FR3019584A1 - Systeme de ventilation d'une turbine a l'aide d'orifices traversants et de lunules - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un rotor (3), comprenant : - un premier et un deuxième disque (30), comprenant chacun un bras amont (36) et un bras aval (38), - un anneau d'étanchéité (40) comprenant une bride radiale (44), et - un système de ventilation, comprenant : * des orifices traversants (46), formés dans la bride radiale (44), * des lunules amont (48), et * des lunules aval (50), les orifices traversants (46), les lunules amont (48) et les lunules aval (50) formant ensemble des canaux de circulation d'un flux (F) d'air pressurisé dans le rotor (3).

Description

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne de manière générale les moteurs à turbine à gaz, et plus particulièrement la ventilation des étages d'une turbine, par exemple une turbine basse pression d'une turbomachine. Des domaines d'application de l'invention sont les turboréacteurs et turbopropulseurs d'avions et les turbines à gaz industrielles. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Un exemple de turbomachine a été illustré en figure 1.
Une turbomachine 1 comporte typiquement une nacelle qui forme une ouverture pour l'admission d'un flux déterminé d'air vers le moteur proprement dit. Conventionnellement, les gaz s'écoulent d'amont en aval à travers la turbomachine. Généralement, la turbomachine comprend une ou plusieurs sections de compression 4 de l'air admis dans le moteur (généralement une section basse pression et une section haute pression). L'air ainsi comprimé est admis dans la chambre de combustion 5 et mélangé avec du carburant avant d'y être brûlé. Les gaz de combustion chauds issus de cette combustion sont ensuite détendus dans différents étages de turbine. Une première détente est faite dans un étage à haute pression 6 immédiatement en aval de la chambre de combustion 5 et qui reçoit les gaz à la température la plus élevée. Les gaz sont détendus à nouveau en étant guidés à travers les étages de turbine dits à basse pression 7.
Une turbine, basse pression 7 ou haute pression 6 comporte classiquement un ou plusieurs étages, chacun étant constitué d'une rangée de pales de turbine fixes, aussi appelée distributeurs, suivie d'une rangée d'aubes mobiles de turbine, qui forment le rotor. Le distributeur 2 dévie le flux de gaz prélevé au niveau de la chambre de combustion 5 vers les aubes mobiles de turbine à un angle et une vitesse appropriés afin d'entraîner en rotation ces aubes mobiles et le rotor de la turbine.
Le rotor comprend plusieurs disques, par exemple cinq disques, qui comprennent généralement des rainures périphériques telles que des alvéoles dans lesquelles les aubes mobiles sont emboîtées. Le rotor de la turbine est soumis à un environnement thermique très chaud, bien supérieur aux températures maximales admissibles par les pièces du rotor. C'est pourquoi, le rotor comprend généralement une virole annulaire tournante à léchettes (appelée également anneau d'étanchéité), en regard de laquelle est placée une partie statique présentant un alésage comportant un matériau abradable capable de résister à des températures élevées, afin de réduire les échanges convectifs entre le flux d'air chaud en provenance de la veine d'air et le rotor. L'anneau d'étanchéité est fixé sur le rotor à l'aide d'une bride radiale annulaire au niveau de la jonction entre les disques mobiles, plus précisément entre un bras aval du disque amont et un bras amont du disque aval. Par ailleurs, les léchettes sont en général constituées de lames continues ou segmentées de forme annulaire, disposées sur le rotor au niveau de la bride, tandis que l'alésage en matériau abradable 14 est disposé en regard, sur une face inférieure du distributeur.
Une ventilation spécifique pour les disques du rotor a en outre été mise en place, comprenant un flux d'air pressurisé prélevé en amont de la turbine, typiquement au niveau du compresseur haute, qui est introduit dans le rotor en vue de refroidir ses disques, en particulier ses alvéoles. A cet effet, et comme illustré sur la figure 2, des lunules 100 (ou rainures radiales) sont formées circonférentiellement sur une face aval de la bride radiale de l'anneau d'étanchéité, afin d'amener le flux d'air pressurisé aux alvéoles à travers la cavité délimitée par le bras amont du disque aval et l'anneau d'étanchéité. Ces lunules 100, qui sont des dépressions s'étendant sensiblement radialement par rapport à l'axe X de la turbomachine, sont habituellement usinées directement dans la masse de la bride radiale. Il s'avère cependant que leur réalisation est fastidieuse et ne peut pas être contrôlée avec précision, de sorte qu'il est nécessaire de les surdimensionner afin de garantir une section minimum pour ventiler les fonds d'alvéoles. Dans la pratique, on constate en effet une très forte dispersion de la section calibrante, c'est-à-dire la section minimale des lunules 100 nécessaire pour ventiler suffisamment les alvéoles, due à la géométrie des lunules 100 et à leur réalisation complexe. Cette dispersion peut en effet atteindre 40% entre la section minimale admissible et la section obtenue pour les lunules 100. Il n'existe en outre pas à ce jour de moyen de contrôle simple et fiable permettant de vérifier que la section des lunules 100 est suffisante pour ventiler correctement les disques. Il est donc habituel de surdimensionner la section des lunules 100. Toutefois, la quantité d'air pressurisé prélevé en amont de la turbine est alors beaucoup plus importante que nécessaire, ce qui réduit fortement les performances de la turbomachine.
RESUME DE L'INVENTION Un objectif de l'invention est d'améliorer le dimensionnement et la robustesse du système de ventilation du rotor d'une turbine d'une turbomachine, notamment d'une turbine basse pression, de manière à garantir une ventilation suffisante de ces disques tout en limitant le flux d'air prélevé pour cette ventilation, et donc d'améliorer les performances de la turbomachine. Pour cela, l'invention propose un rotor de turbine, par exemple une turbine basse pression d'une turbomachine, comprenant : - un premier disque, comprenant au moins un premier bras amont, un premier bras aval et un premier moyeu, - un deuxième disque, comprenant au moins un deuxième bras amont, un deuxième bras aval et un deuxième moyeu, - un anneau d'étanchéité annulaire comprenant une bride radiale annulaire, ladite bride radiale étant fixée sur le rotor entre le premier bras aval du premier disque et le deuxième bras amont du deuxième disque, et - un système de ventilation, adapté pour mettre en communication fluidique une cavité radialement interne, dans laquelle s'étendent le premier moyeu et le deuxième moyeu et une cavité radialement externe, s'étendant entre le deuxième bras amont et l'anneau d'étanchéité, le rotor étant caractérisé en ce que le système de ventilation comprend : - une série d'orifices traversants, formés dans la bride radiale entre le premier bras aval et le deuxième bras amont, - une série de lunules amont, adaptées pour mettre en communication fluidique la cavité radialement interne et la série d'orifices traversants, et - une série de lunules aval, adaptées pour mettre en communication fluidique la série d'orifices traversants et la cavité radialement externe. Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du rotor décrit ci-dessus sont les suivantes : les lunules amont sont formées dans une face amont de la bride radiale, les lunules amont sont formées dans une face aval du premier bras aval du premier disque, les lunules aval sont formées dans une face aval de la bride radiale, les lunules aval sont formées dans une face amont du deuxième bras 20 amont du deuxième disque, les lunules amont débouchent dans la cavité radialement interne et les lunules aval débouchent dans la cavité radialement externe, les orifices traversants débouchent dans les lunules amont et dans les lunules aval, 25 une section des orifices traversants est inférieure à une section des lunules amont et à une section des lunules aval, et les orifices traversants s'étendent sensiblement parallèlement à un axe de révolution du rotor. Selon un deuxième aspect, l'invention propose également une 30 turbine, notamment turbine basse pression, caractérisée en ce qu'elle comprend un rotor comme décrit ci-dessus, ainsi qu'une turbomachine, comprenant une telle turbine.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : La figure 1 représente un exemple de turbomachine sur lequel s'applique l'invention, La figure 2 est une vue partielle en perspective d'un anneau 10 d'étanchéité annulaire à léchettes comprenant des lunules pour la ventilation du rotor conforme à l'art antérieur, La figure 3a illustre une vue en coupe axiale selon l'axe X de la figure 1 d'un rotor de turbine comprenant un exemple de réalisation d'un système de ventilation conforme à l'invention, 15 La figure 3b est une vue en coupe axial d'un rotor de turbine comprenant un deuxième exemple de réalisation d'un système de ventilation conforme à l'invention, La figure 4 est une vue d'une face amont de l'anneau d'étanchéité à léchettes de la figure 3a, et 20 La figure 5 est une vue d'une face aval de l'anneau d'étanchéité à léchettes de la figure 3a. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION L'invention va être décrite tout particulièrement en référence à une 25 turbine basse pression 7, comprenant une série de distributeurs 2 (ou stators) alternés selon l'axe X de rotation de la turbomachine 1 avec une série de disques mobiles 3 (ou rotor). Ceci n'est cependant pas limitatif, dans la mesure où la turbine 7 pourrait comprendre un nombre d'étages différent, et que l'invention trouve aussi bien application dans une turbine 30 haute pression 6, pouvant être mono- ou multi-étages.
La turbine 7 comporte classiquement un ou plusieurs étages, chacun étant constitué d'un distributeur 2 suivi d'un rotor 3 (ou roue mobile). Le rotor 3 présente un axe X de révolution qui correspond à un axe principal de la turbomachine 1 et comprend plusieurs disques 30, par exemple cinq disques 30, qui comprennent chacun un moyeu 31 s'étendant radialement vers l'intérieur en direction de l'axe X. Des rainures périphériques telles que des alvéoles 32, dans lesquelles les aubes mobiles 34 sont emboîtées, sont formées dans une jante 33 des moyeux 31. Les différents disques 30 du rotor peuvent notamment être assemblés de manière coaxiale par boulonnage. Chaque disque 30 de rotor 3 comporte alors un bras amont 36 qui s'étend vers l'amont depuis la face radiale amont du disque 30, autour duquel peut être monté un anneau d'étanchéité annulaire 40 assurant l'étanchéité du passage de l'air de refroidissement des disques 30, ainsi qu'un bras aval 38 qui s'étend depuis la face radiale aval du disque 30, adapté pour être connecté avec le bras amont 36 du disque 30 aval adjacent. Ici, l'amont et l'aval sont définis par le sens d'écoulement des gaz dans la turbomachine 1. L'anneau d'étanchéité 40 peut comprendre de manière conventionnelle des léchettes 42 sur une face radiale externe. L'anneau d'étanchéité 40 est fixé aux bras amont 36 et aval 38 des disques 30 à l'aide d'une bride radiale annulaire 44 (figure 4). Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures, la bride radiale 44 s'étend radialement par rapport à l'axe X entre le bras amont 36 et le bras aval 38. Les bras amont 36 et aval 38 et la bride radiale 44 peuvent notamment être fixés ensemble par boulonnage. Dans la forme de réalisation illustrée sur les figures, le bras amont 36 du disque 30 comprend une partie sensiblement axiale (virole) 36a par rapport à l'axe X, qui s'étend entre le disque 30 et la bride de l'anneau d'étanchéité 44, et une partie radiale 36b par rapport à l'axe X, qui correspond à l'extrémité libre du bras amont 36. De même, le bras aval 38 d'un disque 30 comprend une partie sensiblement axiale (virole) 38a par rapport à l'axe X, qui s'étend entre le disque 30 et la bride de l'anneau d'étanchéité 44, et une partie radiale 38b par rapport à l'axe X, qui correspond à l'extrémité libre du bras aval 38. Le bras amont 36 et le bras aval 38 peuvent alors être fixés ensemble à la bride 44 de l'anneau d'étanchéité 40 par l'intermédiaire de leurs parties radiales 36b, 38b.
Afin de ventiler les alvéoles 32 des disques 30 du rotor 3, un flux d'air pressurisé peut être prélevé en amont de la turbine 7, typiquement au niveau du compresseur haute pression, et être introduit dans les alvéoles 32 afin de refroidir les disques 30. Pour cela, le rotor 3 comprend un système de ventilation pour chaque disque 30, adapté pour mettre en communication fluidique une cavité radialement interne 8, dans laquelle s'étend le moyeu 31 du disque 30, et une cavité radialement externe 9, dans laquelle s'étendent le bras amont 36 et l'anneau d'étanchéité 40.
Le système de ventilation comprend : - une série d'orifices traversants 46, pouvant s'étendre sensiblement parallèlement à l'axe X, formés dans la bride radiale 44 entre le bras aval 38 et le bras amont 36, - une série de lunules amont 48, adaptées pour mettre en zo communication fluidique la cavité radialement interne 8 et la série d'orifices traversants 46, et - une série de lunules aval 50 borgnes, adaptées pour mettre en communication fluidique la série d'orifices traversants 46 et la cavité radialement externe 9. 25 Les lunules amont 48, les orifices traversants 46 et les lunules aval 50 forment donc ensemble des canaux de circulation du flux F d'air pressurisé de la cavité radialement interne 8 vers la cavité radialement externe 9. En effet, la fixation des brides amont 36 et aval 38 sur la bride radiale 44 est étanche. Le flux F d'air pressurisé ne peut qu'emprunter les 30 canaux de circulation ainsi formés.
La section des orifices traversants 46 est choisie de manière à permettre une ventilation suffisante des disques 30 du rotor 3. En conséquence, c'est la section des orifices traversants 46 qui est dimensionnante pour la ventilation des disques 30, et non plus la section des lunules 48, 50. La section des lunules amont 48 et aval 50 est donc simplement choisie de manière à être plus grande que la section des orifices traversants 46, afin d'amener le flux F d'air pressurisé de la cavité radialement interne 8 vers les orifices traversants 46, puis des orifices traversants 46 vers la cavité radialement externe 9.
Etant donné que, de nos jours, les techniques de perçage permettent d'obtenir des orifices de dimensions et de forme précises et maîtrisées, les tolérances liées à la réalisation des orifices traversants 46 dans la bride radiale 44 sont beaucoup plus faibles que pour la réalisation de lunules (de l'ordre de ± 0.05 mm au lieu de ± 0.2 mm pour les lunules 100), de sorte qu'il est possible de réduire la dispersion de la section de ventilation de 40% à environ 5%. Par ailleurs, les méthodes de contrôle des dimensions et de la forme d'orifices sont également plus précises, plus rapides et moins coûteuses que pour contrôler les dimensions et la forme de lunules. Il est donc beaucoup plus aisé et rapide de contrôler la qualité du système de ventilation du rotor 3 que pour l'agencement conventionnel illustré en figure 2. Par conséquent, grâce à ce système de ventilation 46, 48, 50, il est à présent possible de maîtriser avec précision la section des canaux de circulation du flux F d'air pressurisé entre la cavité radialement interne 8 et la cavité radialement externe 9, ce qui permet d'une part de réduire le flux F d'air pressurisé prélevé en amont de la turbine 7 (et donc d'améliorer les performances de la turbomachine 1) et d'autre part de garantir une ventilation suffisante des disques 30 du rotor 3.
La section des orifices traversants 46 est choisie en fonction de l'étage du disque 30 correspondant, de la température de la turbine 7, du débit de la veine d'air à travers la turbomachine 1, etc. Ce choix faisant partir du travail habituel de l'homme du métier, il ne sera pas détaillé davantage ici. Les orifices traversants 46 peuvent être de section circulaire. Il s'avère en effet très facile de nos jours de contrôler la section d'un orifice lorsque celui-ci est circulaire, dans la mesure où il suffit de déterminer son diamètre. Ceci n'est cependant pas limitatif, les orifices traversants 46 pouvant présenter une section non circulaire. Par ailleurs, les orifices traversants 46 peuvent s'étendre suivant l'axe X de révolution du rotor 3, ce qui permet également de simplifier le contrôle de sa section de passage. En variante, les orifices traversants 46 peuvent également s'étendre suivant un axe incliné par rapport à l'axe X. Les lunules quant à elles peuvent comprendre des rainures s'étendant radialement par rapport à l'axe de révolution X du rotor 3.
Selon une première forme de réalisation illustrée sur les figures 4 et 5, les lunules amont 48 et les lunules aval 50 sont formées respectivement dans une face amont 44a et dans une face aval 44b de la bride radiale 44. Afin que les lunules amont 48 soient en communication fluidique avec la cavité radialement interne 8, elles s'étendent jusqu'à un bord radialement interne 44c de la bride radiale 44. Par ailleurs, afin que les lunules aval 50 soient en communication fluidique avec la cavité radialement externe 9, elles s'étendent jusqu'à faire saillie dans ladite cavité radialement externe 9, soit au-delà de la partie radiale 36b du bras amont 36 s'étendant en regard de la bride radiale 44. On notera qu'il est généralement plus facile d'usiner des lunules débouchantes (c'est-à-dire faisant saillie dans l'une des cavités radialement interne 8 ou externe 9) que des lunules s'étendant à distance d'une arête.
Ainsi, Dans une variante de réalisation (voir figure 3b), les lunules aval 50 peuvent être formées dans la partie radiale 36b du bras amont 36, en regard des orifices traversants 46. De la sorte, les lunules aval 50 sont débouchantes dans la cavité radialement externe 9 et s'étendent jusqu'à un bord radialement externe de la partie radiale 36b du bras amont 36. Dans cette variante de réalisation, les lunules amont 48 peuvent alors être formées dans la face amont 44a de la bride radiale 44, comme illustré en figure 4. Ainsi, à la fois les lunules amont 48 et les lunules aval 50 sont débouchantes dans la cavité 8, 9 correspondante. De manière alternative, les lunules amont 48 peuvent être formées dans la partie radiale 38b du bras aval 38, en regard des orifices traversants 46. Les lunules aval 50 peuvent alors être formées soit dans la face aval 44b de la bride radiale 44, comme illustré en figure 5, ou en variante être réalisées dans la partie radiale 36b du bras amont 36. Les lunules amont 48 et aval 50 peuvent être obtenues par fraisage dans la masse de la bride radiale 44 (ou le cas échéant de la partie 36b du bras amont ou de la partie 38b du bras aval), tandis que les orifices traversants 46 peuvent être obtenus par perçage.20

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Rotor (3) de turbine, par exemple une turbine basse pression (7) d'une turbomachine (1), comprenant : - un premier disque (30), comprenant au moins un premier bras amont (36), un premier bras aval (38) et un premier moyeu (31), - un deuxième disque (30), comprenant au moins un deuxième bras amont (36), un deuxième bras aval (38) et un deuxième moyeu (31), - un anneau d'étanchéité (40) annulaire comprenant une bride radiale (44) annulaire, ladite bride radiale (44) étant fixée sur le rotor (3) entre le premier bras aval (38) du premier disque (30) et le deuxième bras amont (36) du deuxième disque (30), et - un système de ventilation (46, 48, 50), adapté pour mettre en communication fluidique une cavité radialement interne (8), dans laquelle s'étendent le premier moyeu (31) et le deuxième moyeu (31), et une cavité radialement externe (9), s'étendant entre le deuxième bras amont (36) et l'anneau d'étanchéité (40), le rotor (3) étant caractérisé en ce que le système de ventilation comprend : - une série d'orifices traversants (46), formés dans la bride radiale (44) entre le premier bras aval (38) et le deuxième bras amont (36), - une série de lunules amont (48), adaptées pour mettre en communication fluidique la cavité radialement interne (8) et la série d'orifices traversants (46), et - une série de lunules aval (50), adaptées pour mettre en communication fluidique la série d'orifices traversants (46) et la cavité radialement externe (9).
  2. 2. Rotor (3) de turbine (7) selon la revendication 1, dans lequel les 30 lunules amont (48) sont formées dans une face amont (44a) de la bride radiale (44).
  3. 3. Rotor (3) de turbine (7) selon la revendication 1, dans lequel les lunules amont (48) sont formées dans une face aval du premier bras aval (36) du premier disque (30).
  4. 4. Rotor (3) de turbine (7) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les lunules aval (50) sont formées dans une face aval (44b) de la bride radiale (44).
  5. 5. Rotor (3) de turbine (7) selon l'une des revendications 1 à 3, dans 10 lequel les lunules aval (50) sont formées dans une face amont du deuxième bras amont (36) du deuxième disque (30).
  6. 6. Rotor (3) de turbine (7) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les lunules amont (48) débouchent dans la cavité radialement interne 15 (8) et les lunules aval (50) débouchent dans la cavité radialement externe (9).
  7. 7. Rotor (3) de turbine (7) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les orifices traversants (46) débouchent dans les lunules amont (48) 20 et dans les lunules aval (50).
  8. 8. Rotor (3) de turbine (7) selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel une section des orifices traversants (46) est inférieure à une section des lunules amont (48) et à une section des lunules aval (50). 25
  9. 9. Rotor (3) de turbine (7) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel les orifices traversants (46) s'étendent sensiblement parallèlement à un axe de révolution (X) du rotor (3). 30
  10. 10. Turbine (7), notamment turbine basse pression, caractérisée en ce qu'elle comprend un rotor (3) selon l'une des revendications 1 à 9.
  11. 11. Turbomachine (1), caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine (7) selon la revendication 10.5
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