FR2981979A1

FR2981979A1 - Roue de turbine pour une turbomachine

Info

Publication number: FR2981979A1
Application number: FR1159860A
Authority: FR
Inventors: Emmanuel Berche; Jean-Luc Bacha; Tangi Brusq; Jean-Pierre Mareix
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-05-03
Anticipated expiration: 2031-10-28
Also published as: US20130108467A1; FR2981979B1; GB2496293A; US9863263B2; GB201219327D0; GB2496293B

Abstract

Roue de turbine pour une turbomachine, comprenant un disque portant des aubes (14") comportant des canaux internes de circulation d'air de refroidissement et ayant chacune une plate-forme (16) portant une pale (15) et reliée par une échasse (17) à un pied (13), les pieds des aubes étant engagés dans des rainures de la périphérie du disque et leurs échasses délimitant entre elles des espaces de logement d'organes d'étanchéité et d'amortissement (18'), qui définissent avec les faces internes des plates-formes des cavités de circulation d'air, caractérisée en ce que les échasses d'au moins certaines aubes comportent des orifices de sortie d'air de refroidissement qui débouchent respectivement dans des canaux internes des aubes et dans des cavités précitées.

Description

Roue de turbine pour une turbomachine La présente invention concerne une roue de turbine pour une turbomachine, cette roue comprenant un disque portant des aubes dont les pieds sont engagés dans des rainures de la périphérie du disque. Typiquement, chaque aube d'une roue de turbine comprend une pale portée par une plate-forme qui est reliée à un pied par une échasse. Les aubes sont formées en général avec des canaux internes de circulation d'air de refroidissement (EP-A2-1 653 047).

Les rainures du disque sont régulièrement réparties autour de l'axe du disque et définissent entre elles des dents. En position de montage, les plates-formes des aubes sont légèrement écartées en direction circonférentielle les unes des autres et sont espacées en direction radiale des dents du disque.

Les échasses des aubes sont espacées les unes des autres en direction circonférentielle et définissent entre elles des espaces dans lesquels sont montés des organes d'amortissement destinés à dissiper l'énergie des vibrations auxquelles sont soumises les aubes en fonctionnement, par frottement sur leurs plates-formes (EP-Al -0 062 558).

Ces organes d'amortissement assurent également une étanchéité radiale entre les plates-formes des aubes par appui radial sur les faces radialement internes des plates-formes. Les aubes sont maintenues axialement dans les rainures du disque au moyen de flasques annulaires qui sont montés respectivement en amont et en aval du disque et qui prennent appui axialement par leurs périphéries sur les pieds d'aubes. En fonctionnement, un débit d'air de fuite appelé « débit de purge » circule radialement de l'intérieur vers l'extérieur en amont du flasque amont et est en partie injecté dans la veine de la turbine. L'autre partie de ce débit d'air passe axialement entre la périphérie externe du flasque amont et les 2 9819 79 2 plates-formes des aubes et circule d'amont en aval sur les dents du disque pour les ventiler. On a déjà proposé d'utiliser cette partie du débit de purge pour refroidir les plates-formes des aubes, qui sont soumises à des 5 températures élevées en fonctionnement. Une solution consiste à réaliser des circuits de passage d'air de refroidissement dans les organes précités, qui sont formés par des blocs de matière relativement épais. L'air qui passe dans ces circuits est destiné à impacter les faces internes des plates-formes (voir par exemple EP-A2-2 110 515). Une autre solution consiste à 10 former des espaces de circulation d'air entre les faces internes des plates- formes et des organes d'amortissement en tôle, ces organes étant percés pour l'alimentation de ces espaces avec de l'air du débit de purge (FR 11/53373). Cependant, ces solutions ne permettent pas de maîtriser de manière 15 précise les débits d'air de refroidissement des plates-formes des aubes. En effet, l'air qui est utilisé dans la technique antérieure pour refroidir les plates-formes provient d'un circuit de purge dont le débit d'air n'est pas calibré, ce qui ne permet pas de définir avec précision les débits d'air de refroidissement des plates-formes des aubes. 20 Par ailleurs, dans la technique actuelle, il n'est pas possible de refroidir certaines zones de la plate-forme d'une aube avec de l'air circulant dans les canaux internes de l'aube. En effet, il n'est pas possible de percer dans la plate-forme des orifices qui débouchent dans les canaux internes de l'aube car ces orifices seraient trop compliqués à réaliser et devraient 25 passer par des zones de l'aube qui sont fortement contraintes en fonctionnement et qui ne doivent donc pas être fragilisées par perçage (en particulier les zones de raccordement de la plate-forme à l'échasse de l'aube). L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, 30 efficace et économique aux problèmes de la technique antérieure.

Elle propose à cet effet une roue de turbine pour une turbomachine, comprenant un disque portant des aubes comportant des canaux internes de circulation d'air de refroidissement et ayant chacune une plate-forme portant une pale et reliée par une échasse à un pied, les pieds des aubes étant engagés dans des rainures de la périphérie du disque et leurs échasses définissant entre elles des espaces de logement d'organes d'étanchéité et d'amortissement, qui délimitent avec les faces internes des plates-formes des cavités de circulation d'air, caractérisée en ce que les échasses d'au moins certaines aubes comportent des orifices de sortie d'air de refroidissement qui débouchent respectivement dans des canaux internes des aubes et dans des cavités précitées. Au contraire du débit d'air de purge précité, les débits d'air de refroidissement circulant dans les canaux internes des aubes sont calibrés. L'alimentation des cavités de refroidissement des plates-formes des aubes avec ce débit d'air calibré permet une maîtrise des débits d'air d'alimentation de ces cavités. De plus, l'invention permet de refroidir les plates-formes des aubes avec de l'air circulant dans les canaux internes de ces aubes sans percer et fragiliser des zones critiques fortement contraintes des aubes en 20 fonctionnement. Chaque organe peut comprendre une tôle ayant une forme de cuvette allongée dont la concavité est orientée radialement vers l'intérieur. Selon une autre caractéristique de l'invention, la surface extérieure convexe de la tôle comprend au moins un renfoncement destiné à délimiter 25 une cavité ou une poche avec des surfaces correspondantes en regard de l'échasse et de la plate-forme d'au moins une aube. Ce renfoncement peut avoir une forme générale en L et comprendre une première partie latérale qui s'étend sur un des flancs latéraux de la tôle, et une seconde partie longitudinale qui s'étend sur le sommet de la 30 tôle. La partie longitudinale du renfoncement peut s'étendre sous la plate- forme d'une aube ou sous les plates-formes de deux aubes adjacentes.

Les orifices formés dans les échasses des aubes peuvent déboucher au niveau des parties latérales des renfoncements des tôles. Les cavités de refroidissement des plates-formes des aubes communiquent de préférence avec des orifices qui sont formés dans les 5 plates-formes des aubes et qui débouchent au niveau des parties longitudinales des renfoncements des tôles. L'air qui sort des orifices des échasses des aubes pénètre dans les parties latérales des renfoncements et circule dans les cavités jusqu'aux extrémités opposées des renfoncements, puis pénètre dans les orifices des 10 plates-formes des aubes pour être ensuite éjecté vers l'extérieur. Dans le cas où le renfoncement de la tôle s'étend sous les plates-formes de deux aubes adjacentes, la cavité peut permettre d'alimenter en air l'espace s'étendant entre les bords longitudinaux des plates-formes de ces aubes pour limiter l'introduction de gaz chauds de la veine à travers cet 15 espace. Les plates-formes des aubes ne comportent alors pas nécessairement d'orifices de sortie d'air de la cavité. Les échasses et/ou les plates-formes des aubes peuvent comprendre des saillies qui s'étendent dans les cavités précitées. Ces saillies ont pour fonction d'augmenter les surfaces d'échange thermique 20 entre l'air de refroidissement et les aubes et donc d'améliorer les performances du refroidissement. De préférence, chaque organe est séparé par un jeu radial faible ou nul des faces internes des plates-formes des aubes et par un jeu nul des échasses des aubes. Ceci permet de garantir une bonne étanchéité des 25 cavités entre les tôles et les aubes. Les orifices des plates-formes peuvent déboucher du côté des intrados et/ou des extrados des aubes. L'invention concerne enfin une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle 30 comprend au moins une roue de turbine du type précitée. 2 9 819 79 L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : 5 - la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'une roue de turbine haute-pression d'une turbomachine selon la technique antérieure ; - la figure 2 est une vue schématique partielle en perspective d'une aube de turbine haute-pression et d'une tôle d'amortissement selon la technique antérieure ; - la figure 3 est une vue schématique partielle en perspective d'une aube de turbine selon l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique partielle en perspective d'une aube de turbine et d'une tôle d'amortissement selon l'invention ; - la figure 5 est une vue schématique en perspective d'une tôle d'amortissement selon l'invention ; et - les figures 6 à 10 sont des vues en coupe selon les lignes VI-VI à X-X de la figure 4. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente une roue 10 de turbine haute-pression d'une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, cette roue 10 comprenant un disque 11 comportant à sa périphérie des rainures 12 sensiblement axiales dans lesquelles sont engagés des pieds 13 d'aubes 14. Les pieds d'aubes 13 peuvent être du type à section en sapin ou en 25 queue d'aronde et les rainures 12 du disque 11 ont des formes complémentaires de celles des pieds d'aube et définissent entre elles des dents. Chaque aube 14 comprend une pale 15 reliée à son extrémité radialement interne à une plate-forme 16, qui est elle-même reliée à un 30 pied 13 par une échasse 17. 2 9819 79 6 En position de montage, comme cela est visible en figure 1, les plates-formes 16 de deux aubes 14 consécutives sont écartées en direction circonférentielle l'une de l'autre et en direction radiale des dents du disque. Les échasses 17 des aubes sont écartées en direction circonférentielle les 5 unes des autres et définissent entre elles des espaces inter-échasses dans lesquels sont montées des tôles d'amortissement 18. Comme cela est mieux visible en figure 2, chaque tôle 18 a une forme de gouttière ou cuvette allongée avec deux flancs latéraux sensiblement parallèles et reliés à leurs extrémités radialement externes 10 par un sommet ou un fond dont la surface radialement externe est destinée à frotter sur les plates-formes 16 des aubes 14 pour dissiper l'énergie des vibrations auxquelles ces aubes sont soumises en fonctionnement. Chaque tôle 18 peut assurer également une étanchéité radiale au niveau du jeu circonférentiel entre les plates-formes 16 des aubes 14, par 15 appui radial vers l'extérieur sur ces plates-formes. En fonctionnement, un débit d'air de purge 20 circule radialement de l'intérieur vers l'extérieur en amont de la roue 10. Une partie de ce débit de purge est prélevée et circule axialement d'amont en aval à l'intérieur des plates-formes 16 et lèche les extrémités radialement externes des dents 13 20 du disque (flèche 19). Les plates-formes 16 des aubes 14 sont soumises en fonctionnement à des températures élevées, ce qui provoque des gradients thermiques importants dans les plates-formes, et peut se traduire par la formation de criques ou de fissures réduisant la durée de vie des plates- formes. On a déjà proposé de refroidir les plates-formes 16 des aubes 14 par circulation d'air provenant du débit de purge 20 dans des cavités 21 formées entre les tôles d'étanchéité 18 et les faces internes des plates-formes. Cependant, cette solution n'est pas entièrement satisfaisante notamment du fait que ce débit de purge 20 n'est pas calibré et qu'il est difficile de maîtriser le débit d'air de refroidissement des plates-formes 16.

L'invention permet de remédier à cet inconvénient grâce à l'alimentation des cavités précitées de refroidissement des plates-formes des aubes par de l'air circulant dans des canaux internes des aubes en vue de leur refroidissement.

Une aube 14' selon l'invention est représentée en figure 3 et comprend des canaux internes 30 de passage d'air de refroidissement, ces canaux (dont un seul est représenté en traits pointillés en figure 3) s'étendant le long de l'axe longitudinal de l'aube, à travers son pied 13, son échasse 17 et sa pale 15, et débouchant à leurs extrémités radialement internes sur une face interne du pied d'aube (voir à ce sujet le document EP-A2-1 653 047 de la demanderesse). Ces canaux 30 sont alimentés en air par leurs extrémités radialement internes dont les sections peuvent être calibrées au moyen de plaquettes (non représentées) rapportées et fixées sur la face interne du pied d'aube 13.

Comme cela est visible en figure 3, l'échasse 17 de l'aube 14' comporte un orifice 32 de sortie d'air qui débouche à une extrémité 33 sur une zone de l'échasse 17 destinée à être recouverte par un flanc d'une tôle d'étanchéité 18' selon l'invention, et à son autre extrémité 34 dans un des canaux internes 30 de l'aube. Dans l'exemple représenté, l'orifice 32 débouche dans un canal 30 situé à proximité de l'extrémité amont du pied d'aube 13. L'orifice 32 a par exemple un diamètre compris entre 0,35 et 0,5mm, et peut délivrer un débit d'air représentant de 1 à 4% environ du débit d'air circulant dans les canaux internes 30 de l'aube. L'aube 14' peut comprendre plus d'un orifice 32. La plate-forme 16 de l'aube 14' représentée en figure 3 comprend en outre au moins un orifice 36 d'évacuation de l'air contenu dans la cavité précitée, cet air étant destiné à être éjecté au niveau de l'intrados ou de l'extrados de la pale 15 de l'aube. Cet orifice 36 débouche respectivement sur les faces interne et externe de la plate-forme 16 de l'aube.

L'orifice 36 peut s'étendre d'amont en aval radialement vers l'extérieur et déboucher à son extrémité aval au voisinage du bord de fuite 38 de la pale 15 de l'aube 14', en vue de son refroidissement. La plate-forme 16 de l'aube peut comprendre plusieurs orifices 36 de sortie d'air de la cavité, ces orifices étant orientés parallèlement les uns aux autres ou dans des directions différentes. La figure 4 représente une tôle d'étanchéité 18' selon l'invention dont une partie est engagée sous la plate-forme 16 d'une aube 14" et dont l'autre partie est destinée à être engagée sous la plate-forme 16 de l'aube 14' de la figure 3. La tôle d'étanchéité 18', également représentée en figure 5, diffère de celle de la technique antérieure représentée aux figures 1 et 2 notamment en ce que sa surface extérieure convexe comporte au moins un renfoncement 44 destiné à former une cavité de circulation d'air avec des surfaces en regard de l'échasse 17 et de la plate-forme 16 de l'aube 14'. Ce renfoncement 44 peut être obtenu par emboutissage de la tôle 18' ou de fonderie. Dans l'exemple représenté, ce renfoncement 44 a une forme générale en L et comprend une partie latérale 46 s'étendant sur un des flancs de la tôle 18' et dont l'extrémité radialement externe est reliée à une extrémité d'une partie longitudinale 48 s'étendant au niveau du sommet de la tôle ou dans la zone de raccordement du sommet au flanc précité de la tôle. L'orifice 32 formé dans l'échasse 17 de l'aube 14' de la figure 3 débouche dans l'extrémité radialement interne de la partie latérale 46 du renfoncement 44 et alimente en air la cavité formée entre la tôle et l'aube 14'. L'orifice 36 formé dans la plate-forme 16 de cette aube 14' débouche dans l'extrémité aval de la partie longitudinale 48 du renfoncement 44 et permet d'évacuer l'air de cette cavité.

Les figures 6 à 10 sont des vues en coupe selon les lignes VI-VI, VII- VII, VIII-VIII, IX-IX et X-X de la figure 4, respectivement, et illustrent la 2 9819 79 9 position de la cavité précitée, ainsi que l'évolution de la section de passage de cette cavité. La cavité a par exemple une épaisseur ou profondeur de l'ordre de 1mm. Comme cela est représenté aux figures 6 à 10, les flancs de la tôle 5 18' affleurent les échasses 17 des deux aubes 14', 14" ou sont en appui circonférentiel sur celles-ci pour limiter ou annuler les fuites d'air entre la tôle 18' et les échasses 17. Chaque tôle 18 est en appui radial vers l'extérieur sur des parties d'extrémité circonférentielle des plates-formes 16 des aubes 14', 14" et 10 assure ainsi une étanchéité radiale entre les plates-formes. Les forces centrifuges appliquées aux tôles 18' en fonctionnement sont supérieures aux forces exercées par l'air circulant dans les cavités sur les tôles, ce qui garantit l'appui radial des tôles sur les plates-formes 16 des aubes 14', 14". 15 Dans le mode de réalisation précité, le renfoncement 44 s'étend sur une partie latérale seulement de la tôle 18' et est situé radialement à l'intérieur d'une des plates-formes 16 des aubes 14', 14". En variante, comme cela est schématiquement représenté en traits pointillés en figure 5, le renfoncement 44' peut s'étendre sur une majeure partie de la largeur de 20 la tôle 18' de façon à s'étendre radialement à l'intérieur des plates-formes 16 des deux aubes 14', 14" adjacentes. Dans ce cas, la cavité peut être utilisée pour alimenter en air le jeu circonférentiel 50 (visible aux figures 6 à 10) entre les bords longitudinaux des plates-formes 16. Les plates-formes 16 des aubes ne comportent alors pas nécessairement d'orifices 36 de 25 sortie d'air. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, parmi les deux aubes 14', 14" adjacentes représentées aux figures 3 et 4, seule l'aube 14' de la figure 3 comprend sur son échasse 17 un orifice 32 de sortie d'air alimentant la cavité précitée, qui est située au niveau de l'un des côtés ou 30 flancs de la tôle d'étanchéité 18'. Dans le cas précité où la cavité s'étend sur sensiblement toute la largeur de la tôle 18', elle peut être alimentée en air par des orifices 32 de sortie d'air prévus sur les échasses 17 des deux aubes 14', 14" adjacentes. Les orifices 32, 36 des aubes 14', 14" peuvent être obtenus de fonderie ou réalisés par perçage, par exemple EDM.

Dans une autre variante non représentée, des saillies peuvent être formées sur la face radialement interne de la plate-forme 16 et sur la face latérale de l'échasse 17 de l'aube 14', 14" et sont destinées à être engagées dans la cavité précitée. Ces saillies augmentent les surfaces d'échange thermique entre l'air circulant dans la cavité et l'aube et améliorent ainsi les performances de refroidissement de cette aube. Les saillies sont par exemple formées par des picots ou des ergots de forme sensiblement hémisphérique ou cylindrique.

Claims

REVENDICATIONS1. Roue de turbine pour une turbomachine, comprenant un REVENDICATIONS1. Roue de turbine pour une turbomachine, comprenant un disque portant des aubes (14', 14") comportant des canaux internes (30) de circulation d'air de refroidissement et ayant chacune une plate-forme (16) portant une pale (15) et reliée par une échasse (17) à un pied (13), les pieds des aubes étant engagés dans des rainures de la périphérie du disque et leurs échasses délimitant entre elles des espaces de logement d'organes d'étanchéité et d'amortissement (18'), qui définissent avec les faces internes des plates-formes des cavités de circulation d'air, caractérisée en ce que les échasses d'au moins certaines aubes comportent des orifices (32) de sortie d'air de refroidissement qui débouchent respectivement dans des canaux internes des aubes et dans des cavités précitées.
2. Roue de turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque organe est formé d'une tôle (18') ayant une forme de cuvette allongée dont la concavité est orientée radialement vers l'intérieur, et en ce que la surface extérieure convexe de la tôle comprend au moins un renfoncement (44) destiné à délimiter une cavité avec des surfaces 20 correspondantes en regard de l'échasse (17) et de la plate-forme (16) d'au moins une aube (14').
3. Roue selon la revendication 2, caractérisée en ce que le renfoncement (44) de la tôle (18') a une forme générale en L et comprend une première partie latérale (46) qui s'étend sur un des flancs latéraux de la tôle, et une seconde partie longitudinale (48) qui s'étend sur le sommet de la tôle.
4. Roue selon la revendication 3, caractérisée en ce que les orifices (32) formés dans les échasses (17) des aubes (14') débouchent dans les parties latérales (46) des renfoncements (44) des tôles (18'). 30
5. Roue selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que les cavités précitées communiquent avec des orifices (36) qui sont formés 2 9 8 1 9 79 12 dans les plates-formes (16) des aubes (14') et qui débouchent dans les parties longitudinales (48) des renfoncements (44) des tôles (18').
6. Roue selon la revendication 5, caractérisée en ce que les orifices (36) des plates-formes (16) débouchent du côté des intrados et/ou des 5 extrados des aubes.
7. Roue de turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les échasses (17) et/ou les plates-formes (16) des aubes (14') comprennent des saillies qui s'étendent dans les cavités précitées. 10
8. Roue selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque organe (18') est séparé par un jeu radial faible ou nul des faces internes des plates-formes (16) des aubes et par un jeu nul des échasses (17) des aubes.
9. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur 15 d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une roue de turbine selon l'une des revendications 1 à 8.