FR2948726A1

FR2948726A1 - Roue a aubes comprenant des moyens de refroidissement ameliores

Info

Publication number: FR2948726A1
Application number: FR0955392A
Authority: FR
Inventors: Vincent Philippot
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2011-02-04
Anticipated expiration: 2029-07-31
Also published as: FR2948726B1; US20110027103A1; US8602734B2

Abstract

Roue à aubes (74) pour turbomachine, comprenant un disque (14) pourvu de dents (86) de rétention d'aubes (16), caractérisée en ce qu'à chaque dent (86) sont associés des moyens (80) de canalisation d'un flux d'air de refroidissement (72, 94) qui recouvrent le sommet de ladite dent (86) de manière à ce que ce dernier soit épousé par ledit flux d'air. Turbine (76) de turbomachine comprenant une roue à aubes (74) de ce type. Turbomachine pour aéronef comprenant une turbine (76) de ce type.

Description

ROUE A AUBES COMPRENANT DES MOYENS DE REFROIDISSEMENT AMELIORES

DESCRIPTION 5 DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des roues à aubes, en particulier dans les turbines des turbomachines, telles que les turboréacteurs d'avion. 10 L'invention concerne plus particulièrement le refroidissement des sommets des dents du disque de ces roues, qui servent à la rétention de leurs aubes. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Le rotor des turbines à gaz comprend une ou 15 plusieurs roues à aubes entraînées en rotation par l'écoulement d'un flux de gaz de l'amont vers l'aval dans ces turbines. Chaque roue à aubes comprend un disque pourvu de dents périphériques délimitant entre elles 20 des alvéoles dans lesquelles les pieds des aubes sont retenus. La température des gaz s'écoulant dans les turbines est en général élevée, notamment à l'entrée des turbines basse pression montées en sortie de 25 chambre de combustion dans les turbomachines à double corps, de sorte que le disque des roues à aubes peut être soumis à un gradient thermique radial néfaste pour la durée de vie de ce disque. Pour cette raison, il est connu d'équiper 30 le disque des roues à aubes, notamment celles disposées 2 à l'entrée des turbines, d'un flasque permettant de guider un flux d'air de refroidissement radialement vers l'extérieur sur un flanc du disque, ce flux étant ensuite contraint à circuler dans le fond des alvéoles du disque en direction du flanc opposé de ce disque. Toutefois, ce mode de refroidissement du disque des roues à aubes se révèle parfois insuffisant, notamment lorsque la température du flux des gaz entraînant le rotor atteint une valeur telle que le gradient thermique qui en résulte dans le flasque provoque une déformation de celui-ci de nature à en réduire l'étanchéité et donc la capacité à refroidir le disque. En outre, le mode de refroidissement décrit ci-dessus ne permet pas de refroidir les dents périphériques du disque, qui sont pourtant les parties les plus chaudes du disque car très proches du flux de gaz chauds s'écoulant dans ces turbines. Ce mode de refroidissement ne permet donc pas de réduire de manière optimale le gradient thermique radial dans les disques, et risque même d'accentuer le gradient thermique entre les sommets des dents, qui sont réchauffés par les gaz chauds qui s'écoulent dans les turbines, et les bases des dents qui sont refroidies par le flux d'air de refroidissement. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ces problèmes, permettant d'éviter les inconvénients précités. 3 Elle a en particulier pour but de réduire le gradient thermique dans le disque des roues à aubes des turbines à gaz telles que les turbines basse pression des turbomachines pour aéronef.

L'invention propose à cet effet une roue à aubes pour turbomachine, comprenant un disque pourvu de dents de rétention d'aubes, caractérisée en ce qu'à chaque dent sont associés des moyens de canalisation d'un flux d'air de refroidissement qui recouvrent au moins partiellement le sommet de ladite dent de manière à ce que ce sommet soit épousé par ledit flux d'air. Les moyens de canalisation permettent de délimiter des passages globalement axiaux recouvrant respectivement les sommets des dents du disque et destinés à l'écoulement du flux d'air de refroidissement précité. Les sommets des dents du disque participent à la délimitation de ces passages de sorte que ces sommets peuvent être épousés par le flux d'air de refroidissement. Les moyens de canalisation permettent ainsi de refroidir le sommet de chaque dent du disque. Du fait que les sommets des dents sont les parties les plus chaudes du disque en fonctionnement, les moyens de canalisation permettent un refroidissement optimal du disque et une réduction optimale du gradient thermique radial dans ce disque. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la roue à aubes comprend un flasque monté en regard d'un premier flanc du disque de manière à délimiter avec ce dernier une cavité annulaire destinée 4 à l'écoulement du flux d'air de refroidissement radialement vers l'extérieur, le flasque comprenant des pattes axiales qui se projettent vers un second flanc du disque opposé au premier flanc depuis une partie annulaire radiale du flasque de manière à former lesdits moyens de canalisation. Les pattes axiales du flasque permettent de délimiter au droit du sommet de chaque dent un passage destiné à la circulation du flux d'air de refroidissement le long du sommet de la dent correspondante. Le flasque peut en outre assurer la rétention axiale de pieds des aubes dans des alvéoles axiales délimitées par les dents du disque.

Chaque patte axiale du flasque s'étend de préférence à une distance radiale du sommet de la dent correspondante du disque qui est comprise entre 0,2 millimètre et 0,5 millimètre. Les pattes axiales du flasque sont avantageusement formées à une extrémité radialement externe du flasque. Ainsi, le flasque peut être léché et refroidi par le flux d'air de refroidissement sur toute son étendue radiale de manière à réduire au mieux les risques de déformation et de perte d'efficacité du flasque en fonctionnement. Préférentiellement, à chaque dent du disque est associée l'une des pattes axiales du flasque, laquelle patte axiale s'étend de préférence au droit de ladite dent du disque de manière à délimiter avec deux aubes jouxtant cette dent et avec le sommet de cette dent un passage pour l'écoulement du flux d'air de refroidissement. Ce passage débouche de préférence au niveau dudit second flanc du disque. 5 Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la roue à aubes comprend un jonc annulaire d'étanchéité appliqué sur ledit premier flanc du disque, à l'intérieur de la cavité annulaire délimitée par le flasque et en regard du fond d'alvéoles ménagées entre les dents du disque, de manière à prévenir une circulation d'air au fond de ces alvéoles. Le jonc permet d'obturer les fonds des alvéoles et de contraindre ainsi le flux d'air de refroidissement à s'écouler radialement vers l'extérieur jusqu'aux sommets des dents du disque. Le jonc d'étanchéité est de préférence formé d'un anneau fendu. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la partie annulaire radiale du flasque est appliquée sur le jonc d'étanchéité et comporte, sur sa face en appui sur ce jonc d'étanchéité, des rainures formant entre le flasque et le jonc des canaux de circulation d'air permettant au flux d'air de refroidissement de s'écouler au-delà du jonc radialement vers l'extérieur. Ces canaux permettent une mise en communication de la cavité annulaire délimitée par le flasque avec les passages délimités respectivement par les pattes axiales du flasque.

Les rainures précitées s'étendent de préférence radialement. 6 Le flasque comporte de préférence une nervure annulaire en saillie vers le disque et radialement interne par rapport au jonc d'étanchéité pour assurer un maintien radial de ce dernier.

Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le flasque comprend une bride annulaire de fixation radialement interne fixée à une bride annulaire du disque. Cette bride peut avantageusement porter des moyens d'équilibrage du disque en rotation. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la bride de fixation du flasque comporte, sur sa face en regard de la bride du disque, des rainures formant entre la bride de fixation du flasque et la bride du disque des canaux d'entrée d'air débouchant dans la cavité annulaire délimitée par le flasque. Ces rainures de la bride de fixation du flasque s'étendent de préférence radialement.

L'invention concerne également une turbine de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend une roue à aubes du type décrit ci-dessus. Cette roue à aubes est de préférence montée de sorte que ledit premier flanc de son disque soit disposé du côté amont de la roue à aubes. Cela permet de faciliter le prélèvement d'un flux d'air de refroidissement en amont de cette roue à aubes. Lorsque la roue à aubes est conforme au mode de réalisation préféré de l'invention, les canaux d'entrée d'air formés entre la bride de fixation du 7 flasque et la bride du disque de cette roue à aubes communiquent de préférence avec une cavité annulaire amont de la turbine dans laquelle circule un flux d'air de refroidissement.

L'invention concerne encore une turbomachine pour aéronef, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine du type décrit ci-dessus. Cette turbomachine est par exemple un turboréacteur d'avion à double corps dans lequel ladite turbine forme une turbine basse pression. Il est particulièrement avantageux que le premier étage au moins de cette turbine, c'est-à-dire son étage le plus en amont, comporte une roue à aubes du type décrit ci-dessus. C'est en effet cet étage que les gaz chauds provenant de la chambre de combustion du turboréacteur précité rencontrent en premier dans la turbine basse pression de ce turboréacteur, et c'est donc l'étage soumis aux plus fortes contraintes thermiques.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise, et d'autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront 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 partielle en coupe axiale d'une turbomachine comprenant une roue à aubes d'un type connu, selon un plan de coupe coïncidant avec un plan médian d'un pied d'une aube de cette roue à aubes ; 8

la figure 2 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale d'une turbomachine comprenant une roue à aubes selon l'invention, selon un plan de coupe coïncidant avec un plan médian d'une dent du disque de cette roue à aubes ; Sur ces figures, des éléments identiques ou semblables sont désignés par des références numériques identiques. EXPOSÉ DÉTAILLÉ D'UN MODE DE RÉALISATION PREFERE La figure 1 représente une roue à aubes 10 d'un type connu formant le premier étage du rotor d'une turbine basse pression 12 dans un turboréacteur à double flux et à double corps. D'une manière conventionnelle, cette turbine basse pression 12 est montée en sortie d'une turbine haute pression, elle-même montée en sortie d'une chambre annulaire de combustion (non visibles sur la figure 1). La roue à aubes 10 comprend un disque 14 pourvu à sa périphérie radialement externe de dents qui délimitent circonférentiellement entre elles des alvéoles axiales, à section en forme de queue d'aronde par exemple, et des aubes 16 comportant chacune un pied 18 engagé et retenu avec jeu dans l'une des alvéoles précitées. Chaque aube 16 comporte à sa base une plateforme 20 destinée notamment à guider l'écoulement de l'amont vers l'aval dans la turbine 12, c'est-à-dire de l'entrée vers la sortie de la turbine, d'un flux 9 primaire 22 de gaz provenant de la chambre de combustion précitée. Le disque 14 comprend une bride annulaire amont 24 qui est raccordée au disque par une paroi tronconique 26 et qui porte des moyens 28 d'équilibrage du disque 14. Le disque 14 comprend également une bride annulaire aval 30 raccordée au disque par une paroi tronconique 32 et fixée à un autre disque 34 du rotor de la turbine 12. La roue à aubes 10 comprend en outre un flasque annulaire 36 monté sur le flanc amont 38 du disque 14 et destiné notamment à la rétention axiale des pieds 18 des aubes 16. Ce flasque 36 comprend une bride radialement interne 40 fixée à la bride amont 22 du disque 14 par des boulons 42 répartis autour de l'axe 44 de la turbine, et une partie annulaire radialement externe 46 qui s'étend en regard et à distance du flanc amont 38 du disque 14 et qui est raccordée à la bride 40 du flasque 36 par une paroi annulaire 48 du flasque, qui est par exemple de forme tronconique, et qui s'étend en regard et à distance de la paroi tronconique 26 du disque 14. Le flasque 36 délimite ainsi avec le flanc amont 38 et la paroi tronconique 26 du disque 14 une cavité annulaire 50 destinée à l'écoulement d'un flux d'air de refroidissement du disque 14, comme cela apparaîtra plus clairement dans ce qui suit. La roue à aubes 10 comprend également un jonc annulaire d'étanchéité 52 formé d'un anneau fendu et interposé entre le flanc amont 38 du disque 14 et le 10 flasque 36 dans la cavité annulaire 50, en regard des alvéoles du disque, pour assurer la rétention axiale des pieds 18 des aubes 16. Le flasque 36 comporte une nervure 54 en saillie vers le disque 14, c'est-à-dire vers l'aval dans l'exemple représenté, formée sensiblement en regard des fonds des alvéoles du disque 14 pour assurer un maintien radial du jonc d'étanchéité 52 dans une position décalée radialement vers l'extérieur par rapport aux fonds des alvéoles, de manière à permettre une circulation d'air entre la cavité annulaire 50 et les fonds des alvéoles. La plateforme 20 de chaque aube 16 comporte une gorge circonférentielle 56 débouchant radialement vers l'intérieur de la turbine, et dont le fond forme une butée destinée à empêcher une ouverture du jonc d'étanchéité 52 en fonctionnement, sous l'effet de la force centrifuge induite par la rotation de la roue à aubes 10.

La bride 40 du flasque 36 comporte des rainures radiales 58, parfois appelées lunules, qui sont formées sur la face 60 de cette bride 40 qui est appliquée sur la bride 24 du disque 14, c'est-à-dire sur sa face aval dans l'exemple représenté sur la figure 1. Ces rainures 58 s'étendent sur toute l'étendue radiale de la bride 40 du flasque de manière à faire communiquer la cavité annulaire 50 avec un espace annulaire radialement interne 62 de la turbine 12 situé en amont de la roue à aubes 10. Ces rainures 58 forment ainsi des canaux d'entrée d'air dans la cavité annulaire 50. 11 En fonctionnement, le flux primaire 22 de gaz chauds provenant de la chambre de combustion provoque un échauffement des dents 18 du disque 14 et induit un gradient thermique sensiblement radial dans ce disque 14. Les pieds 18 des aubes 16 subissent une force centrifuge du fait de la rotation du rotor, de sorte que chacun des pieds 18 est retenu dans l'alvéole correspondante du disque 14 en ménageant un espace 64 entre l'extrémité radialement interne 66 du pied 18 et le fond 68 de ladite alvéole du fait du jeu de montage de ce pied d'aube 18 dans l'alvéole. Cet espace 64 en fond d'alvéole débouche dans un espace annulaire 70 situé en aval de la roue à aubes 10.

Du fait d'un différentiel de pression entre l'espace annulaire amont 62 et l'espace annulaire aval 70, un flux d'air relativement frais 72, provenant d'une partie amont du turboréacteur et alimentant l'espace annulaire amont 62, circule de cet espace annulaire amont 62 vers l'espace annulaire aval 70 en passant successivement dans les canaux d'entrée de la cavité annulaire 50 formés par les rainures 58 de la bride 40 du flasque 36, puis dans la cavité annulaire 50 entre le flasque 36 et le disque 14, et enfin le long des fonds 68 respectifs des alvéoles de ce disque 14 du fait de l'obstruction de l'extrémité radialement externe de la cavité annulaire 50 par le jonc d'étanchéité 52. Cette circulation d'air frais permet ainsi de refroidir les fonds 68 respectifs des alvéoles du disque 14. 12 La figure 2 représente une roue à aubes 74 dans une turbine 76 d'un turboréacteur d'avion à double corps et à double flux. Cette roue à aubes 74 diffère de la roue à aubes 10 décrite ci-dessus en ce qu'elle comporte un flasque annulaire 78 conforme à un mode de réalisation préféré de l'invention. Le flasque 78 de la roue à aubes 74 diffère du flasque 36 de la figure 1 en ce qu'il comporte à son extrémité radialement externe une pluralité de pattes axiales 80 qui se prolongent depuis la partie annulaire radiale 46 du flasque 78 vers le flanc 82 du disque 14 opposé au flanc 38 du disque sur lequel le flasque 78 est monté, c'est-à-dire vers l'aval dans l'exemple représenté sur la figure 2. Les pattes axiales 80 sont agencées de sorte que le sommet 84 de chaque dent 86 du disque 14 est recouvert par l'une de ces pattes axiales 80. Chaque patte axiale 80 s'étend radialement à une distance de 0.3 millimètre environ du sommet 84 de la dent 86 correspondante, et passe entre les jupes amont (non visibles sur la figure 2) des plateformes 20 de deux aubes 16 disposées de part et d'autre de cette dent 86. Chaque patte axiale 80 délimite ainsi avec les pieds des deux aubes 16 correspondantes un passage de circulation d'air 88 recouvrant le sommet 84 de la dent 86 correspondante. Les jupes amont des plateformes 20 des aubes 16 ont une étendue circonférentielle restreinte par comparaison aux aubes de type conventionnel, de manière à permettre le passage des pattes axiales 80 du flasque comme expliqué ci-dessus. 13 Les pattes axiales 80 du flasque 78 sont raccordées entre elles par un bord radialement externe de ce flasque 78 (non visible sur la figure 2) qui coopère sensiblement à étanchéité avec les jupes amont des plateformes 20. La nervure 54 du flasque 78 est formée à une distance de l'axe 44 de la turbine choisie pour permettre un positionnement du jonc 52 en regard des fonds 68 des alvéoles du disque 14.

Par ailleurs, le flasque 78 comporte sur la face 90 de sa partie annulaire radiale 46 qui est appliquée sur le jonc d'étanchéité 52, c'est-à-dire sur sa face aval dans l'exemple représenté, des rainures radiales 92 formant des canaux destinés à mettre en communication la cavité annulaire 50 et les passages de circulation d'air 88 qui recouvrent les sommets 84 des dents 86. En fonctionnement, un flux 72 d'air de refroidissement pénètre dans la cavité annulaire 50 par les canaux d'entrée d'air formés par les rainures 58 de la bride 40 du flasque 78, d'une manière analogue à ce qui a été décrit ci-dessus en référence à la figure 1. Toutefois, le jonc d'étanchéité 52 obture les passages éventuellement ménagés au fond 68 des alvéoles par le déplacement des pieds des aubes 16 radialement vers l'extérieur sous l'effet de la force centrifuge induite par la rotation de la roue à aubes 74. Le flux d'air 72 est donc contraint de s'écouler radialement vers l'extérieur dans les canaux formés par les rainures 92 de la face 90 de la partie 14 annulaire radiale 46 du flasque 78, et de circuler vers l'aval dans les passages de circulation d'air 88 qui recouvrent les sommets 84 des dents 86, jusque dans la cavité annulaire aval 70, comme l'illustre la flèche 94 sur la figure 2. Le flux d'air 72 canalisé par les pattes axiales 80 permet ainsi de refroidir les sommets 84 des dents 86. Ce refroidissement des sommets 84 des dents 86 permet de réduire le gradient thermique radial dans le disque 14 plus efficacement que le refroidissement des fonds 68 respectifs des alvéoles opéré dans la roue à aubes 10 de type connu de la figure 1, conformément à ce qui a été expliqué ci- dessus. Ce mode de refroidissement du disque 14 permet également de réduire le gradient thermique dans le flasque 78 et de réduire ainsi les risques de déformation et de perte d'efficacité de ce flasque 78.20

Claims

REVENDICATIONS1. Roue à aubes (74) pour turbomachine, comprenant un disque (14) pourvu de dents (86) de rétention d'aubes (16), caractérisée en ce qu'à chaque dent (86) sont associés des moyens (80) de canalisation d'un flux d'air de refroidissement (72, 94) qui recouvrent au moins partiellement le sommet (84) de ladite dent (86) de manière à ce que ce sommet soit épousé par ledit flux d'air (72, 94).
2. Roue à aubes selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un flasque (78) monté en regard d'un premier flanc (38) du disque (14) de manière à délimiter avec ce dernier une cavité annulaire (50) destinée à l'écoulement dudit flux d'air (72, 94) radialement vers l'extérieur, ledit flasque (78) comprenant des pattes axiales (80) qui se projettent vers un second flanc (82) du disque (14) opposé au premier flanc (38) depuis une partie annulaire radiale (46) du flasque (78) de manière à former lesdits moyens de canalisation.
3. Roue à aubes selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites pattes axiales (80) du flasque (78) sont formées à une extrémité radialement externe de ce flasque (78).
4. Roue à aubes selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce quelle comprend un jonc annulaire d'étanchéité (52) appliqué sur ledit premier flanc (38) du disque (14), à l'intérieur de laditeSP,34782 MM 16 cavité annulaire (50) délimitée par le flasque (78) et en regard du fond d'alvéoles ménagées entre les dents (86) du disque (14), de manière à prévenir une circulation d'air au fond de ces alvéoles.
5. Roue à aubes selon la revendication 4, caractérisée en ce que la partie annulaire radiale (46) du flasque (78) est appliquée sur ledit jonc d'étanchéité (52) et comporte, sur sa face (90) en appui sur le jonc d'étanchéité (52), des rainures (92) formant entre le flasque (78) et le jonc (52) des canaux de circulation d'air permettant audit flux d'air (72, 94) de s'écouler au-delà du jonc (52) radialement vers l'extérieur.
6. Roue à aubes selon la revendication 5, caractérisée en ce que le flasque (78) comporte une nervure annulaire (54) en saillie vers le disque (14) et radialement interne par rapport au jonc d'étanchéité (52) pour assurer un maintien radial de ce dernier.
7. Roue à aubes selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que le 25 flasque (78) comprend une bride annulaire de fixation radialement interne (40) fixée à une bride annulaire (24) du disque (14).
8. Roue à aubes selon la revendication 7, 30 caractérisée en ce que la bride de fixation (40) du flasque (78) comporte, sur sa face (60) en regard de la bride (24) du disque (14), des rainures (58) formant entre la bride de fixation du flasque (40) et la brideSP 34782 MM 17 du disque (24) des canaux d'entrée d'air débouchant dans ladite cavité annulaire (50) délimitée par le flasque.
9. Turbine (76) de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend une roue à aubes (74) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
10. Turbine (76) de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend une roue à aubes (74) selon l'une quelconque des revendications 2 à 8 montée de sorte que ledit premier flanc (38) de son disque (14) soit disposé du côté amont de la roue à aubes (74).
11. Turbine (76) de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend une roue à aubes (74) selon la revendication 8, et en ce que les canaux d'entrée d'air formés entre la bride de fixation (40) du flasque (78) et la bride (24) du disque (14) de ladite roue à aubes communiquent avec une cavité annulaire amont (62) de la turbine dans laquelle circule un flux d'air de refroidissement (72).
12. Turbomachine pour aéronef, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine (76) selon l'une quelconque des revendications 9 à 11.30