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Module de turbine pour moteur à turbine à gaz avec rotor comportant un corps
monobloc
La présente invention se rapporte au domaine des moteurs à turbine à gaz et
vise
s en particulier un élément modulaire de turbine pour un teI moteur comportant
un
corps de turbine monobloc.
Un moteur à turbine à gaz comprend, dans le sens de l'écoulement des gaz un
moyen de compression de l'air alimentant le moteur, une chambre de combustion
et au moins un étage de turbine d'entraînement des moyens de compression de
l'air. En aéronautique, le moteur peut entraîner une soufflante contribuant à
la
poussée produite par ce dernier. L'air admis à l'entrée du moteur est alors
divisé
en un flux primaire dirigé vers la chambre de combustion et un flux secondaire
concentrique au premier et fournissant dans les moteurs à fort taux de
dilution la
t5 majeure partie de la poussée. Ces derniers moteurs comprennent pour
certains
deux corps : un corps haute pression et un corps basse pression indépendants
en
rotation l'un de l'autre. Le corps basse pression entraîne la soufflante.
Chaque
corps comprend un module de turbine entraînant le module de compression
associé.
?o
On a représenté sur la figure l, en coupe longitudinale, le module de la
turbine
basse pression d'un moteur à double corps selon l'art antérieur. Le reste du
moteur n'est pas visible sur cette figure. Ce module est disposé en aval de
l'étage
haute pression dont le flux de gaz débouche par le distributeur 3 constitué
?s d'aubes fixes, individuelles ou en secteurs, montées entre le carter
extérieur 5 et
la structure interne fixe 7. Le rotor de turbine basse pression 9 est
constitué de
cinq disques 9A à 9E pourvus d'aubes sur leur périphérie et boulonnés entre
eux.
Les cinq étages sont séparés par des distributeurs fixes de flux, 11A à 11 D,
qui
redressent chacun le flux de gaz issu de l'étage amont pour l'étage situé
3o immédiatement en aval.
Les disques sont, chacun, bordés latéralement par une partie tronconique 10
pourvue de brides radiales, dite « moustache » par lesquelles ils sont
boulonnés
au disque voisin. Les aubes 12 sont logées dans des alvéoles axiales à profil
en
3s queue d'aronde, et retenues contre tout déplacement axial par un crochet
12' dont
leur pied est pourvu. Un jonc 13 annulaire est engagé sous chacun des crochets
et
forme un verrouillage axial des aubes. Le jonc 13 lui-même est maintenu en
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place et immobilisé contre tout déplacement radial qui pourrait le dégager des
crochets 12' par des anneaux inter étages 14. Ces anneaux 14 pourvus de
léchettes forment un joint à labyrinthe avec des plaques en matériau abradable
montées le long des bords intérieurs des distributeurs. Ces anneaux assurent
s également le guidage de l'air de refroidissement depuis l'intérieur du rotor
jusque
vers les pieds d'aubes. Des passages radïaux sont prévus à cet effet.
Le montage de ce module de turbine est complexe en raison du nombre de pièces
entrant dans sa structure.
to
Il serait donc souhaitable de réaliser un module dont la structure permettrait
un
montage plus aisé.
Il serait aussi souhaitable de réaliser un module dont le nombre de pièces
serait
t s réduit autorisant à la fois un montage plus aisé et une gestion des pièces
plus
simple.
Il serait encore souhaitable de réduire la masse des pièces constituant le
rotor.
2t> Il serait encore souhaitable de réduire au minimum les modifications de
structure
du module de turbine selon l'art antérieur présenté ci-dessus afin de ne pas
entraîner de développement important.
La demanderesse s'est donc fixé comme objectif la réalisation d'un module de
2s turbine, plus particulièrement d'un module de turbine basse pression, dont
la
structure est simplifiée par rapport à la réalisation de l'art antérieur.
La demanderesse est titulaire de la demande de brevet EP 1 264 964 qui porte
sur
un agencement de rotor de turbomachine comprenant deux disques avec des
3o aubes logés dans des alvéoles axiales. Les deux disques sont soudés de
manière à
former un corps monobloc. Une entretoise est prévue entre les deux disques
pour
former un élément d'étanchéité à labyrinthe et guider l'air de
refroidissement.
Elle comprend notamment une partie annulaire enveloppant à distance la surface
du rotor, en forme de virole, entre les deux disques et des languettes aptes à
3s coulisser dans les alvéoles. Cette solution de corps monobloc est de
structure
simplifiée par rapport à un assemblage de deux disques boulonnés entre eux. En
outre on bénéficie d'un gain de masse. Cependant cette structure implique des
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contraintes sur la disposition des aubes qui ne sont pas nécessairement
favorables
sur le plan aérodynamique.
On connaît le brevet US S 899 660 qui porte sur un carter permettant la
s réalisation de modules de turbine dont la structure est simplifiée. Les
distributeurs forment une seule pièce avec les anneaux d'étanchéité des rotors
de
turbine. Les pièces des différents étages sont boulonnées entre elles de
manière à
constituer ensemble un carter. Une telle solution impliquerait cependant une
modification substantielle de la structure de l'art antérieur.
zo
On connaît également le brevet US 4 248 569 qui porte sur un montage de stator
dont l'anneau d'étanchéité forme une seule pièce avec le distributeur, et
permettant un contrôle du jeu entre l'anneau d'étanchéité et le sommet des
aubes
du rotor de la turbine. On réduit ainsi le nombre de pièces. Toutefois, il ne
t s semble pas que la solution présentée soit aisément applicable à un module
de
turbine à plusieurs étages.
L'invention a donc pour objectif de réaliser un module de turbine dont la
structure est simplifiée sans présenter les inconvénients des solutions
présentées
2o dans l'art antérieur.
Conformément à l'invention, le module de turbine pour un moteur à turbine avec
un rotor de turbine constitué de quatre disques au moins supportant des aubes
à
leur périphérie, deux desdits disques formant un corps monobloc est
caractérisé
2s par le fait que ledit corps monobloc comprend deux viroles latérales inter
disques, les dites viroles étant boulonnées sur les disques des deux rotors
adjacents.
Par rapport au module de l'art antérieur présenté ci-dessus, la structure
selon
3t~ l'invention permet d'une part de réduire la masse de l'ensemble rotatif
notamment en supprimant une partie des organes de liaison par boulonnage, et
en
allégeant les disques adjacents par suppression des moustaches, et d'autre
part de
simplifier la structure du module.
35 Conformément à une autre caractéristique, l'ensemble rotatif du module de
turbine comprend des anneaux inter étages incorporant des léchettes pour joint
à
labyrinthe entre chacun desdits disques adjacents et le corps monobloc.
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Avantageusement lesdits anneaux forment également un moyen. de verrouillage
axial pour les aubes et/ou un passage pour l'air de refroidissement avec les
dites
viroles inter disques. Ainsi, dans la mesure où ces anneaux inter étages sont
placés sur les viroles d'extrémité du corps monobloc, leur montage ne demande
s aucune disposition particulière des aubes montées sur les disques. En outre
la
circulation de l'air de refroidissement est assurée pour tous les quatre
étages
d'aubes.
Conformément à un mode de réalisation particulier et préféré présentant une
t o structure simplifiée améliorée, le module comporte un ou plusieurs
distributeurs
annulaires constitués d'une pluralité d'éléments en forme de secteur d'anneau
dont une première partie supporte des aubes fixes disposées radialement vers
l'axe de la turbine et une seconde partie forme un moyen d'étanchéité avec Ies
sommets des aubes mobiles. De préférence lesdits éléments en forme de secteur
1s d'anneau sont calés à l'intérieur du carter par des moyens d'accrochage.
Conformément à une autre caractéristique, lesdits moyens d'accrochage
comprennent un crochet axial solidaire du carter ou desdits éléments,
coopérant
avec une paire de crochets axiaux solidaires respectivement desdits éléments
ou
2o du carter. De préférence la paire de crochets est disposée sur la partie
amont
desdits éléments en forme de secteur d'anneau.
Avantageusement, le moyen d'accrochage comprend un crochet axial sur le
carter coopérant avec une paire de crochets axiaux solidaires desdits éléments
en
2s forme de secteur d'anneau, de telle manière que l'extrémité aval des
secteurs
d'anneau d'étanchéité du rotor disposés en amont soit maintenue entre les
crochets.
Grâce à la solution de l'invention, on perfectionne le montage des étages
turbine
3o de façon simple et efficace sans entraîner de modifications substantielles
de
l'environnement de ce module dans le moteur.
Un mode de réalisation non limitatif de l'invention va maintenant être décrit
en
référence aux dessins annexés sur lesquels
la figure 1 représente un module de turbine de moteur à turbine à gaz
conforme à l'art antérieur,
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S
la figure 2 représente le module conforme à l'invention,
la figure 3 représente une partie agrandie du stator du module de la figure
2
la figure 4 représente une partie agrandie du rotor du module de la figure
s 2.
Le module selon l'invention représenté en coupe selon l'axe du moteur à
turbine
à gaz, est disposé en aval de la chambre de combustion non visible sur la
figure
2. Il reçoit le flux de gaz moteur par le distributeur 105. Il comporte un
carter de
1o forme générale tronconique 120 à l'intérieur duquel sont montés les
différents
étages de distributeurs intercalés entre les étages de rotor de turbines.
Comme
dans le dispositif de l'art antérieur présenté en relation avec la figure 1,
Ie module
comprend ici cinq étages de turbine 109A à 109E entre lesquels sont intercalés
quatre anneaux distributeurs 111 A à 111 D.
Le distributeur 111A est de forme globalement annulaire en étant subdivisé en
secteurs. Les secteurs comprennent d'une à une dizaine d'aubes fixes, par
exemple cinq ou six. II peut y avoir par exemple 8 secteurs formant l'anneau
de
distribution. Pour chaque secteur du distributeur 111A, on distingue, voir
plus en
2c> détail aussi la figure 3, la ou les pales 111A1, disposées radialement en
travers de
la veine de gaz entre une plateforme intérieure 112A située du côté de l'axe
du
moteur et une plateforme extérieure 113A à l'opposé. Les distributeurs 111B à
111D sont constitués de préférence de la même façon.
2s L'ensemble rotatif 109, voir aussi figure 4, est constitué ici de cinq
disques,
109B3 à 109E3 sur lesquels sont montées les aubes mobiles. Chaque aube
comprend un pied en forme de bulbe logé dans une alvéole de forme
complémentaire, à profil en queue d'aronde par exemple, usinée axialement dans
Ia jante des disques. Les aubes mobiles et leur montage sur un disque sont
connus
3o de l'homme du métier et ne font pas partie de L'invention. Les pieds
comprennent
un crochet de retenue axiale comme cela est connu également.
Conformément à l'invention, deux disques du rotor forment ensemble un seul
bloc 109'. Ils forment un corps monobloc, c'est-à-dire qu'ils ne sont pas liés
par
35 des moyens mécaniques tels que des boulons et ne sont normalement pas
démontables. Ils sont de préférence soudés. Les deux disques 109B3 et 109C3
sont reliés entre eux par une virole 109BC. On voit les zones de soudage entre
la
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virole et les jantes des disques. Cette virole présente deux léchettes 109BC1,
orientées transversalement par rapport à l'axe du moteur et formées par
usinage
sur sa surface tournée vers le distributeur 111B. Le disque 109B3 est
solidaire
d'une virole latérale inter disque 109BA. Celle-ci comprend une bride radiale
s 109BA1 par laquelle le rotor est boulonné au disque adjacent 109A3. Un
boulon
B est représenté. Les orifices pour le passage des boulons sont percés dans le
plan du disque à proximité de la jante. Le disque 109C3 comprend également une
virole 109CD avec une bride radiale 109CD1 par laquelle il est boulonné (en B)
au disque 109D3. Le disque 109E3 comporte une virole 109ED avec une bride
t o radiale par laquelle il est boulonné au disque 109D3. Un cône 109D4 est
solidaire du disque 109D3 pour le montage de l'ensemble rotatif sur un palier
non représenté.
Pour assurer le refroidissement du pied des aubes des étages 109B, 109C et
t5 109D, on ménage des circuits d'air au moyen d'anneaux inter-étages 131 et
132.
L'anneau 131 comporte une partie tronconique 131A de diamètre légèrement
supérieur à celui de Ia virole 109BA pour former avec cette dernière un
passage
d' air. Il comporte de chaque côté un voile, 131 B et 131 C respectivement,
2o tronconique qui prend appui contre le disque, 109A3 et 109B3
respectivement,
au niveau des alvéoles. Il forme ainsi à la fois un moyen de guidage de l'air
dans
ces dernières et un arrêt axial pour les pieds d'aubes qui y sont logés. L'air
est
admis depuis l'intérieur du rotor par des passages ménagés entre la bride
radiale
109BA1 et le disque 109A3 ; il circule entre les deux viroles 109BA et 131A
?s pour être évacué par les alvéoles des deux disques 109A3 et 109B3 en
direction
de la veine de gaz.
La virole I32 comprend de la même façon une partie tronconique centrale 132A
bordée de deux voiles 132B et 132C. L'air de refroidissement est admis par des
~o passages ménagés entre la bride 109CD1 et Ie disque 109D3 ; il circule
entre les
viroles 132A et 109CD d'où il est guidé pour passer à travers les alvéoles des
disques 109C3 et 109D3 puis dans la veine de gaz.
Conformément à une autre caractéristique de l'invention relative au stator,
voir
3s aussi la figure 3, la plateforme extérieure 113A fait partie d'un élément
114A en
forme de secteur d'anneau, en deux parties disposées axialement l'une après
l'autre. Ladite plateforme est la première partie 113A et un secteur
d'étanchéité
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de turbine coopérant avec Ie sommet des aubes de l'étage de turbine aval est
la
seconde partie 113'A. Avantageusement la plateforme intérieure 112A, l'élément
114A et les pales sont venues d'une seule pièce de fonderie.
s La seconde partie 113'A comporte un matériau abradable 115A au regard des
léchettes ménagées sur le sommet des aubes de l'étage mobile correspondant.
La plateforme extérieure 113A comprend en amont une paire de crochets axiaux
113A1 et 113A2 espacés radialement l'un de l'autre. Elle comprend aussi en
aval
ur une surface d'appui radial 113A3. En aval, la seconde parue 113'A comprend
une surface d'appui radial 113'A4, et un ergot radial 113'A5 formant arrêt
axial.
On distingue aussi un doigt orienté axialement 113'A6 qui s'engage entre deux
secteurs du distributeur aval I 13B et forme un moyen de blocage anti-
rotation.
ts Le carter 120 comprend sur sa face interne des crochets répartis le long de
l'axe
du moteur par lesquels les stators sont fixés.
Sur la fgure, on distingue un crochet axial 121A comportant une surface
d'appui
radial extérieur et une surface d'appui radial intérieur. L'espacement entre
deux
2o crochets 121a et 121B consécutifs correspond à l'espacement entre. le
crochet
113A1 et Ia surface d'appui radial 113'A4 d'un même élément 114. L'ergot
113'A5 vent en appui axial contre le crochet I Z 1 B du carter.
La paire de crochets 113A1 et 113A2 de stator enserre le crochet 121A de
carter
2s et l'extrémité aval du secteur d'étanchéité 105' qui est disposé
immédiatement en
amont de l'étage de distributeur 111A. Pour le stator 113B, la paire de
crochets
enserre l'ensemble constitué par le crochet 121 correspondant, l'extrémité
aval
du secteur d'anneau 113'A et la plaquette 115A de matériau abradable.
Le carter comprend aussi des butées formant des surfaces d' appui radial 122
entre deux crochets 121 A et 121 B consécutifs. Ils servent d'appui radial aux
surfaces d'appui I 13A3.
Les aubes 109B1 de l'étage 109B sont terminées par un talon 109B2 qui est
3s pourvu de léchettes ou lames radiales coopérant avec la plaquette en
matériau
abradable 11 SA. Elles forment ainsi un joint à labyrinthes contre les fuites
de gaz
entre les deux côtés du rotor de turbine.
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Le montage des différents composants du module est effectué de la façon
suivante.
s Le carter est éventuellement déjà en place sur le moteur avec l'anneau 105'.
On place ensuite les pièces dans l'ordre qui suit.
Le rotor 109A complet, dont les aubes sont déjà montées sur le disque 109A3,
est
to mis en place et calé au moyen d'un outillage approprié
Le distributeur 111A est placé secteur par secteur en glissant les crochets
113A1 et 113A2 sur la partie aval de l'ensemble formé par l'anneau 105' et le
premier crochet 121A du carter. La surface 113A3 vient en appui contre la
première butée 122, et la surface 113'A4 vient en appui contre la surface
radiale
~s intérieure du deuxième crochet 121B. Le doigt 113'A5 est en butée contre ce
dernier.
L'anneau inter-étages 131 est glissé à l'intérieur de l'anneau 111A jusqu'à
venir
en butée contre le rotor 109A, bloquant ainsi axialement les pieds d'aubes
dans
20 leur alvéole ; des crochets ménagés sur le pied des aubes et prenant appui
contre
la jante assurent une immobilisation contre tout déplacement axial dans une
direction. L'anneau assure le verrouillage axial dans la direction opposée.
Le corps monobloc 109' avec seulement les aubes de l'étage 109B est mis en
2s place et boulonné directement sur le disque 109A3. On observe que les aubes
de
l'étage 109B viennent en appui contre le voile 131C de l'anneau inter étage
131.
Les crochets sur les pieds d'aubes sont situés du côté amont en appui contre
la
jante du disque; de cette façon les pieds sont verrouillés contre tout
déplacement
axial.
Le distributeur 111B est mis en place secteur par secteur. On introduit
d'abord le
pied de chaque secteur entre les deux disques 109B et I09C, puis on bascule
celui-ci jusqu'à ce qu'il vienne s'accrocher sur le deuxième crochet 121B du
carter en enserrant l'extrémité aval de l'anneau 113'A ensemble avec son
3s matériau abradable. Il se positionne sur le carter de la même façon que le
distributeur précédent. Le doigt radial en aval vient en butée axiale contre
le
troisième crochet 121 C.
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On introduit les aubes de l'étage 109C dans leur logement sur le disque 109C3.
Le crochet formant arrêt axial est situé du côté aval du disque 109C3,
empêchant
tout déplacement axial vers l'amont.
Le distributeur 111 C est mis en place de façon à ce qu' il se positionne dans
le
carter comme les distributeurs précédents.
L'anneau inter-étages 132 est glissé dans le passage central ménagé par le
ao distributeur 111C. Il vient en appui contre Ie disque 109C3, verrouillant
les
aubes.
Le rotor complet 109D est boulonné sur la bride 109CD1 du monobloc 109'.
1 s Le distributeur 111 D est monté
Le rotor 109 E complet est boulonné sur le disque 109D3.
La description du montage ci-dessus fait apparaître l'avantage de la structure
de
2o module revendiquée par rapport à celle de l'art antérieur qui demande
beaucoup
plus d'opérations en raison du plus grand nombre de pièces à manipuler
notamment.
La description a porté sur un module comprenant cinq étages. L'invention
couvre
?s des modules comprenant de quatre à six étages de préférence.
