FR2966200A1

FR2966200A1 - Architecture de turbine a gaz, en particulier de turbomoteur, sans palier dans la zone inter-turbines

Info

Publication number: FR2966200A1
Application number: FR1058333A
Authority: FR
Inventors: David Cazaux; Sylvain Pierre Votie; Olivier Bedrine; Monique Fos
Original assignee: Turbomeca SA
Current assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Priority date: 2010-10-13
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2012-04-20
Anticipated expiration: 2030-10-13
Also published as: FR2966200B1

Abstract

L'invention propose une architecture de turbine à gaz permettant de s'affranchir de la présence de palier inter-turbines à proximité de la chambre de combustion. Pour ce faire, l'invention prévoit de former une liaison inter-arbres en aval de la turbine basse pression BP. Une telle architecture de turbine à gaz est sans palier inter-turbines dans un espace (E0) située entre une turbine haute pression HP (16) et la turbine BP (20). La turbine HP (16) comporte un disque (160) monté sur un arbre HP (17) apte à entraîner un compresseur amont (12) et la turbine BP (20) comporte également un disque (201) monté sur un arbre BP (21) apte à fournir de la puissance. Les arbres sont coaxiaux le long d'un axe central (X'X), d'amont en aval, les arbres HP (17) et BP (21) étant maintenus axialement respectivement par des roulements avant (R3 ; R1 et arrière (R4 ; R2 ; R21, R22) en appui sur des éléments de structure. Une unique liaison de centrage est réalisée en aval de la turbine BP (20) entre les arbres HP (17) et BP (21) par un palier arrière (5), formé sur une extrémité d'arbre HP (17a) et une portion d'arbre BP (21) constituant une paroi de support externe (210) et dans lequel est monté le roulement arrière (R4) de l'arbre HP (17).

Description

ARCHITECTURE DE TURBINE A GAZ, EN PARTICULIER DE TURBOMOTEUR, SANS PALIER DANS LA ZONE INTER-TURBINES DOMAINE TECHNIQUE [0001]L'invention concerne une architecture de turbine à gaz - en particulier de turbomoteur mono-corps - sans palier inter-turbines, c'est-à-dire sans palier dans une zone située entre le générateur de gaz et la turbine de puissance, en particulier une turbine libre (TL) d'entraînement des charges utiles, par exemple un rotor d'hélicoptère. Traditionnellement, le générateur de gaz comporte au moins un compresseur et une turbine couplés en rotation. [0002] La présente invention se rapporte au domaine des turbines à gaz et notamment celui des turbomoteurs et des turbopropulseurs, pour des aéronefs tels que des hélicoptères, des avions et autre application industrielle de ce type de moteur. [0003] Le turbomoteur mono-corps possède une zone inter-turbines unique entre le générateur de gaz et la turbine de puissance TL qui fournit la puissance disponible d'entraînement sur un arbre indépendant. L'architecture selon l'invention peut également s'appliquer aux turboréacteurs double corps. La terminologie « turbine TL » peut dans ce cadre être généralisée en « turbine BP ». [0004]Afin de mieux visualiser ce type de structure, la figure 1 illustre schématiquement un exemple d'architecture classique de turbomoteur mono-corps selon l'axe central X'X, d'amont en aval. Cette architecture se compose d'un générateur de gaz 10 - formant la chaîne : compression (compresseur centrifuge HP 12), combustion (chambre de combustion 14) et détente (turbine HP 16) - et d'une turbine libre 20. Un arbre HP 17 permet à la turbine HP 16 d'entraîner le compresseur 12. Un arbre traversant 21 (ou arbre de turbine libre TL) permet de disposer en amont de la puissance fournie par la turbine TL, pour entraîner les charges utiles à partir de réducteurs 22. [0005] Deux zones d'huile sont alors créées : une zone amont Z1 comportant les roulements avant R1 de l'arbre TL 21 et le roulement de butée amont R3 de l'arbre HP 17 et une zone d'huile aval Z2 dans un espace inter-turbines E0. Cet espace EO est plus précisément défini ici comme un ensemble comprenant : les roulements arrière R4 de l'arbre HP 17, R2 de la turbine TL 20, ainsi qu'un support 41 de palier inter-turbines 40 équipé de bras 42 et traversé par les tuyauteries d'alimentation et de récupération d'huile 30. ETAT DE LA TECHNIQUE [0006]Ce type d'architecture présente de nombreux inconvénients du fait de la proximité de la chambre de combustion au palier inter-turbines: - un risque de cokéfaction du palier et des tuyauteries avec des températures supérieures à 600°C dans la zone inter-turbines; - une étanchéité difficile et une tenue mécanique réduite pour les tuyauteries ; - la présence nécessaire de bras structuraux du palier perturbe l'écoulement dans la veine et donc impacte le rendement ; de plus, la durée de vie du support est limitée, ce qui augmente les coûts de maintenance ; - la température élevée à proximité des roulements des paliers diminue sensiblement leur fiabilité ; - des fuites au niveau des étanchéités dynamiques du palier peuvent entraîner une surconsommation d'huile et donc limiter les attitudes de vol ; - le bilan thermique défavorable du palier nécessite de surdimensionner le système de refroidissement, ce qui entraîne des coûts ; - une plus grande complexité du support palier qui doit être refroidi dans le cas d'utilisation de pales HP refroidies afin de tenir les températures extrêmes ; - une zone inter-turbines peu accueillante pour recevoir des éléments de contrôle, par exemple un capteur de survitesse du fait des températures élevées et de l'encombrement. [0007]Diverses solutions ont été proposées pour supprimer le palier inter- turbines. Il est ainsi connu de supprimer le palier inter-turbines en déplaçant le palier arrière R4 du générateur de gaz 10 en amont, sous la chambre de combustion 14, et en déplaçant le palier arrière R2 de la turbine TL en aval, dans le moyeu de la tuyère d'éjection. Une telle approche soulève de nouvelles contraintes : la présence d'une zone d'huile supplémentaire en aval, un positionnement de la turbine HP en porte-à-faux et des pièces de structure complexes, à savoir le redresseur du compresseur centrifuge 12 et un support de palier arrière de turbine dans la tuyère. [0008]Selon une autre solution, un palier inter-arbre arrière - entre l'arbre HP et l'arbre TL ou plus généralement l'arbre BP - est formé plus en aval, sous le moyeu du disque BP, afin d'échapper aux températures élevées de la chambre de combustion. Cependant, ce palier inter-arbre étant intégré sous disque, le diamètre de la veine aérodynamique d'éjection est augmenté d'autant, ce qui accroit la masse et l'encombrement. De plus, cette localisation peut créer un couplage entre les rotors qui impactent les déplacements en tête de pales du rotor HP lorsque des efforts (balourd, manoeuvres, etc.) agissent sur la turbine de puissance. EXPOSE DE L'INVENTION [0009] L'invention vise à supprimer le palier inter-turbines, c'est-à-dire la présence des roulements arrière des arbres HP et BP dans la zone inter-turbines - afin notamment de réduire la longueur du canal inter-turbines et de supprimer les bras structuraux de la zone inter-turbines - sans ajouter de zone d'huile supplémentaire ni, dans le cas des moteurs de faible puissance, augmenter radialement la dimension de la veine aérodynamique. [0010]Pour ce faire, l'invention prévoit de former une liaison inter-arbres en aval de la turbine BP en positionnant le roulement arrière de l'arbre HP dans un logement particulier. [0011]Plus précisément, la présente invention a pour objet une architecture de turbine à gaz sans palier dans une zone inter-turbines située dans un espace entre une turbine HP et une turbine BP. La turbine HP comporte au moins un disque monté sur un arbre HP apte à entraîner un compresseur amont et la turbine BP comporte également au moins un disque monté sur un arbre BP apte à fournir de la puissance. Les arbres HP et BP sont coaxiaux le long d'un axe central de rotation et sont maintenus axialement par des roulements en appui sur des éléments de structure. Dans cette architecture, un centrage inter-arbres unique est réalisé en aval de la turbine BP entre les arbres HP et BP par un palier arrière, formé sur une extrémité d'arbre HP et une portion d'arbre BP, cette portion constituant un logement apte à recevoir un support de piste extérieure d'un roulement arrière de l'arbre HP. L'invention s'applique aussi bien pour une configuration de turbomoteur à arbre BP traversant, afin de délivrer de la puissance en amont de la turbine à gaz, que pour une configuration à arbre BP non traversant, que ce soit pour délivrer de la puissance en aval ou en amont, avec un arbre extérieur monté sur l'arbre BP via un mécanisme réducteur. [0012]Selon des modes de réalisation particuliers : - la portion d'arbre BP est partie intégrante de l'arbre BP et est formée par usinage pour constituer une cavité d'accueil du palier arrière inter-arbres ; - la portion d'arbre BP est réalisée par solidarisation d'une partie complémentaire ; - la portion d'arbre BP comprend une bride d'assemblage sur laquelle est également fixé le disque de la turbine BP; - un support de piste du roulement arrière est également monté sur la bride ; - la turbine BP peut être une turbine libre apte à fournir de la puissance en amont, via un arbre traversant - pour entraîner des charges utiles directement ou par l'intermédiaire d'un réducteur - ou un arbre non traversant pour entraîner directement des charges utiles en aval ou en amont par l'intermédiaire d'un arbre extérieur à la turbine à gaz. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0013] Outre la figure 1 (déjà commentée) qui représente une architecture classique de turbomoteur mono-corps, les dessins annexés représentent, respectivement, pour mieux détailler l'invention et faire apparaître dans la description qui suit d'autres aspects, caractéristiques et avantages de cette invention: - en figure 2, une vue en coupe schématisée d'un exemple d'architecture de turbomoteur selon l'invention ; - en figures 3 et 3a, une vue en coupe de la liaison de centrage inter- arbres de l'architecture selon l'invention et une variante de liaison en vue partielle (figure 3a), et - en figure 4, une demi-vue schématique d'une architecture double-corps selon l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION [0014] Dans la description qui suit, les termes avant et amont - respectivement avant et arrière - sont associés aux localisations relatives se rapportant le long de l'axe orienté X'X. [0015] En référence à la figure 2, la vue en coupe schématisée d'une architecture de turbomoteur selon l'invention illustre la localisation particulière de la liaison inter-turbines. La première zone d'huile amont Z1 est du type décrit en référence à la figure 1 avec, représentés schématiquement, les roulements avant R1 de l'arbre traversant TL 21 et le roulement de butée amont R3 de l'arbre HP 17. [0016] L'architecture comporte classiquement d'amont en aval, dans un carter 1: une entrée d'air 3, les compresseurs centrifuges 12 débouchant dans la chambre de combustion 14, la turbine HP 16 et la turbine libre 20. Les pales 160, 200 des disques 161, 201 des turbines 16, 20 sont entraînées en rotation par l'intermédiaire du flux de gaz chaud provenant de la chambre de combustion 14 et circulant dans la veine de détente 4. La turbine HP 16 entraîne le compresseur 12 via l'arbre HP 17 et la turbine libre 20 fournit de la puissance en amont via l'arbre traversant 21 pour entraîner les charges utiles à partir du réducteur 22, en particulier le rotor d'hélicoptère à travers la prise de mouvement 100 dans l'exemple illustré et d'une boite de transmission principale (ou BTP) non représentée sur la figure. [0017]Conformément à l'invention, la deuxième zone d'huile Z3 est réalisée en aval de la turbine libre 20. Cette zone comporte le roulement arrière R4 de l'arbre HP 17 et le roulement de butée arrière R2 de l'arbre traversant 21. Le roulement arrière R4 de l'arbre HP 17 est monté dans un environnement de palier 5 dont les supports sont formés par l'extrémité d'arbre HP 17 et une portion de l'arbre TL 21. Cette portion constitue une architecture de l'arbre TL 21 spécifique qui permet, par l'intermédiaire d'une paroi 210 d'envelopper le roulement arrière R2 et de servir de support extérieur. Cette paroi définit ainsi une cavité 212 tournée vers l'amont pour accueillir une liaison entre les arbres HP et TL dans une zone d'huile aval Z3 en aval de la turbine libre, afin de ne pas impacter la veine aérodynamique du moteur, et suffisamment éloignée de la chambre de combustion pour ne pas être exposée aux problèmes liés aux hautes températures. [0018] La figure 3 présente plus précisément un exemple de palier de liaison 5, vu en coupe simplifiée, réalisant un centrage inter-arbres d'une architecture selon l'invention. Sur cette figure, les références identiques à celles de la figure 2 renvoient aux éléments décrits au regard de la figure 2. Le palier 5 se rapporte au roulement arrière R4 de l'arbre HP 17 et le roulement arrière de l'arbre TL 21 est ici constituée de deux paliers R21 et R22. [0019] La liaison est réalisée entre l'extrémité 17a de l'arbre HP 17 et une extension annulaire 211 de la paroi 210, l'extrémité d'arbre HP 17a et l'extension 211 supportant respectivement les pistes P1 et P2 du roulement R4. Une extension annulaire 210a de la paroi 210 est couplée à une paroi d'étanchéité 215, enveloppant l'extension 211 et formant une gorge 213 pour l'évacuation d'huile de la zone du roulement R4. [0020] La paroi annulaire 210 forme une bride d'assemblage 7 sur laquelle vient se fixer le disque 201 de la turbine TL 20. En variante de l'extension annulaire 211 (figure 3a), un support 214 de piste P2 du roulement R4 peut être également fixé avant le disque 201 sur la bride 7. Le support 214 possède également une paroi d'étanchéité 215 permettant de rendre étanche la cavité 212. [0021]Un espace disponible E1 (figure 3) est créé en aval de la liaison inter-arbres. Grâce à la localisation du palier inter-arbres selon l'invention, cet espace E1 est moins sollicité thermiquement que l'espace inter-turbines de l'état de la technique équipé de bras structuraux. Un capteur de vitesse 50 est alors avantageux agencé dans cet espace E1. [0022] L'invention n'est pas limitée aux architectures à arbre traversant comme illustrées, mais peut par exemple s'appliquer à une version à arbre non traversant. Cette configuration permet de fournir directement en aval du turbomoteur, ou en amont par l'intermédiaire d'un arbre extérieur au turbomoteur, la puissance délivrée par la turbine de puissance 20. [0023] L'invention n'est pas limitée aux architectures mono-corps. Comme illustré par la demi-vue schématisée de la figure 4, elle peut par exemple s'appliquer à une structure double-corps comportant deux turbines au sein du générateur de gaz, une turbine HP 16 et une turbine IP 56 (IP : initiales de « Intermediary pressure » en terminologie anglaise, signifiant « pression intermédiaire »), entraînant respectivement un compresseur HP 12 et un compresseur BP 52 via les arbres concentriques HP 17 et IP 19. L'arbre traversant BP 21 (pouvant être non traversant dans une variante) d'une turbine libre 20' à deux étages est monté sur des paliers indépendants 9a et 9b. En sortie de chambre de combustion 14, le flux de gaz chaud circule dans la veine 4 pour entraîner en rotation les pales 160, 560, et 200' des turbines HP 16, IP 56 et libre 20'. [0024] Dans une telle architecture, le palier inter-arbres 5 en liaison avec le roulement arrière R4 de l'arbre HP 17 est ici formé entre l'extrémité d'arbre HP 17a et une portion de l'arbre IP 19 formant la paroi externe 210 venant envelopper le roulement arrière R4 de l'arbre HP. Les différentes variantes de parois et de supports évoquées précédemment s'appliquent directement à l'architecture double-corps. Les arbres de pression inférieure, IP 19 et BP 21, sont par ailleurs respectivement centrés classiquement avec des roulements R11 et arrière R12 pour l'arbre IP 19, et avec les roulements 9a et 9b pour l'arbre BP 21. L'arbre HP 17 est également centré par un roulement de butée avant R3, comme décrit précédemment. Les roulements R12 et 9a se trouvent dans la zone inter-turbines située entre le générateur de gaz 12-14-16-56 et la turbine libre 20'.15

Claims

REVENDICATIONS1. Architecture de turbine à gaz sans palier dans une zone inter-turbines située dans un espace (EO) entre une turbine HP (16) et une turbine BP (20), dans laquelle la turbine HP (16) comporte au moins un disque (160) monté sur un arbre HP (17) apte à entraîner un compresseur amont (12), la turbine BP (20) comporte également au moins un disque (201) monté sur un arbre BP (21) apte à fournir de la puissance, les arbres (17, 19) sont coaxiaux le long d'un axe central de rotation (X'X) et sont maintenus axialement par des roulements en appui sur des éléments de structure (1), l'architecture étant caractérisée en ce qu'un centrage inter-arbres unique est réalisé en aval de la turbine BP (20) entre les arbres HP (17) et BP (21) par un palier arrière (5), formé sur une extrémité d'arbre HP (17a) et une portion d'arbre BP (21) constituant un logement apte à recevoir un support de piste extérieure (210) d'un roulement arrière (R4) de l'arbre HP (17).
2. Architecture de turbine à gaz selon la revendication 1, dans laquelle la portion d'arbre BP (210) est partie intégrante de l'arbre BP (21) et est formée par usinage pour constituer une cavité (212) d'accueil du palier arrière inter-arbres (5).
3. Architecture de turbine à gaz selon la revendication 1, dans laquelle la portion d'arbre BP (210) est réalisée par solidarisation d'une partie complémentaire.
4. Architecture de turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la portion d'arbre BP (210) comprend une bride d'assemblage (7) sur laquelle est également fixé le disque (201) de la turbine BP (20). 10
5. Architecture de turbine à gaz selon la revendication précédente, dans laquelle un support (214) de piste (P2) du roulement arrière (R4) est également monté sur la bride (7).
6. Architecture de turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, dans laquelle la turbine BP (20) est une turbine libre apte à fournir de la puissance pour entraîner des charges utiles.
7. Architecture de turbine à gaz selon la revendication précédente, dans laquelle la turbine libre (20) foumit de la puissance aux charges utiles selon un configuration choisie entre une fourniture amont par un arbre traversant, 10 directement ou via un réducteur (22), une fourniture amont par un arbre extérieur à la turbine à gaz, et une fourniture aval directe par un arbre non traversant.
8. Architecture de turbine à gaz dans laquelle la turbine à gaz est une structure double-corps comportant deux turbines, une turbine HP (16) et une turbine IP (56) entraînant respectivement un compresseur HP (12') et un 15 compresseur BP (52) via des arbres concentriques HP (17) et IP' (19), ainsi qu'une turbine libre (20% et' caractérisée en ce qu'une unique liaison de centrage est réalisée en aval de la turbine IP (56) entre les arbres HP (17) et IP (56) par un palier arrière (5), formé sur une extrémité' d'arbre HP (17a) et une portion d'arbre BP (21) constituant un logement apte à recevoir un support de piste extérieure 20 (210) d'un roulement arrière (R4) de l'arbre HP (17), l'arbre traversant (21) d'une turbine libre (20') étant monté sur des' paliers indépendants (9a, 9b).