EP0785338B1

EP0785338B1 - Dispositif de refroidissement d'un disque de turbine

Info

Publication number: EP0785338B1
Application number: EP97400078A
Authority: EP
Inventors: Christian Largillier; Gérard Jacques Stangalini; Marc Roger Marchi; Laurent Palmisano
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1996-01-18
Filing date: 1997-01-16
Publication date: 2000-03-15
Anticipated expiration: 2017-01-16
Also published as: CA2195040C; FR2743844B1; US5800125A; FR2743844A1; CA2195040A1; EP0785338A1; DE69701405D1; DE69701405T2

Description

L'invention concerne une turbine munie d'un dispositif de refroidissement d'un disque de turbine.

Dans la portion de turbine à gaz d'une machine existante illustrée à la figure 1, la turbine à haute pression 1 commence en un disque 2 porteur d'un premier étage d'aubes mobiles 3 et fixé au rotor 4. Ce disque 2 est situé en aval d'une chambre de combustion 5 formée dans un stator 6 entourant le rotor 4 et qui se situe elle-même en aval d'un compresseur à haute pression 7.

Les gaz résultant de la combustion du carburant dans la chambre 5 chauffent très fortement le disque 2, qu'il s'agit donc de refroidir énergiquement pour maintenir la matière qui le compose à une température compatible avec le maintien de ses propriétés de résistance mécanique. Le moyen utilisé consiste en deux circuits de ventilation I et II d'air plus frais : le premier d'entre eux I, illustré par les flèches en trait plein, utilise de l'air soutiré juste en amont de la chambre de combustion 5 et qui passe par un volume de fond de chambre 28 avant de le quitter par des orifices 8 pour pénétrer dans des chambres d'injection 9 d'où l'air sort par des injecteurs à haute pression 10 qui l'accélèrent et le propulsent à grande vitesse vers le flanc 14 du disque 2.

Une partie de cet air parvient effectivement à une couronne interne 11 appartenant au flanc 14 après avoir traversé des orifices 12 d'un flasque 13 couvrant le disque 2, après quoi la rotation du disque 2 produit une force centrifuge sur l'écoulement d'air, qui le dirige vers l'extérieur ; l'air est guidé entre la surface de flanc 14 du disque 2 et le flasque 13 pour refroidir finalement la périphérie du disque 2 en pénétrant dans des cavités 15 creusées dans celle-ci.

Le second écoulement d'air II, illustré par les flèches en pointillés, est prélevé juste après le compresseur à haute pression 7 et passe par une chambre 16 comprise entre le rotor 4 et le stator 6 d'où il sort par un joint à labyrinthe ou à brosse 17 jeté entre ces pièces et composé plus précisément de léchettes 18, c'est-à-dire de crêtes circulaires érigées sur le rotor 4, qui frottent sur une matière abradable 19 fixée au stator 6, c'est-à-dire une matière tendre qu'elles creusent au gré des dilatations différentielles aux différents régimes de la machine. La pression de l'air projette l'air hors de la chambre 16 et dans un canal 20 annulaire et d'orientation divergente, contigu à une partie du fond de chambre 28 sur une grande partie de sa longueur et d'où l'air sort par des injecteurs supérieurs 36 qui débouchent devant une couronne radialement externe 22 du disque de turbine 2, appartenant en fait à une surface de flanc 29 du flasque 13 solidaire de ce disque.

L'air du second circuit de ventilation exerce une réfrigération notable sur la couronne externe 22 en atteignant cette zone proche des gaz de combustion et donc plus fortement échauffée. La nécessité de refroidir tout le disque 2 mais surtout sa périphérie justifie la dualité des circuits de refroidissement, dont l'air peut d'ailleurs provenir d'autres endroits de la machine. Toutefois, il est prévu qu'une partie de l'air du premier circuit de ventilation ne passe pas par les orifices 12 mais contourne le flasque 13 par l'extérieur et passe par un joint à labyrinthe ou à brosse 23, à peu près semblable au précédent 17 et composé comme lui de léchettes 24 érigées sur le flasque 13 et d'une couche d'abradable 25 soudée sur une surface du stator 6. Les forces centrifuges que le flasque 13 exerce sur cette portion du premier écoulement la redressent comme la portion précédente et la font longer la surface de flanc 29 pour finalement croiser l'écoulement du second circuit de ventilation devant la couronne externe 22.

L'origine de l'invention repose sur la constatation que cette situation n'était pas idéale car le courant d'air provenant du circuit I est nettement plus chaud que celui du circuit II (d'environ 50°C).

L'invention consiste à ajouter des pièces dont la fonction est de canaliser les écoulements afin que leur mélange soit exclu et que l'air du circuit II originaire des injecteurs supérieurs 36 parvienne sans encombre sur la couronne extérieure 22 ; cet air du circuit II est sensiblement plus frais que celui du premier circuit I, car le joint à labyrinthe ou à brosse 17 qui lui est associé, échauffe moins l'air que le Joint labyrinthe 23, de plus grand diamètre, et l'air du premier circuit I est centrifugé à la sortie du labyrinthe 23, donc comprimé, ce qui l'échauffe également.

Ce surcroít de réfrigération dû à l'air du second circuit compense largement la perte de réfrigération consécutive à la dérivation temporaire du courant d'air du premier écoulement, dont l'action est moindre.

Sous sa forme la plus générale, l'invention consiste donc en une turbine munie d'un dispositif de refroidissement d'un disque de turbine, comprenant un premier et un second circuits de ventilation d'air originaires d'un stator et débouchant respectivement devant une couronne radialement interne et une couronne radialement externe radialement d'une surface de flanc du disque, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce située devant ladite couronne radialement externe, traversée de premiers canaux sensiblement perpendiculaires à l'axe de la turbine et parallèles à la surface de flanc du disque et de seconds canaux prolongeant le second circuit de ventilation, croisant les premiers canaux sans les couper, et se terminant devant la couronne externe.

D'autres particularités de l'invention seront plus facilement saisies à l'aide de la description détaillée d'une de ses réalisations, qui va maintenant être faite au moyen des figures suivantes :

la figure 1, déjà décrite, illustre une conception déjà connue (voir par example GB-A-2 135 394) de turbines à gaz à laquelle l'invention peut être appliquée ;
les figures 2 et 3 illustrent l'invention, la figure 3 étant une section selon la ligne A-A de la figure 2, et
la figure 4 illustre une amélioration possible.

L'élément fondamental de l'invention, représenté à la figure 2, est une couronne distributrice 30 solidaire du stator 6 et située devant la couronne externe 22 à refroidir, à peu de distance d'elle. La couronne distributrice 30 est traversée de canaux axiaux 32 qui prolongent les injecteurs supérieurs 36 pour aboutir devant la couronne externe 22, et les canaux 32 sont séparés par des canaux sensiblement radiaux 31 qui croisent les précédents sans les couper, comme le montre le détail en section de la figure 3.

L'intérieur de la couronne distributrice 30 est agencé pour réduire au minimum les pertes de charges ; c'est ainsi que les canaux axiaux 32 peuvent être raccordés à des injecteurs 36 de direction oblique, infléchis dans le sens de défilement du disque 2.

L'air de ventilation du second circuit II emprunte les canaux axiaux 32 et n'est donc pas affecté par l'air du circuit I, qui passe par les canaux radiaux 31 ; le mélange des écoulements ne se produit qu'à la périphérie du disque 2, au-delà de la couronne externe 22. Pour réduire encore les occasions de mélange, on peut construire le flasque 13 avec une léchette 33 sur sa surface de flanc 14, c'est-à-dire une crête dont l'extrémité libre 34 frôle la couronne distributrice 30 et dont le but est de guider l'air de l'écoulement I longeant la surface de flanc 29 du flasque 13 vers les canaux radiaux 31, sans lui permettre de se glisser jusqu'à la couronne externe 22. Dans la réalisation illustrée où la partie de la couronne distributrice 30 porteuse des canaux 31 et 32 s'étend devant une portion radialement intérieure de la couronne externe 22, il est possible d'adjoindre à la couronne distributrice 30 un écran 35 parallèle à la couronne externe 22 et qui s'étend devant le reste de celle-ci, pour séparer par force les écoulements des deux circuits jusqu'au-delà de la couronne externe 22.

Si on se reporte maintenant à la figure 4, on constate que l'efficacité de l'invention est encore améliorée si l'air plus frais du second circuit II est encore refroidi. On profite pour cela de l'air du premier circuit, qui est temporairement plus frais avant qu'il n'ait franchi les injecteurs à haute pression 10 et le joint à labyrinthe ou à brosse 23 et après que l'air du second circuit a franchi son joint à labyrinthe ou à brosse 17. Il se trouve que les écoulements sont contigus dans une partie de cet état, puisqu'ils circulent alors dans le fond de chambre 28 et le canal divergent 20 qui ne sont séparés que par une cloison assez mince 37 du carter de stator 6. Il suffit alors d'établir des obstacles 38 tels que des nervures, des bossages ou des ondulations sur les deux faces de cette cloison 37 pour favoriser l'échange de chaleur entre les deux écoulements.

Le disque de turbine 2 est porté à une température supérieure à 650°C dans la machine connue. L'utilisation de l'invention permet de réduire cette température de plusieurs dizaines de degrés pour le flasque 13. Le progrès est important si on considère le haut niveau de qualité déjà atteint avec les moteurs existants ; il pourra être exploité en recourant à des matières moins coûteuses pour construire le disque 2 et son flasque 13, ou en réduisant les débits de refroidissement.

Claims

Turbine munie d'un dispositif de refroidissement d'un disque de turbine (2) couvert par un flasque (13) comprenant un premier (I) et un second (II) circuits de ventilation d'air originaires d'un stator (6) et débouchant respectivement devant une couronne radialement interne (11) du disque et une couronne radialement externe (22) du flasque (13), une portion du premier circuit (I) bifurquant vers un joint d'étanchéité (23) disposé entre le flasque et le stator puis devant le flasque (13) et parallèlement au flasque, vers la couronne radialement externe (22) du flasque, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce (30) située devant ladite couronne radialement externe (22), traversée de premiers canaux (31) sensiblement perpendiculaires à l'axe de la turbine et parallèles à une surface de flanc (29) du flasque et prolongeant le premier circuit de ventilation et de seconds canaux (32) prolongeant le second circuit de ventilation, croisant les premiers canaux sans les couper, et se terminant devant la couronne radialement externe (22).
Turbine munie d'un dispositif de refroidissement d'un disque de turbine suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le flasque (13) comprend une pièce (33) de guidage d'une portion centrifuge et courant le long de la surface de flanc (29) du flasque d'un écoulement d'air originaire du premier circuit de ventilation vers les premiers canaux (31).
Turbine munie d'un dispositif de refroidissement d'un disque de turbine suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce de guidage est une crête à bord (34) frôlant la pièce (30) traversée par les canaux, qui est fixée au stator (6).
Turbine munie d'un dispositif de refroidissement d'un disque de turbine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pièce (30) traversée par les canaux comprend un écran (35) parallèle à la couronne externe (22) et situé entre celle-ci et les premiers canaux (31).
Turbine munie d'un dispositif de refroidissement d'un disque de turbine suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les premiers canaux (31) et l'écran (35) s'étendent devant respectivement des portions radialement interne et externe de la couronne externe (22).
Turbine munie d'un dispositif de refroidissement d'un disque de turbine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, où les circuits de ventilation possèdent des portions contiguës en aval d'un joint à labyrinthe ou à brosse (17) au travers du second circuit de ventilation mais en amont d'un autre joint à labyrinthe ou à brosse (23) au travers du premier circuit de ventilation, les joints à labyrinthe étant jetés entre le stator (6) et un rotor (4) auquel appartient la turbine, caractérisé en ce que les portions contiguës sont munies d'obstacles (38) fournissant un échange de chaleur entre les circuits.