FR3024888B1 - Diffuseur radial a virole ajouree - Google Patents

Abstract

Est concerné un diffuseur radial destiné à l'alimentation en gaz d'une chambre de combustion dans une turbomachine, le diffuseur radial comportant : - deux flasques annulaires, l'un amont (22) l'autre aval par rapport au sens de circulation des gaz et qui sont reliés ensemble par des pales, et - une virole annulaire (48) qui s'étend vers l'amont depuis ledit flasque amont auquel ladite virole amont est fixée, la virole amont (48) présentant des ajours (56).

Description

DIFFUSEUR RADIAL A VIROLE AJOUREE L'invention concerne un diffuseur radial destiné à l'alimentation en air d'une chambre de combustion dans une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion.

Dans certaines réalisations, le dernier étage du compresseur d'alimentation (haute pression, HP) dans une turbomachine est un étage centrifuge dont la sortie est entourée par un diffuseur annulaire radial. Ce diffuseur est raccordé en sortie à un diffuseur axial (appelé aussi redresseur), a priori annulaire et cylindrique, qui alimente une chambre annulaire de combustion.

La fabrication des diffuseurs respectivement radial et axial pose un certain nombre de problèmes.

En effet, dans des solutions déjà proposées, une partie au moins de l'ensemble de ces deux diffuseurs est taillée dans la masse, l'autre partie étant réalisée de fonderie ou par mécano-soudure et fixée par boulonnage à la première partie ou à un carter. Or, la faible épaisseur des aubes et des flasques et viroles fait qu'il est très difficile de réaliser ainsi ces pièces, ce qui a pour conséquence des taux de rebut en fabrication trop élevés, voire des problèmes d'approvisionnement et de coût important.

Aussi a-t-il déjà été proposé, dans EP1882821, notamment un diffuseur radial destiné à l'alimentation en gaz d'une chambre de combustion dans une turbomachine, le diffuseur comportant : - deux flasques annulaires, l’un amont l’autre aval par rapport au sens de circulation des gaz et qui sont reliés ensemble par des pales (qui peuvent être à inclinaison sensiblement hélicoïdale), et - une virole amont, annulaire, qui s’étend vers l’amont depuis ledit flasque amont auquel la virole amont est liée.

Or, il est apparu que le dimensionnement de ce diffuseur radial est délicat car ce diffuseur est très sensible aux hautes températures. Des contraintes importantes ont été constatées.

Un problème technique identifié est donc de réduire le niveau des contraintes aux bords d’attaque des pales radiales, en liaison avec ce qui est expliqué plus loin.

Une solution proposée à cela est que la virole amont présente des ajours.

Ainsi, on va pouvoir obtenir un assouplissement de la virole amont qui va ainsi pouvoir mieux absorber les contraintes qu’elle doit supporter. La liaison a priori monobloc de la virole amont avec le flasque amont assure un report d’effort sécurisé vers le flasque amont.

Pour contrôler les contraintes, il est recommandé que les ajours dans la virole amont occupent l’essentiel de la surface de cette paroi, avec de préférence des bras sensiblement rectilignes entre les ajours. Ces bras seront alors de préférence parallèles à l’axe autour duquel s’étendront les flasques annulaires.

Afin de permettre au diffuseur radial de se dilater librement, il aurait pu idéalement penser supprimer la virole amont. Ceci n’étant pas ici possible car la virole participe au maintien structurel du diffuseur, il a donc été imaginé de l’ajourer afin d’assouplir cette liaison et donc limiter l’impact du différentiel de dilatation en transitoire.

Pour gagner en souplesse, il est par ailleurs conseillé que les ajours précités formés à travers toute l’épaisseur de la virole amont s’étendent jusqu’au flasque annulaire amont.

Ainsi, le diffuseur radial pourra se dilater rapidement et les contraintes mécaniques dans la zone fragile du bord d’attaque des pales du diffuseur radial pourront être absorbées plus facilement, avec un bon niveau de sécurité.

Un problème corolaire est toutefois apparu lié à une nécessité d’assurer l’étanchéité au niveau de cette virole amont : une nouvelle fonction a ainsi été intégrée afin de contrer la section ouverte par cet ajourage. Plusieurs solutions d’étanchéité ont été imaginées.

De façon générale, il est ainsi conseillé : - que le diffuseur radial en cause comprenne en outre un couvercle d’étanchéité : -- comprenant une paroi annulaire continûment pleine disposée autour de la virole amont de ce diffuseur radial, -- qui est fixé serré d’un côté avec une extrémité libre de la virole amont du diffuseur radial, -- et qui d’un autre côté : — soit comprime un joint d’étanchéité interposé entre le couvercle d’étanchéité et le flasque amont, — soit est lié par frettage audit flasque amont, - ou encore que soient prévus un couvercle annulaire de rouet s’étendant : -- radialement, à l’intérieur de la virole amont du diffuseur, et -- axialement entre la périphérie radialement intérieure du flasque amont radial et une extrémité libre de la paroi annulaire dudit diffuseur radial, et un joint d’étanchéité interposé entre le couvercle annulaire de rouet et le flasque amont.

Est également concernée une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou turbopropulseur d'avion comprenant un diffuseur radial du type présenté ci-avant, avec tout ou partie de ses caractéristiques. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celles-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un ensemble diffuseur radial - diffuseur axial selon l'invention ; les figures 2 et 3 sont des vues schématiques en perspective respectivement d’une partie du diffuseur radial et de cet ensemble ; et les figures 4,5,6,7 sont des vues schématiques en coupe axiale (partiellement hachurées) de plusieurs versions du diffuseur radial, l’illustration de la fig.4 correspondant à la solution de la fig.3. L'ensemble 10 représenté figure 1 comprend un diffuseur annulaire radial 12 raccordé en sortie à un diffuseur axial (ou redresseur) annulaire cylindrique 14.

Le diffuseur radial 12 est destiné à l'alimentation en gaz d'une chambre annulaire 20 de combustion dans une turbomachine, par l’intermédiaire d’un diffuseur axial 14 situé en sortie dudit diffuseur radial.

Le terme « axial » s’apprécie par rapport à l’axe 1 de la turbomachine, qui est l’axe de rotation du compresseur et celui autour duquel sont centrés le flasque annulaire amont 22 et le flasque annulaire aval 24 mentionnés ci-après. La direction « radiale » lui est sensiblement et globalement perpendiculaire. L’ensemble 10 est destiné à être monté en sortie du dernier étage centrifuge 16 d'un compresseur haute pression (en abrégé CoHP) d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou turbopropulseur d'avion. L'entrée 18 du diffuseur radial 12 est radialement alignée avec la sortie de l'étage centrifuge 16, la sortie 19 du diffuseur axial 14 alimentant en air une chambre annulaire de combustion 20, d'une façon connue de l'homme du métier.

Le diffuseur radial 12 comporte un flasque annulaire amont 22 et un flasque annulaire aval 24, qui sont parallèles et s'étendent annulairement autour de l'axe de rotation 1 du compresseur et qui sont reliés entre eux par des pales 26.

Les expressions amont (AM) et aval (AV) sont à considérer par rapport au sens global de circulation des gaz ; flèche 23 fig. 1.

Les pales 26 peuvent être à orientation sensiblement hélicoïdale autour de l'axe de rotation du compresseur.

Le diffuseur axial 14 comporte deux viroles cylindriques respectivement externe 28 et interne 30, qui sont coaxiales et disposées l'une à l'intérieur de l'autre, et qui sont reliées par des pales 32 sensiblement radiales.

Les flasques annulaires 22 et 24 du diffuseur radial et les viroles cylindriques 28 et 30 du diffuseur axial sont formés de tôles auxquelles les extrémités des pales 26 et 32, respectivement, sont fixées.

Concernant le diffuseur radial 12, ses pales 26 peuvent être fixées par brasure a priori rigides (dans le sens non ductiles) aux flasques amont 22 et aval 24 (voir repère 33 fig.2 pour le flasque aval 24), après que les extrémités des pales 26 aient été engagées dans des ajours réalisés à la forme des extrémités des pales 26, tels ceux 34 de la fig.2 formés dans le flasque 22.

Comme représenté en figure3 un coude formé par les parois annulaires 40,42 du diffuseur axial permet ici de raccorder les flasques 22,24 du diffuseur radial aux viroles cylindriques respectivement externe 28 et interne 30 du diffuseur axial 14. Les parois arrondies 40,42 permettent à l’air amené dans le diffuseur 12 de passer d’une circulation globalement radiale à une circulation globalement axiale, avant d’être guidées ainsi par les pales axiales 32.

Vers son extrémité radialement interne, le flasque aval 24 peut être raccordé à une ou plusieurs viroles annulaires aval, ici deux concentriques 44 et 46, via une liaison monobloc ou par soudure.

Quant au flasque annulaire amont 22, il est pourvu d’une virole annulaire amont 48. Dans la réalisation présentée, cette virole annulaire amont 48 est située vers l’extrémité radialement interne du flasque 22 et est raccordée à lui de façon monobloc. La virole amont 48 est pourvue à son extrémité libre d'une bride de fixation 50.

Une bride intermédiaire 51 dite CoHP (très massive et protégée de la veine primaire et qui donc chauffe lentement) fixe ensemble par boulonnage, le diffuseur radial 12 (via la bride 50), un couvercle extérieur 52 qui entoure les deux diffuseurs 12,14 et un couvercle 54 de rouet 55. La bride intermédiaire 51 CoHP correspond à l’ensemble des brides des différentes pièces de l’assemblage. La bride 50, la bride 64 du couvercle de rouet 54 et celle 72 du couvercle d’étanchéité 70a,70b,70c s’il est prévu (voir figs. 4-6) font ainsi partie de la bride 51.Or, des contraintes importantes se sont avérées se situer vers le bord d’attaque des pales du diffuseur radial (zone 18 fig. 1 ). Et il est apparu que le niveau de contrainte important est en partie dû à la différence de température en transitoire entre la bride intermédiaire 51 et le diffuseur radial 12 qui fait partie de la veine et chauffe donc rapidement : ce dernier a donc tendance à se dilater rapidement alors que la bride intermédiaire 51 se dilate plus lentement. Ceci contraint très fortement le diffuseur radial dans le rayon de raccordement entre la virole amont 48 et le flasque amont (zone 60 fig.3), mais surtout dans la zone fragile des bords d’attaque des pales 26.

Une solution ici proposée est que la virole amont 48 présente des ajours 56, ceci permettant d’assouplir cette virole pour laisser le diffuseur radial se dilater plus librement et ainsi abaisser le niveau de contrainte dans la zone fragile.

Et réaliser les ajours 56 (qui sont traversants) de sorte qu’ils occupent l’essentiel de la surface de la virole amont, avec de préférence des bras 58 sensiblement rectilignes entre les ajours a permis une optimisation de cette solution thermo-mécaniquement performante.

Figure 3, les ajours 56 sont sensiblement rectangulaires.

Les bras 58 s’étendent sensiblement parallèlement à l’axe 1, au faible angle alpha près (cf. fig.4).

Pour gagner du poids sans nuire à l’effet thermomécanique attendu, il est conseillé que la zone 60 de liaison entre le f flasque annulaire 22 amont et la virole amont 48 se présente comme une surface annulaire ajourée ; voir fig.3 les ajours 62 ici circonférentiellement décalés entre deux liaisons de bras 58.

Favorablement, et comme illustré figure 3, les ajours 56 et 62 ne formeront qu’un.

Ainsi, axialement, les ajours 56 pourront s’étendre continûment depuis le flasque annulaire 22 amont jusqu’à la limite aval de la bride de fixation 50 : zones respectivement 62a et 62b fig.4.

Cet ajourage induit un problème corollaire lié à la maîtrise de l’étanchéité dans cette zone : si un débit de fuite était créé par les ajours, ce débit pourrait re-circuler entre l’aval et l’amont du diffuseur radial et diminuerait alors son rendement voir pourrait même dégrader fortement son opérabilité.

Ainsi, il s’est avéré nécessaire d’assurer l’étanchéité dans l’environnement de la virole amont 48. Plusieurs solutions d’étanchéité ont été imaginées : D’abord, en figure 7, il est proposé d’utiliser le couvercle annulaire 54 de rouet.

Ce couvercle 54, qui est paroi continue et pleine, s’étend ici : - radialement, à l’intérieur de la virole amont 48 du diffuseur 12, et - axialement entre la périphérie radialement intérieure 22a du flasque amont 22 et la bride de fixation 50 de la virole 48, où le couvercle 54 comprend lui-même une bride de fixation 64.

Un boulonnage axial (non représenté) assure le serrage entre les brides de fixation 50,64.

Par ailleurs, un joint d’étanchéité 66 est interposé entre le couvercle annulaire de rouet 54 et le flasque amont 22, vers sa périphérie radialement intérieure 22a.

Favorablement, le joint d’étanchéité 66 sera un joint oméga logé dans une gorge périphérique 68 du couvercle 54 et s’appuyant d’un côté contre le rebord 68a de la gorge 68 (situé du côté amont de celle-ci) et la surface amont du flasque amont 22.

En l’absence de cette combinaison couvercle annulaire de rouet 54 et joint vis-à-vis du flasque amont 22, il est proposé d’adjoindre un couvercle d’étanchéité repéré, successivement, 70a,70b,70c sur les figs.4,5,6 et qui n’existe donc pas dans la solution de la fig.7.

Dans chaque cas, ce couvercle d’étanchéité 70a,70b,70c comprend une paroi annulaire continûment pleine 71 disposée autour de la virole amont 48.

Par ailleurs, le couvercle d’étanchéité 70a,70b,70c est fixé serré d’un côté avec une extrémité libre de la virole amont 48 et, d’un autre côté : - soit comprime un joint d’étanchéité 73 interposé entre le couvercle d’étanchéité et le flasque amont 22 (solution de la fig. 4, avec le couvercle 70a), - soit est lié à ce flasque amont par un frettage (frettage 75 ou 77, figs. 5,6).

Figs.4,5,6, c’est par la bride de fixation 72 (et de nouveau un boulonnage axial) que le couvercle d’étanchéité 70a,70b,70c est fixé serré avec la bride de fixation 50 de la virole amont 48.

Dans la solution de la fig.4, le couvercle d’étanchéité (sa paroi annulaire continûment pleine 71) s’étend jusque vers la périphérie radialement extérieure 22b du flasque amont 22, et c’est là que le joint d’étanchéité 73 est disposé.

Favorablement, le joint d’étanchéité 73 sera un joint oméga logé dans une gorge périphérique 75 du couvercle et s’appuyant, de façon axialement contrainte, contre d’un côté le rebord 75a de la gorge 75 (situé du côté amont de celle-ci) et de l’autre la surface amont 220 du flasque amont 22.

Figure 4, on remarquera que, radialement, le joint 73 est situé à proximité immédiate d’un bourrelet annulaire creux 79 que présente le flasque amont 22, en périphérie radialement extérieure.

Le bourrelet annulaire creux 79 est adapté à recevoir un rebord axial 81 du diffuseur axial 14, pour la liaison entre les diffuseurs.

Le bourrelet 79 est saillant et convexe vers l’amontet reçoit le frettage 77.

Dans la solution de la fig.4, le joint 73 est calé entre le couvercle d’étanchéité 70a qui est à son contact et la face radialement intérieure du bourrelet 79. Il est axialement interposé entre la surface amont 220 du flasque amont et le rebord 75a de la gorge 75.

Dans la solution de la fig.6, le frettage 77 est établi entre la face radialement extérieure du même bourrelet 79 et le couvercle d’étanchéité 70c qui est à son contact. Pour un gain d’espace et favoriser un appui sur un surface cylindrique de génératrice parallèle à l’axe 1, la paroi annulaire continûment pleine 71 du couvercle 70c est coudé, convexe vers l’axe 1.

Dans la solution de la fig.5, le flasque amont 22 présente un rebord annulaire 83 situé en une zone radialement intermédiaire entre les périphéries radialement extérieure 22b et intérieure 22a de ce flasque amont et qui fait saillie en surface amont 220 du flasque.

Par sa paroi annulaire 71 le couvercle d’étanchéité 70b s’étend jusqu’au rebord 83. Le frettage 75 est établi entre la surface intérieure annulaire de la paroi 71 du couvercle d’étanchéité et le rebord.

Cette solution libère encore davantage d’espace en périphérie extérieure et peut faciliter l’opération de frettage, la proximité des surfaces 79 et 40 pouvant rendre l’opération délicate.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS

   1. Diffuseur radial (12) relié, en aval par rapport au sens de circulation des gaz, à l'alimentation en gaz d'une chambre de combustion de turbomachine, le diffuseur radial comportant : - deux flasques annulaires (22, 24), l’un amont l'autre aval par rapport au sens de circulation des gaz et qui sont reliés ensemble par des pales (26), et - une virole annulaire (48) qui s’étend vers l’amont depuis ledit flasque amont auquel ladite virole amont est fixée, la virole amont (48) présentant, dans une direction radiale, des ajours (56) occupant la majorité de sa surface, - et un couvercle d’étanchéité (70a,70b,70c): - comprenant une paroi annulaire (71) continûment pleine disposée radialement autour de la virole amont (48) du diffuseur radiai, - qui est fixé serré d’un côté avec une extrémité libre de la virole amont (48) du diffuseur radial, - et qui d’un autre côté : — soif comprime un joint d’étanchéité (73) interposé entre le couvercle d’étanchéité et le flasque amont (22), — soit est lié par frettage audit flasque amont (22),
2. 2, Diffuseur selon la revendication 1, dans lequel les ajours (56) de la virole amont (48) s’étendent jusqu'au flasque annulaire amont (22),
3. 3. Diffuseur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel, si le couvercle d’étanchéité comprime te joint d’étanchéité (73), te flasque amont (22) présente une périphérie radialement extérieure jusqu’à laquelle s’étend le couvercle d’étanchéité et vers laquelle est disposé ledit joint d’étanchéité (73).
4. 4, Diffuseur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel, en périphérie radialement extérieure, le flasque amont (22) présente un bourrelet annulaire creux adapté à recevoir un rebord (81) d’un diffuseur axial (14) pour la liaison entre les diffuseurs, et : - soit le joint d’étanchéité (73) est interposé entre la face radialement intérieure du bourrelet annulaire creux et le couvercle d’étanchéité qui est à son contact, le joint étant contraint axialement entre un rebord radial de la paroi annulaire du couvercle d’étanchéité et le flasque amont (22), - soit un frettage (77) est établi entre la face radialement extérieure du bourrelet annulaire creux et le couvercle d’étanchéité qui est à son contact.
5. 5. Diffuseur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel : - le fiasque amont (22) présente un rebord (83) : - qui est situé en une zone radialement intermédiaire entre ses périphéries radialement extérieure et intérieure, et - jusqu’auquel s’étend le couvercle d’étanchéité (70b), - et, si le couvercle d’étanchéité est lié par frettage audit flasque amont, ledit frettage (75) est établi entre la paroi annulaire (71) du couvercle d’étanchéité et le rebord.
6. 6. Diffuseur selon l’une des revendications 1 ou 2, qui comprend : - un couvercle annulaire (54) de rouet (55) s’étendant : - radialement, à l’intérieur de la virole amont (48) du diffuseur, et - axialement entre la périphérie radialement intérieure du flasque amont (22) radial et une extrémité libre de la paroi annulaire (48) dudit diffuseur radial, et - un joint d’étanchéité (66) interposé entre le couvercle annulaire de rouet (54) et le flasque amont (22).
7. 7. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend un diffuseur (12) radial, selon l'une des revendications 1 à 6.