FR3095234A1

FR3095234A1 - Ensemble de turbomachine comprenant un dispositif de limitation de temperature pour fond d’alveole non refroidi

Info

Publication number: FR3095234A1
Application number: FR1904211A
Authority: FR
Inventors: Pierre Vincent; Simon José Pierre AMOEDO; Josselin Luc Florent SICARD
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2019-04-19
Filing date: 2019-04-19
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2039-04-19
Also published as: FR3095234B1

Abstract

Dans un agencement de rotor (1) comprenant un disque (8) dont la périphérie est formée de dents alternant avec des alvéoles recevant des pieds (14) d’aubes (3) et où des canaux de ventilation (27) sont délimitées entre les faces inférieures (35) des pieds et les fonds des alvéoles (36) et parcourus par des débits de gaz chauds (E2) pouvant comprendre un débit de fuite originaire de la veine d’écoulement (10) ; la section des canaux n’est pas uniforme mais très différente entre une partie calibrante (31 ou 32) et une partie débitante (30), beaucoup plus large et plus longue pour diminuer la vitesse des gaz et les échanges de chaleur nuisibles avec le disque (8) et les pieds (14) des aubes (3). Figure pour l’abrégé : fig. 2.

Description

ENSEMBLE DE TURBOMACHINE COMPRENANT UN DISPOSITIF DE LIMITATION DE TEMPERATURE POUR FOND D’ALVEOLE NON REFROIDI

Le sujet de l’invention est un ensemble de turbomachine comprenant un dispositif de limitation de température pour fond d’alvéole non refroidi.

Les alvéoles dont il est question ici s‘étendent principalement axialement en étant ménagées à travers un disque de rotor, et reçoivent des pieds d’aube qui permettent de monter les aubes sur le disque ; les pieds d’aube occupent presque toute l’alvéole, en laissant toutefois des jeux entre le fond des alvéoles et les parois latérales des alvéoles, les parois latérales délimitant des dents à la périphérie du disque. La figure 1 représente un ensemble de turbine de turbomachine, en aval d’une chambre de combustion et exposé à des gaz chauds, où le rotor porte la référence 1, une rangée annulaire d’aubes mobiles en amont, la référence 2, une autre rangée annulaire d’aubes mobiles en aval, succédant à la précédente dans la direction axiale X du rotor 1 (coïncidant avec son axe de rotation) et plus précisément dans le sens d’écoulement des gaz dans la turbomachine, la référence 3, et la rangée annulaire d’aubes fixes intermédiaires, la référence 4. Le rotor 1 comprend deux disques 7 et 8, porteurs respectivement des aubes mobiles amont 2 et aval 3, une paroi 6 de liaison conique séparant les disques 7 et 8. Un espace 5 entoure la paroi 6 entre les disques 7 et 8, et il est limité radialement à l’extérieur par une plateforme 9 annulaire joignant les extrémités intérieures des aubes fixes 4 entre elles, et par des becquets 11 et 12 principalement axiaux, dirigés vers la plateforme 9 à partir de pieds 13 et 14 des aubes mobiles 2 et 4, en laissant des jeux 15 et 16 axiaux avec la plateforme 9. Une veine 10 d’écoulement des gaz de propulsion entoure le rotor 1 et l’espace 5, et est occupée par des pales 45 des aubes 2, 3 et 4 qui s’étendent radialement à l’extérieur des pieds 13 et 14, et de la plateforme 9. L’espace 5 est parcouru par des écoulements de fuite dont on diminue le débit par un joint à labyrinthe 17 comprenant des léchettes 18 qui s’étendent radialement vers l’extérieur à partir de la paroi 6 en regard d’une garniture d’étanchéité 19 à la face radialement intérieure de la plateforme 9. Les pieds 13 et 14 des aubes mobiles 2 et 3 sont engagés dans des alvéoles réparties autour de la périphérie des disques 7 et 8, en laissant libres des canaux de ventilation 20 et 25, entre les faces 35 intérieures des pieds 13 et 14 et les fonds d’alvéole 36 ; ces canaux de ventilation 20 et 25 sont parcourus par des écoulements de gaz quand la turbomachine fonctionne ; comme les fonds d’alvéole 36 et les pieds 13 et 14 ont été usinés avec des mêmes profils dans la direction axiale, les canaux de ventilation 20 et 25 ont une section constante, propice à des écoulements réguliers à travers eux, dans les conceptions habituelles.

On cherche à limiter la température des pièces du rotor 1 afin d’accroître leur durée de vie. Cela concerne avant tout les portions des turbines de la turbomachine exposées au gaz échauffé de la veine 10, comme les alentours des canaux de ventilation 20 et 25, qui traversent d’amont en aval toute l’épaisseur des disques 7 et 8 et autorisent donc d’importants échanges thermiques, indésirés, par le gaz chaud qui peut les parcourir. Des circuits de refroidissement par ventilation, parcourus par de l’air frais et passant devant des portions du rotor 1 adjacentes à la veine 10, sont couramment utilisés pour inclure certains de ces canaux de ventilation, comme les canaux de ventilation 20 associés à l’étage d’aubes mobiles 2 amont, et y faire donc circuler de l’air frais. Le circuit de ventilation, dont seule l’extrémité aval est représentée à la figure 1, comprend typiquement une portion d’entrée 21 pour amener de l’air frais provenant généralement d’un compresseur, et des fentes ou des jeux 22 - formés par exemple entre une face amont 23 du disque 7 et un flasque d’étanchéité 24 couvrant cette face amont 23, pour permettre à l’air de ventilation de rejoindre les canaux de ventilation 20, avant de les traverser et d’aboutir dans l’espace 5 en aval du disque 7, selon un écoulement E1. Les échanges thermiques permettent donc de refroidir les pieds 13 des aubes mobiles 2 amont et les parties adjacentes du disque 7.

De tels dispositifs de refroidissement formés par des canaux de ventilation parcourus par un flux froid sont en soi satisfaisants, mais ils ne sont pas toujours prévus à tous les étages d’aubes des turbines, mais seulement à certains d’entre eux, soumis aux températures les plus importantes, afin de maintenir à une quantité modérée le débit d’air frais qu’on doit soutirer de l’écoulement principal. Aucun refroidissement n’est alors prévu pour les étages suivants, comme celui qui comprend la rangée d’aubes mobiles 3 aval dans cette réalisation.

Les canaux de ventilation 25 délimités par les pieds 14 des aubes mobiles 3 et par les fonds d’alvéole 36 du disque 8 sont donc parcourus par un flux chaud de gaz provenant de l’espace 5 : l’écoulement E2 traversant les canaux de ventilation 25 comprend alors un débit provenant de l’écoulement E1 d’air de ventilation, mais qui a déjà été échauffé après avoir traversé les canaux de ventilation 20 du disque 7 précédent, et aussi un débit de fuite du gaz de la veine 10, entré dans l’espace 5 par le jeu 15 séparant les becquets 11 des plateformes 9, selon l’écoulement E3. Le gaz s’écoulant dans les canaux de ventilation 25 est alors un gaz chaud, éventuellement plus chaud que le disque 8, susceptible de l’endommager. Le reste du gaz circulant dans l’espace 5 retourne à la veine 10 par un écoulement de retour E4 empruntant le jeu 16 séparant les becquets 12 des plateformes 9.

Le but de l’invention est un agencement de turbomachine perfectionné, dans lequel les gaz devenus chauds circulant le long des fonds d’alvéole non refroidis du rotor 1 deviennent moins susceptibles d’échauffer et d’endommager les portions environnantes du rotor 1 même en l’absence d’un circuit de refroidissement.

Selon l’invention, les échanges thermiques entre les canaux de ventilation non refroidis par un flux froid et les portions du rotor 1 dans lesquelles ces canaux de ventilation sont percés, ici les canaux de ventilation 25 et les portions environnantes appartenant aux pieds 14 et au disque 8, sont minimisés en diminuant la vitesse générale du gaz évacué, sans modifier le débit prévu pour traverser ces canaux de ventilation. On y parvient en compliquant la forme des canaux de ventilation 25, dont la section est uniforme dans les conceptions les plus habituelles.

Pour résumer, l’invention est relative à un ensemble de turbomachine s’étendant autour d’un axe, comprenant une aube montée dans une alvéole d’un disque d’un rotor, l’aube comprenant un pied à partir duquel s’étend, dans une direction principalement radiale du rotor, une pale, et un canal de ventilation étant ménagé entre le pied et un fond de l’alvéole du disque, le canal de ventilation débouchant sur une paroi amont du disque et traversant le disque en sortant par une paroi aval du disque, caractérisé en ce que le canal de ventilation comprend une partie dite calibrante et une partie dite débitante qui définissent une longueur axiale du canal de ventilation s’étendant de la paroi amont à la paroi aval du disque, la partie débitante ayant dans un plan de coupe radial orthogonal à l’axe (X) une section de passage plus grande que la partie calibrante, la partie calibrante étant formée par usinage d’un plan définissant une section calibrante à une extrémité radialement interne du pied et la partie débitante étant formée par une cavité qui s’étend radialement vers l’extérieur à partir de l’extrémité radialement interne du pied, la cavité comprenant un fond formé par usinage d’un plan définissant une section débitante, la cavité s’étendant axialement sur au moins une moitié de ladite longueur axiale du canal de ventilation.

Un aspect de l’invention est donc que les canaux de ventilation parcourus par un flux chaud comprennent deux parties ayant des sections de passage des gaz différentes, éventuellement bien différentes, et qu’on appellera partie débitante et partie calibrante. La partie débitante correspond à la section la plus large et permet donc un écoulement facile, alors que la partie calibrante, correspondant à la section étroite, peut être considérée comme ayant un rôle limiteur de débit de passage. L’effet principal obtenu par la partie débitante est une limitation des échanges thermiques entre les gaz parcourant les canaux de ventilation et les parois délimitant ces canaux de ventilation, ces échanges étant moins importants à la plus faible vitesse d’écoulement des gaz procurée par l’élargissement de la section. Pour cette raison, il est avantageux que la partie débitante ait une longueur plus grande que la partie calibrante, voire beaucoup plus grande.

Il est conseillé, pour établir un écoulement suffisamment régulier, que la partie calibrante soit à une extrémité du canal de ventilation et que la partie débitante soit ininterrompue. On peut toutefois distinguer deux configurations principales : une configuration où la partie calibrante est unitaire, s’étend soit à la paroi amont, soit à la paroi aval du disque, et la partie débitante débouche à l’autre des parois ; et une autre configuration où la partie calibrante est double, ou composée de deux portions séparées, présentes respectivement à la paroi amont et à la paroi aval du disque, et la partie débitante s’étend entre elles.

Un autre aspect de l’invention est relatif à la recherche d’une fabrication simple. La partie débitante peut facilement être formée par l’usinage de la cavité dans le pied à partir de la face radialement interne du pied. Et la partie calibrante sera formée par un autre usinage réalisé à partir de la face radialement interne du pied, joignant la cavité et élargissant de la quantité voulue le jeu nécessairement présent entre la face radialement interne du pied et le fond d’alvéole. Cet usinage peut être réalisé en rendant plane la face radialement interne du pied, en dehors de la cavité formant la partie débitante. Si la partie calibrante est composée de deux portions séparées, elles sont formées chacune par l’usinage d’un plan. Un tel usinage peut être réalisé très simplement par un fraisage. D’autres modes de réalisation de l’invention, ne reprenant pas ces préconisations, restent toutefois possibles.

La partie débitante peut s’étendre jusqu’à une extrémité ducanal de ventilation, et elle peut être par exemple au moins dix fois plus longue que la partie calibrante. Avantageusement encore, la section débitante peut avoir une section d’ouverture de superficie au moins trois fois plus importante que la section calibrante, sur au moins une moitié de la longueur totale du canal de ventilation entre ses extrémités.

Elle peut avoir une superficie d’ouverture uniforme, une transition de courte longueur étant alors ménagée entre la partie débitante et la partie calibrante ; ou bien la partie débitante peut avoir une superficie uniformément croissante le long du canal de ventilation à partir de la partie calibrante, la cavité ayant alors une surface plane usinée inclinée par rapport au fond de l’alvéole.

L’invention peut être particulièrement mise en évidence dans des agencements comprenant à la fois des canaux de ventilation parcourus par un flux froid et des canaux de ventilation parcourus par un flux chaud, comme le représente la figure 1, si les canaux de ventilation parcourus par un flux froid possèdent des sections d’ouverture de superficie constante, conformément aux dispositions habituelles. Un tel agencement pourra comprendre un second disque du rotor, traversé par au moins un second canal de ventilation, le second disque comprenant une seconde alvéole et une seconde aube ayant un pied monté dans la seconde alvéole, le second canal de ventilation étant ménagé entre le pied de la seconde aube et une paroi de la seconde alvéole, et le second canal de ventilation est inclus dans un système de ventilation par lequel de l’air de refroidissement est soufflé dans le second canal de ventilation, puis parvient à un espace entourant une paroi du rotor et séparant ledit second disque dudit disque, ledit second canal de ventilation ayant une section d’ouverture de superficie constante.

Enfin, un lieu privilégié pour appliquer l’invention est la zone des turbines de la turbomachine.

Un autre aspect de l’invention est une turbomachine pourvue de l’ensemble résumé ci-dessus.

Un autre encore est un procédé de fabrication de l’ensemble qui précède, comprenant deux étapes d’usinage de l’extrémité radialement interne du pied d’aube à partir d’une forme originelle comprenant une face radialement interne arrondie, les étapes comprenant un usinage du plan définissant la section calibrante, et un usinage de la cavité.

L’invention sera maintenant décrite plus en détail au moyen des figures suivantes :

- déjà décrite, représente un agencement de turbomachine classique comprenant un canal de ventilation parcouru par un flux chaud ;

- illustre un mode de réalisation particulier de canal de ventilation conforme à l’invention ;

- illustre un autre mode de réalisation particulier de canal de ventilation conforme à l’invention ;

- illustre encore un autre mode de réalisation particulier de canal de ventilation conforme à l’invention ;

- illustre un canal de ventilation conforme à l’invention et son environnement, suivant une première coupe transversale ;

- illustre aussi le même canal de ventilation conforme à l’invention et son environnement, suivant une deuxième coupe transversale.

On se reporte à la figure 2. Elle représente un canal de ventilation 27 conforme à une réalisation de l’invention, destiné à former le canal de ventilation du second disque 25 de la figure 1. Il comporte une section d’ouverture variant entre une extrémité 28 donnant sur l’espace 5 et l’extrémité opposée 29 donnant sur un autre espace 26 aval. On trouve une partie débitante 30, caractérisée par une section d’ouverture plus importante, et deux parties calibrantes 31 et 32 aux extrémités 28 et 29, dont la section d’ouverture est plus petite que celle de la partie débitante 30. L’évolution de la section d’ouverture du canal de ventilation 27 est ici symétrique à partir des extrémités 28 et 29. La partie calibrante ou les parties calibrantes 31 et 32 définissent, selon les lois de la mécanique des fluides compressibles, le débit maximal pouvant passer par le le canal de ventilation 27, et la partie débitante 30, de longueur beaucoup plus grande, est prépondérante pour définir la vitesse moyenne de l’air dans le conduit. La longueur du canal de ventilation 27 (et de ses parties calibrantes 31 et 32 et débitante 30) est définie dans sa direction d’extension entre une face amont 46 et une face aval 47 du disque 8, c’est-à-dire d’une des extrémités 28 à l’autre 29.

Les canaux de ventilation sont définis avant tout par la section d’ouverture, et le débit de passage maximal correspondant, dans cette technique. Toutefois, par rapport aux conceptions classiques où la section d’ouverture est uniforme, la vitesse moyenne de passage est plus petite ici pour une section identique de la partie calibrante, grâce à l’élargissement de la partie débitante 30. La conséquence est que les échanges thermiques avec l’environnement sont réduits malgré le temps de passage plus long, ce qui limite l’échauffement du disque 8 et des pieds 14 par les gaz chauds, et réduit les dommages qu’ils pourraient subir. En effet, les échanges par convection, prépondérants ici, sont proportionnels à la vitesse de l’écoulement, à débit identique.

Dans cette réalisation, la partie débitante 30 a une section d’ouverture constante, qui se raccorde aux parties calibrantes 31 et 32 par des transitions courtes. Avantageusement, la partie débitante 30 est au moins dix fois plus longue que chacune des parties calibrantes 31 et 32, et sa section d’ouverture est trois fois plus large.

D’autres conceptions sont possibles pour obtenir les mêmes résultats : on mentionnera les réalisations des figures 3 et 4, dans lesquelles des canaux de ventilation 33 et 34 comportent une section d’ouverture continûment croissante vers une extrémité ou l’autre 28 ou 29, à partir d’une section minimale, correspondant à la partie calibrante, à l’extrémité opposée 29 ou 28. On considère alors que la partie débitante s’étend sur toute la longueur des canaux de ventilation 33 et 34. La variation de section d’ouverture peut être uniforme, les canaux de ventilation 33 et 34 étant alors délimités principalement par deux surfaces opposées dont l’une (ici, la face radialement inférieure 35 du pied 14) s’étend parallèlement à l’axe X et l’autre (ici, le fond d’alvéole 36) est au contraire oblique. Les mêmes remarques que précédemment peuvent être faites, à propos du dimensionnement respectif de parties débitante et calibrante, et de leur effet sur l’écoulement. Par ailleurs, dans toutes ces conceptions, les irrégularités de section des canaux de ventilation 27, 33 et 34 pourraient être obtenues différemment : si la figure 3 illustre un fond d’alvéole 36 régulier et une face inférieure 35 de forme irrégulière du pied 14, et les figures 4 et 5 illustrent des fonds d’alvéole 36 inclinés et des faces inférieures 35 sans inclinaison du pied 14, ces caractéristiques pourraient être réparties autrement, interverties par exemple.

On se reporte aux figures 5 et 6 pour une description plus complète d’une réalisation de l’invention. Les alvéoles portent la référence 38 et sont creusées à la périphérie du disque 14, en alternant avec des dents de disque 37 sur sa circonférence. Des bulbes 39 des pieds 14 sont engagés dans les alvéoles 38 et sont en butée, dans la direction radiale extérieure, contre des portions saillantes latérales 40 des dents de disque 37. Les bulbes 39 ont classiquement une face radialement interne 41 de profil uniforme et originellement arrondie (en pointillés sur la figure 5), qui délimite le canal de ventilation 25 à section uniforme avec le fond d’alvéole 36. On peut fabriquer un canal de ventilation conforme à l’invention, comme le canal de ventilation 27, au moyen de deux usinages opérés sur un pied de forme classique, comprenant la face radialement interne 41 originelle arrondie. Le premier usinage peut être formé par un fraisage, un rainurage ou d’autres procédés, sur toute la longueur dans la direction axiale de la face radialement interne 41 originelle du pied 24, pour donner les parties calibrantes 31 et 32, ou une partie calibrante unique, de la section voulue. Ici, l’usinage représenté est un fraisage de toute la face radialement interne 41, donnant une face plane 44 (figure 5). Et le second usinage peut consister en un fraisage accompli sur une portion de la face plane 44, pour y creuser une cavité 48 à fond plat formant la partie débitante 30 (figure 6). De nombreuses variantes de fabrication sont possibles pour donner l’une ou l’autre des réalisations possibles de l’invention, avec éventuellement des usinages de du fond d’alvéole 36 et des usinages obliques pour former les surfaces inclinées donnant les parties débitantes à section variable évoquées dans le commentaire des figures 2, 3 et 4. Des procédés de fabrication très simples restent toujours possibles.

Le nombre des canaux de sortie est quelconque : ils peuvent être placés par exemple à travers chacun des pieds 14 de la rangée d’aubes mobiles aval 3, ou seulement certains d’entre eux.

Claims

Ensemble de turbomachine s’étendant autour d’un axe (X) comprenant une aube (3) montée dans une alvéole (38) d’un disque (8) d’un rotor (1), l’aube comprenant un pied (14) à partir duquel s’étend, dans une direction principalement radiale du rotor, une pale (45), et un canal de ventilation (27, 33, 34) étant ménagé entre le pied (14) et un fond de l’alvéole (38) du disque, le canal de ventilation débouchant sur une paroi amont (46) du disque et traversant le disque en sortant par une paroi aval (47) du disque, caractérisé en ce que le canal de ventilation (27, 33, 34) comprend une partie dite calibrante (31, 32) et une partie dite débitante (30) qui définissent une longueur axiale du canal de ventilation s’étendant de la paroi amont à la paroi aval du disque, la partie débitante ayant dans un plan de coupe radial orthogonal à l’axe (X) une section de passage plus grande que la partie calibrante, la partie calibrante étant formée par usinage d’un plan définissant une section calibrante à une extrémité radialement interne du pied et la partie débitante (30) étant formée par une cavité (48) qui s’étend radialement vers l’extérieur à partir de l’extrémité radialement interne du pied (14), la cavité comprenant un fond formé par usinage d’un plan définissant une section débitante, la cavité s’étendant axialement sur au moins une moitié de ladite longueur axiale du canal de ventilation.
Ensemble de turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend une première et une deuxième partie calibrante formées chacune par l’usinage d’un plan, chaque plan définissant la section calibrante, la première partie calibrante débouchant sur la paroi amont, la deuxième partie calibrante débouchant sur la paroi aval et la cavité (48) s’étendant entre les deux parties calibrantes.
Ensemble de turbomachine selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la cavité comprend une surface plane usinée inclinée par rapport au fond de l’alvéole.
Ensemble de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la partie débitante est, en direction axiale, au moins cinq fois, de préférence dix fois plus longue que la partie calibrante.
Ensemble de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la section débitante est dans un plan de coupe radial orthogonal à l’axe (X) une section de superficie au moins trois fois plus importante que la section calibrante, sur au moins une moitié de la longueur axiale du canal de ventilation entre les parois amont et aval (46, 47).
Ensemble de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la section débitante est constante le long du canal de ventilation.
Ensemble de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la section débitante est croissante le long du canal de ventilation.
Ensemble de turbomachine selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le canal de ventilation est un canal de ventilation aval appartenant à un premier disque aval et, caractérisé en ce que le rotor comprend un second disque (7) amont, traversé par au moins un canal de ventilation (20) amont, le second disque comprenant une seconde alvéole et une seconde aube (2) ayant un pied (13) monté dans la seconde alvéole, le canal de ventilation amont étant ménagé entre le pied de la seconde aube et un fond de la seconde alvéole, et le canal de ventilation (20) amont étant inclus dans un système de ventilation (21, 22) par lequel de l’air de refroidissement est soufflé dans le canal de ventilation amont, puis débouche dans un espace (5) entourant une paroi (6) du rotor (1) qui relie les disques (7, 8) de rotor entre eux avant de déboucher dans le canal de ventilation aval, ledit canal de ventilation (20) amont ayant une section constante dans un plan de coupe orthogonal à l’axe (X).
Procédé de fabrication de l’ensemble de turbomachine selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend deux étapes d’usinage de l’extrémité radialement interne du pied d’aube (14) à partir d’une forme originelle comprenant une face radialement interne (41) arrondie, les étapes comprenant un usinage du plan définissant la section calibrante, et un usinage de la cavité (48).
Turbine de turbomachine, caractérisée en ce qu’elle comprend un ensemble selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
Turbomachine, caractérisée en ce qu’elle comprend une turbine selon la revendication précédente.