FR2987864A1 - Turbomachine a disques de rotor et moyen de guidage radial d'air, et compresseur et/ou turbine avec de tels disques et moyen de guidage. - Google Patents

Abstract

- Turbomachine à disques de rotor et moyen de guidage radial d'air, et compresseur et/ou turbine avec de tels disques et moyen de guidage. - La turbomachine comporte un premier et un second disques de rotor axiaux (4, 5) avec un voile (29), une jante (6) en périphérie extérieure du voile et un alésage (24) en périphérie intérieure du côté de l'axe de rotation des disques, et un moyen de guidage radial d'air (18) disposé sur le premier disque avec une entrée (22) et une sortie (23) entre l'un ou l'autre de la jante et de l'alésage du disque. Avantageusement, ledit moyen de guidage d'air radial (18) comprend au moins une ouverture de ventilation (26) ménagée entre l'entrée et la sortie pour diriger une partie de l'air circulant dans le moyen de guidage radial en direction du second disque.

Description

Turbomachine à disques de rotor et moyen de guidage radial d'air, et compresseur et/ou turbine avec de tels disques et moyen de guidage La présente invention concerne une turbomachine à disques de rotor et moyen de guidage radial d'air associé à l'un des disques, et, plus particulièrement, quoique non exclusivement, un compresseur axial haute pression avec de tels disques et moyen de guidage radial d'air, équipant les turbomoteurs d'aéronef. On sait que les compresseurs axiaux, dans lesquels circule le flux primaire de la veine d'air entrant dans la soufflante d'un turbomoteur double flux, comprennent généralement une pluralité d'étages coaxiaux et alternés de rotor et stator, composés de disques à aubes, ces dernières étant traversées par la veine d'air du flux primaire à comprimer pour se diriger vers la chambre de combustion du turbomoteur. De plus, une partie de ce flux d'air comprimé est avantageusement utilisée pour participer au refroidissement d'autres composants du turbomoteur comme, par exemple, une turbine aval. Pour cela, il est prévu un moyen de guidage radial d'air, à prélèvement centripète du flux d'air, tel que celui décrit dans le brevet FR 2 614 654 du demandeur et qui est associé à l'un des disques de rotor. Ce moyen de guidage comprend, dans cet exemple, des passages d'air ménagés radialement dans le voile du disque et communiquant avec le flux d'air par des entrées en périphérie de la jante du disque. A l'opposé des entrées, ces passages se terminent par des sorties au voisinage de la périphérie de l'alésage interne du disque pour amener ainsi radialement l'air frais prélevé de manière centripète, depuis la veine jusqu'à l'arbre basse pression. L'air frais s'écoule ensuite axialement le long de celui-ci et parvient à la turbine pour assurer son refroidissement. Le disque pourvu dudit moyen est lui aussi refroidi.

Par ailleurs, lors du fonctionnement du compresseur axial, plus la veine de flux primaire se comprime au fur et à mesure de son passage à travers les étages successifs, plus les contraintes thermiques et mécaniques sont élevées pour être maximales au niveau des derniers étages aval du compresseur. Or, au cours d'essais moteurs, le demandeur a remarqué une évolution des jeux radiaux, au-delà des jeux fonctionnels admissibles, entre le sommet des aubes du dernier disque de rotor et le carter annulaire externe fixe du compresseur, sur lequel carter sont agencés les disques aubagés de stator. Cette variation des jeux radiaux intervient notamment lors des phases transitoires de vol, c'est-à-dire durant les phases de vol impliquant des changements de poussée importants du moteur, par exemple, lors d'accélérations. Et cette variation des jeux radiaux est encore plus remarquée lorsque l'aéronef est un appareil militaire avec lequel les changements de phases transitoires sont très fréquents et soudains. Les problèmes engendrant les variations des jeux radiaux fonctionnels des aubes avec le carter externe fixe sont notamment dus à l'échauffement de la cavité entre les disques adjacents et, par suite, au temps de réponse du disque de rotor aval en matière de température. Ce temps de réponse dépend directement de la quantité d'air, issue du prélèvement, venant en contact avec le disque. Les problèmes proviennent également du carter externe lui aussi soumis à des contraintes thermiques et mécaniques importantes, et des différents matériaux utilisés pour les composants du compresseur impliquant des dilatations hétérogènes.

Par ailleurs, l'air issu du prélèvement et venant en contact avec le disque génère un gradient de température significatif entre l'alésage (partie périphérique intérieure du disque tournée vers l'arbre de turbine) et la jante (partie périphérique extérieure du disque). Ce gradient thermique génère des contraintes et tensions structurelles internes différentes. Dans les faits, ces problèmes de jeux radiaux se traduisent, lorsque ces derniers deviennent trop exagérés, par une moindre performance du moteur due aux fuites importantes créées entre les sommets des aubes du rotor et le carter externe, et par le risque de réduire la marge au pompage du compresseur, c'est-à-dire le retour du flux gazeux comprimé vers l'amont du compresseur. De plus, les contraintes thermiques engendrées pénalisent les disques de rotor concernés en terme de durée de vie.

La présente invention a pour but de pallier les inconvénients ci-dessus et de proposer une solution dont la conception permet de réduire les évolutions transitoires de ces jeux radiaux dans le cas particulier d'un compresseur mais, également, dans le cas plus général d'une turbomachine où l'on souhaite refroidir des zones particulières de celle-ci par prélèvement d'air.

A cet effet, la turbomachine est du type comportant un premier et un second disques de rotor axiaux avec un voile, une jante en périphérie extérieure du voile et un alésage en périphérie intérieure du côté de l'axe de rotation des disques, et un moyen de guidage radial d'air disposé sur le premier disque, et avec une entrée et une sortie entre l'un ou l'autre de la jante et de l'alésage dudit disque.

Selon l'invention, ledit moyen de guidage radial d'air comprend au moins une ouverture de ventilation ménagée entre l'entrée et la sortie pour diriger une partie de l'air circulant dans le moyen de guidage radial, en direction du second disque. Ainsi, grâce à l'ouverture de ventilation pratiquée sur le moyen de guidage radial d'air du disque concerné, l'air sortant par cette ouverture ventile la cavité interdisques et agit sur l'autre disque en réduisant son gradient de température entre la jante et l'alésage et, par suite, ses variations dimensionnelles. Par exemple, par rapport au sens de circulation du flux gazeux traversant la turbomachine, le premier disque est en amont et comprend le moyen de guidage radial de l'air du flux avec ladite ouverture de ventilation pour le second disque en aval. Inversement, on pourrait aussi envisager le premier disque en aval et comprenant le moyen de guidage radial à ouverture de ventilation pour le second disque situé en amont. La turbomachine comprend, de préférence, un compresseur avec un disque de rotor muni d'un moyen de guidage radial d'air ayant l'entrée d'air du côté de la jante du disque et la sortie d'air du côté de l'alésage. De la sorte, on a un moyen de guidage radial de l'air à prélèvement centripète. En variante, la turbomachine comprend une turbine avec un disque de rotor muni d'un moyen de guidage radial d'air ayant l'entrée d'air du côté de l'alésage du disque et la sortie d'air du côté de la jante. De la sorte, on a un moyen de guidage radial de l'air à prélèvement centrifuge. L'invention concerne également un compresseur axial de turbomachine, du type comportant : - des étages coaxiaux de rotor et de stator à disques et aubes, disposés alternativement et avec les aubes traversées par un flux d'air à comprimer ; et - un moyen de guidage radial d'air à prélèvement centripète disposé sur un voile d'un disque de rotor et ayant une entrée et une sortie pour amener radialement, de la jante vers l'alésage du disque, l'air prélevé depuis la veine en direction d'une turbine aval. Le compresseur est remarquable, selon l'invention, par le fait que le moyen de guidage radial d'air comprend au moins une ouverture de ventilation ménagée entre l'entrée et la sortie pour diriger une partie de l'air prélevé, circulant dans ledit moyen, dans la cavité annulaire entre le disque à moyen de guidage radial d'air et un disque de rotor à ventiler situé en aval du disque de rotor, et en direction axiale de ce disque aval. Ainsi, par cette ouverture dans le moyen de guidage radial d'air, la cavité entre les disques est ventilée, avec le disque aval qui est soumis à l'action d'un débit d'air issu du flux d'air de veine circulant dans le moyen de guidage à prélèvement centripète, ce qui permet d'homogénéiser sa température sur toute son étendue radiale, depuis l'alésage jusqu'à la jante munie des aubes, et de réduire le gradient thermique. Par conséquent, le temps de réponse du disque entre la jante et l'alésage est fortement réduit, ce qui limite la variation des jeux radiaux entre le sommet des aubes et le carter externe de stator et contribue à maintenir un rendement optimal du moteur. Par ailleurs, le risque de marge au pompage est supprimé. De plus, comme les contraintes thermiques dans le disque aval, initialement dues à l'important gradient thermique entre les parties interne (alésage) et externe (jante) du disque, apparaissant dans les phases transitoires de vol, notamment d'accélération, sont alors réduites, la longévité de celui-ci s'en trouve augmentée. En outre, une telle ouverture de ventilation utilise directement le moyen existant de guidage radial d'air à prélèvement centripète. Au final, on améliore les qualités intrinsèques du compresseur en particulier son rendement, sa marge au pompage et sa tenue en fatigue.

Avantageusement, ladite ouverture de ventilation comporte plusieurs trous axiaux qui sont ménagés dans la paroi délimitant lesdits passages radiaux du moyen de guidage et qui s'étendent le long de ladite paroi, en regard du disque à ventiler, sensiblement depuis la jante du disque où circule le flux primaire, jusqu'à l'alésage du disque. On remarque la simplicité de réalisation de l'agencement et sa mise en oeuvre sur le moyen de guidage, qui permet de dévier une partie de l'air circulant radialement dans les passages en direction axiale vers le disque aval à ventiler. Par exemple, lesdits trous de ventilation sont alignés radialement, selon un rayon du disque, et plusieurs lignes radiales de trous de ventilation sont de préférence prévues dans ladite paroi des passages radiaux de manière à agir sur la totalité de la cavité et du voile du disque à ventiler. Pour homogénéiser la température sur le disque aval à ventiler avec un débit d'air sensiblement constant, lesdits trous de ventilation sont de forme et de dimension identiques. Cependant, ces dernières pourraient être différentes selon le turbomoteur et la géométrie de la cavité annulaire interdisques.

De préférence, lesdits trous de ventilation sont circulaires, mais pourraient être différents, par exemple, oblongs. Dans le compresseur axial haute pression de l'invention, le disque de rotor à ventiler correspond au dernier disque aval de rotor des étages de compression, ledit moyen de guidage radial d'air à ouverture de ventilation étant prévu sur la face arrière de l'avant-dernier disque de rotor. L'invention concerne également un disque de rotor pour turbomachine, comportant un moyen de guidage d'air à prélèvement centripète formé d'au moins un passage radial dans le voile du disque, caractérisé par le fait que des ouvertures de ventilation sont percées dans le voile pour diriger une partie de l'air circulant dans le passage en direction axiale d'un disque adjacent. 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 demi-coupe longitudinale schématique des étages arrière d'un compresseur axial haute pression d'une turbomachine avec, conformément à l'invention, le moyen de guidage radial d'air avec ventilation du disque aval selon un exemple de réalisation. La figure 2 est une vue en perspective partielle des disques rotoriques arrière avec la ventilation du disque aval, issue du moyen de guidage radial d'air à prélèvement centripète prévu sur le disque amont. La figure 1 montre les étages successifs arrière 2, 3 d'un compresseur axial 1 de turbomoteur d'aéronef d'axe longitudinal A. Ainsi, sont représentés les disques rotoriques ou roues 4, 5 des étages, disques qualifiés, selon le sens du flux d'air F traversant le turbomoteur, de premier ou amont et de second ou aval. Sur les jantes respectives 6 des disques 4, 5 sont montées des aubes 7, dont les sommets ou extrémités libres 8 sont, au jeu radial fonctionnel près J, au contact d'un carter annulaire fixe 9 du compresseur. Les disques 4, 5 sont reliés entre eux par une bride ou paroi de liaison cylindrique intermédiaire 10 prolongeant sensiblement les jantes. Entre les aubes 7 des disques rotoriques 4, 5 sont prévues les aubes fixes 12 de disques annulaires statoriques 11 des étages 2, 3, désignés redresseurs et logés dans le carter externe fixe 9 du compresseur. Les aubes fixes 12 des disques 11 sont axialement en regard des aubes rotatives 7 des disques rotoriques et le sommet ou extrémité libre 14 de ces aubes fixes 12 porte, de façon usuelle, un matériau abradable 15 contre lequel s'applique un dispositif d'étanchéité à lèvres 16 prévu sur la bride de liaison 10 des disques 4, 5.

A travers les aubes 7 et 12 des disques de rotor et de stator circule le flux d'air primaire F du turbomoteur, sensiblement dans une veine annulaire 17 délimitée par ces aubes. De façon usuelle, pour permettre de refroidir une turbine non représentée du turbomoteur, située en aval du compresseur axial 1, ce dernier comporte un moyen de guidage radial d'air 18 à prélèvement centripète d'une partie du flux primaire F circulant dans la veine 17 du compresseur au travers des aubes 7, 12 des étages successifs. A cet effet, le moyen 18 comporte des passages ou canaux radiaux de prélèvement 19 qui sont prévus sur la face arrière 20 du voile du disque 4 et qui sont délimités par des parois radiales 21 réalisées, par exemple, dans des surépaisseurs de la face arrière 20 ou rapportées sur la face arrière du disque concerné.

Comme on le voit sur les figures 1 et 2, chaque passage radial 19 débouche, à son extrémité supérieure, par une entrée 22, au niveau de la liaison jante 6 - bride 10 du disque 4 pour communiquer avec la veine 17, et, à son extrémité inférieure, par une sortie 23 près de l'alésage 24 du disque traversé par l'arbre 25 de turbine d'axe A. De la sorte, une partie de l'air frais du flux primaire F s'engouffre, de façon centripète, dans chacun des passages radiaux 19 pour être distribuée en direction de l'arbre 25 et axialement le long de celui-ci jusqu'à la turbine en vue de son refroidissement, comme le montre la flèche Fl sur la figure 1. Le disque 4 est également refroidi. Avantageusement, l'avant-dernier étage 2 du compresseur axial 1 comprend une ouverture de ventilation 26 du disque 5 du dernier étage 3, située à l'arrière du disque 4 à moyen de guidage radial 18, entre l'entrée 22 et la sortie 23 du moyen 18. Cette ouverture a pour fonction de ventiler la cavité interdisques 28 et de réduire ainsi le temps de réponse de ce dernier disque rotorique aval 5, c'est-à-dire, comme cela a été expliqué précédemment, de réduire le temps de réponse du disque de manière à limiter les ouvertures du jeu radial J dans les phases transitoires et d'homogénéiser la température de ce disque entre la jante 6 portant les aubes 7 et l'alésage interne 24 proche dudit arbre. En effet, ce dernier disque 5 est davantage sollicité thermiquement et donc mécaniquement du fait de la compression maximale du flux F dans le dernier étage du compresseur (section minimale de la veine), de surcroît lors des phases transitoires 2 0 d'accélération de l'aéronef. L'ouverture de ventilation 26 permet ainsi de diminuer le gradient thermique entre les parties périphériques de jante 6 et d'alésage 24 du disque aval en réduisant les tensions et contraintes structurelles internes de celui-ci et, par suite, l'apparition de jeux radiaux J exagérés entre le sommet 8 des aubes 7 des disques rotoriques et le carter externe 9, lui aussi fortement sollicité, et les inconvénients précités résultant.

25 Dans l'exemple de réalisation illustré, l'ouverture de ventilation 26 est avantageusement associée au moyen de guidage radial d'air 18, et elle comporte une pluralité de trous 27, sous forme circulaire dans cet exemple, ménagés parallèlement à l'axe A dans la paroi 21 des passages radiaux 19 du moyen de guidage radial. Ces trous de ventilation axiaux 27 mettent ainsi en communication fluidique chaque passage radial interne représenté 19 avec 3 0 la cavité annulaire 28 entre les disques successifs 4, 5. Ils sont de plus ménagés sur la totalité des passages radiaux 19, mais pourraient n'être prévus que sur certains d'entre eux. On voit, sur les figures 1 et 2, que les trous de ventilation axiaux 27 sont alignés radialement le long de la paroi correspondante 21 et s'étendent ainsi sur toute la hauteur de celle-ci, selon un rayon du disque amont 4 (proche de l'alésage 24 du disque 4 jusqu'à sous la partie de jante 6), de manière à être en regard du disque aval 5 à ventiler sur l'ensemble du voile 29 de ce disque. Les trous 27 sont en outre régulièrement espacés les uns des autres. Une partie du flux d'air entre par les entrées 22 dans les passages radiaux 19 du moyen de guidage radial 18 à prélèvement centripète. Une partie de cet air prélevé circulant dans les passages traverse à son tour les trous de ventilation axiaux 27 de l'ouverture 26, et sort de ces derniers, selon les flèches F2, sensiblement parallèlement à l'axe A, dans la cavité interdisques 28. Cet air de ventilation F2 refroidit la cavité et s'applique sur le voile 29 du disque aval 5 en couvrant ainsi la totalité de celui-ci, et en homogénéisant en conséquence la température de ce disque. Le flux d'air, pour l'essentiel, circulant dans les passages radiaux, traverse les sorties 23 pour refroidir ensuite la turbine aval. Le gradient thermique du disque aval 5 étant alors réduit, le temps de réponse de ce dernier notamment lors des phases de vol transitoires à fortes sollicitations (accélérations importantes) est plus faible, ce qui limite les évolutions des jeux radiaux J, au-delà de leur rôle fonctionnel, au sommet des aubes 7 du disque mobile aval 5, avec le carter externe fixe 9. Les contraintes thermiques agissant sur le disque aval sont elles aussi diminuées par le moindre gradient thermique subi par le disque, ce qui prolonge la longévité de ce dernier et permet également d'augmenter le potentiel d'utilisation du disque. Ces trous de perçage 27 sont bien entendu calibrés. En effet, la grandeur des trous déterminent directement le débit d'air qui est injecté dans la cavité interdisques 28 pour venir impacter le disque aval, et donc le temps de réponse de celui-ci. Pour favoriser la sortie de l'air circulant radialement dans les passages, à travers les trous de ventilation, on pourrait réaliser les trous avec une certaine inclinaison par rapport à l'axe A ou prévoir des déflecteurs (non représentés) en liaison avec les trous et situés dans lesdits passages. L'invention n'est pas bien sûr limitée à la forme circulaire de ces trous qui pourrait avoir une autre forme, ni au nombre de trous représentés. De même, la dimension des trous pourrait être, non pas constante, mais variable pour diffuser un débit d'air plus ou moins important en des zones spécifiques de la cavité et du disque aval selon notamment la forme de la cavité interdisques. Cette invention, bien que décrite en liaison à un compresseur, pourrait s'appliquer à une turbine avec un moyen de guidage radial d'air à prélèvement centrifuge, et ouverture de ventilation intégrée à celui-ci.35

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Turbomachine comportant un premier et un second disques de rotor axiaux (4, 5) avec un voile (29), une jante (6) en périphérie extérieure du voile et un alésage (24) en périphérie intérieure du côté de l'axe de rotation des disques, et un moyen de guidage radial d'air (18) disposé sur le premier disque avec une entrée (22) et une sortie (23) entre l'un ou l'autre de la jante et de l'alésage du disque, caractérisée par le fait que ledit moyen de guidage d'air radial (18) comprend au moins une ouverture de ventilation (26) ménagée entre l'entrée et la sortie pour diriger une partie de l'air circulant dans le moyen de guidage radial en direction du second disque.
2. 2. Turbomachine selon la revendication 1, dans laquelle, par rapport au sens de circulation du flux gazeux traversant la turbomachine, le premier disque (4) est en amont et comprend le moyen de guidage radial (18) de l'air du flux avec ladite ouverture de ventilation (26) pour le second disque (5) en aval.
3. 3. Turbomachine selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle elle comprend un compresseur (1) avec un disque de rotor (4, 5) muni du moyen de guidage radial d'air (18), ayant l'entrée d'air (22) du côté de la jante (6) du disque et la sortie d'air (23) du côté de 1 ' alésage.
4. 4. Turbomachine selon l'une des revendications 1 ou 2, dans laquelle elle comprend 2 0 une turbine avec un disque de rotor muni du moyen de guidage radial d'air ayant l'entrée d'air du côté de l'alésage du disque et la sortie d'air du côté de la jante.
5. 5. Compresseur axial de turbomachine, du type comportant : - des étages coaxiaux (2, 3) de rotor et de stator à disques et aubes, disposés alternativement et avec les aubes (7, 12) traversées par un flux d'air à comprimer ; et 2 5 - un moyen de guidage radial d'air à prélèvement centripète (18) disposé sur un voile (29) d'un disque de rotor et ayant une entrée (22) et une sortie (23) pour amener radialement, de la jante vers l'alésage du disque, l'air prélevé depuis la veine en direction d'une turbine aval, caractérisé par le fait que le moyen de guidage radial d'air (18) comprend au moins une ouverture de ventilation (26) ménagée entre l'entrée (22) et la sortie (23) pour diriger une 3 0 partie de l'air prélevé, circulant dans ledit moyen, dans la cavité annulaire (28) entre le disque (4) à moyen de guidage radial d'air (18) et un disque de rotor (5) en aval du disque de rotor (4), et en direction axiale de ce disque aval.
6. 6. Compresseur selon la revendication 5, dans lequel ladite ouverture de ventilation (26) comporte plusieurs trous axiaux (27) qui sont ménagés dans la paroi (21) des passagesradiaux (19) du moyen de guidage radial d'air, et qui s'étendent le long de ladite paroi, en regard du disque à ventiler (5), sensiblement depuis la jante du disque (4) où circule le flux primaire, jusqu'à l'alésage du disque.
7. 7. Compresseur selon la revendication 6, dans lequel lesdits trous de ventilation (27) sont alignés radialement, et dans lequel plusieurs lignes radiales de trous de ventilation (27) sont prévues dans ladite paroi des passages radiaux.
8. 8. Compresseur selon la revendication 6 ou 7, dans lequel lesdits trous de ventilation (27) sont de forme et de dimension identiques.
9. 9. Compresseur selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel lesdits trous de ventilation (27) sont circulaires.
10. 10. Compresseur selon l'une des revendications 5 à 9, dans lequel le disque de rotor à ventiler correspond au dernier disque aval (5) des étages de compression, ledit moyen de guidage radial d'air (18) à ouverture de ventilation (26) étant prévu sur la face arrière (20) de l'avant-dernier disque de rotor (4).
11. 11. Disque de rotor (4) pour turbomachine, comportant un moyen de guidage d'air à prélèvement centripète (18) formé d'au moins un passage radial (19) dans le voile du disque, caractérisé par le fait que des ouvertures de ventilation (26) sont percées dans le voile pour diriger une partie de l'air circulant dans le passage en direction axiale d'un disque adjacent.20