FR3054606A1 - Turbine comprenant un systeme de ventilation entre rotor et stator - Google Patents

Abstract

Pour pallier l'accroissement d'un débit de fuite d'air de ventilation originaire d'un circuit (1) par un joint labyrinthe (15) s'usant progressivement au fond d'une chambre de ventilation (3), et la diminution d'un débit de purge par une ouverture (10) en amont de la chambre (3), on ajoute à un orifice d'injection principal (19) un second orifice d'injection (20) qui communique à la chambre (3) par un second joint à labyrinthe (21), s'usant en même temps le premier, et qui accroît donc progressivement le débit d'air passant par cet injecteur (20) pour compenser le débit de fuite supplémentaire par le premier injecteur (19) et maintenir la ventilation à son niveau initial.

Description

DESCRIPTION

L'invention présente concerne une turbine comprenant un système de ventilation entre un stator et un rotor, ou plus généralement deux corps tournants l'un par rapport à l'autre et qui peuvent donc consister en deux rotors, contra rotatifs par exemple.

De nombreuses turbomachines sont pourvues d'un système de ventilation, destiné à rafraîchir des portions chaudes de leur turbine par un soufflage permanent de gaz frais. Elles comprennent un circuit de ventilation s'étendant dans le stator, depuis un piquage de prélèvement de gaz frais sous pression, provenant par exemple d'un des compresseurs de la turbomachine, jusqu'à une chambre délimitée par les structures à rafraîchir, et d'où le gaz s'écoule par divers piquages et jeux. La pression de l'air le propulse d'une extrémité à l'autre du circuit. Un refroidissement par un échangeur de chaleur peut être pratiqué. Les documents décrivant de tels systèmes de ventilation sont eux aussi nombreux ; un exemple est EP-1 503 061-A.

Une situation particulière existe quand la chambre est délimitée à la fois par le stator et le rotor, puisqu'elle comprend deux jeux concentriques de jonction du rotor au stator, par lesquels l'air insufflé peut s'écouler. De manière typique, l'un de ces jeux peut donner sur la veine d'écoulement des gaz, et autoriser un débit de purge vers la veine, afin d'éviter les rentrées des gaz très chauds qui y circulent dans la chambre et d'autres cavités de la machine ; et l'autre jeu est occupé par un joint d'étanchéité, en général un joint à labyrinthe autorisant toutefois un débit de fuite hors de la chambre, qui sert à confiner l'atmosphère d'une cavité située au-delà du joint d'étanchéité. Cette cavité, dans des constructions usuelles, contient en effet un palier lubrifié par de l'huile et dont une partie est en suspension. La chambre doit être à une surpression suffisante par rapport aux gaz de la veine. La cavité au-delà du joint d'étanchéité est généralement en dépression à cause des systèmes de récupération d'huile, ce qui assure le bon sens du débit de fuite, et le débit de fuite est petit par rapport au débit de purge.

Le dispositif est conçu afin que le débit de purge et le débit de fuite à travers ces deux jeux soient présents en toutes circonstances, ainsi que des débits de ventilation. Les débits de ventilations représentent le reste du débit total s'écoulant dans le circuit et qui quittent la chambre par des piquages de ventilation disposés aux niveaux des disques de turbines pour les ventiler. Mais les joints d'étanchéité à labyrinthe s'usent en service : ils sont souvent composés de lames circulaires rigides, appelées léchettes, dont l'extrémité libre fait face à des plaquettes de matière dite abradable ; les fonctionnements transitoires de la machine font apparaître des irrégularités d'échauffement entre le rotor et le stator et des dilatations thermiques différentielles, qui font frotter temporairement les léchettes sur la matière abradable, ce qui l'entame et agrandit peu à peu le jeu dans le joint à labyrinthe, et le débit de fuite. Les joints à labyrinthe usagés laissent donc passer un débit de fuite plus important, et le débit de purge diminue. S'il devenait négatif, la purge serait remplacée par une aspiration des gaz chauds de la veine d'écoulement, ce qui serait inadmissible. On est donc amené à prévoir un débit de purge plus important que nécessaire pour garantir qu'une purge subsistera même quand le joint d'étanchéité sera bien usé, avec toutefois la conséquence défavorable que le débit parcourant le circuit de ventilation et soutiré de l'écoulement principal des gaz doit être accru pour cette seule raison.

Le but de l'invention est donc de perfectionner de tels systèmes de ventilation pour rendre le débit de purge entre le stator et le rotor (ou plus généralement deux corps tournants l'un par rapport à l'autre) peu dépendant de l'usure d'un joint d'étanchéité situé ailleurs entre le stator et le rotor à la limite d'une chambre de ventilation.

Sous un aspect général, l'invention concerne ainsi une turbine comprenant deux corps tournant l'un par rapport à l'autre, une chambre de ventilation délimitée par les corps et comprenant au moins une ouverture de purge vers une veine de la turbine à un premier côté de la chambre et une seconde ouverture, occupée par un premier joint d'étanchéité à débit de fuite, disposée entre les corps à un deuxième côté de la chambre, un circuit de ventilation présent dans un premier des corps, s'étendant jusqu'à une cloison le séparant de la chambre, et menant à la chambre par un premier orifice d'injection traversant la cloison, caractérisée en ce qu'elle comprend un second orifice d'injection traversant la cloison, le second orifice d'injection menant à une antichambre délimitée par des portions des corps et présentant une ouverture, occupée par un second joint d'étanchéité à débit de fuite, menant à la chambre.

Lorsque le premier joint d'étanchéité s'use à cause des dilatations thermiques différentielles entre le rotor et le stator, ou plus généralement entre les deux corps en rotation relative, il en va de même du second joint, et l'orifice d'injection correspondant laisse passer un débit plus important, qui contribue à l'augmentation du débit à travers le premier joint, alors que le débit traversant le premier orifice d'injection, essentiel à la formation du débit de purge, reste à peu près constant. Cet effet est facilement obtenu si le premier joint d'étanchéité et le second joint d'étanchéité ont des éléments créateurs de l'étanchéité qui sont orientés dans une même direction, puisque les usures des joints sont alors comparables. Les effets caractéristiques de l'invention sont ainsi facilement vérifiés avec des joints à labyrinthe comprenant des léchettes et des plaquettes abradabies.

Un dispositif propice à la bonne réalisation de l'invention est obtenu si le second orifice d'injection est situé entre le premier orifice d'injection et le premier joint d'étanchéité, et le premier orifice d'injection est situé entre l'orifice de purge et le second orifice d'injection.

D'autres aspects de l'invention sont une turbomachine comprenant une turbine selon ce qui précède, dans laquelle la turbine est en particulier une turbine bassepression, et un des corps est le corps basse-pression de la turbomachine ; ainsi qu'un aéronef comprenant cette turbomachine.

Les différents aspects, caractéristiques et avantages de l'invention seront maintenant décrits plus en détails au moyen des figures suivantes, qui en détaillent certaines réalisations particulières, non exclusives d'autres :

- les figures 1, 2 et 3 illustrent respectivement trois modes de réalisation de l'invention.

Ces figures représentent une turbine conforme à l'invention, qui permet de réaliser plus efficacement la purge de la veine (étanchéité de veine) et la ventilation de l'enceinte sous turbine, et l'étanchéité enceinte d'huile.

Dans l'invention présente, et comme le représente la figure 1, un circuit de prélèvement d'air de ventilation tel que défini au début de cette description (dont on a seulement représenté l'extrémité 1) finit sur une cloison 2 qui le sépare d'une chambre 3, où s'exerce la ventilation ; la chambre 3 est délimitée à la fois par le stator 4, auquel appartient la cloison 2, et par le rotor 5, qui est porteur notamment d'aubes mobiles 6 sur lesquelles doit porter le rafraîchissement. C'est pourquoi des orifices de ventilation 7 sont ménagés à travers une virole 8 du rotor 5, porteuse des pieds des aubes mobiles 6, que traverse en grande partie l'écoulement d'air de ventilation, avant de rejoindre les gaz de la veine d'écoulement 9 entourant la virole 8.

La chambre 3 comprend encore deux ouvertures, qui sont circulaires et concentriques : une ouverture de purge 10 joignant l'extrémité amont de la virole 8 à une portion en regard du stator 4, au bord radial extérieur de la chambre 3, comme les orifices 7, et une seconde ouverture 11 subsistant entre des nervures approximativement cylindriques 12 et 13 du stator 4 et du rotor 5 à une région radialement intérieure de la chambre 3.

L'ouverture de purge 10 est occupée par un joint à labyrinthe à jeu large créé entre des parois s'étendant axialement et se recouvrant partiellement, à travers lequel un débit de fuite relativement important de l'air de ventilation, appelé débit de purge amont, est toléré. Un autre débit de fuite est toléré à travers la seconde ouverture 11, mais une étanchéité plus grande qu'à travers l'ouverture de purge 10 est en général recherchée, afin notamment de confiner une enceinte 14 située immédiatement au-delà d'elle, près de l'axe du rotor 5 et pouvant contenir un palier 28 lubrifié dont la dispersion de l'huile dans la machine ne serait pas tolérable.

C'est pourquoi l'ouverture de fuite 11 est équipé d'un joint à labyrinthe 15 à jeu faible, comprenant des léchettes 16 rigides circulaires disposées sur une des nervures 13 et des plaquettes d'abradable 17 concentriques aux léchettes 16 par rapport à un axe de rotation (non représenté) du rotor 5, situées sur l'autre des nervures 12 devant des arêtes 18 des léchettes 16 en laissant subsister seulement un petit jeu, qui permet à un débit de fuite réduit à travers le joint à labyrinthe 15 et maintient la surpression de la chambre 3 par rapport à l'enceinte 14. Il est toutefois connu que le fonctionnement de la machine fait apparaître des états transitoires où le rotor 5 s'échauffe plus vite que le stator 4 et se dilate donc plus que lui, de sorte que les arêtes 18 des léchettes 16 entrent dans les plaquettes d'abradable 17 et les creusent, en agrandissant ainsi les jeux de fonctionnement stable du labyrinthe une fois que ces dilatations thermiques différentielles ont disparu. Il en résulte que le débit de fuite traversant la seconde ouverture 11 augmente à mesure que le joint à labyrinthe 15 s'use de cette façon. Les autres débits d'écoulement hors de la chambre 3 diminuent en conséquence, et notamment le débit de purge amont à travers l'ouverture de purge 10. Afin d'éviter une inversion de ce débit, il doit donc être prévu avec une valeur d'origine assez grande, au détriment du débit s'écoulant par les orifices de ventilation 7. Le débit de purge est du même ordre de grandeur que le débit de l'étanchéité et la section de fuite de l'étanchéité est plus faible que celle de la purge. Pour une étanchéité neuve, le débit purge est supérieur à celui de l'étanchéité, mais c'est l'inverse pour une étanchéité vieille.

Afin d'éviter autant que possible cette situation, on prévoit une communication complexe entre l'extrémité du circuit 1 et la chambre 3 à travers la cloison 2.

A côté d'au moins un premier orifice d'injection 19 muni d'un premier injecteur faisant communiquer directement le circuit 1 à la chambre 3, on trouve au moins un second orifice d'injection 20, muni d'un autre injecteur, qui s'ouvre devant un second joint 21 d'étanchéité à labyrinthe, et plus précisément dans une antichambre 22 intérieure à ce second joint 21, entre deux de ses léchettes 16. La section de passage à travers le second orifice d'injection 20 est plus grande que celle du second joint 21, qui détermine donc le débit traversant l'antichambre 22. Les joints 15 et 21 sont en effet du même type et orientés de la même façon, c'est-à-dire que leurs léchettes 16 sont ici toutes orientées radialement vers l'extérieur, et les faces libres des plaquettes abradables 17 sont ici toutes orientées radialement vers l'intérieur. Les léchettes 16 du second joint sont portées par une portion cylindrique 23 de rotor 5, soutenue par des bras 24 qui la relient au reste du rotor 5 sans diviser le volume de la chambre 3, en formant un support discontinu s'étendant à travers la chambre 3 entre le premier orifice d'injection 19 et le premier joint 15. Ici, les plaquettes abradables 17 sont montées sur une portée 25 de la cloison 2 concentrique à la nervure 12. On trouve successivement dans le sens radial croissant : la seconde ouverture 11 et le premier joint 15 l'équipant, le second orifice d'injection 20 et le second joint 21 l'équipant, le premier orifice d'injection 19, et enfin l'orifice de purge 10 et les orifices de ventilation 7.

Le débit du circuit de ventilation 1 passe donc dans la chambre 3 essentiellement par le premier orifice d'injection 19, alors que le débit passant par le second orifice d'injection 20 est contrarié par le second joint d'étanchéité 21. Mais à mesure que le premier joint d'étanchéité 15 s'use, le second joint d'étanchéité 21 s'use à un rythme semblable ou analogue, à cause de sa similitude de construction et de disposition à la jonction du stator 4 et du rotor 5, ce qui facilite l'écoulement par le second orifice d'injection 20 et augmente son débit.

Cette augmentation de débit est affectée préférentiellement au débit de fuite par le premier joint d'étanchéité 15, qui est plus proche du second orifice d'injection 20 : il en résulte que le débit de purge amont traversant l'ouverture de purge 10 ne change pas beaucoup au cours du service de la machine, ce qui permet de le prévoir à une valeur faible à l'origine et d'augmenter ainsi la part utile du débit de ventilation passant par les orifices 7. Le nombre des léchettes 16 de part et d'autre de l'antichambre est identique. De manière préférée, le second joint d'étanchéité 21 dispose de moins de léchettes 16 que le premier joint d'étanchéité 15 car il compense la dégradation de l'étanchéité 15 sans assumer une étanchéité propre.

Parmi d'autres modes de réalisation de l'invention, il convient d'exposer ceux des figures 2 et 3, qui se distinguent du précédent par la disposition du second joint à labyrinthe.

A la figure 2, on trouve un joint à labyrinthe 121 dédoublé au deux portions d'étanchéité, comprenant deux cercles de plaquettes abradables 17a et 17b concentriques, disposés sur deux portées 25a et 25b cylindriques également concentriques, solidaires de la cloison 2 et remplaçant la portée 25 unique, la cloison 2 étant traversée par le second injecteur 20 continue entre ces deux portées 25a et 25b ; et deux groupes de léchettes 16a et 16b dont les arêtes viennent respectivement devant les cercles de plaquettes 17a et 17b, et qui sont montées sur des nervures 23a et 23b concentriques, encore solidaires du bras 24 et formant un support commun. On pourrait aussi avoir des supports séparés pour les deux nervures 23a et 23b.

Les portées 25a et 25b, la cloison 2 entre elles, et les nervures 23a et 23b délimitent ensemble un volume presque clos qui constitue une antichambre 26 à la chambre 3, ou le second orifice d'injection 20 débouche. Le débit d'air entrant dans l'antichambre 26 aboutit à la chambre 3 par les deux labyrinthes formés par le joint 121. Ici encore, le but de l'antichambre 26 est que l'air qui rentre dans la chambre 3 ne soit pas contraint par la section de l'injecteur, mais par la section du joint à labyrinthe 120. On doit donc avoir une section d'injecteur (au second orifice d'injection 20) plus large que la section du joint à labyrinthe 120.

Le fonctionnement de ce dispositif est le même que le précédent, puisque, les léchettes 16a et 16b étant disposées dans le même sens que les léchettes 11 du premier joint 16, l'usure des deux portions du joint 121 progresse en même temps que celle du premier joint 16 laisse donc passer progressivement un débit d'air plus important par le second orifice d'injection 20.

Dans une conception un peu différente représentée à la figure 3 et susceptible de donner d'aussi bons résultats, le second joint 21 ou 121 est remplacé par un second joint 221 monté, comme à la figure 1, sur un support 23 cylindrique et unique et comprenant, comme à la figure 2, une double série de léchettes, ici notées 16c et 16d, et deux plaquettes abradables 17c et 17d, concentriques mais orientées l'une vers l'autre, alors que les arêtes des léchettes 16c et 16d sont disposées dans les directions divergentes de part et d'autre du support 23 commun. Le second injecteur 20 est placé de la même façon qu'à la figure 2. Ici encore, l'air passant par le second injecteur 20 aboutit à l'antichambre 26, d'où il sort par le double labyrinthe constitué dans le joint 221. Comme dans les exemples précédents, l'usure du premier joint 11 s'accompagne de l'usure du second joint 221 et de l'accroissement progressif du débit d'air qui passe à travers lui, et compense l'accroissement du débit d'air passant par le premier joint 221, si bien que le débit de purge amont passant par l'ouverture 10 reste essentiellement constant.

Les injecteurs des orifices d'injection 19 et 20 peuvent prendre l'aspect 5 de buses possédant un orifice d'entrée, un orifice de sortie, et une chambre de section plus large entre les orifices. D'autres équipements des orifices d'injection 19 et 20 peuvent toutefois être envisagés. De même, l'invention n'est pas limitée à des joints à labyrinthe à léchettes et abradable, ni à des orientations radiales d'éléments d'étanchéité tels que les léchettes.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1) Turbine comprenant deux corps (4, 5) tournant l'un par rapport à l'autre, une chambre (3) de ventilation délimitée par les corps et comprenant au moins une ouverture (10) de purge vers une veine de la turbine à un premier côté de la chambre (3) et une seconde ouverture (11), occupée par un premier joint d'étanchéité (15) à débit de fuite, disposée entre les corps à un deuxième côté de la chambre, un circuit de ventilation (1) présent dans un premier des corps (4), s'étendant jusqu'à une cloison (2) le séparant de la chambre (3), et menant à la chambre par un premier orifice d'injection (19) traversant la cloison, caractérisée en ce qu'elle comprend un second orifice d'injection (20) traversant la cloison (2), le second orifice d'injection menant à une antichambre (22, 26) délimitée par des portions des corps et présentant une ouverture, occupée par un second joint d'étanchéité (21) à débit de fuite, menant à la chambre (3).
2. 2) Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier joint d'étanchéité (15) et le second joint d'étanchéité (21) ont des éléments responsables de l'étanchéité (16) qui sont orientés dans une même direction.
3. 3) Turbine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le premier et le second joint d'étanchéité sont des joints à labyrinthe comprenant des léchettes (16) rigides circulaires et des plaquettes abradables (17) s'étendant devant des arêtes (18) des léchettes et concentriques aux léchettes par rapport à un axe de rotation relative des corps.
4. 4) Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le second orifice d'injection (20) est situé entre le premier orifice d'injection (19) et le premier joint d'étanchéité (15), et le premier orifice d'injection (19) est situé entre l'ouverture de purge (10) et le second orifice d'injection (20).
5. 5) Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'orifice de purge (10) est situé à un rayon extérieur de la chambre, et le premier joint d'étanchéité à un rayon intérieur de la chambre.
6. 6) Turbine selon les revendications 4 et 5, caractérisée en ce qu'un second des corps (5) comprend une portion (23) délimitant ladite antichambre (22, 26), reliée à une portion principale du second des corps (5) par un support discontinu (24) s'étendant à travers la chambre (3) entre le premier orifice d'injection (19) et le premier joint d'étanchéité (15).
7. 7) Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée 5 en ce que le second orifice d'injection (20) débouche directement devant le second joint d'étanchéité (21), ladite antichambre (22) étant intérieure au second joint d'étanchéité.
8. 8) Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ladite antichambre (26) est limitée par deux parois concentriques (25a, 25b) solidaires de la cloison (2), et le second joint d'étanchéité (121, 221) comprend deux

   10 portions associées respectivement auxdites parois et montées sur un support commun (23, 23a, 23b).
9. 9) Turbine selon la revendication 8, caractérisée en ce que les portions du second joint d'étanchéité (121) sont séparées, et le support commun comprend deux parties concentriques (23a, 23b) respectivement associées auxdites portions du second

   15 joint d'étanchéité.
10. 10) Turbine selon la revendication 8, caractérisée en ce que les portions du second joint d'étanchéité (221) sont situées de part et d'autre du support commun (23).

    S. 60031