FR2995020A1 - Turbomachine comprenant un circuit de ventilation a fourreau telescopique - Google Patents

Abstract

Le dispositif de ventilation de l'intérieur d'une turbomachine comprend une paire de fourreaux (12, 15) en prolongement et pouvant être repliés l'un sur l'autre par un mouvement télescopique pour faciliter le montage et le démontage de la machine. Leur fonction est de permettre à du gaz de ventilation originaire d'un orifice (11) de pressuriser deux enceintes (9, 10) proposées après avoir refroidi des pièces, en laissant cet air entrer dans les fourreaux (12, 15) par des ouvertures, après quoi il est canalisé. Cette circulation se fait de façon très régulière.

Description

TURBOMACHINE COMPRENANT UN CIRCUIT DE VENTILATION A FOURREAU TELESCOPIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE Le sujet de l'invention est une turbomachine comprenant un circuit de ventilation à fourreau télescopique. Des circuits de ventilation sont prévus dans les turbomachines afin de rafraîchir certaines pièces soumises à des échauffements intenses, parmi lesquelles on peut mentionner des parties médianes de la turbomachine et notamment les disques de compresseurs à haute pression. Du gaz, en général de l'air originaire des compresseurs en amont des parties à rafraîchir et qu'on soutire de l'écoulement principal dans la turbomachine, est utilisé à cette fin. Il pénètre dans les cavités entourant la ligne d'arbre centrale de la turbomachine et dans lesquelles s'étendent les pièces à rafraîchir, dont il enlève une partie de la chaleur en les léchant avant de quitter les cavités. Certaines de ces cavités entourant la ligne d'arbres et entourées par certains des éléments tournants -turbines ou compresseurs- de la turbomachine doivent aussi être pressurisées. Le gaz ayant servi à la ventilation est encore utilisé pour satisfaire à ces fonctions. C'est le cas, dans certaines machines, d'une enceinte située dans une région aval, dans les turbines. C'est pourquoi on a disposé un fourreau de canalisation du gaz qui s'étend autour de la ligne d'arbres de la cavité recevant le gaz de rafraîchissement à l'enceinte aval à pressuriser. Le gaz de pressurisation ne doit cependant pas être d'une température excessive pour permettre le bon fonctionnement de l'enceinte. Pour que ce gaz ne dépasse pas la limite de température tout en assurant le refroidissement des parties médianes de la turbomachine, il est nécessaire d'assurer un débit minimal de ce gaz de refroidissement pour limiter l'augmentation de sa température. Ce débit imposé par la limite de température est largement supérieur au débit nécessaire pour assurer la pressurisation, de sorte qu'un fraction du débit pourrait être évacuée. Cependant, dans l'état de l'art actuel l'intégralité de ce débit de refroidissement pressurise ensuite l'enceinte, de sorte que l'intégralité du débit passe par le fourreau de canalisation. Ce fort débit pose de grandes difficultés dans la conception du fourreau, puisque les cavités qu'il doit traverser possèdent une section critique, très resserrée, entre la cavité de rafraîchissement et l'enceinte aval à pressuriser. Le fourreau ne peut pas avoir un rayon beaucoup supérieur à celui de la ligne d'arbres, de sorte que la section offerte à la canalisation du gaz est petite et limite excessivement le débit de pressurisation. Des solutions déjà envisagées pour résoudre cette difficulté consistent à agrandir la section critique en modifiant les dimensions des éléments tournants qui délimitent cette section, et plus précisément en disposant des disques tournants ayant un rayon intérieur plus grand. Cette idée est praticable mais présente l'inconvénient que les disques subissent des contraintes plus importantes près de leur rayon intérieur et doivent donc être renforcés en augmentant leur épaisseur, ce qui peut créer des difficultés d'encombrement et impose des masses plus importantes. Une autre solution consisterait à faire passer le gaz à l'intérieur de la ligne d'arbres et notamment de la ligne d'arbre à basse pression, qui est creux et a une section intérieure suffisante ; mais il faudrait alors ouvrir des passages à travers cet arbre, ce qui produirait des concentrations de contrainte particulièrement gênantes dans une zone pouvant être fortement chargée en torsion. L'usinage du matériau spécial de l'arbre serait difficile et coûteux, et les pertes de résistance devraient être compensées par des bossages ou des renforcements analogues, qui seraient problématiques à cause des restrictions des jeux et de la section de passage, pouvant mener à des difficultés d'assemblage de la machine. Une autre solution a donc été conçue et forme le sujet de la présente invention. Elle consiste à ajouter au fourreau existant un autre fourreau, situé plus en amont et le prolongeant ; et les fourreaux sont 25 télescopiques l'un dans l'autre afin de permettre le montage ou le démontage de la machine, qui oblige à déplacer alors le fourreau existant vers l'avant. L'utilisation du fourreau amont permet de pressuriser les enceintes à l'amont de la turbomachine 30 avec de l'air ayant servi au refroidissement de la zone médiane. Le débit d'air de refroidissement est donc évacué en partie vers l'amont et en partie vers l'aval, réduisant ainsi l'excès de débit d'air traversant le fourreau aval. Une définition générale de l'invention est ainsi une turbomachine comprenant une ligne d'arbres centrale, des éléments tournants, comprenant au moins un compresseur à une région amont et une turbine à une région aval de la turbomachine, alignés sur la ligne d'arbres et séparés de la ligne d'arbres par des cavités annulaires successives en communication, ainsi qu'un dispositif de ventilation comprenant un orifice de fourniture de gaz faisant communiquer le compresseur à une des cavités dans une région médiane, entre la région amont et la région aval de la turbomachine, et un fourreau de canalisation du gaz s'étendant dans les cavités de la région médiane à la région aval autour de la ligne d'arbres centrale avec un jeu, caractérisée en ce qu'elle comprend un fourreau amont de canalisation des gaz prolongeant le fourreau aval et s'étendant de la région médiane à la région amont autour de la ligne d'arbre centrale avec un jeu, le fourreau aval et le fourreau amont étant coulissants l'un dans l'autre de façon télescopique. Avantageusement, le fourreau amont et le fourreau aval ont des extrémités de superposition dans la région médiane, qui sont en appui glissant l'une sur l'autre, et au moins un des fourreaux amont et aval comporte des ouvertures d'entrée du gaz. Le mouvement télescopique des fourreaux est 30 alors facile. Comme leur jonction ne permet plus toutefois une entrée suffisante de gaz, il est nécessaire de ménager des ouvertures mentionnées. Selon une autre disposition, le fourreau aval a une extrémité aval fixée à la turbine et le fourreau amont a une extrémité amont fixée au compresseur de manière à clore les cavités. Les cavités, incluant la cavité de rafraîchissement où le gaz est d'abord délivré pour effectuer le rafraîchissement, sont alors closes par les extrémités des fourreaux, et le gaz doit emprunter ceux-ci, ce qui garantit une canalisation suffisante. Le gaz et notamment le gaz destiné à s'écouler vers l'amont doit alors séjourner suffisamment dans la cavité de rafraîchissement et exercer une action correspondante de façon notable, alors qu'il peut quitter presque immédiatement cette cavité dans la conception existante. Cet avantage est accru si des ouvertures d'entée du gaz dans les fourreaux sont opposées à l'orifice d'introduction du gaz dans la cavité de rafraîchissement en direction axiale de la turbomachine, puisque tout le débit de gaz doit traverser cette cavité avant d'entrer dans les fourreaux. Un joint peut être installé entre le 25 fourreau amont et le fourreau aval pour assurer un bon contact tout en permettant le mouvement relatif des deux fourreaux. Un autre perfectionnement qu'on peut proposer consiste à disposer des encoches linéaires sur 30 l'un des fourreaux, qui divisent l'extrémité de ce fourreau en lamelles parallèles en direction axiale.

Ces encoches peuvent constituer les ouvertures mentionnées plus haut, servant à l'introduction du gaz dans les fourreaux. Elles ont l'avantage d'accroître la souplesse du fourreau concerné à l'extrémité en superpositions, et donc la souplesse de l'assemblage des fourreaux. La souplesse du joint porté au bout des lamelles lui permet de réduire temporairement son diamètre par flexion des lamelles, lors du montage par exemple. Ceci permet le passage du joint à l'intérieur d'arbres de diamètre légèrement inférieur à celui du joint, lors du montage par exemple, dans le but de placer le joint à l'emplacement minimisant la réduction de section de passage du gaz de refroidissement. Une réalisation purement illustrative de 15 l'invention sera maintenant décrite complètement en liaison aux figures suivantes : -la figure 1 illustre une réalisation de l'art antérieur, -la figure 2 est un agrandissement de la 20 figure 1, -la figure 3, une vue générale de l'invention, -les figures 4, 5 et 6 sont des détails des extrémités des fourreaux et des pièces voisines de la 25 turbomachine aux régions aval, amont et médiane, -et la figure 7 est une variante de réalisation de la région médiane. La figure 1 illustre la plus grande partie d'une turbomachine conforme aux conceptions connues les 30 plus proches de l'invention. Elle comprend une ligne d'arbres 1 axiale comprenant un arbre à haute pression et un arbre à basse pression concentriques. La turbomachine comprend encore un compresseur à basse pression 2, un compresseur à haute pression 3, une turbine à haute pression 4 et une turbine à basse pression 5 qui constituent autant d'éléments tournants alignés sur la ligne d'arbres 1. Des cavités 6 s'étendent entre ces éléments tournants et la ligne d'arbre 1. Elles sont occupées notamment par les disques 7 du compresseur à haute pression 3, qu'il faut rafraîchir, et les disques 8 de la turbine à haute pression 4. On distingue une enceinte aval 9 et une enceinte amont 10, toutes deux à pressuriser, parmi les cavités 6 ; la première est au droit de la turbine à basse pression 5 et la seconde au droit du compresseur à basse pression 2. La figure 2 illustre que de l'air originaire d'une portion relativement en amont des compresseurs, ici à l'entrée du compresseur à haute pression 3, est soutiré de l'écoulement principal et introduit dans les cavités 6 par un orifice 11, et que la plus grande partie vient lécher les disques 7 et les refroidit. Un fourreau aval 12 est engagé dans les cavités 6 autour de la ligne d'arbre 1, et il s'étend de la région médiane 13 des cavités 6, qui contient les disques 7, jusqu'à l'enceinte aval 9. L'air de refroidissement est canalisé entre le fourreau aval 12 et la ligne d'arbres 1 et aboutit à l'enceinte aval 9 ; une autre partie s'écoule dans le sens opposé à partir de l'orifice 11 et aboutit à l'enceinte amont 10 sans refroidir les disques. Ainsi qu'on l'a mentionné, le passage du débit d'air de refroidissement aboutissant à l'enceinte aval 9 est toutefois difficile à cause notamment des disques 8 de la turbine à haute pression 4, qui s'étendent près de la ligne d'arbre 1 et imposent donc un rayon guère plus important du fourreau aval 12, et une section d'écoulement réduite. D'après l'invention, représenté sous sa forme générale à la figure 3, le fourreau aval 12 est complété par un fourreau amont 15 qui lui est télescopique afin de repousser le fourreau aval 12 sur le fourreau amont 15 et d'accéder à une bride 16 boulonnée, pour monter et démonter la machine et qui assure à la jonction du compresseur à haute pression 3 à la turbine à haute pression 4. Les figures 4 et 5 montrent que le fourreau aval 12 et le fourreau amont 15 sont chacun fixés à une partie du rotor, ici appartenant respectivement à la turbine à basse pression 4 et au compresseur à basse pression 2, par leurs extrémités extérieures. Les fixations des fourreaux 12 et 15 sur lesdites parties du rotor sont assurées par un filetage 17 ou 18, jusqu'à un contact de surfaces de butée 19 ou 20, et elles sont maintenues par des dispositifs d'antirotation 21 ou 22 comprenant par exemple l'imbrication d'une languette 23 du fourreau 12 ou 15 dans l'encoche d'un bossage 24 de la partie du rotor. La figure 6 montre la jonction des fourreaux 12 et 15, qui consiste essentiellement en un appui plan 25 de la face externe du fourreau amont 15 sur la face interne du fourreau aval 12. Ces faces sont cylindriques de manière à permettre un mouvement télescopique complet des fourreaux 12 et 15. Comme la face interne du fourreau aval 12 est étroite et limitée à l'extrémité, le reste du fourreau aval 12 ayant un plus grand diamètre, la superficie de contact de l'appui 25 reste constante et aucun frottement supplémentaire n'est produit à mesure que le télescopage se produit. Le passage de l'air dans les fourreaux 12 et 15 est assuré par des ouvertures 31 traversant la paroi du fourreau amont 15. Une étanchéité plus grande de la région médiane 13, et donc une canalisation plus abondante de l'air par les fourreaux 12 et 15 est procurée si le fourreau extérieur, c'est-à-dire le fourreau aval 12, comprend un joint d'étanchéité 26 frottant sur une portée cylindrique 27 d'une pièce en regard, appartenant à un des disques 7. On se reporte pour finir à la figure 7, qui montre d'abord que le contact entre les fourreaux 12 et 15 peut être amélioré par un joint 28 établi entre les fourreaux 12 et 15 à côté de l'appui plan 25, et enfin que l'un des fourreaux, ainsi le fourreau amont 15, peut avoir une extrémité rendue souple en la divisant en lamelles 30 parallèles et axiales par des encoches, qui peuvent alors remplacer les ouvertures 31 puisqu'elles laissent aussi passer l'air. La souplesse des lamelles 30 leur permet de fléchir de manière analogue à 29 ; ceci rend possible le montage du joint dans la gorge du fourreau 12 en permettant une réduction temporaire du diamètre du joint lors du montage. Le montage du joint dans une gorge tel que présenté à la figure 7 permet de réduire fortement l'impact du joint sur la section de passage. Le joint permet en outre de tolérer des défauts d'alignement des fourreaux 12 et 15. Les ouvertures 31 ou les encoches étant placées en aval de la cavité de rafraîchissement 5 contenant les disques 7, alors que l'orifice 11 est opposé, en amont de cette cavité, tout le débit de gaz passe devant les disques 7 avant d'entrer dans les fourreaux 12 et 15, et rafraîchit ainsi efficacement ceux-là.

10 Selon certaines caractéristiques de l'invention : les extrémités aval du fourreau aval 12 et amont du fourreau amont 15 sont fixées à la turbine 5 et au compresseur 2 de manière à clore la cavité dans la région médiane ; les fourreaux 12 et 15 amont et 15 aval glissent à leurs extrémités en superposition ; l'un des fourreaux possède un joint d'étanchéité 26 sur un des éléments tournants de la turbomachine ; et la région médiane 13 s'étend dans le compresseur à haute pression 3, la région aval s'étend dans une turbine à 20 basse pression 5, la région amont s'étend dans le compresseur comprennent compresseur pression 4 à basse pression 2, les éléments tournants le compresseur à basse pression 2, le à haute pression 3, une turbine à haute et la turbine à basse pression 5.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Turbomachine comprenant une ligne d'arbres (1) centrale, des éléments tournants, comprenant au moins un compresseur (2) à une région amont et une turbine (5) à une région aval de la turbomachine, alignés sur la ligne d'arbres (1) et séparés de la ligne d'arbre par des cavités annulaires (6), successives et en communication, ainsi qu'un dispositif de ventilation comprenant un orifice (11) de fourniture de gaz faisant communiquer le compresseur à une des - cavités dans une région médiane (13), entre la région amont et la région aval, 4e la turbomachine, et un fourreau aval (12) de canalisation du gaz s'étendant dans les cavités (6) de la région médiane (13) à la région aval (9) autour de la ligne d'arbres ( 1 ) centrale avec un jeu, caractérisée en ce qu'elle comprend un fourreau amont (15) de canalisation des gaz prolongeant le fourreau aval et s'étendant de la région médiane (13) à la région amont (10) autour de la ligne d'arbre centrale avec un jeu, le fourreau aval et le fourreau amont étant coulissants l'un dans l'autre de façon. télescopique.
2. 2. Turbomachine selon la revendication. 1, caractérisée en ce que le fourreau amont et le fourreau aval ont des extrémités en superposition dans la région médiane, qui sont en appui (25) glissant l'une sur l'autre, et au moins un des fourreaux amont et aval comporte des ouvertures (31) d'entrée du gaz.
3. 3. Turbomachine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le fourreau aval a une extrémité aval fixée à la turbine (5) et le fourreau amont a une extrémité amont fixée au compresseur (2) de 5 manière à clore la cavité dans la région médiane.
4. 4. Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce que qu'elle comprend un joint permettant le glissement (28) entre le fourreau amont et le fourreau aval à leurs extrémités en superposition.
5. 5. Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce que les ouvertures comprennent des 15 encoches linéaires (30) divisant l'extrémité en superposition d'un des fourreaux en lamelles axiales.
6. 6. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'un des fourreaux possède un joint d'étanchéité (26) sur un des éléments tournants de la turbomachine.
7. 7. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la région 25 médiane (13) s'étend dans un compresseur à haute pression (3), la région aval s'étend dans une turbine à basse pression (5), la région amont s'étend dans un compresseur à basse pression (2), les éléments tournants comprennent le compresseur à basse pression, 30 le compresseur à haute pression, une turbine à haute pression (4) et la turbine à basse pression.