FR2968350A1 - Anneau sectorise de turbine pour turbomachine, et turbomachine equipee d'un tel anneau - Google Patents

Abstract

L'anneau sectorisé est traversé par le flux gazeux chaud de la turbomachine, et comporte : - une pluralité de secteurs (5) assemblés par des moyens de liaison étanche (6) à lamelles (19, 20), prévus dans les faces radiales en regard (11) desdits secteurs dont les faces latérales internes (12) délimitent la veine de circulation du flux gazeux chaud ; et - des orifices traversants (23), ménagés dans lesdits secteurs pour amener de l'air frais extérieur en direction de leurs faces radiales (11) et internes (12), Avantageusement, l'une, inférieure (20), des lamelles des moyens de liaison (6) est agencée pour se trouver proche des faces latérales internes (12) desdits secteurs et s'étendre parallèlement à celles-ci en passant par une chambre de refroidissement (22) ménagée dans les faces radiales (11) des secteurs, et dans laquelle débouchent lesdits orifices (23).

Description

La présente invention concerne un anneau sectorisé de turbine pour turbomachine. Dans une application préférentielle quoique non exclusive de l'invention, la turbomachine est destinée au domaine aéronautique et constitue le turboréacteur ou analogue d'un aéronef tel qu'un avion. De façon générale et simplifiée, une telle turbomachine comprend, selon le sens de circulation du flux gazeux chaud, un compresseur, une chambre de combustion et une turbine se terminant par une tuyère d'éjection des gaz. La turbine en particulier haute pression comporte usuellement, en aval d'un distributeur à aubes fixes agencé en sortie de la chambre de combustion, un rotor à aubes rotatives sous l'action du flux gazeux chaud sortant de la chambre de combustion et traversant le distributeur. Autour du rotor est disposé l'anneau sectorisé formant l'enveloppe du rotor, qui délimite la veine du flux gazeux chaud traversant la turbine.

Un tel anneau sectorisé comporte notamment : - une pluralité de secteurs assemblés les uns à la suite des autres par des moyens de liaison étanche à lamelles s'engageant dans des fentes en vis-à-vis ménagées dans les faces radiales en regard desdits secteurs adjacents dont les faces latérales internes délimitent la veine de circulation du flux gazeux chaud ; et - des orifices traversants, ménagés dans au moins certains desdits secteurs pour amener de l'air frais extérieur auxdits secteurs assemblés en direction de leurs faces radiales et latérales internes. Compte tenu de sa proximité avec la chambre de combustion et de la circulation du flux gazeux chaud le traversant, l'anneau sectorisé est soumis à de fortes contraintes thermomécaniques, de sorte qu'il convient de le refroidir efficacement via les orifices pour lui garantir fiabilité de fonctionnement et longévité. Bien qu'un tel anneau sectorisé donne en service de bons résultats, il apparaît cependant que le flux gazeux chaud a tendance à s'engouffrer en périphérie interne de l'anneau, dans les espaces ou jeux qui existent entre les faces radiales des secteurs réunis par les moyens de liaison à lamelles en entraînant un effet d'écope. Cela se traduit par des recirculations du flux d'air chaud entrant et sortant des jeux entre les secteurs adjacents jusqu'à atteindre les lamelles de liaison, distantes des faces latérales internes des secteurs délimitant la veine de circulation. Par suite de ces recirculations répétées, il en résulte que l'efficacité des orifices débouchant des faces radiales et amenant de l'air frais extérieur à l'anneau vers les zones chaudes à refroidir (faces radiales et internes des secteurs), est alors moindre et affaiblie. En conséquence, le refroidissement de l'anneau n'est plus optimal, conduisant à réduire sa durée de vie et à le vérifier ou le changer plus fréquemment, voire à le fragiliser. Par ailleurs, du fait de cet effet d'écope, le rendement aérodynamique du rotor haute pression est affecté par ces recirculations d'air chaud dans les jeux intersecteurs, perturbant l'écoulement aérodynamique le long de l'enveloppe de l'anneau définie par les faces latérales internes de ces secteurs. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne un anneau sectorisé de turbine dont la conception permet de conserver un refroidissement optimal des secteurs en évitant les recirculations d'air chaud entre ceux-ci.

A cet effet, l'anneau sectorisé de turbine, apte à être traversé par un flux gazeux chaud et tel que défini préalablement, est remarquable selon l'invention en ce qu'au moins l'une, inférieure, des lamelles des moyens de liaison assemblant les secteurs consécutifs par leurs faces radiales, est agencée pour se trouver proche des faces latérales internes desdits secteurs et s'étendre parallèlement à celles-ci en passant par au moins une chambre de refroidissement ménagée dans les faces radiales des secteurs, et dans laquelle débouchent lesdits orifices. Ainsi, grâce à l'invention, par l'agencement de lamelles inférieures au plus près des faces latérales internes des secteurs, le flux d'air chaud reste canalisé dans la veine délimitée par ces faces latérales internes, sans pouvoir s'engouffrer ou remonter dans les jeux intersecteurs entre les faces radiales et, donc, sans nuire au refroidissement des zones chaudes des secteurs par les chambres créées entre les secteurs adjacents et concentrant l'air frais. Les effets d'écope sont alors quasiment supprimés avec une amélioration du refroidissement des zones chaudes concernées de l'anneau, par la concentration d'air frais arrivant par les orifices dans les chambres en direction desdites zones chaudes à traiter, c'est-à-dire les faces latérales internes et radiales des secteurs et les jeux intersecteurs jusqu'aux lamelles proches desdites faces latérales. De préférence, lesdites lamelles inférieures des moyens de liaison proches des faces latérales internes s'étendent sensiblement de la face transversale amont à la face transversale aval desdits secteurs assemblés, en passant par les chambres de refroidissement de ceux-ci. Dans une réalisation particulière, ladite chambre de refroidissement est définie par deux évidements en regard ménagés dans les faces radiales de deux secteurs assemblés pour déboucher dans leurs faces latérales internes. A titre d'exemple, les évidements en regard formant la chambre ont chacun un profil sensiblement rectangulaire en creux, avec un fond parallèle à ladite face latérale interne du secteur correspondant, deux cotés parallèles aux faces transversales des secteurs et dans lesquels aboutit la fente de réception de la lamelle inférieure, et une face principale parallèle à la face radiale de chacun d'eux. Aussi, pour participer à la suppression des recirculations précitées, le fond des évidements est rapproché de la fente de réception de la lamelle inférieure avec les orifices d'air frais extérieur débouchant dans lesdits évidements. Avec une chambre de taille réduite, moins profonde, combinée avec les lamelles proches des faces internes, les recirculations de gaz chauds sont évitées tout en conservant un refroidissement approprié des zones chaudes par les orifices d'air frais concentrés dans les évidements en direction de celles-ci.

Avantageusement, pour un refroidissement homogène, la chambre de refroidissement formée dans les faces radiales en regard de deux secteurs assemblés se situe approximativement en partie médiane de ceux-ci, entre leurs faces transversales amont et aval. Pour canaliser au mieux le flux gazeux chaud et éviter l'effet d'écope et autres fuites vers l'extérieur de l'anneau, chaque lamelle inférieure s'engage dans des fentes réalisées dans les faces radiales de deux secteurs adjacents parallèlement et au plus près desdites faces latérales internes, et dans le pourtour délimitant les évidements de ladite chambre qui sont ménagés dans les faces radiales des secteurs en débouchant dans lesdites faces latérales internes.

Selon un exemple particulier de réalisation, pour suivre au mieux les fentes et les chambres, ladite lamelle intérieure assemblant deux secteurs consécutifs comprend plusieurs parties, une partie avant prévue entre la face transversale amont et la chambre, une partie centrale qui suit le pourtour de ladite chambre, et une partie arrière entre la chambre et la face transversale aval. Dans ce cas, la partie centrale de chaque lamelle inférieure peut comporter à son tour une sous-partie droite rapportée dans le fond des évidements en regard, et deux sous-parties en équerre, l'un des bras de chaque équerre longeant le coté correspondant de la chambre et l'autre bras se superposant à l'extrémité concernée de la partie avant ou arrière respective de la lamelle. En variante, on pourrait envisager que chaque lamelle inférieure soit réalisée de manière monobloc. L'invention concerne également une turbomachine comportant au moins une turbine avec un rotor logé à l'intérieur d'un anneau sectorisé. De façon avantageuse, ce dernier est tel que défini ci-dessus. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables.

La figure 1 est une vue radiale d'un secteur d'anneau de turbine avec les moyens de liaison à lamelles associés.

La figure 2 montre, en perspective éclatée, la face radiale du secteur d'anneau illustré en figure 1, avec la chambre de refroidissement et les moyens de liaison à lamelles associés. La figure 3 est une vue en coupe transversale de deux secteurs d'anneau associés par lesdits moyens de liaison, selon le plan A-A de la figure 1. De façon usuelle, une turbine à gaz, tel qu'un turboréacteur dans l'exemple décrit, comporte une turbine haute pression 1 représentée en partie sur la figure 1, qui est située, selon le sens d'écoulement du flux gazeux chaud F, en aval de la chambre de combustion et d'un distributeur fixe d'orientation du flux gazeux associé (chambre et distributeur n'étant pas illustrés sur la figure 1). Cette turbine haute pression 1 comporte notamment un rotor ou roue mobile 2 dont les aubes 3 sont traversées par le flux gazeux chaud F sortant du distributeur, pour les entraîner en rotation. Pour canaliser le flux gazeux chaud F traversant le rotor 2 et se dirigeant ensuite vers une turbine basse pression, la turbine haute pression 1 comprend un anneau sectorisé 4 qui entoure le rotor, c'est-à-dire la périphérie des aubes 3 de celui-ci. Pour cela, l'anneau sectorisé 4 est constitué d'une pluralité de secteurs identiques 5, assemblés les uns à la suite des autres par l'intermédiaire de moyens de liaison étanche 6 pour former l'anneau sectorisé. Chaque secteur 5, tel que celui représenté en vue radiale sur la figure 1, est porté schématiquement par un carter cylindrique 7 de la turbine qui entoure extérieurement l'anneau sectorisé 4 en délimitant un espace annulaire 8 entre eux d'où peut parvenir, par des trous 9 prévus dans ce carter 7, de l'air frais F1 circulant autour du corps central de la turbine, c'est-à-dire autour de la chambre de combustion, du distributeur et des turbines haute et basse pression. Le carter cylindrique 7 et l'anneau sectorisé 4 sont liés par des brides et assemblages usuels connus 10 assurant l'étanchéité et la fixation.

Chaque secteur 5 de l'anneau 4 présente structurellement deux faces radiales 11 (l'une seulement est visible sur les figures) convergeant vers l'axe longitudinal A de la turbine, sur lequel axe sont alignés les compresseurs, turbines, disque et autres composants de celle-ci et qui est, sur la figure 1, exagérément proche du secteur illustré 5. Les deux faces radiales 11 sont reliées latéralement par une face interne 12 tournée vers les aubes 3 du rotor 2 et par une face externe 13 tournée vers le carter 7, les faces latérales interne et externe ayant un profil courbe pour former l'anneau. Et ces quatre faces respectivement radiales 11, interne 12 et externe 13 se terminent, selon le sens de l'écoulement du flux gazeux F, par une face transversale amont 14 et une face transversale aval 15. L'ensemble de ces faces délimite la paroi structurelle 5A de chaque secteur. Quant à l'ensemble des faces latérales internes 12 des secteurs assemblés 5, il délimite l'enveloppe 16 canalisant le flux gazeux chaud F. On voit, par ailleurs, sur la figure 1 que l'extrémité libre 17 de l'aube 3, représentée en trait mixte, du rotor est proche, au jeu fonctionnel près, de la face latérale interne 12 du secteur formant l'enveloppe. Les moyens de liaison étanche 6 réunissant deux secteurs adjacents ou consécutifs 5 par leurs faces radiales en regard 11 sont définis par des lamelles ou languettes qui, comme le montrent les figures 1, 2 et 3, s'engagent dans des fentes respectives 18, 18A ménagées dans la paroi 5A des secteurs pour déboucher perpendiculairement dans les faces radiales 11. Dans cet exemple de réalisation, les moyens de liaison 6 entre deux secteurs adjacents 5 sont définis par deux lamelles, une lamelle supérieure 19 vers la face latérale externe 13 des secteurs et reçue dans la fente 18A, et une lamelle inférieure 20 vers la face latérale interne 12 des secteurs et reçue dans la fente 18, lesdites fentes de réception des lamelles s'étendant parallèlement aux faces internes 12. Avantageusement, conformément à l'invention, chaque lamelle inférieure prévue dans les faces radiales correspondantes des secteurs est agencée pour se trouver parallèlement au plus près de l'enveloppe 16 de l'anneau sectorisé assemblé 4, c'est-à-dire près des faces latérales internes 12 des secteurs. Cela de manière à empêcher le mieux possible l'entrée de gaz chauds issus du flux F entre les faces radiales des secteurs, dans lesquelles arrive, comme on le verra ultérieurement, l'air frais extérieur F1 de l'espace 8 pour le refroidissement de l'anneau sectorisé 4, notamment ses zones au contact du flux gazeux chaud.

Des autres lamelles de liaison pourraient bien entendu s'ajouter aux deux précitées, l'important étant d'avoir une lamelle inférieure proche des faces latérales internes de deux secteurs adjacents. A cet effet, dans chaque face radiale 11 des secteurs est réalisé au moins un évidement ou renfoncement ouvert 21 qui forme, avec l'évidement en vis-à-vis prévu dans la face radiale du secteur adjacent (figure 3), une chambre 22, et dans lequel débouchent des orifices traversants 23 mettant en communication fluidique l'espace annulaire extérieur 8 prévu entre l'anneau et le carter, avec la chambre 22 et, donc, l'espace ou jeu intersecteurs 24 entre les faces radiales 11 des deux secteurs adjacents. En particulier, les évidements 21 sont identiques et chacun d'eux a une forme, dans le plan de la face radiale, sensiblement rectangulaire et est situé sensiblement en partie médiane de la face radiale 11, entre les faces amont 14 et aval 15. Tout autre forme et tout autre emplacement des évidements pourraient être envisagés sans sortir de l'invention.

Structurellement, chaque évidement ouvert 21 débouche dans la face latérale interne 12 et est délimité : par deux cotés 25 parallèles entre eux et aux faces amont 14 et aval 15, dans les deux côtés débouchant la fente 18, par un fond 26 parallèle à la fente 18 (et donc à la face latérale interne 12) et bien entendu plus éloigné de la face interne que la fente, et par une face principale 27 en retrait, parallèle à la face radiale 11. La profondeur des évidements entre les faces internes 12 et leur fond 26 est réduite et déterminée de façon appropriée pour éviter l'entrée des recirculations du flux F dans les chambres. On voit, notamment en regard des figures 2 et 3, que trois orifices de refroidissement 23, obtenus par perçage, sont prévus dans la paroi 5A des rebords radiaux correspondants 28 des secteurs et mettent en communication l'espace annulaire 8, dans lequel se trouve de l'air frais F1 issu des trous 9, avec les chambres 22 alors « refroidies » en débouchant obliquement dans la face principale en retrait 27 des évidements 21. Les sorties des trois orifices arrivant dans l'évidement sont ici alignées, parallèlement au fond 26. Le nombre et l'emplacement des orifices pourraient être là aussi différents dès l'instant où la concentration en air frais arrivant dans les évidements de taille limitée, formant les chambres, conduit à traiter efficacement les zones chaudes concernées. La lamelle inférieure 20 s'étend pratiquement sur toute la largeur de l'anneau, définie par la distance séparant les faces transversales amont 14 et aval 15 des secteurs 5, et se loge dans la fente 18 alors en deux tronçons séparés par l'évidement médian 21, depuis les cotés parallèles 25 de chaque évidement jusqu'à proximité de la face transversale correspondante 14, 15, en passant par le pourtour coudé de l'évidement ouvert médian, c'est-à-dire le long des deux cotés latéraux et du fond. Ainsi, la liaison s'effectue sur quasiment la largeur des secteurs. La fente 18 recevant partiellement la lamelle inférieure 20 est parallèle à la face interne 12 et proche d'un chanfrein d'extrémité 30 prévu à l'intersection de la face radiale correspondante 11 avec la face latérale interne 12. La distance minimale de ces fentes inférieures 18 par rapport aux faces latérales internes 12 des secteurs est bien entendu déterminée pour ne pas nuire à l'intégrité de l'anneau sectorisé 4 lors du fonctionnement de la turbine. Par exemple, chaque lamelle inférieure 20 réunissant deux secteurs adjacents 5 se compose, dans la réalisation montrée sur la figure 2, de plusieurs parties, deux parties droites 31 respectivement avant et arrière, rapportées dans les tronçons respectifs de la fente 18, et une partie centrale 32 coopérant avec l'évidement 21. Cette partie centrale 32 se décompose, à son tour, en une sous-partie droite 33 parallèle aux parties 31 et rapportée contre le fond 26 de l'évidement, et en deux sous-parties en équerre 34, à angle droit, l'un des bras 35 de chaque équerre longeant le coté parallèle correspondant 25 de l'évidement et l'autre bras 36 se superposant à l'extrémité correspondante de la partie droite 31, en s'engageant, pour cela, dans un dégagement 37 prévu dans chaque tronçon de fente 18. Dimensionnellement, comme le montre la figure 3, la profondeur des fentes 18 réunies, formées par les deux secteurs adjacents liés par ces moyens de liaison 6, est proche de la largeur de la lamelle inférieure 20 en question, c'est-à-dire des parties la constituant, un jeu ou espace fonctionnel 24 entre les secteurs étant prévu. On pourrait également envisager une réalisation monobloc des lamelles inférieures 20.

Quant à la lamelle supérieure 19, elle est d'un seul tenant et s'introduit dans les deux fentes semi-débouchantes 18A prévues dans les rebords 28 des secteurs adjacents, et donnant dans les faces radiales 11 comme le montrent les figures 2 et 3. Les secteurs 5 ainsi assemblés par les moyens de liaison 6 forment l'anneau 4 du rotor 2 de la turbine haute pression. Les objectifs de refroidissement et de moindre usure d'un tel anneau sont atteints par le rapprochement des lamelles inférieures 20 au plus près de l'enveloppe 16 des faces latérales internes 12 à l'intérieur desquelles circule le flux gazeux F, et par les chambres créées 22 de profondeur réduite, avec les orifices d'air frais en direction des zones chaudes. Cet agencement permet d'éviter les effets d'écope (recirculations des gaz chauds) dans les espaces intersecteurs, tout en assurant un refroidissement optimal des secteurs 5 grâce aux chambres 22 et aux dont la concentration de l'air de refroidissement provenant des orifices de communication associés 23, permet de ventiler au mieux les zones chaudes des secteurs, là où circule le flux gazeux chaud.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Anneau sectorisé de turbine, apte à être traversé par le flux gazeux chaud d'une turbomachine, et comportant : - une pluralité de secteurs (5) assemblés les uns à la suite des autres par des moyens de liaison étanche (6) à lamelles (19, 20), prévus dans les faces radiales en regard (11) desdits secteurs dont les faces latérales internes (12) délimitent la veine de circulation du flux gazeux chaud ; et - des orifices traversants (23), ménagés dans lesdits secteurs pour amener de l'air frais provenant de l'extérieur desdits secteurs assemblés en direction de 10 leurs faces radiales (11) et latérales internes (12), caractérisé en ce qu'au moins l'une, inférieure (20), des lamelles des moyens de liaison (6) assemblant les secteurs consécutifs (5) par leurs faces radiales, est agencée pour se trouver proche des faces latérales internes (12) desdits secteurs et s'étendre parallèlement à celles-ci en passant par au moins une 15 chambre de refroidissement (22) ménagée dans les faces radiales (11) des secteurs, et dans laquelle débouchent lesdits orifices (23).
2. 2. Anneau selon la revendication 1, dont lesdites lamelles inférieures (20) des moyens de liaison proches des faces latérales internes (12) s'étendent sensiblement de la face transversale amont (14) à la face 20 transversale aval (15) desdits secteurs assemblés (5), en passant par les chambres de refroidissement (22) de ceux-ci.
3. 3. Anneau selon l'une des revendications 1 ou 2, dont ladite chambre de refroidissement (22) est définie par deux évidements en regard (21) ménagés dans les faces radiales (11) de deux secteurs assemblés (5). 25
4. 4. Anneau selon la revendication précédente, dont les évidements en regard (21) formant la chambre de refroidissement (22) ont chacun un profil sensiblement rectangulaire en creux, avec un fond (26) parallèle à ladite face latérale interne du secteur correspondant, deux cotés (25) parallèles aux faces transversales des secteurs et dans lesquels aboutit une fente de 30 réception (18) de la lamelle inférieure (12), et une face principale (27) en retrait parallèle à la face radiale (11) de chacun d'eux.Il
5. 5. Anneau selon la revendication 4, dont le fond (26) des évidements (21) est rapproché de la fente de réception de la lamelle inférieure avec les orifices d'air frais extérieur (23) débouchant dans lesdits évidements.
6. 6. Anneau selon l'une des revendications 1 à 5, dont la chambre de refroidissement (22) formée par les faces radiales en regard de deux secteurs adjacents, se situe approximativement en partie médiane de ceux-ci, entre leurs faces transversales amont et aval.
7. 7. Anneau selon l'une des revendications 3 à 5, dont chaque lamelle inférieure (20) proche des faces latérales internes (12) s'engage dans des fentes (18) réalisées dans les faces radiales de deux secteurs adjacents parallèlement et au plus près desdites faces latérales internes (12), et dans le pourtour délimitant les évidements (21) de ladite chambre qui sont ménagés dans les faces radiales des secteurs en débouchant dans lesdites faces latérales internes.
8. 8. Anneau selon l'une des revendications 1 à 7, dont ladite lamelle intérieure (20) assemblant deux secteurs consécutifs comprend plusieurs parties, une partie avant (31) prévue entre la face transversale amont et la chambre, une partie centrale (32) qui suit le pourtour de ladite chambre, et une partie arrière (31) entre la chambre et la face transversale aval.
9. 9. Anneau selon la revendication 8, dont la partie centrale (32) de chaque lamelle inférieure (20) comporte une sous-partie droite (33) rapportée dans le fond des évidements en regard (21) et deux sous-parties (34) en équerre, l'un des bras (35) de chaque équerre longeant le coté correspondant de la chambre et l'autre bras (36) se superposant à l'extrémité concernée de la partie avant ou arrière respective de la lamelle.
10. 10. Turbomachine comportant au moins une turbine avec un rotor logé à l'intérieur d'un anneau sectorisé, caractérisée en ce que ledit anneau sectorisé (4) est tel que défini selon l'une des revendications précédentes. 3o