Brevet FR2103560A1 — publié le 19720414

— 2103560 La présente invention concerne un mécanisme moteur ... pour turbines à gaz et, de préférence, de turbo-réacteur pour avions, mécanisme du type de construction comportant plusieurs arbres, présentant plusieurs compresseurs et plusieurs turbines, 5 et dans lequel est préparé, en vue du refroidissement,des pièces et de 1'étanchement entre les ensembles de construction tour- nants -et les ensembles^le_construction fixes, des différents systèmes tournants, l'air prélevé^iî~Tïrr^ou—plu^ieurs compresseurs de ce mécanisme moteur, et dans lequel il est prévu,~ën 10 outre, des dispositifs pour le réglage des compresseurs» Le développement technique des mécanismes moteurs de turbines à gaz pour avions conduit à l'utilisation de taux de compression toujours plus élevés. La compression de l'air est obtenue en outre, essentiellement, au moyen de compresseurs a-15 xiaux à plusieurs étages dont le comportement de fonctionnement défavorable, en cas d'états de fonctionnement différant du point de conception, ont déjà fait l'objet de différentes mesures destinées à.lui porter remède. A ces mesures connues appartiennent, par exemple, la possibilité de réglage de plusieurs étages des 20 aubes de roue fixe du compresseur ou l'exécution d'un mécanisme moteur de turbo-réacteur, comportant, par exemple, une disposition à deux arbres, mécanisme dans lequel la compression totale est répartie entre deux compresseurs qui sont mécaniquement indépendants l'un de l'autre.' 25 Toutefois, il s'est avéré que, malgré la disposi tion existante de deux compresseurs mécaniquement indépendants l'un de l'autre dans un mécanisme moteur à deux arbres, le compresseur haute pression atteint déjà la limite de pompage dans la.zone inférieure des vitesses angulaires du mé.eanisme et, par 30 conséquent, depuis le début du démarrage jusqu'à ce que soit atteinte la vitesse angulaire correspondant à la marche à vide. Ce phénomène peut avoir sa cause dans le fait que la quantité d'air amenée, dans cette zone de fonctionnement du compresseur basse pression, au compresseur haute pression, est trop faible par rap-35 port à la vitesse angulaire déjà atteinte par le compresseur haute pression. Par ailleurs, il faut tenir compte, pour le cas décrit, que les aubes du compresseur haute pression sont prévues pour le passage normal d'une quantité d'air déterminée dans le 40 cadre de la vitesse angulaire nominale, pouvant être atteinte, 71 31038 2103560 * du mécanisme moteur de turbo=réacteur. Les aubes du compresseur haute pression sont,, par conséquent, conçues pour un passage d'air qui est plus grand que celui qui correspond au démarrage ou de l'ascension du moteur de turbot-réacteur. 5 En outre9 une interruption de l'écoulement d'air aux faces supérieures des aubes mobiles du compresseur "haute pression, peut avoir pour conséquence une "rupture de l'écoulement provoquant le pompage dangereux du compresseur haute pression. Cela est dû, en particulier, à ce qu'il existe sou-10 vent des aubesd'appuirectilignes dans le courant entre le compresseur basse-pression et le compresseur haute" pression de mécanisme moteurs pour turbo-réacteurs, qui peuvent favoriser le risque décrit d'interruption de l'écoulement d'air sur les faces supérieures des aubes mobiles suivantes. 15 Pour supprimer les défauts décrits, on pourrait proposer, par exemple, de rendre réglables les aubes directrices d'entrée du compresseur haute pression afin de diminuer les sections droites de passage entre les aubes directrices, et, par conséquent, de les*adapter au débit réduit de la quantité d'air 20 extraite par le compresseur basse pression, lors du démarrage et lors de l'ascension du moteur de turbo-réacteur. D'un autre côté, on pourrait, au moyen de la possibilité de régler les aubes directrices d'entrée, modifier, par rapport au cas normal, l'angle d'arrivée de l'air venant 25 frapper les aubes mobiles qui suivent, d'une manière telle que serait réduit le risque d'une interruption de l'écoulement aux faces supérieures des aubes mobiles. Avec la première mesure proposée pour la suppression des défauts décrits, on ne pourrait naturellement pas remé-30 dier a un débit défectueux de l'air du compresseur haute pression et, par suite, au risque de pompage du compresseur, parce que la quantité d'air débitée par le compresseur basse pression, lors de l'opération de démarrage ou de l'ascension du moteur de turbo-réacteur est simplement trop faibleY 35 Avec la seconde mesure, on pourrait bien supprimer le risque d'une interruption de l'écoulement aux faces supérieures des aubes mobiles intercalées à la suite des aubes directrices d'entrée. Toutefois, la possibilité de réglage des aubes directrices d'entrée qui est nécessaire à cet effet, impose une 40 dépense de construction élevée qui ne peut pas être admise pour 71 31038 2103560 un réglage simple du compresseur» Il est d'un usage courant d;employer, dans la réalisation de mécanismes moteurs de turbo-réacteurs, pour le refroidissement des pièces de construction se trouvant à l'intéri-5 eur de l'ensemble;, de l!air qui est prélevé, sur les compresseurs, selon l'état de l'air imposé par le but d'utilisation en un ou en plusieurs endroits appropriés. C'est ainsi, par exemple, que l'on emploie,, en général, pour le refroidissement des disques de turbine et des aubes de turbine, et pour empêcher que • ' 10 des gaz de turbine brûlants pénètrent dans les espaces se trouvant entre les disques de turbine, de l'air à une pression inférieure à la pression finale de compression, tandis que, pour le refroidissement des chambres de palier et des arbres, il suffit d'employer de l'air à une pression plus faible que l'on prélève 15 à un endroit du compresseur où il existe cette basse pression nécessaire» Cette pression est déterminée aussi, par la, tache supplémentaire qui est imposée à cet air et qui consiste, entre autres, à maintenir en tant qu'air de barrage pour chambre de 20 palier, dans toute la zone de fonctionnement du mécanisme de turbine à gaz, une chute de pression dirigée vers l'intérieur de la chambre de palier, afin,d'empêcher les fuites du lubrifiant. Dans le cas des mécanismes moteurs à deux arbres pour turboréacteurs, s'offre, pour des raisons de construction, comme en-25 droit de prélèvement pour 1!air de refroidissement basse pression, l'intervalle compris entre le compresseur basse-pression et le compresseur haute pression. Tandis que l'air de refroidissement à haute près-? sion, en raison de sa pression plus élevée peut sortir dans le 30 canal des turbines, il est la plupart du temps d'un usage courant, pour les mécanismes moteurs de turbo-réacteurs, de souffler à l'extérieur' hors du canal du mécanisme moteur, l'air de refroidissement basse pression, étant donné que la pression qui règne, derrière la turbine basse-pression dans la tuyère d'échap-35 penient est, en règle générale, trop élevée, l'air de refroidissement à basse pression ne contribue par- conséquent pas à la production de la poussëe0 . . Dans les mécanismes moteurs conçus suivant les principes nouveaux de réalisation, en admettant, les impératifs 40 de construction, il est prévu de prélever l'air de refroidisse 71 31038 4.= 2103560 ment à basse pression entre les deux compresseurs, de ne pas faire souffler dans la tuyère d*échappement le système d'air de refroidissement à basse pression, en. raison des conditions de pression trop faibles du premier compresseur dans la zone infé-5 rieure des vitesses angulaires à peu près jusqu'à la vitesse angulaire correspondant à la marche à vide,- de sorte qu'il faut, ou bien que dans cette zone de fonctionnement du mécanisme moteur soit supportée, en raison du soufflage à l'extérieur de l'air de refroidissement à basse pression, une perte de poussée, 10 soit que, dans le cas d'une ouverture débouchant vers le canal des turbines, on puisse s'attendre à l!entrée de gaz de turbine chauds dans le système d'air de refroidissement à basse pression avec toutes les conséquences que cela comporte, l'invention a pour but de créer un mécanisme mo~ 15 teur pour turbines à gaz dans lequel soient supprimées, en particulier, les difficultés qui se présentent et qui ont été mentionnées, dans l'état de fonctionnement compris entre le démarrage et la vitesse angulaire correspondant à la marche à vide. le mécanisme de l'invention proposé est caractéri-20 sé en ce qu'il est prévu, entre un premier compresseur à pression finale faible et un second compresseur à pression finale élevée, des dispositifs pour la production d'une giration d'entrée aérodynamique de l'air à amener au second compresseur, la production de cette giration d'entrée, étant assurée au moyen de 25 l'air à haute pression prélevé à la sortie ou dans la zone des derniers étages du second compresseur. Suivant un autre développement de l'invention, l'air à haute pression prévu pour la production de la giration peut être soufflé à partir des ouvertures servant au prélèvement 30 de l'air de refroidissement à basse pression. Suivant une autre caractéristique de 1'invention, les ouvertures peuvent être disposées dans la zone des bords postérieurs d'aubes d'appui creuses, fixes, se: trouvant entre le premier compresseur et le second compresseur0 35 Au lieu de la disposition précédente, il peut être prévu aussi, dans le cadre de l'invention, que les ouvertures appartiennent aux aubes directrices d1 entrée du second compresseur. Conformément à une autre caractéristique de l'in-40 vention, les ouvertures peuvent avoir la forme de fentes. 71 31038 5-~ 2103560 S'il ne peut être prévu, ou s'il ne doit être prévu aucune aube d'appui ou aucune aube directrice d'entrée pour le soufflage de giration ou pour le prélèvement d'air de refroidissement à basse pression, il existe, dans le cadre de l'inven-5 tion, une autre possibilité qui consiste à disposer les ouvertures sous la forme d'une ou de plusieiirs fentes suivant le pourtour intérieur ou le pourtour extérieur de -l'enveloppe d'entrée appartenant au second compresseur. Suivant une autre proposition de l'invention, il 10 est prévu au moins une conduite de contourxiement qui est raccordée à la sortie ou dans la zone des derniers étages au second compresseur. Cette conduite passe à travers une aube directrice, de sortie de turbine, creuse et servant de jambe de force d'appui pour pénétrer dans le cone de sortie de turbine qui est en 15 communication avec les ouvertures de prélèvement par l'intermédiaire d'un arbre creux du système de rotors basse pression. En outre, conformément à l'invention, on peut fai- . re varier le débit d'air ou le fermer au moyen d'un organe de réglage disposé dans la conduite de contournement. 20 La description ci-après se rapporte à un exemple de réalisation de l'invention, faite en regard des dessins annexés, dans lesquels s - la figure 1 représente, la moitié supérieure d'une coupe verticale, faite le long de l'axe longitudinal central 25 d'un mécanisme moteur à deux arbres de turbo réacteur représenté schématiquement, - la figure 2 fournit une représentation qui explique le mode de fonctionnement de l'invention, avec emploi d'aubes d'appui droites entre un premier compresseur et Tin second 30 compresseur du mécanisme moteur suivant la figure 1 f - la figure 3 représente, en perspective, une partie d'enveloppe de compresseur, pour expliquer l'invention, qui fait usage de dispositifs différant de ceux des figures 1 et 2. La figure 1 représente un mécanisme moteur de tur-35 bo-réacteur à deux arbres se composant, l'énumération des organes étant faite de la gauche vers la droite, d'un compresseur basse pression 1, d'un compresseur haute pression 2, d'une chambre de combustion 3, d'une turbine haute pression 4 et d'une turbine basse pression 5. Le compresseur basse pression 1 et la 40 turbine haute pression 5 sont reliés entre eux par tin arbre corn- 71 31038 6" 2103560 mun 6. le compresseur haute pression 2 et la turbine haute pression 4 sont reliés entre eux par un arbre creux 7 qui entoure l'arbre 6. Entre le compresseur basse pression 1 et le compresseur haute pression 2, sont disposées (figure 2) plusieurs aubes 5 d'appui 8 qui sont rectilignes et: creuses. Ces aubes d'appui 8 peuvent être disposées, -réparties à intervalles réguliers, coa-xialement à 1'axe longitudinal 9.au mécanisme moteur du turboréacteur. Ces aubes d'appui 8 peuvent être disposées, en outre, entre une partie fixe 10, voisine de l'arbre 6 et l'enveloppe 10 11 du; compresseur. Chacune des aubes d'appui 8 est munie, dans le cas présent, par exemple dans la zone de son bord postérieur, d'une, fente latérale longitudinale 12. A partir de chacune de ces fentes longitudinales, peut être soufflé de l'air à haute pression dans la direction 15 des flèches I* esquissées à titre d'exemple sur la figure 2, de sorte que peuvent être atteints les bords postérieurs, cintrés de manière aérodynamique de ces aubes d'appui 8 (direction de flèche F). D'un autre côté, ces fentes longitudinales 12 peuvent être prévues pour le prélèvement d'air de refroidissement basse 20 pression. Dans des conditions normales de fonctionnement, cet air de refroidissement basse pression arrive, par conséquent, par l'intermédiaire des fentes longitudinales 12, dans les aubes d'appui 10 et de ces dernières, par l'intermédiaire de la partie fixe 10, dans l'arbre çreux 6 (direction de flèche N). Sortant 25 de l'arbre 6 suivant la direction de flèche K, cet air de refroi-. dissement basse pression peut servir, par exemple, au refroidissement des disques de roue de turbine 13, 14, d'une part, et des aubes mobiles 15, 16 fixées à ces disques, de la turbine basse pression 5 et des paliers de turbine (non représentés). 30 Grâce à l'amenée d'air de refroidissement basse pression, on peut, par exemple, empêcher aussi que des gaz brûlants provenant du canal 17 de turbine puissent entrer, à peu près suivant la direction de la flèche 18, entre une partie fixe 19 de la turbine basse pression 5 et le disque 13 de roue de tur-35 bine dans le système d'air de refroidissement basse pression. L'air de refroidissement basse pression assure, par conséquent, aussi, entre autres effets, dans l'état normal de fonctionnement, une fonction à laquelle il doit sa désignation "d'air de barrage". 40 Après que l'air de refroidissement a rempli ses 71 31038 7.- 2103560 fonctions auxquelles il doit satisfaire en tant qu'air de barrage et air de refroidissement, il peut être conduit à l'extérieur dans des conditions normales de fonctionnement, par exemple par l'intermédiaire des extrémités ouvertes des aubes mobiles 15, 16 5 et s'écouler dans le canal 17 des turbines. Dans des conditions déterminées de fonctionnement du mécanisme moteur de turbo-réacteur, différant des conditions qui correspondent à l'état normal, et en particulier dans la zone du démarrage jusqu'à ce que soit atteint le nombre de tours 10 par unité de temps qui correspond à la marche à vide, il peut arriver que la quantité d'air devant être amenée du compresseur basse pression 1 au compresseur haute pression 2, pour l'achèvement de la compression, ne soit débitée que d'une manière insuffisante par rapport au nombre de tours par unité de temps at-15 teint déjà par le compresseur haute pression 2. A cela, il faut ajouter que l'aubage du compresseur haute pression 2, dans le cas normal, est établi pour le débit normal basé sur un comportement de fonctionnement optimal du mécanisme moteur de turbo-réacteur dans la zone d'un nombre 20 de tours nominal, par unité de temps, donné à l'avance. Pour les raisons indiquées, il existe, d'une part, lors du démarrage et jusqu'à l'obtention du nombre de tours, par unité de temps, du mécanisme moteur, correspondant à la marche à vide, le risque de pompage du compresseur haute pression 2, ainsi que, d'autre part, 25 le risque de pénétration dans le système d'air de refroidissement basse pression, de gaz brûlants provenant du canal 17 des turbines (par exemple, flèche 18). Un dispositif prévu à titre d'exemple dans le cadre de l'invention pour la suppression de ces difficultés, con-30 siste dans le raccordement à la sortie du compresseur haute pression 2, d'au moins une conduite de contournement 20 qui passe à travers une aube directrice 21 de sortie de la turbine pour pénétrer dans le cône de sortie creux de la turbine, qui est en communication avec l'arbre creux 6. 35 Dans la zone de fonctionnement critique décrite du mécanisme moteur de turbo-réacteur, un organe de réglage 23, disposé dans la conduite 20 de contournement, peut donner libre passage à travers cette conduite. De ce fait, l'air à haute pression soutiré par le compresseur haute pression 2, s'écoule dans 40 la direction de la flèche H dans l'arbre creux 6 et il assure, 71 31038 8.- . 2103560 à partir de cet endroit, par exemple en tant qu'air de barrage et de refroidissement de la turbine basse pression 5* par exemple la fonction exercée par l'air de refroidissement basse pression, de sorte que, même dans la zone de fonctionnement critique 5 décrite du mécanisme moteur de turbo-réacteur, il ne peut s1écouler de gaz brûlants hors du canal de turbine 17» par exemple, dans la direction de la flèche 180 seur haute pression 2 s'écoule, en passant par l'arbre 6, dans 10 la direction de la flèche B, pour entrer dans la partie 10 fixe et creuse, et, de là, dans les aubes d'appui 8 disposées entre les deux compresseurs 1, 2, aubes hors desquelles elle est soufflée par l'intermédiaire des fentes longitudinales 12, dans la direction des flèches S" (figure 2)« 15 L'action de ce soufflage ressort, d'une manière plus nette de la figure 2« On supposera que la composante c, pour ce qui concerne sa direction et sa grandeur, est une quantité d'air extraite dans des conditions normales de fonctionnement et sortant entre deux aubes d'appui 8. Il résulte de la fi-20 gure 2 (en bas et à gauche) que les aubes mobiles 24 du compresseur haute pression, qui suivent les aubes d'appui 8 et qui sont conçues pour le cas normal, présentent un angle d' tel que la corde 25 du profil d'aube est parallèle à la composante de vitesse W» nement qui peut s'établir lors du démarrage jusqu'à ce qu'ait été atteint le nombre de tours par unité de temps, correspondant à la marche à vide du mécanisme moteur de turbo-réacteur, la quantité d'air passant entre deux aubes d'appui 8 se réduisait, 30 par exemple, à la moitié de sa valeur primitive, c'est-à-dire à la valeur (figure 2 en haut et à droite) cela aurait pour conséquence un angle d'incidence trop petit ^ (figure-2, en bas et à droite) et la direction de la composante de vitesse liée à cet angle d'incidence et s'établissant provoquerait une résis-35 tance à l'écoulement non négligeable de l'aube 24 ce qui pro- 9 duirait une interruption sur la face supérieure de l'aube, et par suite, le pompage du compresseur haute pression 2. Au moyen du soufflage d'air à haute pression supplémentaire dans la direction des flèches î*', à partir des au-40 bes d'appui 8, la composante 0^ se trouve augmentée et passe à • Une autre partie de l'air soutiré par le compreS' 25 Si, en raison du comportement critique de fonction- 71 31038 2103560 la valeur et elle est déviée suivant un angle oC (qui est ici, par exemple, de 30°), .jusqu'à ce que soit rétabli l'angle d'incidence initial^ dans le triangle des vitesses (figure 2 à droite et en bas) et que, d'une manière correspondant à l'état 5 normal souhaité (figure 2, à gauche et en bas) la_corde 25 du profil d'aube soit parallèle à la composante de vitesse Wg (figure 2, à droite et en bas) qui.est maintenant quelque peu. diminuée. Grâce à l'inclinaison de la composante de vitesse sous l'angle A , le risque de l'interruption de l'écoulement 10 d'air contre la face supérieure de l'aube 24 se trouve supprimé. Suivant le besoin en air comprimé qui est nécessaire pour faire sortir le compresseur haute pression 2 hors de la zone de pompage, il faut qu'il soit possible, le cas échéant, de modifier, au moyen de l'organe de réglage .23, disposé dans 15 la conduite de contournement 20, la quantité d'air à haute pression devant être soufflée hors des fentes longitudinales 12 des aubes d'appui 8. Quand 1'état de fonctionnement critique décrit du mécanisme moteur de turbo-réacteur, dans la zone de démarrage 20 jusqu'au nombre de tours par unité de temps, correspondant à la marche à vide, a été franchi, il est possible de fermer avec l'organe de réglage 23, l'amenée d'air à haute pression. S'il n'existe pas, entre le compresseur basse pression 1 et le compresseur haute pression 2, des aubes d'ap-25 pui 8 telles qu'on peut les voir sur les figures 1 et 2, on pourrait, par exemple, imaginer de prévoir aux bords postérieurs d'aubes directrices d'entrée fixes du compresseur haute pression 2, pour le soufflage de l'air haute pression, des ouvertures servant, en même temps d'ouvertures de prélèvement pour l'air 30 de refroidissement basse pression. Mais le soufflage décrit n'est pas du tout lié seulement à l'utilisation d'aubes d'appui ou d'entrée du compresseur haute pression ,2. Au contraire, Ieaction que l'on recherche peut être .obtenue aussi au moyen d'ouvertures ou de fentes, dis-35 posées côté entrée contre le pourtour intérieur ou extérieur du compresseur haute pression 2, servant en même temps pour le prélèvement d'air de refroidissement basse pression, et, le cas échéant, pour le soufflage d'air à haute pression. La figure 3 fournit un éclaircissement à ce sujet. 40 Elle montre des fentes transversales 26 servant au prélèvement 71 31038 2103560 d'air de refroidissement à basse pression et au soufflage d'air à haute pression. Ces fentes sont disposéës» suivant le pourtour intérieur d'une partie 27 d'enveloppe d'entrée de compresseur qui a été représentée brisée, la direction du soufflage de 5 l'air à haute pression peut correspondre à celle qui a été désignée sur la figure 2 par F', mais elié peut être, en-outre, inclinée obliquement vers l'extérieur (flèches S), la direction de l'écoulement normal de l'air est désignée, comme sur la figure 2, par le repère c« 10 Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit ci-dessus et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans qu'on s'écarte pour cela du champ de l'invention. 71 31038 ii.- 21.03560 EEYEHDICAÎIONS 1.- Mécanisme moteur, de turbine à gaz, tel que turbo-réacteur pour avions, du type comportant plusieurs arbres, plusieurs compresseurs et plusieurs turbines et dans lequel le 5 refroidissement des pièces et de l'étanchéité entre les ensembles de construction tournants et les ensembles de construction fixes des différents systèmes tournants, est assuré par de l'air prélevé par un ou plusieurs compresseurs de ce mécanisme moteur, et dans lequel il est prévu, en outre, des dispositifs pour le 10 réglage des compresseurs, mécanisme caractérisé en ce qu'il est prévu, entre un premier compresseur dont la pression finale est faible et un second compresseur dont la pression finale est élevée, des dispositifs pour la production d'une giration d'entrée aérodynamique de l'air à amener au second compresseur, la pro-15 duction de cette giration étant assurée avec de l'air à haute pression prélevé à la sortie ou dans la zone des derniers étages du second compresseur. 2.- Mécanisme moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'air à haute pression prévu pour la gira- 20 tion d'entrée, est soufflé à partir des ouvertures pour le prélèvement d'air de refroidissement à basse pression. 3.- Mécanisme moteur suivant l'une des revendications1 1 et 2, caractérisé en ce que les ouvertures sont disposées dans la zone des bords postérieurs d'aubes d'appui creuses 25 fixes, se trouvait entre le premier compresseur et le second compresseur. 4.- Mécanisme moteur suivant l'une des revendications 15 2 et 3, caractérisé en ce que les ouvertures appartiennent aux aubes directrices d'entrée du second compresseur. 30 5.- Mécanisme moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les ouvertures ont la forme de fentes, 6.- Mécanisme moteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6S caractérisé en ce qu'il est prévu au moins 35 une conduite de contournement raccordée à la sortie ou dans la zone des derniers étages du second compresseur, qui passe à travers une aube directrice de sortie de turbine, creuse et agissant en tant que jambe de force d'appui, pour pénétrer dans le cone de sortie de turbine, qui est en communication avec les 40 ouvertures de prélèvement, par l'intermédiaire d'un arbre creux 71 31038 12'~ 2103.560 du système de rotors basse pression. 8.- Mécanisme moteur suivant l'uïïe quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on peut fâiré varier le débit d'air ou le fermer au moyen d'un organe de réglage disposé dans la conduite de contournement.