FR2690482A1 - Circuit de ventilation des disques de compresseurs et de turbines. - Google Patents

Circuit de ventilation des disques de compresseurs et de turbines. Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une turbomachine comportant un compresseur (8) relié, par un arbre (22), à une turbine (10) et comprenant une pluralité d'étages de disques soumis à un gradient thermique et une veine de gaz (16) dans laquelle le gaz circule depuis l'amont du compresseur jusqu'à l'aval; et des moyens de ventilation des disques pour limiter leur gradient thermique. Ces moyens de ventilation comprennent au moins une première et une seconde sources (S1, S2) de prélèvement du gaz dans la veine ainsi que des moyens de conduite pour amener, de façon indépendante, le gaz prélevé dans la première source et le gaz prélevé dans la seconde source vers les disques du compresseur et de la turbine. Ces moyens de conduite comportent un conduit de gaz (24) coaxial et extérieur à l'arbre, réalisant entre lui-même et l'arbre un passage (26) cylindrique pour le gaz. Application aux turbomachines aéronautiques.

Description

i
CIRCUIT DE VENTILATION DES DISQUES
DE COMPRESSEURS ET DE TURBINES
DESCRIPTION
La présente invention concerne un circuit de ventilation des alésages des disques du compresseur haute pression HP et de la turbine d'une turbomachine aéronautique. En effet, ces turbomachines fonctionnent à des températures très élevées Aussi, les disques, notamment les disques du compresseur HP et de la turbine, sont
soumis à de forts gradients thermiques sur leur hauteur.
Il est donc nécessaire de ventiler ces disques afin de diminuer leurs gradients thermiques Pour cela, il est connu de prélever de l'air de la veine d'air qui circule
dans le compresseur.
Plusieurs dispositifs permettent de réaliser ce prélèvement d'air dans la veine d'air Généralement, ces dispositifs utilisent des accélérateurs centripètes pour acheminer l'air vers les disques des étages aval du
compresseur et vers les disques de la turbine.
Généralement, l'air pénètre dans le compresseur au niveau des aubes amont dudit compresseur En milieu ou en aval du compresseur, une partie au moins de l'air est soumise à un écoulement de prélèvement et circule alors de façon centripète dans le compresseur, et est ainsi acheminé
vers la turbine.
De nombreux documents décrivent des accélérateurs centripètes permettant d'effectuer un prélèvement d'air, de manière centripète, dans la veine d'air et d'acheminer cet air vers les disques aval du compresseur et,
éventuellement, vers les disques de la turbine.
La demande de brevet, publiée sous le numéro 2 609 500, déposée au nom du demandeur le 14 janvier 1987, décrit un disque de compresseur de turbomachine avec accélérateur centripète pour
l'aspiration d'air pour le refroidissement de la turbine.
Un tel dispositif de prélèvement d'air centripète a pour inconvénient, notamment, de ne comporter qu'un seul prélèvement d'air, c'est-à- dire un seul chemin d'acheminement de l'air vers les disques aval du compresseur et de la turbine De ce fait, il n'est pas possible de contrôler le débit d'air prélevé et donc de réguler la température de l'air de ventilation des
disques de compresseur et de turbine.
La présente invention permet justement de contrôler ce débit d'air prélevé Elle propose de prélever de l'air de la veine d'air de façon centrifuge En effet, le dispositif selon l'invention comporte deux sources de prélèvement d'air dans la veine, ces prélèvements étant effectués de façon centrifuge A partir de ces prélèvements, il est possible de réguler le débit d'air réintroduit dans le moteur pour ventiler les disques de
compresseur et de turbine.
De façon plus précise, la présente invention a pour objet une turbomachine comportant un compresseur relié par un arbre à une turbine, ledit compresseur et ladite turbine comprenant chacun une pluralité d'étages de disques soumis à un gradient thermique, ledit compresseur comportant en outre une veine de gaz dans laquelle circule du gaz depuis l'amont du compresseur jusqu'à l'aval dudit compresseur Cette turbomachine comporte en outre des moyens de ventilation des disques pour limiter leurs gradients thermiques Elle est caractérisée en ce que ces moyens de ventilation comprennent au moins une première et une seconde sources de prélèvement de gaz dans la veine de gaz, ainsi que des moyens de conduite pour amener, de façon indépendante, le gaz prélevé dans la première source et le gaz prélevé dans la seconde source vers, respectivement, les disques du compresseur
et les disques de la turbine.
Avantageusement, les moyens de conduite comportent un conduit de gaz, coaxial et extérieur à l'arbre, réalisant entre lui-même et l'arbre un passage
cylindrique pour le gaz.
En outre, le conduit de gaz comprend un premier tube et un second tube intérieur au premier, le gaz pouvant circuler entre le premier et le second tubes et entre le
second tube et l'arbre.
De façon avantageuse, ce conduit de gaz comporte une pluralité d'ouvertures radiales oblongues assurant la sortie du gaz circulant dans le passage cylindrique, des cloisons autour de chaque ouverture assurant le
confinement du gaz circulant dans le conduit de gaz.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les cloisons sont réalisées par écrasement des premier et
second tubes, l'un contre l'autre.
Selon une caractéristique de l'invention, la première source est disposée en amont du compresseur Le gaz, qui y est prélevé, circule dans le passage cylindrique et sort par les ouvertures radiales pour
ventiler les disques du compresseur.
La seconde source, quant à elle, est disposée en milieu de compresseur Le gaz, qui y est prélevé, circule
dans le conduit de gaz jusqu'aux disques de la turbine.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la turbomachine comporte en outre des moyens de régulation pour contrôler les débits de gaz prélevés par
la première et la seconde sources dans la veine des gaz.
D'autres avantages et caractéristiques de
l'invention apparaîtront dans la description qui va
suivre, donnée à titre illustratif, mais nullement limitatif, en référence aux dessins dans lesquels: la figure 1 représente, de façon schématique, la constitution générale d'une turbomachine sur laquelle on a représenté les sources de prélèvement d'air dans la veine d'air; la figure 2 représente un schéma du chemin suivi par l'air à la sortie des conduits provenant des sources de prélèvement et jusqu'à l'introduction de cet air dans des conduits permettant d'amener l'air au niveau des disques du compresseur HP et des disques de la turbine, ces conduits se trouvant au niveau de l'arbre de la turbomachine; et les figures 3 A et 3 B représentent chacune un mode de réalisation des conduits permettant d'amener l'air jusqu'aux disques aval du compresseur et jusqu'aux
disques de la turbine.
Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une coupe de turbomachine Sur cette figure, le dispositif a été représenté sur un type de turbomachine Il est entendu, toutefois, qu'un tel circuit de ventilation peut être adapté à de nombreux types de turbomachines Sur cette figure, on peut voir différents étages de la turbomachine, à savoir la soufflante 2, qui constitue son premier étage, le compresseur basse pression 4 et le compresseur haute pression, nommé plus simplement "compresseur HP", référencé 8 Cependant, comme expliqué précédemment, il est nécessaire de ventiler de façon plus précise, les disques des étages aval du compresseur, ainsi que les disques de la turbine 10 Sur la figure 1, on a référencé 12 les disques du compresseur HP 8 et on a
référencé 14 les disques de la turbine 10.
Les sources Si et 52 situées respectivement en amont du compresseur 8 et en milieu dudit compresseur 8
permettent de prélever de l'air dans la veine d'air 16.
Ces sources de prélèvement S et 52 sont des sources à prélèvement centrifuge, c'est-à-dire que c'est l'air éloigné du centre du compresseur 8 sous l'effet de la force centrifuge, lorsque la turbomachine est en fonctionnement, qui est prélevé Cet air prélevé par les sources Si et 52 est acheminé vers l'amont du compresseur 8 par des conduits Cl et C 2 De façon plus précise, ces conduits Cl et C 2 traversent les bras du carter intermédiaire, c'est-à-dire du carter situé entre le compresseur basse pression 4 et le compresseur haute pression 8 Ces conduits Cl et C 2 traversent donc le carter intermédiaire pour aboutir dans des compartiments
référencés respectivement 18 et 20.
Sur cette figure, on voit également l'arbre 22 assurant la liaison physique entre, notamment, le compresseur haute pression 8 et la turbine 10 Une partie de cet arbre 22 est entouré par une conduite 24 L'air provenant des sources 51 et 52 et ayant transité par les compartiments 18 et 20 est acheminé vers l'arbre 22 et le conduit 24 par des moyens qui seront décrits ultérieurement De même, la structure de la conduite 24 située autour de l'arbre 22 et formant un passage 26 entre ledit arbre et ladite conduite 24, sera décrit plus
en détail dans les figures suivantes.
En effet, l'air prélevé par la source 52 est acheminé par le conduit C 2, dans le compartiment 20, puis vers le conduit 24 Ce conduit permet de transporter l'air en provenance de la source 52 jusqu'à l'aval du compresseur haute pression 8 et de la turbine Le cheminement de cet air provenant de la source 52 est représenté sur la figure 1 par des flèches en traits pleins. L'air prélevé par la source Si dans la veine d'air 16 est acheminé par le conduit Ci dans le compartiment 18 puis vers, d'une part, les disques du compresseur haute pression 8 et, d'autre part, le passage 26 réalisé entre l'arbre 22 et le conduit 24 Cet air en provenance de la source Si peut ainsi être acheminé vers les enceintes de
palier situées en aval du compresseur.
Des systèmes de vannage 28 et 30 sont situés sur les conduits respectifs Cl et C 2 pour permettre de régler le débit d'air prélevé par les sources Si et 52 dans la veine d'air 16 En effet, l'air prélevé par la source Si, c'est-à-dire prélevé en amont du compresseur 8, a une température plus faible que l'air prélevé par la source 52 en milieu dudit compresseur 8, ceci du fait que l'air circulant dans la veine d'air 16 en amont du compresseur 8 a une pression plus faible que lorsqu'il arrive au niveau de la source 52, c'est-à-dire en milieu de compresseur haute pression 8 Ainsi, l'air prélevé par la source Si et l'air prélevé par la source 52 ont des températures différentes, ce qui permet de moduler la température de l'air réinjecté dans le compresseur 8 et la turbine 10 En effet, les systèmes de vannage 28 et 30 permettent de régler le débit d'air prélevé par les sources Si et 52 et ainsi de réguler la température de
l'air réinjecté dans le moteur.
Sur la figure 2, on a représenté de façon plus détaillée que sur la figure 1, le cheminement suivi par l'air entre la sortie des conduits Cl et C 2 provenant des sources de prélèvement d'air 51 et 52 et l'introduction de l'air dans les circuits de ventilation réalisés par
l'arbre 22 et le conduit 24.
On voit, sur cette figure, 2, une partie des compartiments 18 et 20 qui sont traversés par l'air provenant des conduits respectivement Cl et C 2 L'air provenant de la source de prélèvement Si passe du compartiment 18 dans l'enceinte 32 du palier (ou support de guidage de l'arbre de transmission 22) en traversant la bride 28 de support de palier grâce à une série d'orifices 30 Une partie de cet air engouffré dans l'enceinte 32 du palier traverse deux viroles 34 et 36
par un passage 38 pour arriver dans un compartiment 40.
L'air ressort de ce compartiment 40 en traversant la virole 42 de disque par des orifices 44 Lorsque l'air a traversé cette virole 42 de disque, il est apte à ventiler les disques des premiers étages du compresseur haute pression, c'est-à-dire les disques des étages amont
dudit compresseur.
Parallèlement, une autre partie de l'air se trouvant dans l'enceinte 32 du palier, ne traverse pas les viroles fixes 34 et 36, mais traverse directement la virole tournante 42 de disque par des orifices 46 et entre ainsi dans le passage 26 formé par l'arbre de transmission 22 et le conduit 24 Ainsi, l'air provenant de la source Si peut circuler dans ce passage 26 et traverser tout le compresseur haute pression pour aller vers les enceintes
de palier.
L'air prélevé par la source 52 est conduit jusque dans un compartiment 20 par la conduite C 2 puis traverse la bride 28 du palier par des orifices 48 L'air entre ainsi dans un passage réalisé par les deux viroles fixes 34 et 36 Cet air circule donc dans ce passage 50 et traverse ensuite la virole tournante 42 par un orifice 52 A la sortie de cet orifice 52, le conduit 24 reçoit l'air provenant de la source 52 Cet air peut donc circuler dans ce conduit 24 jusqu'aux disques qu'il doit ventiler, c'est-à-dire les disques-des étages aval dudit
compresseur et les disques de la turbine.
Comme cela a déjà été expliqué précédemment, ce conduit 24 comporte deux tubes 24 a et 24 b coaxiaux et de
tailles sensiblement différentes.
L'air provenant de la source 52 circule donc dans ce conduit 24 entre le tube 24 a et le tube 24 b. Ce tube 24 b intérieur au tube 24 a forme autour de l'arbre de transmission 22 un passage dans lequel circule
l'air provenant de la source 51.
L'étanchéité entre l'enceinte 32 de palier et le passage 50 réalisé entre les viroles 34 et 36 est réalisée, au niveau de la virole tournante 42, éventuellement au moyen de deux joints 54 du type joint brosse ou joint carbone Ces joints assurent donc l'étanchéité entre, respectivement, la virole fixe 34 et la virole tournante 42 et entre la virole fixe 36 et la virole tournante 42 Ainsi, il n'y a pas risque d'échange entre l'air contenu dans l'enceinte 32 de palier et l'air
contenu dans le passage 50.
Sur les figures 3 A et 3 B, on a représenté une coupe en section de l'arbre 22 et du conduit 24 La figure 3 A et la figure 3 B représentent chacune un mode de
réalisation de cet ensemble.
Sur la figure 3 A, cet ensemble constitué de l'arbre de transmission 22 et du conduit 24 est représenté en perspective On voit donc l'arbre 22 et le conduit 24 formé des deux tubes 24 a et 24 b (le tube 24 b étant
intérieur au tube 24 a).
Les tubes à section cylindrique 24 a et 24 b présentent des ouvertures 56 oblongues, disposées à intervalles réguliers sur toute la longueur des tubes 24 a et 24 b Des cloisons 58 assurent la jointure entre le tube 24 a et le tube 24 b au niveau des ouvertures 56 de façon à assurer l'étanchéité du conduit 24 Grâce à ces ouvertures 56, l'air provenant de la source Si et circulant dans le passage 26 peut être évacué dudit passage 26 par lesdites ouvertures 56 et ainsi être dirigés vers les disques du compresseur pour les ventiler. Selon un mode de réalisation de l'invention, les ouvertures 56 sont écartées l'une de l'autre par des intervalles à peu près similaires aux intervalles
existants entre deux disques du compresseur.
Sur la figure 3 B, on a représenté, en coupe, ce même ensemble constitué de l'arbre 22 et du conduit 24 Cette figure montre un mode de réalisation de cet ensemble différent du mode de réalisation représenté sur la figure 3 A. En effet, d'après ce mode de réalisation, les cloisons 58 sont réalisées par écrasement des deux tubes 24 a, 24 b, l'un sur l'autre, de façon à obtenir un contact étanche entre ces deux tubes 24 a et 24 b, ces écrasements étant référencés 60 Les ouvertures 56 sont réalisées de façon similaire à celles représentées sur la figure 3 A. Cette invention a donc pour avantages de permettre de ventiler à la fois les disques du compresseur haute pression et les disques de la turbine de la turbomachine, avec des écoulements d'air portés à des températures différentes Le système de vannage permet de réguler les débits d'air de façon à contrôler la température de l'air
réinjecté sur les disques.
Cette régulation des débits d'air permet, de plus, de piloter des jeux entre les rotors (du compresseur et
de la turbine) et le carter.
LU

Claims (7)

    REVENDICATIONS l.Turbomachine comportant: un compresseur ( 8) relié, par un arbre ( 22), à une turbine ( 10), ledit compresseur et ladite turbine comprenant chacun une pluralité d'étages de disques soumis à un gradient thermique, ledit compresseur comportant en outre une veine de gaz ( 16) dans laquelle circule le gaz depuis l'amont du compresseur jusqu'à l'aval; et des moyens de ventilation des disques pour limiter leur gradient thermique, caractérisée en ce que ces moyens de ventilation comprennent au moins une première et une seconde sources (Si, 52) de prélèvement du gaz dans la veine ainsi que des moyens de conduite pour amener, de façon indépendante, le gaz prélevé dans la première source et le gaz prélevé dans la seconde source vers les disques du compresseur et de la turbine.
  1. 2 Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de conduite comportent un conduit de gaz ( 24) coaxial et extérieur à l'arbre, réalisant entre lui-même et l'arbre un passage ( 26)
    cylindrique pour le gaz.
  2. 3 Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce que le conduit de gaz comprend un premier tube ( 24 a) et un second tube ( 24 b) intérieur au premier, le gaz pouvant circuler entre le premier et le
    second tubes ainsi qu'entre le second tube et l'arbre.
  3. 4 Turbomachine selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le conduit de gaz comporte une pluralité d'ouvertures ( 56) radiales oblongues assurant la sortie du gaz circulant dans le passage cylindrique, des cloisons ( 58) autour de chaque ouverture assurant le
    confinement du gaz circulant dans le conduit de gaz.
    -/- Turbomachine selon la revendication 4, caractérisée en ce que les cloisons sont réalisées par écrasement des premier et second tubes l'un contre l'autre. 6 Turbomachine selon l'une quelconque des
    revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la première
    source est disposée en amont du compresseur.
  4. 7 Turbomachine selon l'une quelconque des
    revendications 4 à 6, caractérisée en ce que le gaz
    prélevé dans la première source circule dans le passage cylindrique et sort par les ouvertures radiales pour
    ventiler les disques du compresseur.
  5. 8 Turbomachine selon l'une quelconque des
    revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la seconde
    source est disposée en milieu de compresseur.
  6. 9 Turbomachine selon l'une quelconque des
    revendications 2 à 8, caractérisée en ce que le gaz
    prélevé dans la seconde source circule dans le conduit de
    gaz jusqu'aux disques de la turbine.
  7. 10 Turbomachine selon l'une quelconque des
    revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte
    en outre des moyens de régulation ( 28, 30) pour contrôler les débits de gaz prélevés par la première et la seconde
    sources dans la veine de gaz.
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