FR2961249A1

FR2961249A1 - Axial cells cooling device for rotor disk of low pressure turbine of turbomachine, has rotor disk whose annular shell is provided with ventilation orifices emerging from air diffusion cavity to supply cooling air to air diffusion cavity

Info

Publication number: FR2961249A1
Application number: FR1054590A
Authority: FR
Inventors: Chantal Gisele Giot; Goff Stevan Le; Paul Rodrigues; Bruno Andre Jean Varin
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2011-12-16
Anticipated expiration: 2030-06-10
Also published as: FR2961249B1

Abstract

The device has a rotor disk (20) whose axial cells (18) receive roots of blades. An annular shell (22) of the disk is extended toward upstream from an upstream side face of the disk. An annular flange (30) maintains the blades, and is arranged around the annular shell of the disk by arranging an annular space (32) with the disk. The annular shell of the disk is provided with ventilation orifices (48) emerging from an air diffusion cavity to supply cooling air to the air diffusion cavity that emerges from the axial cells of the disk at upstream ends for cooling the cells.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général du refroidissement d'un disque de rotor de turbomachine. Elle vise plus précisément un dispositif permettant de refroidir les alvéoles d'un tel disque dans lesquelles sont montées des aubes. L'un des domaines d'application de l'invention est celui des turbines basse-pression de turbomachines aéronautiques du type à double corps et double flux. Chaque étage de la turbine basse-pression d'une turbomachine se compose d'un distributeur formé d'une pluralité d'aubes fixes disposées dans une veine d'écoulement et d'une roue mobile placée derrière le distributeur et formée d'une pluralité d'aubes mobiles également disposées dans la veine d'écoulement et montées par leur pied dans des alvéoles d'un disque de rotor. Les disques de rotor de la turbine sont généralement assemblés entre eux au moyen de viroles qui sont fixées entre elles par des liaisons boulonnées traversant des brides de fixation. Pendant le fonctionnement, la veine d'écoulement de la turbine basse-pression est traversée par des gaz dont la température est très élevée. Pour éviter d'endommager les disques de rotor et les aubes montées sur ceux-ci, il est connu de refroidir ces pièces en faisant cheminer de l'air frais dans les alvéoles des disques de rotor. A cet effet, l'une des solutions connues consiste à prélever de l'air plus frais (par exemple dans le compresseur haute-pression de la turbomachine) pour l'acheminer via un circuit de refroidissement jusqu'aux alvéoles des disques de rotor. En pratique, pour chaque disque de rotor, les alvéoles sont ventilées par de l'air provenant d'une cavité de diffusion d'air formée entre une virole du disque et un flasque de maintien des aubes monté contre cette virole. Cette cavité de diffusion est alimentée en air frais provenant du compresseur en passant par des encoches ménagées dans la bride de fixation de la virole du disque entre les liaisons boulonnées. L'air vient ventiler les alvéoles du disque de rotor pour le refroidir en circulant axialement dans celles-ci de l'amont vers l'aval puis est évacué dans la veine d'écoulement de la turbine. On pourra se référer au document EP 2,009,235 qui décrit un exemple d'un tel circuit de refroidissement. BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to the general field of cooling a turbomachine rotor disk. It is more specifically a device for cooling the cells of such a disk in which blades are mounted. One of the fields of application of the invention is that of low-pressure turbine turbomachines aerospace dual body type and dual flow. Each stage of the low-pressure turbine of a turbomachine consists of a distributor formed of a plurality of fixed blades arranged in a flow vein and a mobile wheel placed behind the distributor and formed of a plurality mobile blades also arranged in the flow passage and mounted by their foot in cells of a rotor disk. The rotor discs of the turbine are generally assembled together by means of ferrules which are fixed together by bolted connections passing through fixing flanges. During operation, the flow path of the low-pressure turbine is traversed by gases whose temperature is very high. To avoid damaging the rotor disks and vanes mounted thereon, it is known to cool these parts by routing fresh air into the cells of the rotor disks. For this purpose, one of the known solutions is to take cooler air (for example in the high-pressure compressor of the turbomachine) to route it via a cooling circuit to the cells of the rotor disks. In practice, for each rotor disk, the cells are ventilated by air coming from an air diffusion cavity formed between a ferrule of the disk and a flange holding the blades mounted against this ferrule. This diffusion cavity is supplied with fresh air from the compressor through notches in the flange for fixing the ferrule of the disc between the bolted connections. The air comes to ventilate the cells of the rotor disk to cool by moving axially in them from upstream to downstream and is discharged into the flow of the turbine. Reference can be made to EP 2,009,235 which describes an example of such a cooling circuit.

Or, ce type de circuit de refroidissement n'est pas applicable à toutes les turbines basse-pression existantes. En particulier, pour des raisons de gain de masse, certaines turbines basse-pression présentent des assemblages de deux (ou plus) disques de rotor dans lesquels les viroles respectives de ces disques sont fixées entre elles par simple soudure. Il est également possible de fabriquer cet assemblage de plusieurs disques de rotor en une seule et même pièce. Aussi, les disques de rotor d'un tel assemblage sont dépourvus de brides de fixation et de flasque de maintien de sorte que la mise en oeuvre d'un circuit de refroidissement tel que celui décrit précédemment n'est pas possible. However, this type of cooling circuit is not applicable to all existing low-pressure turbines. In particular, for reasons of weight gain, some low-pressure turbines have assemblies of two (or more) rotor discs in which the respective ferrules of these discs are fixed together by simple welding. It is also possible to manufacture this assembly of several rotor disks in one and the same room. Also, the rotor disks of such an assembly are devoid of fixing flanges and retaining flange so that the implementation of a cooling circuit such as that described above is not possible.

Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un dispositif de refroidissement des alvéoles d'un disque de rotor qui s'applique à ce type particulier de turbine. Ce but est atteint grâce à un dispositif de refroidissement des alvéoles d'un disque de rotor de turbomachine, comprenant : un disque de rotor comprenant : à sa périphérie, une pluralité d'alvéoles axiales ouvertes vers l'extérieur et destinées à recevoir chacune le pied d'une aube, et une virole annulaire qui s'étend vers l'amont depuis une face latérale amont du disque, ladite virole ayant un épaulement annulaire extérieur espacé axialement de la face latérale amont du disque et muni à son extrémité libre de dents formant crabot, un flasque annulaire de maintien des aubes disposé autour de la virole du disque en ménageant avec celle-ci un espace annulaire formant une cavité de diffusion d'air, ledit flasque comprenant : un épaulement annulaire extérieur monté en appui contre la face latérale amont du disque, et un épaulement annulaire intérieur muni de dents formant crabot coopérant axialement avec les dents de l'épaulement extérieur de la virole du disque ; la virole du disque étant percée par des orifices de ventilation débouchant dans la cavité de diffusion d'air pour l'alimenter en air de refroidissement, ladite cavité de diffusion d'air débouchant dans les alvéoles du disque à leur extrémité amont pour les refroidir. OBJECT AND SUMMARY OF THE INVENTION The main purpose of the present invention is thus to overcome such drawbacks by proposing a device for cooling the cells of a rotor disk that applies to this particular type of turbine. This object is achieved by means of a device for cooling the cells of a turbomachine rotor disk, comprising: a rotor disk comprising: at its periphery, a plurality of axial cells open towards the outside and intended to receive each the foot of a blade, and an annular ferrule extending upstream from an upstream side face of the disk, said ferrule having an outer annular shoulder axially spaced from the upstream lateral face of the disk and provided at its free end teeth forming a dog, an annular flange for holding the blades arranged around the ferrule of the disc by providing therewith an annular space forming an air diffusion cavity, said flange comprising: an outer annular shoulder mounted in abutment against the lateral face upstream of the disc, and an inner annular shoulder provided with teeth forming clutch cooperating axially with the teeth of the outer shoulder of the ferrule of the di sque; the ferrule of the disk being pierced by ventilation orifices opening into the air diffusion cavity for supplying cooling air, said air diffusion cavity opening into the cavities of the disk at their upstream end to cool them.

Un tel dispositif de refroidissement est remarquable en ce qu'il ne nécessite pas la présence de brides de fixation traversée par des liaisons boulonnées pour former un assemblage avec un autre disque de rotor. En particulier, la virole du disque de rotor de ce dispositif de refroidissement peut être reliée par simple soudure à la virole d'un autre disque de rotor placé devant. De préférence, le flasque de maintien des aubes comprend une bride axiale frettée sur une bride axiale correspondante de la virole du disque. De la sorte, le flasque de maintien est maintenu sur la virole du disque, d'une part radialement par frettage de sa bride axiale sur celle de la virole du disque, et d'autre part axialement par crabotage entre sa bride intérieure et la bride extérieure de la virole du disque. De préférence encore, le flasque de maintien des aubes porte des léchettes radiales d'étanchéité destinées à coopérer avec la surface annulaire interne d'un distributeur disposé en amont du disque de rotor. L'invention concerne également un étage de turbine basse-pression d'une turbomachine et une turbomachine comprenant un dispositif de refroidissement tel que défini précédemment. Such a cooling device is remarkable in that it does not require the presence of fastening flanges traversed by bolted connections to form an assembly with another rotor disc. In particular, the shell of the rotor disc of this cooling device can be connected by simple welding to the ferrule of another rotor disc placed in front. Preferably, the flange holding the blades comprises an axial flange engaged on a corresponding axial flange of the ferrule of the disc. In this way, the holding flange is held on the ferrule of the disc, firstly radially by shrinking of its axial flange to that of the ferrule of the disc, and secondly axially by interconnection between its inner flange and the flange. outer shell of the disc. More preferably, the blade holding flange carries radial sealing wipers for cooperating with the inner annular surface of a distributor disposed upstream of the rotor disk. The invention also relates to a low-pressure turbine stage of a turbomachine and a turbomachine comprising a cooling device as defined above.

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une turbine basse-pression montrant l'emplacement du dispositif de refroidissement selon l'invention ; et - la figure 2 représente un dispositif de refroidissement selon l'invention. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other features and advantages of the present invention will emerge from the description given below, with reference to the accompanying drawings which illustrate an embodiment having no limiting character. In the figures: - Figure 1 is a longitudinal sectional view of a low-pressure turbine showing the location of the cooling device according to the invention; and - Figure 2 shows a cooling device according to the invention.

Description détaillée d'un mode de réalisation L'invention est applicable à différents types d'ensembles rotatifs d'une turbomachine, et notamment à une turbine basse-pression d'une turbomachine aéronautique du type à double corps et double flux, telle que celle représentée partiellement sur la figure 1. DETAILED DESCRIPTION OF ONE EMBODIMENT The invention is applicable to various types of rotating assemblies of a turbomachine, and in particular to a low-pressure turbine of an aerospace turbine engine of the double-body and dual-flow type, such as that partially shown in FIG.

La turbine basse-pression 10 comprend notamment une pluralité d'étages successifs centrés sur un axe longitudinal X-X de la turbomachine (seuls les trois premiers étages sont représentés sur la figure 1). Chacun de ces étages se compose d'un distributeur formé d'une pluralité d'aubes fixes 12 disposées dans une veine d'écoulement 14 et d'une roue mobile placée derrière le distributeur et formée d'une pluralité d'aubes mobiles 16 également disposées dans la veine d'écoulement 14 et montées par leur pied dans des alvéoles 18 d'un disque de rotor 20. Les disques de rotor 20 de la turbine basse-pression sont centrés sur l'axe longitudinal X-X. Ils peuvent être dépourvus de « poireau » comme représenté sur les figures ou bien en posséder un. Chacun d'entre eux comprend une virole annulaire amont 22 qui s'étend vers l'amont depuis une face latérale amont du disque et une virole annulaire aval 24 qui s'étend vers l'aval depuis une face latérale aval du disque. Les disques sont assemblés entre eux au moyen de ces viroles 22, 24. Plus précisément, le disque du deuxième étage de la turbine est relié au disque du premier étage par un cordon de soudure 25 entre les extrémités libres de leur virole amont et aval, respectivement. The low-pressure turbine 10 comprises in particular a plurality of successive stages centered on a longitudinal axis X-X of the turbomachine (only the first three stages are shown in FIG. 1). Each of these stages consists of a distributor formed of a plurality of fixed blades 12 arranged in a flow channel 14 and a mobile wheel placed behind the distributor and formed of a plurality of blades 16 also disposed in the flow channel 14 and mounted by their foot in cells 18 of a rotor disk 20. The rotor discs 20 of the low-pressure turbine are centered on the longitudinal axis XX. They may be devoid of "leek" as shown in the figures or have one. Each of them comprises an upstream annular ferrule 22 which extends upstream from an upstream side face of the disk and a downstream annular ferrule 24 which extends downstream from a downstream lateral face of the disk. The discs are assembled together by means of these ferrules 22, 24. More specifically, the disc of the second stage of the turbine is connected to the first stage disc by a weld bead 25 between the free ends of their ferrule upstream and downstream, respectively.

Alternativement, cet assemblage entre ces deux disques aurait pu être réalisé en fabriquant les disques et leurs viroles en une seule et même pièce. Quant au disque du troisième étage de la turbine, il est relié au disque du deuxième étage par des liaisons boulonnées 26 entre leur virole amont et aval, respectivement. Alternatively, this assembly between these two disks could have been achieved by manufacturing the disks and their shells in one and the same piece. As for the disk of the third stage of the turbine, it is connected to the disk of the second stage by bolted connections 26 between their upstream and downstream ferrule, respectively.

La turbine basse-pression comprend également un arbre de rotor (non représenté sur les figures) centré sur l'axe longitudinal X-X et logé à l'intérieur des disques de rotor 20. Cet arbre de rotor est également relié à l'assemblage des trois disques, par exemple au moyen d'une bride boulonnée, de façon à les entraîner en rotation. The low-pressure turbine also comprises a rotor shaft (not shown in the figures) centered on the longitudinal axis XX and housed inside the rotor discs 20. This rotor shaft is also connected to the assembly of the three disks, for example by means of a bolted flange, so as to drive them in rotation.

De façon connue, de l'air frais est prélevé dans la veine d'écoulement du flux gazeux traversant la turbomachine en amont de la turbine basse-pression, par exemple au niveau d'un étage du compresseur haute-pression (non représenté) de celle-ci. Cet air chemine jusqu'à une cavité annulaire 28 formée à l'intérieur des disques de rotor. In known manner, fresh air is taken from the flow stream of the gas stream passing through the turbomachine upstream of the low-pressure turbine, for example at a stage of the high-pressure compressor (not shown) of it. This air travels to an annular cavity 28 formed inside the rotor disks.

Cet air est destiné à venir ventiler les alvéoles des disques des différents étages de la turbine pour les refroidir. La figure 2 illustre de façon plus précise comment cet air permet de ventiler les alvéoles du disque de rotor appartenant au deuxième étage de la turbine. Un flasque annulaire 30 de maintien des aubes centré sur l'axe longitudinal X-X est disposé autour de la virole amont 22 du disque en ménageant avec celle-ci un espace annulaire formant une cavité de diffusion d'air 32. Au niveau de son extrémité aval, ce flasque comprend un épaulement annulaire extérieur 34 (c'est-à-dire qui s'étend radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe longitudinal X-X) qui est monté en appui contre la face latérale amont du disque. Cet épaulement extérieur permet d'assurer une rétention axiale des pieds des aubes montées dans les alvéoles 18 du disque. Le flasque comprend également un épaulement annulaire intérieur 36 (c'est-à-dire qui s'étend radialement vers l'intérieur par rapport à l'axe longitudinal X-X) espacé axialement vers l'amont par rapport à l'épaulement extérieur 34. Cet épaulement intérieur est muni à son extrémité libre de dents 38 formant un crabot. De plus, la virole amont 22 du disque de rotor 20 comprend un épaulement annulaire extérieur 40 espacé axialement de la face latérale amont du disque et muni à son extrémité libre de dents 42 formant un crabot. Les dents 38 de l'épaulement intérieur 36 du flasque de maintien des aubes coopèrent axialement avec les dents 42 de l'épaulement extérieur 40 de la virole amont du disque de rotor pour assurer par crabotage un maintien axial du flasque 30 sur la virole amont 22 du disque. Le maintien radial de ce même flasque sur la virole amont du disque est assuré au moyen d'une bride axiale 44 formée à l'extrémité amont du flasque et frettée sur une bride axiale 46 correspondante de la virole amont du disque. La cavité de diffusion d'air 32 délimitée radialement entre la virole amont 22 du disque et le flasque 30 de maintien des aubes débouche dans les alvéoles 18 du disque à l'extrémité amont de celles-ci. Elle est alimentée en air provenant de la cavité 28 formée à l'intérieur des disques de rotor par l'intermédiaire d'orifices de ventilation 48 percés dans la virole amont 22 du disque et débouchant dans cette cavité de diffusion d'air. De la sorte, l'air frais présent dans la cavité 28 formée à l'intérieur des disques de rotor alimente la cavité de diffusion d'air 32 en empruntant ces orifices de ventilation 48 puis se diffuse dans chaque alvéole 18 du disque de rotor pour les ventiler. De façon avantageuse, le flasque 30 de maintien des aubes porte des léchettes radiales d'étanchéité 50 qui sont destinées à coopérer avec la surface annulaire interne 52 du distributeur du deuxième étage de la turbine qui est disposé en amont du disque de rotor. On notera que le flasque de maintien des aubes est une pièce annulaire de 360° afin d'assurer une étanchéité de la cavité de diffusion d'air. Par ailleurs, afin de permettre son montage, le flasque de maintien des aubes doit posséder un diamètre intérieur supérieur aux diamètres extérieurs des disques de rotor des étages inférieurs de la turbine. This air is intended to ventilate the cells of the disks of the different stages of the turbine to cool them. Figure 2 illustrates more precisely how this air can ventilate the cells of the rotor disc belonging to the second stage of the turbine. An annular flange 30 holding the blades centered on the longitudinal axis XX is disposed around the upstream shell 22 of the disk by providing therewith an annular space forming an air diffusion cavity 32. At its downstream end , this flange comprises an outer annular shoulder 34 (that is to say which extends radially outwardly relative to the longitudinal axis XX) which is mounted in abutment against the upstream side face of the disc. This outer shoulder makes it possible to ensure axial retention of the blade roots mounted in the cavities 18 of the disk. The flange also comprises an inner annular shoulder 36 (that is to say which extends radially inwardly relative to the longitudinal axis XX) axially spaced upstream with respect to the outer shoulder 34. This inner shoulder is provided at its free end teeth 38 forming a dog. In addition, the upstream collar 22 of the rotor disk 20 comprises an outer annular shoulder 40 spaced axially from the upstream side face of the disk and provided at its free end teeth 42 forming a clutch. The teeth 38 of the inner shoulder 36 of the blade holding flange cooperate axially with the teeth 42 of the outer shoulder 40 of the upstream ferrule of the rotor disk to ensure by interconnection an axial retention of the flange 30 on the upstream ferrule 22. of the disc. The radial retention of the same flange on the upstream ferrule of the disk is provided by means of an axial flange 44 formed at the upstream end of the flange and fretted on a corresponding axial flange 46 of the upstream ferrule of the disk. The air diffusion cavity 32 delimited radially between the upstream shell 22 of the disk and the flange 30 holding the blades opens into the cells 18 of the disk at the upstream end thereof. It is supplied with air coming from the cavity 28 formed inside the rotor disks via ventilation orifices 48 drilled in the upstream ferrule 22 of the disk and opening into this air diffusion cavity. In this way, the fresh air present in the cavity 28 formed inside the rotor discs feeds the air diffusion cavity 32 by passing through these ventilation holes 48 and then diffuses into each cell 18 of the rotor disc for ventilate them. Advantageously, the blade holding flange 30 carries radial sealing wipers 50 which are intended to cooperate with the inner annular surface 52 of the distributor of the second stage of the turbine which is arranged upstream of the rotor disc. Note that the blade holding flange is an annular piece of 360 ° to ensure sealing of the air diffusion cavity. Furthermore, to allow its mounting, the blade holding flange must have an inner diameter greater than the outer diameters of the rotor discs of the lower stages of the turbine.

Claims

REVENDICATIONS1. Device for cooling the cells of a turbomachine rotor disk, comprising: a rotor disc (20) comprising: at its periphery, a plurality of axial cells (18) open towards the outside and intended to receive each foot a blade (16), and an annular shell (22) extending upstream from an upstream side face of the disk, said shell having an outer annular shoulder (40) axially spaced from the upstream side face of the disk and provided at its free end with teeth (42) forming a clutch, an annular flange (30) for holding the vanes disposed around the ferrule of the disc by providing therewith an annular space (32) forming a diffusion cavity of air, said flange comprising: an outer annular shoulder (34) mounted in abutment against the upstream lateral face of the disc, and an inner annular shoulder (36) provided with teeth (38) forming a clutch cooperating axially with the teeth of the outer shoulder; the disc shell; the ferrule of the disc being pierced by ventilation orifices (48) opening into the air-diffusion cavity for supplying cooling air, said air-diffusion cavity opening into the cavities of the disc at their upstream end for cool them.

2. Device according to claim 1, wherein the flange (30) for holding the blades comprises an axial flange (44) shrunk on a corresponding axial flange (46) of the ferrule (22) of the disc.

3. Device according to one of claims 1 and 2, wherein the flange (30) for holding the blades carries radial sealing wipers (50) intended to cooperate with the inner annular surface (52) of a dispenser arranged upstream of the rotor disk.

4. Low pressure turbine stage of a turbomachine comprising a cooling device according to any one of claims 1 to 3. Turbomachine comprising a cooling device according to any one of claims 1 to 3.