FR3121167A1 - Turbine de turbomachine - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un distributeur (19) ou secteur de distributeur de turbine de turbomachine, comprenant une plateforme (18a) qui est adaptée pour recevoir une série de pales fixes (18b), caractérisé en ce que la plateforme (18a) porte au moins un caisson (24) adapté pour capter des gaz d’un débit de fuite traversant un joint d’étanchéité (22, 23) de roue de rotor qui dans la turbine est situé en amont de la plateforme (18a), ledit caisson (24) étant conformé et dimensionné pour guider ces gaz et les réinjecter, dans la veine de gaz de la turbine, avec une orientation et une vitesse voisines de celles des gaz de ladite veine au voisinage de ladite plateforme (18a). Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

TURBINE DE TURBOMACHINE
DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEUR
L’invention se rapporte au domaine général des turbomachines.
Une turbomachine comporte classiquement un compresseur, une chambre de combustion et au moins une turbine. Le rôle de la turbine est d’entrainer en rotation le compresseur en prélevant une partie de l'énergie de pression des gaz chauds en sortie de la chambre de combustion et en la transformant en énergie mécanique.
La performance de la (ou des) turbine(s) est un enjeu important pour les turbomachines.
A la jonction entre d’une part une roue mobile d’une turbine et d’autre part la face interne cylindrique radialement extérieure du distributeur, il est classiquement observé un débit de fuite de gaz qui s'échappe de la veine d'écoulement des gaz et ne contribue pas à l’entrainement de la roue mobile.
Pour limiter ce débit de fuite à partir de la veine, il est classiquement connu d’utiliser entre les parties mobiles et fixes de la turbine des moyens d’étanchéité, typiquement des joints à labyrinthes.
De nombreux travaux sont consacrés à limiter ce débit de fuite qui traverse les moyens labyrinthes et ne travaille pas dans la roue.
PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L’INVENTION
L’invention s’intéresse quant à elle à la façon dont le débit de fuite se réintroduit dans la veine.
En sortie du labyrinthe, ce débit de fuite est réinjecté dans la veine avec une direction non contrôlée.
Cette réintroduction du débit de fuite de gaz génère ainsi des perturbations aérodynamiques sur le flux de la veine, occasionnant des pertes de performance pour la turbine.
Un but de l’invention est d’optimiser la réinjection du flux de fuite en sortie des labyrinthes, afin de minimiser les pertes aérodynamiques.
La solution proposée minimise l’hétérogénéité de ce flux avec le flux de la veine en contrôlant la vitesse et l’orientation du flux réintroduit.
Ainsi, l’invention concerne un distributeur ou secteur de distributeur de turbine de turbomachine, comprenant une plateforme qui est adaptée pour recevoir une série de pales fixes
La plateforme porte au moins un caisson adapté pour capter des gaz d’un débit de fuite traversant un joint d’étanchéité de roue de rotor qui dans la turbine est situé en amont de la plateforme, ledit caisson étant conformé et dimensionné pour guider ces gaz et les réinjecter, dans la veine de gaz de la turbine, avec une orientation et une vitesse voisines de celles des gaz de ladite veine au voisinage de ladite plateforme.
Ledit caisson est adapté pour réinjecter le débit de fuite qu’il capte avec une vitesse et une orientation voisines de celle des gaz de la veine au voisinage d’une plateforme de l’étage de distributeur en aval du joint d’étanchéité.
Par exemple, le distributeur ou secteur de distributeur comporte une pluralité de caissons répartis circonférentiellement sur ladite plateforme.
Le fait de prévoir de tels caissons sur le distributeur permet une meilleure cohérence entre le débit provenant du débit de fuite et le débit de la veine principale.
Les pertes aérodynamiques dues au débit de fuite et le coût en termes de performance aérodynamique de l’air « by-passant » les roues sont minimisés.
Ainsi, la solution proposée permet de réduire l’effet aérodynamique pénalisant les performances du composant dû à la réintroduction du débit de fuite dans la veine principale.
L’invention propose également les caractéristiques suivantes prise seules ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles :
- un caisson comporte une ouverture de captation, une section de guidage et une ouverture de réinjection ;
- les dimensions et la géométrie de la section de guidage et de l’ouverture de réinjection sont adaptées pour permettre au débit de fuite de sortir du caisson avec un angle cohérent avec celui de la giration de l’écoulement dans la veine ;
- les dimensions et la géométrie de la section de guidage et de l’ouverture de réinjection sont adaptées pour minimiser l’écart de valeur de vitesse entre le flux du débit de fuite réinjecté et le flux dans la veine ;
- l’ouverture de réinjection présente une inclinaison avec un angle azimutal ;
- l’ouverture de réinjection présente une géométrie pour la réinjection du débit de fuite avec un angle radial ;
- l’ouverture de réinjection présente une forme qui est évolutive et qui est adaptable pour piloter la vitesse du débit de fuite.
L’invention concerne également une turbine de turbomachine comportant un distributeur du type proposé.
Elle s’applique aussi bien aux turbines basse pression qu’aux turbines haute pression.
Elle concerne également une turbomachine comportant une telle turbine, ainsi qu’un aéronef comportant une telle turbomachine.
PRÉSENTATION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles :
- la est une représentation schématique d’une turbomachine ;
- la une représentation d’un détail d’une turbine ;
- les figures 3a, 3b et 3c illustrent schématiquement les caissons d’un distributeur, lesdits caissons étant représentés vus de côté ( ), vus en place sur le distributeur ( ) et vus en perspective ( ).
DESCRIPTION D’UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN ŒUVRE ET DE REALISATION
Exemple de s tructure générale d’une turbomachine.
Sur la , il est représenté une turbomachine 1 d'aéronef, en l’occurrence un turboréacteur à double flux et à double corps. Néanmoins, il pourrait s'agir d'une turbomachine d'un autre type, par exemple un turbopropulseur, sans sortir du cadre de l'invention.
La turbomachine 1 présente un axe central longitudinal 2 autour duquel s'étendent ses différents composants.
Elle comprend, d'amont en aval selon une direction principale 5 d'écoulement des gaz à travers cette turbomachine, une soufflante 3, un compresseur basse pression 4, un compresseur haute pression 6, une chambre de combustion 11, une turbine haute pression 7 et une turbine basse pression 8.
Après avoir traversé la soufflante, l'air se divise en un flux primaire central 12a et un flux secondaire 12b qui entoure le flux primaire. Le flux primaire 12a s'écoule dans une veine primaire 14a d'écoulement des gaz traversant les compresseurs 4, 6, la chambre de combustion 11 et les turbines 7, 8. Le flux secondaire 12b s'écoule quant à lui dans une veine secondaire 14b délimitée radialement vers l'extérieur par un carter moteur, entouré d'une nacelle 9.
Turbine
La est une vue partielle qui représente de manière plus détaillée une partie d’une turbine, en l’occurrence la turbine basse pression 8.
Une telle turbine basse pression comporte un stator 15 et un rotor 16. Le stator 15 comporte un carter 17 et un distributeur 19 à plusieurs étages 18 monté sur celui-ci. Chaque étage de distributeur 18 comprend une plateforme 18a et une série de pales fixes 18b. L’ensemble est rigidement solidaire du carter 17 (les différentes pièces pouvant toutefois faire l’objet de légers déplacements les uns par rapport aux autres (dilatation de température, etc.)).
Typiquement, un distributeur 19 est réalisé par l’assemblage circonférentiel de plusieurs secteurs de distributeur.
Le rotor comporte une pluralité de roues 20 à aubes 21 entre lesquels les étages de distributeurs 18 sont intercalés.
L'étanchéité entre les aubes 21 d’une roue 20 et le carter 17 est assurée par la coopération entre d’une part un anneau abradable 22 porté par le carter et d’autre part des léchettes 23 portées par les talons des aubes 21. Ces léchettes 23 coopèrent avec la surface interne du matériau abradable pour assurer l’étanchéité. L’anneau 22 et les léchettes 23 forment ensemble des joints d’étanchéité à labyrinthe.
Caissons 24 de captation et guidage des débits de fuite
Sur la , on a représenté par une flèche le débit de fuite DF qui traverse le joint d’étanchéité à labyrinthe 22, 23 de la roue amont 20 de rotor.
La plateforme 18a de l’étage de distributeur 18 présente en aval du joint d'étanchéité à labyrinthe 22, 23 une pluralité de caissons 24.
Ces caissons 24 sont répartis circonférentiellement sur la partie amont de l’étage de distributeur 18.
Comme l’illustrent les figures 3a à 3c, ces caissons 24 comportent chacun une ouverture de captation 25, une section de guidage 26 et une ouverture de réinjection 27.
Les ouvertures 25 sont maximisées pour que les caissons 24 captent une grande partie du débit de fuite DF traversant le joint d’étanchéité 22, 23.
La section intérieure 26 et l’ouverture 27 guident les gaz afin qu’ils réintègrent la veine 14a.
Les dimensions et la géométrie de la section intérieure 26, ainsi que celles de l’ouverture de réinjection 27 des caissons 24 sont adaptées pour permettre pour le débit de fuite réinjecté une vitesse (norme et composante) la plus proche possible de celle de ladite veine 14a au voisinage immédiat de ladite plateforme 18a.
En particulier, ces dimensions et géométrie permettent au débit de fuite de sortir du caisson 24 avec un angle cohérent avec celui de la giration de l’écoulement dans la veine à la sortie du disque 20 de rotor (même direction +/- 10°, préférentiellement +/- 5°).
En outre, ces dimensions et géométrie sont également adaptées pour minimiser l’écart de vitesse entre le flux du débit de fuite DFR réinjecté et le flux dans la veine 14a (même vitesse +/- 15%, préférentiellement +/-10%, encore plus préférentiellement +/- 5%).
Grâce à cette configuration, les pertes aérodynamiques liées à l’hétérogénéité entre ces deux flux sont fortement minimisées.
L’ouverture 27 de réinjection d’un caisson 24 peut être une fente ou présenter toute autre configuration, y compris des formes plus complexes que celles représentées sur les figures 3b et 3c.
Une telle ouverture 27 peut présenter une inclinaison avec un angle azimutal pour donner de la giration au flux réinjecté.
Elle peut en outre présenter un angle radial pour la réintroduction dans la veine 14a. Notamment, l’ouverture peut à cet effet présenter des bords biseautés qui contribuent au guidage du flux du débit de fuite DF réinjecté.
L’ouverture 27 peut également présenter une forme qui est évolutive pour piloter la vitesse du débit de fuite DF. Une configuration peut par exemple comprendre un volet mobile dont la position est contrôlée par le débit dans la veine.
Les caissons 24 peuvent soit être intégrés dans la fonderie d’un secteur d’étage de distributeur, soit être usinés. Des procédés de fabrication additive pourront typiquement être envisagés.

Claims (10)

  1. Distributeur (19) ou secteur de distributeur de turbine de turbomachine, comprenant une plateforme (18a) qui est adaptée pour recevoir une série de pales fixes (18b), caractérisé en ce que la plateforme (18a) porte au moins un caisson (24) adapté pour capter des gaz d’un débit de fuite traversant un joint d’étanchéité (22, 23) de roue de rotor qui dans la turbine est situé en amont de la plateforme (18a), , ledit caisson (24) étant conformé et dimensionné pour guider ces gaz et les réinjecter, dans la veine de gaz de la turbine, avec une orientation et une vitesse voisines de celles des gaz de ladite veine au voisinage de ladite plateforme (18a).
  2. Distributeur ou secteur de distributeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte une pluralité de caissons (24) répartis circonférentiellement sur ladite plateforme.
  3. Distributeur ou secteur de distributeur selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’un caisson (24) comporte une ouverture de captation (25), une section de guidage (26) et une ouverture de réinjection (27).
  4. Distributeur ou secteur de distributeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les dimensions et la géométrie de la section de guidage (26) et de l’ouverture de réinjection (27) sont adaptées pour d’une part permettre au débit de fuite de sortir du caisson (24) avec un angle cohérent avec celui de la giration de l’écoulement dans la veine et d’autre part pour minimiser l’écart de valeur de vitesse entre le flux du débit de fuite réinjecté et le flux dans la veine.
  5. Distributeur ou secteur de distributeur selon l’une des revendications 3 à 4, caractérisé en ce que l’ouverture de réinjection (27) présente une inclinaison avec un angle azimutal.
  6. Distributeur ou secteur de distributeur selon l’une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l’ouverture de réinjection (27) présente une géométrie pour la réinjection du débit de fuite (DF) avec un angle radial.
  7. Distributeur ou secteur de distributeur selon l’une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que l’ouverture de réinjection (27) présente une forme qui est évolutive et qui est adaptable pour piloter la vitesse du débit de fuite.
  8. Turbine de turbomachine comportant un distributeur (18) et une pluralité de roues (20) à aubes (21) de rotor entre lesquelles les étages du distributeur (18) sont intercalés, ainsi qu’au moins un joint d’étanchéité (22,23) de roue à aubes de rotor, le distributeur comprenant une plateforme (18a) qui est adaptée pour recevoir une série de pales fixes, caractérisé en ce que la plateforme porte au moins un caisson (24) adapté pour capter des gaz d’un débit de fuite traversant un joint d’étanchéité (22, 23) d’une roue (20) à aubes (21) en amont de la plateforme, ledit caisson (24) étant conformé et dimensionné pour guider ces gaz et les réinjecter, dans la veine de gaz de la turbine, avec une orientation et une vitesse voisines de celles des gaz de ladite veine au voisinage de ladite plateforme (18a).
  9. Turbomachine comportant au moins une turbine selon la revendication 8.
  10. Aéronef comportant une turbomachine selon la revendication 9.
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