FR2769341A1 - Disque aubage monobloc de turbine refroidi par un fluide - Google Patents

Disque aubage monobloc de turbine refroidi par un fluide Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un disque aubagé monobloc de turbine comportant un disque annulaire (3) à la périphérie duquel s'étend radialement une pluralité d'aubes (5) formées de canaux radiaux (10) qui débouchent dans une chambre (11) en tête d'aube. Le canal central (10a) est relié à un relais thermique (13) par une conduite de retour (16), lui-même relié aux autres canaux par une conduite d'alimentation (17) de manière à former un circuit de refroidissement fermé qui contient comme agent de refroidissement un fluide liquide circulant sous l'effet de la force centrifuge. Le fluide liquide se vaporise dans l'aube (5) et se condense dans le relais thermique (13). Ce dernier est disposé dans l'évidement central (4) du disque (3) et fait fonction d'échangeur thermique.

Description

L'invention concerne le refroidissement des aubes d'un disque aubagé monobloc de turbine.
L'amélioration générale de la performance d'une turbomachine d'aviation sur le plan de la consommation ou de la poussée peut être obtenue pour partie par une augmentation du niveau de température à l'entrée de la turbine. Cette augmentation permet aussi d'augmenter la poussée du moteur.
La réduction de la consommation spécifique permet de réduire la masse de carburant à loger dans l'avion ou à augmenter le rayon d'action.
Mais cette augmentation du niveau de température à l'entrée de la turbine est limitée par la tenue mécanique des aubes de distributeur et de la roue mobile, car les propriétés mécanique des matériaux décroissent très rapidement quand la température augmente. De plus, le fluage thermique des aubes mobiles apparaît et provoque un allongement permanent des aubes à froid. Cet effet limite leur durée de vie.
Il est ainsi nécessaire d'abaisser le niveau de température des aubes à des valeurs pour lesquelles la durée de vie en fluage est suffisante.
Diverses solutions existent déjà pour les aubes amovibles, mais les solutions sont plus rares pour les disques aubagés monoblocs.
GB 2 041 100 montre un dispositif de refroidissement d'aubes amovibles creuses, qui comporte deux circuits de refroidissement séparés. Le premier circuit comporte des canaux en chicane disposés dans la zone du bord d'attaque et la zone centrale de l'aube, alimentés en air de refroidissement par le pied de l'aube, cet air s'écoulant ensuite à l'extérieur de la partie aérodynamique de l'aube sous forme d'un film d'air. Le deuxième circuit est fermé et disposé dans la zone effilée du bord de fuite de l'aube. II contient du liquide réfrigérant qui circule sous l'effet de la force centrifuge, se vaporise dans l'aube et se condense dans une chambre située dans la tige de l'aube. Les parois de cette chambre sont refroidies par l'air de refroidissement pénétrant dans le premier circuit.
GB 252 368 concerne également le refroidissement d'une aube amovible de turbine au moyen d'un liquide de refroidissement circulant dans un unique circuit fermé ménagé dans l'aube. Ici, deux chambres espacées radialement et reliées par un échangeur de chaleur disposé du côté amont du disque sont ménagées dans la tige de l'aube.
La chambre située le plus près de l'axe de rotation sert à collecter les gaz transitant par un canal central de l'aube, tandis que la chambre la plus éloignée de l'axe de rotation distribue le fluide à l'état liquide vers les canaux périphériques de l'aube, I'ensemble des canaux débouchant dans une chambre ménagée en tête de l'aube.
L'échangeur de chaleur comporte des ailettes au voisinage immédiat d'un labyrinthe dans lequel circule de l'air frais.
Ces deux documents prévoient de refroidir une partie ou la totalité d'une aube amovible par un fluide liquide, du sodium par exemple, contenu dans un circuit fermé faisant corps avec l'aube amovible. Mais ils ne fournissent aucune indication sur l'utilisation de circuits de refroidissement fermés dans un disque aubagé monobloc.
L'invention concerne donc un disque aubagé monobloc de turbine comportant un disque annulaire à la périphérie duquel s'étend radialement une pluralité d'aubes formées en une seule pièce avec le disque, chaque aube étant creuse et comportant un circuit interne de refroidissement.
Ce disque aubagé monobloc est caractérisé par le fait que chaque circuit interne de refroidissement relié à un relais thermique faisant fonction d'échangeur de chaleur, de manière à former un circuit fermé, et par le fait que ledit circuit fermé contient un agent de refroidissement sous forme d'un fluide liquide qui circule sous l'action de la force centrifuge, se vaporise dans le circuit interne et se condense dans le relais thermique.
Avantageusement, le relais thermique est disposé dans l'évidement axial du disque.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence au dessin annexé dans lequel
la figure unique est une coupe selon un plan radial passant par l'axe de rotation de la turbine et le plan médian d'une aube d'un disque aubagé monobloc muni d'un circuit fermé de refroidissement selon la présente invention.
Le dessin montre un disque aubagé monobloc d'une turbine d'axe 2, constitué d'un disque annulaire présentant un évidemment axial 4 et d'une pluralité d'aubes 5 régulièrement réparties à la périphérie externe du disque annulaire et formées en une seule pièce avec ce dernier. Le disque annulaire comporte en outre, en amont dans le sens de l'écoulement des gaz G dans la veine des gaz chauds, un cône 6 attelé sur un arbre d'entraînement de compresseur, non montré sur le dessin. Le cône 6 comporte des orifices 7 pour le passage d'un air de refroidissement A qui transite vers l'aval à travers l'évidement axial 4 du disque annulaire 3.
Au pied des aubes 5, le disque annulaire 3 présente du côté amont et du côté aval des épaulements annulaires 8 et 9 qui coopèrent par l'intermédiaire de labyrinthes non montrées sur le dessin, avec le carter intérieur de la turbine pour délimiter intérieurement la veine de gaz chauds.
Ainsi qu'on le voit sur le dessin, chaque aube 5 comporter une pluralité de canaux radiaux 10 qui débouchent tous dans une chambre 11 ménagée dans la tête 12 de l'aube.
Le canal central i 0a est prolongé par un conduit i 0b ménagé dans l'épaulement aval 9 du disque 3, tandis que les autres canaux disposés près de la paroi périphérique aérodynamique de l'aube 5 sont reliés en pied d'aube à une chambre distributrice 12 ménagée dans l'épaulement amont 8 du disque 3.
Un relais thermique 13 faisant fonction d'échangeur de chaleur est disposé dans l'évidement 4 du disque 3. Ce relais thermique 13 est incliné par rapport à l'axe de rotation 2 de la turbine, son extrémité aval 14 étant plus proche de l'axe 2 que son extrémité amont 15.
L'extrémité aval 14 du relais thermique 13 est reliée au conduit 11 par une conduite de retour 16, tandis que l'extrémité amont 15 du relais thermique 13 est reliée à la chambre distributrice 12 par une conduite d'alimentation 17.
L'ensemble, formé par le relais thermique 13, la conduite d'alimentation 17, la chambre distributrice 12, les canaux périphériques 10, la chambre 11, le canal central 10a, le conduit lOb et la conduite de retour 16, constitue un circuit fermé.
Ce circuit fermé contient un agent de refroidissement sous forme d'un fluide liquide, de sodium métallique par exemple, qui se vaporise dans les canaux 10 de l'aube sous l'effet de la chaleur des aubes et se condense dans le relais thermique 13 qui baigne dans l'air de refroidissement A.
Les gouttes de liquide condensées dans le relais thermique retournent vers les canaux périphériques 10 de l'aube 5 par la conduite d'alimentation 17 sous l'effet de la force centrifuge par suite de l'inclinaison du relais thermique 13 par rapport à l'axe de rotation 2, lorsque la turbine tourne autour de l'axe 2.
L'évaporation du liquide dans les canaux périphériques 10 provoque un refroidissement énergique de la paroi aérodynamique de l'aube 5. Les gaz sont recueillis dans la chambre 11 en tête d'aube et retournent vers le relais thermique 13 par le canal central loua, le conduit lOb et la conduite de retour 16.

Claims (5)

  1. REVENDiCATIONS 1. Disque aubagé monobloc de turbine comportant un disque annulaire (3) à la périphérie duquel s'étend radialement une pluralité d'aubes (5) formées en une seule pièce avec le disque (3), chaque aube étant creuse et comportant un circuit interne de refroidissement (10, 11), caractérisé par le fait que chaque circuit interne de refroidissement (10, 11) est relié à un relais thermique (13) faisant fonction d'échangeur de chaleur, de manière à former un circuit fermé, et par le fait que ledit circuit fermé contient un agent de refroidissement sous forme d'un fluide liquide qui circule sous l'action de la force centrifuge, se vaporise dans le circuit interne (10, 11) et se condense dans le relais thermique (16).
  2. 2. Disque aubagé monobloc selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le relais thermique (13) est disposé dans l'évidement (4) axial du disque (3).
  3. 3. Disque aubagé monobloc selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le circuit interne de refroidissement de chaque aube (5) comporte une pluralité de canaux radiaux (10) qui débouche dans une chambre (11) ménagée en tête d'aube, I'un desdits canaux (l0a) étant relié à une extrémité (14) du relais thermique (13) par une conduite de retour (16) et les autres canaux (10) étant reliés à l'autre extrémité (15) du relais thermique (13) par une conduite d'alimentation (1 7).
  4. 4. Disque aubagé monobloc selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la conduite d'alimentation (17) est disposée en amont du disque (3), et la conduite de retour (16) est disposée en aval du disque (3), l'amont et l'aval étant définis par le sens de l'écoulement des gaz G dans la turbiner.
  5. 5. Disque aubagé monobloc selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que le relais thermique (13) est incliné par rapport à l'axe de rotation (2) du disque (3), son extrémité aval (14) étant plus proche de l'axe de rotation (2) que son extrémité amont ( 15).
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