FR3108658A1 - Rotor de turbine comprenant un dispositif de régulation du débit de fluide de refroidissement et turbomachine comprenant un tel rotor - Google Patents
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Abstract
Rotor de turbine (25) comprenant au moins une aube montée sur un disque de rotor (25a) et un élément de rotor (26) disposé en amont et solidaire en rotation dudit disque de rotor (25a), l’élément de rotor (26) comprenant au moins un orifice de ventilation (26c) pour la ventilation de ladite aube, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un dispositif de régulation du débit d’air (30) monté dans l’élément de rotor (26) et associé à un orifice de ventilation (26c) configuré pour se déplacer progressivement au moins radialement dans une cavité correspondante (26d) entre une position d’obturation de l’orifice de ventilation (26c) associé et une position d’ouverture dudit orifice (26c) en fonction du régime de rotation du rotor. Figure pour l’abrégé : Fig 4B
Description
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne le domaine des turbomachines, et notamment le refroidissement d’un rotor de turbine de turbomachine.
Plus particulièrement, la présente invention concerne la régulation de la circulation d’un fluide à travers un élément de rotor de ladite turbomachine.
Etat de la technique antérieure
Classiquement, une turbomachine à double corps à soufflante comprend successivement une soufflante, un corps basse pression et un corps haute pression tous les deux rotatifs. Chaque corps comprend un compresseur, une turbine entraînant le compresseur et un arbre reliant la turbine au compresseur. Lors du fonctionnement de la turbomachine, un mélange d’air et de carburant est brûlé dans la chambre de combustion de la turbomachine pour créer la poussée nécessaire au déplacement de l’aéronef sur lequel est montée la turbomachine. Après combustion dans la chambre de combustion, le flux de gaz à très haute température circule dans la turbine haute pression. Les éléments de la turbine, en particulier le disque de turbine du corps haute pression, sont soumis à des températures très élevées.
Afin d’augmenter la poussée de la turbomachine, il est connu d’augmenter la taille du moteur, ce qui a pour inconvénient d’augmenter la masse et l’encombrement de la turbomachine.
Il est également connu d’augmenter la puissance et le rendement thermique de la turbomachine en augmentant la température des gaz de combustion transmis aux ailettes de la turbine. Toutefois, l’augmentation de la température des gaz est limitée par la température maximale admissible du rotor et des ailettes de la turbine. De plus, l’augmentation de la température réduit considérablement la durée de vie des éléments situés en aval de la chambre de combustion, tels que les distributeurs ou les aubes de turbines, ce qui génère d’importants coûts de maintenance.
Dans le but de trouver un compromis satisfaisant entre des caractéristiques mécaniques et des durées de vies acceptables, les différents éléments de la turbine, et notamment le rotor soumis à des températures élevées sont parcourus par un fluide de refroidissement, tel que de l’air de ventilation.
Cet air de ventilation est généralement prélevé sur le compresseur, ce qui a pour effet de diminuer la quantité d’air disponible pour la chambre de combustion de la turbomachine, et ainsi de réduire le rendement thermique du moteur.
Il faut donc limiter les prélèvements d’air nécessaires pour la ventilation afin d’améliorer le rendement thermique de la turbomachine.
Parmi les circuits de ventilation connus, certains comprennent un système actif de contrôle du débit de ventilation d’une turbine haute pression configuré pour prélever le débit d’air nécessaire à la ventilation en fonction des besoins de la turbomachine. Un tel système comprend généralement une pluralité de tubes ouverts située devant la sortie du compresseur haute pression et dont l’ouverture est contrôlée par l’intermédiaire d’un ou plusieurs actionneurs afin de prélever de l’air à la sortie du compresseur haute pression pour l’injecter vers le disque de turbine haute pression.
Toutefois, un tel système actif nécessite l’intégration d’actionneurs et d’une unité de commande dédiée, ce qui est particulièrement encombrant et coûteux.
On connait également des dispositifs à vanne passive dont l’ouverture est commandée par la vitesse de rotation du rotor. Ces dispositifs sont toutefois peu précis et peu efficaces et permettent seulement de faibles variations du débit de ventilation.
On peut se référer à cet égard au document FR 2 452 599 (General Electric) qui divulgue un clapet monté à rotation autour d’un axe transversal perpendiculaire à l’axe de rotation du rotor et configuré pour pivoter angulairement autour de cet axe sous l’action d’une force centrifuge induite par la rotation du rotor et venir se plaquer sur une surface aval d’un disque labyrinthe.
Un tel clapet est particulièrement complexe à réaliser.
Ainsi, il existe un besoin de proposer un dispositif configuré pour réguler passivement le débit d’air de ventilation en fonction des besoins nécessaires en air de la turbomachine.
La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients des systèmes précités et de proposer un dispositif de régulation du débit d’air circulant dans un arbre rotatif de turbomachine en fonction des besoins nécessaires en air pour refroidir au moins un élément de la turbomachine et ce, sans ajouter d’actionneurs et de système de commande, afin d’optimiser les performances globales de la turbomachine.
L’invention a donc pour objet un rotor de turbine comprenant au moins une aube montée sur un disque de rotor et un élément de rotor disposé en amont et solidaire en rotation dudit disque de rotor, l’élément de rotor comprenant au moins un orifice de ventilation pour la ventilation de ladite aube.
Le rotor comprend au moins un dispositif de régulation du débit d’air monté dans l’élément de rotor et associé à un orifice de ventilation configuré pour se déplacer progressivement au moins radialement dans une cavité correspondante entre une position d’obturation de l’orifice de ventilation associé et une position d’ouverture dudit orifice en fonction du régime de rotation du rotor.
En d’autres termes, le dispositif de régulation du débit d’air permet la régulation passive du débit d’air uniquement par la fluctuation du régime de rotation du rotor.
Le dispositif de régulation du débit d’air est intégré à l’intérieur de l’élément rotor, permettant ainsi de ne pas engendrer d’augmentation de dimensions.
Le dispositif de régulation du débit d’air est configuré pour assurer un débit d’air minimal lorsque le régime de rotation du rotor de turbine est au ralenti.
La position d’obturation des orifices de ventilation correspond à la position de repos du dispositif de régulation du débit d’air dans laquelle le régime de rotation du rotor est au ralenti et les orifices de ventilation sont totalement ou partiellement obturés par ledit dispositif. Lorsque le régime de rotation du rotor augmente, le dispositif de régulation du débit d’air se déplace radialement de manière à ouvrir les orifices de ventilation du disque d’étanchéité.
Avantageusement, le dispositif de régulation du débit d’air comprend un organe élastiquement déformable solidaire de l’élément de rotor et un organe d’obturation fixé audit organe élastiquement déformable.
Par « organe élastiquement déformable », on entend tout organe capable de se déformer sous l’action d’une sollicitation exercée, par exemple la force centrifuge, et de reprendre sa forme initiale après l’arrêt de ladite sollicitation.
L’organe élastiquement déformable est, par exemple, un organe de rappel, tel que par exemple un ressort.
Le débit d’air de refroidissement est augmenté progressivement de manière passive par la seule augmentation du régime de rotation du rotor grâce à l’organe déformable élastiquement entraînant en translation l’organe d’obturation dans la cavité correspondante selon un mouvement purement radial ou radial et tangentiel.
En effet, l’augmentation du régime de rotation du rotor induit une force centrifuge sur l’organe de rappel qui, grâce à ses propriétés, se déforme selon l’axe de la cavité et permet à l’organe d’obturation de désobstruer l’orifice de ventilation de l’élément rotor.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de régulation du débit d’air est monté dans une cavité ou perçage correspondant pratiquée dans l’élément de rotor et débouchant dans l’orifice de ventilation associé, l’organe d’obturation étant configuré pour coulisser selon une direction dans ladite cavité.
La direction de translation de l’organe d’obturation forme un angle avec la direction radiale compris entre 0° et 45°, par exemple inférieur à 30°, par exemple inférieur à 20°, par exemple égal à 15°, par exemple égal à 0°.
Avantageusement, le dispositif de régulation du débit d’air comprend une embase emmanchée dans ledit perçage radial et à laquelle est relié l’organe élastiquement déformable.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de régulation du débit d’air comprend une enveloppe fixée en amont du disque d’étanchéité et comprend une cavité radiale dans laquelle sont montés l’organe d’obturation et l’organe déformable élastiquement, ladite enveloppe comprenant un orifice axial coaxial avec l’orifice de ventilation associé.
Dans ce mode de réalisation, l’organe d’obturation coulisse radialement dans la cavité radiale entre la position d’ouverture et la position d’obturation de l’orifice de ventilation associé.
Par exemple, l’enveloppe présente une forme en U ouvert à une extrémité pour insérer l’ensemble formé par l’organe d’obturation et le ressort.
Par exemple, l’enveloppe du dispositif de régulation de débit d’air est maintenue axialement sur l’élément rotor, notamment dans un logement correspondant, par un élément de maintien axial solidaire de l’élément de rotor.
Par exemple, l’élément de maintien axial est un écrou vissé sur une portion de l’élément de rotor en saillie axiale vers l’avant.
En variante, on pourrait prévoir un autre moyen de maintien axial de chaque dispositif de régulation de débit, tel que par exemple un jonc ou un anneau.
L’organe d’obturation présente, par exemple, une forme générale cylindrique.
Selon un mode de réalisation, l’organe déformable élastiquement présente la forme d’une lamelle dont une extrémité est fixée sur l’élément de rotor, par exemple par soudage, et l’autre extrémité est fixée sur la première extrémité d’une lamelle adjacente, l’organe d’obturation étant fixé à une partie centrale de la lamelle associée et comprend un trou coaxial à l’orifice de ventilation associé dans la position d’ouverture des orifices de ventilation.
L’organe d’obturation présente ici, de manière non limitative, une forme rectangulaire.
Avantageusement, l’élément de rotor comprend au moins une rainure radiale associée à un dispositif de régulation de débit et de dimensions intérieures supérieures aux dimensions extérieures de l’organe d’obturation de manière à permettre la translation radiale dudit organe d’obturation dans ladite rainure radiale en fonction du régime de rotation du rotor.
L’élément de rotor est, par exemple, un disque d’étanchéité présentant la forme générale d’une pièce annulaire dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation du rotor, ledit disque d’étanchéité étant monté en amont du disque de turbine.
Par exemple, le disque d’étanchéité comprend une pluralité d’orifices de ventilation régulièrement angulairement répartis, au moins une partie desdits orifices de ventilation étant associée à un dispositif de régulation du débit d’air tel que décrit précédemment.
Selon un second aspect, l’invention concerne une turbomachine comprenant un rotor de turbine tel que décrit précédemment.
La turbomachine peut être un turboréacteur à double flux ou un turboréacteur à double flux et à double corps comprenant une soufflante.
Par ailleurs, le dispositif de régulation du flux d’air peut être destiné à réguler le débit d’air dans un disque d’une turbine haute pression ou basse pression.
L’injecteur d’air permet d’entraîner en rotation le flux d’air de refroidissement afin que ledit flux d’air circule plus facilement du repère statorique au repère rotor. En effet le flux d’air de refroidissement s’écoule selon un axe substantiellement axial au niveau de la face amont du capot et dans les orifices de passage. Toutefois, ce flux d’air doit circuler à travers les orifices de ventilation pratiqués dans une pièce ayant une vitesse de rotation importante. L’injecteur d’air qui est une pièce fixée au stator entre lesdits orifices de passage et de ventilation permet, grâce à des ailettes, de forcer le flux d’air axial à s’orienter plus naturellement vers les orifices de ventilation en rotation. Ces injecteurs d’air sont connus de l’homme du métier et ne seront pas davantage décrits.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
et
et
et
Dans la suite de la description, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation de l’air dans la turbomachine.
Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation
Sur la figure 1 est représentée très schématiquement une demi-coupe axiale d’une turbomachine 10, d’axe général longitudinal X-X’, par exemple de type turboréacteur à double flux. La turbomachine comprend, d’amont en aval dans le sens d’écoulement du flux d’air F, une manche d’entrée 11 recevant de l’air, un compresseur basse pression 12 (COPB) configuré pour aspirer le flux d’air F et le diviser en un flux primaire central F1 à une première pression variable et un flux secondaire F2 à une pression secondaire entourant radialement ledit flux primaire F1. Le compresseur basse pression 12 peut être assimilé à une soufflante dans la mesure où une partie du flux d’air qu’il comprime permet d’alimenter le flux secondaire. La turbomachine comprend en outre un compresseur haute pression 13 configuré pour recevoir le flux d’air primaire F1 du compresseur basse pression 12, une chambre de combustion annulaire 14, une turbine haute pression 15 et une turbine basse pression 16.
Les rotors du compresseur haute pression 13 et de la turbine haute pression 15 sont reliés par un arbre haute pression 17. Les rotors du compresseur basse pression 12 et de la turbine basse pression 16 sont reliés par un arbre basse pression 18.
Le flux secondaire F2 circule dans un espace 19 appelé veine secondaire délimité extérieurement par un carter 19a de veine secondaire ou carène du moteur et intérieurement par une enveloppe 19b entourant radialement le flux primaire F1.
Le flux primaire F1 circule dans un espace 20 appelé veine primaire délimité extérieurement par l’enveloppe 19b et intérieurement par une succession d’éléments fixes et rotatifs.
Le flux primaire F1 circule entre un carter interne 21 situé en aval du compresseur basse pression 12 et un carter d’échappement 22 en aval de la turbine basse pression 16.
Les veines primaire et secondaire 19, 20 se rejoignent en aval du carter d’échappement 22.
Tel qu’illustré sur la figure 1, la turbomachine 10 comprend un premier circuit de refroidissement 23 de la turbine haute pression 15 prélevant de l’air au niveau du compresseur haute pression 13 et un deuxième circuit de refroidissement 24 de la turbine basse pression 16 prélevant de l’air au niveau du compresseur haute pression 13.
On notera que la turbomachine pourrait comprendre l’un ou l’autre desdits conduits de refroidissement, voire les deux.
Sur la figure 2 est représentée très schématiquement une moitié supérieure d’une partie du corps haute pression d’une turbomachine 10, par exemple la turbomachine de la figure 1. On notera que le dispositif de régulation pourrait également être intégré dans le corps basse pression d’une turbomachine, tel qu’illustré sur la figure 8.
Le corps haute pression de la turbomachine, d’axe général longitudinal X-X’, comprend, un carter 19b formant l’enveloppe de la veine secondaire 19 et enfermant le compresseur haute pression 13 dont seul le diffuseur de compresseur a été représenté, la chambre de combustion 14 recevant en entrée l’air chaud et comprimé par ledit compresseur 13, et la turbine haute pression.
La turbine haute pression 15 comprend un rotor de turbine 25, d’axe de rotation X-X’, comprenant un disque de turbine 25a de forme générale annulaire dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation X-X’. Le disque de turbine 25a comprend un alésage axial (non référencé) et est relié à l’arbre d’entraînement 17. Le disque de turbine 25a comprend en outre une pluralité d’aubes de rotor 25b montées radialement sur la circonférence dudit disque de turbine 25a. Les aubes de rotor 25b s’étendent radialement vers l’extérieur.
L’étage de turbine 15 comprend en outre un disque d’étanchéité 26 configuré pour assurer l’étanchéité entre le rotor et le stator à l’amont de la turbine. Le disque d’étanchéité 26 est désigné communément « disque labyrinthe » ou « flasque ».
Le disque d’étanchéité 26 se présente sous la forme générale d’une pièce annulaire dont l’axe de symétrie est l’axe de rotation X-X’. Le disque d’étanchéité 26 est monté en amont du disque de turbine 25a et solidaire en rotation de ce dernier.
Le disque d’étanchéité 26 comprend une partie de fixation 26a radialement intérieure reliée en amont à l’arbre d’entrainement 17 et en aval au disque de turbine 25a. Le disque d’étanchéité 26 est par ailleurs précontraint axialement afin que son bord radialement externe 26b soit en appui axial contre une surface amont de la jante du disque de turbine 25a et ainsi empêcher le déplacement des aubes 25b.
Un volume V de refroidissement est ménagé entre la surface aval du disque d’étanchéité 26 et la surface amont du disque de turbine 25a. Un flux d’air, illustré par une flèche F1 sur la figure 2, est prélevé en amont du compresseur haute pression 13 pour être introduit par un circuit de refroidissement 23 dans ledit volume V de refroidissement. A cet effet, le disque d’étanchéité 26 comprend une pluralité d’orifices de ventilation 26c pratiqués dans l’épaisseur dudit disque d’étanchéité 26 et débouchant dans le volume V de refroidissement. Les orifices de ventilation 26c sont angulairement et régulièrement répartis sur la surface amont dudit disque 26.
Les orifices de ventilation 26c permettent le passage d’un flux d’air prélevé par un injecteur d’air (non représenté) dans le volume V de refroidissement. Le flux d’air de refroidissement est ensuite distribué vers les plateformes et les aubes 25b montés sur le disque de turbine de rotor 25a. Les orifices de ventilation 26c sont configurés pour permettre un débit d’air suffisant pour refroidir les aubes de turbine 25b lorsque le moteur fonctionne à plein régime, en particulier lors des phases de décollage de l’aéronef lorsque la température des gaz est très élevée.
En régime de croisière, lorsque la température des gaz est moins élevée et que les besoins en refroidissement sont réduits, il est avantageux de réguler le débit du flux d’air de refroidissement pour maximiser la quantité d’air servant à la combustion.
Pour cela, la turbomachine 10 comprend une pluralité de dispositifs de régulation du débit d’air 30 solidaire du disque d’étanchéité 26 associé à un orifice de ventilation 26c. Tel qu’illustré, le turboréacteur comprend dix dispositifs de régulation du débit d’air 30 et vingt orifices de ventilation 26c, soit 50% des trous associés à un dispositif de régulation du débit 30. En variante, on pourrait prévoir qu’un seul orifice soit associé à un dispositif de régulation de débit, ou le nombre d’orifices de ventilation associés à un dispositif de régulation de débit soit plus ou moins important. Le fait de prévoir un nombre de dispositifs de régulation de débit inférieur au nombre d’orifices de ventilation permet de limiter l’impact sur le fonctionnement du moteur en cas de défaillance des dispositifs de régulation de débit.
De manière générale, chaque dispositif de régulation du débit d’air 30 est configuré pour se déplacer au moins radialement dans une cavité radiale entre une position d’obturation de l’orifice 26c de ventilation associé et une position d’ouverture dudit orifice 26c sous l’effet de la force centrifuge induite par la rotation du rotor 25.
La position d’obturation des orifices de ventilation 26c correspond à la position de repos du dispositif de régulation du débit d’air 30 dans laquelle le régime de rotation du rotor est au ralenti et les orifices de ventilation 26c sont totalement ou partiellement obturés par ledit dispositif 30. Lorsque le régime de rotation du rotor augmente, le dispositif de régulation du débit d’air 30 se déplace radialement de manière à ouvrir les orifices de ventilation 26c du disque d’étanchéité 26.
Un premier exemple de dispositif de régulation du débit d’air 30 est illustré sur les figures 2 à 5. Le dispositif de régulation du débit d’air 30 est intégré dans le disque d’étanchéité 26. Le dispositif de régulation du débit d’air 30 est monté dans un perçage radial 26d correspondant pratiqué dans le disque d’étanchéité 26 et débouchant dans l’orifice de ventilation 26c associé.
Tel qu’illustré en détails sur les figures 5A et 5B, le dispositif de régulation du débit d’air 30 comprend une embase 32 emmanchée dans ledit perçage radial 26d, un organe d’obturation 34 et un organe de rappel 36 reliant ledit organe d’obturation 34 à l’embase 32. L’organe de rappel 36 est, de manière non limitative, un ressort. On pourrait prévoir tout organe élastiquement déformable capable de se déformer sous l’action d’une sollicitation exercée, par exemple la force centrifuge, et de reprendre sa forme initiale après l’arrêt de ladite sollicitation.
L’embase 32 présente une forme générale cylindrique de diamètre extérieur légèrement supérieur au diamètre intérieur du perçage radial 26d du disque d’étanchéité afin d’être emmanchée en force et d’être maintenue fixe dans ledit perçage lors de la translation de l’organe d’obturation 34 et du ressort 36 dans le perçage 26d.
L’organe d’obturation 34 présente une forme générale cylindrique de diamètre extérieur inférieur au diamètre intérieur du perçage radial 26d du disque d’étanchéité. En variante, on pourrait prévoir une autre forme pour l’organe d’obturation 34.
L’organe d’obturation 34 de chaque dispositif de régulation du débit d’air 30 est configuré pour coulisser radialement dans le perçage 26d associé du disque d’étanchéité 26 entre une position d’ouverture dudit orifice 26c, visible sur la figure 5A et une position d’obturation dudit orifice 26c, visible sur la figure 5B sous l’effet de la force centrifuge.
En effet, l’augmentation du régime de rotation du rotor induit une force centrifuge sur l’organe de rappel 36 qui, grâce à ses propriétés, coulisse dans le perçage radial 26d pour transmettre un mouvement de translation radiale à l’organe d’obturation 34 afin de désobstruer l’orifice de ventilation 18c associé du disque d’étanchéité 26.
Dans ce mode de réalisation, chaque dispositif de régulation 30 s’étend selon une direction D1 radiale, formant un angle nul avec la direction radiale. La translation de l’organe d’obturation 34 dans le perçage 26d est réalisée selon cette direction D1.
Un deuxième mode de réalisation d’un dispositif de régulation du débit d’air conforme à l’invention est illustré sur la figure 6. Ce mode de réalisation, dans lequel les éléments identiques à ceux décrits précédemment portent les mêmes références numériques, diffère du mode de réalisation précédent par le fait que la direction D1 de chaque dispositif de régulation 30 forme un angle α avec la direction radiale D. Ledit angle α est ici égal à 20°. En variante, on pourrait prévoir que l’angle α soit compris entre 0° et 45°, par exemple inférieur à 30°, par exemple inférieur à 20°, par exemple égal à 15°.
Un troisième mode de réalisation d’un dispositif de régulation du débit d’air 40 conforme à l’invention est illustré sur les figures 7A et 7B. Ce mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation par le fait que l’organe d’obturation 42 et le ressort 43 sont montés dans une cavité radiale 41a d’une enveloppe 41 montée dans un logement 26e pratiqué sur la surface amont du disque d’étanchéité 26.
L’enveloppe 41 présente ici une forme en U ouvert à une extrémité pour insérer l’ensemble formé par l’organe d’obturation 42 et le ressort 43. L’enveloppe 41 comprend un orifice axial 41b coaxial avec l’orifice de ventilation 26c associé. Ladite enveloppe 41 est maintenue axialement dans le logement 26e par un élément de maintien axial 44 monté sur une portion 26f du disque 26 en saillie axiale vers l’avant. L’élément de maintien axial est ici un écrou vissé sur ladite portion en saillie 26f. En variante, on pourrait prévoir un autre moyen de maintien axial de chaque dispositif de régulation de débit 40, tel que par exemple un jonc ou un anneau 45 visible sur les figures 8A et 8B.
Le mode de réalisation 8A et 8B diffère du mode de réalisation précédent uniquement par l’élément de maintien axial 45. La description de ce mode de réalisation peut donc être reprise en référence au mode de réalisation illustré sur les figures 7A et 7B.
Un autre mode de réalisation d’un dispositif de régulation du débit d’air 46 conforme à l’invention est illustré sur la figure 9. Dans ce mode de réalisation, chaque dispositif de régulation du débit d’air 46 comprend un organe de rappel 47 sous la forme d’une lamelle dont une extrémité 47a est fixée sur le disque d’étanchéité 26, par exemple par soudage et l’autre extrémité 47b est fixée sur la première extrémité 47a d’une lamelle adjacente 47. Les lamelles 47 sont déformables élastiquement.
Chaque dispositif de régulation du débit d’air 46 comprend en outre un organe d’obturation 48 fixé à la partie centrale 47c de la lamelle 47 associée. L’organe d’obturation 48 comprend un trou 48a coaxial à l’orifice de ventilation 26c associé dans la position d’ouverture des orifices de ventilation 26c. L’organe d’obturation 48 présente ici, de manière non limitative, une forme rectangulaire.
Le disque d’étanchéité 26 comprend des rainures radiales 26g, chacune associée à un dispositif de régulation de débit 46 et de dimensions intérieures supérieures aux dimensions extérieures de l’organe d’obturation 48. Ainsi, l’organe d’obturation 48 de chaque dispositif de régulation du débit d’air 46 est configuré pour coulisser radialement dans la rainure radiale 26g associée du disque d’étanchéité 26 entre une position d’ouverture P1 dudit orifice 26c et une position d’obturation P2 dudit orifice 26c sous l’effet de la force centrifuge.
En effet, l’augmentation du régime de rotation du rotor induit une force centrifuge sur la lamelle 47 qui, grâce à ses propriétés de déformation, se déforme radialement et fait coulisser l’organe d’obturation 48 radialement vers l’extérieur dans la rainure radiale 26g afin de désobstruer l’orifice de ventilation 26c associé du disque d’étanchéité 26.
On notera que l’étage de turbine décrit pourrait être un étage de turbine basse pression ou haute pression.
Par ailleurs, dans le mode de réalisation décrit, le dispositif de régulation du débit d’air est installé sur le disque d’étanchéité haute pression pour la ventilation de l’aube de turbine haute pression. Le dispositif de régulation du débit d’air pourrait être installé sur le disque d’étanchéité basse pression pour la ventilation de l’aube de turbine basse pression.
De manière générale, le dispositif de régulation du débit peut être monté sur n’importe quel élément du rotor comprenant des orifices de ventilation.
Le dispositif de régulation du flux d’air permet de réguler passivement le débit d’air circulant dans les éléments de rotor en modulant le prélèvement d’air en fonction des besoins en refroidissement.
De manière générale, le rotor de turbine comprend une vanne à section variable formée par la combinaison du dispositif de régulation de débit 30, 40, 46 avec un élément de rotor amont, à savoir ici le disque d’étanchéité 26.
Tel qu’illustré sur la figure 10, la turbomachine 10 comprend un étage de turbine basse pression 16 comprenant un rotor de turbine, d’axe de rotation X-X’, comprenant un disque de turbine 16a de forme générale annulaire dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation X-X’. Le disque de turbine 16a comprend un alésage axial (non référencé) à partir duquel s’étend un arbre d’entrainement 18 et une pluralité d’aubes de rotor 16b montées radialement sur la circonférence dudit disque de turbine 16a. Les aubes de rotor 16b s’étendent radialement vers l’extérieur.
L’arbre d’entraînement 18 est destiné à être relié au rotor d’un compresseur basse pression 12 monté en amont du rotor de turbine basse pression 16.
L’étage de turbine basse pression comprend en outre un disque d’étanchéité 50 configuré pour assurer l’étanchéité entre le rotor et la partie statorique, comprenant par exemple le carter de la chambre à combustion (non représenté) à l’amont de la turbomachine. Le disque d’étanchéité 50 est désigné communément « disque labyrinthe ».
Le disque d’étanchéité 50 se présente sous la forme générale d’une pièce annulaire dont l’axe de symétrie est coaxial à l’axe de rotation X-X’. Le disque d’étanchéité 50 est monté en amont du disque de turbine 16a et solidaire en rotation de ce dernier.
Le disque d’étanchéité 50 comprend une partie de fixation 50a radialement intérieure reliée en amont à un élément (non référencé) du corps de turbine 10 et en aval au disque de turbine 16a. Le disque d’étanchéité 50 est par ailleurs précontraint axialement afin que son bord radialement externe 50b soit en appui axial contre une surface amont de la jante du disque de turbine 16a et ainsi empêcher le déplacement des aubes 16b.
Un volume V de refroidissement est ménagé entre la surface aval du disque d’étanchéité 50 et la surface amont du disque de turbine de rotor 16a. Un flux d’air, illustré par une flèche F1 sur la figure 8, est prélevé en amont sur le compresseur haute pression 13 pour être introduit dans ledit volume V de refroidissement. A cet effet, le disque d’étanchéité 50 comprend une pluralité d’orifices de ventilation 50c débouchant dans l’épaisseur dudit disque d’étanchéité 50. Les orifices de ventilation 50c sont angulairement et régulièrement répartis sur la surface amont dudit disque 50.
Les orifices de ventilation 50c permettent le passage d’un flux d’air prélevé sur le compresseur haute pression et acheminé par un circuit de refroidissement 24 jusqu’au carter de turbine basse pression. Le flux d’air de refroidissement est ensuite distribué vers les aubes 16b montés sur le disque de turbine de rotor 16a. Les orifices de ventilation 50c sont configurés pour permettre un débit d’air suffisant pour refroidir les aubes de turbine 16b lorsque la turbomachine fonctionne à plein régime, en particulier lors des phases de décollage de l’aéronef et que la température des gaz est très élevée.
En régime de croisière, lorsque la température des gaz est moins élevée et que les besoins en refroidissement sont réduits, il est avantageux de réguler le débit d’air de refroidissement.
Pour cela, la turbomachine 10 comprend un des dispositifs de régulation du débit d’air 30, 40, 46 illustrés en détails sur les figures 2 à 9. Le dispositif de régulation du débit d’air est intégré dans l’élément de rotor 50.
On notera également que l’invention n’est pas limitée à une telle structure de turbomachine et pourrait s’appliquer à une turbomachine de structure différente, par exemple à une turbomachine 100 à double flux et double corps comprenant une soufflante, telle qu’illustrée sur la figure 11.
La turbomachine 100 comporte, d'amont en aval selon le sens d’écoulement des flux de gaz dans la turbomachine, une soufflante 101, accouplée à un moteur à turbine à gaz comportant un compresseur basse pression 112, un compresseur haute pression 113, une chambre annulaire de combustion 114, une turbine haute pression 115 et une turbine basse pression 116.
Les rotors du compresseur haute pression et de la turbine haute pression sont reliés par un arbre haute pression (HP) 117 et forment avec lui un corps haute pression. Les rotors du compresseur basse pression et de la turbine basse pression sont reliés par un arbre basse pression (BP) 118 et forment avec lui un corps basse pression. Les arbres HP et BP s'étendent suivant un axe longitudinal X-X’ de la turbomachine.
L'arbre de soufflante est lié en rotation à l'arbre BP 118 directement ou indirectement.
La turbomachine comprend également un carter de soufflante qui s’étend autour des pales qui est porté par des bras aérodynamiques, et qui définit une veine d’entrée d’air des flux. Une partie de cet air pénètre dans une veine annulaire interne d'écoulement d’un flux primaire 120 et l’autre partie alimente une veine annulaire externe d’écoulement d’un flux secondaire 119. La veine traverse les compresseurs BP et HP, la chambre de combustion, et les turbines HP et BP. La veine externe enveloppe des carters des compresseurs et des turbines et rejoint la veine interne au niveau d'une tuyère de la turbomachine.
Grâce à l’invention, il est possible d’obturer une partie des orifices de ventilation lors des phases de bas régime du moteur et d’ouvrir progressivement ladite partie lors de l’augmentation du régime du moteur qui nécessite un débit de flux d’air plus important pour refroidir les éléments du rotor.
Ainsi, on obtient une ouverture et une fermeture passive des orifices de ventilation progressive et proportionnelle au régime de rotation du moteur.
Claims (11)
- Rotor de turbine (25, 16) comprenant au moins une aube (25b, 16b) montée sur un disque de rotor (25a, 16a) et un élément de rotor (26, 50) disposé en amont et solidaire en rotation dudit disque de rotor (25a, 16a), l’élément de rotor (26, 50) comprenant au moins un orifice de ventilation (26c, 50c) pour la ventilation de ladite aube (25b, 16b), caractérisé en ce qu’il comprend au moins un dispositif de régulation du débit d’air (30, 40, 46) monté dans l’élément de rotor (26, 50) et associé à un orifice de ventilation (26c, 50c) configuré pour se déplacer progressivement au moins radialement dans une cavité correspondante (26d, 41a, 26g) entre une position d’obturation de l’orifice de ventilation (26c, 50c) associé et une position d’ouverture dudit orifice (26c, 50c) en fonction du régime de rotation du rotor.
- Rotor de turbine (25, 16) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de régulation du débit d’air (30, 40, 46) comprend un organe élastiquement déformable (36, 43, 47) solidaire de l’élément de rotor (26, 50) et un organe d’obturation (34, 42, 48) fixé audit organe élastiquement déformable (36, 43, 47).
- Rotor de turbine (25, 16) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de régulation du débit d’air (30) est monté dans une cavité (26d) correspondant pratiquée dans l’élément de rotor (26) et débouchant dans l’orifice de ventilation (26c) associé, l’organe d’obturation (34) étant configuré pour coulisser selon une direction (D1) dans ladite cavité (26d).
- Rotor de turbine (25, 16) selon la revendication 3, dans lequel la direction (D1) de translation de l’organe d’obturation (34) forme un angle (α) avec la direction radiale (DR) compris entre 0° et 45°.
- Rotor de turbine (25, 16) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le dispositif de régulation du débit d’air (30) comprend une embase (32) emmanchée dans ledit perçage radial (26d) et à laquelle est relié l’organe élastiquement déformable (36).
- Rotor de turbine (25, 16) selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le dispositif de régulation du débit d’air (40) comprend une enveloppe (41) fixée en amont de l’élément de rotor (26) et comprend une cavité radiale (41a) dans laquelle sont montés l’organe d’obturation (42) et l’organe déformable élastiquement (43), ladite enveloppe (41) comprenant un orifice axial (41b) coaxial avec l’orifice de ventilation (26c) associé.
- Rotor de turbine (25, 16) selon la revendication 6, dans lequel l’enveloppe (41) du dispositif de régulation de débit d’air (40) est maintenue axialement sur l’élément de rotor (26) par un élément de maintien axial (44, 45) solidaire de l’élément de rotor (26).
- Rotor de turbine (25, 16) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’organe d’obturation (34, 42) présente une forme générale cylindrique.
- Rotor de turbine (25, 16) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’organe déformable élastiquement (47) du dispositif de régulation de débit (46) présente la forme d’une lamelle dont une extrémité (47a) est fixée sur l’élément de rotor (26, 50) et l’autre extrémité (47b) est fixée sur la première extrémité (47a) d’une lamelle adjacente (47), l’organe d’obturation (48) étant fixé à une partie centrale (47c) de la lamelle (47) associée et comprend un trou (48a) coaxial à l’orifice de ventilation (26c, 50c) associé dans la position d’ouverture des orifices de ventilation (26c, 50c).
- Rotor de turbine (25, 16) selon la revendication 9, dans lequel l’élément de rotor (26) comprend au moins une rainure radiale (26g) associée à un dispositif de régulation de débit (46) et de dimensions intérieures supérieures aux dimensions extérieures de l’organe d’obturation (48) de manière à permettre la translation radiale dudit organe d’obturation (48) dans ladite rainure radiale (26g) en fonction du régime de rotation du rotor.
- Turbomachine comprenant un rotor de turbine (25, 16) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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