WO2011086305A1 - Distributeur de turbine haute pression d'un turboreacteur - Google Patents

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WO2011086305A1
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Régis Grohens
Renaud Gabriel Constant Royan
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Snecma
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Definitions

  • the invention relates to a high pressure turbine distributor of a turbojet engine; it relates more particularly to an improvement to limit the emission of harmful and / or polluting gases, particularly during the maneuvering phases on the ground, on airports where such discharges pose the most problems in terms of the environment.
  • the high-pressure distributor is a set of fixed blades arranged annularly in the gas flow passage between the outlet of the combustion chamber and the inlet of the high-pressure turbine.
  • This subset is therefore the one that is subjected to the highest gas temperatures, exceeding the melting temperature of the materials (metals) used.
  • This is typically the case during so-called "hot" operating phases of the engine, typically the take-off phase, the climb phase and the cruise phase. It is therefore necessary to constantly cool this subassembly and in particular the blades.
  • the blades extend radially between two annular, segmented platforms defining the flow vein of the gases ejected by the combustion chamber.
  • the blades are hollow.
  • Each blade comprises at least one and very generally two adjacent cavities, one end of which opens out of the vein, through a platform mentioned above.
  • the blades have holes extending between the or each cavity and the vein. For example, there is a leading edge cavity (the side of the combustion chamber) opening radially inwardly and a trailing edge cavity (on the side of the high pressure turbine) opening radially outwardly.
  • a jacket is embedded in the or each cavity of such a blade.
  • This jacket has a plurality of holes on its entire surface extending between the annular platforms.
  • the jacket has a bottom wall, closed at one end and opens out of the vein, on the same side as the cavity that encloses it.
  • Relatively fresh air is drawn upstream of the combustion chamber at the outlet of a stage of the compressor. This air is injected into the shirts through the platforms. Fresh air enters the interior of the jacket to cool the blade from the inside by impact. Then, escaping into the vein via the holes of the blade, the air of Cooling creates a relatively cooler air barrier film flowing along the outer surface of the blade.
  • the flow section defined by the holes is calculated to define a ventilation capable of suitably cooling the blade when the engine is in a "hot" operating phase as defined above.
  • the disadvantage of this system is that the fresh air taken from the compressor, bypassing the combustion chamber, does not participate in the combustion, which contributes to increase pollution (including compounds CO, CH and NOx).
  • the invention follows from the following analysis:
  • the turbojet engine operates with lower flue gas temperatures in the combustion chamber. This is particularly the case of maneuvers on the ground, idling, that is to say, the majority of the maneuvers that take place on the airport, specifically where it is most interesting to reduce pollution.
  • the invention proposes a system for automatically regulating the flow of cooling air passing through the distributor, which is well adapted to the temperatures encountered under different operating conditions.
  • the basic idea is to reduce the flow of cooling air during so-called "cold" phases of the engine, in particular to reduce pollutant emissions, while reducing the amount of air taken from the compressor.
  • the invention relates to a high-pressure turbine distributor of a turbojet, comprising a ring of fixed and hollow blades arranged between two coaxial annular platforms delimiting a gas flow channel and in which each blade comprises at least one cavity housing a first sleeve, one end of which opens out of said vein through a platform and has a bottom wall at the other end, said first sleeve being pierced with a plurality of holes opening into said cavity, characterized in that a second liner of material having a coefficient of expansion different from that of said first liner is engaged within each liner and shaped so that its outer wall is substantially in contact with the inner liner of said first liner shirt and in that this second The liner is pierced with a plurality of holes substantially in correspondence with those of said first liner, one end of said second liner being attached to said bottom of said first liner.
  • the holes made in each first liner and those made in the corresponding second liner are in maximum correspondence for a nominal operating temperature corresponding to a hot operating phase of the turbojet engine.
  • each blade has a first leading edge cavity liner opening out of the vein through a platform and a first trailing edge cavity liner opening out of the vein through the other platform.
  • Each first leading edge and trailing edge cavity liner houses a second aforesaid liner of corresponding shape and size.
  • said first jackets are made of metal while said second jackets are made of composite material with a low coefficient of expansion. This coefficient of expansion is significantly lower than that of the metal used to form said first folders.
  • said second shirts are ceramic.
  • each first liner and the second liner therein are apairées.
  • the bores can be made simultaneously hot. More particularly, the apairées shirts can be pierced together in a chamber brought to a aforementioned nominal temperature corresponding to a hot operating phase of the turbojet engine.
  • FIG. 1 is a partial external perspective view of the dispenser according to the invention.
  • FIG. 1 is a partial perspective view inward of the same distributor
  • FIG. 3 illustrates a leading edge cavity metal jacket
  • FIG. 4 illustrates a liner of corresponding composite material
  • Figure 5 is a perspective view of a metal jacket of a trailing edge cavity
  • FIG. 6 is a perspective view of the corresponding composite material jacket.
  • a high-pressure turbine distributor of a turbojet engine is constituted by a fixed blade crown 13 made by side-by-side assembly of several segments 14 according to FIGS. 1 and 2.
  • the blades are hollow and arranged between two annular platforms 16, 18 coaxial formed by the side-by-side assembly of the segments 14.
  • the annular platforms thus delimit a gas flow stream 20 in which are located the blades 13 regularly distributed angularly between the platforms 16,18.
  • Each hollow blade here comprises a leading edge cavity 24 opening out of the vein through the inner platform 18 and a trailing edge cavity 26 opening out of the vein through the outer platform. 16.
  • each hollow blade is divided into two adjacent cavities, one 24 located on the leading edge side and the other 26 on the trailing edge side. These cavities communicate with the vein by rows of radially extending holes. It will be understood, for example, that the rows of holes 31 extend between the leading edge cavity and the vein while the rows of holes extend between the trailing edge cavity and the vein.
  • the first leading-edge cavity liner 34 opens out of the vein through a platform, here the inner platform 18 while the first liner 36 of the trailing-edge cavity opens to the outside. outside the vein through the other platform, here the outer platform 16.
  • relatively fresh air is taken from the compressor and led on both sides of the distributor, that is to say both outside the outer platform 16 and inside the inner platform 18.
  • the cooling air can therefore enter the jackets to cool the inner walls of the blades by impact effect and then flow into the vein through the holes of said blades 13 to create a cooling film around each of them.
  • a second jacket 44, 46 of material having a coefficient of expansion different from that of said first jacket 34, 36 is engaged inside each of them and shaped so that its outer wall or substantially in contact with the inner wall of said corresponding first sleeve.
  • This second sleeve 44, 46 is pierced with a plurality of holes 47 substantially in correspondence with those of said first sleeve.
  • one end 48a, 48b of the second liner is attached to a bottom 38a, 38b, closed, of said first liner, respectively, that is to say opposite the opening by which the air fresh is introduced.
  • each first jacket and those in the corresponding second jacket are in maximum correspondence (i.e. ensuring a maximum flow section) for a nominal operating temperature corresponding to hot operating phases of the turbojet engine.
  • the second shirts are made of composite material having a coefficient of weak expansion, in particular significantly lower than that of the metal which constitutes said first folders.
  • said second shirts are ceramic.
  • the second jacket 44, 46 of composite material is slightly “longer” radially than the metal jacket that contains it.
  • the holes are only partially matched, two by two, and the passage section is reduced.
  • the amount of air drawn will be relatively low, which is acceptable since in such a phase of operation the distributor hardly requires to be cooled.
  • the rise in the temperature of the combustion gases causes an expansion of the metal jackets 34, 36, that is to say their elongation in the direction radial. This results in a larger passage section for cooling air. The larger cooling air flow therefore effectively cools the dispenser.
  • each first sleeve 34, 36 and the second sleeve 44, 46 contained therein are apairées.
  • the two apairées shirts can be nested one inside the other and drilled together in a chamber brought to a high nominal temperature as defined above.
  • the seal between the two shirts 38a, 48a - 38b, 48b is as good as possible at all phases of operation of the engine.
  • the second jacket, made of composite material, is set cold in the first metal jacket and the ribs of these two parts have been defined so that the insertion of the one into the other is done with zero or extremely low. Therefore, the seal is guaranteed during the cold running phases of the engine.
  • the relative expansion of the metal jacket relative to the composite material jacket, in the width direction is of the order of 4 hundredths of a millimeter, which is very low and can be considered as having no influence on the tightness between the shirts.

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Distributeur de turbine haute pression à régulation automatique du débit d'air de refroidissement le traversant. Selon l'invention, chaque pale (13) comporte une première chemise (34) percée de trous et une seconde chemise engagée dans la première, percée de trous correspondants et réalisée en matériau possédant un coefficient de dilatation différent de celui de la première chemise.

Description

Distributeur de turbine haute pression d'un turboréacteur
L'invention se rapporte à un distributeur de turbine haute pression d'un turboréacteur ; elle concerne plus particulièrement un perfectionnement permettant de limiter l'émission de gaz nocifs et/ou polluants, particulièrement pendant les phases de manœuvre au sol, sur les aéroports où de tels rejets posent le plus de problèmes en termes d'environnement.
Dans un turboréacteur d'avion, le distributeur haute pression est un ensemble de pales fixes agencées annulairement dans la veine d'écou- lement de gaz entre la sortie de la chambre de combustion et l'entrée de la turbine haute pression. Ce sous-ensemble est donc celui qui est soumis aux plus fortes températures des gaz, excédant la température de fusion des matériaux (métaux) utilisés. C'est typiquement le cas lors des phases de fonctionnement dites "chaudes" du moteur, typiquement la phase de décollage, la phase de montée et la phase de vol en régime de croisière. Il est donc nécessaire de refroidir en permanence ce sous-ensemble et notamment les pales. De façon connue, les pales s'étendent radialement entre deux plateformes annulaires, segmentées, délimitant la veine de circulation des gaz éjectés par la chambre de combustion. Les pales sont creuses. Chaque pale comporte au moins une et très généralement deux cavités adjacentes dont une extrémité débouche à l'extérieur de la veine, au travers d'une plateforme précitée. Les pales comportent des trous s'étendant entre la ou chaque cavité et la veine. Par exemple, on distingue une cavité de bord d'attaque (du côté de la chambre de combustion) débouchant radialement vers l'intérieur et une cavité de bord de fuite (du côté de la turbine haute pression) débouchant radialement vers l'extérieur.
Une chemise est enchâssée dans la ou chaque cavité d'une telle pale. Cette chemise comporte une pluralité de trous sur toute sa surface s'étendant entre les plateformes annulaires. La chemise comporte une paroi de fond, fermée, à une extrémité et débouche à l'extérieur de la veine, du même côté que la cavité qui la renferme.
De l'air relativement frais est prélevé en amont de la chambre de combustion à la sortie d'un étage du compresseur. Cet air est injecté dans les chemises au travers des plateformes. L'air frais pénètre à l'intérieur de la chemise pour refroidir la pale, de l'intérieur, par impact. Puis, en s'échappant dans la veine via les trous de la pale, l'air de refroidissement crée un film protecteur d'air relativement plus frais s'écoulant le long de la surface extérieure de la pale.
La section d'écoulement définie par les trous est calculée pour définir une ventilation apte à refroidir convenablement la pale lorsque le moteur se trouve dans une phase de fonctionnement "chaude" telle que définie ci-dessus.
L'inconvénient de ce système est que l'air frais prélevé sur le compresseur, en contournant la chambre de combustion, ne participe pas à la combustion, ce qui contribue à augmenter la pollution (notamment les composés CO, CH et NOx). L'invention découle de l'analyse suivante :
Dans d'autres conditions de fonctionnement, le turboréacteur fonctionne avec des températures de gaz de combustion moins élevées, dans la chambre de combustion. C'est le cas notamment des manœuvres au sol, au ralenti, c'est-à-dire majoritairement les manœuvres qui ont lieu sur l'aéroport, plus précisément là où il est le plus intéressant de réduire la pollution.
L'invention propose un système de régulation automatique du débit d'air de refroidissement traversant le distributeur, bien adapté aux températures rencontrées dans différentes conditions de fonctionnement. L'idée de base consiste à réduire le débit d'air de refroidissement lors des phases de fonctionnement dites "froides" du moteur, notamment afin de diminuer les émissions de polluants, tout en réduisant les quantités d'air prélevées sur le compresseur.
Dans cet esprit, l'invention concerne un distributeur de turbine haute pression d'un turboréacteur, comportant une couronne de pales fixes et creuses agencées entre deux plateformes annulaires coaxiales délimitant une veine de circulation de gaz et dans lequel chaque pale comporte au moins une cavité abritant une première chemise dont une extrémité débouche à l'extérieur de ladite veine au travers d'une plateforme précitée et comportant une paroi de fond à l'autre extrémité, ladite première chemise étant percée d'une pluralité de trous débouchant dans ladite cavité, caractérisé en ce qu'une seconde chemise en matériau possédant un coefficient de dilatation différent de celui de ladite première chemise est engagée à l'intérieur de chaque première chemise et conformée pour que sa paroi extérieure soit sensiblement au contact de la paroi intérieure de ladite première chemise et en ce que cette seconde chemise est percée d'une pluralité de trous sensiblement en correspondance de ceux de ladite première chemise, une extrémité de ladite seconde chemise étant fixée audit fond de ladite première chemise.
On comprend que la différence de dilatation entre les deux chemises permet de faire varier la section globale d'écoulement d'air de refroidissement pénétrant dans les cavités des pales. L'intérêt de ce système de refroidissement est qu'il ne nécessite aucune commande, la variation du débit d'air de refroidissement s'effectuant automatiquement et progressivement en fonction de l'évolution de la température.
Plus particulièrement, les trous pratiqués dans chaque première chemise et ceux pratiqués dans la seconde chemise correspondante sont en correspondance maximum pour une température de fonctionnement nominale correspondant à une phase chaude de fonctionnement du turboréacteur.
Typiquement, chaque pale comporte une première chemise de cavité de bord d'attaque débouchant à l'extérieur de la veine au travers d'une plateforme et une première chemise de cavité de bord de fuite débouchant à l'extérieur de la veine au travers de l'autre plateforme. Chaque première chemise de cavité de bord d'attaque et de bord de fuite abrite une seconde chemise précitée, de forme et dimensions correspondantes.
Typiquement, lesdites premières chemises sont en métal tandis que lesdites secondes chemises sont en matériau composite à faible coefficient de dilatation. Ce coefficient de dilatation est notablement plus faible que celui du métal utilisé pour constituer lesdites premières chemises.
Avantageusement, lesdites secondes chemises sont en céramique.
De préférence, chaque première chemise et la seconde chemise qu'elle contient sont apairées.
Selon un procédé de formation des trous dans lesdites première et seconde chemises, les perçages peuvent être faits simultanément à chaud. Plus particulièrement, les chemises apairées peuvent être percées ensemble dans une enceinte portée à une température nominale précitée correspondant à une phase de fonctionnement chaude du turboréacteur. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle- ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un distributeur de turbine haute pression conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 est une vue partielle en perspective extérieure du distributeur conforme à l'invention ;
- la figure 2 est une vue partielle en perspective intérieure du même distributeur ;
- la figure 3 illustre une chemise métallique de cavité de bord d'attaque ;
- la figure 4 illustre une chemise en matériau composite correspondante ;
- la figure 5 est une vue en perspective d'une chemise métallique d'une cavité de bord de fuite ; et
- la figure 6 est une vue en perspective de la chemise en matériau composite correspondante.
Un distributeur de turbine haute pression d'un turboréacteur est constitué d'une couronne de pales fixes 13 réalisée par l'assemblage côte à côte de plusieurs segments 14 conformes aux figures 1 et 2.
Les pales sont creuses et agencées entre deux plateformes annulaires 16, 18 coaxiales formées par l'assemblage côte à côte des segments 14. Les plateformes annulaires délimitent donc une veine de circulation de gaz 20 dans laquelle se trouvent les pales 13 réparties régulièrement angulairement entre les plateformes 16,18. Chaque pale creuse comporte ici une cavité de bord d'attaque 24 débouchant à l'extérieur de la veine au travers de la plateforme intérieure 18 et une cavité de bord de fuite 26 débouchant à l'extérieur de la veine au travers de la plateforme extérieure 16. Autrement dit, chaque pale creuse est divisée en deux cavités adjacentes, l'une 24 située du côté du bord d'attaque et l'autre 26 du côté du bord de fuite. Ces cavités communiquent avec la veine par des rangées de trous 30 s'étendant radialement. On comprend par exemple que les rangées de trous 31 s'étendent entre la cavité de bord d'attaque et la veine tandis que les rangées de trous s'étendent entre la cavité de bord de fuite et la veine. Cet agencement est connu et ne nécessite pas d'être décrit plus en détail. En outre, il est également connu d'enchâsser dans chaque cavité 24, 26 de la pale une chemise métallique 34, 36 dite "première chemise" percée d'une pluralité de trous 37. Ainsi, la figure 3 représente la chemise métallique 34 enchâssée dans la cavité de bord d'attaque 24 de la pale tandis que la figure 5 représente la chemise métallique 36 enchâssée dans la cavité de bord de fuite 26 de la même pale.
Comme représenté, la première chemise 34 de cavité de bord d'attaque débouche à l'extérieur de la veine au travers d'une plateforme, ici la plateforme intérieure 18 tandis que la première chemise 36 de la cavité de bord de fuite débouche à l'extérieur de la veine au travers de l'autre plateforme, ici la plateforme extérieure 16. On rappelle que de l'air relativement frais est prélevé sur le compresseur et conduit de part et d'autre du distributeur, c'est-à-dire à la fois à l'extérieur de la plateforme extérieure 16 et à l'intérieur de la plateforme intérieure 18. L'air de refroidissement peut donc pénétrer dans les chemises pour refroidir les parois intérieures des pales par effet d'impact puis s'écouler dans la veine au travers des trous desdites pales 13 pour créer un film de refroidissement autour de chacune d'elles.
Selon une caractéristique importante de l'invention, une seconde chemise 44, 46 en matériau possédant un coefficient de dilatation différent de celui de ladite première chemise 34, 36 est engagée à l'intérieur de chacune d'elles et conformée pour que sa paroi extérieure soit sensiblement au contact de la paroi intérieure de ladite première chemise correspondante. Cette seconde chemise 44, 46 est percée d'une pluralité de trous 47 sensiblement en correspondance de ceux de ladite première chemise. De plus, une extrémité 48a, 48b de la seconde chemise est fixée à un fond 38a, 38b, fermé, de ladite première chemise, respectivement, c'est-à-dire à l'opposé de l'ouverture par laquelle l'air frais est introduit.
Les trous pratiqués dans chaque première chemise et ceux pratiqués dans la seconde chemise correspondante sont en correspondance maximum (c'est-à-dire assurant une section de passage maximum) pour une température de fonctionnement nominale correspondant à des phases chaudes de fonctionnement du turboréacteur.
Typiquement, alors que lesdites premières chemises sont en métal, les secondes chemises sont en matériau composite ayant un coefficient de dilatation faible, en particulier notablement plus faible que celui du métal qui constitue lesdites premières chemises. Par exemple, lesdites secondes chemises sont en céramique.
En fonctionnement "à froid", la seconde chemise 44, 46 en matériau composite est légèrement plus "longue" radialement que la chemise métallique qui la contient. Par conséquent, les trous ne sont qu'en correspondance partielle, deux à deux et la section de passage est réduite. Il en résulte que pour tous les régimes de fonctionnement au ralenti, notamment sur les aéroports, la quantité d'air prélevé sera relati- vement faible, ce qui est acceptable étant donné que dans une telle phase de fonctionnement, le distributeur ne nécessite pratiquement pas d'être refroidi. En revanche, au décollage, en phase d'ascension ou même en phase de croisière, l'élévation de la température des gaz de combustion provoque une dilatation des chemises métalliques 34, 36, c'est-à-dire leur allongement dans le sens radial. Il en résulte une plus grande section de passage pour l'air de refroidissement. Le plus grand débit d'air de refroidissement permet donc de refroidir efficacement le distributeur.
Dans la pratique, il est souhaitable que chaque première chemise 34, 36 et la seconde chemise 44, 46 qu'elle contient soient apairées. Avantageusement, on peut percer les deux chemises apairées ensemble à une température correspondant à la température rencontrée en phase "chaude". Par exemple, les deux chemises apairées peuvent être emboîtées l'une dans l'autre et percées ensemble dans une enceinte portée à une température nominale élevée telle que définie ci-dessus.
Pour que le fonctionnement soit efficace, il faut que l'étanchéité entre les deux chemises 38a, 48a - 38b, 48b soit aussi bonne que possible à toutes les phases de fonctionnement du moteur. La seconde chemise, en matériau composite, est enchâssée à froid dans la première chemise métallique et les côtes de ces deux pièces ont été définies de telle sorte que l'insertion de l'une dans l'autre se fasse avec un jeu nul ou extrêmement faible. Par conséquent, l'étanchéité est garantie lors des phases de fonctionnement froides du moteur. Lors des phases de fonctionnement chaudes, la dilatation relative de la chemise métallique par rapport à la chemise en matériau composite, dans le sens de la largeur est de l'ordre de 4 centième de millimètre, ce qui est très faible et peut être considéré comme sans influence sur l'étanchéité entre les chemises.

Claims

REVENDICATIONS
1. Distributeur de turbine haute pression d'un turboréacteur, comportant une couronne de pales (13) fixes et creuses agencées entre deux plateformes annulaires coaxiales (16, 18) délimitant une veine de circulation de gaz et dans lequel chaque pale comporte au moins une cavité (24, 26) abritant une première chemise (34, 36) dont une extrémité débouche à l'extérieur de ladite veine au travers d'une plateforme précitée et comportant une paroi de fond à l'autre extrémité, ladite première chemise étant percée d'une pluralité de trous débouchant dans ladite cavité, caractérisé en ce qu'une seconde chemise (44, 46) en matériau possédant un coefficient de dilatation différent de celui de ladite première chemise est engagée à l'intérieur de chaque première chemise et conformée pour que sa paroi extérieure soit sensiblement au contact de la paroi intérieure de ladite première chemise et en ce que cette seconde chemise est percée d'une pluralité de trous sensiblement en correspondance de ceux de ladite première chemise, une extrémité (48a, 48b) de ladite seconde chemise étant fixée audit fond (38a, 38b) de ladite première chemise.
2. Distributeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trous (37) pratiqués dans chaque première chemise et ceux (47) pratiqués dans la seconde chemise correspondante sont en correspondance maximum pour une température de fonctionnement nominale correspondant à des phases chaudes de fonctionnement du turboréacteur.
3. Distributeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque pale (13) comporte une première chemise (34) de cavité de bord d'attaque débouchant à l'extérieur de la veine au travers d'une plateforme (18) et une première chemise (36) de cavité de bord de fuite débouchant à l'extérieur de la veine au travers de l'autre plateforme (14) et en ce que chaque première cavité de bord d'attaque et de bord de fuite abrite une seconde chemise (44, 46) précitée correspondante.
4. Distributeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites premières chemises (34, 36) sont en métal et lesdites secondes chemises (44, 46) en matériau composite à faible coefficient de dilatation.
5. Distributeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites secondes chemises sont en céramique,
6. Distributeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque première chemise (34, 36) et la seconde chemise (44, 46) qu'elle contient sont apairées.
7. Distributeur selon l'ensemble des revendications 2 et 6, caractérisé en ce que ces chemises apairées ont été percées ensemble dans une enceinte portée à une température nominale précitée.
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