COOLING OF UPSTREAM FLANGE OF HIGH PRESSURE TURBINE BY CHAMBER END TWIN INJECTORS

REFROIDISSEMENT DU FLASQUE AMONT D'UNE TURBINE A HAUTE PRESSION PAR UN SYSTEME A DOUBLE INJECTEURS FOND DE CHAMBRE

Abrégé français

L'invention concerne un dispositif de ventilation d'un rotor de turbine à haute pression qui comporte un disque de turbine (3) et un flasque amont (5). Un premier circuit de refroidissement des aubes délivre un premier débit d'air (C1), via des injecteurs principaux (15) et des trous (11) ménagés dans le flasque (5). Un deuxième circuit de refroidissement délivre un deuxième débit d'air (C2) à travers un labyrinthe de décharge (18) situé en aval du compresseur, une partie de ce deuxième débit servant au refroidissement de la face supérieure amont du flasque au travers d'un deuxième labyrinthe (22) situé sous les injecteurs principaux (15). Une dérivation est prévue entre le premier circuit et l'enceinte (23) située en aval du deuxième labyrinthe (22) et délivre un troisième débit (C1a) mis en pré-rotation au moyen d'injecteurs additionnels (30) réalisés sous forme de perçages inclinés.

Abrégé anglais

The invention concerns a device for ventilating a high-pressure turbine rotor which comprises a turbine disk (3) and an upstream flange (5). A first vane cooling circuit delivers a first air flow (C1), via primary injectors (15) and holes (11) in the flange (5). A second cooling circuit delivers a second air flow (C2) through a discharge labyrinth (18) located downstream of the compressor, one part of this second air flow serving to cool the upstream upper face of the flange through a second labyrinth (22) located below the primary injectors (15). A bypass is provided between the first circuit and the body (23) located downstream of the second labyrinth (22) and delivers a third flow (C1a) placed in pre-rotation by means of additional injectors (30) in the form of inclined drill-holes.

Revendications

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REVENDICATIONS
1. Dispositif de ventilation d'un rotor de turbine à haute pression
d'une turbomachine, cette turbine étant disposée en aval de la chambre
de combustion et comportant, d'une part, un disque de turbine présentant
un alésage intérieur et une bride amont pour sa fixation sur le cône aval
d'un compresseur, à haute pression, et, d'autre part, un flasque disposé
en amont dudit disque et séparé de ce dernier par une cavité, ledit flasque
comportant une partie radialement intérieure massive ayant également un
alésage intérieur, à travers lequel s'étend la bride amont dudit disque, et
une bride amont pour sa fixation sur ledit cône aval, ledit dispositif
comportant un premier circuit pour le refroidissement des aubes alimenté
par un premier débit d'air prélevé en fond de chambre et délivrant ce
premier débit d'air dans ladite cavité via des injecteurs principaux disposés
en amont dudit flasque et des trous de ventilation ménagés dans ledit
flasque, et un deuxième circuit pour le refroidissement du flasque,
alimenté par un deuxième débit d'air au travers d'un labyrinthe de
décharge situé en aval du compresseur à haute pression, une partie au
moins dudit deuxième débit d'air servant à ventiler la face supérieure
amont dudit flasque au travers d'un deuxième labyrinthe situé sous les
injecteurs,
caractérisé par le fait que ledit dispositif comporte en outre une
dérivation entre le premier circuit (13) et l'enceinte (23) située en aval du
deuxième labyrinthe (22), ladite dérivation délivrant un troisième débit
d'air (C1a) pour le refroidissement de la face supérieure amont (32) de la
partie radialement intérieure (31) dudit flasque (5), ce troisième débit d'air
(C1a) étant mis en pré-rotation au moyen d'injecteurs additionnels (30).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que
les injecteurs additionnels sont réalisés sous forme de perçages (30)
inclinés tangentiellement dans le sens de rotation du rotor.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le faut que
lesdits perçages (30) prélèvent de l'air dans les injecteurs principaux (15).
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que
lesdits perçages (30) délivrent de l'air immédiatement en aval du
deuxième labyrinthe.

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5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4,
caractérisé par le fait que le deuxième labyrinthe (22) est disposé entre
les injecteurs principaux (15) et la bride amont (5a) du flasque (5).
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que
la bride amont (5a) du flasque (5) est radiale.

Description

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Refroidissement du flasque amont d'une turbine à haute pression
par un système à double injecteurs fond de chambre.
L'invention concerne le domaine de la ventilation des rotors de
turbine à haute pression des turboréacteurs.
Elle concerne plus précisément un dispositif de ventilation d'un
rotor de turbine à haute pression d'une turbomachine, cette turbine étant
disposée en aval de la chambre de combustion et comportant, d'une part,
un disque de turbine présentant un alésage intérieur et une bride amont
pour sa fixation sur le cône aval d'un compresseur, à haute pression, et,
d'autre part, un flasque disposé en amont dudit disque et séparé de ce
dernier par une cavité, ledit flasque comportant une partie radialement
intérieure massive ayant également un alésage intérieur, à travers lequel
s'étend la bride amont dudit disque, et une bride amont pour sa fixation
sur ledit cône aval, ledit dispositif comportant un premier circuit pour le
refroidissement des aubes alimenté par un premier débit d'air prélevé en
fond de chambre et délivrant ce premier débit d'air dans ladite cavité via
des injecteurs principaux disposés en amont dudit flasque et des trous de
ventilation ménagés dans ledit flasque, et un deuxième circuit pour le
refroidissement du flasque, alimenté par un deuxième débit d'air au
travers d'un labyrinthe de décharge situé en aval du compresseur à haute
pression, une partie au moins dudit deuxième débit d'air servant à ventiler
la face supérieure amont dudit flasque au travers d'un deuxième
labyrinthe situé sous les injecteurs.
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 C1 de refroidissement prélevé en
fond de chambre est délivré dans la cavité 12 séparant la face aval du
flasque 5 de la face amont du disque 3. Ce débit d'air C1 de

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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 12. 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 C1 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 1S 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
refroidissement des aubes, soit dans la veine en amont de la roue de

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turbine à haute pression. Cette augmentation de débit génère une
augmentation de la température de l'air 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.
La température de la face amont du flasque en aval du
deuxième labyrinthe est donc assez élevée et mal maîtrisée. Ceci nécessite
d'utiliser des matériaux spéciaux pour la réalisation du flasque et un
dimensionnement approprié.
Le but de l'invention est d'abaisser la température de la face
amont du flasque afin de faciliter son dimensionnement en survitesse,
d'augmenter sa durée de vïe et de pouvoir utiliser un matériau
économique.
Ce but est atteint selon l'invention par le fait que ledit dispositif
comporte en outre une dérivation entre le premier circuit et l'enceinte
interne située en aval du deuxième labyrinthe, ladite dérivation délivrant
un troisième débit d'air pour le refroidissement de la face supérieure
amont de la partie radialement intérieure dudit flasque, ce troisième débit
d'air étant mis en pré-rotation au moyen d'injecteurs additionnels.
Ce troisième débit d'air pré-entraîné et injecté en aval du
labyrinthe sous injecteurs principaux permet ainsi de réduire la
température totale relative de l'air venant refroidir la face amont du
flasque en aval du deuxième labyrinthe. Ce troisième débit d'air se
mélange au débit de fuite du labyrinthe sous injecteurs et est évacué en
aval des injecteurs principaux de turbine, dans le circuit d'alimentation des
roues de turbine à haute pression.
L'air injecté dans le circuit d'alimentation de la roue de turbine
est ainsi plus froid que celui de l'air injecté selon l'état de la technique.

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Avantageusement, les injecteurs additionnels sont réalisés sous
forme de perçages inclinés tangentiellement dans le sens de rotation du
rotor.
De préférence, lesdits perçages prélèvent de l'air dans les
injecteurs principaux, et le délivrent immédiatement en aval du deuxième
labyrinthe.
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 selon l'art antérieur ;
la figure 2 est une demi-coupe axiale d'un rotor de turbine de
turboréacteur qui comporte le dispositif de refroidissement selon
l'invention ; et
les figures 3 à 5 montrent les évolutions de température de
l'alésage du flasque amont respectivement en fonction du jeu du
labyrinthe de décharge du compresseur, du labyrinthe sous injecteurs et
du labyrinthe sur-injecteurs, avec un dispositif de ventilation classique et
avec un dispositif de ventilation selon l'invention.
L'état de la technique montré sur la figure 1 a été discuté dans
l'introduction et ne nécessite pas d'autres explications.
La figure 2 montre un rotor de turbine 1 qui se différencie de
celui montré sur la figure 1 par le fait que l'enceinte 23 située en aval du
deuxième labyrinthe 22 est alimentée en air, d'une part, par une fuite d'air
C2c provenant de l'enceinte 14 via le deuxième labyrinthe 22 et, d'autre
part, par un débit d'air C1a délivré par une dérivation ménagée entre le
conduit 13 délivrant le premier débit d'air C1 et l'enceinte 23. La dérivation
est constituée d'une pluralité de perçages 30 débouchant, d'une part, à
l'entrée des injecteurs principaux 15 et, d'autre part, dans l'enceinte 23
immédiatement en aval du deuxième labyrinthe 22. Les perçages 30 sont
cylindriques et inclinés tangentiellement dans le sens de rotation du rotor
de turbine 1.
Ainsi que cela est visible sur la figure 2, la partie radialement
intérieure 31 du flasque 5 a une forme massive, et s'étend axialement vers
l'avant du moteur jusqu'à la bride radiale 5a qui sert à sa fixation à

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l'extrémité aval 6 du cône aval 7 du compresseur. Le labyrinthe 22, situé
sous les injecteurs 15 est disposé à la périphérie de la bride radiale 5a.
Les perçages 30 sont sensiblement radiaux et dirigés vers la face
supérieure 32 de la partie radiaiement intérieure du flasque 5.
5 Du fait que les perçages 30 sont inclinés dans le sens de
rotation du rotor de turbine 1, le débit d'air Cia délivré par les perçages
30 est à une température totale relative réduite par rapport à l'air de
refroidissement des mêmes régions dans l'état de la technique.
Le gain de température peut être estimé à 30°C. Le débit d'air
Cia se mélange au débit de fuite C2c du labyrinthe sous injecteurs 22 et
est évacué en aval des injecteurs principaux 15, dans le circuit
d'alimentation de la roue de turbine.
Ainsi que cela se voit sur la figure 2, la bride radiale 5a ne
comporte pas d'orifices pour alimenter la chambre annulaire 33 située
entre la partie radialement intérieure 31 du flasque 5 et la bride aval 3a du
disque de turbine 3, du fait que le troisième débit d'air Cia, est suffisant
pour assurer à lui seul le refroidissement de la totalité du flasque 5.
L'air injecté dans le circuit d'alimentation de la roue de turbine
pour le refroidissement des aubes ainsi pré-entraîné est plus froid, que
l'air de refroidissement des aubes dans une ventilation classique. Le gain
de température peut être estimé à 15°, ce qui équivaut à un gain de
consommation spécifique de 0,06 % environ.
En outre, le débit d'air froid Cia délivré par les perçages
n'est pas influencé par les variations des jeux des labyrinthes
25 environnants, car ce débit est calibré par les perçages 30.
La figure 3 montre en pointillé l'évolution de la température de
l'alésage 31 du flasque 5 dans une ventilation classique de rotor de
turbine, et en traits pleins, l'évolution de la température au même endroit
avec le dispositif de ventilation selon l'invention en fonction du jeu du
30 labyrinthe de décharge 18 exprimé en mm.
On constate que l'évolution de cette température avec le
dispositif selon l'invention est sensiblement constante et toujours
inférieure à la température obtenue à cet endroit avec une ventilation
classique.
La figure 4 montre l'évolution de la température de l'alésage 31
du flasque 5 en fonction du jeu du deuxième labyrinthe 22 situé sous les

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injecteurs principaux 15, avec une ventilation classique (courbe en
pointillé) et avec un dispositif de ventilation selon l'invention.
On constate également que, toutes choses étant égales par
ailleurs, la température dans cette zone avec le dispositif selon l'invention
est sensiblement constante et inférieure à celle obtenue avec une
ventilation classique.
La figure 5 montre l'évolution de la température au même
endroit du flasque, en fonction du jeu du troisième labyrinthe 24, pour
une ventilation classique (courbe en pointillé) et pour une ventilation avec
le dispositif selon l'invention. La température dans cette région est
sensiblement constante avec un dispositif de ventilation selon l'invention.
Du fait que la température du flasque 5 au voisinage du
troisième labyrinthe 24 est sensiblement constante avec le dispositif de
ventilation selon l'invention, et inférieure à celle obtenue avec une
ventilation classique, le flasque 5 est moins sollicité par des contraintes
thermiques, et il peut être réalisé dans un matériau moins coûteux et plus
facile à travailler.

Dessin représentatif