecté à un calculateur 110 disposé dans la turbomachine, permettant d’enregistrer les données relevées par le capteur V. Le calculateur 110 est également configuré pour transmettre des informations à l’utilisateur de la turbomachine, notamment sur les valeurs des fréquences de vibration relevées par le capteur V, ou des messages d’anomalie. Le calculateur 110 peut être du type FADEC (de l’anglais « Full Authority Digital Engine Control », ou tout autre type permettant de remplir ces fonctions.

Le dispositif d’équilibrage comprend au moins un composant à mémoire de forme 90 solidaire du rotor de la turbine 60. Dans le présent exemple, le composant à mémoire de forme est fixé sur une bride 91 du rotor par l’intermédiaire d’un support 92 en forme de L.

Le nombre et la masse de ces composants à mémoire de forme 90 peuvent être variés ; toutefois, tous les composants à mémoire de forme 90 sont prévus dans un secteur angulaire restreint, inférieur à 90°. A titre d’exemple non limitatif, chaque composant à mémoire de forme possède une masse comprise entre 5g et 20g. Un seul composant à mémoire de forme 90 est représenté sur la .

Le composant à mémoire de forme 90 est réalisé dans un alliage à mémoire de forme présentant une température de transformation définissant un état froid, lorsque la température de l’alliage est inférieure à la température de transformation, et un état chaud, lorsque la température de l’alliage est supérieure à la température de transformation.

Le fonctionnement d’un tel alliage à mémoire de forme est représenté schématiquement sur la . La colonne de gauche représente une pièce en alliage classique tandis que la colonne de droite représente une pièce en alliage à mémoire de forme.

L’étape E1 correspond à l’état initial de ces deux pièces. Au cours de l’étape E2, alors que la température est inférieure à la température de transformation de l’alliage à mémoire de forme, c’est-à-dire dans l’état froid de ce dernier (symbolisé par un flocon), un effort est appliqué sur chaque pièce. Ici, la figure représente un effort de flexion mais il pourrait d’agir de tout type d’effort, et notamment d’un effort de compression. A l’étape E3, après relâchement de l’effort appliqué, on constate que les deux pièces conservent une géométrie déformée.

Ensuite, au cours de l’étape E4, la température ambiante est augmentée jusqu’à dépasser la température de transformation de l’alliage à mémoire de forme : celui-ci passe alors dans son état chaud (symbolisé par une surface chaude). La pièce en alliage en mémoire de forme retrouve alors sa géométrie initiale. La pièce en alliage classique garde pour sa part sa géométrie déformée.

Enfin, au cours de l’étape E5, la température ambiante est de nouveau baissée en-dessous de la température de transformation de l’alliage à mémoire de forme : celui-ci repasse alors dans son état froid. La pièce en alliage à mémoire de forme retrouve alors sa géométrie déformée. Bien sûr, la géométrie de la pièce en alliage classique reste inchangée pour sa part et donc déformée.

Le composant à mémoire de forme 90 prend ici la forme d’une bandelette plane. Dans sa géométrie initiale, la grande longueur du composant à mémoire de forme 90, c’est-à-dire sa longueur longitudinale, est égale à 50 cm. Avant installation, le composant à mémoire de forme 90 est comprimé à froid de sorte à obtenir une géométrie déformée dans laquelle sa longueur longitudinale est réduite à moins de 10 cm. Le composant à mémoire de forme 90 est alors fixé sur le rotor de la turbine 60 comme cela a été décrit plus haut, en orientant sa direction longitudinale radialement par rapport à l’axe de rotation X de la turbine 60.

Cet état correspond schématiquement à celui représenté sur la partie gauche de la . Une ou plusieurs masselottes 94 sont alors ajoutées de manière à équilibrer la répartition des masses autour de l’axe de rotation X afin que le centre de gravité G du rotor se situe sur l’axe de rotation X. Ces masselottes 94 sont réalisées en alliage classique et ne changent donc pas de géométrie de manière significative lorsque la température ambiante dépasse la température de transformation. En particulier, l’éventuelle dilatation thermique de ces masselottes n’est pas considérée comme significative dans le cadre du présent exposé.

Lorsqu’un des dysfonctionnements mentionnés ci-dessus se produit, la température au sein de la cavité sous veine 68 augmente et atteint des valeurs supérieures aux températures représentatives d’un fonctionnement nominal. Comme cela est représenté sur la , lorsque la température au sein de la cavité sous veine 68 atteint la température de transformation du composant à mémoire de forme 90, ce dernier retrouve sa géométrie initiale, ce qui déplace radialement vers l’extérieur le centre de gravité du composant à mémoire de forme 90 et donc le centre de gravité G’ du rotor dans son ensemble. La masse excentrée, ou balourd, ainsi créé augmente le niveau des vibrations de la turbine 60 lors du fonctionnement de la turbomachine. De préférence, le dispositif d’équilibrage peut être configuré pour générer un balourd compris entre 400 et 1600 cm.g. Cette plage de valeurs dépend du diamètre de la turbine. Ces valeurs permettent de garantir un balourd permettant d’engendrer des amplitudes de vibration importantes, indiquant la présence d’une anomalie, sans pour autant engendrer un risque pour la turbomachine.

Le capteur V de fréquences de vibration détecte alors des fréquences de vibration à des amplitudes supérieures à la plage donnée d’amplitudes nominales de vibrations aux fréquences correspondantes. Lorsque le calculateur 110 détermine une telle augmentation significative des amplitudes de vibration, il transmet alors à l’utilisateur un message d’alerte, indiquant la présence d’une anomalie ayant entraîné une augmentation de la température. Par exemple, une défaillance du joint labyrinthe 69 assurant l’isolation en pression de la cavité sous veine 68 de la turbine basse pression 60 entraîne une fuite d’air de refroidissement (voir les flèches traversant les joints labyrinthes 69), et donc une diminution du débit de purge d’air chaud 76, entraînant une augmentation de la température au sein de la cavité sous veine 68.

La détection d’une telle anomalie permet ainsi à l’utilisateur de prendre les mesures nécessaires, comme par exemple remplacer le joint labyrinthe 69 défectueux responsable de l’augmentation de la température dans la cavité sous veine 68.

Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés 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.

Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé.

Claims

Module de turbomachine, comprenant
une cavité à température contrôlée (68),
une partie rotative (6), s’étendant au moins en partie dans la cavité à température contrôlée (68), et
un dispositif d’équilibrage (9), équipant la partie rotative (6), le dispositif d’équilibrage (9) étant configuré pour maintenir les vibrations du module de turbomachine (60) dans une plage de valeurs prédéterminée, lorsque la température au sein de ladite cavité à température contrôlée (68) est inférieure à une valeur seuil prédéterminée de température, et pour changer d’état de manière à engendrer des vibrations supérieures aux vibrations de la plage de valeurs prédéterminée, lorsque la température au sein de ladite cavité à température contrôlée (68) est supérieure ou égale à ladite valeur seuil prédéterminée de température,
dans lequel le dispositif d’équilibrage (9) comprend au moins un composant à mémoire de forme (90) réalisé dans un matériau à mémoire de forme dont la température de transformation correspond à ladite valeur seuil prédéterminée de température, ledit composant à mémoire de forme (90) étant configuré pour avoir une première géométrie en-dessous de ladite température de transformation et une deuxième géométrie au-dessus de ladite température de transformation.
Module de turbomachine selon la revendication 1, dans lequel le centre de gravité du composant à mémoire de forme (90) est déplacé au moins radialement entre sa première géométrie et sa deuxième géométrie, et
dans lequel la composante radiale du déplacement du centre de gravité du composant à mémoire de forme (90) entre la première géométrie et la deuxième géométrie est supérieure à 5 cm, de préférence supérieure à 10 cm, de préférence encore supérieure à 20 cm.
Module de turbomachine selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le composant à mémoire de forme (90) est configuré de sorte que la taille d’au moins l’une de ses portions augmente dans au moins une direction lors de sa transformation entre la première et la deuxième géométrie.
Module de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le matériau à mémoire de forme est à double-sens, la transformation entre la première et la deuxième géométrie étant réversible.
Module de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la température de transformation du matériau à mémoire de forme est comprise entre 10 et 1000 °C, de préférence comprise entre 500 et 600°C.
Module de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le dispositif d’équilibrage (9) comprend plusieurs composants à mémoire de forme (90), ces composants à mémoire de forme (90) étant prévus de manière asymétrique autour de l’axe de rotation de la partie rotative, et
dans lequel les composants à mémoire de forme (90) sont prévus dans un secteur angulaire n’excédant pas 180°, de préférence n’excédant pas 90°.
Module de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la cavité à température contrôlée (68) jouxte une veine d’écoulement d’air chaud,
dans lequel la cavité à température contrôlée (68) comprend au moins un passage de purge (76) débouchant dans la veine d’écoulement d’air chaud, et
dans lequel la cavité à température contrôlée (68) est configurée pour être refroidie par un fluide de refroidissement (71).
Module de turbomachine selon l’une quelconque des revendication 1 à 7, du type turbine, comprenant une veine annulaire d’écoulement d’air chaud,
dans lequel la cavité à température contrôlée est une cavité sous veine (68) coaxiale à la veine d’écoulement d’air chaud, et
dans lequel la partie rotative est un rotor (6) comprenant au moins un disque mobile (63) supportant des aubes mobile (64).
Turbomachine, comprenant
un module de turbomachine (60) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8,
un capteur de vibrations (V) configuré pour mesurer les vibrations du module de turbomachine (60), et
un calculateur (110) connecté au capteur de vibrations (V) et configuré pour délivrer un signal d’anomalie lorsque les vibrations détectées par le capteur de vibrations (V) sont supérieures aux vibrations de la plage prédéterminée.
Procédé de détection d’anomalie de la turbomachine (100) selon la revendication 9, comprenant les étapes suivantes :
détection des vibrations dans le module de turbomachine (60), par l’intermédiaire du capteur de vibrations (V), et
comparaison des vibrations, dans laquelle, si les vibrations mesurées lors de l’étape de détection sont supérieures aux vibrations de la plage prédéterminée, un signal d’anomalie est délivré par le calculateur (110).