FR3062414A1 - Optimisation de percage d'anneau mobile - Google Patents

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Frederic Duthoy
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Abstract

Rotor (3) de turbine (7) comprenant : - un premier disque (30), - un deuxième disque (30), - un anneau d'étanchéité annulaire (40), et - un système de ventilation du premier disque (30), adapté pour mettre en communication fluidique une cavité radialement interne (8) et une cavité radialement externe (13), le système comportant un trou de vidange (45) pratiqué dans l'anneau d'étanchéité annulaire (40), le rotor (3) étant caractérisé en ce que le trou de vidange (45) du système de ventilation est décalé et/ou incliné.

Description

© Titulaire(s) : SAFRAN AIRCRAFT ENGINES.
O Demande(s) d’extension :
(® Mandataire(s) : REGIMBEAU.
(54) OPTIMISATION DE PERÇAGE D'ANNEAU MOBILE.
Figure FR3062414A1_D0001
FR 3 062 414 - A1
- un premier disque (30),
- un deuxième disque (30),
- un anneau d'étanchéité annulaire (40), et
- un système de ventilation du premier disque (30), adapté pour mettre en communication fluidique une cavité radialement interne (8) et une cavité radialement externe (13), le système comportant un trou de vidange (45) pratiqué dans l'anneau d'étanchéité annulaire (40), le rotor (3) étant caractérisé en ce que le trou de vidange (45) du système de ventilation est décalé et/ou incliné.
Figure FR3062414A1_D0002
Figure FR3062414A1_D0003
DOMAINE DE L’INVENTION
L’invention concerne de manière générale les moteurs à turbine à gaz, et plus particulièrement la ventilation des étages d’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 turbine de turbomachine a été illustré en figure 1.
Une turbine 7, basse pression ou haute pression, comporte classiquement un ou plusieurs étages, chacun étant constitué d’une rangée de pales de turbine fixes 2, aussi appelée distributeurs, suivie d’une rangée d’aubes mobiles de turbine 34, qui forment le rotor 3. Le distributeur 2 dévie le flux de gaz entrant dans la turbine 7 vers les aubes mobiles de turbine 34 à un angle et une vitesse appropriés afin d’entraîner en rotation ces aubes mobiles 34 et le rotor 3 de la turbine. Le flux de gaz circulant constitue ainsi une veine d’écoulement 4.
Le rotor 3 comprend plusieurs disques 30 qui comprennent généralement des rainures périphériques telles que des alvéoles 32 dans lesquelles les aubes mobiles 34 sont emboîtées.
Le rotor 3 de la turbine 7 est soumis à un environnement thermique très chaud, bien supérieur aux températures maximales admissibles par les pièces du rotor.
C’est pourquoi, comme illustré sur la figure 2, le rotor 3 comprend généralement une virole annulaire tournante 40 à léchettes 42 (appelée également anneau d’étanchéité) afin de réduire les échanges convectifs entre le flux d’air chaud en provenance de la veine d’écoulement 4 et le rotor 3. L’anneau d’étanchéité 40 est fixé sur le rotor 3 à l’aide d’une bride radiale annulaire 44 au niveau de la jonction entre les disques mobiles 30, plus précisément entre un bras aval 38 du disque amont 30 et un bras amont 36 du disque aval 30. Enfin, l’anneau d’étanchéité 40 comprend deux portions annulaires longitudinales 41, 43 qui viennent en appui respectivement contre les alvéoles 32 du disque en amont 30 et du disque en aval 30 de l’anneau d’étanchéité 40.
Une ventilation spécifique pour les disques 30 du rotor 3 a en outre été mise en place, comprenant un flux d’air pressurisé prélevé en amont de la turbine 7, typiquement au niveau du compresseur haute pression, qui est introduit dans le rotor 3 en vue de refroidir ses disques 30, en particulier ses alvéoles 32. Les systèmes de ventilation diffèrent d’un disque à l’autre. Par exemple, le système refroidissant le disque 30 en amont de l’anneau d’étanchéité 44 peut comprendre un trou de vidange 45 pratiqué dans la portion amont 41 de l’anneau d’étanchéité 40. Le système refroidissant le disque 30 en aval de l’anneau d’étanchéité 40 peut, quant à lui, comprendre une série de lunules et d’orifices traversant pratiqués au niveau de la jonction entre les disques mobiles 30 et la bride annulaire radiale 44 de l’anneau d’étanchéité 40.
Cependant la durée de vie du rotor 3 de la turbine 7 est limitée par le festonnage des brides aval 36 et amont 38 des disques mobiles 30. Comme représenté sur la figure 2, deux gradients thermiques pilotent en effet cette zone. Le gradient radial A traduit une forte disparité de température entre les léchettes radiales 42 prises dans la veine d’écoulement 4 de la turbine et le festonnage compris dans la cavité interne du rotor 8. Le gradient longitudinal B traduit une disparité de température entre la partie amont de la portion amont 41 de l’anneau d’étanchéité 40, située au contact immédiat de l’air chaud circulant dans la veine d’écoulement 4, et la partie aval de la portion amont 41 de l’anneau d’étanchéité 40, située à proximité des léchettes radiales 42.
RESUME DE L’INVENTION
Un des buts de l’invention est d’augmenter la durée de vie des turbines de turbomachine en limitant les gradients thermiques présents dans l’anneau d’étanchéité de rotor de turbine.
Un autre but de l’invention est de permettre une meilleure tenue mécanique des brides de jonction des disques de rotor successifs de turbine de turbomachine soumises à de fortes contraintes thermiques.
Un autre but de l’invention est d’assurer le refroidissement des alvéoles de jonction entre les disques de rotor et les aubes de turbine.
Un autre but de l’invention est d’augmenter le rendement de la turbine en limitant le débit de bypass.
A cet égard, l’invention a pour objet un rotor de turbine, disposé dans une portion radialement interne d’une veine d’écoulement de la turbine, et comprenant :
- un premier disque, comprenant un premier bras aval, un premier moyeu et une première alvéole,
- un deuxième disque, comprenant un premier bras amont, un deuxième moyeu et une deuxième alvéole,
- un anneau d’étanchéité annulaire comprenant une bride radiale annulaire fixée sur le rotor entre le premier bras aval du premier disque et le premier bras amont du deuxième disque, une portion annulaire amont, ladite portion venant en appui contre les alvéoles du disque amont par l’intermédiaire d’une bride annulaire radiale amont de portion amont, et une portion annulaire aval venant en appui contre la deuxième alvéole du deuxième disque, ladite portion aval comportant des léchettes radiales d’étanchéité, et
- un système de ventilation du premier disque, adapté pour mettre en communication fluidique une cavité radialement interne, dans laquelle s’étendent le premier et le deuxième moyeux, et une cavité radialement externe, dans laquelle s’étendent les léchettes radiales d’étanchéité, le système comportant un trou de vidange pratiqué dans la portion annulaire amont de l’anneau d’étanchéité annulaire, le rotor étant caractérisé en ce que le trou de vidange du système de ventilation est positionné à proximité d’un plan radial d’appui de la bride annulaire radiale amont de portion amont contre les alvéoles du disque amont ou d’un plan radial d’appui de la bride radiale annulaire contre le premier bras aval, et/ou incliné par rapport à un plan substantiellement orthogonal à un plan local tangent à la portion annulaire amont.
La solution proposée de rotor de turbine de turbomachine permet d’augmenter la fonctionnalité du trou de vidange en lui ajoutant une fonction de refroidissement permettant de réduire les gradients de température présents dans l’anneau d’étanchéité. Les brides de disques subissent des contraintes fortement diminuées et leur durée de vie est significativement augmentée.
En outre, la solution proposée permet d’augmenter le rendement de la turbine en limitant le débit de bypass d’air en provenance de la veine d’écoulement et se dirigeant vers la cavité comprenant les léchettes radiales.
Avantageusement, mais facultativement, le rotor de turbine selon l’invention peut en outre comprendre au moins l’une des caractéristiques suivantes :
- le trou de vidange est situé à une distance respective des plans d’appui dont la valeur est inférieure à un pourcentage de longueur de portion annulaire amont comprises entre les plan d’appui et, le pourcentage étant inférieur à 30%, de préférence 15%,
- le trou de vidange est incliné de sorte à orienter le flux en provenance de la cavité radialement interne vers une partie amont de la cavité externe ; cette caractéristique permet de limiter réchauffement en amont de l’anneau d’étanchéité annulaire,
- le trou de vidange est incliné de sorte à orienter le flux en provenance de la cavité radialement interne vers la jonction entre la cavité radialement externe et la veine d’écoulement de la turbine ; cette caractéristique permet également de limiter réchauffement en amont de l’anneau d’étanchéité annulaire,
- le trou de vidange est incliné de sorte à orienter le flux en provenance de la cavité radialement interne vers une partie aval de la cavité externe ; cette caractéristique permet de limiter le gradient thermique radial dans cette zone du rotor de turbine, et d’augmenter ainsi la durée de vie dudit rotor,
- le trou de vidange est incliné de sorte à orienter le flux en provenance de la cavité radialement interne vers les léchettes radiales ; cette caractéristique permet également de limiter le gradient thermique radial dans cette zone du rotor de turbine, et d’augmenter ainsi la durée de vie dudit rotor, et
- l’angle d’inclinaison du trou de vidange est compris entre 0° et 60°, de préférence entre 30° et 45°.
L’invention a également pour objet une turbomachine, comprenant un rotor de turbine selon la description qui précède.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La figure 1, déjà décrite, représente une partie de turbine d'une turbomachine connue de l’état de la technique,
La figure 2, déjà décrite également, illustre les gradients thermiques situés dans un anneau d’étanchéité de rotor de turbine de turbomachine,
La figure 3 est une vue en coupe d’une partie de rotor de turbine de turbomachine de l’art antérieur,
La figure 4a est une vue en coupe d’un premier mode de réalisation de l’invention,
La figure 4b est une vue en coupe d’un deuxième mode de réalisation de l’invention,
La figure 4c est une vue en coupe d’un troisième mode de réalisation de l’invention, et
La figure 4d est une vue en coupe d’un quatrième mode de réalisation de l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE D’AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L’INVENTION
L’invention va être décrite tout particulièrement en référence à une turbine basse pression 7, comprenant une série de distributeurs 2 (ou stators) alternés selon l’axe X de rotation d’une turbomachine avec une série de disques mobiles 3 (ou rotor). Ceci n’est cependant pas 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 7 haute pression, pouvant être mono- ou multi-étages.
La turbine 7 comporte classiquement un ou plusieurs étages, chacun étant constitué d’un distributeur 2 suivi d’un rotor 3 (ou roue mobile).
En référence à la figure 3, le rotor 3 présente un axe X de révolution qui correspond à un axe principal de la turbomachine et comprend plusieurs disques 30, qui comprennent chacun un moyeu 31 s’étendant radialement vers l’intérieur en direction de l’axe X. Des rainures périphériques telles que des alvéoles 32, dans lesquelles des aubes mobiles 34 sont emboîtées, sont formées dans une jante 33 des moyeux 31.
Les différents disques 30 du rotor peuvent notamment être assemblés de manière coaxiale par boulonnage. Chaque disque 30 de rotor 3 comporte alors un bras amont 36 qui s’étend vers l’amont depuis la face radiale amont du disque 30, autour duquel peut être monté un anneau d’étanchéité annulaire 40 assurant l’étanchéité du passage de l’air de refroidissement des disques 30, ainsi qu’un bras aval 38 qui s’étend depuis la face radiale aval du disque 30, adapté pour être connecté avec le bras amont 36 du disque 30 aval adjacent. Ici, l’amont et l’aval sont définis par le sens d’écoulement des gaz dans la turbomachine.
L’anneau d’étanchéité 40 peut comprendre de manière conventionnelle des léchettes 42 sur une face radiale externe. L’anneau d’étanchéité 40 est fixé aux bras amont 36 et aval 38 des disques 30 à l’aide d’une bride radiale annulaire 44. Dans l’exemple de réalisation illustré sur les figures, la bride radiale 44 s’étend radialement par rapport à l’axe X entre le bras amont 36 et le bras aval 38. Les bras amont 36 et aval 38 et la bride radiale 44 peuvent notamment être fixés ensemble par boulonnage. Par ailleurs, l’anneau d’étanchéité comprend une portion annulaire sensiblement longitudinale amont 41, ladite portion venant en appui contre les alvéoles 32 du disque amont 30 par l’intermédiaire d’une bride annulaire radiale amont de portion amont 410. Enfin, l’anneau d’étanchéité comprend une portion annulaire sensiblement longitudinale aval 43 venant en appui contre les alvéoles 32 du disque aval 30.
Afin de ventiler les alvéoles 32 des disques 30 du rotor 3, un flux d’air pressurisé peut être prélevé en amont de la turbine 7, typiquement au niveau du compresseur haute pression, et être introduit dans les alvéoles 32 afin de refroidir les disques 30. Pour cela, le rotor 3 comprend un système de ventilation pour chaque disque 30, adapté pour mettre en communication fluidique une cavité radialement interne 8, dans laquelle s’étend le moyeu 31 du disque 30, et une première cavité intermédiaire 9, dans laquelle s’étendent le bras amont 36 et la portion annulaire aval 43 de l’anneau d’étanchéité 40. A la sortie de la cavité 9, le flux d’air circule dans les alvéoles 32 et pénètre dans une deuxième cavité intermédiaire 11, dans laquelle s’étendent le bras aval 38 et la portion annulaire amont 41 de l’anneau d’étanchéité 40. De manière conventionnelle, un trou de vidange 45 est alors pratiqué dans la portion annulaire amont 41 de l’anneau d’étanchéité 40 afin d’évacuer le flux d’air vers une cavité radialement externe 13, comprenant les léchettes 42.
Le terme « trou » est ici compris dans son sens le plus générique et désigne, dans toute la suite, tout perçage pratiqué au travers de la portion annulaire amont 41 de sorte à mettre en communication fluidique les cavités 11 et 13, sans préjugé de taille, de nombre ou de direction de perçage.
Dans l’art antérieur, pour des raisons de symétrie et de stabilité mécanique de la liaison étanche constituée par la portion annulaire amont 41 venant en appui contre les alvéoles 32 du disque 30, le trou de vidange 45 est pratiqué à égale distance de deux plans d’appui radiaux P et Q, respectivement de la bride annulaire radiale amont de portion amont 410 contre les alvéoles 32, et de la bride radiale 44 contre le bras aval 38. De plus, le trou 45 est pratiqué selon un plan substantiellement orthogonal à un plan local tangent à la portion annulaire amont
41.
Dans le rotor 3 selon l’invention, le positionnement du trou de vidange 45 sur la portion annulaire amont 41, et son inclinaison par rapport à un plan local tangent à ladite portion annulaire amont 41, sont substantiellement modifiés par rapport à l’art antérieur, de sorte à réduire les gradients thermiques A et B précédemment décrits.
Dans des premiers modes de réalisation du rotor de turbine selon l’invention, comme illustré sur les figures 4a et 4b, le trou de vidange 45 est situé à proximité du plan d’appui P ou Q. La portion annulaire amont 41 définissant une longueur donnée L entre les plan P et Q, on comprend que le terme « à proximité d’un plan d’appui » signifie que le trou 45 est positionné à une distance du plan d’appui dont la valeur est inférieure à un pourcentage donné de L, de 50%. De préférence, ce pourcentage est inférieur à 30%. D’une manière encore plus préférentielle, ce pourcentage est inférieur à 15%.
Comme illustré sur la figure 4a, dans un premier mode de réalisation, le trou de vidange 45 est positionnée à proximité du plan d’appui P. L’air en provenance de la cavité intérieure 8 est alors vidangé dans la veine d’air 4 circulant à travers la turbine au niveau de la partie amont de la portion annulaire amont 41. L’air en provenance du système de refroidissement étant plus froid que l’air dans la veine d’écoulement 4, la partie amont de la portion annulaire amont 41 est refroidie, et le gradient longitudinal B est ainsi réduit.
Dans un second mode de réalisation, comme illustré sur la figure 4b, le trou de vidange 45 est positionnée à proximité du plan d’appui Q. L’air en provenance de la cavité intérieure 8 est alors vidangé dans la veine d’air 4 circulant à travers la turbine au niveau de la partie aval de la portion annulaire amont 41. L’air en provenance du système de refroidissement étant plus froid que l’air dans la veine d’écoulement 4, la partie aval de la portion annulaire amont 41 est refroidi, et le gradient radial A est ainsi réduit.
Dans un deuxième mode de réalisation du rotor de turbine selon l’invention, comme illustré sur les figures 4c et 4d, le trou 45 est incliné par à un plan substantiellement orthogonal à un plan local tangent à la portion annulaire amont 41, de sorte à orienter le flux d’air vidangé vers l’amont (figure 4c) ou l’aval (figure 4d) de la cavité externe 13. Cet inclinaison du trou de vidange 45 a des effets différents selon l’orientation. On définit l’angle d’inclinaison du trou de vidange 45 comme l’angle compris entre un plan substantiellement orthogonal à un plan local tangent à la portion annulaire amont 41 et la direction du flux d’air vidangé.
En effet, en inclinant le trou 45 de sorte à orienter le flux d’air vidangé vers l’amont de la cavité externe 13 (c’est-à-dire en direction de la jonction entre la cavité externe 13 et la veine d’écoulement 4 de la turbine 7), la réintroduction de l’air en provenance de la veine d’écoulement 4 de la turbine 7 est contrée. Cette caractéristique a tout d’abord pour effet de diminuer le débit de by-pass. De fait, l’air pressurisé au sein de la turbine 7 est concentré dans la zone d’écoulement située entre aubes mobiles 34 et aubes fixes 2. Ainsi la performance de la turbine 7 est améliorée. Par ailleurs, cette caractéristique a pour effet de limiter l’échauffement en amont de l’anneau d’étanchéité 40. En effet, l’air circulant au travers du trou de vidange 45 provient de la deuxième cavité intermédiaire 11. Par conséquent, il est plus frais que l’air présent dans la cavité externe 13 et refroidit ainsi l’amont de l’anneau d’étanchéité 40. De manière préférentielle, l’angle d’inclinaison est compris entre 0° et 60°. De façon encore plus privilégiée, l’angle d’inclinaison est compris entre 30° et 45°.
Par ailleurs, en inclinant le trou 45 de sorte à orienter le flux d’air vidangé vers l’aval de la cavité externe 13 (c’est-à-dire en direction des léchettes d’étanchéité 42), l’air en provenance du système de refroidissement étant plus froid que l’air dans la veine d’écoulement 4, la partie radiale externe de l’anneau d’étanchéité 40 est refroidie, et le gradient radial A est ainsi réduit. De manière préférentielle, l’angle d’inclinaison est compris entre 0° et 60°. De façon encore plus privilégiée, l’angle d’inclinaison est compris entre 30° et 45°.
Le positionnement et/ou l’inclinaison du trou de vidange 45 sont autant de modes de réalisation pouvant être implémentés seuls ou en combinaison.
Le rotor 3 proposé permet donc une augmentation de la durée de vie de turbine 7 de turbomachine par réduction des gradients thermiques endommageant la tenue mécanique de l’anneau d’étanchéité 40.
En effet, lors de la vidange de l’air frais circulant au sein du système de ventilation des disques 30 de rotor 3, le décalage et/ou l’inclinaison du trou 45 permet d’orienter le flux d’air sortant dudit système de ventilation de sorte à refroidir sélectivement une ou plusieurs parties de l’anneau d’étanchéité 40. Ceci réduit les différents gradients thermiques radiaux et longitudinaux présents au sein dudit anneau d’étanchéité 40 dont la partie radiale externe est soumis à un flux d’air chaud en provenance de la turbine 7, et dont la partie radiale interne est soumis à un flux d’air froid prélevé en amont de la turbine 7.
Par conséquent, la tenue mécanique des liaisons boulonnées des turbines 10 de turbomachines comprenant un rotor du type du rotor 3 qui vient d’être décrit est améliorée. II en résulte une augmentation de leur durée de vie.
De plus le rotor 3 permet, dans des modes de réalisation qui impliquent l’inclinaison le trou 45 de sorte à orienter le flux d’air vidangé vers l’amont de la cavité externe 13, de réduire le débit de by-pass depuis la veine d’écoulement 4 de la turbine 7. Ceci concentre la circulation d’air pressurisé dans la veine d’écoulement 4, et augmente le rendement global de la turbine.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS
    1. Rotor (3) de turbine (7), disposé dans une portion radialement interne d’une veine d’écoulement (4) de la turbine (7), et comprenant :
    - un premier disque (30), comprenant un premier bras aval (38), un premier moyeu (31) et une première alvéole (32),
    - un deuxième disque (30), comprenant un premier bras amont (36), un deuxième moyeu (31) et une deuxième alvéole (32),
    - un anneau d’étanchéité annulaire (40) comprenant une bride radiale annulaire (44) fixée sur le rotor (3) entre le premier bras aval (38) du premier disque (30) et le premier bras amont (36) du deuxième disque (30), une portion annulaire amont (41), ladite portion (41) venant en appui contre les alvéoles (32) du disque amont (30) par l’intermédiaire d’une bride annulaire radiale amont de portion amont (410), et une portion annulaire aval (43) venant en appui contre la deuxième alvéole (32) du deuxième disque (30), ladite portion aval (43) comportant des léchettes radiales d’étanchéité (42), et
    - un système de ventilation du premier disque (30), adapté pour mettre en communication fluidique une cavité radialement interne (8), dans laquelle s’étendent le premier et le deuxième moyeux (31), et une cavité radialement externe (13), dans laquelle s’étendent les léchettes radiales d’étanchéité (42), le système comportant un trou de vidange (45) pratiqué dans la portion annulaire amont (41) de l’anneau d’étanchéité annulaire (40), le rotor (3) étant caractérisé en ce que le trou de vidange (45) du système de ventilation est positionné à proximité d’un plan radial d’appui (P) de la bride annulaire radiale amont de portion amont (410) contre les alvéoles (32) du disque amont (30) ou d’un plan radial d’appui (Q) de la bride radiale annulaire (44) contre le premier bras aval (38), et/ou incliné par rapport à un plan substantiellement orthogonal à un plan local tangent à la portion annulaire amont (41).
  2. 2. Rotor (3) selon la revendication 1 dans lequel le trou de vidange (45) est situé à une distance respective des plans d’appui (P, Q) dont la valeur est inférieure à un pourcentage de longueur de portion annulaire amont (41) comprises entre les plan d’appui (P) et (Q), le pourcentage étant inférieur à 30%, de préférence 15%.
  3. 3. Rotor (3) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le trou de vidange (45) est incliné de sorte à orienter le flux en provenance de la cavité radialement interne (8) vers une partie amont de la cavité externe (13).
  4. 4. Rotor (3) selon la revendication 3, dans lequel le trou de vidange (45) est incliné de sorte à orienter le flux en provenance de la cavité radialement interne (8) vers la jonction entre la cavité radialement externe (13) et la veine d’écoulement (4) de la turbine (7).
  5. 5. Rotor (3) selon l’une des revendications 1 à 2 dans lequel le trou de vidange (45) est incliné de sorte à orienter le flux en provenance de la cavité radialement interne (8) vers une partie aval de la cavité externe (13).
  6. 6. Rotor (3) selon la revendication 5, dans lequel le trou de vidange (45) est incliné de sorte à orienter le flux en provenance de la cavité radialement interne (8) vers les léchettes radiales (42).
  7. 7. Rotor (3) selon l’une des revendications 3 à 6, dans lequel l’angle d’inclinaison du trou de vidange (45) est compris entre 0° et 60°, de préférence entre 30° et 45°.
  8. 8. Turboréacteur comprenant un rotor selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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