COOLING DEVICE FOR A TURBINE DISK

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT D'UN DISQUE DE TURBINE

Abrégé français

Dispositif de refroidissement de la partie externe d'un disque de turbine (2) au moyen d'un courant d'air frais externe (circuit II) sans mélange avec la ventilation plus chaude du centre du disque (circuit I). Une pièce (30) traversée de canaux (31, 32) qui se croisent sans se couper permet d'éviter le mélange de courants sensiblement perpendiculaires devant une partie (22) du disque (2) et un mélange qui réduit l'efficacité du refroidissement.

Abrégé anglais

Cooling device for the outer part of a turbine disk (2) using external fresh air flow (circuit II) without mixture with the warmer ventilation from the center of the disk (circuit I). A part (30) crossed by channels (31, 32) which cross one another without connecting prevents the mixture of essentially perpendicular air flows in front of a part (22) of the disk (2), a mixture which would reduce cooling efficiency.

Revendications

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REVENDICATIONS
1. Dispositif de refroidissement d'un disque de
turbine (2) couvert par un flasque (13) comprenant un
premier (I) et un second (II) circuits de ventilation
d'air originaires d'un stator (6) et débouchant
respectivement devant une couronne interne (11) du
disque et une couronne externe (22) du flasque (13),
une portion du premier circuit (I) bifurquant vers un
joint d'étanchéité (23) disposé entre le flasque et le
stator, puis devant le flasque (13) et parallèlement au
flasque, vers la couronne externe (22) du flasque,
caractérisé en ce qu'il comprend une pièce (30) située
devant la couronne externe, traversée de premiers
canaux (31) sensiblement parallèles à une surface de
flanc (29) du flasque et prolongeant le premier circuit
de ventilation et de seconds canaux (32) prolongeant le
second circuit de ventilation, croisant les premiers
canaux sans les couper, et se terminant devant la
couronne externe (22).
2. Dispositif de refroidissement d'un disque de
turbine suivant la revendication 1, caractérisé en ce
que le flasque (13) comprend une pièce (33) de guidage
d'une portion centrifuge et courant le long de la
surface de flanc (29) du flasque d'un écoulement d'air
originaire du premier circuit de ventilation vers les
premiers canaux (31).
3. Dispositif de refroidissement d'un disque de
turbine suivant la revendication 2, caractérisé en ce
que la pièce de guidage est une crête à bord (34)
frôlant la pièce (30) traversée par les canaux, qui est
fixée au stator (6).
4. Dispositif de refroidissement d'un disque de
turbine suivant la revendication 1, caractérisé en ce
que la pièce (30) traversée par les canaux comprend un

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écran (35) parallèle à la couronne externe (22) et
situé entre celle-ci et les premiers canaux (31).
5. Dispositif de refroidissement d'un disque de
turbine suivant la revendication 4, caractérisé en ce
que les premiers canaux (31) et l'écran (35) s'étendent
devant respectivement des portions radialement interne
et externe de la couronne externe (22).
6. Dispositif de refroidissement d'un disque de
turbine suivant la revendication 1, où les circuits de
ventilation possèdent des portions contiguës en aval
d'un joint à labyrinthe ou à brosse (17) au travers du
second circuit de ventilation mais en amont d'un autre
joint à labyrinthe ou à brosse (23) au travers du
premier circuit de ventilation, les joints à labyrinthe
étant jetés entre le stator (6) et un rotor (4) auquel
appartient la turbine, caractérisé en ce que les
portions contiguës sont munies d'obstacles (38)
fournissant un échange de chaleur entre les circuits.

Description

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DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT D'UN DISQUE DE TURBINE
DESCRIPTION
L'invention concerne un dispositif de
refroidissement d'un disque de turbine.
Dans la portipn de turbine à gaz d' une machine
existante illustrée à la figure 1, la turbine à haute
pression 1 commence en un disque 2 porteur d'un premier
étage d'aubes mobiles 3 et fixé au rotor 4. Ce disque 2
est situé en aval d' une chambre de combustion 5 formée
dans un stator 6 entourant le rotor 4 et qui se situe
elle-même en aval d'un compresseur à haute pression 7.
Les gaz résultant de la combustion du carburant
dans la chambre 5 chauffent très fortement le disque 2,
qu'il s'agit donc de refroidir énergiquement pour
maintenir la matière qui le compose à une température
compatible avec le maintien de ses propriétés de
résistance mécanique. Le moyen utilisé consiste en deux
circuits de ventilation I et II d'air plus frais . le
premier d'entre eux I, illustré par les flèches en
trait plein, utilise de l'air soutiré juste en amont de
la chambre de combustion 5 et qui passe par un volume
de fond de chambre 28 avant de le quitter par des
orifices 8 pour pénétrer dans des chambres d'injection
9 d'où l'air sort par des injecteurs à haute pression
10 qui l'accélèrent et le propulsent à grande vitesse
vers le flanc 14 du disque 2.
Une partie de cet air parvient effectivement à
une couronne interne 11 appartenant au flanc 14 après
avoir traversé des orifices 12 d'un flasque 13 couvrant
le disque 2, après quoi la rotation du disque 2 produit
une force centrifuge sur l'écoulement d'air, qui le
dirige vers l'extérieur ; l'air est guidé entre la
surface de flanc 14 du disque 2 et le flasque 13 pour
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refroidir finalement la périphérie du disque 2 en
pénétrant dans des cavités 15 creusées dans celle-ci.
Le second écoulement d'air II, illustré par les
flèches en pointillés, est prélevé juste après le
compresseur à haute pression 7 et passe par une chambre
16 comprise entre le rotor 4 et le stator 6 d'où il
sort par un joint à labyrinthe ou à brosse 17 jeté
entre ces pièces et composé plus précisément de
léchettes 18, c'est--à-dire de crêtes circulaires
érigées sur le rotor 4, qui frottent sur une matiére
abradable 19 fixée au stator 6, c'est-à-dire une
matière tendre qu'elles creusent au gré des dilatations
différentielles aux différents régimes de la machine.
La pression de l'air projette l'air hors de la chambre
16 et dans un canal 20 annulaire et d'orientation
divergente, contigu à une partie du fond de chambre 28
sur une grande partie de sa longueur et d'où l'air sort
par des injecteurs supérieurs 36 qui débouchent devant
une couronne radialement externe 22 du disque de
turbine 2, appartenant en fait à une surface de flanc
29 du flasque 13 solidaire de ce disque.
L'air du second circuit de ventilation exerce
une réfrigération notable sur la couronne externe 22 en
atteignant cette zone proche des gaz de combustion et
donc plus fortement échauffée. La nécessité de
refroidir tout le disque 2 mais surtout sa périphérie
justifie la dualité des circuits de refroidissement,
dont l'air peut d'ailleurs provenir d'autres endroits
de la machine. Toutefois, il est prévu qu'une partie de
l'air du premier circuit de ventilation ne passe pas
par les orifices 12 mais contourne le flasque 13 par
l'extérieur et passe par un joint à labyrinthe ou à
brosse 23, à peu près semblable au précédent 17 et
composé comme lui de léchettes 24 érigées sur le
flasque 13 et d'une couche d'abradable 25 soudée sur
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une surface du stator 6. Les forces centrifuges que le
flasque 13 exerce sur cette portion du premier
écoulement la redressent comme la portion précédente et
la font longer la surface de flanc 29 pour finalement
croiser l'écoulement du second circuit de ventilation
devant la couronne externe 22.
L'origine de l'invention repose sur la
constatatipn que cette situation n'était pas idéale car
le courant d'air provenant du circuit I est nettement
plus chaud que celui du circuit II (d'environ 50°C).
Les brevets britanniques 2 135 394 et 2 184 167
décrivent des dispositifs analogues à celui de la
figure 1 et qui comprennent en particulier un double
circuit de refroidissement par circulation d'air, mais
des différences importantes existent . c'est ainsi que
l'air du circuit II est le plus chaud et ne sert pas à
refroidir le disque mais les portions du rotor et du
stator adjacentes à la chambre 16.
L'invention consiste à ajouter des pièces dont
la fonction est de canaliser les écoulements afin que
leur mélange soit exclu et que l'air du circuit II
originaire des injecteurs supérieurs 36 parvienne sans
encombre sur la couronne extérieure 22 : cet air du
circuit II est sensiblement plus frais que celui du
premier circuit I, car le joint à labyrinthe ou à
brosse 17 qui lui est associé échauffe moins l' air que
le joint à labyrinthe 23 de plus grand diamètre, et
l'air du premier circuit I est centrifugé à la sortie
du labyrinthe 23, donc comprimé, ce qui l'échauffe
également.
Ce surcroît de réfrigération dü à l'air du
second circuit compense largement la perte de
réfrigération consécutive à la dérivation temporaire du
courant d'air du premier écoulement, dont l'action est
moindre.
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Sous sa forme la plus générale, l'invention
consiste donc en un dispositif de refroidissement d'un
disque de turbine couvert par un flasque comprenant un
premier et un second circuits de ventilation d'air
originaires d'un stator et débouchant respectivement
devant une couronne interne du disque et une couronne
externe râdialement du flasque, une portion du premier
circuit bifurquant vers un joint d'étanchéité disposé
entre le flasque et le stator, puis devant le flasque
et parallèlement au flasque, vers la couronne externe
du flasque, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce
située devant la couronne externe, traversée de
premiers canaux sensiblement parallèles à une surface
de flanc du flasque et prolongeant le premier circuit
de ventilation et de seconds canaux prolongeant le
second circuit de ventilation, croisant les premiers
canaux sans les couper, et se terminant devant la
couronne externe.
D'autres particularités de l'invention seront
plus facilement saisies à l'aide de la description
détaillée d'une de ses réalisations, qui va maintenant
être faite au moyen des figures suivantes .
- la figure 1, déjà décrite, illustre une
conception déjà connue de turbines à gaz à laquelle
l'invention peut être appliquée ;
- les figures 2 et 3 illustrent l'invention, la
figure 3 étant une section selon la ligne A-A de la
figure 2, et
- la fiaure 4 illustre une amélioration
possible.
L'élément fondamental de l'invention,
représenté à la figure 2, est une couronne
distributrice 30 solidaire du stator 6 et située
immédiatement devant la couronne externe 22 à
refroidir, à peu de distance d'elle et en n'étant
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séparée d'elle par aucun obstacle. La couronne
distributrice 30 est traversée de canaux axiaux 32 qui
prolongent les injecteurs supérieurs 36 pour aboutir
devant la couronne externe 22, et les canaux 32 sont
5 séparés par des canaux sensiblement radiaux 31 qui
croisent les précédents sans les couper, comme le
montre le détail en section de la figure 3.
L'intérieur de la couronne distributrice 30 est
agencé pour réduire au minimum les pertes de charges ;
c'est ainsi que les canaux axiaux 32 peuvent être
raccordés à des injecteurs 36 de direction oblique,
infléchis dans le sens de défilement du disque 2.
L'air de ventilation du second circuit II
emprunte les canaux axiaux 32 et n'est donc pas affecté
par l'air du circuit I, qui passe par les canaux
radiaux 31 ; le mélange des écoulements ne se produit
qu'à la périphérie du disque 2, au-delà de la couronne
externe 22. Pour réduire encore les occasions de
mélange, on peut construire le flasque 13 avec une
léchette 33 sur sa surface de flanc 14, c'est-à-dire
une crête dont l'extrémité libre 34 frôle la couronne
distributrice 30 et dont le but est de guider l' air de
l'écoulement I longeant la surface de flanc 29 du
flasque 13 vers les canaux radiaux 31, sans lui
permettre de se glisser jusqu'à la couronne externe 22.
Dans la réalisation illustrée où la partie de la
couronne distributrice 30 porteuse des canaux 31 et 32
s'étend devant une portion radialement intérieure de la
couronne externe 22, il est possible d'adjoindre à la
couronne distributrice 30 un écran 35 parallèle à la
couronne externe 22 et qui s'étend devant le reste de
celle-ci, pour séparer par force les écoulements des
deux circuits jusqu'au-delà de la couronne externe 22.
Le croisement des circuits I et II essentiel au
refroidissement de disque 2 doit être distingué de leur
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croisement précédent à l'endroit des orifices 8, qui
n'a évidemment par le même rôle.
Si on se reporte maintenant à la figure 4, on
constate que l'efficacité de l'invention est encore
améliorée si l'air plus frais du second circuit II est
encore refroidi. On profite pour cela de l'air du
premier circuit, qui est temporairement plus frais
avant qu'il n'ait franchi les injecteurs à haute
pression ZO et le joint à labyrinthe ou à brosse 23 et
après que l'air du second circuit a franchi son joint à
labyrinthe ou à brosse 17. I1 se trouve que les
écoulements sont contigus dans une partie de cet état,
puisqu'ils circulent alors dans le fond de chambre 28
et le canal divergent 20 qui ne sont séparés que par
une cloison assez mince 37 du carter de stator 6. I1
suffit alors d'établir des obstacles 38 tels que des
nervures, des bossages ou des ondulations sur les deux
faces de cette cloison 37 pour favoriser l'échange de
chaleur entre les deux écoulements.
Le disque de turbine 2 est porté à une
température supérieure à 650°C dans la machine connue.
L'utilisation de l'invention permet de réduire cette
température de plusieurs dizaines de degrés pour le
flasque 13. Le progrès est important si on considère le
haut niveau de qualité déjà atteint avec les moteurs
existants ; il pourra être exploité en recourant à des
matières moins coûteuses pour construire le disque 2 et
son flasque 13, ou en réduisant les débits de
refroidissement.
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Dessin représentatif