EP4022176B1

EP4022176B1 - Agencement de turbine intégrant une rigole circonférentielle de récupération d'huile

Info

Publication number: EP4022176B1
Application number: EP20793031.4A
Authority: EP
Inventors: Catherine Pikovsky; Antoine Jean-Philippe Beaujard
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2019-10-03
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2024-03-27
Anticipated expiration: 2040-09-30
Also published as: FR3101662A1; WO2021064330A1; CN114502820B; FR3101662B1; CN114502820A; US20220364480A1; EP4022176A1

Description

DOMAINE TECHNIQUE

L'invention concerne un équipement de turbine comprenant un tourillon pourvu d'une bride portant un disque aubagé dans une turbomachine telle qu'un turboréacteur.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

WO2015007980A1 divulgue un dispositif de protection contre les fuites d'huile vers les rotors d'une turbine de turbomachine.
FR2992679A1 divulgue un tourillon de turbomachine comportant une couronne de récupération d'un flux d'huile de lubrification.
Un turboréacteur à double flux comporte une manche d'entrée recevant l'air qui est aspiré par un compresseur basse pression, pour ensuite être divisé en un flux primaire central et un flux secondaire entourant le flux primaire.
Après avoir passé le compresseur basse pression, le flux secondaire est propulsé vers l'arrière pour directement générer une poussée en étant soufflé autour du flux primaire.
Après avoir passé le compresseur basse pression, le flux primaire traverse un compresseur haute pression pour atteindre une chambre de combustion. Ce flux primaire est ensuite détendu dans une turbine haute pression liée en rotation avec le compresseur haute pression, puis dans une turbine basse pression liée en rotation avec le compresseur basse pression, avant d'être ensuite expulsé vers l'arrière.
Dans le cas d'un turboréacteur double corps, le compresseur haute pression et la turbine haute pression font partie d'un corps haute pression qui entoure un arbre basse pression en tournant à une vitesse différente de celui-ci, cet arbre basse pression portant le compresseur basse pression et la turbine basse pression.
L'arbre et le corps haute pression sont portés par des paliers logés dans des enceintes les isolant du reste du moteur, dans lesquelles circule de l'huile. D'une manière générale, une telle enceinte de lubrification renferme au moins un palier et est délimitée par des parois tournant l'une par rapport à l'autre avec un joint entre ces parois, qui limite la section de fuite de l'enceinte. L'huile est éloignée du joint au moyen d'un filet d'air entrant en permanence à travers ce joint, depuis l'extérieur vers l'intérieur de l'enceinte.
En cas de fuite au niveau d'un tel joint, l'huile présente dans l'enceinte est centrifugée, de sorte qu'elle est susceptible de se rapprocher de régions avoisinant la veine primaire soumises à des températures élevées, pouvant par là même enflammer cette huile.
Pour cette raison, les formes des composants du moteur sont conçues pour délimiter des chemins de fuite préférentiels assurant qu'en cas de fuite, l'huile est dirigée dans des zones du moteur où elle ne constitue pas un risque pour son fonctionnement.
En pratique, les pales de la turbine basse pression sont portées par un disque de turbine qui est lui-même fixé à une bride d'un tourillon qui le traverse, ce tourillon étant porté par un ou deux paliers et rigidement solidaire de l'arbre basse pression.
Dans ce contexte, un chemin préférentiel de fuite part d'un joint d'une enceinte de palier situé en amont du disque basse pression. Ce chemin de fuite longe les faces internes de différents composants rotatifs ayant des diamètres internes qui augmentent vers l'aval, ce qui permet de diriger l'huile vers l'arrière du moteur par effet de centrifugation pour l'y collecter sans qu'elle n'atteigne la veine primaire. Complémentairement, un flux d'air insufflé dans ce chemin contribue à entraîner cette huile vers l'arrière.
Durant ce cheminement l'huile traverse longitudinalement le tourillon, au niveau de la bride de ce tourillon, par des trous d'évacuation formés dans le corps du tourillon, ces trous d'évacuation étant situés radialement à l'intérieur d'un bord intérieur du disque et d'un bord intérieur de la bride.
Bien que le disque de turbine présente une face plane serrée contre une face plane de la bride par une série de boulons circonférentiels, on ne peut pas exclure qeu de l'huile puisse passer par centrifugation et/ou capilarité.
Ainsi, de l'huile présente au niveau de la jonction du disque et de la bride est susceptible de s'infiltrer radialement entre leurs faces d'appui, arrivant ainsi dans une zone à risque d'inflammation élevé, pouvant de fait fragiliser le disque, les aubes et leurs liaisons.
Le but de l'invention est d'apporter une solution pour limiter un tel risque.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

A cet effet, l'invention a pour objet un agencement de turbine comprenant un tourillon basse pression ayant une bride, et un disque fixé à cette bride par une liaison boulonnée, caractérisé en ce qu'il comporte une rigole circonférentielle fixe s'étendant autour de la liaison boulonnée pour collecter de l'huile susceptible de cheminer radialement à travers cette liaison boulonnée.
L'invention assure que de l'huile fuyant à travers la liaison boulonnée est collectée dans la rigole, de sorte qu'elle ne risque pas de se propager vers la veine primaire où elle pourrait s'enflammer.
L'invention a également pour objet un agencement ainsi défini, dans lequel le disque comporte un lance-gouttes situé en vis-à-vis de la rigole, et/ou dans lequel la bride comporte un lance-gouttes situé en vis-à-vis de la rigole.
L'invention a également pour objet un agencement ainsi défini, comprenant un palier lubrifié situé dans une enceinte entourant ce tourillon et par lequel ce tourillon basse pression porte un tourillon haut pression, de l'huile de l'enceinte étant susceptible de fuir à travers la liaison boulonnée.
L'invention a également pour objet un agencement ainsi défini, dans lequel la rigole comporte un fond annulaire et deux flancs en formes de couronnes évasées qui sont portés par ce fond.
L'invention a également pour objet un agencement ainsi défini, comportant un conduit d'évacuation raccordé à la rigole et traversant une aube fixe de la turbine, ce conduit s'étendant depuis une portion inférieure de la rigole jusqu'à une portion inférieure de la turbine.
L'invention a également pour objet un agencement ainsi défini, dans lequel la portion inférieure de la rigole comporte un trou de drainage prolongé par une canule externe engagée dans une extrémité supérieure du conduit.
L'invention a également pour objet un agencement ainsi défini, dans lequel la rigole comporte un lamage entourant la canule externe, et dans lequel le conduit est raccordé au lamage par une liaison rotule.
L'invention a également pour objet un agencement ainsi défini, dans lequel la rigole comporte une rainure longitudinale positionnée en aval du conduit d'évacuation par rapport au sens circulation de l'huile dans la rigole.
L'invention a également pour objet une turbomachine comprenant un disque de turbine ainsi défini.
L'invention a également pour objet un turboréacteur comprenant une turbomachine ainsi définie.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

Figure 1 est une demi-vue en coupe d'une partie arrière d'un moteur conformément à l'agencement selon l'invention ;
Figure 2 est une vue en coupe locale d'une région comportant un palier interposé entre deux tourillons dans l'agencement selon l'invention ;
Figure 3 est une vue en coupe locale montrant l'agencement de la rigole avec son conduit d'évacuation conformément à l'invention ;
Figure 4 est une vue en coupe montrant le raccordement du conduit à la rigole conformément à l'invention ;
Figure 5 est une vue en coupe montrant la fixation du conduit d'évacuation à une embase externe de pale fixe.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Sur la figure 1, une partie arrière 1 d'un moteur selon l'invention comprend une enveloppe intérieure 2 entourée par une enveloppe intermédiaire 3 qui délimitent conjointement une veine primaire.
Cette partie arrière comporte une turbine haute pression 4 comprenant un disque 5 portant des aubes rotative, suivie d'une turbine basse pression 6 à double étage, comprenant un premier distributeur 7 suivi d'un premier étage rotatif 8 et d'un second distributeur 9 qui est suivi d'un second étage rotatif 10. Le premier et le second distributeur 7 et 9 sont formés d'aubes fixes 11 et 12 traversant radialement la veine primaire.
Le premier étage rotatif 8 comporte une série d'aubes 13 s'étendant radialement dans la veine primaire et portées par un premier disque rotatif 14 situé à l'intérieur de l'enveloppe 2. De manière analogue, le second étage rotatif 10 comporte une série d'aubes 16 portées par un second disque rotatif 17 situé lui aussi dans l'enveloppe intérieure en aval du premier disque 14.
En aval de cette turbine basse pression est situé un carter d'échappement 19 comportant une virole interne et une virole externe ainsi que des bras radiaux 18 solidarisant ces viroles l'une à l'autre. La virole externe délimite une portion de l'enveloppe intermédiaire 3, la virole interne délimite une portion de l'enveloppe interne, les bras radiaux traversant radialement la veine primaire.
Ce carter d'échappement 19 supporte dans sa région centrale un palier 21 qui porte un tourillon basse pression 22, s'étendant également à l'intérieur de l'enveloppe intérieure, et auquel sont fixés le premier et le second disque de turbine basse pression 14, 17.
Le premier disque 14 est rigidement solidarisé à une face amont d'une bride 23 du tourillon 22, et le second disque 17 est solidarisé à une face aval de cette même bride 23. Cette fixation est assurée par une liaison boulonnée 24 comportant des boulons 25 traversant chacun le premier disque 14 au niveau de sa périphérie interne, la bride 23 au niveau de sa périphérie externe, et le second disque 17 au niveau de sa périphérie interne.
Le disque 5 de la turbine haute pression est porté par un tourillon haute pression 26 ayant une extrémité aval 27 qui entoure une portion médiane 28 du tourillon basse pression 22. La portion médiane 28 du tourillon basse pression 22 porte l'extrémité aval 27 du tourillon haute pression 26 au moyen d'un palier interarbre lubrifié 29 comprenant un roulement à rouleaux qui est interposé entre l'extrémité aval 27 et la portion médiane 28.
Le roulement du palier 29 est situé dans une enceinte 30 de lubrification qui est fermée en amont par un joint amont 31 et en aval par un joint aval 32. L'élément d'étanchéité 31 entoure le tourillon 22 et est entouré par le tourillon 26, alors que le joint aval 32 entoure l'extrémité 27 et est entouré par une bague interne portée par le tourillon basse pression 22. En cas de détérioration du joint aval 32, l'huile fuit de ce joint aval 32 vers l'amont AM pour être ensuite centrifugée et dirigée vers l'aval AV du moteur, selon un chemin de fuite préférentiel repéré par F, pour finalement atteindre une région de collecte 33 voisine de la virole interne du carter d'échappement 19.
Comme visible plus précisément sur la figure 2, le long de ce chemin F, l'huile traverse d'abord le tourillon haute pression 26 au niveau de trous d'évacuation 34 prévus à cet effet, avant d'atteindre une jupe 36 d'une virole 37 qui est portée par le tourillon basse pression 22. L'huile longe une face interne de cette jupe 36 avant de traverser le tourillon basse pression 22 par des trous d'évacuation longitudinaux traversants 38 qu'il comporte à cet effet. Lorsqu'elle chemine le long de la jupe 36, l'huile traverse en outre des trous 39 de la virole 37 situés entre la jupe 36 et la bague interne, repérée par 40, de cette virole 37.
Comme visible sur les figures, la jupe 36 comporte une extrémité libre qui entoure un élément d'étanchéité 35, et d'une manière analogue la bague interne 40 comporte une extrémité qui entoure l'élément d'étanchéité 32 de l'enceinte 30. Cette virole 37 constitue un élément d'usure, c'est-à-dire abradable qui glisse sur les éléments d'étanchéité 35 et 32, et devant être changée au cours de la vie du moteur.
Après avoir passé les trous d'évacuation 38, l'huile longe un flasque de révolution 41 s'étendant à l'intérieur du second disque 17 porté par le tourillon basse pression 22, pour ensuite atteindre la région 33.
Comme visible sur les figures 1 et 2, le long de ce chemin F, l'huile longe des faces internes de composants rotatifs dont les diamètres augmentent d'amont en aval, de sorte que c'est la centrifugation de l'huile qui permet de la conduire vers l'aval où est située la région de collecte 33. Ce cheminement est aussi favorisé par un flux de ventilation V qui est établi de l'amont vers l'aval dans ce chemin.
L'agencement d'assemblage du premier disque 14 avec la bride 23 intègre la fixation de la virole 37 qui comporte une couronne de fixation 42 appliquée contre une face amont de la bride 23, en étant enserrée entre une couronne interne 43 du disque 14 et cette bride 23. Le second disque 17 comporte quant à lui une couronne interne 44 qui est appliquée contre une face aval de la bride 23.
L'ensemble est maintenu par la série de boulons longitudinaux 25 régulièrement répartis circonférentiellement le long de la bride 23, chaque boulon traversant la couronne interne 43 du premier disque 14, la couronne de fixation 42, la bride 23, et la couronne interne 44 du second disque 17.
Malgré le serrage de ces boulons 25, l'huile peut fuir radialement en passant entre la couronne 42 et la bride 23, ce flux de fuite étant repéré par F' sur les figures.
Selon l'invention, la turbine est équipée d'une rigole circonférentielle 45 qui s'étend autour de la bride 23, en étant en vis-à-vis de la liaison boulonnée 24 du disque 14 avec cette bride 23. Cette rigole 45 collecte ainsi l'huile susceptible de fuir radialement à travers cette liaison 24, c'est-à-dire entre la couronne 43 du disque 14 et la bride 23 à laquelle est fixée cette couronne 43.
Cette rigole 45 comporte un fond annulaire 46 portant un flanc amont 47 et un flanc aval 48, ces deux flancs étant des éléments de tôle ayant des formes de couronnes fixés par brasure au fond 46 et constituant les joues de la rigole. Ainsi, lorsque vue en section longitudinale comme sur la figure 3, la bride présente une section en forme de U ou de V. Plus particulièrement, le flanc amont 47 a une forme de couronne dont la portion interne s'évase vers l'amont, et le flanc aval 48 a lui aussi une forme de couronne mais dont la partie interne s'évase vers l'aval. Le fond annulaire 46 présente quant à lui en section une forme sensiblement rectangulaire présentant radialement et longitudinalement une épaisseur significative.
La rigole 45 est portée par un élément fixe du moteur, lié à l'enveloppe intérieure 2. Dans l'exemple des figures, la rigole 45 est portée au niveau de son flanc amont par un élément de support annulaire amont 49 assurant l'étanchéité avec le premier disque 14 et elle est portée au niveau de son flanc aval 48 par un élément de support annulaire aval 50 assurant l'étanchéité avec le second disque 17. Ces éléments de support annulaires 49 et 50 sont repérés sur la figure 3.
Comme visible sur les figures 1 et 2, la rigole 45 entoure la bride 23 en étant positionnée longitudinalement au niveau de la jonction de la couronne 42 avec la bride 23. Autrement dit, le flanc amont 47 est situé en amont de cette jonction, alors que le flanc aval 48 est situé en aval de celle-ci, pour que la rigole 45 collecte l'huile fuyant radialement à travers cette jonction.
Complémentairement, et comme représenté sur la figure 3, le disque 14 est pourvu d'un lance-gouttes 51 situé sensiblement en amont AM de sa jonction avec la bride 23 et au droit de la portion interne évasée du flanc amont 47. De manière analogue, la bride 23 comporte un autre lance-gouttes 52 situé en aval AV de sa jonction le disque 14 et au droit de la portion interne évasée du flanc aval 48.
Chaque lance-gouttes est un rebord radial s'étendant sur toute la circonférence du disque et de la bride, respectivement, pour assurer que de l'huile cheminant à la face externe du disque ou de la bride, en provenance de la zone de jonction, soit projetée dans la rigole 45 par centrifugation. Dans certaines configurations, on peut prévoir soit uniquement le lance-gouttes amnot 51, soit uniquement le lance-gouttes aval 52.
L'agencement comporte encore un conduit d'évacuation 53 s'étendant radialement par rapport à l'axe de rotation AX du moteur. Ce conduit comporte une extrémité radiale interne raccordée au fond 46 de la rigole, et une extrémité radiale externe raccordée à un réservoir de collecte 54 située radialement à distance du flux primaire pour être dans une partie froide du moteur, comme illustré schématiquement sur la figure 1.
L'huile collectée par la rigole 45 est ainsi récupérée dans le réservoir 54, pour notamment éviter de la disperser dans l'atmosphère environnante du moteur. Le conduit 53 est situé circonférentiellement à 6 heures, c'est-à-dire qu'il s'étend verticalement depuis une portion inférieure de la rigole 45 jusqu'à une portion inférieure 66 du moteur où est situé le réservoir 54, de façon à récupérer l'huile par gravité.
Comme représenté plus précisément sur la figure 4, la portion inférieure de la rigole 45 comporte un trou de drainage 55 traversant son fond 46, qui est prolongé par une canule 56 débouchant du côté de la face externe du fond. Cette canule 56 est engagée dans une extrémité interne ou supérieure du conduit 53, de façon à assurer que toute l'huile drainée dans le trou 55 entre à l'intérieur du conduit 53 sans risque de goutter le long de sa face externe. Cette canule 56 s'étend dans un lamage 57 formé à la face externe du fond 46 coaxialement au trou 55, de sorte qu'elle ne dépasse pas de la face externe du fond 46.
Complémentairement, l'extrémité interne du conduit 53 a une forme localement sphérique pour constituer une rotule 58 de diamètre complémentaire de celui du lamage 57, ce qui permet à cette extrémité de s'engager de façon étanche dans le lamage 57 malgré un défaut d'orientation du conduit 53.
Complémentairement, et comme illustré schématiquement sur la figure 5, le fond annulaire 46 de la rigole 45 est pourvu à sa face interne d'une rainure longitudinale 59. Cette rainure 59 permet de freiner l'huile située dans la rigole 45 qui tend à tourner dans le sens du rotor du fait de son éjection par centrifugation. Cette rainure est avantageusement située en aval du lamage 57 par rapport au sens de circulation de l'huile dans la rigole 45, de manière à favoriser l'évacuation de l'huile par le conduit 53 en la freinant au voisinage du trou.
Alternativement à la rainure 59, il est possible de prévoir une récupération tangentielle de l'huile dans la rigole, par exemple en prévoyant une écope et/ou une inclinaison du trou de drainage 55.
Le conduit 53 traverse une embase interne 60 de l'aube fixe 12 visible sur la figure 3 pour cheminer à l'intérieur de cette aube fixe 12 et traverser l'embase externe 61 de cette aube fixe 12 qui est visible sur la figure 5, avant de traverser l'enveloppe intermédiaire 3, comprenant un carter 62 entourant la turbine basse pression.
Comme illustré sur la figure 5, l'extrémité radialement externe du conduit 53 est fixée au carter par boulonnage, en étant entourée par un écrou externe 63 plaqué sur la face externe du carter 62, et elle est raccordée à un tuyau de collecte 64 lui-même relié au réservoir 54.
Par ailleurs, le conduit 53 est avantageusement calorifugé ou réalisé en double peau pour que l'huile qui y circule ne risque pas de prendre feu ou de se solidifier en cockéfiant.
Alternativement ou complémentairement, on peut avoir un distributeur 9 refroidi par de l'air provenant de la canalisation alimentant le distributeur 11 et passant au travers des attaches des distributeurs 9 et 11 à proximité de l'enveloppe, comme illustré sur la figure 1 par des flèches repérées par R.

Claims

Agencement de turbine comprenant un tourillon basse pression (22) ayant une bride (23), et un disque (14) fixé à cette bride (23) par une liaison boulonnée (24), caractérisé en ce qu'il comporte une rigole circonférentielle fixe (45) s'étendant autour de la liaison boulonnée (24) pour collecter de l'huile susceptible de cheminer radialement à travers cette liaison boulonnée (24).
Agencement selon la revendication 1, dans lequel le disque (14) comporte un lance-gouttes (51) situé en vis-à-vis de la rigole (45), et/ou dans lequel la bride (23) comporte un lance-gouttes (52) situé en vis-à-vis de la rigole (45).
Agencement selon la revendication 1 ou 2, comprenant un palier lubrifié (29) situé dans une enceinte (30) entourant ce tourillon (22) et par lequel ce tourillon basse pression (22) porte un tourillon haute pression (26), de l'huile de l'enceinte (30) étant susceptible de fuir à travers la liaison boulonnée (24).
Agencement selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la rigole comporte un fond annulaire (46) et deux flancs (47, 48) en formes de couronnes évasées qui sont portés par ce fond (46).
Agencement selon l'une des revendications précédentes, comportant un conduit d'évacuation (53) raccordé à la rigole (45) et traversant une aube fixe (12) de la turbine, ce conduit (53) s'étendant depuis une portion inférieure de la rigole (45) jusqu'à une portion inférieure (66) de la turbine.
Agencement selon la revendication 5, dans lequel la portion inférieure de la rigole (45) comporte un trou de drainage (55) prolongé par une canule externe (56) engagée dans une extrémité supérieure du conduit (53).
Agencement selon la revendication 6, dans lequel la rigole comporte un lamage (57) entourant la canule externe (56), et dans lequel le conduit (53) est raccordé au lamage par une liaison rotule (58).
Agencement selon la revendication 5, dans lequel la rigole (45) comporte une rainure longitudinale (59) positionnée en aval du conduit d'évacuation (53) par rapport au sens circulation dans la rigole (45) de l'huile centrifugée.
Turbomachine comprenant un disque de turbine (14) ayant un agencement selon la revendication 1.
Turboréacteur comprenant une turbomachine selon la revendication 9.