FR2926612A1 - Tambour de rotor pour une turbomachine - Google Patents

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Abstract

Tambour de rotor pour une turbomachine, comprenant au moins deux disques de rotor reliés l'un à l'autre par une paroi de révolution (20, 36, 40, 42) sensiblement cylindrique comportant des léchettes annulaires externes (46), ces léchettes coopérant avec un élément (48) en matériau abradable du stator de la turbomachine pour former un joint d'étanchéité à labyrinthe, la paroi de révolution comprenant sur sa surface interne et sensiblement au droit des léchettes des rainures (54) dans lesquelles circule de l'air (56) de ventilation et de refroidissement des léchettes.

Description

1 TAMBOUR DE ROTOR POUR UNE TURBOMACHINE
La présente invention concerne un tambour de rotor pour une turbomachine, et en particulier pour un compresseur haute-pression d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Un compresseur haute-pression de ce type comprend plusieurs étages de compression comportant chacun une rangée annulaire d'aubes de rotor et une rangée annulaire d'aubes de stator. Les aubes de stator sont portées à leurs extrémités radialement externes par un carter externe du compresseur sensiblement cylindrique. Le rotor du compresseur comprend au moins un tambour qui est formé de disques de rotor reliés coaxialement les uns aux autres par une paroi de révolution sensiblement cylindrique ou tronconique, les aubes de rotor étant fixées à la périphérie externe des disques. Le disque amont etlou aval du tambour comprend en outre une paroi de révolution qui est reliée à son extrémité opposée aux disques à une bride annulaire de fixation à une bride annulaire correspondante d'un autre disque de tambour du compresseur et/ou d'un arbre d'entraînement du rotor du compresseur. La paroi de révolution du tambour porte des groupes de léchettes annulaires qui s'étendent radialement vers l'extérieur et qui coopèrent à étanchéité avec des éléments annulaires en matériau abradable fixés à la périphérie interne des rangées d'aubes fixes, de façon à former des joints à labyrinthe. Ces joints permettent de limiter le passage d'air chaud, provenant de la veine du compresseur, en direction axiale vers l'amont à travers l'espace annulaire situé entre la paroi de révolution et les périphéries internes des rangées d'aubes fixes. Le frottement des léchettes sur le matériau abradable et le cisaillement visqueux de l'air se traduisent par une augmentation importante de la température des léchettes et de la paroi de révolution portant ces léchettes.
Dans certaines turbomachines, les déplacements relatifs en fonctionnement entre le rotor et le stator et les distorsions du corps du moteur entraînent des variations relativement importantes des jeux entre les éléments abradables et les léchettes, qui se traduisent par des fuites d'air à travers les joints à labyrinthe. Ces fuites d'air assurent la ventilation et le refroidissement de ces léchettes en fonctionnement. Cependant, d'autres turbomachines sont conçues pour que les mouvements relatifs entre le rotor et le stator et les déformations du moteur soient minimes. Les fuites d'air en direction axiale à travers les joints à labyrinthe dans les compresseurs sont donc très faibles voire quasi nulles. On a déjà constaté l'apparition de criques et de fissures sur les léchettes de ce type de compresseur à cause des températures importantes auxquelles elles sont soumises en fonctionnement. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, 15 efficace et économique à ce problème. Elle propose à cet effet un tambour de rotor pour une turbomachine, comprenant au moins deux disques de rotor reliés l'un à l'autre par une paroi de révolution sensiblement cylindrique comportant des léchettes annulaires s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la surface externe 20 de la paroi de révolution, ces léchettes étant destinées à coopérer avec un élément en matériau abradable du stator de la turbomachine pour former un joint d'étanchéité du type à labyrinthe, caractérisé en ce que la paroi de révolution comprend au niveau de sa surface interne et sensiblement au droit des léchettes des moyens de refroidissement de ces léchettes par 25 échange convectif avec de l'air de ventilation circulant à l'intérieur de la paroi de révolution et entre les disques. Selon l'invention, des moyens de refroidissement des léchettes sont portés par ou formés sur la ou chaque paroi de révolution du tambour de rotor, au niveau de la surface interne de cette paroi. Ces moyens de 30 refroidissement ont pour fonction de favoriser les échanges de chaleur entre la zone de la paroi de révolution portant les léchettes et l'air de
3 ventilation qui circule radialement à l'intérieur de la paroi à travers les espaces annulaires définis entre les orifices axiaux des disques de rotor et l'arbre du compresseur s'étendant à travers ces orifices. Cet air pénètre dans chaque enceinte annulaire délimitée par deux disques adjacents du tambour et vient lécher les faces amont et aval de ces disques ainsi que la surface interne de la paroi de révolution. Les moyens formés sur la surface interne de la paroi de révolution augmentent les surfaces d'échanges thermiques entre la zone de la paroi portant les léchettes et cet air de ventilation. L'air qui circule au niveau de ces moyens de refroidissement absorbe une partie de la chaleur générée par le frottement des léchettes sur le matériau abradable et par le cisaillement visqueux de l'air. Les léchettes ne sont donc plus soumises à des températures trop importantes en fonctionnement, ce qui évite la formation de criques et de fissures sur ces léchettes, et se traduit par une augmentation de leur durée de vie.
Dans un cas particulier de réalisation de l'invention, on a constaté une diminution de 25°C de la température maximale atteinte par les léchettes en fonctionnement, ce qui suffit pour éviter l'apparition de criques et de fissures dans les léchettes. Les moyens de refroidissement peuvent comprendre au moins une rainure annulaire ou hélicoïdale formée sur la surface interne de la paroi de révolution et débouchant radialement vers l'intérieur. Le nombre de rainures annulaires est par exemple égal à celui des léchettes, chacune de ces rainures étant sensiblement alignée radialement avec une léchette. La ou chaque rainure peut avoir en section une forme en V ou en U dont le fond est arrondi concave ou rectangulaire. En variante, les moyens de refroidissement comprennent au moins une nervure annulaire ou hélicoïdale s'étendant radialement vers l'intérieur depuis la surface interne de la paroi de révolution. Le nombre de nervures annulaires est par exemple égal à celui des léchettes, chacune de ces nervures étant sensiblement alignée radialement avec une léchette.
Le tambour selon l'invention est par exemple réalisé en titane ou en alliage métallique à base de nickel. L'invention propose également un compresseur de turbomachine, comprenant au moins un tambour tel que décrit ci-dessus, et une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant au moins un tambour du type précité. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de la présente 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 demi-vue schématique en coupe axiale d'un compresseur haute-pression d'une turbomachine ; - la figure 2 est une demi-vue schématique en coupe axiale, à plus grande échelle, d'une partie d'un tambour de rotor selon l'invention ; - la figure 3 est une vue correspondant à la figure 2 et représente une variante de réalisation de l'invention. Le compresseur haute-pression 10 de turbomachine représenté en figure 1 comprend neuf étages de compression, chacun de ces étages comportant une rangée annulaire d'aubes mobiles 12 de rotor et une rangée annulaire d'aubes fixes 14 de stator ou de redressement agencée en aval de la rangée d'aubes mobiles 12. Les extrémités radialement externes des aubes fixes 14 sont portées par un carter annulaire externe 16 sensiblement cylindrique du compresseur par des moyens appropriés qui ne sont pas décrits.
Les aubes mobiles 12 comprennent à leurs extrémités radialement internes des pieds qui sont montés dans des rainures axiales ou dans des gorges annulaires formées à la périphérie externe de disques de rotor 18, 20, 21, 22. Quatre disques de rotor 20 sont reliés coaxialement les uns aux autres par des parois de révolution 24 sensiblement cylindriques ou tronconiques de façon à former un premier tambour avant de rotor, qui comprend les disques de rotor des étages deux à cinq du compresseur et est appelé tambour 2-5. Le disque amont 20 de ce tambour 2-5 (correspondant au disque du second étage du compresseur) comprend en amont une paroi de révolution 5 26 tronconique qui est reliée à son extrémité amont à une bride annulaire 28 de fixation sur une bride annulaire 30 correspondante du disque 18 du premier étage du compresseur. Une troisième bride annulaire 32 d'un arbre 34 du compresseur est intercalée et serrée entre les brides 28, 30. Les brides 28, 30 et 32 sont maintenues axialement serrées les unes contre les autres par des moyens du type vis-écrou. Le disque aval 20 du tambour 2-5 (correspondant au disque du cinquième étage du compresseur) comprend en aval une paroi de révolution 36 cylindrique qui est reliée à son extrémité aval à une bride annulaire 38 appliquée et serrée sur la face amont du disque 21 du sixième étage du compresseur. Les disques de rotor 22 sont au nombre de trois et sont reliés les uns aux autres par des parois de révolution 40 de façon à former un tambour arrière, ce tambour comportant les disques de rotor 22 des étages sept à neuf du compresseur et étant appelé tambour 7-9. Le disque amont de ce tambour (correspondant au disque du septième étage du compresseur) comprend en amont une paroi de révolution 42 cylindrique reliée à son extrémité amont à une bride annulaire 44 appliquée et serrée sur la face aval du disque 21 par des moyens du type vis-écrou. Les tambours 2-5 et 7-9 sont en général chacun formé par l'assemblage, par exemple par soudage, brasage, ou analogue, des disques de rotor et des parois de révolution entre eux. Les parois de révolution 24, 36, 40 et 42 comprennent sensiblement au droit des rangées annulaires d'aubes mobiles 14 des léchettes annulaires 46 qui s'étendent radialement vers l'extérieur depuis les surfaces externes des parois. Ces léchettes 46 sont destinées à coopérer par frottement avec des éléments annulaires 48 en matériau abradable fixés à la périphérie interne des aubes fixes 14 de façon à former des joints d'étanchéité du type à labyrinthe. Ces joints limitent le passage d'air chaud provenant de la veine du compresseur axialement d'amont en aval et d'aval en amont à travers les espaces annulaires situés entre la périphérie interne des rangées d'aubes mobiles et les parois de révolution 24, 36, 40 et 42. Le frottement des léchettes 46 sur les éléments abradables 48 génère une quantité importante de chaleur qui s'ajoute à la quantité de chaleur générée par le cisaillement visqueux de l'air par les léchettes. Cette chaleur est absorbée en grande partie par les léchettes qui sont donc soumises en fonctionnement à des températures importantes susceptibles de les fragiliser et donc de réduire leur durée de vie. L'invention apporte une solution simple à ce problème grâce à des moyens de refroidissement prévus sur les parois de révolution 24, 36, 40 et 42 des tambours 2-5 et 7-9, sensiblement au droit des léchettes 46, ces moyens de refroidissement étant destinés à faciliter et à optimiser les échanges de chaleur par convection entre la paroi de révolution et l'air de refroidissement et de ventilation qui circule radialement à l'intérieur des parois 24, 36, 40 et 42 (flèches 50). De manière générale, les moyens de refroidissement augmentent les surfaces d'échanges thermiques entre la zone de la paroi de révolution portant les léchettes et cet air de ventilation Cet air est par exemple prélevé en amont du compresseur haute-pression de la turbomachine et passe axialement à travers les espaces annulaires délimités, d'une part, par l'alésage axial de l'arbre 34 du compresseur et par les orifices axiaux des disques de rotor 20, 21 et 22, et d'autre part, par un autre arbre de la turbomachine tel qu'un arbre de turbine, comme cela est schématiquement représenté par les flèches 52 en figure 1. La figure 2 représente de manière schématique et à plus grande échelle un élément abradable 48 disposé entre des léchettes 46 d'une paroi de révolution 24, 36, 40 et 42 d'un tambour de rotor et la périphérie interne d'une rangée d'aubes fixes 14 d'un compresseur de turbomachine,
7 la paroi de révolution étant équipée de moyens de refroidissement selon un mode de réalisation de l'invention. Ces moyens de refroidissement comprennent des rainures annulaires 54 formées sur la surface interne de la paroi de révolution 24, 36, 40 et 42 et débouchant radialement vers l'intérieur, ces rainures 54 étant situées sensiblement au droit des léchettes 46. Le nombre de rainures 54 est ici identique à celui des léchettes 46 et est égal à trois dans l'exemple représenté. Chaque rainure 54 est alignée en direction radiale avec une léchette 46. La forme et les dimensions des rainures sont notamment déterminées en fonction des dimensions des léchettes et de la quantité de chaleur à évacuer en fonctionnement. La forme des rainures est également déterminée pour limiter les concentrations de contraintes dans la zone correspondante de la paroi de révolution en fonctionnement. Dans l'exemple représenté, les léchettes 46 sont identiques les unes aux autres et les rainures 54 sont identiques les unes aux autres. Les rainures ont ici une forme carrée ou rectangulaire en section. En variante, le fond de ces rainures peut avoir une forme arrondie concave. De manière générale, ces rainures ont en section une forme en U ou en V.
Les rainures peuvent être plus ou moins nombreuses en fonction du nombre de léchettes et des dimensions de ces rainures. La paroi de révolution peut éventuellement comporter une seule rainure. La où les rainures de la paroi de révolution 24, 36, 40 et 42 peuvent en variante avoir une forme hélicoïdale qui s'étend autour de l'axe longitudinal du compresseur. Dans l'exemple représenté, la paroi de révolution 24, 36, 40 et 42 a une épaisseur e plus importante que celle correspondante de la technique antérieure, de façon à compenser la perte de rigidité engendrée par la formation des rainures 54 dans cette paroi.
8 Les rainures 54 peuvent être obtenues par toute technique appropriée, par exemple par usinage ou bien être réalisées de fonderie en même temps que la paroi 24, 36, 40 ou 42. Les moyens de refroidissement constitués par les rainures 54 fonctionnent de la manière suivante. De l'air 50 circule à l'intérieur de la paroi de révolution 24, 36, 40 et 42 du tambour de rotor et une partie de cet air vient lécher la surface interne de la paroi et pénétrer dans les rainures annulaires ou hélicoïdales 54 de cette paroi (flèches 56). La circulation d'air dans ces rainures 54 assure une ventilation de la zone de la paroi de révolution portant les léchettes 46, et une augmentation des échanges thermiques par convection entre cette zone et l'air de ventilation 50. Une partie de la chaleur engendrée par le frottement de léchettes 46 sur l'élément abradable 48 et par le cisaillement visqueux de l'air 58, en particulier dans les cavités annulaires inter-léchettes, est ainsi évacuée par l'air de ventilation. Dans la variante de réalisation de la figure 3, les moyens de refroidissement sont formés par des nervures annulaires 60 s'étendant radialement vers l'intérieur depuis la surface interne de la paroi de révolution 24, 36, 40 et 42.
Le nombre de nervures 60 est ici égal au nombre de léchettes 46 mais peut être inférieur ou supérieur à celui-ci. Les nervures 60 sont de préférence alignées en direction radiale avec les léchettes 46 et sont identiques les unes aux autres. Les dimensions de ces nervures, en direction axiale et radiale, sont notamment déterminées en fonction de la configuration et des dimensions des léchettes, et de la quantité de chaleur à évacuer en fonctionnement. Les nervures peuvent également avoir une forme hélicoïdale s'étendent autour de l'axe longitudinal du compresseur. Dans l'exemple représenté, la paroi de révolution a une épaisseur e' inférieure à celle de la paroi correspondante de la technique antérieure, de façon à compenser l'augmentation de masse due à la présence des nervures. Ces nervures 60 peuvent être formées d'une seule pièce avec la paroi de révolution, ou bien être rapportées et fixées par exemple par soudage ou brasage sur la surface interne de la paroi. Les nervures peuvent donc être réalisées dans le même matériau que celui du tambour qui est par exemple réalisé en titane ou en alliage métallique à base de nickel. Le fonctionnement des moyens de refroidissement de la figure 3 est similaire à celui des moyens de refroidissement de la figure 2, l'air de ventilation 50 pénétrant dans les cavités inter-nervures (flèches 56) pour prélever une partie de la chaleur dégagée par le frottement des léchettes sur le matériau abradable et par le cisaillement visqueux de l'air 58.

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Tambour de rotor pour une turbomachine, comprenant au moins deux disques de rotor (20, 22) reliés l'un à l'autre par une paroi de révolution (24, 40) sensiblement cylindrique comportant des léchettes annulaires (46) s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la surface externe de la paroi de révolution, ces léchettes étant destinées à coopérer avec un élément (48) en matériau abradable du stator de la turbomachine pour former un joint d'étanchéité du type à labyrinthe, caractérisé en ce que la paroi de révolution comprend au niveau de sa surface interne et sensiblement au droit des léchettes des moyens (54, 60) de refroidissement de ces léchettes par échange convectif avec de l'air de ventilation (50) circulant à l'intérieur de la paroi de révolution et entre les disques de rotor.
2. Tambour selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement comprennent au moins une rainure annulaire ou hélicoïdale (54) formée sur la surface interne de la paroi de révolution et débouchant radialement vers l'intérieur.
3. Tambour selon la revendication 2, caractérisé en ce que le nombre de rainures annulaires (54) est égal à celui des léchettes (46), chacune de ces rainures étant sensiblement alignée radialement avec une léchette.
4. Tambour selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la ou chaque rainure (54) a en section une forme en V ou en U dont le 25 fond est arrondi concave ou rectangulaire.
5. Tambour selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement comprennent au moins une nervure annulaire ou hélicoïdale (60) s'étendant radialement vers l'intérieur depuis la surface interne de la paroi de révolution. 30
6. Tambour selon la revendication 5, caractérisé en ce que le nombre de nervures annulaires (60) est égal à celui des léchettes(46), chaque nervure étant sensiblement alignée radialement avec une léchette.
7. Tambour selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est réalisé en titane ou en alliage métallique à base de nickel.
8. Compresseur haute-pression de turbomachine, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un tambour selon l'une des revendications précédentes.
9. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un tambour selon l'une des revendications 1 à 7.
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