FR3002586A1 - Reduction des echanges convectifs entre l'air et le rotor dans une turbine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une turbine, notamment basse pression, comprenant au moins un distributeur (2) et un rotor (3), le distributeur (2) comprenant une pluralité de pales fixes (24) s'étendant radialement par rapport à un axe de rotation (X) de la turbine (7) depuis une plateforme annulaire interne (21), la turbine (7) étant caractérisée en ce que le distributeur (2) comprend en outre des moyens de freinage (16) de l'air adaptés pour réduire la vitesse relative de rotation de l'air par rapport au rotor dans une zone adjacente à la plateforme annulaire interne (21).

Description

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne de manière générale les moteurs à turbine à gaz, et plus particulièrement la réduction des échanges convectifs dans une turbine, par exemple une turbine basse pression d'une turbomachine. Des domaines d'application de l'invention sont les turboréacteurs et turbopropulseurs d'avions et les turbines à gaz industrielles. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Un exemple de turbomachine a été illustré en figure 1.

Une turbomachine 1 comporte typiquement une nacelle qui forme une ouverture pour l'admission d'un flux déterminé d'air vers le moteur proprement dit. Généralement, la turbomachine comprend une ou plusieurs sections de compression 4 de l'air admis dans le moteur (généralement une section basse pression et une section haute pression). L'air ainsi comprimé est admis dans la chambre de combustion 5 et mélangé avec du carburant avant d'y être brûlé. Les gaz de combustion chauds issus de cette combustion sont ensuite détendus dans différents étages de turbine. Une première détente est faite dans un étage à haute pression 6 immédiatement en aval de la chambre de combustion 5 et qui reçoit les gaz à la température la plus élevée. Les gaz sont détendus à nouveau en étant guidés à travers les étages de turbine dits à basse pression 7. Une turbine, basse pression 7 ou haute pression 6, comporte classiquement un ou plusieurs étages, chacun étant constitué d'une rangée de pales de turbine fixes, aussi appelée distributeur, suivie d'une rangée d'aubes mobiles de turbine, qui forment le rotor. Le distributeur 2 dévie le flux de gaz prélevé au niveau de la chambre de combustion 5 vers les aubes mobiles de turbine à un angle et une vitesse appropriés afin d'entraîner en rotation ces aubes mobiles et le rotor de la turbine.

Le distributeur 2 comprend une pluralité de pales espacées circonférentiellement autour d'un axe de rotation X de la turbomachine 1 (ledit axe X correspondant à l'axe de rotation de la turbine 7), et s'étendant radialement par rapport à cet axe X de manière à relier un élément annulaire radialement interne (ou plateforme interne) et un élément annulaire radialement externe (ou plateforme externe). L'ensemble forme une veine annulaire en regard des aubes mobiles de la turbine.

Le rotor quant à lui comprend plusieurs disques, par exemple cinq disques, qui comprennent généralement des rainures périphériques telles que des alvéoles dans lesquelles les aubes mobiles sont emboîtées, ou sont réalisés d'une seule pièce avec les aubes mobiles, qui sont alors usinées sur la périphérie des disques. Les différents disques peuvent être assemblés de manière coaxiale par soudage faisceau d'électrons, par soudage par friction rotative, ou encore par boulonnage. Le rotor de la turbine est soumis à un environnement thermique très chaud, bien supérieur aux températures maximales admissibles par les pièces du rotor. Une ventilation spécifique pour les disques du rotor a donc été mise en place, au cours de laquelle un flux d'air pressurisé est introduit dans le rotor en vue de refroidir ses pièces, en particulier ses disques. Toutefois, on constate que des fuites F d'air chaud en provenance de la veine s'introduisaient dans le rotor, et provoquaient des échanges thermiques par convection avec les disques du rotor. En particulier, comme illustré sur la figure 4 annexée, l'air de fuite F en provenance de la veine pénètre dans le rotor, immédiatement en aval des roues mobiles, passe sous la plateforme interne des distributeurs pour atteindre la roue mobile adjacente, disposée immédiatement en aval. On a donc proposé de réduire le débit d'air de fuite F introduit dans le rotor à l'aide de joints labyrinthes, formés d'une part d'une partie tournante à ailettes (ou léchettes), et d'autre part d'une partie statique présentant un alésage 14 comportant un matériau abradable, capable de résister à des températures élevées. Les léchettes sont en général constituées de lames continues ou segmentées de forme annulaire, disposées sur le rotor au niveau de la jonction entre les roues mobiles, tandis que l'alésage en matériau abradable 14 est disposé en regard, sur une face inférieure de la plateforme interne du distributeur.

Cependant, il s'avère que la réduction de débit ne permet pas de réduire suffisamment les échanges convectifs avec le rotor, dans la mesure où les coefficients d'échange au niveau des disques du rotor restent trop importants pour que leur température soit suffisamment réduite. La température de travail des disques du rotor reste donc trop élevée au vu des matériaux utilisés, ce qui a tendance à réduire leur durée de vie. RESUME DE L'INVENTION Un objectif de l'invention est donc de remédier aux problèmes précités de l'art antérieur, et en particulier de proposer une turbine comprenant des moyens permettant de réduire plus efficacement les échanges thermiques entre l'air chaud de fuite en provenance de la veine avec le rotor, et notamment les disques des rotors, afin d'augmenter leur durée de vie, pour un coût et un poids global modéré.

Pour cela, l'invention propose une turbine, notamment basse pression, comprenant au moins un distributeur et un rotor, le distributeur comprenant une pluralité de pales fixes s'étendant radialement par rapport à un axe X de rotation de la turbine depuis une plateforme annulaire interne, la turbine étant caractérisée en ce que le distributeur comprend en outre des moyens freinage de l'air adaptés pour réduire la vitesse de rotation de l'air dans une zone adjacente la plateforme annulaire interne et réduire ainsi la vitesse relative de rotation de l'air par rapport au rotor. Certaines caractéristiques optionnelles mais non limitatives de cette turbine sont les suivantes : - la plateforme annulaire interne comprend un plateau annulaire formant support desdites pales, une paroi radiale s'étendant depuis le plateau annulaire en direction de l'axe de rotation de la turbine, et une couronne interne, s'étendant depuis la paroi radiale, et les moyens de freinage comprennent des protubérances qui s'étendent entre le plateau annulaire de la plateforme annulaire interne et la couronne interne, - les protubérances s'étendent depuis la couronne interne /ou le plateau annulaire de la plateforme annulaire interne, - les protubérances sont formées intégralement et en une pièce avec la plateforme annulaire interne, - les protubérances et la plateforme annulaire interne sont des pièces distinctes, - les protubérances s'étendent depuis une face amont de la paroi radiale de la plateforme annulaire interne, - les protubérances comprennent une série d'ailettes s'étendant depuis la plateforme annulaire interne, - la plateforme annulaire interne comprend en outre un muret annulaire radial s'étendant depuis la couronne interne en direction du plateau annulaire, et - les moyens de freinage s'étendent entre le muret annulaire radial et la couronne interne. L'invention propose également un distributeur pour une telle turbine.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur zo lesquels : La figure 1 représente un exemple de turbomachine sur lequel s'applique l'invention, La figure 2a est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un secteur de distributeur comprenant un premier exemple de réalisation 25 de moyens de freinage de l'air de fuite F conforme à l'invention, La figure 2b est une vue en détail en perspective d'une plateforme interne d'un secteur de distributeur comprenant un deuxième exemple de réalisation de moyens de freinage conforme à l'invention, La figure 3 est une vue en coupe en détail d'un premier mode de 30 réalisation d'une turbine conforme à un exemple de réalisation de l'invention, sur laquelle est visible le chemin parcouru par l'air en provenance de la veine au niveau d'une pale du distributeur, La figure 4 est une vue en détail d'une section d'une turbine conforme à l'art antérieur, sur laquelle est visible le chemin parcouru par l'air de fuite F au niveau d'une pale du distributeur, et La figure 5 est une vue en coupe en détail d'un deuxième mode de 5 réalisation d'une turbine conforme à un exemple de réalisation de l'invention, sur laquelle est visible le chemin parcouru par l'air en provenance de la veine au niveau d'une pale du distributeur. 10 DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION L'invention va être décrite tout particulièrement en référence à une turbine basse pression 7, comprenant une série de distributeurs 2 basse pression (ou stator) alterné selon l'axe X de rotation de la turbomachine 1 avec une série de roues mobiles (ou rotor). Ceci n'est cependant pas 15 limitatif, dans la mesure où la turbine 7 pourrait comprendre un nombre d'étages différent, et que l'invention trouve aussi bien application dans une turbine haute pression 6, pouvant être mono- ou multi étages. La turbine 7 comporte classiquement un ou plusieurs étages, chacun 20 étant constitué d'un distributeur 2 suivi d'un rotor 3 (ou roue mobile). Le rotor 3 comprend plusieurs disques 30, par exemple cinq disques 30, qui comprennent généralement des rainures périphériques telles que des alvéoles dans lesquelles les aubes mobiles 32 sont emboîtées, ou sont réalisés d'une seule pièce avec les aubes mobiles 32, qui sont alors usinées 25 sur la périphérie des disques 30. Les différents disques 30 peuvent notamment être assemblés de manière coaxiale par boulonnage. Chaque disque 30 de rotor 3 comporte alors une bride annulaire 34a qui s'étend vers l'amont depuis la face radiale amont du disque 30, autour de laquelle peut être monté un flasque 30 annulaire assurant l'étanchéité du passage de l'air de refroidissement des disques 30, ainsi qu'une bride annulaire aval 34b qui s'étend depuis la face radiale aval du disque 30, adaptée pour être connectée avec la bride amont 34a du disque 30 aval adjacent. Ici, l'amont et l'aval sont définis par le sens d'écoulement des gaz dans la turbomachine. En variante, les disques 30 peuvent être assemblés de manière coaxiale par soudage par faisceau d'électrons ou par friction rotative Le distributeur 2 quant à lui comprend une pluralité de pales fixes 24 disposées radialement par rapport à l'axe de rotation X de la turbomachine 1, reliant une plateforme annulaire radialement interne 20 et une plateforme 20 annulaire radialement externe 25. Les plateformes 20 et 25 du distributeur 2 forment la veine annulaire en regard des aubes mobiles 32 de la turbine. La plateforme interne 20 comprend un plateau 21, comprenant une surface interne 21a et une surface externe 21b, la surface externe 21b formant support pour les pales 24, et une paroi radiale 22 s'étendant de la surface interne 21a dudit plateau 21 vers l'axe X de la turbomachine 1. La paroi radiale 22 de la plateforme interne 20 est en outre associée à une couronne interne 23. Le distributeur 2 et le rotor 3 de chaque étage sont espacés de manière à créer un jeu et permettre la rotation et la dilatation relative du rotor 3 par rapport au distributeur 2, qui est fonction notamment des variations de régime de la turbomachine 1. Ce jeu forme par ailleurs un passage, par lequel de l'air de fuite F en provenance de la veine peut être introduit dans le rotor 3. On a représenté sur la figure 3 une vue en coupe en détail de la 25 plateforme 20 d'un distributeur 2, ainsi que les roues mobiles 32 immédiatement amont et aval de ce distributeur 2. Comme indiqué par la flèche, l'air de fuite F en provenance de la veine pénètre dans le rotor 3 pénètre entre le disque 30 de la roue mobile amont 3 et le distributeur 2 (point 1), au niveau du plateau 21 de la 30 plateforme interne 20, longe la paroi radiale 22 et contourne la couronne interne 23 (point 2) de la plateforme interne 20, puis passe sous le distributeur 2 (point 3), pour finalement atteindre le disque 30 de la roue mobile aval 3. De manière optionnelle, la turbine peut comprendre des joints labyrinthes, comprenant les léchettes 12 et l'alésage 14 en matériau abradable décrits ci-avant. Les léchettes 12 peuvent alors s'étendre radialement depuis la jonction des brides 34 amont et aval des disques 30, tandis que l'alésage s'étend en regard depuis la surface interne de la couronne interne 23.

La Demanderesse s'est aperçue que les coefficients d'échange entre l'air de fuite F en provenance de la veine et le rotor 3 étaient liés à leur vitesse de rotation relative. Or, en aval des roues mobiles, la vitesse de rotation de l'air de fuite F est globalement égale en valeur absolue à la vitesse de rotation des roues mobiles, mais tourne en sens inverse autour de l'axe X de rotation de la turbomachine : la vitesse de rotation relative de l'air de fuite F par rapport au rotor 3 est donc très élevée. En conséquence, le coefficient d'entrainement Ke de l'air de fuite F par rapport au rotor 3 (c'est-à-dire le rapport entre la vitesse de l'air dans le coeur de l'écoulement et la vitesse de rotation du disque 30 du rotor 3) est négatif dans la zone 1 des figures 3 et 4, par exemple de l'ordre de -1. Lors du passage de l'air de fuite F dans le rotor 3 (zone 3), ce coefficient Ke tend à augmenter jusqu'à devenir positif, ce qui implique une réduction des coefficients d'échanges entre l'air de fuite F et le rotor 3. Néanmoins, cette augmentation n'est pas suffisante pour éviter un échange convectif important, en particulier au niveau des bride 34s et du flasque 36 du rotor 3, d'où la température élevée des disques 30 du rotor 3 et des viroles. L'invention propose par conséquent de ralentir la vitesse de rotation du flux d'air au niveau du rotor 3 (zone 2), où le coefficient d'entrainement est négatif, en particulier dans la zone située en amont du labyrinthe 12 (soit au niveau de la plateforme interne 20) afin d'augmenter le coefficient d'entrainement Ke de l'air et le rapprocher de la valeur de 1, à l'aide de moyens de freinage 16 du flux d'air de fuite F dans le rotor 3. En effet, en réduisant la vitesse du flux d'air de fuite F par rapport à la vitesse de rotation du rotor 3, on diminue les échanges convectifs, et donc la capacité de l'air de fuite F à chauffer les disques 30 du rotor 3.

Pour cela, les moyens de freinage 16 comprennent des protubérances qui s'étendent de préférence sur le chemin du flux d'air de fuite F dans le rotor 3, par exemple entre le plateau 21 annulaire de la plateforme 20 annulaire interne 20 et la couronne interne 23 (zone 2). Par exemple, les protubérances 16 peuvent s'étendre depuis la couronne interne 23 de la plateforme 20 annulaire, et/ou depuis une face amont 22a de la paroi radiale 22 de la plateforme 20 annulaire. En variante, les protubérances 16 peuvent également s'étendre depuis le plateau 21, et éventuellement depuis une face amont 22a de la paroi radiale 22 de la plateforme annulaire 20. Les protubérances 16 peuvent ainsi être formées intégralement et en une seule pièce avec la plateforme interne 20, et plus particulièrement la couronne interne 23, le plateau 21 et/ou la paroi radiale 22, ou en variante être rapportées et fixées sur la plateforme interne 20. Selon une forme de réalisation, les protubérances 16 peuvent notamment s'étendre vers l'amont depuis la plateforme interne 20, soit en direction flux d'air de fuite F. Les protubérances 16 forment ainsi un obstacle au flux d'air de fuite F dans le rotor 3 et réduisent sa vitesse de rotation dans la zone 2 relativement au rotor, ce qui permet de diminuer le coefficient d'échange de l'air par rapport au rotor 3 dans la zone 3. Ainsi, alors que l'art antérieur se limitait à réduire simplement le débit d'air de fuite F, en particulier à l'aide de labyrinthes 12 disposés sur le passage de l'air, l'invention propose d'influencer le niveau des échanges convectifs en agissant sur le coefficient d'entrainement de l'air de fuite F par rapport au rotor 3. On comprendra bien entendu que les deux solutions techniques peuvent être combinées afin de réduire encore davantage les échanges convectifs entre l'air et les disques 30 du rotor 3. Le distributeur 2 comprend alors à la fois des protubérances 16 sur du côté amont de la plateforme interne 20, afin de freiner l'air de fuite F, et l'alésage 14 en matériau abradable sur la face interne 23a de la couronne interne 23, afin de réduire le débit d'air, tandis que le rotor 3 comprend les léchettes 12 s'étendant radialement en regard de l'alésage 14.

Dans l'exemple de réalisation illustré en figures 2a et 3, les protubérances 16 formant les moyens de freinage comprennent une série d'ailettes 16, comprenant chacune une cloison s'étendant radialement par rapport à l'axe X de la turbomachine entre la couronne interne 23 et le plateau 21 de la plateforme interne 20 du distributeur 2. Ici, les ailettes 16 s'étendent notamment entre la couronne interne 23 et la paroi radiale 22 de la plateforme 20 annulaire. En variante, dans l'exemple de réalisation de la figure 5, les ailettes 16 s'étendent entre le plateau annulaire 21 et la paroi radiale 22 de la plateforme 20 annulaire.

Dans tous les cas, la mise en oeuvre de telles protubérances sur la plateforme annulaire 20 permet d'arrêter localement l'air de fuite F qui pénètre dans le rotor 3 dans la zone 2, dans la mesure où les protubérances 16 forment un obstacle sur son cheminement vers les disques 30. L'air de fuite F ainsi ralenti contourne ensuite la couronne interne 23 (zone 3), avant de passer sous le distributeur 2 et d'atteindre le disque 30 aval du rotor 3. Le flux d'air voit donc son coefficient d'entrainement Ke augmenter progressivement entre la zone 1, qui correspond à son point d'entrée dans le rotor 3, où sa valeur est négative, par exemple de l'ordre de -1, pour tendre vers 0 après avoir été freiné par les ailettes 16 dans la zone 2, puis vers 1 au niveau de la zone 3 qui est adjacente aux disques 30 du rotor 3. Les échanges convectifs peuvent encore être réduits grâce à la mise en oeuvre simultanée (et optionnelle) du labyrinthe, comprenant les léchettes 12 et le matériau abrasif, qui permet de diminuer le débit d'air de fuite F entre les deux disques 30 du rotor 3. Le disque 30 aval du rotor 3 peut alors mettre plus rapidement l'air de fuite F en rotation de sorte que son coefficient d'entrainement tend plus rapidement vers la valeur 1 (ce qui implique que la vitesse relative de rotation de l'air par rapport au rotor 3 tend vers 0) que lorsque la turbine 7 est dépourvue de moyens de freinage 16. Les échanges convectifs entre l'air de fuite F et les disques 30 sont donc nettement diminués, réduisant ainsi fortement la température des disques 30 du rotor 3 (en particulier dans la zone des brides 34 et du flasque 36), ce qui permet d'améliorer la durée de vie de ces pièces. Les ailettes 16 s'étendent de préférence selon une direction globalement parallèle à l'axe X de la turbomachine. Elles peuvent être droites, et s'étendre radialement par rapport à l'axe X, ou présenter des formes particulières permettant d'améliorer le ralentissement du flux d'air, réduire les coûts en termes de matière et de fabrication, et/ou réduire la masse globale du distributeur 2. Ainsi, les ailettes 16 peuvent présenter une surface courbe, comprendre une unique cloison continue ou en variante plusieurs cloisons discontinues, comprendre des perçages, etc. Ainsi, on a illustré sur la figure 2b un exemple d'ailettes 16 s'étendant entre la couronne interne 23 et la paroi radiale 22, et comprenant une surface courbe dont la concavité est orientée vers le flux d'air de fuite F. Ici, la surface des ailettes 16 correspond sensiblement à la surface d'un quart de cylindre dont l'axe de révolution est parallèle à l'axe X de la turbomachine. En variante (non illustrée sur les figures), les ailettes 16 pourraient également être conformées de sorte que leur axe de révolution s'étende radialement par rapport à l'axe X de la turbomachine, ou que leur surface soit partiellement sphérique. De la sorte, la direction du flux d'air F est modifiée de sorte que l'air soit dévié radialement par les ailettes 16 par rapport à l'axe X de la turbomachine. Les dimensions, la forme et le nombre de protubérances 16 ainsi que leur position par rapport sur la plateforme interne 20 déterminent leur capacité à ralentir la vitesse de rotation du flux d'air. Ce choix peut cependant être limité par les exigences de coût et de poids de la turbine 7.

Par exemple, dans le cas de protubérances 16 comprenant des ailettes 16, l'augmentation du coefficient d'entrainement dépend notamment de la surface utile des ailettes 16 (c'est-à-dire la surface des ailettes 16 faisant obstacle à l'air de fuite F et permettant de ralentir sa vitesse de rotation négative et éventuellement de dévier le flux d'air de fuite F), et du nombre d'ailettes 16, par exemple entre 1 et 100 ailettes 16 par distributeur 2. Le nombre d'ailettes 16 peut notamment être déterminé en fonction du gain thermique, du diamètre du distributeur (et donc de l'étage du distributeur) et de l'impact en masse désirés pour le secteur de distributeur.

Par ailleurs, leur cloison radiale est dimensionnée de manière à résister aux contraintes thermiques et mécaniques qui lui sont appliquées. Par exemple, les ailettes 16 peuvent être réalisées dans un matériau similaire au matériau constitutif de la plateforme interne 20 du distributeur 2.

Selon une forme de réalisation, la plateforme 20 annulaire peut en outre comprendre un muret radial annulaire 18 s'étendant depuis la couronne interne 23 en direction du plateau 21 annulaire, adapté pour limiter l'introduction d'air de fuite F en provenance de la veine dans le rotor 3. Le muret annulaire 18 peut par exemple s'étendre radialement de zo l'extrémité amont de la couronne interne 23 en direction de la veine d'air. Les ailettes 16 peuvent alors s'étendre jusqu'au muret annulaire 18, par exemple entre le muret annulaire 18 et la face amont 22a de la paroi radiale 22 de la plateforme interne 20. 25

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Turbine (7), notamment basse pression, comprenant au moins un distributeur (2) et un rotor (3), le distributeur (2) comprenant une pluralité de pales fixes (24) s'étendant radialement par rapport à un axe de rotation (X) de la turbine (7) depuis une plateforme annulaire interne (20), la turbine (7) étant caractérisée en ce que le distributeur (2) comprend en outre des moyens de freinage (16) de l'air adaptés pour réduire la vitesse relative de rotation de l'air par rapport au rotor (3) dans une zone adjacente à la plateforme annulaire interne (20).
2. 2. Turbine (7) selon la revendication 1, la plateforme annulaire interne (20) comprenant : - un plateau annulaire (21) formant support desdites pales, - une paroi radiale (22) s'étendant depuis le plateau annulaire (21) en direction de l'axe de rotation (X) de la turbine, et - une couronne interne (23), s'étendant depuis la paroi radiale (22), dans laquelle les moyens de freinage (16) comprennent des protubérances qui s'étendent entre le plateau annulaire (21) de la plateforme annulaire interne (21) et la couronne interne (23).
3. 3. Turbine (7) selon la revendication 2, dans laquelle les protubérances (16) s'étendent depuis la couronne interne (23) et/ou le plateau annulaire (21) de la plateforme annulaire interne (20).
4. 4. Turbine (7) selon la revendication 3, dans laquelle les protubérances (16) sont formées intégralement et en une pièce avec la plateforme annulaire interne (20).30
5. 5. Turbine (7) selon la revendication 3, dans laquelle les protubérances (16) et la plateforme annulaire interne (20) sont des pièces distinctes.
6. 6. Turbine (7) selon l'une des revendications 2 à 5, dans laquelle les protubérances (16) s'étendent depuis une face amont (22a) de la paroi radiale (22) de la plateforme annulaire interne (20).
7. 7. Turbine (7) selon l'une des revendications 2 à 6, dans laquelle les protubérances (16) comprennent une série d'ailettes s'étendant depuis la plateforme annulaire interne (20).
8. 8. Turbine (7) selon l'une des revendications 2 à 7, dans laquelle la plateforme annulaire interne (20) comprend en outre un muret annulaire radial (18) s'étendant depuis la couronne interne (23) en direction du plateau annulaire (21).
9. 9. Turbine (7) selon la revendication 8, dans laquelle les moyens de freinage (16) s'étendent entre le muret annulaire radial (18) et la couronne interne (23).
10. 10. Distributeur (2) d'une turbine (7) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de freinage (16) de l'air adaptés pour réduire la vitesse relative de rotation de l'air par rapport au rotor (3) dans une zone adjacente à la plateforme annulaire interne (20).30