WO2024256773A1 - Distributeur d'air de ventilation pour une turbine de turbomachine d'aeronef - Google Patents

Distributeur d'air de ventilation pour une turbine de turbomachine d'aeronef Download PDF

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WO2024256773A1
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air
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Clément Raphaël LAROCHE
Arnaud DOUBLIER
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Safran Aircraft Engines SAS
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    • F01D5/02Blade-carrying members, e.g. rotors
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    • F01D5/081Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades
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    • F01D9/06Fluid supply conduits to nozzles or the like
    • F01D9/065Fluid supply or removal conduits traversing the working fluid flow, e.g. for lubrication-, cooling-, or sealing fluids
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02CGAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/12Cooling of plants
    • F02C7/16Cooling of plants characterised by cooling medium
    • F02C7/18Cooling of plants characterised by cooling medium the medium being gaseous, e.g. air
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2210/00Working fluids
    • F05D2210/40Flow geometry or direction
    • F05D2210/42Axial inlet and radial outlet

Definitions

  • the present invention relates to a ventilation air distributor for an aircraft turbomachine turbine, as well as to an aircraft turbine and turbomachine comprising such a distributor.
  • the technical background includes in particular documents US-A1 - 2015/047359, US-A1 -2015/285147, US-B2-10,655,475, US-A1 -
  • An aircraft turbomachine generally comprises at least one compressor, an annular combustion chamber and at least one turbine.
  • the air entering the compressor is compressed and then mixed with fuel and burned in the combustion chamber.
  • the combustion gases are then expanded in the turbine, which drives the turbine rotor which in turn drives the compressor rotor.
  • turbomachine technologies such as turboprops or turbojets, which include for example a propulsion propeller located upstream of the turbomachine and which is also driven by the turbine rotor, this propeller being able to be shrouded or unshrouded.
  • turbomachine there are also several configurations of turbomachine, such as single-spool or multi-spool.
  • the turbomachine comprises a low-pressure spool and a high-pressure spool.
  • the low-pressure spool comprises a low-pressure compressor rotor connected by a low-pressure shaft to a low-pressure turbine rotor. pressure.
  • the high-pressure body comprises a high-pressure compressor rotor connected by a high-pressure shaft to a high-pressure turbine rotor.
  • the twin-body turbomachine then comprises a low-pressure compressor, a high-pressure compressor, the combustion chamber, a high-pressure turbine and a low-pressure turbine.
  • a turbomachine compressor comprises one or more compression stages which extend around and along a common axis, and which each comprise a rotor wheel and a stator blade (also called a rectifier blade).
  • a turbomachine turbine comprises one or more expansion stages which extend around and along the same axis, and which each comprise a rotor wheel and a stator blade (also called a distributor blade).
  • a turbomachine turbine is crossed by combustion gases and is exposed during operation to relatively high temperatures which have an impact on the behavior of the parts and their assembly. Optimal cooling of the turbine is therefore an important issue to guarantee an optimal service life of the turbine and the turbomachine.
  • the rotor wheels each comprise an annular disk carrying blades on its periphery.
  • the disk of each of the rotor wheels comprises an annular flange which is fixed to an annular flange of the disk of an adjacent rotor wheel, for example by screw-nut type means.
  • the flanges of the disks of two adjacent rotor wheels define with these disks annular pockets in which high temperatures prevail during operation which can be critical for the surrounding parts.
  • the invention provides a solution to this problem, which is simple, effective and economical.
  • the invention relates to a ventilation air distributor for an aircraft turbomachine turbine, this distributor comprising:
  • the distributor is particularly suitable for its integration into a turbomachine turbine.
  • the collector can be fixed to a stator of the turbine.
  • the air outlets are intended to be oriented towards fixing flanges of the rotor wheels of this turbine so that air collected by the collector can be conveyed by the ducts to the air outlets and be projected or injected at the flanges.
  • the rotor wheels are mobile in rotation around the axis of the distributor and will drive in rotation the air supplied by the distributor, and in particular by the air outlets of the ducts, which will make it possible to distribute this air in particular in the aforementioned pockets to reduce their temperature.
  • the driving of the rotating air can be facilitated by the screws or bolts fixing the flanges together.
  • the invention thus allows the bursting of the air flows at the level of the fixing flanges to create dynamic cold air movements making it possible to circulate the flows and cool the pockets.
  • the dispenser according to the invention may comprise one or more of the following features, taken in isolation from one another, or in combination with one another:
  • each of the conduits comprises first and second sections, the first section of each conduit extending along the axis from the collector to the second section which is bent;
  • conduits share the same first section and have second sections independent of each other; - the conduits are connected to one another or to each other, or even also to said collector, by at least one veil of material which extends in a plane passing through said axis;
  • said at least one veil of material is perforated, which helps to promote the flow of air in the enclosure;
  • the collector has a general C-shape in axial section and comprises an annular opening which is oriented axially on the side opposite to said at least one axial extension;
  • the collector comprises an internal annular fixing flange and/or an external annular fixing flange;
  • At least some of the air outlets are located at different radial distances from said axis, and in particular at radial distances which increase as one moves away from said collector;
  • each of the air outlets has a circular shape or an elongated shape along a circumference centered on the axis;
  • At least one of said air outlets is equipped with one or more air projection nozzles
  • said at least one axial extension is fluidically connected to said collector by an axially passing through orifice formed in the collector;
  • the distributor comprises two or more axial extensions distributed around said axis;
  • the distributor comprises two or more axial extensions distributed around said axis;
  • said at least one axial extension is non-annular.
  • the present invention also relates to a turbine for an aircraft turbomachine, comprising several expansion stages which extend around and along the same axis, and which each comprise a rotor wheel and stator blading, the rotor wheels each comprising an annular disk carrying blades at its periphery, the disk of each of the rotor wheels comprising an annular flange which is fixed to an annular flange of the disk of an adjacent rotor wheel, the flanges of the disks of two adjacent rotor wheels being located between the disks of these wheels and having a minimum internal diameter which is greater than the minimum internal diameters of these disks, the turbine further comprising a distributor as described above which is fixed to a stator of the turbine, this distributor having its axis which is merged with the axis of the turbine and having its collector which is located upstream of the expansion stages with reference to the flow of air in the distributor from the collector to the ducts, the air outlets of the distributor being located in connecting planes of said flanges which are perpen
  • the number of ducts and air outlets is n, and the number of stages or rotor wheels of the turbine is n+1.
  • the air outlets are located at radial distances from said axis which increase as one moves away from said collector, and the disks of the rotor wheels have internal radii which increase as one moves away from said collector and which are respectively less than the aforementioned distances of the air outlets arranged directly downstream of these wheels with reference to the flow of air in the distributor from the collector to the ducts.
  • the distributor may be mounted in an annular space located radially between the rotor wheels and a journal coupling these wheels to a turbine shaft.
  • the invention further relates to a turbomachine, in particular for an aircraft, comprising at least one distributor as defined above or at least one turbine as defined above.
  • FIG.1 Figure 1 is a semi-schematic view in axial section of an aircraft turbomachine turbine
  • Figure 2 is a half-schematic view in axial section of an aircraft turbomachine turbine, this turbine being equipped with a ventilation air distributor according to one embodiment of the invention
  • Figure 3 is a schematic perspective view of an axial extension of a ventilation air distributor according to the invention
  • Figure 4 is a schematic perspective view of an annular collector of a ventilation air distributor according to the invention.
  • Figure 5 is a schematic perspective view of an axial extension of a ventilation air distributor according to an alternative embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows a turbine 10 of an aircraft turbomachine, for example of the double-spool type.
  • the turbine 10 may be a low-pressure turbine for example.
  • the turbine 10 comprises several expansion stages, four in number in the example shown.
  • the expansion stages extend around and along the same axis X.
  • Each of the stages comprises a rotor wheel 12 and a stator blade 14 (also called a distributor blade or turbine distributor).
  • the stator blade 14 is located downstream of the rotor wheel 12 with reference to the flow of gases in the turbine, but the reverse is possible.
  • the stator blades 14 are carried by an annular casing 16 which extends around the axis X and all the stages. Each of the stator blades 14 comprises an annular row of blades 18 which extend radially between an inner annular platform 20 and an outer annular platform 22. Each of the stator blades 14 is sectorized, which means that the inner and outer platforms 20, 22 are themselves sectorized.
  • the outer platform 22 comprises hooks 23 for fixing the blade 14 to the casing 16.
  • the inner platform 20 carries an annular cartridge 24 made of abradable material.
  • the rotor wheels 12 are fixed to each other by clamping and form a single-piece assembly fixed by a journal 26 or the like to a turbine shaft (not shown).
  • the rotor wheels 12 each comprise an annular disk 28 carrying blades 30 at its periphery.
  • the disk 28 of each of the rotor wheels 12 comprises an annular flange 32, 34 which is fixed to an annular flange of the disk 28 of an adjacent rotor wheel 12.
  • the disk 28 of the most upstream rotor wheel 12 has a single downstream flange 32 for attachment to the disk 28 of the rotor wheel 12 located just downstream.
  • the disks 28 of the other rotor wheels 12 each have an upstream flange 34 and a downstream flange 32 for respective attachment to the disk 28 of the rotor wheel 12 located just upstream, and to the disk of the rotor wheel 12 located just downstream, with the exception of the disk 28 of the most downstream rotor wheel 12 which has its downstream flange 32 which is attached to the aforementioned journal 26.
  • the flanges 32, 34 of the disks 28 of two adjacent rotor wheels 12 are located between the disks 28 of these wheels and have a minimum internal diameter denoted D1 between the first and second stages, D1 ’ between the second and third stages, and D1 ” between the third and fourth stages.
  • D2, D3, D4, D5 the minimum internal diameters of the rotor wheels 12, and in particular of their disks 28, of the expansion stages from upstream to downstream.
  • D1 is greater than D2 and D3, that D1’ is greater than D3 and D4, and that D1” is greater than D4 and D5.
  • the flanges 32, 34 of the discs 28 of two adjacent rotor wheels 12 located between the discs 28 of these wheels 12 thus have a minimum internal diameter D1-D1” which is greater than the minimum internal diameters D2-D5 of these discs.
  • the radii corresponding to the diameters D1-D1” and D2-D5 are respectively denoted D1/2, D172, D1 2, D2/2, D3/2, D4/2 and D5/2.
  • flanges 36 of annular plates 38 are interposed between the flanges 32, 34 of the disks 28. These plates 38 carry annular wipers 40 which extend radially outwards and cooperate with the aforementioned cartridges 24.
  • Reference 41 designates annular pockets of hot air which are located between the flanges 32, 34 and the discs 28 in operation and which are likely to reach significant and excessive temperatures for the surrounding parts in operation.
  • U defines connecting planes of the flanges 32, 34, which are perpendicular to the axis X and which pass between the flanges 32, 34 and for example at the level of the flanges 36 of the plates 38.
  • U1 is the connecting plane of the flanges 32, 34 between the disks 28 of the first and second stages
  • U2 is the connecting plane of the flanges 32, 34 between the disks 28 of the second and third stages
  • U3 is the connecting plane of the flanges 32, 34 between the disks 28 of the third and fourth stages.
  • the turbine 10 may comprise upstream an annular stator 42 centered on the axis X.
  • the stator 42 has its external periphery which is connected to the internal periphery of another turbine distributor 44 located upstream of the expansion stages and which may be part for example of a high-pressure turbine.
  • the internal periphery of the stator 42 is connected to an annular cartridge 46 of abradable material which surrounds the licks 48 of another flange 49 integral in rotation with the journal 26.
  • FIGS 2 to 4 illustrate an embodiment of a ventilation air distributor 50.
  • this distributor 50 comprises two parts, namely an annular collector 52 and at least one axial extension 54.
  • the distributor 50 is mounted in the annular space located radially between the rotor wheels 12 and the journal 26.
  • Figure 2 shows the turbine 10 of Figure 1 equipped with the distributor 50, and Figures 3 and 4 show respectively the axial extension 54 and the collector 52 of this distributor 50.
  • the collector 52 has an annular shape around an axis which is the X axis when the distributor 50 is mounted in the turbine 10.
  • the distributor 50 is intended to be fixed to a stator of the turbine 10, preferably via its collector 52.
  • the distributor 50 is preferably fixed to the stator by a flexible connection, in order to allow differential expansions of the parts in operation. This flexibility can be provided by the geometry of the collector. Its curved shape can allow it to deform without breaking within the limits of the characteristics of the elastic resistance of its material.
  • the collector 52 has an air collection function but also a function of supplying air to the axial extension 54 which is fluidically connected to the collector 52.
  • the collector 52 has a general C-shaped axial section and comprises an annular opening 56 which is oriented axially on the side opposite the axial extension 54 or the axial extensions.
  • the opening 56 is intended to be oriented upstream to collect the air upstream, and the or each axial extension 54 is intended to be oriented downstream to distribute this air downstream.
  • the collector 52 is fixed to the stator 42.
  • the collector 52 may comprise one or more annular fixing flanges.
  • it comprises an internal annular fixing flange 58, in particular to the element carrying the abradable cartridge 46 of FIG. 1, and an external annular fixing flange 60 to the distributor 44 or to an intermediate annular part located between the collector 52 and this distributor 44.
  • the flanges 58, 60 may be continuous over 360° or include radial notches, or be scalloped, as illustrated in FIG. 4. These flanges 58, 60 include axial orifices for the passage of fixing means of the screw or bolt type for example.
  • the collector 52 can be sectorized or formed from a single piece.
  • the manifold 52 may include at least one axially oriented port 62 for fluid connection to the or each axial extension 54.
  • the port 62 may be formed in a sector of the manifold 52 that is integral or integrally formed with one or more axial extensions 54, as shown in FIG. 3.
  • the axial extension 54 extends from the collector 52 along the X axis.
  • the axial extension 54 comprises at least two conduits 64 fluidly connected to the collector 52 and each comprising an air outlet 66 which is oriented radially outwards.
  • the axial extension 54 comprises three ducts 64.
  • N the number of stages of the turbine 10
  • the number of ducts 64 of the distributor 50 is N-1.
  • the number of ducts 64 and air outlets 66 is n
  • the number of stages or rotor wheels 12 of the turbine 10 is n+1.
  • the air outlets 66 of the ducts 64 are axially spaced from one another or from one another as well as from the collector 52, that is to say that the air outlets 66 are distributed regularly or not along the axis X.
  • the distributor 50 thus has a general shape of a comb with several branches.
  • Each of the conduits 64 comprises first and second sections 64a, 64b.
  • the first section 64a of each conduit 64 extends along the axis X from the collector 52 to the second section 64b which is bent.
  • the conduits 64 can share the same first section 64a and have second sections 64b independent of each other.
  • the conduits 64 can be connected to each other, or even to the collector 52, by at least one material veil 68 which extends in a plane P1 passing through the X axis.
  • the or each sail 68 may have a function of stiffening the axial extension 54 and the collector 52.
  • the ducts 54 may have different internal sections to adapt to potential aerodynamic load losses.
  • a first web 68a extends in the plane P1 between the collector 52 and a first conduit 64 whose outlet 66 is located furthest upstream
  • a second web 68b extends in the plane P1 between the first conduit 64 and the second conduit 64 whose outlet 66 is located just downstream of that of the first conduit 64
  • a third web 68c extends in the plane P1 between the second conduit 64 and the third conduit 64 whose outlet 66 is located furthest downstream.
  • the or each material veil 68 may be perforated, as is the case in the example shown.
  • the openings 70 make it possible to reduce the mass of the axial extension 54 and therefore of the distributor 50. They also make it possible to allow the rotating air to pass (the air pulsed on the flange will be driven by the rotation of the rotor and non-aerodynamic elements such as the screws). It is indeed preferable to let this rotating air circulate so as not to create heating.
  • outlets 66 are located at radial distances H1, H2, H3 different from the axis X.
  • the radial distances H1-H3 increase as one moves away from the collector 52, that is to say that the distance H1 for the most upstream air outlet 66 is less than the distance for the intermediate air outlet 66 which is itself less than the distance for the most downstream air outlet 66.
  • - H1 can be less than or equal to D3/2;
  • - H2 can be less than or equal to D4; - H3 can be greater than D5.
  • Each of the air outlets 66 may have a circular shape or an elongated shape along a circumference centered on the X axis.
  • the elongated shape may be obtained by pinching this outlet 66 or the end of the duct 64 comprising the outlet 66, and may allow the air at the outlet of the duct 64 to be better distributed.
  • outlets 68 are respectively located in (or crossed by) the aforementioned planes U1 to U3, respectively. This means that the outlets 68 are oriented so that the air leaving the ducts 64 is projected onto the flanges 32, 34.
  • the distributor 50 would comprise two or more axial extensions 54, these extensions would be distributed, regularly or not, around the axis X.
  • Figure 5 shows an alternative embodiment of the distributor 50, one or more of its air outlets 66 of which is equipped with one or more air projection nozzles 72.
  • one of the outlets 68 is equipped with an element 74 comprising three air projection nozzles 72 in different directions.
  • the element 74 is directly fitted by male-female fitting into the outlet 66 of the conduit 64. In another embodiment, the connection could be threaded.
  • air is collected by the distributor 50 at the collector 52 and is conveyed by the conduits 64 to their outlets 68.
  • the air can be compressed in the sections 64a and expanded in the sections 64b.
  • the air is then expelled at the flanges 32, 34 and is rotated by the fixing screws or bolts of these flanges. This thus creates a cooling zone between 10° and 20° angular rather than a spot cooling. This propagation makes the cooling more efficient.
  • the distributor 50 is fixed and the flanges 32, 34 with the rotor of the turbine 10 are movable.
  • the air is rotated around the X axis and ventilates the aforementioned air pockets 41 of the turbine 10, thus preventing an excessive increase in temperature in this area.
  • the most downstream rotor wheel 14 or the disk 28 of the most downstream wheel 14 is positioned flat so that its X axis is oriented vertically
  • the distributor 50 is prepositioned axially above this wheel 14 or this disk, in its desired final position, and held in place by a frame for example,
  • the distributor 50 can be moved in rotation around the X axis so as not to hinder the passage and manipulation of the tool to carry out this clamping, then is repositioned in its desired final position.

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Abstract

Distributeur (50) d'air de ventilation pour une turbine (10) de turbomachine d'aéronef, ce distributeur (50) comportant : - un collecteur annulaire (52) d'air s'étendant autour d'un axe (X), et 5 - au moins une extension axiale (54) s'étendant depuis le collecteur (52) le long dudit axe (X), cette extension axiale (54) comportant au moins deux conduits (64) raccordés fluidiquement au collecteur (52) et comportant chacun une sortie d'air (66) qui est orientée radialement vers l'extérieur, les sorties d'air (66) des conduits (64) étant à distance axiale l'une de l'autre ou 10 les unes des autres ainsi que du collecteur (52).

Description

DESCRIPTION
TITRE : DISTRIBUTEUR D’AIR DE VENTILATION POUR UNE TURBINE DE TURBOMACHINE D’AERONEF
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne un distributeur d’air de ventilation pour une turbine de turbomachine d’aéronef, ainsi qu’une turbine et une turbomachine d’aéronef comportant un tel distributeur.
Arrière-plan technique
L’arrière-plan technique comprend notamment les documents US-A1 - 2015/047359, US-A1 -2015/285147, US-B2-10,655,475, US-A1 -
2018/187550 et US-A-5,497,613.
Une turbomachine d’aéronef comprend en général au moins un compresseur, une chambre annulaire de combustion et au moins une turbine. L’air qui pénètre dans le compresseur est comprimé puis mélangé à du carburant et brûlé dans la chambre de combustion. Les gaz de combustion sont ensuite détendus dans la turbine, ce qui permet d’entraîner en rotation le rotor de la turbine qui entraîne à son tour le rotor du compresseur.
Il existe plusieurs technologies de turbomachine, telles que des turbopropulseurs ou turboréacteurs, qui comportent par exemple une hélice de propulsion située à l’amont de la turbomachine et qui est également entraînée par le rotor de la turbine, cette hélice pouvant être carénée ou non carénée.
Il existe aussi plusieurs configurations de turbomachine, telles qu’à un ou plusieurs corps. Dans une turbomachine à double corps par exemple, la turbomachine comprend un corps basse pression et un corps haute pression. Le corps basse pression comprend un rotor de compresseur basse pression relié par un arbre basse pression à un rotor de turbine basse pression. Le corps haute pression comprend un rotor de compresseur haute pression relié par un arbre haute pression à un rotor de turbine haute pression. Dans le sens d’écoulement des gaz dans la turbomachine, de l’amont vers l’aval, la turbomachine à double corps comprend alors un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, la chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression.
Un compresseur de turbomachine comprend un ou plusieurs étages de compression qui s’étendent autour et le long d’un même axe, et qui comportent chacun une roue de rotor et un aubage de stator (aussi appelé aubage de redresseur).
De la même façon, une turbine de turbomachine comprend un ou plusieurs étages de détente qui s’étendent autour et le long d’un même axe, et qui comportent chacun une roue de rotor et un aubage de stator (aussi appelé aubage de distributeur).
Une turbine de turbomachine est traversée par les gaz de combustion et est exposée en fonctionnement à des températures relativement importantes qui ont un impact sur le comportement des pièces et de leur assemblage. Un refroidissement optimal de la turbine est donc un enjeu important pour garantir une durée de vie optimale de la turbine et de la turbomachine.
Dans une turbine, les roues de rotor comportent chacune un disque annulaire portant à sa périphérie des aubes. Le disque de chacune des roues de rotor comporte une bride annulaire qui est fixée à une bride annulaire du disque d’une roue de rotor adjacente par exemple par des moyens du type vis- écrou. Les brides des disques de deux roues de rotor adjacentes définissent avec ces disques des poches annulaires dans lesquelles régnent en fonctionnement des températures importantes qui peuvent être critiques pour les pièces environnantes.
L’invention propose une solution à ce problème, qui est simple, efficace et économique.
Résumé de l'invention L’invention concerne un distributeur d’air de ventilation pour une turbine de turbomachine d’aéronef, ce distributeur comportant :
- un collecteur annulaire d’air s’étendant autour d’un axe, et
- au moins une extension axiale s’étendant depuis le collecteur le long dudit axe, cette extension axiale comportant au moins deux conduits raccordés fluidiquement au collecteur et comportant chacun une sortie d’air qui est orientée radialement vers l’extérieur, les sorties d’air des conduits étant à distance axiale l’une de l’autre ou les unes des autres ainsi que du collecteur. Le distributeur est particulièrement adapté pour son intégration dans une turbine de turbomachine. Le collecteur peut être fixé à un stator de la turbine. Les sorties d’air sont destinées à être orientées vers des brides de fixation des roues de rotor de cette turbine de façon à ce que de l’air collecté par le collecteur puisse être acheminé par les conduits jusqu’aux sorties d’air et être projeté ou injecté au niveau des brides. Les roues de rotor sont mobiles en rotation autour de l’axe du distributeur et vont entrainer en rotation l’air apporté par le distributeur, et en particulier par les sorties d’air des conduits, ce qui va permettre de répartir cet air en particulier dans les poches précitées pour réduire leur température. L’entraînement de l’air en rotation peut être facilité par les vis ou boulons de fixation des brides entre elles. L’invention permet ainsi l’éclatement des flux d’air au niveau des brides de fixation pour créer des mouvements d’air froid dynamique permettant de faire circuler les flux et de refroidir les poches.
Le distributeur selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres, ou en combinaison les unes avec les autres :
- chacun des conduits comprend des premier et second tronçons, le premier tronçon de chaque conduit s’étendant le long de l’axe depuis le collecteur jusqu’au second tronçon qui est coudé ;
- les conduits partagent le même premier tronçon et ont des seconds tronçons indépendants les uns des autres ; - les conduits sont reliés l’un à l’autre ou les uns aux autres, voire également audit collecteur, par au moins un voile de matière qui s’étend dans un plan passant par ledit axe ;
- ledit au moins un voile de matière est ajouré, ce qui permet de favoriser l’écoulement d’air dans l’enceinte ;
- le collecteur a en section axiale une forme générale en C et comprend une ouverture annulaire qui est orientée axialement du côté opposé à ladite au moins une extension axiale ;
- le collecteur comprend une bride annulaire interne de fixation et/ou une bride annulaire externe de fixation ;
- au moins certaines des sorties d’air sont situées à des distances radiales différentes dudit axe, et en particulier à des distances radiales qui croissent à mesure que l’on s’éloigne dudit collecteur ;
- chacune des sorties d’air a une forme circulaire ou une forme allongée le long d’une circonférence centrée sur l’axe ;
- au moins une desdites sorties d’air est équipée d’une ou plusieurs buses de projection d’air ;
- ladite au moins une extension axiale est raccordée fluidiquement audit collecteur par un orifice traversant axialement et formé dans le collecteur ;
- le distributeur comprend deux ou plus extensions axiales réparties autour dudit axe ;
- le distributeur comprend deux ou plus extensions axiales réparties autour dudit axe ;
-- ladite au moins une extension axiale est non annulaire.
La présente invention concerne également un turbine pour une turbomachine d’aéronef, comprenant plusieurs étages de détente qui s’étendent autour et le long d’un même axe, et qui comportent chacun une roue de rotor et un aubage de stator, les roues de rotor comportant chacune un disque annulaire portant à sa périphérie des aubes, le disque de chacune des roues de rotor comportant une bride annulaire qui est fixée à une bride annulaire du disque d’une roue de rotor adjacente, les brides des disques de deux roues de rotor adjacentes étant situées entre les disques de ces roues et comportant un diamètre interne minimal qui est supérieur aux diamètres internes minimaux de ces disques, la turbine comportant en outre un distributeur tel que décrit ci-dessus qui est fixé à un stator de la turbine, ce distributeur ayant son axe qui est confondu avec l’axe de la turbine et ayant son collecteur qui est situé en amont des étages de détente par référence à l’écoulement de l’air dans le distributeur depuis le collecteur jusqu’aux conduits, les sorties d’air du distributeur étant situées dans des plans de liaison desdites brides qui sont perpendiculaires audit axe.
Avantageusement, le nombre de conduits et de sorties d’air est n, et le nombre d’étages ou de roues de rotor de la turbine est n+1 .
De préférence, les sorties d’air sont situées à des distances radiales dudit axe qui croissent à mesure que l’on s’éloigne dudit collecteur, et les disques des roues de rotor ont des rayons internes qui croissent à mesure que l’on s’éloigne dudit collecteur et qui sont respectivement inférieurs aux distances précitées des sorties d’air disposées directement en aval de ces roues par référence à l’écoulement de l’air dans le distributeur depuis le collecteur jusqu’aux conduits.
Le distributeur peut être monté dans un espace annulaire situé radialement entre les roues de rotor et un tourillon d’accouplement de ces roues à un arbre de la turbine.
L’invention concerne en outre une turbomachine, en particulier d’aéronef, comportant au moins un distributeur tel que défini ci-dessus ou au moins une turbine telle que définie ci-dessus.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d’un mode de réalisation non limitatif de l’invention en référence aux dessins annexés sur lesquels :
[Fig.1 ] la figure 1 est une vue demi schématique en coupe axiale d’une turbine de turbomachine d’aéronef, [Fig.2] la figure 2 est une vue demi schématique en coupe axiale d’une turbine de turbomachine d’aéronef, cette turbine étant équipée d’un distributeur d’air de ventilation selon un mode de réalisation de l’invention, [Fig.3] la figure 3 est une vue schématique en perspective d’une extension axiale d’un distributeur d’air de ventilation selon l’invention,
[Fig.4] la figure 4 est une vue schématique en perspective d’un collecteur annulaire d’un distributeur d’air de ventilation selon l’invention, et
[Fig.5] la figure 5 est une vue schématique en perspective d’une extension axiale d’un distributeur d’air de ventilation selon une variante de réalisation de l’invention.
Description détaillée de l'invention
La figure 1 montre une turbine 10 d’une turbomachine d’aéronef, par exemple du type à double corps. La turbine 10 peut être une turbine basse pression par exemple.
La turbine 10 comprend plusieurs étages de détente, au nombre de quatre dans l’exemple représenté.
Les étages de détente s’étendent autour et le long d’un même axe X. Chacun des étages comporte une roue de rotor 12 et un aubage de stator 14 (aussi appelé aubage de distributeur ou distributeur de turbine). Dans l’exemple représenté, l’aubage de stator 14 est situé en aval de la roue de rotor 12 par référence à l’écoulement des gaz dans la turbine, mais l’inverse est envisageable.
Les aubages de stator 14 sont portés par un carter annulaire 16 qui s’étend autour de l’axe X et de tous les étages. Chacun des aubages de stator 14 comprend une rangée annulaire d’aubes 18 qui s’étendent radialement entre une plateforme annulaire interne 20 et une plateforme annulaire externe 22. Chacun des aubages de stator 14 est sectorisé, ce qui signifie que les plateformes interne et externe 20, 22 sont elles-mêmes sectorisées. La plateforme externe 22 comprend des crochets 23 de fixation de l’aubage 14 au carter 16. La plateforme interne 20 porte une cartouche annulaire 24 en matériau abradable. Les roues de rotor 12 sont fixées les unes aux autres par bridage et forment un ensemble monobloc fixé par un tourillon 26 ou analogue à un arbre de turbine (non représenté).
Les roues de rotor 12 comportent chacune un disque annulaire 28 portant à sa périphérie des aubes 30. Le disque 28 de chacune des roues de rotor 12 comporte une bride annulaire 32, 34 qui est fixée à une bride annulaire du disque 28 d’une roue de rotor 12 adjacente.
Le disque 28 de la roue de rotor 12 la plus amont comporte une seule bride aval 32 de fixation au disque 28 de la roue de rotor 12 située juste en aval. Les disques 28 des autres roues de rotor 12 comportent chacun une bride amont 34 et une bride aval 32 de fixation respective au disque 28 de la roue de rotor 12 située juste en amont, et au disque de la roue de rotor 12 située juste en aval, à l’exception du disque 28 de la roue de rotor 12 la plus aval qui a sa bride aval 32 qui est fixée au tourillon 26 précité.
Les brides 32, 34 des disques 28 de deux roues de rotor 12 adjacentes sont situées entre les disques 28 de ces roues et comportent un diamètre interne minimal noté D1 entre les premiers et second étages, D1 ’ entre les second et troisième étages, et D1 ” entre les troisième et quatrième étages.
Par ailleurs, on note respectivement D2, D3, D4, D5 les diamètres internes minimaux des roues de rotor 12, et en particulier de leurs disques 28, des étages de détente depuis l’amont jusqu’à l’aval.
On constate dans le dessin que les diamètres D2-D5 croissent de l’amont vers l’aval, c’est-à-dire que D2 < D3 < D4 < D5.
On constate également que les diamètres D1-D1’ croissent de l’amont vers l’aval, c’est-à-dire que D1 < D1 ’ < D1 ”.
On constate enfin que D1 est supérieur à D2 et D3, que D1’ est supérieur à D3 et D4, et que D1” est supérieur à D4 et D5.
Les brides 32, 34 des disques 28 de deux roues de rotor 12 adjacentes situées entre les disques 28 de ces roues 12 comportent ainsi un diamètre interne minimal D1-D1” qui est supérieur aux diamètres internes minimaux D2-D5 de ces disques. Les rayons correspondant aux diamètres D1 -D1 ” et D2-D5 sont respectivement notés D1/2, D172, D1 2, D2/2, D3/2, D4/2 et D5/2.
Dans l’exemple représenté, des brides 36 de flasques annulaires 38 sont intercalées entre les brides 32, 34 des disques 28. Ces flasques 38 portent des léchettes annulaires 40 qui s’étendent radialement vers l’extérieur et coopèrent avec les cartouches 24 précitées.
La référence 41 désigne des poches annulaires d’air chaud qui sont situées entre les brides 32, 34 et les disques 28 en fonctionnement et qui sont susceptibles d’atteindre des températures importantes et excessives pour les pièces environnantes en fonctionnement.
On définit par U des plans de liaison des brides 32, 34, qui sont perpendiculaires à l’axe X et qui passent entre les brides 32, 34 et par exemple au niveau des brides 36 des flasques 38. U1 est le plan de liaison des brides 32, 34 entre les disques 28 des premier et seconde étages, U2 est le plan de liaison des brides 32, 34 entre les disques 28 des second et troisième étages, et U3 est le plan de liaison des brides 32, 34 entre les disques 28 des troisième et quatrième étages.
La turbine 10 peut comprendre à l’amont un stator annulaire 42 centré sur l’axe X. Dans l’exemple représenté, le stator 42 a sa périphérie externe qui est reliée à la périphérie interne d’un autre distributeur de turbine 44 situé en amont des étages de détente et qui peut faire partie par exemple d’une turbine haute pression. La périphérie interne du stator 42 est reliée à une cartouche annulaire 46 d’abradable qui entoure des léchettes 48 d’un autre flasque 49 solidaire en rotation du tourillon 26.
Les figures 2 à 4 illustrent un mode de réalisation d’un distributeur 50 d’air de ventilation. Pour l’essentiel, ce distributeur 50 comprend deux parties à savoir un collecteur annulaire 52 et au moins une extension axiale 54.
Dans l’exemple représenté, le distributeur 50 est monté dans l’espace annulaire situé radialement entre les roues de rotor 12 et le tourillon 26. La figure 2 montre la turbine 10 de la figure 1 équipée du distributeur 50, et les figures 3 et 4 montrent respectivement l’extension axiale 54 et le collecteur 52 de ce distributeur 50.
Le collecteur 52 a une forme annulaire autour d’un axe qui est l’axe X lorsque le distributeur 50 est monté dans la turbine 10.
Le distributeur 50 est destiné à être fixé à un stator de la turbine 10, de préférence par l’intermédiaire de son collecteur 52. Le distributeur 50 est de préférence fixé au stator par une liaison souple, afin d’autoriser des dilatations différentielles des pièces en fonctionnement. Cette souplesse peut être conférée par la géométrie du collecteur. Sa forme incurvée peut lui permettre de se déformer sans se briser dans les limites des caractéristiques de la résistance élastique de son matériau.
Par définition, le collecteur 52 a une fonction de collecte d’air mais aussi une fonction d’alimentation en air de l’extension axiale 54 qui est raccordée fluidiquement au collecteur 52.
Dans l’exemple représenté, le collecteur 52 a en section axiale une forme générale en C et comprend une ouverture annulaire 56 qui est orientée axialement du côté opposé à l’extension axiale 54 ou aux extensions axiales. L’ouverture 56 est destinée à être orientée vers l’amont pour collecter l’air en amont, et la ou chaque extension axiale 54 est destinée à être orientée vers l’aval pour distribuer cet air en aval.
Dans l’exemple représenté, le collecteur 52 est fixé au stator 42. Le collecteur 52 peut comprendre une ou plusieurs brides annulaires de fixation. Dans l’exemple représenté, il comprend une bride annulaire interne de fixation 58, en particulier à l’élément portant la cartouche abradable 46 de la figure 1 , et une bride annulaire externe de fixation 60 au distributeur 44 ou à une pièce annulaire intermédiaire située entre le collecteur 52 et ce distributeur 44.
Les brides 58, 60 peuvent être continues sur 360° ou comprendre des encoches radiales, ou bien être festonnées, comme illustré à la figure 4. Ces brides 58, 60 comprennent des orifices axiaux de passage de moyens de fixation du type vis ou boulons par exemple.
Le collecteur 52 peut être sectorisé ou formé d’une seule pièce.
Le collecteur 52 peut comprendre au moins un orifice 62 orienté axialement pour le raccordement fluidique à l’extension axiale 54 ou à chaque extension axiale 54. L’orifice 62 peut être formé dans un secteur du collecteur 52 qui est solidaire ou formé d’une seule pièce avec une extension axiale 54 ou l’extension axiale 54, comme cela est représenté à la figure 3.
La description qui suit concerne une extension axiale 54 mais s’applique à chaque extension axiale du distributeur 50 dans le cas où ce dernier en comprendrait plusieurs.
L’extension axiale 54 s’étend depuis le collecteur 52 le long de l’axe X.
L’extension axiale 54 comporte au moins deux conduits 64 raccordés fluidiquement au collecteur 52 et comportant chacun une sortie d’air 66 qui est orientée radialement vers l’extérieur.
Dans l’exemple représenté, l’extension axiale 54 comprend trois conduits 64. Dans le cas où le nombre d’étages de la turbine 10 est noté N, on comprend que le nombre de conduits 64 du distributeur 50 est N-1. Dit autrement, le nombre de conduits 64 et de sorties d’air 66 est n, et le nombre de d’étages ou de roues de rotor 12 de la turbine 10 est n+1 .
Les sorties d’air 66 des conduits 64 sont à distance axiale l’une de l’autre ou les unes des autres ainsi que du collecteur 52, c’est-à-dire que les sorties d’air 66 sont réparties régulièrement ou non le long de l’axe X.
Le distributeur 50 a ainsi une forme générale de peigne à plusieurs branches. Chacun des conduits 64 comprend des premier et second tronçons 64a, 64b. Le premier tronçon 64a de chaque conduit 64 s’étend le long de l’axe X depuis le collecteur 52 jusqu’au second tronçon 64b qui est coudé.
Les conduits 64 peuvent partager le même premier tronçon 64a et ont des seconds tronçons 64b indépendants les uns des autres.
Les conduits 64 peuvent être reliés les uns aux autres, voire également au collecteur 52, par au moins un voile de matière 68 qui s’étend dans un plan P1 passant par l’axe X. Le ou chaque voile 68 peut avoir une fonction de rigidification de l’extension axiale 54 et du collecteur 52. Les conduits 54 peuvent avoir des sections internes différentes pour s’adapter aux pertes de charges aérodynamiques potentielles.
Dans l’exemple représenté, un premier voile 68a s’étend dans le plan P1 entre le collecteur 52 et un premier conduit 64 dont la sortie 66 est située la plus en amont, un second voile 68b s’étend dans le plan P1 entre le premier conduit 64 et le second conduit 64 dont la sortie 66 est située juste en aval de celle du premier conduit 64, et un troisième voile 68c s’étend dans le plan P1 entre le second conduit 64 et le troisième conduit 64 dont la sortie 66 est située la plus en aval.
Le ou chaque voile de matière 68 peut être ajouré, comme c’est le cas dans l’exemple représenté. Les ajours 70 permettent de réduire la masse de l’extension axiale 54 et donc du distributeur 50. Ils permettent également de laisser passer l’air en giration (l’air pulsé sur la bride sera entrainé par la rotation du rotor et des éléments non aérodynamiques telles que les vis). Il est en effet préférable de laisser cet air tournant circuler pour ne pas créer d’échauffement.
Comme on le voit dans les dessins, au moins certaines des sorties 66, et de préférence toutes les sorties 66, sont situées à des distances radiales H1 , H2, H3 différentes de l’axe X. Avantageusement, les distances radiales H1- H3 croissent à mesure que l’on s’éloigne du collecteur 52, c’est-à-dire que la distance H1 pour la sortie d’air 66 la plus amont est inférieure à la distance pour la sortie d’air 66 intermédiaire qui est elle-même inférieure à la distance pour la sortie d’air 66 la plus aval. Ainsi, H1 < H2 < H3.
On constate dans les figures 1 et 2 que :
- H1 < D1/2 ; H2 < D172 ; H3 < D1 2 ;
- H1 > D2/2 ; H2 < D3/2 ; H3 < D4/2 ;
- H1 peut être inférieure ou égale à D3/2 ;
- H2 peut être inférieure ou égale à D4 ; - H3 peut être supérieure à D5.
Ces dimensionnements sont particulièrement avantageux pour optimiser la ventilation sans impacter l’assemblage du rotor de la turbine 10, c’est-à-dire la fixation et le bridage des roues de rotor 12, comme cela sera décrit dans ce qui suit.
Chacune des sorties d’air 66 peut avoir une forme circulaire ou une forme allongée le long d’une circonférence centrée sur l’axe X. La forme allongée peut être obtenue par pincement de cette sortie 66 ou de l’extrémité du conduit 64 comportant la sortie 66, et peut permettre de mieux répartir l’air en sortie du conduit 64.
On constate aussi dans les dessins que les sorties 68 sont respectivement situées dans (ou traversées par) les plans U1 à U3 précités, respectivement. Cela signifie que les sorties 68 sont orientées de façon à ce que l’air sortant des conduits 64 soit projeté sur les brides 32, 34.
Dans le cas où le distributeur 50 comprendrait deux ou plus extensions axiales 54, ces extensions seraient réparties, régulièrement ou non, autour de l’axe X.
La figure 5 montre une variante de réalisation du distributeur 50 dont une ou plusieurs de ses sorties d’air 66 est équipée d’une ou plusieurs buses 72 de projection d’air. Dans l’exemple représenté, une des sorties 68 est équipée d’un élément 74 comportant trois buses 72 de projection d’air dans des directions différentes. L’élément 74 est directement emboîté par emmanchement mâle-femelle dans la sortie 66 du conduit 64. Dans un autre mode de réalisation, le raccordement pourrait être fileté.
En fonctionnement, de l’air est collecté par le distributeur 50 au niveau du collecteur 52 et est acheminé par les conduits 64 jusqu’à leurs sorties 68. L’air peut être comprimé dans les tronçons 64a et détendu dans les tronçons 64b. L’air est alors expulsé au niveau des brides 32, 34 et est entraîné en rotation par les vis ou boulons de fixation de ces brides. Cela crée ainsi une zone de refroidissement entre 10° et 20° angulaire plutôt qu’un refroidissement ponctuel. Cette propagation rend le refroidissement plus efficace. Le distributeur 50 est fixe et les brides 32, 34 avec le rotor de la turbine 10 sont mobiles. L’air est entrainé en rotation autour de l’axe X et ventile les poches d’air 41 précitées de la turbine 10, empêchant ainsi une augmentation excessive de la température dans cette zone.
Lors de l’assemblage du rotor de la turbine 10, les étapes suivantes peuvent être successivement réalisées :
- la roue de rotor 14 la plus aval ou le disque 28 de la roue 14 la plus aval est positionné(e) à plat de sorte que son axe X soit orienté verticalement,
- le distributeur 50 est prépositionné axialement au-dessus de cette roue 14 ou de ce disque, dans sa position finale souhaitée, et maintenu en place par un bâti par exemple,
- les autres roues de rotor 14 ou les autres disques 28 sont empilé(e)s et fixé(e)s au niveau de leurs brides 32, 34, ce qui est permis grâce aux dimensionnements précités.
Lors de l’étape de bridage des disques 28, le distributeur 50 peut être déplacé en rotation autour de l’axe X pour ne pas gêner le passage et la manipulation de l’outil pour réaliser ce bridage, puis est repositionné dans sa position finale souhaitée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Distributeur (50) d’air de ventilation pour une turbine (10) de turbomachine d’aéronef, ce distributeur (50) comportant :
- un collecteur annulaire (52) d’air s’étendant autour d’un axe (X), et
- au moins une extension axiale (54) s’étendant depuis le collecteur (52) le long dudit axe (X), cette extension axiale (54) comportant au moins deux conduits (64) raccordés fluidiquement au collecteur (52) et comportant chacun une sortie d’air (66) qui est orientée radialement vers l’extérieur, les sorties d’air (66) des conduits (64) étant à distance axiale l’une de l’autre ou les unes des autres ainsi que du collecteur (52).
2. Distributeur (50) selon la revendication 1 , dans lequel chacun des conduits (64) comprend des premier et second tronçons (64a, 64b), le premier tronçon (64a) de chaque conduit (64) s’étendant le long de l’axe (X) depuis le collecteur (52) jusqu’au second tronçon (64b) qui est coudé.
3. Distributeur (50) selon la revendication 2, dans lequel les conduits (64) partagent le même premier tronçon (64a) et ont des seconds tronçons (64b) indépendants les uns des autres.
4. Distributeur (50) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les conduits (64) sont reliés l’un à l’autre ou les uns aux autres, voire également audit collecteur (62), par au moins un voile de matière (68) qui s’étend dans un plan (P1 ) passant par ledit axe (X).
5. Distributeur (50) selon la revendication 4, dans lequel ledit au moins un voile de matière (68) est ajouré.
6. Distributeur (50) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le collecteur (62) a en section axiale une forme générale en C et comprend une ouverture annulaire (56) qui est orientée axialement du côté opposé à ladite au moins une extension axiale (54).
7. Distributeur (50) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le collecteur (52) comprend une bride annulaire interne de fixation (58) et/ou une bride annulaire externe de fixation (60).
8. Distributeur (50) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins certaines des sorties d’air (66) sont situées à des distances radiales (H1 , H2, H3) différentes dudit axe (X), et en particulier à des distances radiales (H1 , H2, H3) qui croissent à mesure que l’on s’éloigne dudit collecteur (52).
9. Distributeur (50) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chacune des sorties d’air (66) a une forme circulaire ou une forme allongée le long d’une circonférence centrée sur l’axe (X).
10. Distributeur (50) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins une desdites sorties d’air (66) est équipée d’une ou plusieurs buses (72) de projection d’air.
11. Distributeur (50) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une extension axiale (54) est raccordée fluidiquement audit collecteur (52) par un orifice (62) traversant axialement et formé dans le collecteur (52).
12. Distributeur (50) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel il comprend deux ou plus extensions axiales (54) réparties autour dudit axe (X).
13. Turbine (10) pour une turbomachine d’aéronef, comprenant plusieurs étages de détente qui s’étendent autour et le long d’un même axe (X), et qui comportent chacun une roue de rotor (12) et un aubage de stator (14), les roues de rotor (12) comportant chacune un disque annulaire (28) portant à sa périphérie des aubes (30), le disque (28) de chacune des roues de rotor (12) comportant une bride annulaire (32) qui est fixée à une bride annulaire (34) du disque (28) d’une roue de rotor (12) adjacente, les brides (32, 34) des disques (28) de deux roues de rotor (12) adjacentes étant situées entre les disques (28) de ces roues (12) et comportant un diamètre interne minimal (D1 , DT, D1 ”) qui est supérieur aux diamètres internes minimaux (D2, D3, D4, D5) de ces disques (28), la turbine (10) comportant en outre un distributeur (50) selon l’une des revendications précédentes qui est fixé à un stator (42) de la turbine (10), ce distributeur (50) ayant son axe qui est confondu avec l’axe (X) de la turbine (10) et ayant son collecteur (52) qui est situé en amont des étages de détente par référence à l’écoulement de l’air dans le distributeur (50) depuis le collecteur (52) jusqu’aux conduits (64), les sorties d’air (66) du distributeur (50) étant situées dans des plans de liaison (U1 , U2, U3) desdites brides (32, 34) qui sont perpendiculaires audit axe (X).
14. Turbine (10) selon la revendication 13, dans laquelle le nombre de conduits (64) et de sorties d’air (66) est n, et le nombre de d’étages ou de roues de rotor (12) de la turbine (10) est n+1 .
15. Turbine (10) selon la revendication 13 ou 14, dans laquelle les sorties d’air (66) sont situées à des distances radiales (H1 , H2, H3) dudit axe (X) qui croissent à mesure que l’on s’éloigne dudit collecteur (52), et les disques (28) des roues de rotor (12) ont des rayons internes (D2/2, D3/2, D4/2) qui croissent à mesure que l’on s’éloigne dudit collecteur (52) et qui sont respectivement inférieurs aux distances (H1 , H2, H3) précitées des sorties d’air (66) disposées directement en aval de ces roues (12) par référence à l’écoulement de l’air dans le distributeur (50) depuis le collecteur (52) jusqu’aux conduits (64).
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