FR2648866A1 - Dispositif de controle d'un flux d'air de fuite dans un turbomoteur - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un turbomoteur comportant une section de compresseur rotative 14 avec un étage final rotatif, une section de combustion annulaire et une section de turbine, toutes ces sections étant disposées successivement autour d'un axe unique, et comportant additionnellement un compartiment basse pression 36 disposé radialement vers l'intérieur par rapport à la section de combustion 16 et isolé d'une manière étanche par l'intermédiaire d'une paire amont de joints d'étanchéité rotatifs 46, 48 délimitant entre eux un compartiment étanche annulaire 60. Ce turbomoteur est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens 56 pour évacuer du fluide de travail de fuite, à partir du compartiment étanche annulaire 60 et en direction d'un point se trouvant dans le courant de fluide de travail annulaire en avant du premier étage 32 de la turbine.
Description
La présente invention concerne un dispositif pour contrôler un flux d'air
de fuite dans un turbomoteur à flux axial. La fuite du fluide de travail dans un turbomoteur, à travers les divers joints d'étanchéité annulaires rotatifs internes, est bien connue des concepteurs des turbomoteurs à flux axial. Le fluide de travail qui est admis dans la section du compresseur sous la forme d'air ambiant et qui est porté à une pression relativement élevée par la section du compresseur, pénètre dans une section de combustion annulaire o du carburant est mélangé et brQlé afin de créer des produits de combustion à température encore plus élevée, lesquels pénètrent ensuite dans la section de turbine du moteur o l'énergie contenue dans le fluide de travail est
récupérée sous la forme de puissance mécanique sur un arbre.
Dans les turbomoteurs classiques la section de combustion n'est pas rotative, ce qui exige la prévision d'un certain type de joint d'étanchéité rotatif entre 1 dernier étage du rotor de la section du compresseur amont, ainsi qu'un autre joint d'étanchéité rotatif entre l'orifice de décharge de la section de combustion et ce premier étage du rotor de la
section de la turbine.
Le volume qui se trouve radialement vers l'intérieur de la chambre de combustion annulaire et axialement entre le dernier étage du compresseur et le premier étage de la turbine, est habituellement maintenu à une pression plus basse par rapport à celle du fluide de travail à l'entrée de la turbine, ce qui entraîne la possibilité d'une fuite d'air du compresseur à travers le joint d'étanchéité rotatif disposé entre le dernier étage du compresseur et la section
de combustion non rotative.
Dans les turbomoteurs à flux axial on dispose fréquemment un ou plusieurs ensembles formant paliers pour un arbre dans le volume se trouvant à l'intérieur de la chambre de combustion annulaire et ceci exige par conséquent une certaine forme de refroidissement afin de protéger la structure formant palier à l'égard du fluide de travail à haute température qui s'écoule à proximité. Un tel refroidissement peut être obtenu en fournissant un flux d'air tampon de refroidissement ou similaire au volume adjacent à la structure formant palier; cependant on a constaté que l'air de fuite à travers le joint d'étanchéité du compresseur, lequel s'écoule vers et dans le volume du palier à plus basse pression, se trouve chauffé par suite du cisaillement élevé qui se produit lorsque l'air de fuite s'écoule à travers le joint d'étanchéité rotatif du compresseur. L'air de fuite du compresseur, chauffé au-delà de la température de refoulement du compresseur, réduit l'efficacité d'une quantité donnée d'air tampon refroidi fourni au volume contenant le palier, ce qui augmente par conséquent les exigences de débit d'air tampon refroidi afin
de protéger la structure formant palier.
Comme le comprendront les hommes de l'art, la quantité accrue d'air sous pression, connue également en tant qu'air secondaire, qui est utilisé pour le refroidissement du
turbomoteur, entraîne une réduction du rendement du moteur.
Il est donc recherché un moyen de réduire la quantité d'air tampon exigée pour protéger le volume contenant le palier
dans un turbomoteur à flux axial.
Par conséquent un but de la présente invention est de fournir une disposition pour un turbomoteur à flux axial qui permet de réduire le flux d'air de fuite vers et dans le
compartiment annulaire du palier.
Suivant la présente invention le volume qui est défini radialement à l'intérieur d'une section de combustion annulaire, dans un turbomoteur, est maintenu à une pression réduite comparativement au courant annulaire de fluide de travail. Ce volume est rendu étanche à l'égard du flux d'air comprimé pénétrant dans la section de compresseur, à partir de la section de combustion amont, au moyen de deux joints d'étanchéité rotatifs disposés en série entre l'étage rotatif final du compresseur et l'orifice d'entrée non rotatif de la section de combustion. Ce volume est rendu étanche, à l'extrémité aval, au moyen d'un troisième joint d'étanchéité rotatif disposé entre l'orifice de sortie non rotatif de la section de combustion et le premier étage rotatif de la turbine. L'air refoulé par le compresseur qui fuit à travers le premier joint d'étanchéité rotatif, est recueilli dans un compartiment étanche annulaire situé entre les deux joints rotatifs du compresseur et il est évacué au-delà du volume annulaire, à travers un conduit. Ce conduit décharge l'air de fuite collecté de nouveau dans le flux de fluide de travail, en amont du premier étage de la turbine, en mettant ainsi en
court-circuit le volume à basse pression.
Dans le cas des turbomoteurs dans lesquels le volume à basse pression loge aux moins un palier principal pour l'arbre du moteur, le conduit en dérivation suivant l'invention évite un mélange de l'air de fuite du compresseur avec l'air tampon froid qui est fourni habituellement au
volume afin de protéger thermiquement la structure du palier.
En retournant l'air de fuite collecté dans le courant de fluide de travail, en amont du premier étage de la turbine, la présente invention permet de récupérer l'énergie présente dans l'air comprimé. En outre, en déchargeant l'air de fuite dans le flux de fluide de travail à travers un intervalle annulaire entre l'orifice de décharge non rotatif de la section de combustion et le premier étage rotatif de la turbine, le circuit en dérivation suivant la présente invention produit un refroidissement additionnel de la
périphérie du disque du premier étage de la turbine.
On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure unique est une demi-vue en coupe axiale d'une portion des sections du compresseur haute pression, de combustion et de la turbine haute pression d'un turbomoteur comportant le conduit en dérivation suivant la présente invention. Si on se réfère à cette figure on voit qu'elle représente une demi-vue en coupe axiale d'un turbomoteur à flux axial. La section 10 du moteur comporte un carter externe du moteur 12 entourant une section de compresseur haute pression antérieure 14, une section de combustion 16 disposée immédiatement en aval de la section du compresseur 14, et une section de turbine haute pression 18 située
immédiatement en aval de la section de combustion 16.
La section du compresseur axial 14 est constituée d'une pluralité d'étages d'ailettes rotatives 24,26 qui délivrent un courant annulaire d'air comprimé 20 à l'orifice d'entrée 28 de la section de combustion 16. L'air comprimé 20 pénètre dans la chambre de combustion 30 disposée dans la section de combustion 1. et il est mélangé avec du carburant liquide ou un produit similaire fourni par l'injecteur de carburant 32. Des produits de combustion 22 sortent de la chambre de combustion 30, pénètrent dans la section de turbine 18 et passent successivement à travers le premier étage de turbine 32 et le second étage de turbine 34, comme
il est représenté.
La section de combustion 16 est isolée radialement d'un volume annulaire interne 36, au moyen d'un diviseur fixe annulaire 38 disposé entre la chambre de combustion 30 et l'arbre axial 40 reliant les étages 24,26 du compresseur aux étages 32,34 de la turbine. Dans le moteur 10 représenté sur la figure, le volume annulaire 36 comporte un ensemble formant palier 42 qui supporte l'arbre 40 du rotor haute pression. L'ensemble formant palier 42 est exposé, comme il est représenté, à l'intérieur d'un carter de palier 44 qui est alimenté par un flux de gaz ou d'air tampon refroidi (non représenté) afin de maintenir la structure du palier 42 à une température et à une pression notablement plus basses que celles présentes à l'endroit de l'orifice d'entrée 28 ou de
l'orifice de sortie 46 de la section de combustion.
Ainsi que le comprendront les hommes de l'art, il est nécessaire de prévoir un joint d'étanchéité rotatif entre les portions rotatives 24,26, 40,42,34 du moteur et la structure statique non rotative 38 associée à la section de combustion 16 et au carter du moteur 12. Dans le cas de la section du compresseur 14 il est courant d'utiliser deux joints d'étanchéité rotatifs 46,48 disposés en série, afin d'isoler le flux 20 du compresseur à l'égard du volume interne à basse pression 36. Dans la section de turbine 18 un joint 50 du type en lame de couteau est couramment utilisé comme il est représenté. En dépit de la présente de ces joints d'étanchéité rotatifs au moins une portion 52 de l'air comprimé 20 s'écoule, à partir du circuit d'écoulement des gaz de travail et à travers les joints d'étanchéité rotatifs 46,48, de manière à pénétrer dans le volume interne 36. Cet air de fuite 52 est notablement plus chaud que l'air tampon froid fourni au volume 36 pour refroidir la structure du palier 42 et lorsqu'il se mêle avec cet air froid, il provoque une élévation de la température moyenne du gaz se trouvant dans le volume interne 36. Ainsi il est courant, suivant la technique antérieure, de prévoir la fourniture d'air tampon additionnel au carter 44 du palier, afin de maintenir la
structure du palier 42 à une température appropriée.
La présente invention permet de réduire ou de supprimer le flux de fuite 54 à travers le second joint d'étanchéité 48 et pénétrant dans le volume interne 36, en prévoyant un conduit de dérivation 56 qui permet l'échappement de l'air de fuite 52 à partir du volume étanche annulaire 60 se trouvant entre les joints d'étanchéité rotatifs 46,48 du compresseur. Le flux d'air en dérivation 58 est transmis, à travers le volume annulaire 36, par l'intermédiaire du conduit 56 et il est déchargé en amont du premier étage 32 de la turbine. Le conduit 56 a une première extrémité débouchant dans le compartiment étanche annulaire et il s'étend axialement vers l'aval à travers le compartiment à basse pression 36, l'autre extrémité du conduit 56 débouchant au voisinage de la face amont du premier étage 32 de la turbine. Le conduit 56 décharge le fluide de travail évacué dans un compartiment annulaire délimité par une paroi du diviseur annulaire interne 38 de la section de combustion 16, la face amont 62 du premier étage 32 de la turbine et le joint d'étanchéité rotatif aval 50 de la turbine. L'air de fuite en dérivation 58 s'écoule radialement vers l'extérieur, sur la face amont 62 du premier étage 32 de la turbine, et il pénètre dans le flux annulaire de fluide de travail 64 en amont des ailettes 66 du premier étage de turbine. L'énergie présente dans l'air de fuite en dérivation 58 est ainsi récupérée par suite de l'interaction avec les ailettes rotatives 66. A la différence des agencements suivant la technique antérieure, dans lesquels l'air de fuite 54 à travers le second joint d'étanchéité pénètre dans le volume annulaire 36, le conduit 56 suivant la présente invention redirige l'air de fuite collecté 58 vers le courant de fluide de travail, au lieu de le mettre à l'échappement en direction du second étage 34 de la turbine,
par l'intermédiaire d'évents 68.
Suivant une variante une pluralité de conduits, tels que le conduit 56, s'étendent axialement à travers le volume à basse pression 36 pour transporter à travers eux le fluide
de travail de fuite.
Une autre caractéristique du conduit en dérivation 56, suivant la présente invention, est la réduction de la pression statique du gaz dans le volume étanche annulaire 60, réduction qui est obtenue en laissant s'échapper le flux de fuite 52 à travers le premier joint d'étanchéité directement vers l'orifice d'entrée de la turbine. Cette réduction de la pression statique dans le volume 60 entraîne une réduction de la poussée axiale vers l'avant sur les rotors 24,26 du compresseur et par conséquent sur la totalité du corps haute pression 24,26,40,32,34 du moteur 10, d'o une réduction de la poussée axiale qui doit être encaissée par le palier de poussée (non représenté) du corps haute pression. Bien que cette poussée ne s'élève qu'à environ 21000-27600 kPa, cette poussée est néanmoins significative lorsque toutes les forces d'équilibrage s'exerçant sur l'arbre 40 du rotor haute
pression sont prises en considération.
La présente invention convient ainsi particulièrement bien pour réduire le flux d'air tampon froid exigé pour protéger la structure du palier 42 dans le volume interne 36, ce qui entraîne une augmentation du rendement global du moteur par suite de la réduction de la quantité d'air de
refroidissement secondaire exigée.
Claims (4)
1.- Turbomoteur comportant une section de compresseur rotative (14) avec un étage final rotatif (26), une section de combustion annulaire (16) et une section de turbine (18), toutes ces sections étant disposées successivement autour d'un axe unique, et comportant additionnellement un compartiment basse pression (36) disposé radialement vers l'intérieur par rapport à la section de combustion (16) et isolé d'une manière étanche à l'égard d'un flux annulaire de fluide de travail sous pression passant axialement à travers le moteur, par l'intermédiaire d'une paire amont de joints d'étanchéité rotatifs (46,48) qui sont disposés en série entre le flux de fluide de travail sortant du dernier étage (26) du compresseur et l'orifice d'entrée non rotatif de la section de combustion (16), et par un joint d'étanchéité rotatif aval (50) disposé entre l'orifice de sortie non rotatif de la section de combustion (16) et un premier étage rotatif (32) de la turbine, la paire amont de joints d'étanchéité rotatifs (46,48) délimitant entre eux un compartiment étanche annulaire (60), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (56) pour évacuer du fluide de travail de fuite, à partir du compartiment étanche annulaire (60) et en direction d'un point se trouvant dans le courant de fluide de travail annulaire en avant du premier étage (32) de la
turbine.
2.- Turbomoteur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens d'évacuation comportent un conduit (56) ayant une première extrémité débouchant dans le compartiment étanche annulaire (60) et s'étendant axialement vers l'aval à travers le compartiment à basse pression (36), l'autre extrémité du conduit (56) débouchant au voisinage de
la face amont du premier étage (32) de la turbine.
3.- Turbomoteur suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'une pluralité de conduits s'étendent axialement à travers le volume à basse pression (36) pour
transporter à travers eux le fluide de travail de fuite.
4.- Turbomoteur suivant la revendication 2 caractérisé en ce que le conduit (56) décharge le fluide de travail évacué dans un compartiment annulaire délimité par une paroi d'un diviseur annulaire interne (38) de la section de combustion (16), la face amont (62) du premier étage (32) de la turbine et le joint d'étanchéité rotatif aval (50) de
la turbine.
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