FR3092612A1 - Système de refroidissement d’anneau de retenue axiale d’aubes de turbine pour turbomachine d’aéronef - Google Patents
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Abstract
L’invention se rapporte à un système de refroidissement d’anneau (91) de retenue axiale d’aubes (76) de turbine pour turbomachine d’aéronef. L’anneau de retenue (91) comprend une surface de butée en vis-à-vis des aubes (76) et une surface libre, axialement opposée à la surface de butée. Ce système comprend une bride (93) de maintien en position de l’anneau de retenue (91), cette bride de maintien (93) délimitant avec un disque (75) portant les aubes (76) un espace (E1) de circulation d’air de refroidissement. Selon l’invention, la bride de maintien (93) comprend des passages (931) de refroidissement de l’anneau de retenue (91) agencés pour diriger de l’air de refroidissement de l’espace de circulation (E1) en direction de ladite surface libre de l’anneau de retenue (91). Figure pour l’abrégé : figure 5
Description
L’invention concerne le domaine des turbines pour turbomachine d’aéronef, et plus spécifiquement des turbines comprenant au moins une roue à montage axial des aubes, par exemple la roue décrite dans le document FR 2 972 759 A1 et mettant en œuvre un anneau de retenue axiale des aubes.
L’invention s’applique à tout type de turbomachine, tel qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur.
État de l’art antérieur
Une roue mobile de turbine pour turbomachine d’aéronef comprend typiquement un disque portant des aubes engagées par leur pied dans des rainures ménagées à la périphérie du disque.
Les aubes sont dites à montage axial lorsque les rainures s’étendent selon une direction sensiblement parallèle à l’axe de rotation de la roue. En effet, l’insertion du pied d’une aube dans une rainure se fait dans ce cas par translation axiale de cette aube relativement au disque.
Le maintien des aubes sur le disque est typiquement réalisé par un anneau de retenue, en amont et/ou en aval de la roue, tel que l’anneau 72 représenté à la figure 3 du document FR 2 972 759 A1.
Lors du fonctionnement d’une turbomachine comprenant une telle roue de turbine, la combustion génère des gaz chauds qui circulent de part et d’autre des aubes et entraîner un réchauffement de l’anneau de retenue. Compte tenu de la température de ces gaz, l’anneau de retenue est susceptible de se déformer – phénomène de fluage – et ainsi de s’user relativement rapidement au regard de la durée de vie d’une telle roue.
Un but de l’invention est de réduire les risques de déformation et d’usure prématurée d’un tel anneau de retenue.
A cet effet, l’invention a pour objet un sous-ensemble de turbine pour turbomachine d’aéronef, comprenant :
- une roue comportant un disque et une pluralité d’aubes engagées dans des rainures du disque,
- un anneau de retenue axiale des aubes par rapport au disque, cet anneau de retenue comprenant une surface de butée en vis-à-vis des aubes et une surface libre axialement opposée à la surface de butée,
- une bride de maintien en position de l’anneau de retenue, cette bride délimitant avec le disque un espace de circulation d’air de refroidissement,
la bride de maintien comprenant des passages de refroidissement de l’anneau de retenue agencés pour diriger de l’air de refroidissement de l’espace de circulation en direction de ladite surface libre de l’anneau de retenue.
- une roue comportant un disque et une pluralité d’aubes engagées dans des rainures du disque,
- un anneau de retenue axiale des aubes par rapport au disque, cet anneau de retenue comprenant une surface de butée en vis-à-vis des aubes et une surface libre axialement opposée à la surface de butée,
- une bride de maintien en position de l’anneau de retenue, cette bride délimitant avec le disque un espace de circulation d’air de refroidissement,
la bride de maintien comprenant des passages de refroidissement de l’anneau de retenue agencés pour diriger de l’air de refroidissement de l’espace de circulation en direction de ladite surface libre de l’anneau de retenue.
Compte tenu des débits respectifs d’air de refroidissement et de gaz chauds typiquement en circulation au sein d’une turbine de turbomachine, l’invention permet de refroidir l’anneau de retenue de manière à réduire significativement les risques de déformation et d’usure prématurée de cet anneau, cela avec de simples passages dans la bride de maintien.
De plus, l’invention peut être facilement mise en œuvre sur le parc de turbomachines existant, en réalisant des passages de refroidissement dans des brides de maintien en position d’anneaux de retenue à refroidir.
Dans un mode de réalisation, les passages de refroidissement peuvent être agencés pour former un film d’air de refroidissement sur la surface libre.
Autrement dit, les passages de refroidissement peuvent être agencés de sorte que le flux d’air dirigé vers l’anneau de retenue vienne lécher, ou épouser, la surface libre de cet anneau, permettant un refroidissement efficace.
De préférence, les passages de refroidissement sont répartis tout autour d’un axe de rotation de la roue. Cela permet de répartir l’air de refroidissement sur toute la circonférence de l’anneau.
Selon une première variante de réalisation, au moins certains passages de refroidissement, de préférence tous, peuvent être délimités par une surface de l’anneau de retenue, en particulier par la surface libre de cet anneau, et par une surface de la bride de maintien.
Pour ce faire, les passages de refroidissement peuvent par exemple consister en des évidements radiaux réalisées en une extrémité d’appui de la bride de maintien, l’extrémité d’appui étant celle en appui contre l’anneau de retenue pour maintenir celui-ci en position.
Plus généralement, au moins certains passages de refroidissement peuvent former des évidements radiaux, que l’anneau de retenue délimite ou non ces passages de refroidissement.
Selon une deuxième variante de réalisation, au moins certains passages de refroidissement peuvent consister en des orifices traversant la bride de maintien et étant inclinés de sorte qu’un axe de chaque orifice intercepte la surface libre de l’anneau de retenue.
Les variantes décrites ci-dessus peuvent être combinées. A titre d’exemple non limitatif, certains passages de refroidissement peuvent former des évidements radiaux, par exemple de sorte que ces évidements soient délimités par une surface de l’anneau de retenue et par une surface de la bride de maintien, et d’autres passages de refroidissement peuvent consister en des orifices selon ladite deuxième variante de réalisation.
Préférentiellement, l’anneau de retenue peut être agencé en aval de la roue, constituant ainsi une butée axiale aval. Dans ce cas, la bride de maintien est de préférence agencée en aval de l’anneau de retenue.
L’invention a aussi pour objets :
- un rotor de turbine pour turbomachine d’aéronef, comprenant un sous-ensemble tel que décrit ci-dessus,
- une turbine pour turbomachine d’aéronef comprenant un tel sous-ensemble et/ou un tel rotor,
- une turbomachine d’aéronef comprenant une telle turbine,
- un ensemble propulsif d’aéronef comprenant une telle turbomachine, et
- un aéronef comprenant un tel ensemble propulsif.
- un rotor de turbine pour turbomachine d’aéronef, comprenant un sous-ensemble tel que décrit ci-dessus,
- une turbine pour turbomachine d’aéronef comprenant un tel sous-ensemble et/ou un tel rotor,
- une turbomachine d’aéronef comprenant une telle turbine,
- un ensemble propulsif d’aéronef comprenant une telle turbomachine, et
- un aéronef comprenant un tel ensemble propulsif.
L’invention permet de créer une protection thermique d’un anneau de retenue axiale d’aubes, réduisant ainsi de manière significative sa température lors du fonctionnement de la turbine et améliorant en conséquence sa tenue au fluage.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée non limitative qui suit.
La description détaillée qui suit fait référence aux dessins annexés sur lesquels :
Exposé
détaillé de modes de réalisation particuliers
L’invention concerne un ensemble propulsif 1 d’aéronef (non représenté) tel que représenté à la figure 1. Cet ensemble propulsif 1 comprend une turbomachine 10 logée dans une nacelle 11. Dans cet exemple, la turbomachine 10 consiste en un turboréacteur à double flux bien connu dans le domaine des ensembles propulsifs d’aéronef. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à une telle turbomachine et peut s’appliquer à tout type de turbomachine à turbine, tel que par exemple un turbopropulseur.
La turbomachine 10 présente un axe central longitudinal A1 autour duquel s’étendent ses différents composants, en l’occurrence, de l’amont vers l’aval de la turbomachine 10, une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6 et une turbine basse pression 7.
Par la suite, les termes « amont » et « aval » sont définis relativement à une direction principale D1 d’écoulement des gaz à travers l’ensemble propulsif 1.
De manière conventionnelle, lors du fonctionnement d’un tel turboréacteur 10 à double flux, un écoulement d’air 8 pénètre dans l’ensemble propulsif 1 par une entrée d’air en amont de la nacelle 11, traverse la soufflante 2 puis se divise en un flux primaire 8A central et un flux secondaire 8B. Le flux primaire 8A s’écoule dans une veine principale 9A de circulation des gaz traversant les compresseurs 3 et 4, la chambre de combustion 5 et les turbines 6 et 7. Le flux secondaire 8B s’écoule quant à lui dans une veine secondaire 9B entourant la turbomachine 10 et délimitée radialement vers l’extérieur par la nacelle 11.
La figure 2 représente de manière plus détaillée une partie de la turbine basse pression 7, selon un plan passant par l’axe central longitudinal A1 qui constitue l’axe de rotation du rotor de cette turbine 7. L’invention n’est toutefois pas limitée à la turbine basse pression 7 et peut également s’appliquer à la turbine haute pression 6.
Dans cet exemple, le rotor de la turbine 7 comprend quatre roues 71 assemblées axialement les unes aux autres par des brides annulaires 72. Le stator de cette turbine 7 comprend quatre aubes fixes 73 montées en leurs extrémités radialement externes sur un carter 74 de cette turbine 7.
En référence aux figures 2 et 3, chaque roue 71 comprend un disque 75 et des aubes 76. Plus spécifiquement, chaque aube 76 de la roue 71 comprend un pied 77, une plateforme 78, une échasse 79 reliant le pied 77 et la plateforme 78, et une pale 81 portée par la plateforme 78, la pale 81 constituant la partie aérodynamique de l’aube 76. Dans cet exemple, chaque aube 76 comprend en outre une paroi transverse amont 82 et une paroi transverse aval 83 qui s’étendent chacune de la plateforme 78 vers le pied 77.
Le disque 75 comprend des rainures 84 de logement d’aubes qui définissent entre elles des dents 85. Ces rainures 84 sont agencées pour recevoir les pieds 77 des aubes 76 de sorte que celles-ci soient disposées les unes à côté des autres selon une direction circonférentielle D2 (cf. figure 3). Dans cet exemple, le pied 77 de chaque aube 76 présente une forme extérieure dite « en sapin » ou « en bulbe », permettant son insertion dans l’une des rainures 84 qui présente une forme correspondante.
Les rainures 84 s’étendent selon une direction sensiblement parallèle à l’axe A1 de rotation de la roue 71, et constituent ainsi des ouvertures traversant le disque 75 d’amont en aval, c’est-à-dire selon la direction principale D1 d’écoulement des gaz.
Il est connu de maintenir axialement les aubes 76 sur le disque 75 avec des moyens de retenue 86, 87, 88, 89 tels que ceux illustrés à la figure 4. Selon cette solution de l’art antérieur, la retenue axiale des aubes 76 est réalisée, en amont, par un jonc annulaire 86 appliqué axialement sur une face externe des parois transverses amont 82 des aubes 76 et sur une face amont des dents 85 du disque 75 ; le jonc annulaire 86 est maintenu en position par une bride de maintien amont 87, solidaire du disque 75. En aval, la retenue axiale des aubes 76 est réalisée par un anneau de retenue 88 appliqué axialement sur une face externe des parois transverses aval 83 des aubes 76 et sur une face aval des dents 85 du disque 75 ; l’anneau de retenue 88 est maintenu en position par une bride de maintien aval 89, solidaire du disque 75.
Lors du fonctionnement de la turbomachine 10, des gaz chauds issus de la combustion exposent un tel anneau de retenue 88 à des températures importantes ce qui peut entraîner un fluage de cet anneau 88.
L’invention permet de limiter le fluage d’un tel anneau de retenue 88 en dirigeant sur celui-ci de l’air de refroidissement, par exemple selon les modes de réalisation décrits ci-dessous en référence aux figures 5 et 6.
Dans chacun de ces modes de réalisation particuliers, le rotor, ou ensemble rotatif, de la turbine 7 comprend, au moins pour l’une de ses roues 71, un anneau 91 de retenue axiale des aubes 76 par rapport au disque 75 (voir figures 5 et 6).
Cet anneau de retenue 91 forme une couronne annulaire dotée d’une surface dite de butée et d’une surface dite libre. La surface de butée est celle en regard des parois transverses aval 83 : l’anneau 91 est représenté axialement en appui, par sa surface de butée, sur la face externe des parois transverses aval 83 des aubes 76 et sur la face aval des dents 85 du disque 75. Ainsi, la surface de butée est la surface de l’anneau 91 qui coopère avec les aubes 76 de manière à retenir celles-ci axialement. La surface libre est quant à elle la surface de l’anneau 91 axialement opposée à sa surface de butée.
Dans cet exemple, une portion radialement vers l’extérieur de l’anneau de retenue 91 est reçue dans une gorge 92 ménagée dans les aubes 76.
Le maintien en position axiale de l’anneau de retenue 91, par rapport au disque 75, est réalisé par une bride de maintien aval 93. Cette bride de maintien 93 est solidaire du disque 75.
La bride de maintien 93 délimite avec le disque 75 un espace E1 de circulation de circulation d’air de refroidissement. L’espace de circulation E1 forme dans ces exemples une cavité annulaire délimitée radialement à l’extérieur et axialement en aval par la bride de maintien 93, radialement à l’intérieur par une jante 751 du disque 75, et axialement en amont par ladite face aval des dents 85. Dans cet exemple, la bride de maintien 93 et la jante 751 sont deux pièces distinctes et ayant une fonction différente : la bride de maintien 93 permet de maintenir en position l’anneau de retenue, tandis que la jante 751 est une pièce structurelle permettant d’assembler axialement plusieurs roues mobiles en transmettant un couple de l’une à l’autre.
De l’air de refroidissement est typiquement acheminé dans cet espace de circulation E1 au travers des jeux entre les pieds 77 des aubes 76 et les rainures 84 du disque 75. Alternativement ou complémentairement, le disque 75 peut comprendre des ouvertures axiales (non représentées) permettant l’acheminement d’air de refroidissement depuis un espace amont de la roue 71 jusqu’à l’espace de circulation E1.
De manière connue, l’air de refroidissement provient typiquement d’un compresseur (non représenté) et est acheminé dans la partie radialement interne de la turbine 7, d’amont en aval, de manière à refroidir les différentes roues 71 exposées à la chaleur des gaz de combustion.
Selon l’invention, la bride de maintien 93 comprend des passages 931, 932 de refroidissement de l’anneau de retenue 91. Ces passages de refroidissement 931, 932 sont agencés pour diriger de l’air de refroidissement de l’espace de circulation E1 vers l’anneau de retenue 91, et plus précisément en direction de la surface libre de cet anneau 91.
Dans le mode de réalisation de la figure 5, les passages de refroidissement 931 consistent en des évidements radiaux, chaque évidement 931 étant délimité par une portion de la surface libre de l’anneau de retenue 91 et par une surface de la bride de maintien 93.
De tels évidements radiaux 931 permettent d’acheminer un flux d’air de refroidissement depuis l’espace de circulation E1 vers l’anneau de retenue 91 de manière à former un film d’air de refroidissement sur une portion relativement étendue de la surface libre, incluant la portion délimitant les évidements 931.
Dans le mode de réalisation de la figure 6, les passages de refroidissement 932 sont des orifices traversant la bride de maintien 93.
Afin d’acheminer un flux d’air de refroidissement en direction de l’anneau de retenue 91, les orifices 932 sont inclinés par rapport à un plan radial de sorte qu’un axe A2 de chaque orifice intercepte la surface libre de l’anneau de retenue 91. Cet axe A2 se trouve ainsi incliné de manière à s’étendre vers l’amont en allant radialement vers l’extérieur. L’axe A2 des orifices 932 peut éventuellement présenter une inclinaison dans le sens circonférentiel, typiquement de manière à renforcer l’effet giratoire de flux de refroidissement.
Pour refroidir l’anneau de retenue 91 sur toute sa circonférence, les passages de refroidissement 931, 932 sont de préférence répartis tout autour de l’axe de rotation A1 de la roue, de préférence de manière régulière.
Pour obtenir un refroidissement optimal de l’anneau de retenue 91, la bride de maintien 93 devrait comprendre au moins trois passages de refroidissement par aube 76, et ces passages devraient être dimensionnés pour assurer un nombre de Mach supérieur à 0,4.
De tels agencements permettent, lors du fonctionnement de la turbomachine 10, de diriger de l’air froid vers la surface libre de l’anneau de retenue 91, le protégeant ainsi des gaz chauds de combustion.
Bien entendu, les modes de réalisation qui viennent d’être décrits ne sont nullement limitatifs. Par exemple, l’invention n’est pas limitée au cas d’une roue de turbine ayant un disque avec rainures d’aubes strictement axiales, les rainures pouvant par exemple s’étendre selon une direction ayant une composante tangentielle.
Claims (9)
- Sous-ensemble de turbine (7) pour turbomachine (10) d’aéronef, comprenant :
- une roue (71) comportant un disque (75) et une pluralité d’aubes (76) engagées dans des rainures (84) du disque (75),
- un anneau (91) de retenue axiale des aubes (76) par rapport au disque (75), cet anneau de retenue (91) comprenant une surface de butée en vis-à-vis des aubes (76) et une surface libre axialement opposée à la surface de butée,
- une bride (93) de maintien en position de l’anneau de retenue (91), cette bride de maintien (93) délimitant avec le disque (75) un espace (E1) de circulation d’air de refroidissement,
caractérisé en ce que la bride de maintien (93) comprend des passages (931, 932) de refroidissement de l’anneau de retenue (91) agencés pour diriger de l’air de refroidissement de l’espace de circulation (E1) en direction de ladite surface libre de l’anneau de retenue (91). - Sous-ensemble de turbine (7) selon la revendication 1, dans lequel les passages de refroidissement (931, 932) sont agencés pour former un film d’air de refroidissement sur la surface libre.
- Sous-ensemble de turbine (7) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel au moins certains passages de refroidissement (931) sont délimités par la surface libre de l’anneau de retenue (91) et par une surface de la bride de maintien (93).
- Sous-ensemble de turbine (7) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel au moins certains passages de refroidissement (931) forment des évidements radiaux.
- Sous-ensemble de turbine (7) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel au moins certains passages de refroidissement (932) sont des orifices traversant la bride de maintien (93) et étant inclinés de sorte qu’un axe de chaque orifice intercepte la surface libre de l’anneau de retenue (91).
- Sous-ensemble de turbine (7) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’anneau de retenue (91) est agencé en aval de la roue (71) et dans lequel la bride de maintien (93) est agencée en aval de l’anneau de retenue (91).
- Rotor de turbine (7) pour turbomachine (10) d’aéronef, caractérisé en ce qu’il comprend un sous-ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 6.
- Turbine (6, 7) pour turbomachine d’aéronef, caractérisée en ce qu’elle comprend un sous-ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 et/ou un rotor selon la revendication 7.
- Turbomachine (10) d’aéronef, caractérisée en ce qu’elle comprend une turbine (6, 7) selon la revendication 8.
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