FR2916475A1 - Circuit d'alimentation en air de ventilation d'un rotor de turbine dans un moteur a turbine a gaz - Google Patents
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Abstract
La présente invention porte sur un circuit d'alimentation en air de ventilation d'un rotor de turbine dans un moteur à turbine à gaz comprenant une chambre de combustion annulaire comprise dans une enveloppe avec une paroi (101) interne délimitant un canal d'air avec la chambre de combustion, une partie de cet air étant guidé à travers au moins un orifice (101') percé dans ladite paroi et communiquant avec des moyens d'injection dudit air en direction du rotor de turbine pour le ventiler. Le circuit est caractérisé par le fait que ledit orifice (101') est pourvu d'un organe (20 ; 20') d'obturation partiel à section variable avec un moyen de commande de la section en fonction de la température de l'air de ventilation entre une première section et une deuxième section, l'une étant supérieure à l'autre lorsque la température de l'air est supérieure à une valeur déterminée.
Description
Circuit d'alimentation en air de ventilation d'un rotor de turbine dans un
moteur à turbine à gaz
La présente invention concerne les moteurs à turbine à gaz utilisés 5 notamment en aéronautique.
Un tel moteur comprend classiquement au moins un compresseur d'air entraîné par une turbine et entre les deux une chambre de combustion alimentée par le compresseur. L'air est chauffé dans la chambre pour 10 produire des gaz chauds dont l'énergie est transformée en énergie mécanique dans la section de turbine.
Le moteur peut être à simple ou multicorps, avec, dans ce cas, au moins un corps tournant parcouru par des gaz à basse pression, BP, et un corps 15 tournant parcouru par des gaz à pression plus élevée et désigné corps haute pression, HP. Le corps HP est formé d'une turbine HP reliée par un premier arbre à un compresseur haute pression et le corps BP est formé d'une turbine BP reliée par un second arbre coaxial au premier à un compresseur basse pression. La chambre de combustion reçoit l'air du compresseur HP 20 et alimente la turbine HP en gaz de combustion chauds.
En raison des températures élevées des gaz admis dans la turbine HP, il est nécessaire d'assurer un flux de gaz de refroidissement le long des différentes parties de la section de turbine HP. Cet air est couramment 25 prélevé au niveau du compresseur HP, immédiatement en aval, dans la partie de la chambre, dite fond de chambre, située immédiatement en aval du diffuseur du compresseur avant les zones de combustion.
Pour diminuer la consommation spécifique en carburant une des pistes est 30 de chercher à moduler les débits de ventilation de la turbine à haute pression et de la turbine à basse pression. Ces débits sont dimensionnés pour le décollage qui est un cas de vol qui conduit aux températures veine maximales. En phase croisière les températures dans la veine sont relativement plus faibles, ce qui doit permettre une réduction des débits de 35 ventilation et par conséquent une amélioration des performances moteur pour cette phase de vol.
Selon une solution développée par la demanderesse et illustrée par la figure 1, l'air, dont le flux est illustré par le trait fléché Fo, est guidé dans l'espace 40 annulaire longitudinal ménagé entre la paroi interne de la chambre de combustion 10 et l'arbre reliant la turbine HP au compresseur HP. L'air prélevé dans le fond de chambre passe à travers une vanne V montée sur l'enveloppe extérieure de la chambre de combustion qui en règle le débit. L'air est ensuite guidé à l'intérieur d'ailettes statoriques creuses du redresseur 11' formant diffuseur aval du compresseur 11 pour être dirigé le long de la face interne de l'enveloppe interne 101 de la chambre de combustion 10 entre la paroi 101 et le tambour du rotor HP. L'air est introduit dans la cavité ménagée entre le flasque 134 qui porte le joint à labyrinthe et le disque 133 de rotor par l'intermédiaire d'une pluralité d'injecteurs 14 répartis circonférentiellement autour de l'axe.
Cette solution présente cependant l'inconvénient d'être relativement complexe en raison des pales creuses de redresseur à réaliser, du canal à ménager le long de la chambre de combustion et de la vanne à incorporer.
La présente invention a pour objet un circuit d'alimentation en air de ventilation d'un rotor de turbine dans un moteur à turbine à gaz dont le débit est contrôlé en fonction du régime du moteur de façon à limiter la consommation d'air dévié de la fonction de production d'énergie et donc la consommation spécifique du moteur.
L'invention a aussi pour objet la réalisation d'un circuit qui soit simple de mise en oeuvre sans augmenter la masse du moteur.
L'invention a encore pour objectif la réalisation d'un circuit qui présente une grande sécurité de fonctionnement.
Le circuit conforme à l'invention d'alimentation en air de ventilation d'un rotor de turbine dans un moteur à turbine à gaz comprenant une chambre de combustion annulaire comprise dans une enveloppe avec une paroi interne délimitant un canal d'air avec la chambre de combustion, une partie de cet air étant guidé à travers au moins un orifice percée dans ladite paroi et communiquant avec des moyens d'injection dudit air en direction du rotor de turbine pour le ventiler, est caractérisé par le fait que l'orifice est pourvu d'un organe d'obturation partiel à section variable avec un moyen de commande de la section en fonction de la température de l'air de ventilation entre une première section et une seconde section, celle-ci étant supérieure à la première lorsque la température de l'air est supérieure à une valeur déterminée.40 La solution de l'invention présente l'avantage de ne pas modifier de façon substantielle les moyens existants.
Plus particulièrement ledit moyen de commande comprend un alliage à 5 mémoire de forme. Il est apparu que ce moyen est adapté à la situation où l'on doit prévoir un contrôle entre deux cas de fonctionnement seulement.
Conformément à un mode de réalisation avantageux, l'organe d'obturation est en forme de disque métallique avec un perçage, le métal du disque étant 10 à mémoire de forme et agencé de manière à ménager un passage selon ladite première section lorsque la température du métal est inférieure à sa température de transition et à ménager un passage selon ladite seconde section lorsque la température est supérieure à sa température de transition.
15 Avantageusement la température de transition du métal est choisie entre la température de l'air lorsque le moteur est en régime de croisière et la température de l'air lorsque le moteur est à régime maximum au décollage de l'aéronef. .
20 Plus particulièrement on assure le montage de façon simple sur la paroi interne de la chambre avec un organe d'obturation en forme de disque comprenant deux collerettes espacées axialement l'une de l'autre, une sur chaque face du disque, les deux collerettes formant une pince pour le montage sur la paroi de la chambre de combustion. 25 Afin de permettre un fonctionnement garanti même en cas de défaillance des organes d'obturation, une des dites collerettes est crantée, et agencée de façon à céder lorsque le disque est soumis une pression déterminée. Ainsi les orifices sont dégagées dans ce cas assurant un débit d'air de ventilation 30 suffisant quel que soit le régime du moteur.
On prévoit une variante de réalisation de l'organe d'obturation. L'organe d'obturation est en forme de disque avec des découpes en pétales, les pétales étant agencées pour prendre une position écartée du plan du disque 35 lorsque la température de l'air est supérieure à ladite température déterminée.
L'invention s'applique au cas où le circuit comprend un conduit formant injecteur disposé entre la paroi latérale interne de la chambre de 40 combustion et le disque du rotor de turbine. Et plus particulièrement il s'applique à une configuration de moteur où le conduit formant injecteur débouche dans une cavité ménagée entre un flasque porte joint à labyrinthe et le disque du rotor de turbine.
Le déposant entend protéger l'organe d'obturation, en tant que tel, et susceptible d'être utilisé dans un circuit de ventilation selon les réalisation précédentes, en forme de disque avec une section de passage variable, le disque étant réalisé en métal à mémoire de forme de telle manière que la section de passage est ouverte ou réduite selon que la température du métal est supérieure ou inférieure à sa température de transition.
Notamment l'organe d'obturation comprend deux collerettes, une sur chaque face du disque formant pince de fixation. Le cas échéant une des deux collerettes a une forme crantée de manière à céder à une pression déterminée.
On décrit maintenant l'invention plus en détail en référence aux dessins annexés sur lesquels. La figure 1 représente une solution de circuit d'alimentation en air de ventilation selon un art antérieur du déposant, La figure 2 représente le circuit d'air de ventilation selon la présente invention, La figure 3 montre en détail la partie du circuit formant injecteur, La figure 4 représente en demi perspective un premier mode de réalisation d'un obturateur conforme à l'invention, Les figures 5, 6 et 7 représentent en coupe selon un plan diamétral perpendiculaire à son axe, l'obturateur monté sur la paroi de la chambre de combustion, selon trois configurations de fonctionnement du moteur, La figure 8 montre la mise en forme de l'obturateur pour le montage sur la paroi, La figure 9 montre, vu de dessus, un second mode de réalisation de l'obturateur conforme à l'invention, Les figures 10 et 11 montrent en coupe deux configurations de l'obturateur de la figure 9 pendant le fonctionnement du moteur.
Sur la figure 2, on a représenté partiellement un moteur à turbine à gaz avec une chambre de combustion annulaire 10 alimentée par le compresseur 11. L'air est mélangé au carburant fourni par les injecteurs 12 puis le mélange est brûlé en aval dans la zone de combustion primaire de la chambre. De l'air est ensuite introduit par les orifices latéraux ménagés dans les parois de la chambre pour réduire la température des gaz de combustion admis en aval dans la section de turbine 13, comprenant une roue de distributeurs fixes 131 et un rotor de turbine 132, à un niveau acceptable pour les matériaux constituant ces pièces. Afin de réduire les effets des gaz chauds moteurs sur la section de turbine on prévoit une circulation d'air, à une température inférieure à ceux-ci, en surface du rotor et des aubes de distributeur de la section de turbine HP. Cet air selon la réalisation représentée est prélevé en amont de la chambre 10 sur le débit issu du diffuseur après le compresseur 11. Sa trajectoire est représentée par le trait gras fléché. L'air circule le long de l'enveloppe interne 101 de la chambre, entre la chambre et celle-ci, puis est admis dans les injecteurs 14 d'air de ventilation de la section 13 de turbine HP. Ces injecteurs assurent la distribution d'un flux d'air dans une cavité ménagée entre le disque 133 du rotor de turbine et un flasque 134 rapporté sur ce dernier. Le flasque 134 a également pour fonction de participer à l'étanchéité entre le stator aval de la chambre et le rotor de turbine. Cette étanchéité est réalisée au moyen d'un joint à labyrinthe 135. Le flasque 134 supporte des léchettes en forme de lames radiales disposées perpendiculairement à l'axe du moteur. Ces léchettes coopèrent avec des anneaux en matériau abradable fixés sur le stator en vis-à-vis des lames du joint comme cela est connu. Une fois dans la cavité, l'air de ventilation balaye notamment la surface du disque du rotor et les différentes parties à conditionner telles que les attaches et les pales des aubes de turbine.
Les injecteurs 14 forment une pièce annulaire ménageant entre deux parois concentriques 141 et 142 un canal ouvert communiquant avec l'espace annulaire intérieur de la chambre 10 par des ouvertures 101' pratiquées dans la paroi de l'enveloppe interne 101.
Comme cela l'a été expliqué plus haut, on réduit la consommation spécifique du moteur en contrôlant le débit d'air de ventilation du rotor de turbine. Conformément à l'invention on place un organe 20 d'obturation partielle dans une partie au moins des orifices 101'.
Un obturateur 20 est représenté en coupe dans un plan diamétral passant par son axe, sur la figure 4. Il est constitué d'un disque 21 percé en son centre d'un orifice 22. Il comprend une première collerette 23 sur la face en position inférieure sur la figure et une seconde collerette 24 sur la face en position supérieure. Cette seconde collerette 24 est crantée. L'obturateur est en métal, un alliage à mémoire de forme. Le métal a été déterminé de telle façon que lorsque la température est inférieure à une température correspondant à sa température de transition il conserve une forme donnée. Lorsque sa température dépasse sa température de transition il reprend la forme qui lui avait été donnée. Ici on lui donne une forme avec une première section de l'orifice 22 lorsque sa température est inférieure à la température de transition de l'alliage et une seconde forme avec un orifice 22 ayant la seconde section lorsque la température est supérieure à cette température. La seconde section est supérieure à la première section.
Sur la figure 5 l'obturateur 20 est en place sur la paroi 101 d'une chambre de combustion dont il obture partiellement l'orifice 101'. L'orifice 22 est donc susceptible de prendre deux formes avec respectivement une première section 221 comme cela est représenté sur la figure 5 et une seconde section 222, comme cela est représenté sur la figure 6, supérieure à la première 221. La forme crantée de la collerette 24 a pour fonction de permettre la déformation du disque sous l'effet de la pression en cas de dysfonctionnement de l'alliage à mémoire de forme. On voit sur la figure 7 comment l'obturateur 20 est déformé en raison de la différence de pression régnant de part et d'autre de la paroi 101 quand le moteur fonctionne à plein régime. Dans ce cas la pression fournie par le compresseur alimentant la chambre de combustion augmente sensiblement, et la pièce est dimensionnée pour se déformer à ce moment et être évacuée en aval dans une chambre aménagée pour la réceptionner. Le moteur fonctionne alors comme dans les configurations de l'art antérieur avec une consommation spécifique dégradée.
La figure 8 montre la mise en forme de la pièce pour en permettre le montage dans la paroi 101. On utilise les propriétés superélastiques du métal quand il est à une température inférieure à sa température de transition. On glisse le disque dans l'orifice 101' de la paroi et avec un outil approprié on rabat les deux collerettes 23 et 24 sur les deux faces opposées de la paroi 101.
On a représenté sur la figure 9 une variante 20' de réalisation de l'obturateur. Il est en forme de disque 21' avec une première et une seconde collerettes 23' et 24' sur les deux faces. Il diffère du mode de réalisation précédent par la découpe de pétales 25', cinq sur la figure ménageant entre eux un orifice 22'. Le disque est toujours réalisé en alliage à mémoire de forme Sur les figures 10 et 11 on voit les deux configurations. La première, figure 10 correspond à un fonctionnement en régime de croisière du moteur.
L'orifice 22' a une section minimale 22'1 pour un débit contrôlé de l'air de ventilation. La seconde configuration correspond au fonctionnement du moteur à plein régime, au décollage de l'aéronef. La section 22'2 est supérieure pour admettre un débit d'air de ventilation supérieur.
Cette seconde solution présente un avantage par rapport à la solution précédente dans la mesure où en cas de dysfonctionnement de l'alliage on peut prévoir de laisser les pétales ouverts. Il n'est pas nécessaire dans ce cas de prévoir un moyen pour réceptionner les obturateurs défaillants.
Les ordres de grandeurs pour les températures et les pressions sont, En phase de vol de croisière : Température de l'air de ventilation, 450 C ; Pression de l'air fourni par le compresseur alimentant la chambre de combustion, 11 bars.
En phase de décollage : Température, 550 C Pression au sortir du compresseur alimentant la chambre de combustion, 28 bars.
Claims (15)
1. Circuit d'alimentation en air de ventilation d'un rotor de turbine dans un moteur à turbine à gaz comprenant une chambre de combustion annulaire comprise dans une enveloppe avec une paroi (101) interne délimitant un canal d'air avec la chambre de combustion, une partie de cet air étant guidé à travers au moins un orifice (101') percé dans ladite paroi et communiquant avec des moyens d'injection dudit air en direction du rotor de turbine pour le ventiler, caractérisé par le fait que l'orifice est pourvu d'un organe (20 ; 20') d'obturation partiel à section variable avec un moyen de commande de la section en fonction de la température de l'air de ventilation entre une première section et une deuxième section, l'une étant supérieure à l'autre lorsque la température de l'air est supérieure à une valeur déterminée.
2. Circuit selon la revendication précédente dont ledit moyen de commande comprend un alliage à mémoire de forme.
3. Circuit selon la revendication précédente, dont l'organe d'obturation est en forme de disque (21 ; 21') métallique avec un perçage (22 ; 22'), le métal du disque étant à mémoire de forme et agencé de manière à ménager un passage selon ladite première section lorsque la température du métal est inférieure à sa température de transition et à ménager un passage selon ladite seconde section lorsque la température est supérieure à sa température de transition.
4. Circuit selon la revendication précédente dont la température de transition du métal est choisie entre la température de l'air lorsque le moteur est en régime de croisière et la température de l'air lorsque le moteur est à régime maximum au décollage de l'aéronef .
5. Circuit selon l'une des revendications précédentes dont l'organe (20 ; 20') d'obturation en forme de disque comprend deux collerettes (23, 24 ; 23', 24') espacées axialement l'une de l'autre, une sur chaque face du disque, les deux collerettes formant une pince pour le montage sur la paroi (101) de la chambre de combustion.
6. Circuit selon la revendication précédente dont une (24) des dites collerettes est crantée, et agencée de façon à céder lorsque le disque 5 est soumis une pression déterminée.
7. Circuit selon l'une des revendications 1 à 4 dont l'organe (20') d'obturation est en forme de disque avec des découpes en pétales (25'), les pétales étant agencées pour prendre une position écartée du 10 plan du disque lorsque la température de l'air est supérieure à ladite température déterminée.
8. Circuit selon la revendication 1, dont le circuit comprend un conduit formant injecteur disposé entre la paroi latérale interne de la chambre 15 de combustion et le disque du rotor de turbine.
9. Circuit selon la revendication précédente dont le conduit formant injecteur débouche dans une cavité ménagée entre un flasque porte joint à labyrinthe et le disque du rotor de turbine. 20
10. Organe d'obturation susceptible d'être utilisé dans un circuit de ventilation selon l'une des revendications 1 à 9 en forme de disque avec une section (22, 22') de passage variable, le disque étant réalisé en métal à mémoire de forme de telle manière que la section de 25 passage est ouverte ou réduite selon que la température du métal est supérieure ou inférieure à sa température de transition,
11. Organe d'obturation selon la revendication précédente comprenant deux collerettes (23, 24, 23', 24) une sur chaque face du disque 30 formant pince de fixation.
12. Organe d'obturation selon la revendication précédente dont une (24) des deux collerettes a une forme crantée de manière à céder à une pression déterminée.
13. Organe d'obturation selon la revendication 10 ou 11 dont l'orifice (22') est formé par des éléments en forme de pétales (25').
14. Carter de chambre de combustion, équipé d'au moins un organe 40 d'obturation selon l'une des revendications 10 à 13. 35
15. Moteur à turbine à gaz comportant au moins un organe d'obturation selon l'une des revendications 10 à 13.
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