FR3001759A1

FR3001759A1 - Rouge aubagee de turbomachine

Info

Publication number: FR3001759A1
Application number: FR1351042A
Authority: FR
Inventors: Baptiste Jouy; Bertrand Pellaton
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2014-08-08
Anticipated expiration: 2033-02-07
Also published as: GB2525117B; US10100658B2; GB2525117A; GB201513786D0; WO2014122403A1; US20150361817A1; FR3001759B1

Abstract

L'invention concerne une roue aubagée pour une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, destinée à tourner autour d'un axe de rotation dans un sens de rotation (R) déterminé et à être traversée par un flux de gaz, comportant une série d'aubes (7) réparties circonférentiellement autour de l'axe de rotation de la roue, l'extrémité radialement externe de chaque aube (7) comportant un talon (11) portant au moins une léchette (12, 13) radialement externe, s'étendant circonférentiellement suivant une direction oblique (α1, α2) par rapport au plan radial (P) perpendiculaire à l'axe de rotation, la léchette (12, 13) étant inclinée circonférentiellement de l'amont vers l'aval dans le sens de rotation (R) précité de manière à permettre une compression des gaz situés en amont de la léchette (12, 13) lors de la rotation de la roue aubagée (1).

Description

Roue aubagée de turbomachine La présente invention concerne une roue aubagée pour une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, destinée à équiper en particulier une turbine basse-pression. Une turbine de ce type comprend en général plusieurs roues aubagées comportant chacune un disque portant à sa périphérie des aubes régulièrement réparties autour de l'axe du disque. Chaque aube comprend à son extrémité radialement externe un talon portant des léchettes destinées à coopérer en fonctionnement avec des blocs de matière abradable fixés sur un carter de la turbine, pour former des joints d'étanchéité du type à labyrinthe. Le document EP-A-1 262 633 décrit une aube de turbine de ce type. La veine aérodynamique de la turbine est délimitée extérieurement par les talons des aubes de rotor. Toutefois, les extrémités amont et aval des talons des aubes d'une roue sont séparées axialement par des jeux faibles de distributeurs situés en amont et en aval de cette roue et en fonctionnement, et des gaz issus de la veine peuvent passer radialement à l'extérieur des talons à travers ces jeux. Les écarts de pression entre l'amont et l'aval d'une roue créent des recirculations de gaz en dehors de la veine, et les gaz qui sortent de la veine en passant entre les extrémités amont des talons des aubes d'une roue et le distributeur amont, circulent d'amont en aval à l'extérieur des talons des aubes de cette roue puis sont réinjectés dans la veine en passant entre les extrémités aval des talons des aubes de la roue et le distributeur aval. Ces gaz se détendent sans passer par les pales des aubes de la roue, c'est-à-dire sans passer dans la partie travaillante de l'étage de turbine, ce qui réduit les performances de la turbine. Les joints d'étanchéité à labyrinthe formés par les léchettes et les blocs de matière abradable ont pour but d'empêcher ou de limiter ce phénomène, en s'opposant au passage de gaz axialement d'amont en aval à l'extérieur des aubes de rotor. Les gaz qui sortent de la veine en passant entre les extrémités amont des talons des aubes d'une roue et le distributeur amont circulent au voisinage des léchettes formées sur les talons des aubes et sont entraînés en rotation et centrifugés par ces léchettes. Dans la technique actuelle, les léchettes du talon d'une aube de rotor sont soit droites, c'est-à-dire sensiblement parallèles à l'axe longitudinal de l'aube ou à un axe radial perpendiculaire à l'axe longitudinal de la turbine, soit inclinées par rapport à l'axe longitudinal de la pale, vers l'amont. L'avantage des léchettes inclinées par rapport aux léchettes droites est leur meilleure efficacité en termes d'étanchéité car elles renvoient les gaz centrifugés vers l'amont, dans une direction opposée aux recirculations de gaz précitées.

Cependant, ces léchettes inclinées ont un encombrement axial relativement important par rapport à celui des léchettes droites. Afin de remédier à cet inconvénient, la demande de brevet FR 2 977 909 au nom de la Demanderesse propose une roue aubagée dans laquelle chaque aube de rotor comporte à son extrémité radialement externe un talon portant au moins une léchette externe comprenant une partie radialement interne s'étendant depuis le talon vers l'extérieur, sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal de l'aube, et une partie radialement externe qui est inclinée par rapport à l'axe longitudinal de l'aube et qui s'étend radialement vers l'extérieur en direction du bord d'attaque de l'aube. Chaque léchette comporte donc deux parties d'orientations différentes, une partie interne dite droite et une partie externe dite inclinée, ce qui permet de combiner les avantages des léchettes droites et inclinées de la technique antérieure (en termes d'encombrement axial et d'étanchéité) tout en évitant leurs inconvénients. En effet, la partie droite de chaque léchette permet de centrifuger les gaz issus de la turbine, ces gaz s'écoulant radialement de l'intérieur vers l'extérieur le long des léchettes. La partie inclinée de chaque léchette permet de diriger ces gaz vers l'amont et donc de les empêcher de circuler axialement vers l'aval à l'extérieur des talons des aubes. Ces léchettes ont un faible encombrement axial du fait que seules leurs parties externes sont inclinées. L'intérêt de cette solution est donc de conserver le gain de performance des léchettes inclinées tout en limitant leur encombrement axial. Il existe toutefois un besoin d'augmenter encore les performances de la turbine basse-pression, ou plus généralement des 10 roues aubagées de la turbomachine. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème. A cet effet, elle propose une roue aubagée pour une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, 15 destinée à tourner autour d'un axe de rotation dans un sens de rotation déterminé et à être traversée par un flux de gaz, comportant une série d'aubes réparties circonférentiellement autour de l'axe de rotation de la roue, chaque aube comportant un bord amont et un bord aval par rapport au sens d'écoulement du flux de gaz, l'extrémité radialement externe de 20 chaque aube comportant un talon portant au moins une léchette radialement externe, caractérisée en ce que la léchette s'étend circonférentiellement suivant une direction oblique par rapport à un plan radial perpendiculaire à l'axe de rotation, la léchette étant inclinée circonférentiellement de l'amont vers l'aval dans le sens de rotation précité 25 de manière à permettre une compression des gaz situés en amont de la léchette lors de la rotation de la roue aubagée. De cette manière, en fonctionnement, les gaz en amont de la léchette sont légèrement comprimés de façon à éviter qu'ils ne circulent axialement vers l'aval à l'extérieur des talons des aubes. On augmente 30 ainsi les performances de la turbine. L'encombrement axial d'une telle léchette est également restreint, par comparaison avec les léchettes inclinées de l'art antérieur. On notera qu'une partie de la puissance est prélevée sur la turbine pour comprimer les gaz en amont de la léchette. Des tests ont toutefois permis de démontrer que cette puissance perdue est largement compensée par le gain de performance obtenu en évitant que les gaz s'écoulent axialement vers l'aval à l'extérieur de la léchette. Selon une caractéristique de l'invention, chaque talon comporte plusieurs léchettes externes s'étendant circonférentiellement suivant des directions obliques par rapport au plan radial perpendiculaire à l'axe de rotation. Selon une forme de réalisation de l'invention, les angles d'inclinaison des léchettes par rapport audit plan radial sont identiques. Selon une autre forme de réalisation de l'invention, les angles d'inclinaison d'au moins deux léchettes par rapport audit plan radial sont différents. De préférence, l'angle d'inclinaison d'au moins une léchette par rapport audit plan radial est compris entre 20 et 45°. Un tel angle d'inclinaison offre un bon compromis entre la 20 puissance prélevée sur la turbine pour comprimer les gaz en amont de la léchette et le gain de performance obtenu en évitant que les gaz s'écoulent axialement vers l'aval à l'extérieur du talon. En outre, la léchette peut comporter une partie radialement interne s'étendant suivant un premier plan, oblique par rapport audit plan 25 radial, et une partie radialement externe s'étendant suivant un second plan, incliné de l'aval vers l'amont et radialement de l'intérieur vers l'extérieur, par rapport au premier plan. La léchette comporte donc deux parties d'orientations différentes, une partie interne s'étendant suivant le premier plan et une 30 partie externe s'étendant suivant le second plan. La partie interne de la léchette permet de centrifuger les gaz issus de la turbine (en plus de les comprimer de la façon décrite précédemment), ces gaz s'écoulant radialement de l'intérieur vers l'extérieur le long de la léchette. La partie externe de la léchette renforce encore le refoulement des gaz vers l'amont, afin de les empêcher de circuler axialement vers l'aval à l'extérieur des talons des aubes. L'invention concerne également une turbine basse-pression pour une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs étages comportant chacun une roue aubagée du type précité.

L'invention propose enfin une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comporte une turbine basse-pression du type précité. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une partie d'une turbine basse-pression de l'art antérieur, - la figure 2 est une vue schématique illustrant deux aubes de la turbine de la figure 1, vues radialement de l'extérieur, - la figure 3 est une vue correspondant à la figure 2, d'une forme de réalisation de l'invention, - la figure 4 est une vue en perspective d'une partie des talons des aubes de la figure 3, - la figure 5 est une vue correspondant à la figure 4, illustrant une autre forme de réalisation de l'invention. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente une turbine basse-pression d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion selon la technique antérieure à l'invention, cette turbine comprenant plusieurs étages comportant chacun une roue aubagée mobile 1 et un distributeur 2 qui est monté en aval de la roue et porté par un carter externe 3 de la turbine. On notera que la figure 1 fait uniquement apparaître le distributeur 2 de l'étage précédant celui de la roue mobile 1 et est donc disposé en amont de cette roue 1. Chaque distributeur 2 comprend classiquement deux plates-formes annulaires coaxiales, respectivement interne (non visible) et externe 4, entre lesquelles s'étend une rangée annulaire d'aubes fixes 5, la plate-forme externe 4 comportant des moyens 6 d'accrochage sur le carter 3 de la turbine. Chaque roue mobile 1 comprend un disque (non visible) à la périphérie externe duquel sont formées des rainures parallèles dans lesquelles sont engagés des pieds d'aubes 7 de rotor, les rainures du disque ayant une forme complémentaire de celle des pieds d'aube, par exemple du type en queue d'aronde. Chaque roue mobile 1 est entourée extérieurement avec un faible 15 jeu par une enveloppe cylindrique formée de blocs de matière abradable 8 fixés sur des secteurs d'anneau 9 accrochés circonférentiellement sur le carter 3 de la turbine. Chaque aube 7 de rotor comprend une pale 10 qui est reliée à son extrémité radialement interne par une plate-forme au pied de l'aube (non 20 visible), et à son extrémité radialement externe à un talon 11 portant des léchettes 12, 13 s'étendant radialement vers l'extérieur et destinées à coopérer avec les blocs de matière abradable 8 pour former un joint d'étanchéité du type à labyrinthe. Les plates-formes et les talons des distributeurs 5 et des roues 25 mobiles 1 de la turbine délimitent entre eux la veine d'écoulement des gaz 14 provenant d'une chambre de combustion de la turbomachine. Les extrémités amont des talons 11 des aubes 7 d'une roue mobile 1 sont écartées axialement d'un faible jeu J des extrémités aval de la plate-forme externe 4 du distributeur 3 situé en amont de cette roue mobile 1. En 30 fonctionnement, une partie des gaz s'écoulant dans la veine 14 peut s'échapper de la veine 14 en passant radialement vers l'extérieur à travers le jeu J. Les léchettes 12, 13 coopèrent avec les blocs de matière abradable 8 pour limiter ou empêcher la circulation de ces gaz d'amont en aval radialement à l'extérieur des talons 11 des aubes 7 de la roue mobile 1.

Dans la technique actuelle, les léchettes 12, 13 sont généralement droites, c'est-à-dire s'étendent dans un plan radial sensiblement parallèle à l'axe longitudinal A de la pale ou à un axe radial perpendiculaire à l'axe longitudinal de la turbine. Il s'avère que de telles léchettes 12, 13 ne garantissent pas une étanchéité suffisante entre les talons 11 des aubes 7 et les blocs de matière abradable 8, de sorte qu'un débit non négligeable de gaz contourne la veine 14 en passant entre les extrémités amont des talons 11 des aubes 7 et le distributeur amont 4, puis à l'extérieur des talons 11 des aubes 7 de cette roue mobile 1, avant d'être réinjecté dans la veine 14 en passant entre les extrémités aval des talons 11 des aubes 7 de la roue mobile 1 et le distributeur aval 2. Ces gaz se détendent sans passer par les pales 10 des aubes 7 de la roue mobile 1, c'est-à-dire sans passer dans la partie travaillante de l'étage de turbine correspondant, ce qui réduit les performances de la turbine.

Les figures 3 et 4 illustrent une première forme de réalisation de l'invention visant à remédier à cet inconvénient. Dans cette forme de réalisation, chaque léchette 12, 13 s'étend circonférentiellement suivant une direction oblique par rapport au plan radial P perpendiculaire à l'axe de la rotation de la roue 1, chaque léchette 12, 13 étant inclinée circonférentiellement de l'amont vers l'aval dans le sens de rotation R de la roue 1 de manière à permettre une compression des gaz situés en amont de la léchette 12, 13 lors de la rotation de la roue 1. Dans le cas des figures 3 et 4, les angles d'inclinaison respectifs ai et 122 des léchettes 12, 13 par rapport au plan radial P précité sont identiques et sont compris entre 20 et 45°. Bien entendu, les léchettes 1, 13 peuvent avoir des angles d'inclinaison ai et 122 différents. De même, seule 3001 75 9 8 l'une des léchettes 12, 13, par exemple la léchette amont 12, peut être inclinée par rapport au plan radial P précité. Le talon 11 peut également comporter une seule léchette. Dans tous les cas, les léchettes 12, 13 ainsi inclinées par rapport au 5 plan radial P permettent, en fonctionnement, de compresser les gaz situés en amont, afin de limiter très fortement le débit de gaz contournant la veine 14 et d'augmenter ainsi les performances de la turbine. La figure 5 illustre une seconde forme de réalisation de l'invention dans laquelle chaque léchette 12, 13 comporte une partie radialement 10 interne 15 s'étendant suivant un premier plan Pi, oblique par rapport au plan radial P perpendiculaire à l'axe de rotation et incliné circonférentiellement de l'amont vers l'aval dans le sens de rotation R. Chaque léchette 12, 13 comporte en outre une partie radialement externe 16 s'étendant suivant un second plan P2, incliné de l'aval vers l'amont et 15 radialement de l'intérieur vers l'extérieur, par rapport au premier plan Pl. Chaque léchette 12, 13 comporte ainsi deux parties d'orientations différentes, une partie interne 15 s'étendant suivant le premier plan P1 et une partie externe 16 s'étendant suivant le second plan P2. La partie interne 15 de chaque léchette 12, 13 permet de centrifuger les gaz issus de 20 la turbine (en plus de les comprimer de la façon décrite précédemment), ces gaz s'écoulant radialement de l'intérieur vers l'extérieur le long de la léchette 12, 13. La partie externe 16 de chaque léchette 12, 13 renforce encore le refoulement des gaz vers l'amont, par centrifugation, afin de les empêcher de circuler axialement vers l'aval à l'extérieur des talons 11 des 25 aubes 7. Cette forme de réalisation combine ainsi les effets de la compression des gaz en amont des léchettes 12, 13 et du refoulement des gaz vers l'amont par centrifugation, afin de réduire encore le débit de gaz contournant la veine 14 de la turbine.

30 Le premier plan P1 peut être incliné, comme précédemment, d'un angle ai ou 122 compris entre 20 et 45° par rapport au plan radial P perpendiculaire à l'axe de rotation. En outre, le second plan P2 peut être incliné d'un angle l compris entre 25 et 35° par rapport au premier plan P1. Dans ce mode de réalisation, la hauteur ou dimension radiale de la partie interne 15 des léchettes 12, 13 représente environ 40 à 60% de la hauteur ou dimension radiale totale des léchettes 12, 13. La hauteur ou dimension radiale de la partie interne 15 de la léchette amont 12 peut être optimisée pour déterminer et positionner avec précision le centre de gravité du talon 11. Dans le cas où cette hauteur est augmentée, la masse de la léchette amont 12 est augmentée et le centre de gravité du talon 11 est déplacé vers l'amont. Dans le cas contraire où cette hauteur est diminuée, la masse de la léchette amont 12 est diminuée et le centre de gravité du talon 11 est déplacé vers l'aval. Bien entendu, seule l'une des deux léchettes 12, 13, de préférence la léchette amont 12, peut comporter deux parties inclinées 15, 16 l'une par rapport à l'autre d'un l'angle p. Le talon 11 de la figure 5 peut en outre comporter une seule léchette. Enfin, l'invention peut également s'appliquer plus généralement à tout type de turbine ou de rotor d'une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion.

Claims

REVENDICATIONS1. Roue aubagée (1) pour une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, destinée à tourner autour d'un axe de rotation dans un sens de rotation (R) déterminé et à être traversée par un flux de gaz, comportant une série d'aubes (7) réparties circonférentiellement autour de l'axe de rotation de la roue (1), chaque aube (7) comportant un bord amont et un bord aval par rapport au sens d'écoulement du flux de gaz, l'extrémité radialement externe de chaque aube (7) comportant un talon (11) portant au moins une léchette (12, 13) radialement externe, caractérisée en ce que la léchette (12, 13) s'étend circonférentiellement suivant une direction oblique (cci, cc2) par rapport à un plan radial (P) perpendiculaire à l'axe de rotation, la léchette (12, 13) étant inclinée circonférentiellement de l'amont vers l'aval dans le sens de rotation (R) précité de manière à permettre une compression des gaz situés en amont de la léchette (12, 13) lors de la rotation de la roue aubagée (1).
2. Roue aubagée (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque talon (11) comporte plusieurs léchettes externes (12, 13) s'étendant circonférentiellement suivant des directions obliques (cci, cc2) par rapport au plan radial (P) perpendiculaire à l'axe de rotation.
3. Roue aubagée (1) selon la revendication 2, caractérisée en ce que les angles d'inclinaison (cci, 122) des léchettes (12, 13) par rapport audit plan radial (P) sont identiques.
4. Roue aubagée (1) selon la revendication 2, caractérisée en ce que les angles d'inclinaison (cci, 122) d'au moins deux léchettes (12, 13) par rapport audit plan radial (P) sont différents.
5. Roue aubagée (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'angle d'inclinaison (cci, 122) d'au moins une léchette (12, 13) par rapport audit plan radial (P) est compris entre 20 et 45°.
6. Roue aubagée (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la léchette (12, 13) comporte une partie radialementinterne (15) s'étendant suivant un premier plan (P1), oblique par rapport audit plan radial (P), et une partie radialement externe (16) s'étendant suivant un second plan (P2), incliné de l'aval vers l'amont et radialement de l'intérieur vers l'extérieur, par rapport au premier plan (P1).
7. Turbine basse-pression pour une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs étages comportant chacun une roue aubagée (1) selon l'une des revendications 1 à 6.
8. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comporte une turbine basse-pression selon la revendication 7.