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Ensemble d'un disque de turbine d'un moteur à turbine à gaz et d'un
tourillon support de palier, circuit de refroidissement d'un disque de turbine
d'un tel ensemble
La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz à double
corps et, plus particulièrement, le refroidissement d'un disque de turbine
haute
pression d'un moteur à turbine à gaz à double corps.
Un turboréacteur à soufflante avant et à double corps, par exemple, comprend
un
corps à basse pression, dit corps BP, et un corps à haute pression, dit corps
HP.
Par convention, dans la présente demande, les termes amont et aval
sont
définis par rapport au sens de circulation de l'air dans le turboréacteur.
Ainsi, un
turboréacteur à double corps à soufflante avant comprend classiquement,
d'amont en aval, une soufflante, un étage compresseur BP, un étage compresseur
HP, une chambre de combustion, un étage de turbine HP et un étage de turbine
BP.
L'arbre du corps BP est guidé en rotation dans des paliers supportés par la
structure fixe du moteur tandis que l'arbre du corps HP est guidé par des
paliers
supportés par le corps BP, les arbres des deux corps étant concentriques.
Lors du fonctionnement du turboréacteur, un mélange d'air et de carburant est
brûlé dans la chambre de combustion du moteur pour créer la poussée nécessaire
au déplacement de l'aéronef sur lequel est monté le turboréacteur. Après
combustion, un flux de gaz à très haute température circule dans la turbine HP
du
turboréacteur.
Les éléments de la turbine, en particulier le disque de turbine du corps HP,
désigné par la suite disque de turbine HP, sont soumis à des températures très
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élevées. Afin de protéger le disque de turbine HP, on ménage dans le moteur
des
circuits de refroidissement dans lesquels de l'air, prélevé en amont de la
turbine
HP, circule, d'amont en aval dans le turboréacteur, intérieurement au disque
de
turbine HP et extérieurement à l'arbre BP. Le circuit de refroidissement du
disque de turbine HP est désigné circuit de refroidissement de l'alésage du
disque
de turbine, plus connu sous sa dénomination anglaise Circuit Bore Cooling .
Après avoir refroidi le disque de turbine HP, l'air de refroidissement
traverse une
pluralité d'ouvertures de ventilation formées dans le tourillon solidaire du
disque
HP et monté en aval de ce dernier, le tourillon étant désigné par la suite
tourillon
HP. Le tourillon HP comprend, entre autres, une bague pour le montage du
palier
17 permettant le guidage du corps HP sur l'arbre BP comme représenté sur la
figure 1.
Toujours en référence à la figure 1, le tourillon HP 10 est fixé par son
extrémité
amont au disque de turbine HP 20, le disque de turbine HP 20 comprenant une
bride annulaire radiale de fixation 25 venant en contact sur une partie
annulaire
radiale 15 du tourillon HP 10. La bride de fixation 25 du disque de turbine HP
20
est boulonnée au tourillon HP 10 par des boulons longitudinaux 2.
Les ouvertures traversantes de ventilation 11 du tourillon HP 10, permettant
l'évacuation du flux d'air de refroidissement, sont ménagées en aval de la
partie
du tourillon HP 10 qui est boulonnée au disque de turbine HP 20. De manière
classique, les ouvertures traversantes de ventilation 11 sont ménagées dans
une
partie tronconique 12 du tourillon HP 10, évasée vers l'amont, qui est très
sollicitée mécaniquement en fonctionnement.
Les ouvertures traversantes de ventilation 11 sont usinées obliquement dans la
partie tronconique 12 du tourillon HP 10. Autrement dit, les ouvertures de
ventilation 11 ne sont pas orthogonales à la surface de la partie tronconique
12 du
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tourillon HP 10. Ces ouvertures obliques 11 sont difficiles à usiner, la
partie
tronconique 12 du tourillon HP 10 étant difficilement accessible par les
outils
d'usinage. En outre, après usinage, les ouvertures traversantes de ventilation
11
possèdent des arêtes vives avec concentration de contraintes de fatigues qui
sont
susceptibles d'affaiblir le tourillon HP 10 au cours de son fonctionnement.
Afin d'éliminer ces inconvénients, la demanderesse propose un ensemble d'un
disque de turbine d'un moteur à turbine à gaz et d'un tourillon support de
palier,
le disque de turbine comprenant une bride annulaire radiale de fixation
solidaire
d'une partie annulaire radiale du tourillon par des boulons, les boulons
traversant
successivement des alésages de fixation ménagés dans la bride annulaire
radiale
de fixation du disque de turbine et dans la partie annulaire radiale du
tourillon,
ensemble caractérisé par le fait que la partie annulaire radiale du tourillon
comprend des ouvertures de circulation d'air, les ouvertures étant ménagées
entre
les alésages de fixation du tourillon.
Les ouvertures de circulation du flux d'air de refroidissement sont formées
sur la
partie annulaire radiale du tourillon entre les alésages de fixation du
tourillon.
Cela permet avantageusement de répartir les contraintes mécaniques sur ladite
partie annulaire radiale du tourillon entre les alésages de fixation et les
ouvertures
de refroidissement, le niveau de contrainte mécanique pour chaque alésage et
chaque ouverture étant alors plus faible.
La bride de fixation est facilement accessible ce qui facilite l'usinage des
ouvertures d'évacuation qui pouvant être ainsi ménagées en même temps que les
alésages de fixation.
En outre, la partie tronconique du tourillon ne remplit plus de fonction
d'évacuation d'air de refroidissement ce qui permet avantageusement d'ajouter
de la matière sur cette partie afin d'augmenter la masse à proximité de l'axe
de
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rotation du tourillon (qui est également l'axe du moteur) et ainsi diminuer
les
fatigues engendrées par la rotation du tourillon.
De préférence, la bride annulaire radiale de fixation du disque de turbine se
présente sous la forme d'une bande annulaire radiale crénelée comprenant des
dents séparées par des créneaux, les alésages de fixation de la turbine étant
ménagés dans les dents de ladite bande crénelée.
La bride annulaire radiale de fixation est avantageusement crénelée pour
diminuer la masse de la turbine tout en permettant la fixation de la turbine
au
tourillon.
De préférence encore, les créneaux de la bride annulaire radiale de fixation
sont
agencés pour, lors de la fixation de la turbine au tourillon, correspondre
avec les
ouvertures de circulation d'air ménagées sur la partie annulaire radiale du
tourillon.
Ainsi, le flux d'air circule successivement entre les dents de la bride de
fixation
de la turbine et dans les ouvertures de circulation d'air du tourillon.
De préférence, les ouvertures de circulation et les alésages de fixation sont
disposés circonférentiellement sur la partie annulaire radiale du tourillon.
Les
contraintes mécaniques sont uniformément réparties sur le pourtour du
tourillon,
évitant la formation de zones de faiblesses.
Selon une caractéristique particulière, le tourillon comporte une partie
tronconique, en aval de sa partie annulaire radiale, comprenant une portion
radiale intérieure, proche de l'axe de rotation, épaissie assurant la
résistance
mécanique du disque, la répartition des masses étant ainsi optimisée. La
partie
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tronconique du tourillon remplit un rôle de renfort mécanique et permet de
limiter l'impact des efforts centrifuges sur le tourillon.
De préférence, un disque d'étanchéité, monté en aval du tourillon, est
boulonné
5 avec le tourillon et le disque de turbine, le disque d'étanchéité comprenant
des
ouvertures de circulation qui sont alignées avec les ouvertures de circulation
du
tourillon.
Le disque d'étanchéité permet avantageusement d'assurer l'étanchéité tout en
permettant le passage de l'air de refroidissement du disque de turbine.
De préférence, la section de passage des ouvertures de circulation du disque
d'étanchéité est adaptée pour calibrer le débit de circulation du flux d'air.
Le disque d'étanchéité est une pièce mécanique légère qui est simple à usiner.
En adaptant la section de passage des ouvertures de circulation du disque
d'étanchéité, on peut calibrer de manière simple le débit de circulation du
flux
d'air.
L'invention concerne également un circuit de refroidissement du disque de
turbine dans un moteur à turbine à gaz comprenant un passage d'évacuation, en
aval du disque de turbine, passant par lesdites ouvertures d'un ensemble tel
que
décrit précédemment.
De préférence, le circuit de refroidissement comprend un passage amont à
travers
un alésage central du disque de turbine, en amont des ouvertures dudit
ensemble.
De préférence encore, le circuit de refroidissement dans un moteur à double
corps comprend une turbine à haute pression et une turbine à basse pression,
la
turbine dudit ensemble étant la turbine à haute pression
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Le circuit comprend un passage aval, ménagé en aval des ouvertures dudit
ensemble, pour refroidir en partie la turbine à basse pression.
L'invention sera mieux comprise à l'aide du dessin annexé sur lequel
- la figure 1 représente une vue en coupe axiale d'un turboréacteur
comprenant un circuit de refroidissement du disque de turbine d'un
turboréacteur selon l'art antérieur ;
- la figure 2 représente une vue en coupe axiale d'un turboréacteur
comprenant un circuit de refroidissement du disque de turbine d'un
turboréacteur selon l'invention ;
- la figure 3 représente une vue en perspective d'un disque de turbine et
d'un tourillon d'un turboréacteur selon l'invention, le disque et le tourillon
étant représentés partiellement ;
- la figure 4 représente le disque de turbine et une partie du tourillon de la
figure 3;
- la figure 5 représente schématiquement, en coupe transversale, la fixation
du disque de turbine au tourillon de la figure 4, vue de l'amont vers l'aval,
et
- la figure 6 représente partiellement, en perspective, un disque de turbine,
un tourillon et uni oint à labyrinthe selon une seconde forme de réalisation
de l'invention.
Un turboréacteur à soufflante avant et à double corps, par exemple, comprend
un
corps à basse pression, dit corps BP, et un corps à haute pression, dit corps
HP.
Par convention, dans la présente demande, les termes intérieur et
extérieur
sont définis radialement par rapport à l'axe du moteur. Ainsi, un cylindre
s'étendant selon l'axe du moteur comporte une face intérieure tournée vers
l'axe
du moteur et une surface extérieure, opposée à sa surface intérieure.
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En référence aux figures 2 et 3, l'étage de turbine HP comprend un disque de
turbine HP 200 qui est monté solidaire avec un tourillon HP 100, en amont de
ce
dernier.
Le disque de turbine HP 200
Le disque de turbine HP 200 se présente sous la forme d'une roue aubagée dont
les aubes s'étendent radialement et extérieurement par rapport à l'axe du
moteur.
Le disque de turbine HP 200 comprend un alésage central 201 au travers duquel
passe l'arbre BP. L'épaisseur du disque de turbine HP 200 n'est pas uniforme,
le
disque 200 comprenant un renflement circonférentiel à proximité de son
ouverture centrale 201. Autrement dit, le disque de turbine HP 200 comprend
centralement une surépaisseur axiale, de renfort mécanique, de manière à
augmenter la masse du disque 200 à proximité de l'axe du moteur et ainsi
diminuer les sollicitations mécaniques en fonctionnement.
En référence à la figure 3, le disque de turbine HP 200 comprend une bride
annulaire radiale de fixation amont 240 boulonnée à un tambour associé à un
flasque 241 de support de lames d'étanchéité et assurant le guidage de l'air
de
refroidissement des aubes de turbine, le tambour étant boulonné au compresseur
HP du moteur. Le tambour permet de transmettre au compresseur HP l'énergie
de la combustion du moteur récupérée par le disque de turbine 200.
Le disque de turbine HP 200 comprend une bride annulaire radiale de fixation
aval 250 destinée à maintenir le tourillon HP 100 monté en aval. La bride aval
250 se présente sous la forme d'une bande annulaire radiale crénelée 250
comprenant des dents 251 séparées par des créneaux 252 comme représentée sur
les figures 4 et 5. Par la suite, on définit un créneau comme l'espace entre
deux
dents 251 successives de la bande crénelée 250.
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En référence à la figure 5, les dents 251 de la bride de fixation aval 250
(représentée en hachurés) s'étendent radialement vers l'axe du moteur et sont
dirigées vers l'alésage central 201 du disque de turbine 200. Dans chacune des
dents 251 de la bride de fixation aval 250 est usiné un alésage de fixation
220
permettant la fixation de la bride aval 250 du disque de turbine HP 200 au
tourillon HP 100. La fixation du tourillon HP 100 au disque de turbine HP 200
sera détaillée par la suite.
Le tourillon HP 100
En référence aux figures 2 et 3, le tourillon HP 100 se présente sous la forme
d'une pièce de révolution, sensiblement évasée vers l'amont et s'étendant
selon
l'axe du moteur. Le tourillon HP 100 comprend, d'amont en aval, une partie
annulaire radiale de fixation 150, agencée pour se fixer à la bride 250 du
disque
de turbine HP 200, une partie tronconique 102 et une partie cylindrique
longitudinale 103.
La partie cylindrique longitudinale 103 du tourillon HP 100, la plus en aval
du
tourillon 100, comprend à son extrémité aval un filetage extérieur destiné à
recevoir une bague extérieure sur laquelle est montée un palier inter-arbres,
ce
palier (non représenté) permettant au corps HP du turboréacteur d'être
supporté
par l'arbre BP.
En référence à la figure 3, la partie tronconique 102 du tourillon HP 100
comprend, pour sa part, une portion saillante radiale circonférentielle 105,
de
renfort mécanique, orientée vers l'axe du moteur et destinée à renforcer la
masse
du tourillon HP 100. La portion saillante 105 est ménagée à proximité de l'axe
du
moteur afin de diminuer les sollicitations mécaniques en fonctionnement, en
particulier, les sollicitations résultant des forces centrifuges. La partie
tronconique 102 du tourillon HP 100 comprend des lames radiales d'étanchéité
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104, formant joint labyrinthe, orientées radialement vers l'extérieur du
moteur et
destinées à assurer l'étanchéité entre le tourillon HP 100 et une pièce
mécanique
montée extérieurement au tourillon HP 100.
La partie tronconique 102 du tourillon HP 100 comprend en outre une bride
tronconique intérieure 107 maintenue solidaire d'un fourreau d'étanchéité 400
de
l'arbre BP du moteur. Le fourreau d'étanchéité 400 se présente sous la forme
d'un cylindre s'étendant axialement, extérieurement à l'arbre BP du moteur et
intérieurement au disque de turbine 200. Le fourreau d'étanchéité 400 permet
de
protéger l'arbre BP contre des températures excessives. Un canal de
circulation
annulaire d'air de refroidissement du disque de turbine est ménagé
intérieurement
au disque de turbine HP 200 et extérieurement au fourreau d'étanchéité 400. La
circulation de l'air de refroidissement dans le canal est représentée par des
flèches sur les figures 2 et 3.
La partie annulaire radiale de fixation 150 du tourillon 100 comprend des
alésages de fixation 120 alternés avec des ouvertures 110 de circulation d'un
flux
d'air de refroidissement du disque de turbine, désignées par la suite
ouvertures de
ventilation 110, les alésages 120 et les ouvertures 110 étant disposées
circonférentiellement sur la partie annulaire radiale de fixation 150. Dans
cet
exemple, les alésages 120 et les ouvertures 110 sont uniformément réparties
sur
la circonférence. Les alésages de fixation 120 et les ouvertures de
ventilation 110
du tourillon 100 sont ménagés de manière à correspondre respectivement avec
les
alésages de fixation 220 et les créneaux 252 du disque de turbine HP 200.
Les alésages 120 et les ouvertures 110 du tourillon 100 permettent
avantageusement de diminuer les contraintes tangentielles dans cette zone du
tourillon HP 100, par effet de pas.
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Les alésages de fixation 120 et les ouvertures de ventilation 110 sont ici
circulaires et possèdent, dans cet exemple, la même section d'ouverture. Il va
de
soi que les alésages 120 et les ouvertures 110 pourraient avoir des formes
(oblongues, rectangulaires, etc.) et des sections différentes.
5
La partie annulaire radiale de fixation 150 comprend en outre des lames
radiales
d'étanchéités ménagées à son extrémité radiale extérieure, similaires à celles
ménagées sur la partie tronconique 102 du tourillon 100.
10 Pour fixer le tourillon HP 100 au disque de turbine HP 200, on met en
contact
surfacique la face tournée vers l'aval de la bride de fixation aval 250 du
disque
de turbine HP 200 avec la face tournée vers l'amont de la partie annulaire
radiale
150 du tourillon HP 100. Ensuite, on aligne les alésages de fixation 120 du
tourillon 100 avec alésages de fixation 220 du disque de turbine HP 200. Du
fait
de l'alignement des alésages de fixation 120, 220, les ouvertures de
ventilation
110 du tourillon HP 100 sont alignées avec les créneaux 252 de la bride de
fixation 250 du disque de turbine HP 200. Autrement dit, les ouvertures de
ventilation 110 du tourillon 100 HP sont alignées avec les ouvertures formées
entre les dents 251 de la bride de fixation 250 du disque de turbine HP 200.
Afin de maintenir solidaire le disque de turbine HP 200 au tourillon HP 100,
on
introduit une vis 21 de boulon 200 successivement dans un alésage de fixation
120 du tourillon 100 puis dans l'alésage de fixation 220 du disque de turbine
200
avec lequel il est aligné. On visse ensuite un écrou 22 de boulon 20 à
l'extrémité
de ladite vis 21 pour sécuriser la fixation. On réitère cette étape de
boulonnage
pour chaque alésage de fixation 120 du tourillon 100, le disque de turbine 200
étant alors solidaire du tourillon HP 100.
Après fixation, l'air de refroidissement peut circuler entre les boulons 20 de
maintien du tourillon HP 100. La partie annulaire radiale 150 du tourillon 100
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permet la fixation au disque de turbine 200 ainsi que l'évacuation du flux
d'air de
refroidissement du disque de turbine 200.
Après avoir décrit la structure des moyens de l'invention, son fonctionnement
et
sa mise en oeuvre vont maintenant être abordés.
En référence aux figures 2 et 3, lors du fonctionnement du turboréacteur, un
mélange d'air et de carburant est brûlé dans la chambre de combustion du
moteur
pour créer la poussée nécessaire au déplacement de l'aéronef sur lequel est
monté
le turboréacteur. Après combustion, un flux de gaz à très haute température
circule dans la turbine HP du turboréacteur. Le disque de turbine HP 200 est
soumis à des températures très élevées.
Afin de protéger le disque de turbine HP 200, un flux d'air est prélevé en
amont
du disque de turbine 200, au niveau du compresseur HP, et circule d'amont en
aval dans le turboréacteur, intérieurement au disque de turbine HP 200 et
extérieurement au fourreau d'étanchéité 400. Lors de la circulation de l'air
de
refroidissement dans l'alésage central 201 du disque de turbine HP 200, le
flux
d'air de refroidissement annulaire prélève des calories sur le disque de
turbine
200 pour le refroidir et forme une enveloppe d'air de refroidissement autour
du
fourreau d'étanchéité 400, protégeant ainsi les pièces mécaniques montées à
l'intérieur de celui-ci.
Après avoir refroidi le disque de turbine HP 200, l'air de refroidissement est
évacué à travers les passages de circulation d'air qui sont ménagés entre les
boulons 20 reliant le tourillon HP 100 au disque de turbine HP 200 comme
représenté sur les figure 2 et 3. En aval des ouvertures de circulation d'air,
l'air
de refroidissement refroidit la turbine BP du moteur à double corps. Autrement
dit, l'air de refroidissement circule successivement entre les dents 251 de la
bride
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de fixation aval 250 du disque de turbine HP 200 et à travers les ouvertures
de
ventilation 110 ménagées dans le tourillon HP 100.
Le disque d'étanchéité à labyrinthe 300
Selon une autre caractéristique de l'invention, un disque d'étanchéité à
labyrinthe
300 est monté avec le disque de turbine HP 200 et le tourillon HP 100, le
disque
d'étanchéité 300 étant monté en aval du tourillon HP 100.
En référence à la figure 6, le disque d'étanchéité à labyrinthe 300 se
présente
sous la forme d'une couronne annulaire radiale comprenant à son extrémité
radiale extérieure, i.e. la plus éloignée de l'axe du moteur, des lames
radiales
d'étanchéité 304 formant joint d'étanchéité à labyrinthe, et comprenant à son
extrémité intérieure, i.e. la plus proche de l'axe du moteur, une bande
annulaire
radiale de fixation 350.
La bande annulaire radiale de fixation 350 du disque d'étanchéité 300 comprend
des alésages de fixation 320 alternés avec des ouvertures de ventilation 310,
les
alésages 320 et les ouvertures 310 étant disposés circonférentiellement sur la
bande annulaire radiale de fixation 350. Les alésages de fixation 320 et les
ouvertures de ventilation 310 du disque d'étanchéité 300 sont ménagés de
manière à correspondre avec leurs homologues ménagés sur le tourillon HP 100.
Pour fixer le disque d'étanchéité 300, on met en contact surfacique la face
tournée vers l'aval de la bride de fixation aval 250 du disque de turbine HP
200
avec la face tournée vers l'amont de la partie annulaire radiale 150 du
tourillon
HP 100. Puis, on met en contact surfacique la face tournée vers l'amont de la
bande de fixation 350 du disque d'étanchéité 300 avec la face tournée vers
l'aval
de la partie annulaire radiale 150 du tourillon HP 100.
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Ensuite, on aligne les alésages de fixation 120, 220, 320 du disque de turbine
HP
200, du tourillon HP 100 et du disque d'étanchéité 300. Du fait de
l'alignement
des alésages de fixation 120, 220, 320, les ouvertures de ventilation 110, 310
du
tourillon HP 100 et du disque d'étanchéité 300 sont alignées avec les créneaux
252 de la bride de fixation 250 du disque de turbine HP 200.
On boulonne ensuite ensemble le disque de turbine 200, le tourillon 100 et le
disque d'étanchéité 300 via les alésages de fixation 120, 220, 320 qui sont
alignés. Après fixation, des passages de circulation d'air sont ménagés entre
les
boulons de maintien 20.
La section de passage des ouvertures de ventilation 310 du disque d'étanchéité
300 est adaptée de manière à pouvoir calibrer le débit de circulation de l'air
de
refroidissement dans l'alésage central 201 du disque de turbine 200. Dans cet
exemple, le diamètre des ouvertures circulaires de ventilation 310 du disque
d'étanchéité 300 est inférieur au diamètre des ouvertures circulaires de
ventilation 110 du tourillon HP 100, entraînant une diminution du débit d'air
de
refroidissement dans l'alésage de central 201.
