FR2993599A1 - Disque labyrinthe de turbomachine - Google Patents

Abstract

La présente invention porte sur un disque labyrinthe de turbomachine comprenant un moyeu, un voile et une partie périphérique tronconique, avec sur une face des lames de joint à labyrinthe et sur l'autre face des nervures radiales (78') dont les flancs (78'f) délimitent entre eux des canaux (80) débouchant à la périphérie du disque, la largeur desdits canaux décroissant depuis la base de la partie tronconique jusqu'au débouché à la périphérie, caractérisé par le fait que les nervures sont dédoublées à proximité de la périphérie, un évidement (79') étant ménagé entre les deux flancs (78'f) d'une même nervure.

Description

Domaine technique La présente invention concerne le domaine des turbomachines notamment celui des moteurs à turbine à gaz et en particulier vise la turbine d'un tel moteur. Etat de la technique Dans un moteur à turbine à gaz, les gaz de combustion issus de la chambre de combustion sont détendus dans une pluralité d'étages de turbine successifs, chaque étage étant formé d'une roue statorique de distributeurs orientant le flux qu'elle reçoit de l'amont vers les aubes de la roue mobile en rotation située à l'aval. Les aubes de la turbine comprennent un pied et une pale et sont montées radialement par leur pied dans des alvéoles usinées sur la jante d'un disque de rotor. Le disque de turbine HP comprend quant à lui un moyeu avec un trou central et un voile moins épais que le moyeu reliant le moyeu à la jante. Dans les moteurs à turbine axiale, à haute performance, tels que les moteurs à application militaire, les aubes du rotor de la turbine à haute pression, HP, situées immédiatement en sortie de la chambre de combustion sont soumises à un flux gazeux à température élevée. Un circuit d'air prélevé en amont de la chambre de combustion assure le refroidissement nécessaire à la tenue des parties de la turbine qui sont le plus exposées à ces gaz. Ce circuit comprend généralement un moyen de guidage de l'air jusqu'au pied des aubes ; puis l'air circule à partir du pied dans des canaux ménagés à l'intérieur de la pale avant d'être éjecté dans la veine de gaz. L'invention concerne un moyen de guidage de l'air de ventilation formé d'un disque que l'on dénomme généralement, disque-labyrinthe. Un tel disque est rapporté sur la face amont du disque du rotor de turbine et ménage un espace de guidage radial de l'air depuis une entrée proche de l'axe de rotation du rotor jusqu'à la jante du disque de turbine où l'air est introduit dans le circuit de refroidissement des aubes. Ce disque comporte sur sa face extérieure, opposée à celle ménageant l'espace de guidage d'air, une pluralité de lames formant l'élément rotatif d'un joint à labyrinthe. L'invention vise plus particulièrement un disque labyrinthe comprenant en périphérie une partie tronconique, dont le bord libre est agencé pour s'adapter au relief de la jante et prendre appui sur le disque de turbine auquel il est fixé. Des nervures radiales sont ménagées sur la face intérieure de cette partie tronconique. Un couvercle délimite, avec la face intérieure du disque labyrinthe et les nervures radiales, des canaux radiaux de guidage de l'air de ventilation. Ces canaux débouchent dans les alvéoles de la jante. Dans la mesure où les canaux ont une section qui diminue vers le bord du disque labyrinthe, les nervures ont une largeur qui n'est pas constante entre la zone inférieure de la partie tronconique et le bord du disque labyrinthe. Cette largeur est croissante vers le bord, la hauteur des nervures par rapport à la face intérieure du disque labyrinthe restant constante. Les canaux diminuent de largeur pour respecter une loi d'évolution des sections et ainsi permettent de mieux comprimer l'air. On observe également qu'à la base des flancs longitudinaux des nervures les surfaces de raccordement avec la face intérieure du disque sont rayonnées. Par ce terme, on désigne, dans le domaine mécanique, la forme arrondie des surfaces de raccordement. En coupe transversale, la courbe du raccord est arrondie, en arc de cercle par exemple, avec un rayon de courbure suffisant pour éviter, en fonctionnement du moteur, une concentration des contraintes mécaniques dans cette zone.

On a constaté cependant dans ces zones rayonnées, un niveau de contraintes élevé à proximité de la périphérie du disque labyrinthe. Ce niveau élevé s'explique par les efforts que subit le disque labyrinthe dans cette zone de bordure. En raison de son serrage contre le disque de turbine, le disque labyrinthe subit les efforts tangentiels du disque de turbine ; ces efforts sont donc élevés lorsque le régime de rotation est élevé.

Ces zones s'avèrent être critiques dans l'estimation de la durée de vie du disque labyrinthe. La demanderesse s'est fixé comme objectif de rechercher un profil optimal réduisant le niveau des contraintes dans cette zone. Une solution consisterait à augmenter la valeur du rayon de courbure des surfaces de raccordement dans cette zone. Cependant cela entraînerait une modification des sections des canaux et du débit de ventilation. Ce n'est pas acceptable du point de vue thermique si les autres paramètres du moteur ne sont pas modifiés corrélativement. Une autre solution consisterait à réaménager toute la zone des canaux tout en restant à i sosection de ventilation. Si cette solution est acceptable du point de vue thermique, elle remet en cause toute la géométrie de la zone. Sa mise en oeuvre entraînerait des coûts importants d'adaptation. En outre cette solution ne permettrait pas la rénovation des pièces existantes. Exposé de l'invention La présente invention parvient à l'objectif visé ci-dessus. Elle porte sur un disque labyrinthe de turbomachine comprenant un moyeu, un voile et une partie périphérique tronconique, avec sur la face extérieure des lames de joint à labyrinthe et sur l'autre face, intérieure, des nervures radiales délimitant des canaux débouchant à la périphérie du disque, la largeur desdits canaux décroissant depuis la base de la partie tronconique jusqu'à leur débouché à la périphérie. Le disque labyrinthe est caractérisé par le fait que les nervures sont dédoublées à proximité de la périphérie, un évidement étant ménagé entre les deux flancs d'une même nervure. Cet évidement suffit à réduire le niveau des contraintes car une partie du flux des contraintes tangentielles est reprise au niveau de l'évidement.

La simplicité de la solution permet une mise en oeuvre à faible coût. Elle n'a en outre aucun impact sur l'environnement de la pièce, en n'entraînant aucune altération du fonctionnement du moteur et en ne nécessitant aucun aménagement particulier. Enfin la solution permet d'envisager la rénovation de pièces existantes. Conformément à une autre caractéristique, les évidements débouchent à la périphérie du disque et comprennent des flancs dont la base est de forme rayonnée. Plus particulièrement, les rayons de courbure des flancs rayonnés côté évidement et des flancs rayonnés côté canaux de ventilation sont différents. En particulier, le rayon de courbure Re des flancs rayonnés, c'est-à-dire de la zone de raccord à la base des flancs, des nervures du côté évidement est supérieur au rayon de courbure Rv des flancs rayonnés, c'est-à-dire de la zone de raccord à la base des flancs, des nervures du côté canaux. Conformément à une autre caractéristique, la hauteur des flancs des évidements par rapport au fond de ceux-ci est sensiblement la même que celle des flancs des nervures. La position du fond de l'évidement déterminant la part du flux de contraintes repris à ce niveau, ladite hauteur permet une réduction optimale des contraintes.

Conformément à une autre caractéristique, la largeur des nervures dédoublées à la périphérie est la même que la largeur des nervures à la base de la partie tronconique. L'invention porte également sur un rotor de turbine comportant un disque et des aubes montées sur la jante du disque, un disque labyrinthe selon l'invention étant monté sur le disque et ménageant des canaux de ventilation des aubes.

Conformément à une autre caractéristique, le disque labyrinthe comprend un couvercle ménageant lesdits canaux de ventilation. Plus particulièrement, le rotor comprend un flasque amont de blocage axial des aubes, le disque labyrinthe étant en butée contre le bord radialement intérieur du flasque amont.

Brève description des figures L'invention sera mieux comprise et d'autres buts et détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement avec la description explicative détaillée qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés, sur lesquels La figure 1 représente partiellement, en demi coupe axiale, un rotor de turbine HP disposé en aval de la chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz ; La figure 2 représente en perspective l'intérieur du disque labyrinthe de l'art antérieur ; La figure 3 est une coupe selon A-A du disque de la figure 2 ; La figure 4 est une vue de face d'une nervure du disque de la figure 2, à proximité du bord ; La figure 5 est une vue en coupe dans un plan passant par l'axe de la partie tronconique du disque de la figure 2 ; La figure 6 est une vue en perspective du disque labyrinthe selon l'invention ; La figure 7 est une vue en coupe selon B-B du disque de la figure 6 ; La figure 8 est une vue en coupe dans un plan passant par l'axe de la partie tronconique du disque de la figure 6 ; La figure 9 est une vue de face de l'évidement pratiqué sur les nervures du disque de la figure 6. Description détaillée de l'invention En se reportant à la figurel, on voit un rotor 1 de turbine axiale d'un moteur à turbine à gaz disposé en aval de la roue de distributeurs statorique 2 située en sortie de la chambre de combustion non représentée. Le rotor 1 comprend un disque 3 de turbine qui est composé d'un moyeu 31 d'un voile 32 et d'une jante 33. Les aubes 4 sont fixées au disque par leurs pieds qui sont logés dans les alvéoles usinées sur la jante 33. Les pales des aubes sont balayées par les gaz chauds issus du distributeur 2 et sont pourvues d'un circuit de refroidissement interne non visible sur la figure. Un flasque amont 5 et un flasque aval 6, assurent à la fois le maintien axial des aubes dans leur alvéole et l'étanchéité pour l'air de ventilation qui est introduit à la base des alvéoles.

Un disque labyrinthe 7 est monté sur la face amont du disque de turbine 3 ; il est fixé au disque par boulonnage sur une bride 34 solidaire du voile 32. Le disque labyrinthe comprend un moyeu 71, un voile 72 de plus faible épaisseur que le moyeu et une partie périphérique 73 de forme tronconique évasée vers l'aval. La partie 73 s'appuie par son bord 74, de plus grand diamètre, sur le disque 3. Ce bord comprend ici une surface de butée radiale qui prend appui contre la surface cylindrique radialement intérieure du flasque amont 5. Par cet appui, le flasque 5 est calé en position contre un épaulement du disque 3.

Le disque labyrinthe comprend également un couvercle 75 sur sa face intérieure, c'est-à-dire celle tournée vers le disque. Le couvercle délimite un espace avec la face intérieure du disque dans lequel circule l'air de ventilation des aubes de la turbine. La circulation est illustrée par la succession de flèches F partant de la racine du disque labyrinthe jusqu'aux alvéoles du disque de turbine.

Le bord de plus grand diamètre 75, du couvercle est en appui contre le disque de turbine 3 par le moyen d'une surface de butée 76. La surface de butée 76 du couvercle prend appui radialement contre un épaulement du voile 32 du disque de turbine. L'air de ventilation est introduit dans les alvéoles du disque de turbine par l'espace ménagé entre les deux zones de contact des butées 74 et 76. Le disque labyrinthe 7 est pourvu sur sa face extérieure de lames radiales 77 qui coopèrent avec des éléments abradables 23 solidaires du carter du moteur. Ces éléments forment ensemble un joint à labyrinthe, connu en soi.

Les figures 2 à 5 montrent les nervures 78 sur la face intérieure, c'est-à-dire la face tournée vers le disque de turbine, du disque labyrinthe 7 selon l'art antérieur et sans le couvercle 75. Les nervures 78 s'étendent selon une direction radiale. Dans la partie périphérique 73, les nervures s'élargissent depuis la base de cette partie 73 jusqu'au bord de plus grand diamètre 73b. On note que la face 78b le long de ce bord est inclinée par rapport à l'axe. Les flancs 78f des nervures 78 présentent à leur base, dans la zone de raccordement avec la face intérieure 73i de la partie périphérique 73, une surface arrondie, dite rayonnée. Le rayon de courbure est choisi de manière à éviter une concentration des contraintes dans cette zone.

On constate, malgré cette précaution, l'apparition de contraintes d'un niveau élevé dans cette zone 78f à proximité du bord de plus grand diamètre 73b, par rapport aux autres zones de la pièce.

Afin de remédier à ce problème, l'invention propose de créer un évidement 79 dans les nervures 78 à proximité du bord libre 73b de la partie périphérique 73. Les figures 6 à 9 montrent la réalisation de l'invention. La partie périphérique modifiée est référencée 73' et les nervures 78'. L'évidement 79' des nervures 78' est réalisé par enlèvement de matière. Il est ouvert sur la face d'extrémité 78'b. Il définit ainsi un dédoublement de la nervure 78' en deux nervures 78'i et 78'2. Les flancs 78'1f et 78'2f de ces nervures dédoublées du côté des canaux de ventilation 80 ne sont pas changés par rapport à l'art antérieur ; ils sont dans le prolongement des flancs de la partie de la nervure non modifiée. Les flancs de ces nervures dédoublées 78'i et 78'2 vus du côté de l'évidement sont également arrondis. Le rayon de courbure Re de la zone de raccord à la base des flancs des nervures 78'i et 78'2 avec le fond de l'évidement est supérieur à celui Rv de la zone de raccord de la base des flancs des nervures avec la face interne 73'i, côté canaux, comme on le voit en particulier sur la figure 8. La largeur des nervures dédoublées est de préférence la même que la largeur de la nervure du côté de plus petit diamètre de la partie périphérique 73'. Le flanc de l'évidement 79' qui opposé à la face 78'b de bord périphérique de la nervure 78' est aussi arrondi, comme le voit sur la figure 9. Il est arrondi aussi bien en coupe transversale que le long de la face de la nervure. Le rayon de courbure est ici le même que celui Rv des flancs latéraux. Le fond de l'évidement 79' est au même niveau que la face interne 73'i de la partie périphérique, comme le voit sur les figures 6, 7 et 8. On comprend que pour la mise en oeuvre de l'invention sur un disque labyrinthe de l'art antérieur, il suffit d'usiner un évidement dans la largeur des nervures à proximité de leur bord de plus grand diamètre. Grâce à la solution de l'invention, on augmente de façon sensible la durée de vie de cette pièce en diminuant le niveau des contraintes maximales auxquelles elle est soumise en 30 fonctionnement.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Disque labyrinthe (7) de turbomachine comprenant un moyeu (71), un voile (72) et une partie périphérique tronconique (73'), avec sur une face des lames (77) de joint à labyrinthe et sur l'autre face des nervures radiales (78') dont les flancs (78'f) délimitent entre eux des canaux (80) débouchant à la périphérie du disque, la largeur desdits canaux décroissant depuis la base de la partie tronconique (73') jusqu'au débouché à la périphérie, caractérisé par le fait que les nervures sont dédoublées (78'1, 78'2) à proximité de la périphérie, un évidement (79') étant ménagé entre les deux flancs (78'f) d'une même nervure.
2. 2. Disque labyrinthe (7) selon la revendication 1 dont les évidements (79') débouchent à la périphérie du disque et comprennent des flancs dont la base est de forme rayonnée.
3. 3. Disque labyrinthe (7) de turbomachine selon la revendication 2, dont les rayons de 15 courbure (Re, Rv) des flancs rayonnés (Re) côté évidement et des flancs rayonnés (Rv) côté canaux, sont différents.
4. 4. Disque labyrinthe (7) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dont la hauteur des flancs du côté des évidements (79') par rapport au fond de ceux-ci est la même que celle des 20 flancs du côté des canaux de ventilation.
5. 5. Disque labyrinthe (1) selon l'une des revendications 1 à 4 dont la largeur des nervures dédoublées (78'1, 78'2) à la périphérie est la même que la largeur des nervures à la base de la partie tronconique (73'). 25
6. 6. Rotor de turbine (1) comportant un disque et des aubes montées sur la jante du disque, un disque labyrinthe (7) selon l'une des revendications précédentes étant monté sur le disque (3) et ménageant des canaux (80) de ventilation des aubes. 30
7. 7. Rotor selon la revendication précédente, le disque labyrinthe (7) comprenant un couvercle (75) ménageant lesdits canaux de ventilation.
8. 8. Rotor selon l'une des revendications 6 et 7, comprenant un flasque amont (5) de blocage axial des aubes, le disque labyrinthe étant calé contre le bord radialement intérieur du flasque 35 amont.
9. 9. Moteur à turbine à gaz comprenant un rotor de turbine haute pression selon l'une des revendications 6 à 8.