EP1450005B1 - Dispositif de refroidissement de disques de turbines - Google Patents

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EP1450005B1
EP1450005B1 EP04290324A EP04290324A EP1450005B1 EP 1450005 B1 EP1450005 B1 EP 1450005B1 EP 04290324 A EP04290324 A EP 04290324A EP 04290324 A EP04290324 A EP 04290324A EP 1450005 B1 EP1450005 B1 EP 1450005B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
upstream
annular
wall
radial
downstream
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP04290324A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1450005A1 (fr
Inventor
Sébastien Imbourg
Jean-Luc Soupizon
Philippe Pabion
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA SAS
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1450005B1 publication Critical patent/EP1450005B1/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
    • F01D5/082—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades on the side of the rotor disc

Definitions

  • the present invention relates to the general field of cooling the high-pressure and low-pressure turbine discs of a turbomachine. It relates more particularly to a device for cooling the disk of the moving blades of the high-pressure turbine and the blades of the rotary blades of the low-pressure turbine of a turbomachine.
  • FIG. 7 schematically shows the junction between the high and low pressure turbines of a turbomachine with a known type of cooling device.
  • three annular flanges 100 are fixed to a lower platform 102 for supporting a fixed blade 104 of the distributor 106 of the low-pressure turbine.
  • the assembly of these flanges creates an annular cavity 108 supplied with cooling air by connecting sleeves 110 collecting air from the root of the fixed blade 104 of the distributor.
  • Holes 112 made in the flanges 100 make it possible to inject cooling air towards a disk 114 of a moving blade 116 of the high-pressure turbine and a disk 118 of a rotary blade 120 of the low-pressure turbine.
  • a fourth annular flange 122 extending radially between the assembly of the three flanges 100 and a flange 124 of the disc 114 of the moving blade allows the assembly to delimit a high-pressure enclosure 126 and a low-pressure enclosure 128.
  • the quality of the cooling of the high and low pressure turbine disks depends in particular on the cooling air supply of the injection cavity defined by the annular flanges of the cooling device. In particular, it is important to obtain a perfect seal of this cavity and to avoid pressure losses at the level of feeding of it. The pressure losses generally result from a poor quality of the air flow at the outlet of the connecting bushings.
  • the flow of air coming from the connecting bushings 110 undergoes a major change of direction (represented by the arrow 130) which is at the origin of pressure drops detrimental to the proper functioning of the device.
  • a gooseneck valve is characterized by lower and upper fixed blade support platforms that are elongated to increase the aerodynamic performance of the low pressure turbine.
  • the flanges of the cooling device of the turbine disks are bent in order to adapt to the elongated geometry of the lower platform of the distributor so that the cooling air coming from the base of the vanes undergoes changes. important direction.
  • these elbows flanges, areas with high pressure losses.
  • a cooling device for high-pressure turbine for, from the air circulating in a fixed blade, air injection into the root of the blades.
  • the present invention therefore aims to overcome such drawbacks by providing a turbine disk cooling device, in particular adapted to a geometry of the gooseneck distributor, which reduces the pressure drop while maintaining a perfect seal.
  • the assembly of these flanges can limit the pressure drop by creating a perfectly sealed air cooling cavity.
  • the upstream and downstream flanges of the cooling device do not form bends so that the air cavity can be directly supplied without loss of load from the air orifice made through a lower platform.
  • the cooling device has only two flanges which is a gain in mass compared to the devices of the prior art.
  • the injection portion of the upstream flange further comprises a second substantially longitudinal annular wall extending between the first and second radial walls and disposed between the first longitudinal wall and the sealing device so as to divide the lower zone into a zone. mounting and an injection area.
  • a plurality of substantially radial partitions extending between the first and second longitudinal walls and disposed perpendicular to the first and second radial walls divide the mounting area into a plurality of annular cavities.
  • the first longitudinal wall of the injection portion of the upstream flange comprises communication openings between the lower and upper zones so as to supply cooling air to at least one annular cavity, these communication openings being radially aligned with the orifice of air practiced through the lower platform.
  • This or these annular cavities supplied with cooling air comprises, at the level of the second longitudinal wall, at least one passage for supplying the injection zone with cooling air.
  • the injection zone has a plurality of bores in the first and second radial walls of the injection portion of the upstream flange to inject the cooling air to the turbine disks.
  • Connecting tubes are advantageously arranged in each communication opening in order to supply the cooling air or the annular cavities.
  • radial retention devices of each of these connecting tubes may be provided and the second radial wall of the injection portion of the upstream flange may comprise a plurality of annular windows for mounting the connecting tubes.
  • downstream flange advantageously comprises a connecting portion with the lower platform formed of a substantially radial annular wall, and a holding portion of the upstream flange formed of a substantially radial annular wall offset radially and longitudinally towards the upstream relative to the connecting portion and disposed against the second radial wall of the injection portion of the upstream flange, and a longitudinal wall extending between the radial walls of the connecting portion and the holding portion.
  • the cooling device may further comprise an additional annular flange extending radially between the sealing device and a disk flange of the blades of the high-pressure turbine so as to define a high-pressure chamber and a low-pressure chamber. pressure on both sides of the cooling device. Stiffening elements are preferably disposed between ends of the additional annular flange to improve the dynamic behavior of the cooling device.
  • Figure 1 shows a longitudinal section of a cooling device according to the invention in its environment.
  • a high-pressure turbine 10 of longitudinal axis XX provided with a plurality of blades 12 (only one is shown in Figure 1).
  • the blades 12 are all mounted on an annular disc 14 rotated about the longitudinal axis XX.
  • a low-pressure turbine 16 also of longitudinal axis XX, is disposed downstream of the high-pressure turbine 10 in the flow direction F of the gas flow from the high-pressure turbine.
  • the low-pressure turbine 16 comprises several turbine stages (only one stage is fully shown in FIG. 1) which each consist of a distributor 18 and a plurality of rotary vanes 20 placed behind each distributor.
  • the rotating blades 20 are all mounted on an annular disk 22 rotated about the longitudinal axis XX.
  • each distributor 18 is formed of a plurality of fixed vanes 24 supported by an upper annular platform 26 and a lower annular platform 28.
  • the distributor 18 of the first stage of the low-pressure turbine has a gooseneck configuration, that is to say that the upper and lower platforms 28 of the latter are elongated in order to increase the distance between the leading edge of the vanes 24 of the distributor and the trailing edge of the blades 12 of the high-pressure turbine 10.
  • This configuration improves the performance of the low-pressure turbine.
  • the present invention can also be applied to low-pressure turbine distributors whose blade support platforms are not elongated.
  • the cooling device 30 of the disk 14 of the blades 12 of the high-pressure turbine and the disk 22 of the rotary blades 20 of the low-pressure turbine is notably constituted by the assembly of an upstream annular flange 32 with a downstream annular flange 34.
  • the upstream flanges 32 and downstream 34 are each in the form of a ring whose axis of symmetry coincides with the longitudinal axis XX of the high and low pressure turbines.
  • the upstream flange 32 extends radially from a flange 36 disposed at an upstream end of the lower platform 28, while the downstream flange 34 extends radially from a flange 38 disposed at one end. downstream of the same platform.
  • These flanges upstream and downstream thus delimit an annular enclosure 40 which is sealed by a sealing device, for example by an annular plate 42 fixed between the free ends of the upstream and downstream flanges.
  • the annular enclosure 40 is supplied with air coming from a cooling circuit which equips each fixed blade 24 of the distributor 18.
  • air which is for example taken from the high-pressure compressor of the turbomachine, is introduced into each fixed blade 24 of the distributor by its top, then circulates in the fixed blade along a path delimited by a cooling cavity (not shown) optionally provided with a jacket before being discharged in particular at the foot 24a of the dawn through openings 44 passing through the lower platform 28.
  • These air evacuation ports 44 are arranged at the foot 24a of each blade, between the upstream flange 36 and the downstream flange 38 of the plate. lower form.
  • the upstream and downstream flanges each comprise a portion of connection with the upstream and downstream flanges 36 of the lower platform 28 of the distributor 18.
  • the connecting portions are formed by annular walls 46, 48 extending radially so as to bear against these flanges when mounting the lower platform 28 on the cooling device. The means for holding the connecting portions of the upstream and downstream flanges against the flanges will be described later.
  • the upstream flange 32 further comprises an injection portion formed in particular of a first annular wall 50 extending radially and which is offset longitudinally downstream with respect to the wall. 46 of its connecting portion, and a second radially extending second annular wall 52 which is offset with respect to the first wall 50, both radially towards the longitudinal axis XX and longitudinally downstream.
  • a first longitudinal annular wall 54 connects a lower end of the wall 46 of the connecting portion to an upper end of the second wall 52. This first longitudinal wall thus divides the annular enclosure 40 into a lower zone 40a and an upper zone 40b. .
  • the injection portion of the upstream flange further comprises a second annular longitudinal wall 56 which extends between the first and second radial walls 50, 52.
  • This second longitudinal wall 56 is also disposed between the first longitudinal wall 54 and the annular plate 42 forming the sealing device 42 so as to divide the lower zone 40a into a so-called assembly zone 58 and a so-called injection zone 60.
  • the mounting zone 58 is itself divided into a plurality of annular cavities 62 by radial partitions 64. These partitions radial members are disposed perpendicularly to the first 50 and second 52 radial walls of the injection portion of the upstream flange and extend between the first and second longitudinal walls 54, 56. They are regularly spaced all around the longitudinal axis XX of the turbines .
  • the mounting zone 58 is segmented into a plurality of annular cavities 62, while the injection zone 60 is continuous all around the longitudinal axis XX.
  • the first longitudinal wall 54 of the injection portion of the upstream flange comprises a plurality of openings 66 for communicating the upper zone 40b with the lower zone 40a in order to supply cooling air to the latter. More specifically, these openings 66 open in the upper zone 40b and open into certain annular cavities 62a formed in the mounting zone 58. In the embodiment illustrated in FIG. 6, the openings are arranged in such a way that the upper zone supplies cooling air with only one annular cavity 62 on two, and two openings opening into the same annular cavity are provided. Of course, one could imagine different configurations for the number of annular cavities communicating with the upper zone and for the number of communication openings per annular cavity thus fed.
  • the second annular longitudinal wall 56 has at least one passage 68 allowing the cooling air to pass from the annular cavity 62a to the injection zone 60.
  • the openings 66 are formed in the first longitudinal wall 54 so as to be axially aligned with the air openings 44 formed in the lower platform 28 ( Figure 1).
  • the injection zone 60 opens towards the disk 14 of the blades 12 of the high-pressure turbine and towards the disk 22 of the rotary blades 20 of the low-pressure turbine through a plurality of holes 70 made in the first and second radial walls 50, 52 of the injection portion of the upstream flange.
  • these holes 70 may be inclined (as in the figures) or straight holes. All Another system for calibrating a desired flow rate for cooling the disks of the high and low pressure turbines may also be suitable.
  • the air discharged through the orifices 44 of the lower platform 28 feeds the upper zone 40b and then some annular cavities 62a through the openings 66.
  • the air then diffuses into the injection zone 60 via the intermediate passages 68 before being discharged through the holes 70 for cooling the disk 14 of the blades of the high-pressure turbine and the disc 22 of the rotary blades of the low-pressure turbine.
  • annular cavity 62 on two is supplied with cooling air through the openings (cavities 62a).
  • the annular cavities 62b which are not supplied with air are intended to allow the fixing of the downstream flange on the upstream flange.
  • the second radial wall 52 of the injection portion of the upstream flange has, at least at some of these unpowered cavities 62b, bores 72 to be traversed by bolted connections of screw / nut type.
  • the first radial wall 50 of the injection portion comprises holes 74, for example circular, arranged opposite these bores.
  • connecting tubes 76 may be arranged in each of the openings 66 in order to guide the cooling air towards the annular cavities 62a.
  • annular windows 78 in the second radial wall 52 of the injection portion of the upstream flange at the level of the annular cavities 62a supplied with air.
  • the downstream flange 34 comprises, at a lower end opposite its connecting portion, a holding part of the upstream flange which is formed by a radially extending annular wall 80 which is offset with respect to the radial wall 48 of its part. connecting both radially to the longitudinal axis XX and longitudinally upstream.
  • This radial annular wall 80 is arranged to bear against the second radial wall 52 of the injection portion of the flange upstream. It is further centered with clamping on the upstream flange to complete the sealing of the cooling device.
  • a longitudinal annular wall 81 connects a lower end of the radial wall 48 of the connecting portion to an upper end of the radial wall 80 of the holding portion.
  • the radial wall 80 of the holding portion has a plurality of bores 82 to be traversed by the bolted connections. These holes 82 are arranged all around the longitudinal axis X-X so as to coincide with the holes 72 of the upstream flange when the upstream and downstream flanges are assembled against each other. The upstream and downstream flanges 32 and 34 can thus be held in abutment against each other, after the assembly of the lower platform 28, by means of bolted connections 83.
  • This particular arrangement of the holding means allows to obtain a slightly prestressed assembly of the lower platform 28 on the upstream 32 and downstream flanges 34 in order to improve the dynamic behavior of the cooling device while limiting the relative longitudinal displacements and ensuring a good seal of the lower and lower zones; higher.
  • the radial wall 80 of the holding portion of the downstream flange comprises radial retention devices of these tubes.
  • retention devices may for example be brackets 84 fixed against the radial wall 80 and whose dimensions are adapted to be housed in the annular windows 78 of the second radial wall 52 of the injection portion of the upstream flange.
  • the cooling device 30 thus formed comprises an additional annular flange 85 which extends radially between the sealing device 42 and a flange 86 of the disk 14 of the blades of the high-pressure turbine. with whom he is in contact.
  • This additional flange 85 thus makes it possible to define a high-pressure enclosure 87 and a low-pressure enclosure 88 on either side of the cooling device 30.
  • the contact between the flange 86 of the disc 14 and the lower end of the additional flange 85 is effected by means of sealing means.
  • these means may be made in the form of a labyrinth seal 89 arranged on the flange 86 and an abradable coating 90 disposed on the lower end of the additional flange 85.
  • the additional annular flange 85 has a substantially triangular cross section.
  • stiffening elements 91 may be arranged between the upper and lower ends of the additional flange. As shown in FIGS. 3 and 6, such stiffening elements may for example take the form of sheets fixed to the upper and lower ends of the additional flange 85.
  • the cooling device 30 may also include an anti-rotation device for assembling the upstream and downstream flanges 32 and 34.
  • an anti-rotation device may be formed of a plurality of radial pins 92 disposed on the downstream flange 34, in the extension of the radial annular wall 80 of its holding portion. As illustrated in Figure 1, these pins 92 and abut in notches 93 of the lower platform 28 of the distributor to prevent inadvertent rotation of the cooling device.
  • the pins may be formed on the upstream flange 32, for example at the first longitudinal wall 54 of its injection portion. In this case not shown in the figures, the pins also abut in notches of the lower platform.
  • the upstream and downstream flanges of the cooling device can be made in one and the same piece so as to constitute a single flange.
  • a flange must also be arranged at the radial wall of the connecting portion of the upstream flange to allow the use of specific tools to remove the preload when mounting the lower platform on the mono -flasque.
  • Such a single-flange variant makes it possible to eliminate the bolted connections, which reduces the mass of the assembly and the time of its assembly.
  • the cooling device thus defined has many advantages. In particular, it makes it possible to reduce the pressure drops, which makes it possible to reduce the specific consumption of the turbomachine. This reduction in pressure losses does not result in a degradation of the aerodynamic behavior of the device. In addition, such a device is ideal for a low-pressure turbine distributor having a gooseneck configuration. Note also that, the number of flanges being reduced compared to previous devices, the mass of the cooling device according to the invention is reduced and its mounting facilitated.

Description

    Arrière-plan de l'invention
  • La présente invention se rapporte au domaine général du refroidissement des disques de turbines haute-pression et basse-pression d'une turbomachine. Elle vise plus particulièrement un dispositif permettant de refroidir le disque des aubes mobiles de la turbine haute-pression et les disques des aubes rotatives de la turbine basse-pression d'une turbomachine.
  • Dans une turbomachine, le refroidissement des disques de turbines haute et basse pression est généralement assuré par injection d'air provenant du distributeur de la turbine basse-pression par l'intermédiaire de flasques annulaires montés sur une plate-forme inférieure de support d'une aube fixe du distributeur. La figure 7 représente schématiquement la jonction entre les turbines haute et basse pression d'une turbomachine avec un dispositif de refroidissement de type connu. Sur cette figure, trois flasques annulaires 100 sont fixés à une plate-forme inférieure 102 de support d'une aube fixe 104 du distributeur 106 de la turbine basse-pression. L'assemblage de ces flasques créé une cavité annulaire 108 alimentée en air de refroidissement par des douilles de liaison 110 collectant de l'air issu du pied de l'aube fixe 104 du distributeur. Des perçages 112 pratiqués dans les flasques 100 permettent d'injecter de l'air de refroidissement vers un disque 114 d'une aube mobile 116 de la turbine haute-pression et un disque 118 d'une aube rotative 120 de la turbine basse-pression. Un quatrième flasque annulaire 122 s'étendant radialement entre l'assemblage des trois flasques 100 et une bride 124 du disque 114 de l'aube mobile permet à l'ensemble de délimiter une enceinte haute-pression 126 et une enceinte basse-pression 128.
  • La qualité du refroidissement des disques de turbines haute et basse pression dépend notamment de l'alimentation air de refroidissement de la cavité d'injection définie par les flasques annulaires du dispositif de refroidissement. En particulier, il est important d'obtenir une parfaite étanchéité de cette cavité et d'éviter les pertes de charge au niveau de l'alimentation de celle-ci. Les pertes de charge résultent généralement d'une mauvaise qualité de l'écoulement d'air en sortie des douilles de liaison. Dans le dispositif de refroidissement illustré sur la figure 7, le flux d'air issu des douilles de liaison 110 subit un changement de direction important (représenté par la flèche 130) qui est à l'origine de pertes de charge préjudiciables au bon fonctionnement du dispositif.
  • Les pertes de charge dues à des changements de direction du flux d'air alimentant de tels dispositifs de refroidissement sont par ailleurs nettement plus prononcées lorsqu'il s'agit d'un distributeur de turbine basse-pression dit « à col de cygne ». Un distributeur à col de cygne se caractérise par des plates-formes inférieure et supérieure de support des aubes fixes qui sont allongées afin d'augmenter les performances aérodynamiques de la turbine basse-pression. Dans ce cas, les flasques du dispositif de refroidissement des disques de turbines sont coudés afin de s'adapter à la géométrie allongée de la plate-forme inférieure du distributeur de sorte que l'air de refroidissement issu du pied des aubes fixes subit des changements de direction importants. Il en résulte, au niveau de ces coudes des flasques, des zones à fortes pertes de charge.
  • On connaît aussi de FR-A-1 351 268 un dispositif de refroidissement pour turbine haute-pression permettant, à partir de l'air circulant dans une aube fixe, d'injection de l'air dans le pied des aubes mobiles.
    • Objet et résumé de l'invention
  • La présente invention vise donc à pallier de tels inconvénients en proposant un dispositif de refroidissement de disques de turbine, notamment adapté à une géométrie du distributeur à col de cygne, qui permet de réduire les pertes de charge tout en conservant une parfaite étanchéité.
  • A cet effet, il est prévu un dispositif de refroidissement de disques de turbines basse-pression et haute pression de turbomachine tel que défini par la revendication 1.
  • Ainsi, l'assemblage de ces flasques permet de limiter les pertes de charge en créant une cavité d'air de refroidissement parfaitement étanche. Les flasques amont et aval du dispositif de refroidissement ne forment pas de coudes de sorte que la cavité d'air peut être directement alimentée sans pertes de charge depuis l'orifice d'air pratiqué au travers d'une plate-forme inférieure. De plus, le dispositif de refroidissement ne comporte que deux flasques ce qui constitue un gain de masse par rapport aux dispositifs de l'art antérieur.
  • La partie d'injection du flasque amont comporte en outre une seconde paroi annulaire sensiblement longitudinale s'étendant entre les première et seconde parois radiales et disposée entre la première paroi longitudinale et le dispositif d'étanchéité de façon à diviser la zone inférieure en une zone de montage et une zone d'injection. Une pluralité de cloisons sensiblement radiales s'étendant entre les première et seconde parois longitudinales et disposées perpendiculairement aux première et seconde parois radiales permettent de diviser la zone de montage en une pluralité de cavités annulaires.
  • La première paroi longitudinale de la partie d'injection du flasque amont comporte des ouvertures de communication entre les zones inférieure et supérieure de façon à alimenter en air de refroidissement au moins une cavité annulaire, ces ouvertures de communication étant radialement alignées avec l'orifice d'air pratiqué au travers de la plate-forme inférieure. Cette ou ces cavités annulaires alimentées en air de refroidissement comporte, au niveau de la seconde paroi longitudinale, au moins un passage permettant d'alimenter la zone injection en air de refroidissement. La zone d'injection présente une pluralité de perçages pratiqués dans les première et seconde parois radiales de la partie d'injection du flasque amont afin d'injecter l'air de refroidissement vers les disques de turbines.
  • Des tubes de liaison sont avantageusement disposés dans chaque ouverture de communication afin d'alimenter en air de refroidissement la ou les cavités annulaires. Dans ce cas, des dispositifs de rétention radiale de chacun de ces tubes de liaison peuvent être prévus et la seconde paroi radiale de la partie d'injection du flasque amont peut comporter une pluralité de fenêtres annulaires pour le montage des tubes de liaison.
  • De plus, le flasque aval comporte avantageusement une partie de liaison avec la plate-forme inférieure formée d'une paroi annulaire sensiblement radiale, et une partie de maintien du flasque amont formée d'une paroi annulaire sensiblement radiale décalée radialement et longitudinalement vers l'amont par rapport à la partie de liaison et disposée contre la seconde paroi radiale de la partie d'injection du flasque amont, et d'une paroi longitudinale s'étendant entre les parois radiales de la partie de liaison et de la partie de maintien.
  • Le dispositif de refroidissement peut en outre comporter un flasque annulaire supplémentaire s'étendant radialement entre le dispositif d'étanchéité et une bride du disque des aubes mobiles de la turbine haute-pression de façon à définir une enceinte haute-pression et une enceinte basse-pression de part et d'autre du dispositif de refroidissement. Des éléments raidisseurs sont de préférence disposés entre des extrémités du flasque annulaire supplémentaire afin d'améliorer le comportement dynamique du dispositif de refroidissement.
    • Brève description des dessins
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
    • la figure 1 est une vue en coupe longitudinale et partielle d'un dispositif de refroidissement selon l'invention ;
    • les figure 2 et 3 sont des vues selon deux perspectives différentes du dispositif de refroidissement de la figure 1 ;
    • les figures 4 et 5 sont des vues en sections respectives selon IV-IV et V-V de la figure 3 ;
    • la figure 6 est une vue en perspective et partielle du dispositif de refroidissement de la figure 1 illustrant son montage ; et
    • la figure 7 est en coupe longitudinale et partielle d'un dispositif de refroidissement connu de l'art antérieur.
    Description détaillée d'un mode de réalisation
  • La figure 1 représente en coupe longitudinale un dispositif de refroidissement selon l'invention dans son environnement.
  • Sur cette figure, est notamment représentée une turbine haute-pression 10 d'axe longitudinal X-X munie d'une pluralité aubes mobiles 12 (une seule est représentée sur la figure 1). Les aubes mobiles 12 sont toutes montées sur un disque annulaire 14 animé d'un mouvement de rotation autour de l'axe longitudinal X-X. Une turbine basse-pression 16, également d'axe longitudinal X-X, est disposée en aval de la turbine haute-pression 10 dans le sens F d'écoulement du flux gazeux issu de la turbine haute-pression. La turbine basse-pression 16 comporte plusieurs étages de turbine (un seul étage est entièrement représenté sur la figure 1) qui se composent chacun d'un distributeur 18 et d'une pluralité d'aubes rotatives 20 placées derrière chaque distributeur. Les aubes rotatives 20 sont toutes montées sur un disque annulaire 22 mis en rotation autour de l'axe longitudinal X-X. Enfin, chaque distributeur 18 est formé d'une pluralité d'aubes fixes 24 supportées par une plate-forme annulaire supérieure 26 et une plate-forme annulaire inférieure 28.
  • Sur la figure 1, le distributeur 18 du premier étage de la turbine basse-pression a une configuration en col de cygne, c'est à dire que les plates-formes supérieure 26 et inférieure 28 de celui-ci sont allongées afin d'augmenter la distance entre le bord d'attaque des aubes fixes 24 du distributeur et le bord de fuite des aubes mobiles 12 de la turbine haute-pression 10. Cette configuration permet d'améliorer les performances de la turbine basse-pression. Toutefois, la présente invention peut également s'appliquer à des distributeurs de turbine basse-pression dont les plates-formes de support des aubes ne sont pas allongées.
  • Selon l'invention, le dispositif de refroidissement 30 du disque 14 des aubes mobiles 12 de la turbine haute-pression et du disque 22 des aubes rotatives 20 de la turbine basse-pression est notamment constitué par l'assemblage d'un flasque annulaire amont 32 avec un flasque annulaire aval 34. Les flasques amont 32 et aval 34 se présentent chacun sous la forme d'un anneau dont l'axe de symétrie est confondu avec l'axe longitudinal X-X des turbines haute et basse pression.
  • Comme représenté sur la figure 1, le flasque amont 32 s'étend radialement depuis une bride 36 disposée à une extrémité amont de la plate-forme inférieure 28, tandis que le flasque aval 34 s'étend radialement depuis une bride 38 disposée à une extrémité aval de la même plate-forme. Ces flasques amont et aval délimitent ainsi une enceinte annulaire 40 qui est obturée de façon étanche par un dispositif d'étanchéité, par exemple par une tôle annulaire 42 fixée entre les extrémités libres des flasques amont et aval. L'enceinte annulaire 40 est alimentée en air provenant d'un circuit de refroidissement qui équipe chaque aube fixe 24 du distributeur 18. Typiquement, de l'air, qui est par exemple prélevé au niveau du compresseur haute-pression de la turbomachine, est introduit dans chaque aube fixe 24 du distributeur par son sommet, circule ensuite dans l'aube fixe en suivant un chemin délimité par une cavité de refroidissement (non représentée) éventuellement munie d'une chemise avant d'être évacué notamment au niveau du pied 24a de l'aube par des orifices 44 traversant la plate-forme inférieure 28. Ces orifices 44 d'évacuation de l'air sont aménagés au niveau du pied 24a de chaque aube, entre la bride amont 36 et la bride aval 38 de la plate-forme inférieure.
  • On décrira maintenant, de façon plus précise, la géométrie de ces flasques amont et aval. Dans cette description, l'extrémité supérieure d'un flasque est définie par opposition à l'extrémité inférieure de celui-ci comme étant l'extrémité du flasque la plus éloignée de l'axe longitudinal X-X. De même, la notion d'amont et d'aval s'interprète par rapport au sens d'écoulement du flux gazeux F issu de la turbine haute-pression.
  • A une extrémité supérieure, les flasques amont et aval comportent chacun une partie de liaison avec les brides amont 36 et aval 38 de la plate-forme inférieure 28 du distributeur 18. Ces brides faisant saillie radialement par rapport à la plate-forme inférieure, les parties de liaison sont formées de parois annulaires 46, 48 s'étendant radialement de façon à venir s'appuyer contre ces brides lors du montage de la plate-forme inférieure 28 sur le dispositif de refroidissement. Les moyens de maintien des parties de liaison des flasques amont et aval contre les brides seront décrit ultérieurement.
  • A une extrémité inférieure opposée à sa partie de liaison, le flasque amont 32 comporte en outre une partie d'injection notamment formée d'une première paroi annulaire 50 s'étendant radialement et qui est décalée longitudinalement vers l'aval par rapport à la paroi 46 de sa partie de liaison, et d'une seconde paroi annulaire 52 s'étendant radialement et qui est décalée par rapport à la première paroi 50, à la fois radialement vers l'axe longitudinal X-X et longitudinalement vers l'aval. Une première paroi annulaire longitudinale 54 relie une extrémité inférieure de la paroi 46 de la partie de liaison à une extrémité supérieure de la seconde paroi 52. Cette première paroi longitudinale divise ainsi l'enceinte annulaire 40 en une zone inférieure 40a et une zone supérieure 40b.
  • Comme illustré par les figures 4 et 5, la partie d'injection du flasque amont comporte en outre une seconde paroi longitudinale annulaire 56 qui s'étend entre les première et seconde parois radiales 50, 52. Cette seconde paroi longitudinale 56 est par ailleurs disposée entre la première paroi longitudinale 54 et la tôle annulaire 42 formant le dispositif d'étanchéité 42 de façon à diviser la zone inférieure 40a en une zone 58 dite de montage et une zone dite d'injection 60. De plus, comme illustré par la figure 6, la zone de montage 58 est elle-même divisée en une pluralité de cavités annulaires 62 par des cloisons radiales 64. Ces cloisons radiales sont disposées perpendiculairement aux première 50 et seconde 52 parois radiales de la partie d'injection du flasque amont et s'étendent entre les première et seconde parois longitudinales 54, 56. Elles sont régulièrement espacées tout autour de l'axe longitudinal X-X des turbines. Ainsi, la zone de montage 58 est segmentée en une pluralité de cavités annulaires 62, tandis que la zone d'injection 60 est continue tout autour de l'axe longitudinal X-X.
  • La première paroi longitudinale 54 de la partie d'injection du flasque amont comporte une pluralité d'ouvertures 66 destinées à mettre en communication la zone supérieure 40b avec la zone inférieure 40a afin d'alimenter en air de refroidissement cette dernière. Plus précisément, ces ouvertures 66 s'ouvrent dans la zone supérieure 40b et débouchent dans certaines cavités annulaires 62a formées dans la zone de montage 58. Sur l'exemple de réalisation illustré par la figure 6, les ouvertures sont disposées de façon à ce que la zone supérieure alimente en air de refroidissement seulement une cavité annulaire 62 sur deux, et deux ouvertures débouchant dans une même cavité annulaire sont prévues. Bien entendu, on pourrait imaginer des configurations différentes pour le nombre de cavités annulaires communiquant avec la zone supérieure et pour le nombre d'ouvertures de communication par cavité annulaire ainsi alimentée.
  • Dans chaque cavité annulaire 62a qui est ainsi alimentée en air de refroidissement par les ouvertures 66, la seconde paroi longitudinale annulaire 56 présente au moins un passage 68 permettant à l'air de refroidissement de passer de la cavité annulaire 62a à la zone d'injection 60. Par ailleurs, les ouvertures 66 sont aménagées dans la première paroi longitudinale 54 de façon à être axialement alignées avec les orifices d'air 44 pratiqués dans la plate-forme inférieure 28 (figure 1). Ainsi, les pertes de charge au niveau de l'alimentation de chaque cavité annulaire 62a sont limitées.
  • La zone d'injection 60 s'ouvre vers le disque 14 des aubes mobiles 12 de la turbine haute-pression et vers le disque 22 des aubes rotatives 20 de la turbine basse-pression par l'intermédiaire d'une pluralité de perçages 70 pratiqués dans les première et seconde parois radiales 50, 52 de la partie d'injection du flasque amont. Par exemple, ces perçages 70 peuvent être des trous inclinés (comme sur les figures) ou droits. Tout autre système permettant de calibrer un débit souhaité pour refroidir les disques des turbines haute et basse pression peut également convenir. Ainsi, l'air évacué par les orifices 44 de la plate-forme inférieure 28 alimente la zone supérieure 40b puis certaines cavités annulaires 62a par l'intermédiaire des ouvertures 66. L'air se diffuse ensuite dans la zone d'injection 60 par l'intermédiaire des passages 68 avant d'être évacué par les perçages 70 pour refroidir le disque 14 des aubes mobiles de la turbine haute-pression et le disque 22 des aubes rotatives de la turbine basse-pression.
  • Dans l'exemple de réalisation illustré par les figures, une cavité annulaire 62 sur deux est alimentée en air de refroidissement par les ouvertures (les cavités 62a). Les cavités annulaires 62b qui ne sont pas alimentées en air sont destinées à permettre la fixation du flasque aval sur le flasque amont. A cet effet, la seconde paroi radiale 52 de la partie d'injection du flasque amont présente, au niveau au moins de certaines de ces cavités non alimentées 62b, des perçages 72 destinés à être traversés par des liaisons boulonnées de type vis/écrou. De plus, pour chaque cavité non alimentée 62b présentant l'un de ces perçages, la première paroi radiale 50 de la partie d'injection comporte des lumières 74, par exemple circulaires, aménagées en regard de ces perçages. Ces lumières permettent ainsi de faciliter l'accès aux liaisons boulonnées lors de l'assemblage des flasques amont et aval et de « noyer » l'écrou de ces liaisons pour ne pas créer de turbulences.
  • De façon avantageuse, des tubes de liaison 76 peuvent être disposés dans chacune des ouvertures 66 afin de guider l'air de refroidissement vers les cavités annulaires 62a. Afin de faciliter le montage des tubes de liaison 76, il est en outre préférable d'aménager des fenêtres annulaires 78 dans la seconde paroi radiale 52 de la partie d'injection du flasque amont au niveau des cavités annulaire 62a alimentées en air.
  • Le flasque aval 34 comporte, à une extrémité inférieure opposée à sa partie de liaison, une partie de maintien du flasque amont qui est formée par une paroi annulaire 80 s'étendant radialement et qui est décalée par rapport à la paroi radiale 48 de sa partie de liaison, à la fois radialement vers l'axe longitudinal X-X et longitudinalement vers l'amont. Cette paroi annulaire radiale 80 est disposée de façon à venir s'appuyer contre la seconde paroi radiale 52 de la partie injection du flasque amont. Elle est en outre centrée avec serrage sur le flasque amont pour parfaire l'étanchéité du dispositif de refroidissement. Une paroi annulaire longitudinale 81 relie une extrémité inférieure de la paroi radiale 48 de la partie de liaison à une extrémité supérieure de la paroi radiale 80 de la partie de maintien.
  • La paroi radiale 80 dé la partie de maintien présente une pluralité de perçages 82 destinés à être traversés par les liaisons boulonnées. Ces perçages 82 sont disposés tout autour de l'axe longitudinal X-X de façon à coïncider avec les perçages 72 du flasque amont lorsque les flasques amont et aval sont assemblés l'un contre l'autre. Les flasques amont 32 et aval 34 peuvent ainsi être maintenus en appui l'un contre l'autre, après l'assemblage de la plate-forme inférieure 28, par l'intermédiaire de liaisons boulonnées 83. Cette disposition particulière des moyens de maintien permet d'obtenir un assemblage légèrement précontraint de la plate-forme inférieure 28 sur les flasques amont 32 et aval 34 afin d'améliorer le comportement dynamique du dispositif de refroidissement tout en limitant les déplacements longitudinaux relatifs et en assurant une bonne étanchéité des zones inférieure et supérieure.
  • Par ailleurs, dans le cas où des tubes de liaisons 76 sont disposés dans chacune des ouvertures 66 du flasque amont, la paroi radiale 80 de la partie de maintien du flasque aval comporte des dispositifs de rétention radiale de ces tubes. De tels dispositifs de rétention peuvent par exemple être des équerres 84 fixées contre la paroi radiale 80 et dont les dimensions sont adaptées pour venir se loger dans les fenêtres annulaires 78 de la seconde paroi radiale 52 de la partie d'injection du flasque amont.
  • Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le dispositif de refroidissement 30 ainsi formé comporte un flasque annulaire supplémentaire 85 qui s'étend radialement entre le dispositif d'étanchéité 42 et une bride 86 du disque 14 des aubes mobiles de la turbine haute-pression avec lesquels il est en contact. Ce flasque supplémentaire 85 permet ainsi de définir une enceinte haute-pression 87 et une enceinte basse-pression 88 de part et d'autre du dispositif de refroidissement 30. Afin d'assurer une parfaite étanchéité entre les enceintes haute-pression et basse-pression ainsi définies, le contact entre la bride 86 du disque 14 et l'extrémité inférieure du flasque supplémentaire 85 s'effectue par l'intermédiaire de moyens d'étanchéité. Ces moyens peuvent être réalisés sous la forme d'un joint labyrinthe 89 aménagé sur la bride 86 et d'un revêtement abradable 90 disposé sur l'extrémité inférieure du flasque supplémentaire 85. Sur les figures 1, 4 et 5, le flasque annulaire supplémentaire 85 présente une section droite sensiblement triangulaire. Dans ce cas, pour améliorer le comportement dynamique du dispositif de refroidissement, des éléments raidisseurs 91 peuvent être disposés entre les extrémités supérieure et inférieure du flasque supplémentaire. Comme représenté sur les figures 3 et 6, de tels éléments raidisseurs peuvent par exemple prendre la forme de tôles fixées sur les extrémités supérieure et inférieure du flasque supplémentaire 85.
  • Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le dispositif de refroidissement 30 peut également comporter un dispositif d'anti-rotation de l'assemblage des flasques amont 32 et aval 34. Un tel dispositif d'anti-rotation peut être formé d'une pluralité de picots radiaux 92 disposés sur le flasque aval 34, dans le prolongement de la paroi annulaire radiale 80 de sa partie de maintien. Comme illustré sur la figure 1, ces picots 92 viennent ainsi en butée dans des encoches 93 de la plate-forme inférieure 28 du distributeur afin d'empêcher toute rotation intempestive du dispositif de refroidissement. Alternativement, les picots peuvent être formés sur le flasque amont 32, par exemple au niveau de la première paroi longitudinale 54 de sa partie d'injection. Dans ce cas non représenté sur les figures, les picots viennent également en butée dans des encoches de la plate-forme inférieure.
  • Selon une variante de réalisation non représentée de l'invention, les flasques amont et aval du dispositif de refroidissement peuvent être réalisés en une seule et même pièce de façon à constituer un mono-flasque. Dans ce cas, il conviendra par exemple d'utiliser des tubes de liaison ayant une collerette afin d'être maintenus radialement en place. De plus, une collerette devra également être aménagée au niveau de la paroi radiale de la partie de liaison du flasque amont pour permettre l'utilisation d'un outillage spécifique afin de supprimer la précontrainte lors du montage de la plate-forme inférieure sur le mono-flasque. Une telle variante mono-flasque permet de supprimer les liaisons boulonnées ce qui diminue la masse de l'ensemble et le temps de son assemblage.
  • Le dispositif de refroidissement ainsi défini présente de nombreux avantages. Il permet notamment de réduire les pertes de charge ce qui permet de diminuer la consommation spécifique de la turbomachine. Cette réduction des pertes de charge n'entraîne pas pour autant une dégradation de la tenue aérodynamique du dispositif. De plus, un tel dispositif convient parfaitement à un distributeur de turbine basse-pression ayant une configuration à col de cygne. On notera également que, le nombre de flasques étant réduit par rapport aux dispositifs antérieurs, la masse du dispositif de refroidissement selon l'invention est donc réduite et son montage facilité.

Claims (14)

  1. Dispositif de refroidissement (30) de disques (14, 22) de turbines (10, 16) haute-pression et basse-pression de turbomachine, ledit dispositif comportant une plate-forme annulaire inférieure (28) de support d'au moins une aube fixe (24) de la turbine basse-pression et étant alimenté en air de refroidissement depuis au moins un orifice d'air (44) pratiqué au travers de la plate-forme annulaire inférieure (28) et disposé entre une bride amont (36) et une bride aval (38) de ladite plate-forme inférieure, ledit dispositif comportant en outre :
    un flasque annulaire amont (32) s'étendant radialement depuis la bride amont (36) de ladite plate-forme inférieure ;
    un flasque annulaire aval (34) s'étendant radialement depuis la bride aval (38) de la plate-forme inférieure, lesdits flasques amont et aval délimitant longitudinalement au moins une cavité annulaire d'air de refroidissement (40) ;
    un dispositif d'étanchéité (42) s'étendant longitudinalement entre lesdits flasques amont et aval de façon à obturer de manière étanche la cavité d'air de refroidissement (40) ;
    des moyens de maintien (83) desdits flasques amont et aval contre les brides amont et aval de ladite plate-forme inférieure ; et
    une pluralité de perçages (70) afin d'injecter de l'air de refroidissement vers les disques (14, 22) de turbines,
    caractérisé en ce que le flasque amont (32) comporte une partie de liaison avec la plate-forme inférieure (28) formée d'une paroi annulaire sensiblement radiale (46), et une partie d'injection formée d'une première paroi annulaire sensiblement radiale (50) décalée radialement et longitudinalement vers l'aval par rapport à ladite partie de liaison, d'une seconde paroi annulaire sensiblement radiale (52) décalée longitudinalement vers l'aval par rapport à ladite première paroi radiale, et d'une première paroi annulaire sensiblement longitudinale (54) s'étendant entre la paroi radiale (46) de ladite partie de liaison et la seconde paroi radiale (52) de ladite partie d'injection de façon à diviser longitudinalement la cavité d'air de refroidissement (40) en une zone inférieure (40a) et zone supérieure (40b).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie injection du flasque amont (32) comporte en outre une seconde paroi annulaire sensiblement longitudinale (56) s'étendant entre les première et seconde parois radiales (50, 52) et disposée entre la première paroi longitudinale (54) et le dispositif d'étanchéité (42) de façon à diviser la zone inférieure (40a) en une zone de montage (58) et une zone d'injection (60).
  3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie d'injection du flasque amont (32) comporte en outre une pluralité de cloisons sensiblement radiales (64) s'étendant entre les première et seconde parois longitudinales (54, 56) et disposées perpendiculairement aux première et seconde parois radiales (50, 52) de façon à diviser la zone de montage (58) en une pluralité de cavités annulaires (62).
  4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première paroi longitudinale (54) de ladite partie d'injection du flasque amont (32) comporte des ouvertures (66) de communication entre les zones inférieure (40a) et supérieure (40b) de façon à alimenter en air de refroidissement au moins une cavité annulaire (62a), lesdites ouvertures de communication étant axialement alignées avec ledit orifice d'air (44) pratiqué au travers de la plate-forme inférieure (28).
  5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite au moins une cavité annulaire (62a) alimentée en air de refroidissement comporte, au niveau de la seconde paroi longitudinale (56), au moins un passage (68) afin d'alimenter la zone d'injection (60) en air de refroidissement.
  6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la zone d'injection (60) présente une pluralité de perçages (70) pratiqués dans les première et seconde parois radiales (50, 52) de la partie d'injection du flasque amont (32) afin d'injecter l'air de refroidissement vers les disques (14, 22) de turbines.
  7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des tubes de liaison (76) disposés dans chaque ouverture de communication (60) afin de guider l'air de refroidissement vers ladite au moins une cavité annulaire (62a).
  8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des dispositifs de rétention radiale (84) de chacun desdits tubes de liaison (76).
  9. Dispositif selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que la seconde paroi radiale (52) de la partie d'injection du flasque amont (32) comporte une pluralité de fenêtres annulaires (78) pour le montage desdits tubes de liaison (76).
  10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le flasque aval (34) comporte une partie de liaison avec la plate-forme inférieure (28) formée d'une paroi annulaire sensiblement radiale (48), et une partie de maintien du flasque amont formée d'une paroi annulaire sensiblement radiale (80) décalée radialement et longitudinalement vers l'amont par rapport à ladite partie de liaison et disposée contre la seconde paroi radiale (52) de la partie d'injection du flasque amont (32), et d'une paroi annulaire sensiblement longitudinale (81) s'étendant entre la paroi radiale (48) de ladite partie de liaison et la paroi radiale (80) de ladite partie de maintien.
  11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un flasque annulaire supplémentaire (85) s'étendant radialement entre le dispositif d'étanchéité (42) et une bride (86) du disque (14) d'aubes mobiles (12) de la turbine haute-pression (10) de façon à définir une enceinte haute-pression (87) et une enceinte basse-pression (88) de part et d'autre dudit dispositif de refroidissement.
  12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte en outre éléments raidisseurs (91) disposés entre des extrémités dudit flasque annulaire supplémentaire (85) afin d'améliorer le comportement dynamique du dispositif de refroidissement.
  13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif d'anti-rotation (92) desdits flasques amont (32) et aval (34).
  14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que lesdits flasques amont et aval sont réalisés en une seule et même pièce.
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