Brevet FR2093924A1 — publié le 19720204

La présente invention concerne les turbo-moteurs et plus particulièrement un dispositif perfectionné de refroidissement des rotors de compresseur pour de tels moteurs. La présente invention, bien que n'étant pas limitée à une 5 telle application,, répand plus particulièrement aux besoins des turbo-réacteurs utilisés pour la propulsion des avions supersoniques. En vol supersonique, l'air pénètre dans la prise d'air du turbo-réacteur où il est ramené à des vitesses subsoniques avec production d'ondes de choc. Cet air est ensuite comprimé par 10 un compresseur pour entretenir la combustion du carburant et produire un flux de gaz chauds à haute énergie. L'échauffement cinétique dans le canal d'entrée et l'effet de compression portant l'air comprimé à des températures extrêmement élevées à la sortie du compresseur, ces températures étant comparables à celles des 15 gaz chauds de combustion des turbo-réacteurs classiques. Ces hautes températures de l'air dans le compresseur ont une influence marquée sur la possibilité d'obtenir des performances élevées avec un moteur de construction légère, ce qui est une nécessité pour la propulsion des aéronefs. Le fait même que 20 l'air soit à des températures aussi élevées, réduit dans des proportions notables la résistance des matériaux dont sont faits les éléments du compresseur. L'élément le plus important à cet égard est le rotor du compresseur qui tourne à des vitesses très élevées. Les gradients thermiques qui s'établissent dans les pièces du rotor 25 provoquent l'apparition de nouvelles contraintes. Tous ces facteurs exigent un renforcement du rotor, c'est-à-dire une augmentation de son poids. Ces problèmes sont encore plus complexes dans les moteurs de grand diamètre qui sont capables de développer une poussée suffisante pour la propulsion des avions de transport. 30 Un autre facteur limitant le fonctionnement aux hautes températures est la dilatation thermique. Plus la température de fonctionnement est élevée, plus le diamètre effectif des aubages du rotor augmente. Dans certaines conditions, le carter du compresseur peut avoir une dilatation thermique différente de celle du 35 rotor, de sorte qu'il est difficile de conserver un jeu minimal entre les extrémités des aubes et les viroles qui sont montées dans le carter. Ces problèmes sont réduits lorsque l'on limite la 71 06785 2 2093924 température de fonctionnement du rotor» Un autre problème qui n'est pas directement lié aux températures élevées, est l'importance des Bfforts circonférentiels qui apparaissent dans les entretoises annulaires des rotors. Ces 5 entretoises sont sollicitées circonférentiellement par les forces centrifuges qu'engendrent les hautes vitesses de rotation. Bien que l'on ait par le passé pensé à refroidir les rotors de turbines et de compresseurs pour réduire l'acuité des problèmes mentionnés ci-dessus, ces solutions ne sont pas totale-10 ment efficaces, particulièrement pour le refroidissement des rotors de compresseurs des turbo-réacteurs qui sont utilisés pour la propulsion supersonique. La présente invention a donc pour objet un dispositif nouveau de refroidissement des rotors de compresseurs avec de 15 l'air à basse pression qui réduit en outre les contraintes mécaniques que subit le rotor» Un tel rotor est de construction légère et durable, ce qui est avantageux pour les turbo-réacteurs aéronau-tiques. Le refroidissement des rotors de compresseurs permet en outre de réduire les jeux entre les extrémités des aubes et les 20 viroles montées dans les carters du compresseur. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, un compresseur axial à plusieurs étages comprend un carter et un rotor dont les surfaces délimitent extérieurement et intérieurement un canal d'écoulement annulaire. Le carter comporte des couronnes 25 d'aubes directrices espacées axialement entre lesquelles tournent des couronnes d'aubes solidaires du rotor. Ces aubages fixes et mobiles compriment progressivement 1'air le long du canal d'écoulement. Le rotor comprend une enveloppe généralement cylindrique dont l'extrémité est à paroi mince et sur laquelle sont montées 30 au moins certaines des couronnes d'aubes mobiles. De l'air prélevé dans une région du canal d'écoulement où règne une pression donnée est dirigé vers l'extrémité amont de l'intérieur de l'enveloppe. D'autres organes guident l'air de la partie aval de l'intérieur de l'enveloppe vers une région du canal dans laquelle règne une 35 pression inférieure à ladite pression donnée. Le rotor est ainsi refroidi efficacement, tandis que la dépression relative réduit les efforts circonférentiels qui agissent sur l'enveloppe. 71 06785 3 2093924 Toujours selon l'invention, l'intérieur de l'enveloppe cylindrique comprend des disques annulaires espacés axialement et séparés par des entrétoises annulaires relativement minces. Les aubes mobiles sont montées sur la périphérie d'au moins certains 5 de ces disques. Les disques en combinaison avec les extrémités de l'enveloppe forment des chambres annulaires et l'air circule successivement d'une chambre dans l'autre de l'amont de l'enveloppe vers les canaux d'évacuation. Le rotor de l'invention comprend en outre un tube central reliant les extrémités de l'enveloppe et 10 servant â diriger l'air de refroidissement à l'intérieur du rotor. Le tube, dont l'extrémité aval est obturée, comporte des orifices au niveau de la chambre de l'enveloppe qui est située le plus en aval et son extrémité amont est reliée au canal d'écoulement du compresseur par des passages d'évacuation. 15 L'air est de préférence dirigé dans l'enveloppe par dBS passages qui débouchent dans la limite intérieure.du canal d'écoulement et s'étendent radialement à travers l'extrémité amont de l'enveloppe. Il est préférable d'utiliser des ailettes pour diriger l'air radialement vers l'intérieur jusqu'à un rayon voisin de celui 20 du disque annulaire adjacent, lorsque le rotor comporte de tels disques. On peut améliorer l'efficacité du système en entourant les ailettes d'une virale. Les extrémités de l'enveloppe du rotor sont de forme conique et le premier étage de disque peut être relié à la partie avant de 25 l'enveloppe par une entretaise annulaire. Le disque suivant peut porter une couronne d'aubes formant le premier étage du rotor du compresseur. L'air qui est introduit à l'intérieur du rotor peut être prélevé sur le premier étage de compression puis évacué dans le canal d'écoulement en amont de cet étage. 30 D'autres caractéristiques et avantages de 1*invention res- sortiront de la description détaillée qui syit et des dessins sur lesquels s La figure 1 représente schématiquement un turdo=réacteur supersonique. 35 La figure 2 est une coupe axiale agrandie du compresseur du turbo-réacteur de la figure 1. 71 06785 4 2093924 La figure 3 est une coupe axiale de la partie avant du compresseur de la figure 2, à une échelle encore plus grande. La figure 4 est une coupe transversale sensiblement selon la ligne IV-IV de la figure 3 « 5 La figure 1 représente un turbo~réacteur du type utilisé pour la propulsion supersonique» L'air pénétrant dans le canal annulaire d'entrée qui comporte un fuseau œntral 10, est comprimé par un compresseur axial 12 à plusieurs étages. L'air comprimé entretient la combustion du carburant dans une chambre de combus-10 tion 14 d'où sort un flux de gaz chauds. Les gaz chauds entraînent une turbine 16 qui, par l'intermédiaire d'un arbre 18, actionne le rotor 20 du compresseur 12. On peut augmenter le niveau énergétique du flux de gaz chauds en brûlant une quantité supplémentaire de carburant dans un dispositif de post^combustion 22» Les gaz chauds 15 sont ensuite éjectés à travers une tuyère converge-nte-divergente 24 à géométrie variable pour fournir la poussée nécessaire au vol supersonique. En vol subsonique, la post-combustion peut ne pas être nécessaire et la géométrie de la tuyère peut être réglée pour avoir une forme autre que la configuration convergente-divergente 20 illustrée. La figure 2 représente plus en détail la coupe du rotor 22 du compresseur du turbo-réacteur. Ce rotor est .constitué d'une série de disques 26 sur les périphéries desquels sont montées des aubes 28 qui constituent les différents aubages ou étages du 25 compresseur. Chaque disque comporte également une entretoise annulaire 30 qui, sauf pour les disques du premier et du second étages, est reliée au disque amont adjacent 26 par des boulons 32. Les entretoises 30 des disques du premier et du second étages et les parties coniques 34 d'un arbre creux 36 comportent des brides (voir 30 également figurs 3) qui sont fixées ensemble par d'autres boulons 32, la bride de la partie conique 34 étant prise en sandwich entre les -deux entretoises. Le disque 26 du dernier étage est également solidaire d'une bride conique 30 qui est fixée à la partie conique 40 de l'arbre 18 par des boulons 32. Un disque 42 est interposé 35 entre la bride 38 et la partie conique 40 pour accroître la résistance et la rigidité du joint boulonné. Ce rotor comprend donc une enveloppe généralement cylindrique terminée par des extrémités 7.1 06785 5 2093924 coniques dont le volume intérieur est cloisonné par des disques annulaires, le disque du premier étage étant fixé à la partie conique amont. Les entretoises annulaires 30 maintiennent l'espacement 5 des étages d'aubes mobiles entre lesquels sont montées des couronnes fixes d'aubes directrices 44 qui sont supportées par le carteur du compresseur» Comme le savent les spécialistes, ces aubes orientent l'air pour lui donner l'angle d'attaque voulu sur les aubes mobiles de l'étage suivant. Des joints à labyrinthe 46 10 assurent l'étanchéité entre les aubes directrices et les entre- toises 30. Un conduit tubulaire 48 est fixé à l'une de ses extrémités à la partie conique 34 par des boulons 50 et son autre extrémité comporte un joint coulissant 51. Un ventilateur à ailettes 52 (décrit plus en détail par la suite) est fixé à la 15 surface intérieure de la partie conique 34 du rotor. Une plaque 54 obtire l'extrémité aval du conduit48. Sur les figures 3 et 4, on voit que la partie conique 34 peut comporter une dent 46 du joint à labyrinthe. La bricfe de la partie conique 34 comporte une série de fentes radiales 56 en 20 aval de la dent 46. Ces fentes débouchent dans une chambre 58 comprise entre le premier étage d'aubes directrices fixes 44 et le second étage d'aubes 28 du rotor. Les fentes 56 sont incurvées à leurs extrémités extérieures dans le sens de la rotation qui est indiqué par la flèche A sur la figure 4. L'air comprimé du 25 premier étage est ainsi propulsé vers l'intérieur le long de la surface interne de la partie conique 34 parle ventilateur 52. Ce dernier est formé de deux cflnes en tôle 58 et 60 qui sont maintenus l'un par rapport à l'autre par des ailettes en t'oie 62 et 64. Le cfine extérieur 60 s'étend jusqu'à la base de la bride de l'en-30 tretoise 30 du disque du second étage et jusqu'au voisinage du conduit 48, de sorte que de l'air comprimé est propulsé vers le ' centre du rotor creux 22 sur un diamètre voisin de celui du trou du disque 26 adjacent. Cet air met en pression la chambre côté amont du disque 26 du second étage avant d'être refoulé dans la 35 chambre suivante qui est délimitée par les disques 26 des second et troisième étages. Lorsque l'air comprimé pénètre dans cette chambre, la force centrifuge tend à le projeter radialement vers 71 06785 6 209392h l'extérieur et à le faire circuler le long de la surface de l'entretoise 30. Pendant ce trajet» l'air se réchauffe et sa densité diminue, de sorte qu'il revient radialement vers 1'intérieur pour passer dans la chambre suivante qui est délimitée par 5 les disques 26 successifs* En pénétrant dans chacune de ces chambres, l'air est plus "froid que celui qui se trouve déjà dans la chambre et il se crée une circulation qui est indiquée par dBS flèches sur la figure 2. Après être passé dans la chambre que délimitent le disque 42 et la partie conique 40, l'air pénètre 10 dans le tube 48 par les orifices 66 et s^écoule en direction de l'amont. Cet air est ensuite évacué par les trous 68 dans la partie conique 34 de l'arbre 36 et pénètre dans une chambre 70 qui est délimitée par le disque du premier étage et l'enveloppe conique 34, ainsi que par un support fixe 72 dans lequel est monté 15 le palier avant de l'arbre 36. L'air s'échappe ensuite de la chambre 70 dans le compresseur 12 entre les aubes directrices d'entrée 76 et le premier étage d'aubes 28 du rotor» L'air qui est évacué dans le canal du compresseur se mélange à l'air entrant et dissipe la chaleur qu'il a absorbée 20 dans l'enveloppe avant d'être recyclé dans le système de refroidissement. Le système de refroidissement décrit est particulièrement efficace pour maintenir une distribution uniforme des températures dans les disques 26 des différents étages du compresseur et dans le 25 disque 42. La température du canal d'écoulement du compresseur augmente progressivement de l'amont vers l'aval» Dans les premiers étages du compresseur, l'air de refroidissement maintient une température essentiellement uniforme sur toute la surface des disques annulaires qui cloisonnent l'intérieur du rotor. Dans les 30 derniers étages du compresseur, la température des disques eux-mêmes est sensiblement abaissée, mais pas au point d'établir un gradient thermique excessif entre leurs parties intérieures et leurs parties périphériques. On remarque également que l'air le plus chaud remonte par le tube 48, de sorte qu'il s'établit un 35 transfert de chaleur entre l'air froid qui circule entre les chambres successifs de l'enveloppe et l'air de retour du tube 48. Ces transferts sont avantageux pour réduire la température de 71 06785 7 2093924 l'air qui est renvoyé dans 1s canal du compresseur.!On sëit en effet que plus l'air qui est renvoyé dans le compresseur est chaud, plus la perte d'énergie est grande. On remarque également que Intérieur du rotor est à une pression sensiblement moindre que celle qui s'exerce sur les surfaces extérieures des Bntretoises 30, en particulier dans les derniers étages de compression. La force centrifuge engendrée par la rotation étant dirigée radialement vers l'extérieur, cette pression différentielle réduit sensiblement les niveaux de contrainte dans les entretoises, ce qui permet de diminuer leur épaisseur et leur poids. La même remarque s'applique évidemment à la réduction de la température de travail des disques 26 qui améliore leur résistance mécanique et permet une construction plus légère. Il va de soi que l'invention n'a été décriiequ'à titre illustratif et que l'on pourra y apporter diverses modifications ou variantes entrant dans son cadre et dans eon esprit. 71 06785 8 2093924 Revendications 1. Compresseur axial à plusieurs étages dans lequel un carter délimite extérieurement un canal annulaire dans lequel l'air est comprimé, ledit carter comportant aes aubes directrices 5 fixes disposées en couronnes circonférentielles espacées axialement, un rotor délimitant intérieurement le canal annulaire et comportant des couronnes d'aubes espacées axialement, les couronnes d'aubes mobiles alternant avec les couronnes d'aubes directrices pour comprimer progressivement l'air dans le canal, le rotor étant ca-10 ractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe généralement cylindrique terminée par des extrémités à paroi mince et sur laquelle sont montées au moins certaines des couronnes d'aubes, des moyens de diriger l'air-d'une région du canal à une pression donnée vers l'extrémité amont de l'intérieur de l'enveloppe et des dispositifs 15 dirigeant l'air à l'intérieur de l'enveloppe, vers son- extrémité aval, puis vers une partie du canal d'écoulement dans laquelle la pression est inférieure à ladite pression donnée. 2. Compresseur axial selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'intérieur de l'enveloppe généralement cylindrique est 20 cloisonné par des disques annulaires espacés axialement et séparés par des entretoises annulaires relativement minces, les aubes mobiles étant montées sur les périphéries d'au moins certains des disques qui forment entre eux>et avec les extrémités de l'enveloppe, des chambres annulaires, l'air de refroidissement étant évacué 25 vers celle desdites chambres qui est la pLs en amont. 3. Compresseur axial selon la revendication 2 caractérisé en ce que Ibs dispositifs d'évacuation de l'air comprennent un tube central s'étendant entieles extrémités de l'enveloppe et comportant des orifices débouchent dans la chambre qui est le plus en aval, 30 l'extrémité aval du tube étant obturée et l'air étant évacué de son extrémité amont par des passages débouchant dans le canal d'écoulement. 4. Compresseur axial selon la revendication 2 caractérisé en ce- que l'air de refroidissement est introduit par des passages 35 s'étendant généralement radialement dans la partie amont de l'enveloppe à partir des limites intériBures du canal d'écoulement, puis propulsé radialement vers l'intérieur jusqu'à un rayon voisin 71 06785 y 2093924 de celui du trou du "disque adjacent, par un ventilateur à ailettes* 5. Compresseur axial salon la revendication 4 caractérisé en ce que le ventilateur à ailettes est fixé dans l'extrémité amont de l'enveloppe et comporte une paroi fixée à une certaine 5 distance de la paroi de l'extrémité amont, les entrées des passages traversant l'extrémité amont de l'enveloppe étant incurvées dans le sens de laxotation du rotor. 6. Compresseur axial selon la revendication 2 caractérisé en ce que les extrémités du rotor sont de forme conique, un autrB 10 disque étant fixé à une certaine distance en amont de l'extrémité amont par une entretoise annulaire et portant sur sa périphérie une couronne d'aubes formant le premier étage du rotor du compresseur, des dispositifs d'étanchéité étant prévus entre le rotor et la première couronne, d'aubes directrices en aval du 15 premier étage du rotor, l'air de refroidissement étant dirigé dans les passages qui traversent l'extrémité amont de l'enveloppe en aval des dispositifs d'étanchéité et le circuit d'évacuation de l%ir comprenant un tube central s'étendant d'une extrémité à l'autre de l'enveloppe, le tube comportant des orifices débouchant 20 dans la chambre de l'enveloppe qui est le plus en aval, son extrémité aval étant obturée et son extrémité amont étant reliée à des passages qui s'étendent à travers le rotor pour déboucher sur le c6té amont du disque du premier étage» 7. Compresseur axial selon la revendication 6 caractérisé 25 en ce que l'air pénétrant par les passages de la partie avant de l'enveloppe est propulsé radialeirarit vers l'intérieur par un ventilateur à ailettes jusqu'à un rayon voisin de celui du trou du disque adjacent. B. Compressa]r axial selon la revendication 7 caractérisé 30 en ce que l'extrémité conique amont de l'enveloppe comprend une partie conique solidaire d'un arbre et une partie conique extérieure solidaire du disque adjacent, les deux parties r ' coniques et 1'entretoise du disque du premier étage comportant des brides boulonnées ensemble de façon que celle' de la partie 35 conique intérieure soit serrée entre les deux autres, les passages d'entrée de l'air de refroidissement!étant formés dans la bride' de la partie conique intérieure. 71 06785 2093924 9. Compresseur axiàl selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'une paroi conique est fixée au ventilateur à ailettes à une certaine distance de la surface interne de la partie conique intérieure et s'étend de la bride de la partie conique extérieure 5 jusqu'à un rayon supérieur à celui du tube axial. tO. Compresseur axial selon la revendication'9 caractérisé en ce que les entrées des passages radiaux de la bride de la partie conique intérieure sont incurvés dans le sens de rotation du rotor, le ventilateur comprenant une série d'ailettes espacées angulaire-10 ment qui s'étendent de la bride du cône intérieur au périmètre intérieur de la paroi conique et une série d'ailettes plus courtes qui s'étendent partiellement de la bride du cône intérieur en direction du périmètre intérieur de la paroi conique. *