Brevet FR2029612A1 — publié le 19701023

i 2029612 La présente invention concerne le perfectionnement des moteurs à turbines à gaz et plus particulièrement le refroidissement des rotors des turbines de ces moteurs. Un moteur à turbine à gaz comporte d'une façon 5 classique un compresseur pour fournir-l'air sous pression pour la combustion du carburant produisant le courant de gaz chauds. Ce courant de gaz chauds entraîne une turbine couplée au compresseur et il est ensuite utilisé pour produire une force de propulsion. Pour obtenir un rendement et des puissances supérieures, 10 le courant de gaz chauds est au passage à travers la turbine à une température dépassant les possibilités mécaniques des matières utilisées pour la fabrication des turbines, en particulier en considérant les contraintes importantes imposées au rotor de la turbine. Cela a conduit à différents systèmes pour le rëfroidis-15 sement de la turbine, en particulier pour les parties exposées au courant de gaz chauds. Suivant l'une des solutions, de l'air relativement froid fourni par le coiapressem3 du moteur est dirigé à travers des'passages forcés dans les ailettes de la turbine. Ce refroidissement permet de ne pas dépasser las possibilités de 20 pésistanoe de la matière formant les ailettes at d® maintenir les ailettes à une température inférieure à celle qui provoquerait la fusion ou le brûlage. L'un des problèmes les plus difficiles rencontrés pour ce mode de refroidissement des rotors des turbines concerne 25 l'écoulement de l'air"de refroidissement provenant du compresseur à travers des conduits vers la turbine qui tourne à grande vitesse» L!air de refroidissement est habituellement envoyé en by-pass « intérieurement par rapport à la chambre de combustion, et il est ensuite introduit dans des passages formés dans le rotor de la 30 turbine. Les entrées du rotor vers les passages du rotor ont en général une vitesse périphérique dépassant 100 m/mn et pouvant atteindre plusieurs milliers de mètres par minute. Il est par suite nécessaire pour envoyer l'air de refroidissement dans le rotor de la turbine d'exercer un travail 35 important sur l'air de refroidissement pour 1'injecter dans le rotor. Ce travail exercé sur l'air augmente sa température à l'entrée dans la turbine. Cette augmentation de la température réduit le rendement d'une masse donnée d'air pour le refroidissement des BAD ômS'.\!4L 70 02514 2 2029612 ailettes et d'autres éléments de la turbine devant être refroidis. L'invention a pour objet de réduire le travail effectué sur l'air de refroidissement et de réduire la température 5 de l'air pénétrant dans le rotor d'une turbine pour le refroidissement des organes de la turbine. D'une façon générale, ces objets de l'invention sont atteints dans un moteur à turbine à gaz comportant un rotor de turbine avec des ailettes dépassant du rotor, en formant une 10 chambre d'entrée d'air définie au moins partiellement par le rotor de la turbine. L'air de refroidissement est introduit dans cette chambre d'entrée à travers un distributeur qui provoque une réduction de la température statique de l'air qui passe ensuite de la chambpe d'entrée vers des passages du rotor de la turbine com-15 asuniquant avec cette chambre. Les ailettes du distributeur sont fie préférence inclinées de façon que l'air- de refroidissement pénètre dans la chambre d'entrée avec une composante vectorielle do direction générale axiale relativement au rotor ds façon à i-éduire au minimum le travail fourni à l'ai? et par suite l'élé-£0 melon de la température de l'ailé à son entrée dans les passages formant un système de refroidissement intérieur des ailettes de la turbine. Autrement dit, les composantes de vitesse circonféren-tielle de l'air de refroidissement et des entrées des passages du rotor sont rendues approximativement égales. 25 D'une façon plus particulière, l'objet de l'invention est atteint en formant une chambre d'entrée-définie aussi par une paire d'éléments d'étanohéité annulaires espacés, solidaires du rotor de la turbine et faisant face à un distributeur annulaire à ailettes. La chambre tournante est maintenue à une pression 30 inférieure à celle de-l'air de refroidissement à son point d'extraction du compresseur et supérieure à la pression statique du courant de gaz pénétrant dans la première série d'ailettes tournantes de la turbine afin que les fuites .pouvant avoir lieu à partir de la chambre de réfrigérant aient un effet minimal sur 33 l'action de refroidissement de la turbine. Conformément à l'invention, une turbine à gaz comportant un rotor avec des ailettes dépassant du rotor est caractérisée par une chambre d'entrée d'air comprenant au moins une BAD ORIGINAL 70 02514 5 2029612 partie des passages pour l'air de refroidissement du rotor, ces passages communiquant avec la chambre et traversant les ailettes et un distributeur pour introduire l'air de refroidissement dans cette chambre, ce distributeur accélérant l'air de 5 refroidissement et provoquant une réduction de sa température statique afin de réduire au minimum la température de l'air traversant les passages de refroidissement. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre 10 d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés* sur lesquels : la figure 1 est une vue schématique aa élévation et partiellement en coupe d'un moteur à turbine à gaz comportant un dispositif de refroidissement selon un mode de mise en oeuvre 15 de l'invention, la figure 2 est une vue en perspective et en coupe d'un système de refroidissement selon un mode de mise en oeuvre de 1'invention, la figure 3 est une coupe longitudinale du système 20 de refroidissement , et la figure 4 est une coupe suivant la ligne XV-IV de la figure 3« Le moteur à turbine à gaz 10 représenté sur la figure 1 comprend un compresseur àécoulement axial 12 qui comprime l'air 25 pour la combustion du carburant dans une chambre de combustion 14. Le courant de gaz chauds engendrés dans la chambre de combustion 14 traverse une turbine 16 pour l'entraîner. Le courant de gaz chauds pénètre ensuite dans une chambre de post-combustion 18 dans laquelle du carburant supplémentaire est envoyé sélectivement 30 et brûle avant l'échappement du courant de gaz• à travers une tuyère 20 pour produire la poussée de propulsion du moteur. La turbine 16 comporte un rotor composite 24 relié par un arbre 26 au rotor composite 28 du compresseur 12. La chambre de combustion 14 est du typé annulaire et comporte des 35 chemises 29 espacées d'un élément d'enveloppe extérieur 30 et d'un cartér intérieur 32 pour établir un trajet d'écoulement pour l'air de refroidissement et pour l'air de combustion secondaire pénétrant à l'intérièur des chemises 29. L'air sous pression re 70 02514 4 2029612 foulé par le compresseur 12 passe non seulement à travers ces espaces annulaires et la chambre de combustion, mais aussi traverse des ouvertures 33 vers unp chambre 34" formée entre le carter et le rotor du moteur comprenant l'arbre 26 et une partie 5 du rotor 24 du compresseur. Cet air constitue un réfrigérant pour le rotor de la turbine de la façon décrite ci-après, h l'extrémité aval de la chambre 34 est disposé ùn distributeur annulaire 36 qui dirige l'air de refroidissement dans une chambre d'entrée annulaire tournante 38. -L'air passe ensuite de la chambre d'en-10 trée 38 à travers des ouvertures 40 formées dans le disque 42 du rotor de la turbine. L'air de refroidissement traverse ensuite des passages 44 formés dans les talons 46 fixant les ailettes 48 sur le disque 42. Les ailettes 48 comportent des passages de refroidissement à travers lesquels est envoyé l'air pour le refroi-15 dissement des ailettes. L'air de refroidissement peut aussi être dirigé à partir des ouvertures: 40 vers un second étage de la turbine couplé au disque 42 du premier étage par un élément d'arbre 4y et un écran thermique 49. Le distributeur 36 est supporté par le carter inté-20 rieur 32 par l'intermédiaire d'entretoises 50 sur lesquelles le rebord, ou bride extérieure, 52 du distributeur 36 est fixé -au moyen des boulons 56. Le distributeur 36 comprend un châssis annulaire 54 à profil en U dont la branche intérieure constitue un écran extérieur 57. Les ailettes 58 du distributeur dépassent 25 vers l'intérieur à partir de l'écran extérieur 57 sont fixées à un écran intérieur 60. Comme il a été indiqué ci-dessus, l'air de refroidissement est dirigé par le distributeur 36 vers la chambre tournante 38. Cette chambre tournante est définie en partie par un 30 élément d'arbre 62 (qui est une partie du rotor 24 de la turbine) et par un anneau 64 espacé radialement de l'élément conique 62. L'anneau 64 et-l'élément d'arbre 62 sont fixés au disque 42 par des boulons 66. L'anneau 64 comporte un rebord circulaire 68 qui, avec l'écran thermique 49, bloque les talons 46 dans la direction 35 axiale sur le disque 42. La partie conique 62 comporte des nervures circulaires à profil de dents 72 d'un labyrinthe qui co-' opèrerfcavec des surfaces d'étanchéité 7^ d'un élément annulaire J6 fixé à l'écran intérieur 60 par des boulons J8 pour former un joint tournant d'étanchéité 79 entre les chambres 34 et 38. 70 02514 5 2029612 L'anneau 64 comporte des nervures circulaires à profil de dents de labyrinthe 80 qui coopèrent avec les surfaces d'étanchéité 82 d'un élément annulaire 84 solidaire du châssis 5b, Les nervures circulaires 80 et les surfaces d'é-5 tanchéité 82 forment un joint d'étanchéité 83 entre la chambre 38 et une chambre 86. La chambre 86 est délimitée par les éléments fixes 50 et 84 et par les surfaces aval des talons 46. Cette chambre est aussi délimitée partiellement par l'écran ou cercle intérieur 88 du diaphragme du distributeur de la turbine qui di-10 rige le courant de gaz chauds vers les ailettes 48 du rotor de la turbine. Les pressions relatives dans les chambres 34 et 38 sont établies pour provoquer l'écoulement voulu de l'air de refroidissement à travers le distributeur 36. La pression dans la chambre 34 résulte du compresseur à écoulement axial, et cette 15 pression est sensiblement égale à celle de la sortie du compresseur.. La chambre 38 est à une pression plus basse et la chambre 86 à une pression encore plus basse. En raison de la différence de pression entre les deux cotés du distributeur 36, un courant d'air est établi à travers celui-ci. L'air s'écoulant à travers 20 le distributeur 36 est accéléré dans une direction angulaire représentée par le vecteur de vitesse -V . Il en résulte en même 3. temps une diminution de la température statique du fait de la conversion d'une partie de l'énergie thermique de l'air en énergie cinétique. 25 En plus de la réduction de la température statique de l'air à son entrée dans la chambre 38, le vecteur de vitesse V_ CL (figure 4) de l'air est incliné dans le sens de rotation du rotor de la turbine. La vitesse circonférentielle du rotor de la turbine est représentée par le vecteur de vitesse . Le vecteur est un 30 peu inférieur au vecteur et la résultante est un vecteur de vitesse Vr qui représente, la vitesse relative entre l'air de refroidissement et le rotor de la turbine. Le vecteur relatif V r est orienté d'une façon générale dans la direction axiale et, par suite,dans l'alignement des ouvertures 40 des passages d'entrée-35 de l'air de refroidissement devant circuler à travers les ailettes 48, L'air de refroidissement échappe finalement à partir des ailettes dans le courant de gaz chauds» La direction du vecteur relatif ou résultant V assure le minimum de mouvement relatif r 70 02514 6 2029612 entre l'air de refroidissement et les entrées des ouvertures 40. Cela supprime pratiquement le travail exercé par le rotor de la turbine sur l'air de refroidissement et l'augmentation correspondante de la chaleur de l'air de refroidissement in-5 traduit dans les passages de refroidissement des ailettes 48. Il existe un certain mouvement radial vers l'extérieur à partir du distributeur 36 vers les ouvertures 40. De même, il peut exister aussi un certain mouvement tangentlel relatif faible, parce que le vecteur résultant V n'est pas exactement aligné par rapport aux entrées des ouvertures 40. Les pertes résultant de ces mouvements relatifs peu importants sont cependant insignifiantes par comparaison à celles admises dans les systèmes classiques pour l'établissement d'une circulation d'air de refroidissement d'une chambre d'alimentation en air vers les entrées 15 des passages du rotor d'une turbine tournant à des vitesses périphériques élevées. Les vecteurs indiqués en traits pleins sur la figure 4 Illustrent les conditions de fonctionnement pour un moteur nouveau ou un moteur reconstruit et ils sont basés sur 20 le fait que la pression dans la chambre 38 est commandée en fonction de l'effet de restriction ou de l'action combinée des différents passages pour le réfrigérant vers les ailettes 48 et-à travers ces ailettes. Pendant la durée de service réelle du moteur, il est à prévoir que las joints d'étanchéité 79 et 85 perdent 25 en partie leur efficacité, et que par suite il en résulte des fuites d'une certaine importance. La différence des pressions entre les deux cotés du joint 79 est relativement faible et le facteur principal est celui représenté par les fuites à travers le joint 85. Quand ces dernières fuites ont lieu, il en résulté 2° une réduction de la pression dans la chambre 38 et par suite une augmentation -de la différence des pressions entre les deux cStés du distributeur 360 Dans ce cas, la quantité et la direction angulaire de l'air de refroidissement échappant du distributeur 36 vers la chambre 38 sont changées de la façon Indiquée par le vec» 35 teur V* sur la figure 4. La composante circulaire du vecteur V*„ & a, peut alors approcher ou dépasser la valeur du vecteur de vitesse du rotor5 entraînant un décalage du vecteur résultant dé la façon montrée par le vecteur V'r. Il a été constaté que} même dans 70 02514 7 2029612 le cas d'une augmentation de plusieurs fois des fuites à travers le joint 85, le vecteur résultant ou relatif Vr reste pratiquement ou sensiblement dans-une direction axiale avec conservation des avantages de la réduction des pertes d'énergie 5 pratiquement pendant la durée de service du moteur» L'invention'telle que décrite ci-dessus permet de réduire la température réelle de l'air de refroidissement envoyé dans la turbine du fait de deux caractéristiques. En premier lieu, une chute de la température statique est provoquée 10 de façon inhérente dans l'air de refroidissement pendant son passage à travers le distributeur 36 et son accélération par celui-ci. Autrement dit, relativement au rotor, la température totale est réduite parce que l'air circule dans la même direction générale que le rotor. Cette température réduite est efficacement 15 maintenue par l'élimination complète ou l'élimination pratique d'énergie fournie à l'air pendant qu'il est conduit vers le disque 42 tournant à grande vitesse et à travers les ouvertures 40 de la façon décrite en détail ci-dessus. Il -sera- noté aussi que l'utilisation des éléments 20 tourhants (64 et 62), en aval du distributeur 36 pour définir la chambre d'entrée d'air, réduit au minimum les pertes résultant de l'air de refroidissement quand cet air a été accéléré dans une direction sensiblement tangentiellç pour établir la relation désirée des vecteurs relatifs par rapport au disque tournant. De 25 plus, l'écran extérieur 57 du distributeur 36 comporte un rebord 59 pour réduire au minimum l'emprisonnement d'air dans la poche située derrière cet écran. Bien entendu, la description.qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres 30 variantes sans que l'on sorte de son cadre. 70 02514 8 2029612 REVENDICATIONS 1. Moteur à turbine à gaz comportant un rotor avec des ailettes, caractérisé par une chambre d'entrée d'air formée au moins par une partie du rotor, des passages de refroidissement 5 communiquant avec cette chambre et traversant les ailettes, et un distributeur pour diriger l'air de refroidissement vers la chambre d'entrée, ce distributeur accélérant l'air de refroidissement et provoquant une réduction de sa température statique afin de minimiser la température de l'air de refroidissement 10 traversant les passages de refroidissement des ailettes. 2. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ailettes du distributeur sont disposées angulairement dans la direction générale de rotation du rotor de la turbine pour minimiser le vecteur de vitesse relative entre 15 l'air de refroidissement pénétrant dans la chambre d'entrée et le rotor afin de minimiser les pertes d'énergie pendant l'entrée de l'air fe refroidissement dans les passages communiquant avec la chambre d'entrée. 3. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 2, comprenant 20 -un compresseur, une chambre de combustion' et une turbine,caractérisé par une première chambre pour faire passer l'air du compresseur au distributeur pour le refroidissement du rotor de la turbine, le distributeur compar tant deux écrans annulaires avec des ailettes entre les deux et les ailettes du distributeur étaht 25 disposées pour diriger l'air de refroidissement dans la chambre d'entrée afin de minimiser les pertes d'énergie du fait de l'accélération de l'air de refroidissement vers la chambre d'entrée. 4. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 3, caractérisé par des joints pour le fluide entre le distributeur et le rotor 30 pour maintenir dans la chambre d'entrée une pression substantiellement inférieure à celle de l'air de refroidissement fourni par le compresseur. 5. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que les écrans du distributeur sont d'une façon généra- 35 le concentriques autour de l'axe du rotor, les ailettes étant disposées radialement par rapport à cet axe, et les ouvertures des passages de refroidissement des ailettes et communiquant avec la 70 02514 9 2029612 chambre d'entrée étant disposées d'une façon générale dans des directions axiales. 6. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 5> caractérisé par une cloison prolongeant l'écran extérieur du dis-5 tributeur pour séparer l'air provenant du compresseur du courant de gaz chauds à l'entrée des ailettes du rotor de la turbine, le rotor de la turbine comportant un élément conique, les ouvertures des passages de refroidissement des ailettes étant formées dans les talons des ailettes et un anneau de ferme générale conique 10 s'étendant entre ces ouvertures et l'écran extérieur.du distributeur pour définir conjointement avec le rotor de la turbine la chambre d'entrée canalisant l'air de refroidissement du distributeur vers les ouvertures des passages de refroidissement des ailettes. 15 7» Moteur à turbine à gaz selon la revendication 6, caractérisé par des joints d'étanchéité pour le fluide entre l'écran extérieur et les joints d'étanchéité entre 1!écran extérieur du distributeur et l'anneau du rotor pour séparer la chambre d'entrée de l'air du courant de gaz chauds traversant le rotor de la tur-20 bine, la relation dés pressions dans la chambre d'entrée d'air pendant le"1 fonctionnement Initial du moteur établissant un vecteur relatif entre l'air échappant du distributeur et le rotor de la turbine légèrement en sens inverse du sens de rotation du rotbr, de façon que la dégradation de l'efficacité du joint séparant la 25 chambre d'entrée d'air de courant de gaz chauds ait un effet minimal sur le vecteur relatif de vitesse entre l'air de refroidissement pénétrant dans la chambre et la rotation de la turbine afin de minimiser dans toutes les conditions de fonctionnement les pertes d'énergie à l'entrée de l'air de refroidissement dans les ouver-30 tures de passage des ailettes.