FR3094399A1 - Anneau de retenue denté pour roue de turbine de turbomachine - Google Patents

Abstract

L’invention concerne une roue mobile de turbine de turbomachine comprenant un disque (75) présentant sur sa périphérie des dents (81) qui définissent entre elles des alvéoles de logement d’aube. L’invention se rapporte plus spécifiquement à un organe de retenue (91) formant de préférence un anneau fixé contre une face du disque (75). L’organe de retenue (91) délimite axialement au moins une alvéole de manière à obturer celle-ci axialement en définissant une ouverture d’un canal de ventilation (92). L’organe de retenue (91) comprend au moins une dent interne en saillie radialement vers l’intérieur et s’étendant circonférentiellement en vis-à-vis de l’au moins une alvéole. L’ouverture du canal de ventilation (92) de cette alvéole est délimitée radialement à l’intérieur par le fond de cette alvéole et radialement à l’extérieur par cette dent interne de l’organe de retenue (91). Figure pour l’abrégé : Fig. 5

Description

Anneau de retenue denté pour roue de turbine de turbomachine

L’invention concerne le domaine des turbines pour turbomachine d’aéronef, et plus spécifiquement des roues mobiles de telles turbines. L’invention s’applique à tout type de turbomachine, tel qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur.

État de la technique antérieure

Une roue mobile de turbine comporte généralement un disque et une pluralité d’aubes agencées à la circonférence du disque. Pour ce faire, le disque présente à sa périphérie des dents qui définissent entre elles des alvéoles dans lesquelles sont logés les pieds des aubes.

Lors du fonctionnement de la turbomachine, des gaz chauds générés par la combustion circulent dans la partie turbine. Les disques des roues sont directement exposés à ces gaz chauds.

Pour éviter notamment l’endommagement des disques, il est connu de faire circuler de l’air froid de ventilation au niveau des alvéoles du disque. Cet air de ventilation circule également au travers de jeux situés entre les pieds des aubes et les alvéoles de logement d’aube.

Selon l’art antérieur, l’air de ventilation du disque des roues mobiles a tendance à se disperser au travers des jeux de sorte qu’une quantité non négligeable d’air de ventilation circulant entre les pieds d’aube et les alvéoles de logement d’aube n’est pas canalisée au niveau des fonds d’alvéole. De telles pertes ont une incidence sur le débit d’air de ventilation nécessaire pour refroidir efficacement les disques. Il existe donc un besoin d’améliorer le refroidissement de ces disques.

Ainsi, l’invention vise à améliorer le refroidissement d’un disque d’une roue mobile de turbine et également de fournir une solution limitant l’impact en termes de masse.

A cet effet, l’invention a pour objet un rotor de turbine de turbomachine, s’étendant autour d’un axe et comprenant un disque présentant à sa périphérie des dents qui définissent entre elles des alvéoles de logement d’aube, le disque comprenant une face amont et une face aval opposée à la face amont. Ce rotor comprend un organe de retenue fixé contre la face amont ou la face aval du disque, cet organe de retenue délimitant axialement au moins l’une desdites alvéoles de manière à obturer celle-ci axialement en définissant une ouverture d’un canal de ventilation.

Selon l’invention, l’organe de retenue comprend au moins une dent interne en saillie radialement vers l’intérieur, l’au moins une dent interne s’étendant circonférentiellement en vis-à-vis de l’au moins une alvéole, l’ouverture du canal de ventilation étant délimitée radialement à l’extérieur par l’au moins une dent interne de l’organe de retenue et radialement à l’intérieur par le fond de l’au moins une alvéole.

Un tel organe de retenue permet d’obturer axialement des jeux entre une alvéole ainsi délimitée par cet organe et un pied d’aube reçu dans cette alvéole, ce qui permet de limiter voire d’annuler les fuites d’air au niveau de ces jeux.

Le canal de ventilation ménagé par cet organe de retenue permet d’acheminer de l’air froid de ventilation traversant la turbine dans une région choisie de l’alvéole, en particulier dans le fond des alvéoles. En particulier, lorsque l’organe de retenue est fixé contre la face amont du disque, le canal de ventilation permet de canaliser l’air froid de ventilation vers le fond des alvéoles.

Il en résulte une amélioration du refroidissement du disque et une réduction de la quantité d’air nécessaire à son refroidissement.

En particulier, la présence d’une ou plusieurs dents internes de l’organe de retenue permet de recouvrir à minima les zones de jeux et donc de potentielles fuites entre les pieds d’aubes et les alvéoles ce qui permet d’améliorer le refroidissement du disque tout en réduisant la masse de l’organe de retenue.

Dans un mode de réalisation, le rotor peut comprendre au moins une aube ayant un pied reçu dans l’une desdites alvéoles respective du disque, le pied et le fond de l’alvéole définissant entre eux le canal de ventilation et l’au moins une dent interne de l’organe de retenue s’étendant circonférentiellement en vis-à-vis de l’extrémité radialement interne du pied de cette aube.

Un tel organe de retenue peut être assemblé sur un disque d’une roue conventionnelle, sans modification dimensionnelle des alvéoles de logement d’aube ou des pieds d’aube reçus dans ces alvéoles.

Ces différents avantages peuvent être obtenus avec un organe de retenue de dimension circonférentielle variable et/ou délimitant axialement toutes ou une partie seulement des alvéoles de logement d’aube.

Dans une première variante de réalisation, l’organe de retenue peut être un secteur d’anneau. Dans le cadre de cette première variante, il est possible de délimiter axialement toutes les alvéoles du disque en agençant bout à bout, sur la périphérie du disque, plusieurs organes de retenue de ce type.

Dans une deuxième variante de réalisation, l’organe de retenue peut former un anneau délimitant axialement toutes les alvéoles du disque.

Bien entendu, cet anneau peut présenter une forme plus ou moins complexe, par exemple en présentant un rayon extérieur variable selon une direction circonférentielle.

Lorsque l’organe de retenue forme un anneau, le rayon intérieur de l’anneau est supérieur au niveau des dents de la périphérie du disque par comparaison avec le rayon intérieur de l’anneau au niveau des alvéoles de logement d’aube de ce disque, formant ainsi un feston radialement interne.

L’organe de retenue peut aussi former un feston radialement externe.

En particulier, dans un mode de réalisation, l’organe de retenue peut comprendre au moins une dent externe en saillie radialement vers l’extérieur, l’au moins une dent externe s’étendant circonférentiellement en vis-à-vis du sommet de l’une desdites dents respective du disque.

Autrement dit, lorsque l’organe de retenue forme un anneau, le rayon extérieur de l’anneau peut être supérieur au niveau des dents de la périphérie du disque par comparaison avec le rayon extérieur de l’anneau au niveau des alvéoles de logement d’aube de ce disque, formant ainsi un feston radialement externe.

Il est ainsi possible de limiter voire d’annuler les fuites au sommet des dents du disque, par exemple au niveau des jeux entre la face radialement externe du disque et la plateforme des aubes reçues dans les alvéoles.

Le festonnage de l’organe de retenue permet de réduire la dimension des parties de cet organe en appui contre les dents du disque, et par suite de réduire la masse globale de l’organe de retenue, tout en améliorant le refroidissement du disque.

Dans un mode de réalisation compatible avec un tel festonnage interne et/ou externe, l’organe de retenue peut être dimensionné de sorte que, au niveau de chaque alvéole de logement d’aube qu’il délimite axialement, le bord radialement interne de cet organe ait une forme analogue à la forme du fond de cette alvéole de manière à définir un canal de de ventilation qui présente une dimension qui soit circonférentiellement constante, ou sensiblement constante.

De préférence, le rotor peut comprendre des organes de fixation reliés chacun à une dent respective du disque, ces organes de fixation étant configurés pour fixer l’organe de retenue contre le disque.

Dans un mode de réalisation, les organes de fixation peuvent comprendre des parties mâles telles que des vis qui sont chacune fixée à une dent respective du disque. Par exemple, les parties femelles correspondantes peuvent être constituées par des orifices filetés réalisés dans les dents.

Dans un autre mode de réalisation, les organes de fixation peuvent comprendre des parties mâles solidaires de dents du disque qui coopèrent avec des parties femelles telles que des écrous. Dans cet exemple, les parties mâles peuvent typiquement comprendre des tiges filetées encastrées dans ces dents ou soudées à celles-ci.

Indépendamment de la géométrie de l’organe de retenue, celui-ci peut être fixé par de tels moyens de fixation sur un nombre choisi de dents de la périphérie du disque.

De préférence, en particulier lorsque l’organe de retenue est annulaire, cet organe de retenue peut être fixé sur au moins quatre dents, de sorte que ces dents de fixation soient régulièrement espacées deux à deux selon une direction circonférentielle. Par exemple, lorsque l’organe de retenue est fixé sur quatre dents, celles-ci peuvent être espacées deux à deux de manière à former, dans un plan axial, un angle égal ou inférieur à pi sur deux radians.

Une telle fixation de l’organe de retenue sur le disque permet de maintenir l’organe de retenue plaqué contre le disque sur toute sa dimension circonférentielle avec un nombre réduit d’organes de fixation.

Dans un mode de réalisation, le rotor peut comprendre au moins une aube ayant un pied présentant au moins deux bulbes, l’organe de retenue obturant l’au moins une alvéole respective du disque recevant le pied de cette aube de manière à recouvrir des jeux entre lesdits bulbes et les dents du disque définissant entre elles cette alvéole.

L’invention a aussi pour objet une turbine pour turbomachine, comprenant au moins un rotor tel que défini ci-dessus.

Un autre objet de l’invention est une turbomachine comprenant une telle turbine, cette turbomachine appartenant par exemple à un ensemble propulsif d’aéronef.

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 :

est une vue schématique en coupe axiale d’un ensemble propulsif d’aéronef comprenant une turbomachine de type turboréacteur à double flux ;

est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale d’une turbine basse-pression de turbomachine ;

est une vue schématique en perspective d’une roue mobile de turbine ;

est une vue schématique partielle en perspective éclatée d’une roue mobile de turbine ;

est une vue schématique partielle en perspective d’un disque de roue mobile sur lequel est fixé un organe de retenue conforme à l’invention ;

est une vue schématique partielle en perspective d’une roue mobile comportant un organe de retenue conforme à l’invention ;

est une vue schématique partielle d’un organe de retenue conforme à l’invention.

Description détaillée de modes de réalisation

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 carénée par une nacelle 11. Dans cet exemple, la turbomachine 10 est 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, 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. Les compresseurs 3 et 4, la chambre de combustion 5 et les turbines 6 et 7 forment un générateur de gaz.

Par la suite, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à une direction principale D1 d’écoulement des gaz à travers l’ensemble propulsif 1 le long de l’axe central longitudinal A1.

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 le générateur de gaz du turboréacteur 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 radial qui comprend l’axe central longitudinal A1 qui est 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 à 4, 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, et une pale 79 portée par la plateforme 78. La pale 79 forme la partie aérodynamique de l’aube 76.

En référence à la figure 4, le disque 75 présente sur sa périphérie des dents 81 qui définissent entre elles des alvéoles de logement d’aube.

Le disque 75 comprend une face amont 82, une face aval 83 axialement opposée à la face amont 82 et une pluralité de faces radialement externe 84 qui forment des sommets respectifs des dents 81.

Le disque 75 comprend aussi une pluralité de faces 85 formant des fonds respectifs des alvéoles.

Chaque alvéole est ainsi délimitée radialement à l’intérieur par un fond d’alvéole 85 et circonférentiellement par deux dents 81 adjacentes.

Les alvéoles de logement d’aube 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.

Dans cet exemple, le pied 77 de chaque aube 76 présente une forme extérieure dite « en sapin », présentant deux bulbes, permettant son insertion dans l’une des alvéoles de logement d’aube, lesquelles présentent une forme correspondante.

Les alvéoles de logement d’aube s’étendent selon une direction sensiblement axiale, à savoir une direction sensiblement parallèle à l’axe A1 de rotation de la roue 71, et forment ainsi des ouvertures traversant le disque 75 d’amont en aval.

L’invention consiste à fixer sur un tel disque 75, contre sa face amont 82 ou contre sa face aval 83, un organe de retenue 91 tel qu’illustré aux figures 5 à 7 permettant de retenir axialement des aubes 76 de la roue 71. Dans la description qui suit, l’organe de retenue 91 est fixé contre la face amont 82 du disque 75 et assure ainsi une fonction de retenue axiale des aubes 76 en amont.

De manière connue en soi, de l’air froid de ventilation est mis en circulation dans la turbine 7. L’air de ventilation ainsi mis en circulation traverse typiquement les roues mobiles 71 de la turbine 7 de l’amont vers l’aval, notamment au travers des jeux entre les pieds 77 des aubes 76 et les alvéoles du disque 75.

L’organe de retenue 91 est agencé pour obturer axialement, de manière partielle, une ou plusieurs alvéoles du disque 75.

Dans un mode de réalisation, l’organe de retenue 91 forme un anneau apte à obturer chacune des alvéoles. Dans un autre mode de réalisation, plusieurs organes de retenue 91 formant des secteurs d’anneau peuvent être circonférentiellement fixés bout à bout sur le disque 75 de manière à former ensemble un anneau complet. Bien entendu, l’invention couvre aussi un rotor comportant un ou plusieurs organes de retenue 91 agencés pour obturer certaines alvéoles du disque 75 et pour ne pas obturer d’autres alvéoles de ce disque 75. Pour améliorer le refroidissement du disque 75, il est toutefois préféré de fixer sur ce disque 75 un ou plusieurs organes de retenue 91 de manière à obturer chacune des alvéoles du disque 75.

Dans la description qui suit, l’organe de retenue 91 forme un anneau configuré pour délimiter axialement toutes les alvéoles du disque 75 de manière à obturer partiellement chacune de ces alvéoles.

L’obturation est en effet partielle au sens où, pour chaque alvéole, l’anneau 91 définit une ouverture d’un canal de ventilation 92 permettant dans cet exemple de canaliser l’air de ventilation vers le fond 85 de cette alvéole.

Pour ce faire, l’anneau 91 est dimensionné de sorte que, pour chaque alvéole du disque 75, l’anneau 91 obture axialement cette alvéole sur une portion radiale réduite. Dans l’exemple de la figure 5, cette portion radiale s’étend pour chaque alvéole entre :
– un bord externe 93 de l’anneau 91, ce bord externe 93 étant radialement situé au niveau de la face 84 radialement externe des dents 81, et
– un bord interne 94 de l’anneau 91, ce bord interne 94 étant radialement situé à distance radiale du fond 85 de cette alvéole pour ménager une ouverture d’un canal de ventilation.

La distance radiale entre le bord interne 94 de l’anneau 91 et le fond 85 de l’alvéole forme ladite ouverture du canal de ventilation 92 permettant de canaliser l’air de ventilation vers le fond 85 de cette alvéole.

Comme cela apparaît à la figure 5, l’anneau 91 obture les alvéoles radialement entre son bord externe 93 et son bord interne 94 de sorte que les jeux – entre pieds d’aube et alvéoles – situés radialement à l’extérieur par rapport au bord interne 94 soient totalement obturés par l’anneau 91. Cela permet de limiter ou d’annuler les fuites d’air au niveau des jeux ainsi obturés.

Afin d’améliorer encore le refroidissement du disque 75, l’anneau 91 comprend un festonnage formé par son bord interne 94.

En référence aux figures 5 à 7, l’anneau 91 comporte des dents internes 95 en saillie radialement vers l’intérieur. Dans cet exemple, l’anneau 91 est configuré de sorte que chaque dent interne 95 s’étende circonférentiellement en vis-à-vis d’une alvéole correspondante (voir figures 5 et 6).

Pour chaque alvéole, l’ouverture du canal de ventilation 92 est ainsi délimitée radialement à l’extérieur par une dent interne 95 correspondante de l’anneau 91 et radialement à l’intérieur par le fond 85 de cette alvéole.

En particulier, l’ouverture du canal de ventilation 92 présente une dimension sensiblement constante selon la direction circonférentielle D2. Cela permet d’uniformiser circonférentiellement la quantité d’air pénétrant dans cette alvéole à travers l’ouverture du canal de ventilation 92.

L’anneau 91 peut aussi comprendre un festonnage formé par son bord externe 93 tel qu’illustré aux figures 5 et 7. Plus précisément, l’anneau 91 comprend des dents externes 98 en saillie radialement vers l’extérieur et s’étendant circonférentiellement en vis-à-vis d’un sommet de l’une desdites dents 81 respective du disque 75. Un tel festonnage externe permet notamment de limiter ou annuler les fuites au sommet des dents 81 tout en réduisant la masse de l’anneau 91.

Dans tous les cas et en particulier lorsque le bord externe 93 de l’anneau 91 est festonné, il est préférable de conférer à l’anneau 91 une géométrie lui permettant d’obturer les jeux entre pieds d’aube et alvéoles jusqu’au sommet des alvéoles, cela afin d’empêcher les fuites d’air au niveau des bulbes des pieds 77 des aubes 76 et/ou afin d’augmenter la quantité d’air de ventilation canalisé vers le fond 85 des alvéoles.

En référence à la figure 6, l’anneau 91 est à cet effet dimensionné pour obturer les alvéoles du disque 75 de manière à recouvrir l’intégralité des jeux entre chaque bulbe de pied d’aube et les dents du disque.

Des organes de fixation 96 sont prévus pour fixer l’anneau 91 contre la face amont 82 du disque 75.

Dans l’exemple des figures 5 et 6, ces organes de fixations 96 comprennent des vis traversant des ouvertures 97 de l’anneau 91 (voir figure 7) pour être reçues dans des orifices filetés (non représentés) formés dans des dents 81 du disque 75.

Afin de maintenir l’anneau 91 plaqué contre la face amont 82 du disque 75 en limitant les fuites d’air entre pieds d’aube 77 et alvéoles, quatre vis au moins peuvent être utilisées, de préférence régulièrement espacées deux à deux selon la direction circonférentielle D2.

L’anneau 91 peut être fixé au disque 75 par d’autres types d’organes de fixation et/ou contre la face aval 83 du disque 75 sans sortir du cadre de l’invention.

Claims (10)

1. Rotor de turbine (6, 7) de turbomachine (10), s’étendant autour d’un axe (A1) et comprenant un disque (75) présentant à sa périphérie des dents (81) qui définissent entre elles des alvéoles de logement d’aube (76), le disque (75) comprenant une face amont (82) et une face aval (83) opposée à la face amont (82), ce rotor comprenant un organe de retenue (91) fixé contre la face amont (82) ou la face aval (83) du disque (75), cet organe de retenue (91) délimitant axialement au moins l’une desdites alvéoles de manière à obturer celle-ci axialement en définissant une ouverture d’un canal de ventilation (92), ce rotor étant caractérisé en ce que l’organe de retenue (91) comprend au moins une dent interne (95) en saillie radialement vers l’intérieur, l’au moins une dent interne (95) s’étendant circonférentiellement en vis-à-vis de l’au moins une alvéole, l’ouverture du canal de ventilation (92) étant délimitée radialement à l’extérieur par l’au moins une dent interne (95) de l’organe de retenue (91) et radialement à l’intérieur par le fond (85) de l’au moins une alvéole.
2. Rotor selon la revendication 1, dans lequel l’organe de retenue (91) forme un anneau délimitant axialement toutes les alvéoles du disque (75).
3. Rotor selon la revendication 1 ou 2, comprenant des organes de fixation (96) reliés chacun à une dent (81) respective du disque (75), ces organes de fixation (96) étant configurés pour fixer l’organe de retenue (91) contre le disque (75).
4. Rotor selon la revendication 3, dans lequel les organes de fixation (96) comprennent des parties mâles telles que des vis qui sont chacune fixée à une dent (81) respective du disque (75).
5. Rotor selon la revendication 3, dans lequel les organes de fixation comprennent des parties mâles solidaires de dents (81) du disque (75) qui coopèrent avec des parties femelles telles que des écrous.
6. Rotor selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’organe de retenue (91) comprend au moins une dent externe (98) en saillie radialement vers l’extérieur, l’au moins une dent externe (98) s’étendant circonférentiellement en vis-à-vis du sommet de l’une desdites dents (81) respective du disque (75).
7. Rotor selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant au moins une aube (76) ayant un pied (77) reçu dans l’une desdites alvéoles respective du disque (75), le pied (77) et le fond (85) de l’alvéole définissant entre eux le canal de ventilation (92) et l’au moins une dent interne (95) de l’organe de retenue (91) s’étendant circonférentiellement en vis-à-vis de l’extrémité radialement interne du pied (77) de cette aube (76).
8. Rotor selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant au moins une aube (76) ayant un pied (77) présentant au moins deux bulbes, l’organe de retenue (91) obturant l’au moins une alvéole respective du disque (75) recevant le pied (77) de cette aube (76) de manière à recouvrir des jeux entre lesdits bulbes et les dents (81) du disque (75) définissant entre elles cette alvéole.
9. Turbine (6, 7) pour turbomachine (10), comprenant au moins un rotor selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
10. Turbomachine (10), comprenant une turbine (6, 7) selon la revendication 9.