FR3061739A1 - Ensemble pour turbomachine - Google Patents

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Arnaud Fabien Lambert Olivier
Luc Florent Sicard Josselin
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Abstract

L'invention concerne un ensemble (56) pour turbomachine, l'ensemble comprenant une paroi annulaire (55) présentant une face amont (58) et une face aval (60), la paroi annulaire (55) étant pourvue d'une pluralité d'orifices (62) angulairement espacées et débouchant sur les faces amont (58) et aval (60), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'obturation aptes à obturer de manière sélective (64) des orifices (62) de la paroi annulaire (55).

Description

Titulaire(s) : SAFRAN AIRCRAFT ENGINES Société par actions simplifiée.
O Demande(s) d’extension :
® Mandataire(s) : ERNEST GUTMANN - YVES PLASSERAUD SAS.
® ENSEMBLE POUR TURBOMACHINE.
(57) L'invention concerne un ensemble (56) pour turbomachine, l'ensemble comprenant une paroi annulaire (55) présentant une face amont (58) et une face aval (60), la paroi annulaire (55) étant pourvue d'une pluralité d'orifices (62) angulairement espacées et débouchant sur les faces amont (58) et aval (60), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'obturation aptes à obturer de manière sélective (64) des orifices (62) de la paroi annulaire (55).
Figure FR3061739A1_D0001
FR 3 061 739 - A1
Figure FR3061739A1_D0002
ENSEMBLE POUR TURBOMACHINE
La présente invention concerne un ensemble pour turbomachine, notamment pour un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion.
La figure 1 est une vue simplifiée d’une turbine basse pression 2 de turbomachine, selon la demande de brevet FR 2 961 250 au nom de la demanderesse.
Cette turbine basse pression 2 comprend une pluralité d’étages 4 successifs centrés sur un axe longitudinal AA de la turbomachine. Chaque étage 4 comprend un distributeur 6 formé d’une pluralité d’aubes fixes 8 circonférentiellement adjacentes et d’une roue mobile 10 placée en aval du distributeur 6. La roue mobile 10 est formée d’une pluralité d’aubes mobiles 12 circonférentiellement adjacentes qui sont montées par leur pied dans des disques de rotor 14.
Les disques de rotor 14 sont assemblés ensemble par des parois annulaires 16 formant des brides radiales maintenues l’une contre l’autre par des boulons 18 circonférentiellement espacés. Les parois annulaires 16 comprennent une alternance de creux et de crêtes (non représentées sur la figure 1). Les creux et les crêtes d’une première paroi annulaire sont en regard des creux et des crêtes d’une seconde paroi annulaire respectivement. Deux creux en regard forment un orifice qui permet de laisser passer un air froid pour le refroidissement des disques de rotor 14.
Plus précisément, de l’air froid prélevé en amont sur la turbomachine peut alors refroidir les disques de rotor 14 en traversant lesdites parois annulaires 16.
Cette technique n’est cependant pas totalement satisfaisante. En effet, pour améliorer la tenue thermique de la turbomachine et/ou ses performances, il peut être nécessaire de contrôler le débit d’air de refroidissement.
Par exemple, lors des phases dites froides de fonctionnement de la turbomachine, il n’est pas nécessaire que le débit d’air de refroidissement soit important. Au contraire, lors des phases chaudes de fonctionnement de la turbomachine, il est avantageux que le débit d’air froid soit important.
L’invention a notamment pour but d’apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème.
A cet effet, l’invention propose, en premier lieu, un ensemble pour turbomachine, l’ensemble comprenant une paroi annulaire présentant une face amont et une face aval, la paroi annulaire étant pourvue d’une pluralité d’orifices angulairement espacées et débouchant sur les faces amont et aval, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens d’obturation aptes à obturer de manière sélective des orifices de la paroi annulaire.
Les moyens d’obturation sélective permettent de limiter le débit d’air traversant les orifices en fonction des conditions et des régimes de fonctionnement de la turbomachine. Il en résulte alors de meilleures performances et une plus grande durée de vie de la turbomachine.
Les moyens d’obturation peuvent comprendre une couronne coaxiale à la paroi annulaire et montée à rotation autour de l’axe de la turbomachine, la couronne comportant des ouvertures conformées et réparties circonférentiellement de manière à ce que la couronne puisse adopter plusieurs positions angulaires pour lesquelles un nombre différent d’orifices est obturé.
La rotation de la couronne permet alors d’obturer ou non un orifice de la paroi annulaire de sorte à autoriser ou non le passage d’air au travers de la paroi annulaire. Ceci qui assure le contrôle du débit d’air passant au travers de la paroi annulaire.
La couronne peut comprendre plusieurs zones angulaires de passage d’air espacées angulairement les unes des autres, chaque zone de passage d’air intégrant une ou plusieurs ouvertures coopérant chacune avec un orifice donné de la paroi annulaire.
Lorsque la couronne est pivotée, une zone peut alors conserver sa communication avec un orifice, ou au contraire interrompre cette communication.
Avantageusement, la couronne peut comprendre quatre zones angulaires de passage d’air, une première zone comprenant trois ouvertures, une deuxième zone comportant une ouverture, une troisième zone comportant trois ouvertures et une quatrième zone comportant deux ouvertures.
La paroi annulaire peut également comprendre quatre orifices régulièrement répartis autour de l’axe de la turbomachine.
Le choix de quatre orifices et quatre zones permet de réaliser un contrôle sectorisé du débit d’air de refroidissement. Ainsi, des secteurs nécessitant moins de refroidissement pourront être privés d’air de refroidissement pendant que d’autres secteurs seront alimentés en air de refroidissement selon leur(s) besoin(s).
La couronne est montée en appui sur l’une de la face amont et de la face aval de la paroi annulaire. Cela permet notamment de limiter les fuites d’air entre la couronne et la paroi annulaire, au bénéfice de l’efficacité du contrôle du débit.
Afin de faciliter la rotation de la couronne :
- elle peut être guidée à rotation par des paliers de roulement interne et externe,
- des moyens de solidarisation axiale de la couronne à l’une au moins des bagues rotatives d’un palier de roulement peuvent être prévus, et/ou
- elle peut être reliée à des moyens de déplacement en rotation comprenant un vérin.
L’invention propose, en deuxième lieu, un étage de turbine, telle qu’une turbine basse pression comprenant une rangée annulaire d’aubes de stator reliées intérieurement à une plate-forme annulaire interne depuis laquelle s’étend radialement vers l’intérieur ladite paroi annulaire (55).
L’invention propose, en troisième lieu, une turbomachine telle qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur, comprenant un ensemble ou un étage de turbine, tels que précédemment décrits.
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 simplifiée d’une turbine basse pression d’une turbomachine selon l’art antérieur ;
- La figure 2 est une vue schématique d’une turbomachine selon l’invention, cette turbomachine comportant une turbine basse pression ;
- la figure 3 est une vue de détail de la turbine basse pression de la turbomachine selon l’invention ;
- la figure 4 est une vue schématique, selon l’encart IV de la figure 3, d’une paroi annulaire d’une turbine basse pression d’une turbomachine selon l’invention, la paroi annulaire portant des ouvertures en regard desquels des moyens d’obturation sélectif des ouvertures sont disposés ;
- les figures 5a à 5d sont des vues schématiques montrant différentes position d’une couronne des moyens d’obturation sélectif des ouvertures de la paroi annulaire, pour permettre la régulation du débit d’air traversant les ouvertures de la paroi annulaire ;
- la figure 6 est une vue schématique montrant l’intégration des moyens d’obturation sélectif sur une paroi annulaire de la turbine basse pression de la figure 2.
On a représenté, sur la figure 2, une vue schématique en coupe d’une turbomachine 20 selon l’invention. En l’espèce, la turbomachine 20 est de type à double corps et à double flux, et s’étend selon un axe longitudinal XX.
Dans la suite de cette description, les termes amont AM et aval
AV s’entendent selon le sens d’écoulement de l’air dans la turbomachine 20, une direction longitudinale est une direction parallèle à l’axe longitudinal XX de la turbomachine 20, et une direction radiale est une direction sensiblement perpendiculaire à l’axe longitudinal XX de la turbomachine 20.
La turbomachine 20 comprend une soufflante 22 aspirant un flux d’air qui est divisé en un flux primaire et un flux secondaire. Le flux primaire traverse une veine primaire 24 qui comporte successivement, d’amont AM en aval AV, un compresseur basse pression 26 puis un compresseur haute pression 28 avant d’être injecté et mélangé à un carburant dans une chambre de combustion 30. En sortie de la chambre de combustion 30, des gaz chauds traversent successivement une turbine haute pression 32 puis une turbine basse pression 34 avant d’être éjectés de la turbomachine 20 par une tuyère d’éjection 36.
Le flux secondaire traverse, quant à lui, une veine secondaire 38 entourant la veine primaire 24.
La turbine basse pression 34 illustrée à la figure 3 comprend une pluralité d’étages 40 successifs centrés sur l’axe longitudinal XX. Chaque étage 40 comprend un distributeur 42 formé d’une rangée annulaire d’aubes radiales fixes 44 circonférentiellement adjacentes et d’une roue mobile 46 placée en aval AV du distributeur 42. La roue mobile 46 est formée d’une rangée annulaire d’aubes radiales mobiles 48 circonférentiellement adjacentes qui sont montées par leur pied dans un disque de rotor 50. Le premier distributeur 42 ou distributeur amont de la turbine basse pression comprend une plate-forme annulaire interne monobloc ou sectorisée reliant les extrémités radialement internes des aubes de stator. La plate-forme annulaire interne 42a est reliée à une paroi annulaire 55 interne s’étendant radialement vers l’intérieur depuis la plate-forme. Cette paroi annulaire 55 est notamment configurée pour autoriser le passage d’un air de refroidissement apte à refroidir les disques de rotor 50 situés en aval AV.
Les disques de rotor 50 sont reliés les uns aux autres par des liaisons boulonnées 52 traversant une paroi annulaire 54 de chacun des disques de rotor 50. Ces parois annulaires 54 forment en l’espèce des brides.
Avantageusement, un disque de rotor 50 axialement intercalé entre deux disques de rotor 50 comprendra une paroi annulaire 54 amont et une paroi annulaire 54 aval pour être solidarisé à chacun des disques de rotor en amont AM et en aval AV. Les disques de rotor 50 sont reliés à un arbre de transmission 57 par une paroi annulaire 59. L’étanchéité entre la paroi annulaire 55 et l’arbre de transmission 57 est assurée par des moyens d’étanchéité 61, par exemple par un joint labyrinthe.
En sortie de la chambre de combustion, les gaz chauds chauffent les différents composants des turbines, notamment par rayonnement thermique.
Afin notamment que les disques de rotor 50 ne se dégradent pas à cause des températures élevées, il est nécessaire de les refroidir.
Les figures 3 et 4 illustrent un ensemble 56 pour turbomachine 20 comprenant une paroi annulaire 55, d’axe XX (on utilisera donc l’axe XX comme axe de la paroi annulaire 55), d’un distributeur 42. Cette paroi annulaire 55 présente une face amont 58 et une face aval 60 et est pourvue d’une pluralité d’orifices 62 angulairement espacées débouchant sur les faces amont 58 et aval 60. Selon le mode de réalisation illustré la paroi annulaire 54 comprend quatre 62 orifices (visibles sur les figures 5a à 5d) régulièrement répartis autour de l’axe XX de la paroi annulaire 55.
Les orifices 62 permettent que de l’air froid, par exemple prélevé dans l’un du compresseur basse pression 26 ou haute pression 28, puisse refroidir les disques de rotor 50 successifs.
L’air froid traverse alors les orifices 62 d’une paroi annulaire 55 d’un disque de rotor 50 afin d’atteindre un disque de rotor 50 situé en aval AV.
Toutefois, il peut être nécessaire de contrôler le débit d’air froid traversant la paroi annulaire 55, notamment pour la thermique et l’amélioration des performances de la turbomachine 20.
Ainsi, l’ensemble 56 comprend, en outre, des moyens d’obturation sélective 64 des orifices 62 de la paroi annulaire 54.
La figure 4 illustre la paroi annulaire 55 d’une partie de stator de la turbomachine 20 et une partie des moyens de d’obturation sélective 64 des orifices 62 de la paroi annulaire 55.
La paroi annulaire 55 délimite, en amont, une première cavité amont CAM et, en aval, une seconde cavité aval CAV. L’une des cavités amont CAM et aval CAV est alimentée en air froid par des moyens d’alimentation en air (non représentés). L’air froid est un air de refroidissement qui est avantageusement prélevé dans le compresseur basse pression 26. En outre, les cavités amont CAM et aval CAV sont également délimitées par l’arbre de transmission 57 et les moyens d’étanchéité 61.
On voit sur les figures que l’air froid traverse la paroi annulaire 55 d’amont AM en aval AV. Pour une turbomachine différente la paroi annulaire 55 et les moyens d’obturation 64 pourraient être situés dans une autre partie de la turbomachine si bien que l’air froid traverserait la paroi annulaire 55 de l’aval AV vers l’amont AM.
Les moyens d’obturation sélective 64 comprennent une couronne 66 coaxiale à la paroi annulaire 55 et montée à rotation autour de l’axe de la paroi annulaire 55, c’est-à-dire autour de l’axe XX. La couronne 66 est montée en appui sur l’une de la face amont 58 et de la face aval 60 de la paroi annulaire 55. Comme cela est illustré sur la figure 4, la couronne 66 est montée en appui sur la face aval 60 de la paroi annulaire 55.
Comme cela est visible sur les figures 5a à 5d, la couronne 66 comporte des ouvertures 68 conformées et réparties circonférentiellement de manière à ce que la couronne 66 puisse adopter plusieurs positions angulaires pour lesquelles un nombre différent d’orifices 62 est obturé.
Selon un mode de réalisation correspondant au nombre d’orifices 62 de la paroi annulaire 55, la couronne 66 comprend plusieurs zones angulaires 70a - 70d de passage d’air espacées angulairement les unes des autres, chaque zone angulaire 70a - 70d de passage d’air intégrant une ou plusieurs ouvertures 68 coopérant chacune avec un orifice 62 donné de la paroi annulaire 55.
Selon le mode de réalisation illustré sur les figures, la couronne 66 comprend quatre zones angulaires 70a - 70d de passage d’air. Une première zone 70a comporte trois ouvertures 68, une deuxième zone 70b comporte une seule ouverture 68, une troisième zone 70c comporte trois ouvertures 68 et une quatrième zone 70d comporte deux ouvertures 68.
Les figures 5a à 5d illustrent quatre exemples de positions angulaires pouvant être adoptées par la couronne 66. Sur ces quatre positions angulaires, les orifices 62 de la paroi annulaire 55 sont représentés par des traits en pointillés.
Dans une première position illustrée à la figure 5a, aucune des ouvertures 68 de la couronne 66 n’est positionnée en regard d’un orifice 62 de la paroi annulaire 55. Il en résulte alors que l’air froid ne peut pas traverser la paroi annulaire 55. Le débit d’air traversant la paroi annulaire 55 est donc de 0%.
Dans une seconde position illustrée à la figure 5b, une ouverture 68 de chaque zone angulaire 70a - 70d est positionnée en regard d’un orifice 62 de la paroi annulaire 54. Il en résulte que la totalité du débit d’air froid traverse la paroi annulaire 55. Le débit d’air traversant la paroi annulaire 55 est donc de 100%.
Dans une troisième position illustrée à la figure 5c, trois ouvertures 68 sont en regard d’un orifice 62 de la paroi annulaire 55. Plus précisément, une ouverture 68 de la première zone angulaire 70a, une ouverture 68 de la troisième zone angulaire 70c et une ouverture 68 de la quatrième zone angulaire 70d sont en regard d’un orifice 62 de la paroi annulaire 55. Il en résulte qu’une partie de l’air froid (sensiblement un quart) ne peut traverser la paroi annulaire 54. Le débit d’air traversant la paroi annulaire 55 est donc de 75%.
Dans une quatrième position illustrée à la figure 5d, seules deux ouvertures 68 de la couronne 66 sont en regard d’un orifice 62 de la paroi annulaire 55. Plus précisément, une ouverture 68 de la première zone 70a et une ouverture 68 de la troisième zone 70c sont en regard d’un orifice 62 de la paroi annulaire 55. Il en résulte que seulement la moitié de l’air froid traverse la paroi annulaire 55. Le débit d’air traversant la paroi annulaire 55 est donc de 50%.
La couronne 66 précédemment décrite, permet donc de contrôler le débit d’air traversant la paroi annulaire 55. Ainsi, il est possible d’adapter le débit d’air froid (air de refroidissement) en fonction des conditions et des régimes de fonctionnement de la turbomachine 20. Ainsi, pour des faibles régimes et à température extérieure froide, on privilégiera un positionnement de la couronne 66 comme celui des positions illustrées sur les figures 5a (0%) ou 5d (50%). En revanche, pour des hauts régimes de fonctionnement et à température extérieure élevée, on privilégiera un positionnement de la couronne 66 comme celui des positions illustrées sur les figures 5b (100%) ou 5c (75%).
La figure 6 illustre, de manière schématique, l’intégration des moyens d’obturation sélective 64 des orifices sur la paroi annulaire 55.
Sur cette figure 6, on voit que la paroi annulaire 55 est reliée à une paroi cylindrique 72 sensiblement tronconique, par exemple une paroi de liaison de la paroi annulaire 55 avec une plate-forme radialement interne du distributeur 42.
Afin de faciliter le déplacement de la couronne 66, l’ensemble 56 comprend des paliers de roulement interne 74 et externe 76 pour guider la couronne 66 en rotation. Les paliers de roulement interne 74 et externe 76 peuvent être par exemple à roulements à billes ou à roulements à rouleaux.
Le palier de roulement interne 74 et le palier de roulement externe 76 comportent chacun une bague rotative 74a, 76a et une bague fixe 74b, 76b. La bague fixe 74b, 76b des paliers 74, 76 est solidarisée à la paroi annulaire 55 et la bague rotative 74a 76a des paliers 74, 76 est solidarisée à la couronne 66.
Avantageusement, l’ensemble 56 comprend également des moyens de solidarisation axiale 78 de la couronne 66 à l’une au moins des bagues rotatives 74a, 76a d’un palier de roulement 74, 76. En l’espèce, comme cela est représenté sur la figure 6, les moyens de solidarisation axiale 78 comprennent une clavette 78a solidaire de la couronne 66, apte à venir dans un logement 78b porté par l’une des bagues rotatives 74a, 76a des paliers de roulement 74, 76. Sur les figures, c’est la bague rotative 76a du palier de roulement externe 76 qui porte le logement 78b. Toutefois, le logement 78b pourrait également être porté par la bague rotative 74a du palier de roulement interne 74. Avantageusement, chacun des paliers de roulement 74, 76 peut comprendre un logement 78b de sorte que le guidage en rotation de la couronne 66 soit amélioré.
L’ensemble 56 comprend, en outre, des moyens de déplacement 80 en rotation auxquels la couronne 66 est reliée. Ces moyens de déplacement 80 comprennent par exemple un vérin 82 dont une première partie 82a, par exemple le corps, est raccordée à la paroi cylindrique 72 (ou à la paroi annulaire 55) et dont une seconde partie 82b (par exemple la tige) est raccordée à la couronne 66.
Enfin, comme cela est représenté de manière schématique sur la figure 4, l’ensemble 56 peut comprendre au moins un joint annulaire d’étanchéité 84 venant en appui sur la couronne 66. Ce joint d’étanchéité 84 permet notamment de supprimer d’éventuelles fuites d'air. Le joint d’étanchéité 84 est, selon l’exemple illustré, logé dans une cavité 86 réalisée dans la paroi annulaire 55.
Cela permet notamment de garantir un bon contrôle du débit d’air qui est dirigé de la cavité amont CAM vers la cavité aval CAV (ou inversement). En variante non illustrée, l’ensemble 56 pourrait comporter deux joints d’étanchéité 84 dont un premier joint d’étanchéité 84 est porté par la bague rotative 74a du pallier de roulement interne 74 et un second joint d’étanchéité 84 est porté par la bague rotative 76a du palier de roulement externe 76.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    1. Ensemble (56) pour turbomachine (20), l’ensemble comprenant une paroi annulaire (55) présentant une face amont (58) et une face aval (60), la paroi annulaire (55) étant pourvue d’une pluralité d’orifices (62) angulairement espacées et débouchant sur les faces amont (58) et aval (60), caractérisé en ce qu’il comprend des moyens d’obturation aptes à obturer de manière sélective (64) des orifices (62) de la paroi annulaire (55).
  2. 2. Ensemble (56) selon la revendication 1, dans lequel les moyens d’obturation (64) comprennent une couronne (66) coaxiale à la paroi annulaire (55) et montée à rotation autour de l’axe (XX) de la turbomachine (20), la couronne (66) comportant des ouvertures (68) conformées et réparties circonférentiellement de manière à ce que la couronne (66) puisse adopter plusieurs positions angulaires pour lesquelles un nombre différent d’orifices (62) est obturé.
  3. 3. Ensemble selon la revendication 2, dans lequel la couronne (66) comprend plusieurs zones angulaires (70a - 70d) de passage d’air espacées angulairement les unes des autres, chaque zone (70a - 70d) de passage d'air intégrant une ou plusieurs ouvertures (68) coopérant chacune avec un orifice (62) donné de la paroi annulaire (54).
  4. 4. Ensemble (56) selon la revendication 3, dans lequel la couronne (66) comprend quatre zones angulaires (70a - 70d) de passage d’air, une première zone (70a) comprenant trois ouvertures (68), une deuxième zone (70b) comportant une ouverture (68), une troisième zone (70c) comportant trois ouvertures (68) et une quatrième zone (70d) comportant deux ouvertures (68).
  5. 5. Ensemble (56) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la paroi annulaire (55) comprend quatre orifices (62) régulièrement répartis autour de l’axe (XX) de la turbomachine (20).
  6. 6. Ensemble (56) selon l’une des revendications 2 à 5, dans lequel la couronne (66) est montée en appui sur l’une de la face amont (58) et de la face aval (60) de la paroi annulaire (55).
  7. 7. Ensemble (56) selon l’une des revendications 2 à 6, dans lequel la couronne (66) est guidée à rotation par des paliers de roulement interne (74) et externe (76).
  8. 8. Ensemble (56) selon la revendication 7, comprenant des moyens de solidarisation axiale (78) de la couronne (66) à l’une au moins des bagues rotatives (74a, 76a) d’un palier de roulement (74, 76).
  9. 9. Ensemble (56) selon l’une des revendications 2 à 8, dans lequel la couronne (66) est reliée à des moyens de déplacement (80) en rotation comprenant un vérin (82).
  10. 10. Etage (40) de turbine, telle qu’une turbine basse pression comprenant une rangée annulaire d’aubes (44) de stator reliées intérieurement à une plate-forme annulaire interne (42a), et un ensemble (56) selon l’une des revendication 1 à 9, la paroi annulaire (55) s’étendant radialement vers l’intérieur depuis ladite plate-forme annulaire interne (42a).
  11. 11. Turbomachine (20) telle qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur, comprenant un ensemble (56) selon l’une des revendications 1 à 9 ou un étage selon la revendication 10.
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