FR3062415A1 - Rotor de turbine de turbomachine a ventilation par lamage - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un rotor de turbine, par exemple une turbine basse pression d'une turbomachine, comprenant : - un premier disque, comprenant un bras aval, - un deuxième disque, - un anneau d'étanchéité annulaire comprenant une bride radiale comportant une portion annulaire sur laquelle est réalisé un festonnage défini par une pluralité de festons répartis circulairement, ladite bride radiale étant fixée sur le rotor entre le bras aval du premier disque et le deuxième disque par des ensembles vis-écrou, les vis d'assemblage passant par des perçages réalisés dans le bras aval du premier disque, les festons de la bride radiale et le deuxième disque et - un circuit découlement comportant au moins une lunule, adapté pour mettre en communication fluidique une cavité radialement interne et une cavité radialement externe, la lunule étant formée dans une face aval de la bride radiale de l'anneau d'étanchéité, le rotor étant caractérisé en ce que la lunule est ménagée sur au moins un feston.
Description
@ Titulaire(s) : SAFRAN AIRCRAFT ENGINES.
O Demande(s) d’extension :
Mandataire(s) :
CABINET REGIMBEAU Société civile.
FR 3 062 415 - A1 ® ROTOR DE TURBINE DE TURBOMACHINE A VENTILATION PAR LAMAGE. (57) L'invention concerne un rotor de turbine, par exemple une turbine basse pression d'une turbomachine, comprenant:
- un premier disque, comprenant un bras aval,
- un deuxième disque,
- un anneau d'étanchéité annulaire comprenant une bride radiale comportant une portion annulaire sur laquelle est réalisé un festonnage défini par une pluralité de festons répartis circulairement, ladite bride radiale étant fixée sur le rotor entre le bras aval du premier disque et le deuxième disque par des ensembles vis-écrou, les vis d'assemblage passant par des perçages réalisés dans le bras aval du premier disque, les festons de la bride radiale et le deuxième disque et
- un circuit découlement comportant au moins une lunule, adapté pour mettre en communication fluidique une cavité radialement interne et une cavité radialement externe, la lunule étant formée dans une face aval de la bride radiale de l'anneau d'étanchéité, le rotor étant caractérisé en ce que la lunule est ménagée sur au moins un feston.
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ROTOR DE TURBINE DE TURBOMACHINE
A VENTILATION PAR LAMAGE
DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR
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.
Le fonctionnement général et la composition d'un tel système sont connus de la technique et explicités dans le document FR. 3 018 584, le système présenté par la suite en étant une amélioration.
Généralement, une turbomachine comprend une ou plusieurs sections de compression 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 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 immédiatement en aval de la chambre de combustion 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.
Une turbine basse pression comporte classiquement un ou plusieurs étages, chacun étant constitué d'une rangée de pales de turbine fixes, aussi appelée distributeurs, suivie d'une rangée d'aubes mobiles de turbine, qui forment le rotor. Le distributeur dévie le flux de gaz prélevé au niveau de la chambre de combustion 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 rotor comprend plusieurs disques, par exemple quatre disques, qui comprennent généralement des rainures périphériques telles que des alvéoles dans lesquelles les aubes mobiles sont emboîtées.
Le rotor de la turbine est soumis à un environnement thermique très chaud, bien supérieur aux températures maximales admissibles par les pièces du rotor.
C'est pourquoi le rotor comprend généralement des viroles annulaires tournantes à léchettes (appelées également anneau d'étanchéité), fixées sur les disques du rotor à l'aide de brides radiales annulaires.
Un disque peut être encadré par la bride aval de l'anneau d'étanchéité amont et la bride amont du disque aval, la bride aval de l'anneau d'étanchéité amont étant elle-même bordée par la bride aval du bras d'un disque amont, le tout étant maintenu en position par un ensemble vis-écrou.
Les léchettes d'un anneau d'étanchéité sont placées en regard d'une partie statique présentant un alésage comportant un matériau abradable capable de résister à des températures élevées, afin de réduire les échanges convectifs entre le flux d'air chaud en provenance de la veine d'air et le rotor.
Par ailleurs, les léchettes sont en général constituées de lames continues ou segmentées de forme annulaire, disposées sur le rotor au niveau de la bride, tandis que l'alésage en matériau abradable est disposé en regard, sur une face inférieure du distributeur.
Une ventilation spécifique pour les disques du rotor a en outre été mise en place, comprenant un flux d'air pressurisé prélevé en amont de la turbine, typiquement au niveau du compresseur haute pression, qui est introduit dans le rotor en vue de refroidir ses disques, en particulier ses alvéoles.
À cet effet, et comme illustré sur la figure 1, des lunules 17 (ou rainures radiales) sont formées circonférentiellement sur une face aval 18 de la bride radiale 11 de l'anneau d'étanchéité 8 amont d'un disque de rotor 1, afin d'amener le flux d'air pressurisé aux alvéoles du disque de rotor.
Plus précisément, ces lunules 17 sont disposées entre des perçages 20 destinés au passage des vis d'assemblage 21, ces perçages 20 étant réalisés sur un festonnage comportant une pluralité de festons 19 s'étendant radialement depuis la bride 11.
Lesdites lunules 17 sont habituellement usinées directement dans la masse de la bride radiale 11, et comportent une partie limitant le débit en amont du sens d'écoulement et une partie non limitante oblique réalisée sur le chanfrein de l'anneau d'étanchéité.
Les portions des lunules 17 calibrant le débit de ventilation présentent cependant une section réduite, ce qui implique pour leur usinage l'utilisation d'outils présentant un rayon très faible.
Les figures 2a et 2b mettent en évidence le fait que les formes ainsi réalisées comportent des portions de surface présentant un rayon de courbure très faible et engendrent des coefficients de concentration de contraintes élevés au niveau des lunules.
En référence à la figure 2a, une forte concentration de contraintes est localisée au niveau des lunules, plus précisément au niveau des portions comportant les rayons de courbure les plus courts comme illustré sur la figure 2b.
Ce phénomène est dommageable pour la durée de vie de la pièce.
PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L'INVENTION
Un but de l'invention est d'augmenter la durée de vie de l'anneau d'étanchéité.
Un autre but de l'invention est de réduire la concentration de contraintes dans les zones les plus sollicitées de la pièce.
Selon un aspect, l'invention propose un rotor de turbine, par exemple une turbine basse pression d'une turbomachine, comprenant :
un premier disque, comprenant un bras aval, un deuxième disque, un anneau d'étanchéité comprenant une bride radiale comportant une portion annulaire sur laquelle est réalisé un festonnage défini par une pluralité de festons répartis circulairement, ladite bride radiale étant fixée sur le rotor entre le bras aval du premier disque et le deuxième disque par des ensembles vis-écrou, les vis d'assemblage passant par des perçages réalisés dans le bras aval du premier disque, les festons de la bride radiale et le deuxième disque et un circuit d'écoulement comportant au moins une lunule, adapté pour mettre en communication fluidique une cavité radialement interne et une cavité radialement externe, la lunule étant formée dans une face aval de la bride radiale de l'anneau d'étanchéité, la lunule étant ménagée sur au moins un feston.
Un tel rotor est avantageusement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison :
la lunule comporte une portion amont en saillie dans la cavité radialement interne et une portion aval débouchant dans une portion débouchante de lunule, la portion débouchante étant en saillie dans la cavité radialement externe ;
la portion débouchante de lunule est inclinée par rapport à la portion radialement externe de lunule ;
- au moins un lamage torique est réalisé au niveau des perçages des festons, sur la face aval de la bride radiale, ce lamage torique mettant en communication la portion amont et la portion aval de la lunule ;
au moins un des festons comporte une lunule s'étendant selon un axe et un perçage s'étendant selon un deuxième axe, les axes de la lunule et du perçage sont coplanaires ;
la portion amont de lunule présente une section telle que le débit admissible par la portion aval de lunule et le lamage torique est supérieur au débit admissible par la portion amont de lunule ;
la portion aval de lunule comporte une surface présentant un rayon de courbure minimal supérieur à celui de la surface de la portion amont ;
la portion aval de la lunule est ménagée sur la portion annulaire de la bride radiale, la portion amont de la lunule étant ménagée sur la crête d'un feston.
Selon un autre aspect, l'invention concerne une turbine, notamment une turbine basse pression comprenant un tel rotor.
Selon un autre aspect, l'invention concerne une turbomachine, comportant une telle turbine.
PRÉSENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles :
la figure 1 est une modélisation 3D représentant un anneau d'étanchéité comportant des lunules réalisées sur la face aval de sa bride radiale ;
la figure 2a est une modélisation par éléments finis représentant la répartition spatiale des contraintes lors du chargement de l'anneau d'étanchéité ;
la figure 2b est une modélisation par éléments finis représentant la répartition des contraintes lors du chargement de l'anneau d'étanchéité au niveau d'une lunule ;
la figure 3 est une représentation schématique représentant une vue en coupe de profil d'une turbine basse pression d'un turboréacteur ;
la figure 4 est une modélisation 3D représentant l'assemblage réalisé entre un disque, un anneau d'étanchéité, un bras aval d'un disque amont et un bras amont d'un disque aval ;
la figure 5 est une modélisation 3D représentant une lunule réalisée au niveau du perçage d'un élément de festonnage ;
la figure 6 est une modélisation 3D de la lunule représentée en figure 5 mettant en lumière les portions de lunule calibrantes ou non pour le flux de refroidissement des disques.
DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN ŒUVRE ET DE RÉALISATION
Les modes de réalisation décrits ci-après concernent plus particulièrement le cas d'une turbine basse pression, comprenant une série de distributeurs (ou stators) alternés selon l'axe X de rotation de la turbomachine avec une série de disques mobiles (ou rotor). Ceci n'est cependant pas limitatif, dans la mesure où la turbine pourrait comprendre un nombre d'étages différent, et que l'invention trouve aussi bien application dans une turbine haute pression, pouvant être mono- ou multiétages.
En référence à la figure 3, la turbine comporte classiquement un ou plusieurs étages, chacun étant constitué d'un distributeur suivi d'un rotor 1 (ou roue mobile).
Le rotor 1 présente un axe X de révolution qui correspond à un axe principal de la turbomachine et comprend plusieurs disques 2, par exemple quatre disques 2, qui comprennent chacun un moyeu 3 s'étendant radialement vers l'intérieur en direction de l'axe X. Des rainures périphériques telles que des alvéoles 4, dans lesquelles les aubes mobiles 5 sont emboîtées, sont formées dans une jante des moyeux 3.
Dans tout le présent texte, l'amont et l'aval sont définis par le sens d'écoulement des gaz dans la turbomachine.
Les notions de directions axiales et radiales font référence à l'axe X de la turbomachine.
Les différents disques 2 du rotor 1 peuvent notamment être assemblés de manière coaxiale par boulonnage. Les premiers et second disques 2a et 2b comportent alors un bras aval 6 qui s'étend vers l'aval depuis la face radiale aval de chacun des disques 2a et 2b, le quatrième disque 2d comportant lui un bras amont 7 s'étendant vers l'amont depuis la face radiale amont du disque 2d.
Afin de ventiler les alvéoles 4 des disques 2 du rotor 1, un flux d'air pressurisé peut être prélevé en amont de la turbine, typiquement au niveau du compresseur haute pression, et être introduit dans les alvéoles 4 afin de refroidir les disques 2. Pour cela, le rotor 1 comprend un système de ventilation 14 pour chaque disque 2, comprenant le circuit d'écoulement 9 adapté pour mettre en communication fluidique une cavité radialement interne 15, dans laquelle s'étend le moyeu 3 du disque 2, et une cavité radialement externe 16, délimitée par l'anneau d'étanchéité 8 et les bras amont 7 ou aval 6 des disques 2.
Les deuxième et troisième disques 2b et 2c comportent en outre des anneaux d'étanchéité 8 amont permettant de former le circuit de ventilation 14 du flux de refroidissement des disques 2.
L'anneau d'étanchéité 8 peut comprendre de manière conventionnelle des léchettes 10 sur une face radiale externe. L'anneau d'étanchéité 8 est fixé au disque 2 à l'aide d'une bride radiale 11 annulaire. Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, la bride radiale 11 s'étend radialement par rapport à l'axe X entre la bride 13 du bras aval 6 d'un disque amont (par exemple 2b) et un disque aval (par exemple 2c). Le bras aval 6, le disque 2 et la bride radiale 11 peuvent notamment être fixés ensemble au moyen d'une vis d'assemblage 21 et d'un écrou 24.
Dans la forme de réalisation illustrée sur les figures 3 et 4, le bras aval 6 du disque 2b comprend une partie sensiblement axiale 12 (virole) par rapport à l'axe X, qui s'étend entre le disque 2b et la bride 11 de l'anneau d'étanchéité 8, et une bride radiale 13 par rapport à l'axe X, qui correspond à l'extrémité libre du bras aval 6. Le bras aval 6 peut alors être fixé ensemble à la bride 11 de l'anneau d'étanchéité 8 et au disque aval 2c par l'intermédiaire de leurs parties radiales.
Le circuit d'écoulement 9 (visible sur la figure 5) comprend une série de lunules 17 radiales, formant des canaux de circulation du flux d'air pressurisé de la cavité radialement interne 15 vers la cavité radialement externe 16. En effet, la fixation de la bride 13 du bras aval 6 du disque amont 2b et du disque aval 2c sur la bride radiale 11 est étanche. Le flux d'air pressurisé ne peut qu'emprunter les canaux de circulation ainsi formés.
La section des lunules 17 est choisie de manière à permettre une ventilation suffisante des disques 2 du rotor 1 tout en limitant le flux d'air pressurisé prélevé en amont de la chambre de combustion pour éviter une dégradation trop importante des performances du turboréacteur.
Les lunules 17 quant à elles peuvent comprendre des rainures s'étendant radialement par rapport à l'axe de révolution X du rotor 1.
Selon une première forme de réalisation illustrée sur la figure 5, les lunules 17 sont formées dans la face aval 18 de la bride radiale 8, plus précisément au niveau des festons 19 offrant une surface localement accrue pour permettre les perçages 20 destinés aux vis d'assemblage 21.
Afin que les lunules 17 soient en communication fluidique avec la cavité radialement interne 15, elles s'étendent jusqu'à la crête 23 du festonnage 19.
Par ailleurs, afin que les lunules 17 soient en communication fluidique avec la cavité radialement externe 16, elles s'étendent jusqu'à faire saillie dans ladite cavité 16, débouchant sur une portion débouchante 17c, inclinée dans ce mode de réalisation et réalisée sur un chanfrein et présentant une section plus importante.
L'axe A de la lunule 17 étant coplanaire avec l'axe B du perçage 20, un lamage torique 22 est réalisé autour du perçage 20 pour garantir la continuité du circuit d'écoulement 14 une fois l'assemblage réalisé.
Une lunule 17 comporte donc au moins quatre portions distinctes :
Une portion radialement interne amont 17a en communication avec la cavité radialement interne 15 et le lamage torique 22 ;
Le lamage torique 22 permettant au flux de refroidissement de contourner la vis 21 malgré la perte de charge que cela entraîne, et mettant donc en communication la portion radialement interne amont 17a de lunule et une portion radialement externe aval 17b ;
La portion radialement externe aval 17b en communication avec le lamage torique 22 et la portion débouchante 17c ;
La portion débouchante 17c en communication avec la portion aval 17b et débouchant dans la cavité radialement externe 16.
Dans les figures 5 et 6, les portions amont 17a et aval 17b sont représentées s'étendant radialement. Dans une variante non représentée, les portions peuvent ne pas être orientées strictement radialement par rapport à l'axe de révolution du rotor. De même, la portion débouchante 17c peut être inclinée ou non par rapport aux portions 17a et 17b.
La localisation des lunules 17 au niveau des festons 19 permet ainsi de limiter les effets de concentration de contraintes en localisant la partie calibrante du flux de refroidissement dans la crête 23 des festons 19, qui est une zone « morte » en contrainte.
Afin de préserver les performances du turboréacteur, le flux de refroidissement des disques prélevé en amont de la chambre de combustion est calibré grâce à un goulot d'étranglement limitant le débit de l'écoulement.
Ce goulot est réalisé par la portion amont 17a des lunules, dont la section très réduite est configurée pour limiter naturellement le débit du flux de refroidissement.
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En référence à la figure 6, pour simplifier la régulation de ce débit, seule la portion amont 17a des lunules est dimensionnée pour le limiter. Les autres portions de la lunule présentent donc une section plus importante que la section de la portion amont 17a, notamment afin que les effets de perte de charge le long de la lunule 17 ne jouent pas de rôle dans la calibration du débit du flux de refroidissement.
La portion amont 17a des lunules présente donc une surface comportant des rayons de courbures plus courts que les autres portions de lunules 17. Les coefficients de concentration de contraintes sont donc les plus critiques dans la zone comportant les portions amont 17a des lunules.
La zone la moins contrainte mécaniquement de la bride étant la crête de feston 23, qui est donc au contact de l'enceinte radialement intérieure 15, les portions amont 17a des lunules sont réalisées sur ces crêtes 23 de feston 19.
Les autres portions de lunules 17b et 17c présentent une section plus importante, donc comportant des surfaces présentant des rayons de courbure plus importants et limitant de ce fait la concentration de contraintes.
Cette limitation des concentrations de contraintes dans la portion annulaire 25 de la bride radiale 11, étant la zone la plus chargée mécaniquement, permet d'accroître la durée de vie de l'anneau d'étanchéité 8.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Rotor (1) de turbine, par exemple une turbine basse pression d'une turbomachine, comprenant :un premier disque (2a), comprenant un premier bras aval (6), un deuxième disque (2b), un anneau d'étanchéité (8) annulaire comprenant une bride radiale (11) comportant une portion annulaire (25) sur laquelle est réalisé un festonnage défini par une pluralité de festons (19) répartis circulairement, ladite bride radiale (11) étant fixée sur le rotor (1) entre le bras aval (6) du premier disque (2a) et le deuxième disque (2b) par des ensembles vis (21)-écrou (24), les vis d'assemblage (21) passant par des perçages (20) réalisés dans le bras aval (6) du premier disque (2a), les festons (19) de la bride radiale (11) et le deuxième disque (2b) et un circuit découlement (9) comportant au moins une lunule (17), adapté pour mettre en communication fluidique une cavité radialement interne (15) et une cavité radialement externe (16), la lunule (17) étant formée dans une face aval (18) de la bride radiale (11) de l'anneau d'étanchéité (8), le rotor (3) étant caractérisé en ce que la lunule (17) est ménagée sur au moins un feston (19).
- 2. Rotor selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lunule (17) comporte une portion radialement interne (17a) en saillie dans la cavité radialement interne (15) et une portion radialement externe (17b) en communication fluidique avec une portion débouchante de lunule (17c), la portion débouchante (17c) étant en saillie dans la cavité radialement externe (16).
- 3. Rotor selon la revendication 2, caractérisé en ce que la portion débouchante de lunule (17c) est inclinée par rapport à la portion radialement externe (17b) de lunule.
- 4. Rotor selon l'une des revendications 2 à 3, caractérisé en ce qu'au moins un lamage torique (22) est réalisé au niveau des perçages (20) des festons (19), sur la face aval (18) de la bride radiale (11), ce lamage torique (22) mettant en communication la portion radialement interne (17a) et la portion radialement externe (17b) de la lunule (17).
- 5. Rotor de turbine selon la revendication 4, caractérisé en ce que la portion radialement interne de lunule (17a) présente une section telle que le débit admissible par la portion radialement externe (17b) de lunule et le lamage torique (22) est supérieur au débit admissible par la portion radialement interne de lunule (17a).
- 6. Rotor de turbine selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la portion radialement externe de lunule (17b) comporte une surface présentant un rayon de courbure minimal supérieur à celui de la surface de la portion radialement interne (17a).
- 7. Rotor de turbine selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la portion radialement externe (17b) de la lunule est ménagée sur la portion annulaire (25) de la bride radiale (11), la portion radialement interne (17a) de la lunule étant ménagée sur une crête (23) d'un feston (19).
- 8. Rotor de turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un des festons (19) comporte une lunule (17) s'étendant selon un axe (A) et un perçage (20) s'étendant selon un deuxième axe (B), les axes de la lunule (A) et du perçage (B) étant coplanaires.
- 9. Turbine, notamment turbine basse pression, caractérisée en ce qu'elle comprend un rotor (1) selon l'une des revendications 1 à 8.
- 10. Turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine selon 5 la revendication 9.1/3
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