FR3107312A1 - Ensemble rotatif pour turbomachine - Google Patents

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Abstract

Le présent document concerne un rotor (62) pour turbomachine comprenant au moins un disque amont (64) reliée à une virole aval (76) et un disque aval (66) reliées à une virole amont (78), la virole aval (76) et la virole amont (78) comportant des brides annulaires (76b, 78b) appliquées l’une sur l’autre et fixées ensemble, dans lequel au moins ladite virole amont (78) porte une première léchette annulaire (78c) entourée extérieurement par un anneau abradable (74) statorique et dans lequel un circuit d’air est prévue à la jonction des brides annulaires (76b, 78b) et communique fluidiquement radialement vers l’intérieur avec une cavité annulaire (80) interne formée radialement à l’intérieur des viroles aval (76) et amont (78) et débouche radialement vers l’extérieur en amont de ladite première léchette annulaire (78c). Figure à publier avec l’abrégé : figure 3

Description

Ensemble rotatif pour turbomachine
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne un rotor pour turbomachine, telle qu’un turbopropulseur ou un turboréacteur d’avion. Elle concerne également une turbine, par exemple basse pression, équipée d’un tel rotor et une turbomachine comprenant une telle turbine.
Etat de la technique antérieure
Classiquement, une turbomachine 10, telle que représentée en figure1, comprend, d’amont en aval, un compresseur 12 basse pression et un compresseur haute pression 14 entraînés chacun par un arbre de rotation et reliés par un carter intermédiaire 16 délimitant une veine d'écoulement annulaire d'un flux d'air primaire circulant globalement axialement du compresseur basse pression (BP) vers le compresseur haute pression (HP) puis vers une chambre de combustion 18, une turbine haute pression 20 dont le rotor 22 entraine en rotation le rotor 24 du compresseur haute pression 14 et une turbine basse pression 26 dont le rotor 28 entraine en rotation le rotor 30 du compresseur basse pression.
De façon traditionnelle, ces turbomachines 10 comprennent une partie fixe (ou stator) et une partie tournante (ou rotor). La partie rotative est montée tournante autour d’un axe de rotation correspondant à l’axe longitudinal de la turbomachine, les parties respectivement fixe et tournante étant localement pourvues de moyens complémentaires d’étanchéité vis-à-vis de fluides gazeux circulant dans la turbomachine.
Dans une turbine ou un compresseur d’aéronef, le rotor 28 comprend ainsi notamment des aubes tournantes, dites aussi rotatives, pourvues en extrémité radialement externes de léchettes. Ces léchettes coopèrent avec des blocs de matière abradable définissant des revêtements radialement internes d’une paroi extérieure fixe de la turbomachine auxquels les blocs sont fixés circonférentiellement, en tant que des moyens d'étanchéité complémentaires des léchettes.
La figure 2, comprend une partie A nommée figure 2A et une partie B nommée figure 2B, chacune de ses figures illustrant un mode de circulation d’air particulier pour le refroidissement des fonds d’alvéoles de disques. En préalable à la description de ces circulations d’air, nous décrivons l’architecture générale d’une turbine basse pression et son fonctionnement. La turbine basse pression 26 comprend une alternance de rangées annulaires d’aubes mobiles 30 et de rangées annulaires d’aubes fixes 32 ou statoriques entourées extérieurement par un carter externe (figure 1). Les rangées annulaires d’aubes statoriques 32 sont fixées à leurs extrémités radialement externes au carter externe 34. En fonctionnement, les gaz chauds circulent d’amont en aval mais une partie de cet air peut circuler (flèche A) vers radialement l’intérieur, c’est-à-dire radialement à l’intérieur d’une rangée annulaire d’aubes statoriques 32. Pour éviter cette circulation d’air parasite entre deux rangées annulaires d’aubes mobiles, on prévoit des moyens d’étanchéité comprenant un anneau 34 de matériau abradable porté par un anneau de support 36 solidaire d’une plateforme annulaire 38 de la rangée annulaire d’aubes statoriques 32. Cet anneau de matériau abradable 34 est destiné à coopérer à frottement avec des léchettes annulaires 40 portées par le rotor de la turbine comme cela est visible sur les figures 2A et 2B.
Il est à noter que les jeux radiaux en sommet de léchettes annulaires 40 ont une incidence directe sur la performance de la turbomachine et la température des pièces adjacentes. Si le jeu annulaire est trop important, alors les léchettes annulaires 40 ne frotteront pas suffisamment et il aura donc de l’air chaud de la veine annulaire primaire qui va circuler entre l’anneau abradable 34 et les léchettes annulaires 40 ce qui va réduire la performance de la turbomachine.
Les jeux radiaux annulaires radiaux entre les léchettes annulaires 40 et l’anneau abradable 34 sont idéalement définis pour réaliser une usure lors de la phase de croisière mais il se peut que pour des problématiques de pilotage des jeux ou de blocage des léchetes dans l’anneau abradable que le jeu idéal ne puisse être. En effet, la problématique de blocage précitée impacte fortement le dimensionnement des moteurs et avec les technologies actuelles, pour éviter tout problème d’opérabilité moteur lors d’un rallumage en vol, des jeux importants (de l’ordre de dix fois plus grands) peuvent être nécessaires. Or cela n’est pas réalisable car la perte de performance du moteur serait trop forte et par ailleurs les pièces adjacentes ne pourraient supporter une augmentation de température consécutive à une circulation importante d’air chaud.
La prise en compte de la problématique d’étanchéité aux gaz chauds en fonctionnement est donc tout à fait essentielle à un fonctionnement optimal de la turbomachine.
Ainsi, dans une première configuration représentée en figure 2A, il est proposé qu’un disque amont 42 comprennent une virole annulaire 44 aval reliée à son extrémité aval à une bride annulaire 46 radiale et que le disque aval 48 comprennent une virole annulaire amont 50 reliée à son extrémité amont à une bride annulaire 52 radiale. Les léchettes annulaires 40 sont formées dans un anneau 54 comportant une paroi annulaire radiale 56 intercalée entre lesdites deux brides annulaires radiales 46, 52 des viroles amont 50 et aval 44. L’extrémité radialement externe de la paroi annulaire radiale 56 porte extérieurement une paroi annulaire longitudinale 58 depuis laquelle s’étendent radialement vers l’extérieur les léchettes annulaires 40. Une circulation d’air est prévue entre la bride annulaire radiale 52 de la virole amont 50 du disque aval 48 et la paroi annulaire radiale 56 de l’anneau 54 de support des léchettes annulaires 40. L’air froid provenant du compresseur haute pression circule entre lesdites deux pièces précitées puis vers l’aval entre la virole amont 50 du disque aval 48 et la paroi longitudinale 58 de support des léchettes jusqu’au fond des alvéoles du disque aval 48 afin de refroidir les alvéoles et les nervures du disque aval 48 et les pieds des aubes qui y sont engagés axialement et retenus radialement.
Ce type de technologie permet d’abaisser la température du disque mais impose l’utilisation d’une pièce supplémentaire à savoir l’anneau.
Dans une deuxième configuration représentée en figure 2B, il a été proposée de supprimer l’anneau 54 et de former les léchettes annulaires 40 sur une virole annulaire 60 de jonction des disques amont 42 et aval 48. Ainsi, le disque amont 42 et le disque aval 48 et la virole 60 sont réalisés d’une seule pièce. Comme illustré par les flèches B, l’air froid qui alimente les alvéoles du disque aval 48 provient de l’air froid alimentant les alvéoles du disque amont 42. Cette alimentation en air est dite alimentation en cascade. Si la masse est réduite du fait de l’absence d’utilisation d’un anneau séparé de support des léchettes annulaires, la fabrication d’un tel ensemble monobloc peut être difficile puisque les deux disques doivent être réalisées en même temps et un tel ensemble s’avère très lourd et compliqué à manipuler.
A cette fin, l’invention propose un rotor pour turbomachine comprenant au moins un disque amont reliée à une virole aval et un disque aval reliées à une virole amont, la virole aval et la virole amont comportant des brides annulaires appliquées l’une sur l’autre et fixées ensemble, dans lequel au moins ladite virole amont porte une première léchette annulaire entourée extérieurement par un anneau abradable statorique et dans lequel un circuit d’air est prévue à la jonction des brides annulaires et communique fluidiquement radialement vers l’intérieur avec une cavité annulaire interne formée radialement à l’intérieur des viroles aval et amont et débouche radialement vers l’extérieur en amont de ladite première léchette annulaire.
Ainsi, la création d’une surpression d’air dans la cavité annulaire qui est plus froid que l’air circulant à l’extérieur permet une amenée d’air froid en amont de la première léchette annulaire, évitant ainsi la circulation d’air chaud jusqu’au disque aval lequel peut être pourvue d’alvéoles ou rainures longitudinales de montage longitudinal et de retenue radiales de pieds d’aubes. Par ailleurs, la réalisation de chaque disque amont et aval en deux pièces distinctes permet de faciliter la conception de chaque pièce. La formation du circuit d’air à la jonction des brides annulaires des viroles évite la formation de perçages dans une virole unique de liaison de deux disques.
La cavité annulaire interne peut être reliée à des moyens d’alimentation en air de refroidissement, cet air provenant par exemple du compresseur haute pression.
On évite par ailleurs l’adjonction d’un anneau de support des léchettes du fait de l’intégration de la première léchette annulaire sur la virole aval du disque amont.
Ladite virole annulaire aval peut comprendre porte une seconde léchette annulaire (ou léchette annulaire amont) également entourée extérieurement par ledit anneau abradable statorique, le circuit d’air débouchant radialement vers l’extérieur en aval de ladite seconde léchette annulaire.
L’adjonction d’une seconde léchette annulaire sur la virole annulaire aval du disque amont permet une sortie d’air de refroidissement entre les première et seconde léchettes annulaires, la léchette annulaire amont permettant de limiter les circulations d’air de gaz chauds vers l’aval et le flux d’air froid permettant de contrer les éventuelles passages d’air chaud. L’air froid peut par ailleurs circuler entre la première léchette annulaire (ou léchette annulaire aval) et l’abradable, ce qui permet un refroidissement des alvéoles du disque aval.
Ledit circuit d’air peut comprendre une pluralité de canaux dont une extrémité radialement interne débouche dans ladite cavité annulaire interne et dont une extrémité radialement externe débouche en amont de la première léchette annulaire.
Dans une réalisation particulière, au moins canal est orienté sensiblement radialement. Chaque canal peut être orienté sensiblement radialement. Dans une autre réalisation, chaque canal est conformé de manière à ce que le flux d’air sortant du canal soit orienté vers l’amont, ce qui permet de contrer une circulation d’air chaud parasite circulant de l’amont vers l’aval et radialement à l’intérieur de l’abradable. Lorsqu’il y a une seconde léchette annulaire, l’air peut ainsi être orienté vers la seconde léchette annulaire.
Dans une autre réalisation, lorsque le rotor comprend une seconde léchette annulaire qui présente une inclinaison α non nul vers l’amont, c’est-à-dire que les extrémités radialement externes de la seconde léchette annulaire sont décalées vers l’amont par rapport à leurs extrémités radialement internes, les canaux peuvent être inclinés d’un angle compris entre 0° et l’angle α. L’angle α peut être de l’ordre de 30°.
Cette orientation du débouché du canal vers l’amont permet de limiter le passage d’air chaud vers la première léchette annulaire. Plus particulièrement, lorsqu’il y a une seconde léchette annulaire, cela permet de réduire encore davantage la circulation d’air puisque l’air froid sortant des canaux vient impacter le filet d’air pouvant passer entre la seconde léchette annulaire et l’anneau abradable.
Chaque canal peut être délimité par une rainure formée dans une première face radiale de l’une des brides annulaires et par une seconde face radiale de l’autre des brides annulaires, la première face radiale et la seconde face radiale étant appliquées axialement l’une sur l’autre.
Le disque amont peut porter une rangée annulaire amont d’aubes radiales et le disque aval portant une rangée annulaire aval d’aubes radiales, l’anneau abradable étant portée par une plateforme annulaire interne d’une rangée annulaire d’aubes statoriques intercalées entre lesdites deux rangées annulaires amont et aval d’aubes. Les aubes peuvent être engagées longitudinalement dans des alvéoles longitudinales du disque et retenues radialement par complémentarité de forme dans ces alvéoles.
Le présent document concerne une turbomachine, telle qu’un turbopropulseur ou un turboréacteur, comprenant une turbine telle que décrite ci-dessus.
Brève description des figures
, déjà décrite précédemment, est une vue en coupe schématique d’une turbomachine selon la technique connue;
, déjà décrite précédemment, comprend une partie A nommée figure 2A et une partie B nommée figure 2B qui représentent deux réalisations pour l’amenée d’air de refroidissement;
est une vue schématique en coupe axiale d’une réalisation selon le présent document;
comprend une partie A nommée figure 4A et une partie B nommée figure 4B qui illustrent une réalisation d’un circuit d’amenée d’air de refroidissement selon la présente divulgation.
Description détaillée de l’invention
On se réfère maintenant à la figure 3 qui représente une réalisation d’un rotor 62 selon le présent document. Le rotor 62 comprend un disque amont 64 et un disque aval 66 mais peut comprendre un ou plusieurs autres disques. Le disque amont 64 et le disque aval 66 comprennent chacun des alvéoles longitudinales pour l’engagement de pieds d’aubes et la retenue desdits pieds d’aubes radialement vers l’extérieur. Chaque disque 64, 66 comprend également un partie annulaire interne 64a, 66a massive assurant la tenue mécanique des disques en fonctionnement. Chaque disque 64, 66 porte ainsi une rangée annulaire d’aubes radiales 68 entre lesquelles est intercalée une rangée annulaires d’aubes statoriques 70 fixées à un carter externe comme décrit précédemment en référence à la figure 2. La plateforme annulaire interne de la rangée annulaires d’aubes statoriques portent un anneau de support 72 d’un anneau abradable 74.
La face aval du disque amont 64 est reliée à une virole annulaire aval 76 s’étendant vers l’aval, cette virole annulaire aval 76 comprenant paroi annulaire tronconique 76a à section diminuant vers l’aval laquelle est reliée à une bride annulaire radiale 76b s’étendant radialement vers l’intérieur. La face amont du disque aval 66 est reliée à une virole annulaire amont 78 s’étendant vers l’amont, cette virole annulaire amont 78 comprenant paroi annulaire tronconique 78a à section diminuant vers l’amont laquelle est reliée à une bride annulaire radiale 78b s’étendant radialement vers l’intérieur.
La bride annulaire radiale 78b de la virole annulaire amont 78 et la bride annulaire radiale 76b de la virole annulaire aval 76 sont appliquées l’une sur l’autre et fixées l’une à l’autre par tout moyen permettant un couplage en rotation des deux disques 64, 66 ensemble. En l’occurrence, la liaison utilisée est une liaison boulonnée.
Comme on peut le voir sur la figure 3, la virole annulaire amont 78 du disque aval 66 comprend une première léchette annulaire 78c s’étendant radialement vers l’extérieur depuis la paroi tronconique 78a mais pourrait aussi en comprendre plusieurs espacées axialement les unes des autres. La virole annulaire aval 76 du disque amont 64 comprend une seconde léchette annulaire 76c s’étendant radialement vers l’extérieur depuis la paroi tronconique 76a mais pourrait aussi en comprendre plusieurs espacées axialement les unes des autres. Selon le présent document, la virole annulaire aval 76 du disque amont 64 pourrait être dépourvue de léchette annulaire.
On observe que la première léchette annulaire 78c et la seconde léchette annulaire 76c ont une extrémité libre décalée axialement vers l’amont par rapport à leur base de liaison à leur paroi tronconique 78a, 76a. Chacune de la première léchette 78c et de la seconde léchette 76c sont ainsi inclinées vers l’amont. Notons, que la ou les léchettes peuvent aussi être sensiblement radiales. Elles présentent une forme sensiblement plane.
Selon le présent document, de l’air de refroidissement est amené depuis la cavité annulaire 80 formée radialement à l’intérieur des viroles annulaires aval 76 et amont 78 dans l’espace annulaire délimitée longitudinalement par la léchette annulaire aval 78c (ou première léchette annulaire) et par la léchette annulaire amont 76c (ou seconde léchette annulaire) et radialement vers l’extérieur par l’anneau abradable 74.
La face amont de la bride annulaire radiale 78b de la virole amont 78 comprend des rainures 82 de forme incurvée. Ces rainures 82 peuvent être sensiblement radiales. Ces rainures 82 sont formées entre les orifices de passages des vis de fixation des boulonnages des brides ensemble. Dans la configuration représentée, une rainure 82 est formée entre deux boulonnage circonférentiellement consécutifs (figure 4A). La face aval de la bride annulaire radiale 76b de la virole aval 76 est dépourvue de rainures mais pourraient en comprendre en remplacement des rainures de la virole amont 78. Lorsque les faces des brides annulaires 78b, 76b sont appliquées l’une sur l’autre, des canaux sont ainsi formés dont une extrémité radialement interne débouche dans la cavité annulaire interne 80 et dont une extrémité radialement externe débouche longitudinalement entre la première léchette annulaire 78c et la seconde léchette annulaire 76c. On comprend qu’il est préférable de ne former des rainures que dans l’une des brides annulaires radiales 78c, 76c pour éviter d’avoir à réaliser un usinage précis et un alignement circonférentiel de rainures formées sur l’une et l’autre des brides radiales 78c, 76c.
Le circuit d’air ainsi formée par les canaux permet une circulation de l’air froid sous pression entre les deux léchettes annulaires.
Il est ainsi possible:
- de créer une étanchéité dynamique entre les première et seconde léchettes et l’anneau abradable 74 qui peut être un nid d’abeille;
- d’emmener de l’air froid qui ira refroidir les fonds d’alvéoles du disque aval 66 grâce à un différentiel de pression supérieur au différentiel de pression entre l’amont et l’aval de la rangée annulaire d’aubes statoriques 70 intercalées entre les disques amont 64 et aval 66.
Bien que cela ne soit pas représenté, le présent document concerne également des réalisations dans lesquelles un ou plusieurs des canaux sont radiaux. Les canaux peuvent aussi être conformé de manière à ce que l’air sortant de ceux-ci soit orienté vers l’amont de manière à contrer le flux d’air parasite chaud.

Claims (9)

  1. Rotor (62) pour turbomachine comprenant au moins un disque amont (64) relié à une virole aval (76) et un disque aval (66) reliées à une virole amont (78), la virole aval (76) et la virole amont (78) comportant des brides annulaires (76b, 78b) appliquées l’une sur l’autre et fixées ensemble, dans lequel au moins ladite virole amont (78) porte une première léchette annulaire (78c) entourée extérieurement par un anneau abradable (74) statorique et dans lequel un circuit d’air est prévue à la jonction des brides annulaires (76b, 78b) et communique fluidiquement radialement vers l’intérieur avec une cavité annulaire (80) interne formée radialement à l’intérieur des viroles aval (76) et amont (78) et débouche radialement vers l’extérieur en amont de ladite première léchette annulaire (78c).
  2. Rotor selon la revendication 1, dans lequel ladite virole annulaire aval (76) comprend porte une seconde léchette annulaire (76c) également entourée extérieurement par ledit anneau abradable statorique (74), le circuit d’air débouchant radialement vers l’extérieur en aval de ladite seconde léchette annulaire (76c).
  3. Rotor selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit circuit d’air comprend une pluralité de canaux (82) dont une extrémité radialement interne débouche dans ladite cavité annulaire (80) interne et dont une extrémité radialement externe débouche en amont de la première léchette annulaire (78c).
  4. Rotor selon la revendication 3, dans lequel chaque canal est orienté sensiblement radialement.
  5. Rotor selon la revendication 3 ou 4, dans lequel chaque canal est conformé de manière à ce que le flux d’air sortant soit orienté vers l’amont.
  6. Rotor selon la revendication 4 ou 5, dans lequel, lorsque le rotor comprend une seconde léchette annulaire qui présente une inclinaison α non nul vers l’amont, chaque canal peut être incliné d’un angle compris entre 0° et l’angle α qui peut être de 30°.
  7. Rotor selon l’une des revendications 3 à 6, dans lequel chaque canal est délimité par une rainure (82) formée dans une première face radiale de l’une des brides annulaires (78b) et par une seconde face radiale de l’autre des brides annulaires (76b), la première face radiale et la seconde face radiale étant appliquées axialement l’une sur l’autre.
  8. Turbine comprenant au moins un rotor selon l’une des revendications précédentes, le disque amont (64) portant une rangée annulaire amont d’aubes (68) radiales et le disque aval (66) portant une rangée annulaire aval (68) d’aubes radiales, l’anneau abradable (74) étant portée par une plateforme annulaire interne d’une rangée annulaire d’aubes statoriques (70) intercalées entre lesdites deux rangées annulaires amont et aval d’aubes (68).
  9. Turbomachine, telle qu’un turbopropulseur ou un turboréacteur, comprenant une turbine selon la revendication 8.
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