Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02490619 2004-12-20
WO 2004/003347 PCT/FR2003/001958
1
Circuits de ventilation de la turbine d'une turbomachine
L'invention concerne le domaine de la ventilation de la turbine à
haute pression d'une turbomachine d'aviation.
Elle concerne plus précisément une turbomachine comportant
un dispositif d'étanchéité entre le rotor de turbine et le carter intérieur de
la chambre de combustion, ledit rotor de turbine comportant, d'une part,
un disque de turbine présentant une bride amont pour sa fixation sur le
cône aval d'un compresseur et, d'autre part, un flasque disposé en amont
dudit disque et séparé de ce dernier par une cavité, ledit flasque
présentant un alésage intérieur traversé par la bride amont dudit disque
et une bride amont pour sa fixation sur ledit cône aval, un premier circuit
d'air solidaire dudit carter pour délivrer un premier débit d'air de
refroidissement dans ladite cavité via des injecteurs principaux et des
trous ménagés dans ledit flasque, ledit dispositif d'étanchéité comportant
un labyrinthe de décharge entre le cône aval et ledit carter intérieur, un
labyrinthe sous-injecteurs principaux disposé entre le flasque et la paroi
intérieure du premier circuit d'air et au moins un labyrinthe sur-injecteurs
disposé entre le flasque et une structure annulaire prévue entre la paroi
extérieure du premier circuit d'air et ledit carter intérieur, un deuxième
débit d'air de refroidissement circulant dans un deuxième circuit défini par
les enceintes délimitées par ledit carter intérieur et ledit rotor via lesdits
labyrinthes, et s'évacuant en partie dans la cavité de purge amont dudit
disque.
La figure 1 montre un tel rotor de turbine 1 à haute pression,
disposé en aval d'une chambre de combustion 2, et qui comporte un
disque de turbine 3 équipé d'aubes 4, et un flasque 5 disposé en amont
du disque 3. Le disque 3 et le flasque 5 comportent chacun une bride
amont, référencée 3a pour le disque 3 et 5a pour le flasque 5, pour leur
fixation à l'extrémité aval 6 du cône aval 7 du compresseur à haute
pression entraîné par le rotor 1.
Le disque 3 comporte un alésage intérieur 8 traversé par l'arbre
9 d'une turbine à basse pression, et le flasque 5 présente un alésage
intérieur 10 entourant la bride 3a du disque 3, et des trous de ventilation
11 par lesquels un premier débit d'air Ci de refroidissement prélevé en
fond de chambre est délivré dans la cavité 12 séparant la face aval du
CA 02490619 2004-12-20
WO 2004/003347 PCT/FR2003/001958
2
flasque 5 de la face amont du disque 3. Ce débit d'air C1 de
refroidissement circule radialement vers l'extérieur et pénètre dans les
alvéoles 4a contenant les pieds des aubes 4 afin de refroidir ces dernières.
Ce débit d'air est prélevé dans le fond de chambre, circule dans un conduit
13 disposé dans l'enceinte 14 séparant le flasque 5 du fond de chambre et
est mis en rotation par des injecteurs 15 afin d'abaisser la température de
l'air délivré dans la cavité 12.
Un deuxième débit d'air C2 de refroidissement prélevé en fond
de chambre circule vers l'aval dans l'enceinte 16 séparant le cône aval 7
du compresseur à haute pression du carter intérieur 17 de la chambre de
combustion 2. Ce débit d'air C2 s'écoule à travers un labyrinthe de
décharge 18 et pénètre dans l'enceinte 14 d'où une partie C2a s'écoule à
travers des orifices 19 ménagés dans la bride amont 5a du flasque 5,
passe à travers l'alésage 10 du flasque 5 afin de refroidir la partie
radialement intérieure de ce dernier et rejoint le débit d'air Ci de refroi-
dissement des aubes 4. Une autre partie C2b du deuxième débit d'air C2
refroidit la face amont du flasque 5, contourne les injecteurs 15 et est
évacuée dans la cavité de purge amont 20 du rotor de turbine 1.
Enfin, une troisième partie C2c du troisième débit d'air C2 sert à
ventiler la face supérieure amont 21 du flasque 5 au travers d'un
deuxième labyrinthe 22 situé sous les injecteurs 15. Cette troisième partie
C2c pénètre dans l'enceinte 23 située en aval du deuxième labyrinthe 22,
entre le flasque 5 et les injecteurs 15, et est évacuée dans la cavité de
purge amont 20 du rotor de turbine 1 à travers un troisième labyrinthe 24
situé au-dessus des injecteurs 15, ou vient se mélanger au premier débit
d'air C1.
Le deuxième débit d'air C2 sert à refroidir le cône aval 7, le fût
de liaison du compresseur à haute pression à la turbine à haute pression,
et le flasque 5. Ce deuxième débit d'air circulant axialement dans un
espace annulaire délimité par des parois fixes solidaires de la chambre et
des parois mobiles en rotation solidaires du rotor, subit des échauffements
liés aux puissances dissipées entre le rotor et le stator.
Pour abaisser la température du flasque amont suivant les
spécifications de sa tenue mécanique, il est donc nécessaire d'augmenter
le débit d'air C2 traversant le labyrinthe de décharge 18 situé en aval du
compresseur à haute pression, et de le rejeter soit dans le circuit de
CA 02490619 2004-12-20
WO 2004/003347 PCT/FR2003/001958
3
refroidissement des aubes, soit dans la veine en amont de la roue de
turbine à haute pression. Cette augmentation de débit génère une
augmentation de la température de Pair de refroidissement des aubes du
fait du rejet d'un air réchauffé dans le circuit de refroidissement des
aubes, et une chute des performances de la turbine du fait du rejet dans
la veine.
En outre le débit d'air C2c servant au refroidissement du flasque
en aval du deuxième labyrinthe 22 situé sous les injecteurs 15, est peu
maîtrisable car il subit les évolutions des jeux du labyrinthe de décharge
18, du deuxième labyrinthe 22 et du troisième labyrinthe 24 situé au-
dessus des injecteurs 15, au cours du fonctionnement et au cours de la
vie du moteur.
Pour éviter des fuites importantes à travers le troisième
labyrinthe 24 situé au-dessus des injecteurs 15, ce dernier comporte trois
léchettes successives formées sur une portion coudée 25 du flasque 5, qui
coopèrent avec des éléments d'étanchéité 26 solidaires d'une structure
annulaire 27 interposée entre la paroi extérieure 28 du conduit 13 et la
partie amont 29 du carter intérieur 27. Ce type de labyrinthe à trois
léchettes a une masse appréciable, et du fait des forces centrifuges
nécessite un accrochage du flasque 5 sur la face amont du disque de
turbine 3 au moyen d'un crabotage 30.
L'état de la technique est illustré également par FR 2 541 371 et
FR 2 744 761. Ces deux documents enseignent la présence de deux
labyrinthes en aval des injecteurs principaux, et le croisement du premier
débit d'air par le deuxième débit d'air grâce à des dérivations traversant le
circuit du premier débit d'air.
Le premier but de l'invention est de modifier le dispositif
d'étanchéité en amont des injecteurs principaux, afin de permettre un
allègement du flasque amont.
Un deuxième but de l'invention est de permettre une diminution
du débit de purge en amont du rotor et par le fait un gain de
consommation spécifique.
Un troisième but de l'invention est d'augmenter les niveaux de
pression dans le circuit d'alimentation en air de refroidissement de la roue
de turbine, ce qui est favorable au refroidissement des aubes.
CA 02490619 2004-12-20
WO 2004/003347 PCT/FR2003/001958
4
Le premier but de l'invention est atteint par le fait que le
dispositif d'étanchéité comporte en aval des injecteurs principaux dans le
sens de circulation du deuxième débit d'air de refroidissement, au moins
trois labyrinthes radialement espacés disposés entre le flasque et la
structure annulaire.
Très avantageusement, lesdits trois labyrinthes comportent
chacun une seule léchette.
Chacun de ces labyrinthes a ainsi une structure légère, ce qui
permet l'élimination du crabotage.
Les deuxième et troisième buts de l'invention sont atteints par le
fait que l'une des cavités annulaires comprises entre deux labyrinthes
consécutifs parmi lesdits trois labyrinthes est alimentée par un air de
refroidissement prélevé dans le deuxième circuit en amont du labyrinthe
sous-injecteurs.
Ce troisième débit est avantageusement mis en rotation dans le
sens de rotation du rotor par des injecteurs secondaires.
De préférence, ces injecteurs secondaires sont réalisés sous la
forme de perçages inclinés, ménagés dans la structure annulaire.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront
à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en
référence aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 est une demi-coupe axiale d'un rotor de turbine à
haute pression d'un turboréacteur, qui montre les circuits d'air de
refroidissement et les différents labyrinthes d'étanchéité selon l'art
antérieur, et
- la figure 2 est une demi-coupe axiale d'un rotor de turbine de
turboréacteur qui montre la disposition du flasque et des labyrinthes,
selon l'invention, en amont des injecteurs principaux.
L'état de la technique illustré par la figure 1 a été discuté dans
l'introduction et ne nécessite pas d'autres explications.
Sur la figure 2, on a représenté par la référence 1 un rotor de
turbine à haute pression disposé en aval d'une chambre de combustion 2,
qui comporte un disque de turbine 3 équipé à sa périphérie d'aubes 4, et
un flasque 5 disposé en amont du disque 3. Le disque 3 et le flasque 5
délimitent entre eux une cavité 12 alimentée en air de refroidissement via
des injecteurs principaux 15 et des trous 11 ménagés dans le flasque 5 en
CA 02490619 2004-12-20
WO 2004/003347 PCT/FR2003/001958
regard des injecteurs principaux 15. Les injecteurs principaux 15 sont
inclinés par rapport à l'axe de rotation de la turbine afin de diriger l'air
fourni dans le sens de rotation du rotor de turbine 1.
Les injecteurs principaux 15 sont alimentés en air prélevé dans
5 le fond de la chambre de combustion au moyen d'un conduit annulaire 13
qui comporte une paroi radialement intérieure 13a et une paroi
radialement extérieure 28.
Un deuxième labyrinthe, non montré sur la figure 2, est disposé
sous les injecteurs principaux, entre la paroi radialement intérieure 13a et
le flasque 5. Une structure annulaire 27 est interposée entre la paroi
radialement extérieure 28 du conduit 13 et la partie amont 29 du carter
intérieur de la chambre de combustion 2.
Ainsi que cela se voit sur la figure 2, il est prévu, selon
l'invention, entre la cavité 23 située en amont du deuxième labyrinthe, et
la cavité de purge amont 20 du rotor de turbine 1, au-dessus des
injecteurs principaux 15, trois labyrinthes radialement espacés, 31, 32 et
33, en lieu et place du troisième labyrinthe 24 selon Pétât de la technique.
Ces trois labyrinthes 31, 32 et 33 comportent chacun une seule léchette,
et définissent entre l'enceinte 23, dans laquelle émergent les injecteurs
principaux 15 et la cavité de purge amont 2, deux cavités intermédiaires
34 et 35.
Les labyrinthes 31, 32 et 33 pourraient être remplacés par
d'autres systèmes d'étanchéité rotor/stator, tels que des joints à brosses
et on pourrait également avoir un panachage de labyrinthes et de joints à
brosse sans sortir du cadre de l'invention.
Des dérivations 36 ménagées à travers le conduit annulaire 13
mettent en communication l'enceinte 14 de fond de chambre disposée en
aval du deuxième labyrinthe situé sous les injecteurs principaux avec
l'enceinte 37 située radialement à l'extérieur du conduit annulaire 13. Des
perçages inclinés 38 par rapport à l'axe de rotation du rotor de turbine 1
sont ménagés dans la structure annulaire 27 entre l'enceinte 36 et la
cavité 35 située immédiatement en amont de la cavité de purge 20. Les
perçages 38 sont inclinés dans le sens de rotation du rotor de turbine 1
afin de diminuer la température de l'air de refroidissement de la paroi
radialement extérieure du flasque 5.
CA 02490619 2004-12-20
WO 2004/003347 PCT/FR2003/001958
6
Du fait que l'air pénétrant dans la cavité 35 à travers les
perçages 38 est prélevé en amont du labyrinthe sous-injecteurs, la
pression dans la cavité 35 est augmentée et le débit de fuite à travers les
labyrinthes 31 et 32 est diminué.
Ceci se traduit par une augmentation de la pression dans les
cavités 23 et 12, ce qui est favorable au refroidissement des aubes 4.
Le fait que l'invention remplace un labyrinthe sur-injecteurs 24
selon l'état de la technique, qui comporte trois léchettes, par trois
labyrinthes 31, 32, 33 radialement espacés et ayant chacun une seule
léchette, permet de simplifier la structure de la partie radialement
extérieure du flasque 5. Cette partie se présente sous la forme d'un voile
dont l'extrémité radialement extérieure est en appui sur le pied des aubes
4 et sur les dents du disque. Cette disposition permet de diminuer la
masse du flasque 5 et supprime le crabotage du flasque 5 sur le disque 3,
ce qui augmente la durée de vie du flasque 5 et du disque 3.
Les perçages 38 sont calibrés de manière à réduire le débit de
fuite dans la cavité de purge 20, ce qui permet de réduire la
consommation spécifique de 0,1 % environ.
Les perçages 38 constituent un système d'injecteurs secondaires
permettant d'utiliser la majeure partie de l'air de la cavité sous chambre,
via les dérivations 36 pour le refroidissement du sommet du flasque
amont. Ce débit d'air croise l'air de refroidissement des aubages, c'est
pourquoi on l'appelle couramment shunt. Les perçages inclinés 38 peuvent
être remplacés par des injecteurs à palettes ou à tubes inclinés, montés
dans la paroi de la structure annulaire 27 sans sortir du cadre de
l'invention.
