FR3108659A1 - Rotor de turbine comprenant un dispositif de régulation du débit de fluide de refroidissement et turbomachine comprenant un tel rotor - Google Patents

Abstract

Rotor de turbine, d’axe de rotation (X-X’), comprenant au moins une aube montée sur un disque de rotor et un élément de rotor (50) disposé en amont et solidaire en rotation dudit disque de rotor, l’élément de rotor (50) comprenant au moins un orifice de ventilation (50c) pour la ventilation de ladite aube. Le rotor de turbine comprend un dispositif de régulation du débit d’air (30) fixé sur l’élément de rotor et comprenant au moins un organe élastiquement déformable (36) configuré pour pivoter angulairement autour d’un axe de pivotement (Xi-Xi’) passant par le point de fixation dudit organe (36) à l’élément de rotor (50) et parallèle à l’axe de rotation (X-X’) du rotor entre une position d’obturation au moins partielle dudit orifice de ventilation (50c) et une position d’ouverture dudit orifice de ventilation (50c) en fonction du régime de rotation du rotor. Figure pour l’abrégé : Fig 2

Description

Rotor de turbine comprenant un dispositif de régulation du débit de fluide de refroidissement et turbomachine comprenant un tel rotor

Domaine technique de l’invention

La présente invention concerne le domaine des turbomachines, et notamment le refroidissement d’un rotor 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, on connaît les turbomachines du type turboréacteur à double flux comportant une manche d'entrée recevant l'air qui est aspiré par un compresseur basse pression pour ensuite être divisé en un flux primaire central et un flux secondaire entourant le flux primaire. Le compresseur basse pression est assimilable à une soufflante en ce qu’une partie du flux d’air qu’il compresse alimente un flux secondaire.

Le flux secondaire circule dans un espace appelé veine secondaire qui est délimité extérieurement par un carter de veine secondaire encore appelé carène du moteur, et intérieurement par une enveloppe entourant le flux primaire.

Le flux primaire circule dans un espace appelé veine primaire délimité extérieurement par l’enveloppe et intérieurement par une succession d’éléments internes fixes et rotatifs. Les éléments internes fixes comprennent des plateformes de redresseurs et de distributeurs, et des viroles de carters intérieurs, et les éléments internes rotatifs comprennent des plateformes de roues aubagées de rotors.

Plus concrètement, le flux primaire circule entre un carter interne et un carter externe de compresseur haute pression pour être comprimé dans ce compresseur haute pression avant d’être brulé dans une chambre de combustion. Il est ensuite détendu dans une turbine haute pression pour entraîner le compresseur haute pression, puis dans une turbine basse pression pour entraîner le compresseur basse pression, avant d'être expulsé vers l'arrière en générant une poussée.

L’enveloppe délimitant extérieurement la veine primaire est ainsi formée par une série de carters comprenant un carter de compresseur haute pression, un carter au niveau de la chambre de combustion et un carter de turbine haute pression, ainsi que par une virole externe de carter d’échappement.

Chaque turbine et chaque compresseur est formé d’étages comportant chacun une série d'aubes rotatives régulièrement espacées autour d'un axe central longitudinal du moteur, précédé éventuellement d’un distributeur dans le cas d’une turbine ou suivie éventuellement d’un redresseur dans le cas d’un compresseur. Les distributeurs et les redresseurs sont constitués d’une série d’aubes fixes.

La partie arrière d’un tel moteur comprend, en aval de la turbine basse pression, un carter d’échappement qui porte un palier supportant une extrémité arrière de rotor du moteur. Ce carter d’échappement comporte une virole interne et une virole externe et des bras radiaux solidarisant ces viroles l’une à l’autre, en traversant radialement la veine primaire.

On connaît également les turbomachines d’aéronef, du type turboréacteur à double flux et à double corps. De manière connue, la turbomachine comporte, d'amont en aval selon le sens d’écoulement des flux de gaz dans la turbomachine, une soufflante, accouplée à un moteur à turbine à gaz comportant un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre annulaire de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression.

Les rotors du compresseur haute pression et de la turbine haute pression sont reliés par un arbre haute pression (HP) 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) et forment avec lui un corps basse pression. Les arbres HP et BP s'étendent suivant un axe longitudinal de la turbomachine.

La soufflante comporte des pales qui sont reliées à un arbre de soufflante. Il est intéressant de faire tourner la soufflante à une vitesse de rotation inférieure à celle de l'arbre BP, notamment lorsque celle-ci est de très grande dimension, dans le but de mieux l'adapter aérodynamiquement. A cet effet, l'arbre de soufflante est lié en rotation à l'arbre BP par l'intermédiaire d'un réducteur, par exemple du type à train épicycloïdal. Dans une autre configuration l’arbre de soufflante peut être directement lié à l’arbre BP.

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 et l’autre partie alimente une veine annulaire externe d’écoulement d’un flux secondaire. 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.

Afin d’augmenter la poussée de la turbomachine, il est connu d’augmenter la taille de la turbomachine, 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 au niveau du 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 connaît également des dispositifs configurés pour commander la circulation d’un fluide à travers un élément de rotor en fonction de la vitesse de rotation de ce dernier.

On peut se référer à cet égard au document FR 2 943 094 (Snecma) qui divulgue un élément d’obturation configuré pour se déformer sous l’action d’une force centrifuge induite par la rotation du rotor. L’élément d’obturation est mobile angulairement autour d’un axe transversal perpendiculaire à l’axe de rotation du rotor. En position de repos, l’élément d’obturation est sensiblement évasé de l’amont vers l’aval. Lorsque la turbomachine est en rotation, l’élément d’obturation se déforme sous l’effet de la force de l’aval vers l’amont de manière à venir obturer le passage de flux d’air de refroidissement dans la turbomachine.

Un tel élément d’obturation ne permet pas l’augmentation du flux d’air de refroidissement lors de l’augmentation de la vitesse de rotation du rotor, ce qui ne répond pas aux besoins de refroidissement de la turbomachine.

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.

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 rotor 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, d’axe de rotation, 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 comprend au moins un orifice de ventilation pour la ventilation de ladite aube.

Le rotor de turbine comprend un dispositif de régulation du débit d’air fixé sur l’élément de rotor et comprenant au moins un organe élastiquement déformable configuré pour pivoter angulairement autour d’un axe de pivotement passant par le point de fixation dudit organe à l’élément de rotor et parallèle à l’axe de rotation du rotor entre une position d’obturation au moins partielle dudit orifice de ventilation et une position d’ouverture dudit orifice de ventilation 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.

L’orifice de ventilation est configuré pour permettre un débit d’air suffisant pour refroidir le disque de turbine de rotor lorsque la turbomachine fonctionne à plein régime.

Par « élastique déformable », on entend tout organe élastique, de par le matériau utilisé et/ou ses dimensions, capable de se déformer élastiquement, de manière réversible, sous l’action d’une sollicitation exercée par la force centrifuge résultant de la rotation du rotor et de revenir dans sa position initiale après arrêt de ladite sollicitation. L’organe élastiquement déformable est, par exemple, réalisé en matériau métallique, tel que par exemple de l’acier de type à ressort, tel que par exemple du XC65 ou en alliage d’acier inoxydable du type 17-7ph.

En d’autres termes, lorsque le régime de rotation du rotor diminue jusqu’au ralenti, l’organe élastiquement déformable revient automatiquement dans sa position initiale d’obturation des orifices de ventilation.

Ainsi, la section de ventilation est modulable par un organe élastiquement déformable configuré pour être pivoté angulairement par la seule force centrifuge induite par la rotation du rotor.

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.

Dans la position d’obturation des orifices de ventilation, une partie des orifices de ventilation sont totalement ou partiellement obturés par l’organe déformable et notamment par sa partie d’obturation. En d’autres termes la partie d’obturation ne se retrouve pas en face des orifices de ventilation. La position d’obturation des orifices de ventilation correspond à la position de repos de l’organe déformable dans laquelle le régime de rotation du rotor est au ralenti.

Le dispositif de régulation du débit d’air est configuré pour assurer un débit d’air maximal lorsque le régime de rotation du rotor de turbine est supérieur à une valeur de seuil. La valeur de seuil dépend des éléments considérés. Par exemple, dans le cas de la ventilation d’un rotor basse pression de turbomachine, on pourrait prévoir une ouverture maximale de la section de ventilation lorsque le régime de rotation de l’arbre basse pression est compris entre 10000tr/min et 15000tr/min, par exemple égal à 13000tr/min et une ouverture minimale de la section de ventilation lorsque le régime de rotation est compris entre 4000tr/min et 8000tr/min, par exemple égal à 6000tr/min.

Lorsque le régime de rotation du rotor augmente, l’organe déformable pivote angulairement progressivement et la partie d’obturation va venir progressivement s’éloigner des orifices de ventilation correspondants de l’élément de rotor. A plein régime, tous les orifices de ventilation sont ouverts pour permettre le passage total du flux d’air de refroidissement.

Le débit d’air de refroidissement est donc augmenté progressivement de manière passive grâce à l’organe élastiquement déformable, et notamment sa portion de liaison par la seule augmentation du régime de rotation du rotor.

En effet, l’augmentation du régime de rotation du rotor induit une force centrifuge sur l’organe élastiquement déformable qui, grâce à ses propriétés de souplesse, se déforme angulairement et désobture les orifices de ventilation de l’élément de rotor.

Avantageusement, l’organe élastiquement déformable comprend une partie de fixation à l’élément de rotor, une partie d’obturation ou masselotte configurée pour venir obturer l’orifice de ventilation de l’élément de rotor et une portion de liaison déformable élastiquement reliant ladite partie de fixation à ladite partie d’obturation.

Par exemple, l’extrémité distale de la portion de liaison fixée à la partie d’obturation présente une section amincie par rapport à l’extrémité proximale de la portion de liaison fixée à la partie de fixation.

De manière générale, la section de la portion de liaison est définie en fonction du débit souhaité. Plus l’extrémité proximale de la portion de liaison sera mince, plus l’organe élastiquement déformable sera sensible à la force centrifuge induite par la rotation du rotor.

La partie d’obturation peut avoir une forme sensiblement cylindrique de dimensions légèrement supérieures aux dimensions de l’orifice de ventilation. On notera que l’invention n’est pas limitée à une telle forme et que la partie d’obturation pourrait avoir toute autre forme permettant d’obturer un orifice de ventilation.

Selon un mode de réalisation, l’organe élastiquement déformable comprend également une patte anti-rotation s’étendant à partir de la partie de fixation radialement vers l’extérieur et destinée à venir s’engager dans une encoche correspondante pratiquée sur l’élément de rotor. Ainsi, lors du pivotement de la portion de liaison, la portion de fixation de l’organe élastiquement déformable reste fixe.

Selon un autre mode de réalisation, le dispositif de régulation du débit d’air comprend un jonc de maintien annulaire fixé sur la surface aval de l’élément de rotor, le jonc de maintien portant l’organe élastiquement déformable.

Par exemple, la surface aval de l’élément de rotor comprend une gorge de réception du jonc de maintien.

La partie de fixation de l’organe élastiquement déformable comprend, par exemple une rainure dans laquelle vient s’insérer une partie du jonc de maintien.

La partie de fixation est fixée au jonc de maintien, par exemple, par collage, par emmanchage ou par encliquetage ou tout autre moyen permettant de fixer la partie de fixation audit jonc.

Avantageusement, l’élément de rotor comprend une pluralité d’orifices de ventilation régulièrement angulairement répartis et dans lequel le dispositif de régulation du débit d’air comprend une pluralité d’organes élastiquement déformables régulièrement répartis sur au moins une partie de l’élément de rotor.

Les organes élastiquement déformables peuvent être identiques entre eux. En variante, afin de contrôler plus précisément le débit de refroidissement, on pourrait prévoir des organes élastiquement déformables, notamment présentant des sections de portion de liaison différentes.

Le nombre d’orifices de ventilation de l’élément de rotor peut être supérieur au nombre d’organes élastiquement déformables du dispositif de régulation du débit. Ainsi, certains orifices de ventilation sont toujours ouverts tandis que certains sont obturés ou ouverts en fonction du régime de rotation du rotor.

Selon un mode de réalisation, l’élément de rotor est 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.

Selon un second aspect, l’invention concerne une turbomachine comprenant un rotor de turbine tel que décrit précédemment.

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 :

illustre schématiquement une demi-coupe axiale d’une structure d'un exemple d’une turbomachine comprenant un dispositif de régulation du débit d’air selon un premier mode de réalisation de l’invention ;

illustre très schématiquement la moitié supérieure d’une partie du corps basse pression de la turbomachine de la Figure 1 comprenant un dispositif de régulation du débit d’air selon un premier mode de réalisation de l’invention ;

illustrent un premier exemple de réalisation du dispositif de régulation du débit d’air selon la Figure 2 respectivement dans une position d’obturation et une position d’ouverture des orifices de ventilation d’un élément de rotor de la turbomachine ;

représente une vue de détails du dispositif de régulation du débit d’air des Figures 3 et 4 ;

illustre les positions du dispositif de régulation du débit d’air de la Figure 5 monté sur un élément de rotor ;

illustre très schématiquement la moitié supérieure d’une partie du corps haute pression de la turbomachine de la Figure 1 dans laquelle le dispositif de régulation du débit d’air selon l’invention pourrait être intégré ; et

illustre schématiquement une demi-coupe axiale d’une structure d'un autre exemple d’une turbomachine comprenant le dispositif de régulation du débit d’air.

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.

Tel qu’illustré sur la figure 2, l’étage de turbine basse pression comprend un rotor de turbine 16, 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 l’arbre d’entraînement 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 (non représenté) monté en amont du rotor de turbine basse pression 16.

L’étage de turbine basse pression 16 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 2, est prélevé en amont sur le compresseur haute pression 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 montées 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 dispositif de régulation du débit d’air 30 fixé sur le disque d’étanchéité 50. Le dispositif de régulation du débit d’air 30 comprend un jonc de maintien 32 annulaire fixé sur la surface aval 50d du disque d’étanchéité 50 et destiné à venir s’engager dans une gorge 50e prévue sur ledit disque 50.

Le dispositif de régulation du débit d’air 30 comprend en outre une pluralité d’organes élastiquement déformables 36 régulièrement répartis sur le jonc de maintien 32.

Chacun des organes élastiquement déformables 36 est configuré pour pivoter angulairement entre une position d’obturation d’au moins une partie des orifices de ventilation 50c lorsque le régime de rotation du moteur est au ralenti, visible sur la figure 3, et une position d’ouverture de ladite partie des orifices de ventilation 50c lorsque le régime de rotation du moteur augmente, visible sur la figure 4. Le déplacement angulaire d’un organe élastiquement déformable 36 est représenté par la flèche FA visible sur la figure 6.

Par « élastique déformable », on entend tout organe élastique, de par le matériau utilisé et/ou ses dimensions, capable de se déformer élastiquement, de manière réversible, sous l’action d’une sollicitation exercée par la force centrifuge résultant de la rotation du rotor et de revenir dans sa position initiale après arrêt de ladite sollicitation.

En d’autres termes, lorsque le régime de rotation du rotor diminue jusqu’au ralenti, l’organe élastiquement déformable 36 revient automatiquement dans sa position initiale d’obturation des orifices de ventilation 50c.

Chacun des organes élastiquement déformables 36 pivote autour d’un axe de pivotement Xi-Xi’, avec i compris entre 1 et n, n étant le nombre d’organes 36. L’axe de pivotement Xi-Xi’ passe par le point de fixation de l’organe 36 correspondant au jonc de maintien 32 et est parallèle à l’axe de rotation X-X’ du rotor. L’ensemble des axes de pivotement Xi-Xi’ est régulièrement circonférentiellement réparti sur le jonc de maintien 32.

En variante, on pourrait prévoir que le dispositif de régulation du débit d’air 30 ne comprenne pas de jonc de maintien mais une pluralité d’organes élastiquement déformables 36 indépendants et directement fixés sur la surface aval 50d du disque d’étanchéité 50. Toutefois, afin de ne pas diminuer la résistance mécanique du disque 16a par des perçages destinés à la fixation des éléments déformables 36, il est préférable de prévoir un jonc de maintien 32 afin de fixer les organes élastiquement déformables 36 audit jonc 32 pour former un dispositif unitaire de régulation de débit 30 avant assemblage sur le disque d’étanchéité 50.

Tel qu’illustré en détails sur les figures 5 et 6, chaque organe élastiquement déformable 36 comprend une partie de fixation 36a au jonc de maintien 30 comprenant une rainure 36b dans laquelle vient s’insérer une partie dudit jonc 30. La partie de fixation 36a est maintenue en place dans son logement grâce au jonc 30.

Chaque organe élastiquement déformable 36 comprend en outre une partie d’obturation ou masselotte 36c de dimensions configurées pour venir obturer un orifice de ventilation 50c du disque d’étanchéité 50. La partie d’obturation 36c est reliée à la partie de fixation 36a par une portion de liaison déformable élastiquement 36d.

La portion de liaison déformable 36d est reliée à la partie de fixation 36a par son extrémité proximale (non référencée) et à la partie d’obturation 36c par son extrémité distale (non référencée). Telle qu’illustrée, l’extrémité distale de ladite portion de liaison 36d présente une section amincie par rapport à son extrémité proximale. La section de la portion de liaison 36d est définie en fonction du débit souhaité. Plus l’extrémité proximale de la portion de liaison 36d sera mince, plus l’organe élastiquement déformable 36 sera sensible à la force centrifuge induite par la rotation du rotor.

Tel qu’illustré, les organes élastiquement déformables 36 sont identiques entre eux. En variante, on pourrait prévoir des organes élastiquement déformables 36, notamment présentant des sections de portion de liaison 36d différentes.

La partie d’obturation 36c prend ici une forme sensiblement cylindrique de dimensions légèrement supérieures aux dimensions des orifices de ventilation 50c. On notera que l’invention n’est pas limitée à une telle forme et que la partie d’obturation 36c pourrait avoir toute autre forme permettant d’obturer un orifice de ventilation 50c.

Chaque organe élastiquement déformable 36 comprend également une patte anti-rotation 36e s’étendant à partir de la partie de fixation 36a radialement vers l’extérieur et destinée à venir s’engager dans une encoche correspondante 50f pratiquée sur la surface aval 50d du disque d’étanchéité 50. Ainsi, lors du pivotement de la portion de liaison 36d, la portion de fixation 36a de l’organe élastiquement déformable 36 reste fixe.

Le jonc de maintien 32 et l’élément déformable 36 peuvent être réalisés en matériau métallique, tel que par exemple de l’acier de type à ressort, tel que par exemple du XC65 ou du 17-7ph.

Dans l’exemple illustré sur les figures, le nombre d’orifices de ventilation 50c du disque d’étanchéité 50 est de trente alors que le nombre d’organes élastiquement déformables 36 du dispositif de régulation du débit 30 est de quinze, soit un ratio de deux. De manière générale, le nombre d’orifices de ventilation 50c du disque d’étanchéité 50 est supérieur au nombre d’organes élastiquement déformables 36 du dispositif de régulation du débit 30. Ainsi, certains orifices de ventilation 50c sont toujours ouverts tandis que certains sont obturés ou ouverts en fonction du régime de rotation du rotor.

En variante, on pourrait prévoir que le nombre d’orifices de ventilation 50c du disque d’étanchéité 50 soit inférieur ou égal au nombre d’organes élastiquement déformables 36 du dispositif de régulation du débit 30.

On pourrait également prévoir que les organes élastiquement déformables 36 soient régulièrement répartis sur une partie angulaire du jonc de maintien 32.

Dans la position d’obturation des orifices de ventilation 50c, une partie des orifices de ventilation 50c sont totalement ou partiellement obturés par la partie d’obturation 36c. En d’autres termes la partie d’obturation 36c ne se retrouve pas en face des orifices de ventilation 50c.

La position d’obturation des orifices de ventilation 50c correspond à la position de repos de l’organe déformable 36 dans laquelle le régime de rotation du rotor est au ralenti. La portion de liaison 36d dudit organe 36.

Lorsque le régime de rotation du rotor augmente, l’organe déformable 36 pivote angulairement progressivement et la partie d’obturation 36c vont venir progressivement s’éloigner des orifices de ventilation 50c correspondants du disque d’étanchéité 50. A plein régime, tous les orifices de ventilation 50c sont ouverts pour permettre le passage total du flux d’air de refroidissement.

Le débit d’air de refroidissement est donc augmenté progressivement de manière passive grâce à l’organe élastiquement déformable 36, et notamment sa portion de liaison 36d par la seule augmentation du régime de rotation du rotor.

En effet, l’augmentation du régime de rotation du rotor induit une force centrifuge sur l’organe élastiquement déformable 36 qui, grâce à ses propriétés de souplesse, se déforme angulairement et désobture les orifices de ventilation 50c du disque d’étanchéité 50.

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 basse pression pour la ventilation de l’aube de turbine basse pression. Le dispositif de régulation du débit d’air pourrait être installé sur le disque d’étanchéité haute pression pour la ventilation de l’aube de turbine haute pression tel qu’illustré sur la figure 7.

Tel qu’illustré sur la figure 7, la turbomachine 10 comprend un étage de turbine haute pression 15 comprenant 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’ du rotor. Le disque de turbine 25a comprend un alésage axial (non référencé) à partir duquel s’étend l’arbre d’entraînement 17 et est relié audit arbre 17 par exemple par une liaison boulonnée (non représentée). 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.

La 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 turbomachine. Le disque d’étanchéité 26 est désigné communément « disque labyrinthe ».

Le disque d’étanchéité 26 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 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’entraînement 17 par exemple par la liaison boulonnée (non représentée) 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 de rotor 25a. Un flux d’air, illustré par une flèche F1 sur la figure 7, est prélevé en amont du compresseur haute pression 13 et acheminé par un circuit de refroidissement 23 pour être introduit 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 aubes 25b montées sur le disque de turbine de rotor 256a. Les orifices de ventilation 26c sont configurés pour permettre un débit d’air suffisant pour refroidir les aubes 25b lorsque la turbomachine 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, le turboréacteur 10 comprend un dispositif de régulation du débit d’air 30 tel qu’illustré en détails sur les figures 3 à 6 et comprenant un jonc de maintien 32 annulaire fixé sur la surface aval 26d du disque d’étanchéité 26 et destiné à venir s’engager dans une gorge (non représentée) prévue sur ledit disque 26. 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 8.

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.

De manière générale, le dispositif de régulation du flux 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 avec un élément de rotor amont, à savoir le disque d’étanchéité 50, 26.

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 des orifices de ventilation progressive et proportionnelle au régime de rotation du moteur.

Claims (15)

1. Rotor de turbine (16, 25), d’axe de rotation (X-X’), comprenant au moins une aube (16b, 25b) montée sur un disque de rotor (16a, 25a) et un élément de rotor (50, 26) disposé en amont et solidaire en rotation dudit disque de rotor (16a, 25a), l’élément de rotor (50, 26) comprenant au moins un orifice de ventilation (50c, 26c) pour la ventilation de ladite aube (16b, 25b), caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif de régulation du débit d’air (30) fixé sur l’élément de rotor (50, 26) comprenant au moins un organe élastiquement déformable (36) configuré pour pivoter angulairement autour d’un axe de pivotement (Xi-Xi’) passant par le point de fixation dudit organe (36) à l’élément de rotor (50, 26) et parallèle à l’axe de rotation (X-X’) du rotor (16, 25) entre une position d’obturation au moins partielle dudit orifice de ventilation (50c, 26c) et une position d’ouverture dudit orifice de ventilation (50c, 26c) en fonction du régime de rotation du rotor.
2. Rotor de turbine (16, 25) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de régulation du débit d’air (30) est configuré pour assurer un flux de débit d’air minimal lorsque le régime de rotation du rotor de turbine est au ralenti.
3. Rotor de turbine (16, 25) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le dispositif de régulation du débit d’air (30) est configuré pour assurer un flux de débit d’air maximal lorsque le régime de rotation du rotor de turbine est supérieur à une valeur de seuil.
4. Rotor de turbine (16, 25) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’organe élastiquement déformable (36) comprend une partie de fixation (36a) à l’élément de rotor (50, 26), une partie d’obturation (36c) configurée pour venir obturer l’orifice de ventilation (50c, 26c) de l’élément de rotor (50, 26) et une portion de liaison déformable élastiquement (36d) reliant ladite partie de fixation (34a) à ladite partie d’obturation (36c).
5. Rotor de turbine (16, 25) selon la revendication 4, dans lequel l’extrémité distale de la portion de liaison (36d) fixée à la partie d’obturation (36c) présente une section amincie par rapport à l’extrémité proximale de la portion de liaison (36d) fixée à la partie de fixation (36a).
6. Rotor de turbine (16, 25) selon la revendication 4 ou 5, dans lequel la partie d’obturation (36c) a une forme sensiblement cylindrique de dimensions légèrement supérieures aux dimensions de l’orifice de ventilation (50c, 26c).
7. Rotor de turbine (16, 25) selon l’une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel l’organe élastiquement déformable (36) comprend également une patte anti-rotation (36e) s’étendant à partir de la partie de fixation (36a) radialement vers l’extérieur et destinée à venir s’engager dans une encoche correspondante (50f) pratiquée sur l’élément de rotor (50, 26).
8. Rotor de turbine (16, 25) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de régulation du débit d’air (30) comprend un jonc de maintien (32) annulaire fixé sur la surface aval (50d, 26d) de l’élément de rotor (50, 26), le jonc de maintien (22) portant l’organe élastiquement déformable (36).
9. Rotor de turbine (16, 25) selon la revendication 8, dans lequel la surface aval (50d, 26d) de l’élément de rotor (50, 26) comprend une gorge (50e) de réception du jonc de maintien (32).
10. Rotor de turbine (16, 25) selon la revendication 8 ou 9, dans lequel la partie de fixation (36a) de l’organe élastiquement déformable (36) comprend une rainure (36b) dans laquelle vient s’insérer une partie du jonc de maintien (32).
11. Rotor de turbine (16, 25) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’élément de rotor (50, 26) comprend une pluralité d’orifices de ventilation (58c, 26c) régulièrement angulairement répartis et dans lequel le dispositif de régulation du débit d’air (30) comprend une pluralité d’organes élastiquement déformables (36) régulièrement répartis sur au moins une partie de l’élément de rotor (50, 26).
12. Rotor de turbine (16, 25) selon la revendication 11, dans lequel les organes élastiquement déformables (36) sont identiques entre eux.
13. Rotor de turbine (16, 25) selon la revendication 11 ou 12, dans lequel le nombre d’orifices de ventilation (50c, 26c) de l’élément de rotor (50, 26) est supérieur au nombre d’organes élastiquement déformables (36) du dispositif de régulation du débit (30).
14. Rotor de turbine (16, 25) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’élément de rotor est un disque d’étanchéité (50, 26) présentant la forme générale d’une pièce annulaire s’étendant transversalement à l’axe de rotation (X-X’) du rotor, ledit disque d’étanchéité (50, 26) étant monté en amont du disque de turbine (16a, 25a).
15. Turbomachine comprenant un rotor de turbine (16, 25) selon l’une quelconque des revendications précédentes.