Brevet FR2135319A1 — publié le 19721215

La présente invention est relative au refroidissement des ailettes de rotor de turbine dans les moteurs à turbine à gaz ou turboréacteurs. On sait que ces moteurs comportent un rotor qui porte 5 les ailettes de la turbine, et qui est adjacent à un stator creux dont il est séparé axialement par un intervalle libre au moins assez large pour permettre les mouvements relatifs d'origine thermique qui se produisent entre le rotor et le stator» Pour refroidir les ailettes du rotor, de l'air de refroidissement en 10 provenance du stator creux est soufflé dans cet intervalle, par des buses prévues dans une paroi du stator, et qui pénètre dans des orifices d'entrée percés dans le rotor. Ces orifices débouchent dans des passages qui communiquent avec des conduits de refroidissement percés dans les ailettes» Ces buses sont régu-15 lièrement espacées sur une même circonférence, et il en est de même pour lesdits orifices d'entrée. l'efficacité du refroidissement des ailettes du rotor dépend, entre autres paramètres, de la pression statique de l'air de refroidissement dans les passages précité s du fait que, pour 20 une température donnée de cet air, plus la pression statique à l'entrée des conduits relativement étroits de refroidissement des ailettes est forte, plus le transfert de chaleur par unité de temps entre la matière constitutive des ailettes et l'air de refroidissement est important. Toutefois, l'augmentation de la pres-25 sion statique de l'air de refroidissement présente certains inconvénients, dus principalement au fait que, pour une pression donnée dans l'intervalle libre précité, la vitesse de cet air s'accroît et sa pression statique diminue. Cette réduction de pression statique dans ledit intervalle doit évidemment, être com-30 pensée par un ralentissement subséquent de l'air en mouvement. L'efficacité de cette récupération de la pression statique de l'air de refroidissement dépend du ralentissement de cet air qui doit s'effectuer relativement lentement et sans turbulence. Le succès de toute tentative d'amélioration du refroidissement 35 des ailettes par accroissement de la pression de l'air de refroidissement dépend d'autant plus de l'efficacité de la récupération nécessaire de la pression de l'air que la vitesse de cet air est élevée. On sait que cette récupération de la pression de l'air 40 de refroidissement peut évidemment s'effectuer de façon 72 16070 2 2135319 satisfaisante dans un diffuseur, c'est-à-dire dans un conduit dont les parois divârgent progressivement, liais ces diffuseurs sont nécessairement constitués par des conduits relativement longs, qu'il est difficile de loger dans le rotor dont la forme 5 et la résistance sont déterminées d'après les forces centrifuges auxquelles il est soumis en cours d'opération. On n'a pas réalisé antérieurement que ladite récupération de pression peut être obtenue, au moins en partie, dans l'intervalle précité. Toutefois, et même lorsque cette possibi-10 lité a été utilisée, la disposition en couronne des buses et des orifices d'entrée précités provoquait, entre ces buses et ces orifices, une turbulence de l'air de refroidissement telle qu' elle était incompatible avec une récupération satisfaisante de la pression initiale de l'air. 15 Plus précisément, lorsque le rotor tourne, les jets sortant des buses rencontrent alternativemént un orifice d'entrée puis une paroi pleine de celui-ci, qui sépare cet orifice de l'orifice adjacent suivant. Il s'ensuit l'établissement d'une turbulence qui est incompatible avec l'obtention d'un écoulement 2o d'air régulier, nécessaire pour une récupération effieace de la pression. Selon l'invention, le moteur à turbine à gaz qui en fait l'objet comprend un rotor de turbine supporté par des paliers de façon qu'il soit adjacent à un stator creux et qu'il 25 soit séparé de celui-ci en direction axiaie par un certain intervalle libre, le stator creux formant des buses disposées en couronne qui font communiquer son volume intérieur et ledit intervalle, le rotor formant des conduits de passage de l'air disposés en couronne, qui font communiquer ledit intervalle avec des 30 conduits de refroidissement percés dans ses ailettes, ce moteur étant caractérisé en ce que lesdites buses sont agencées de fa- »• çon à former, par leur réunion, un conduit de sortie annulaire et continu qui constitue l'étranglement de ces buses, c'est-à-dire leur partie dont la section de passage est la plus rédui-35 te, et en ce que lesdits conduits de passage de l'air sont disposés de façon à former, par leur réunion, un autre conduit d' entrée annulaire et continu qui constitue l'étranglement de ces conduits de passage de l'air, c'est-à-dire leur partie dont la section de passage est la plus réduite. aç\ La continuité de ces conduits d'entrée et de sortie 72 16070 3 2135319 rend possible le transfert de l'air de refroidissement de l'un de ces conduits jusqu'à l'autre sous forme d'un courant relativement constant et non turbulent, ce qui accroît l'efficacité de la diffusion de l'air de refroidissement, et la récupération 5 de sa pression initiale. Un mode de réalisation de l'invention sera décrit ci-après à titre purement explicatif et nullement limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une coupe axiale faite dans une partie 10 d'un moteur à turbine à gaz, et montrant la turbine de ce moteur, la figure 2 est une vue de détail d'une partie du moteur de la figure 1, la figure 3 est une coupe faite suivant le plan III-III de la figure 2, la figure 4 est une vue du rotor de la turbine, suivant les flèches IV-IV de la figure 2, la figure 5 est une vue du stator de la turbine, suivant les flèches V-V de la figure 2, la figure 6 est une vue de détail d'une partie de la 2o figure 2, dessinée à plus granàe échelle et montrant une modification du mode de réalisation de l'invention représenté, et la figure 7 est une coupe partielle faite dans le stator suivant le plan VII-VII de la figure 6. le moteur représenté sur la figure 1 comprend une tur-25 bine haute pression 10 accouplée par un arbre 11 à un compresseur haute pression 12, et une turbine basse pression 13 accouplée ïiarun arbre 14 à un compresseur basse pression qui n'est pas représenté, mais qui est une machine de construction bien connue, le compresseur 12, dont la majeure partie de l*air qu'il refoule est envoyée dans une chambre de combustion 15» comporte un conduit de soutirage d'air 16 relié par un tube 17 et des conduits de passage 18 et 19 à une cavité 20 adjacente à la turbine 13- la turbine 13 comprend des aubes de stator 23 qui sup-35 portent un corps de stator ereux 24 dont le volume intérieur constitue une partie de la cavité 20, et dont l'une des parois 20A est percée d'orifices de sortie 21. la turbine 13 comprend en outre un rotor 25 constitué par un disque de rotor 26 et des ailettes 27. la cavité 20 constitue un réservoir d'alimentation 40 des ailettes 27 en air de refroidissement. Entre le corps de 30 72 16070 4 2135319 stator 24 et le rotor 26 il est prévu un joint tournant 28 par lequel l'air peut s'écouler depgis la cavité 20 jusque dans une autre chambre 29, pour venir refroidir le flanc du rotor adjacent au corps de stator 24. Du fait de la perte de charge q.ue 5 subit l'air à son passage dans le joint tournant 28, la pression statiq.ue de cet air dans la chambre 29 est inférieure à celle qui règne dans la cavité 20. Ainsi qu'on le voit mieux sur les figures 2 à 5, les ailettes 27 du rotor comportent chacune un pied 30 logé dans 10 l'une des fentes 31 de direction axiale ménagées à la périphérie du disque de rotor. De plus, chaque pied d'ailette 30 forme une nervure radiale 45 munie de prolongements 45A qui délimitent un évidement 32 duquel partent des conduits radiaux 33 percés dans les pieds d'ailette, et q.ui dirigent l'air de refroidissement sor-•jcj tant de ces évidements vers le sommet des ailettes, ces conduits 33 débouchant par des orifices 34 dans le conduit 46 de circulation des gaz de la turbine, le pied 30 de chacune des ailettes encore du rotor forme/un prolongement 35 qui s'étend jusque dans la chambre 29, ces prolongements 35 formant par leur réunion une 2o couronne latérale sur le flanc du disq.ue de rotor, les évidements 32 opposés deux-à-deux dans chaque paire de pieds d'ailettes 30 adjacents forment ensemble des conduits d^assage 48, comme on, le voit sur la figure 3 - Ces conduits de passage 48 comportent chacun une partie 36 formant diffuseur limitée par deux parois di-25 vergentes 37 et 38. A l'extrémité libre de chaque prolongement. 35 est ménagé un orifice d'entrée 39 qui fait face aux orifices de sortie 21 du corps de stator 24. la partie de la chambre 29 directement située entre les orifices 21 et 39 constitue un intervalle libre 50. le courant d'air de refroidissement qui tra-30 verse cet intervalle libre œt représenté en 51. les orifices de sortie 21 sont percés dans le fond d'une rainure annulaire 40 formée par le corps de stator 24, et dans laquelle s'engagent librement les extrémités extérieures des prolongements 35, de façon à former des joints d'air tournants 41 35 et 41A. le courant d'air qui s'écoule dans la chambre 29 prend naissance radialement en deçà des prolongements 35, et il s'échappe dans le conduit 46 par un joint tournant 43, cet échappement s'effectuant radialement au-delà des prolongements 35. Pour per-^0 mettre cet échappement radial, les prolongements 35 forment cha 72 16070 5 2135319 cun un conduit radial 44. Les pressions de l'air dans la cavité 22 et dans la chambre 29 sont déterminées par la pression de l'air dans le conduit 46 dans lequel aboutissent les deux courantsd'air. La 5 perte de charge statique entre la chambre 29 et le conduit 46 doit être suffisamment forte pour assurer un débit d'air suffisant pour le refroidissement du disque de rotor 26 ou, tout au moins, pour assurer la sortie de l'air hors de la chambre 29. En général, on s'arrange pour que la pression dans la chambre 29 ne 10 soit que légèrement supérieure à celle qui règne dans le conduit 46, en vue d'éviter les fuites par le joint 43. La perte de charge statique entre les conduits 48 et le conduit 46, par les conduits 33, doit être suffisamment forte pour assurer le refroidissement nécessaire des ailettes du rotor. La pression statique 15 dans la chambre 29 doit être inférieure à celle qui règne dans la cavité 20, pour assurer un débit d'air suffisant par les orifices 21, mais, du fait que la pression dans cette chambre 29 est déterminée par des considérations autres que le refroidissement des ailettes du roior, la pression dans cette chambre 29 20 ne peut pas- être choisie arbitrairement pour satisfaire seulement aux exigences du refroidissement des ailettes. Si la pression de l'air de refroidissement des ailettes doit être augmentée, une telle élévation de pression ne peut normalement pas être obtenue par une augmentation correspondante de la pression de l'air 25 dans la chambre 29. Par contre, une augmentation de la perte de charge entre la cavité 20 et la chambre 29 est acceptable de même que l'accroissement de la vitesse et la baisse de la pression statique de l'air de refroidissement qui en résultent, à la sortie des orifices 21. Toutefois, et en vue d'obtenir une bonne 30 récupération de la pression statique de l'air, ces orifices de sortie 21 et les orifices d'entrée 39 sont construits de façon à minimiser la turbulence de l'air. En ce qui concerne les orifices 21, ils constituent chacun l'étranglement d'une buse 42 de section rectangulaire 35 (voir figure 5). Ces buses constituent des conduits limités chacun par deux parois incurvées 42A et 42B, reliées par des aubes directrices 42C qui convergent pour se terminer en une simple arête 42D (voir figure 3) et orientés en direction du plan des orifices 21, de façon que les jets d'air éjectés par ces buses 40 se combinent sous la forme d'un courant d'air circulaire continu. 72 16070 6 2135319 Par conséquent, les orifices individuels des buses peuvent être considérés comme constituant, par leur réunion, une seule et même ouverture circulaire ininterrompue. En ce qui concerne les orifices d'entrée 39, chacun des 5 prolongements 35 comprend une partie radiale 47 qui est elle-même un prolongement de la nervure 45 correspondante. Ces parties radiales 47 sont profilées, et leur bord le plus effilé est situé dans le plan des orifices 39 (voir figure 3), ces parties radiales constituant ainsi des cloisons sépara-10 trices pour le courant d'air qui pénètre dans les orifices 39. Du fait de la présence de ces cloisons séparatrices, l'air pénètre dans les orifices 39 sans turbulence appréciable, et ces orifices constituent effectivement, par leur réunion, une seule et même ouverture d'entrée circulaire continue. Les nervures 45 15 constituent les éléments résistants des pieds d'ailette, du fait qu'elles transmettent au disque de rotor 26 les forces centrifuges qui prennent naissance dans ces ailettes. Le rôle des prolongements 35 est en partie de rendre possible le profilage des prolongements 47 sans affaiblir lesdites nervures, et en partie d' 20 éviter la difficulté d'avoir à trouver l'espace nécessaire pour loger un diffuseur relativement long dans l'espace normalement restreint couvert en direction axiale par.les ailettes du rotor. D'autre part, les prolongements 35 permettent la formation des conduits 44 et, par suite, l'écoulement radial de l'air dans la 25 chambre 29 suivant les trajets ne passant pas par l'intervalle libre 50, de sorte que le passage de l'air dans cet intervalle n'est pas perturbé par ledit écoulement radial. Les joints tournants 41 et 41A protègent d'autre part l'intervalle libre 50 de l'action de l'écoulement radiai de l'air 30 dans la chambre 29. A ee sujet, on remarquera qu'il se produit dans les conduits 44 de passage de l'air une perte de charge inévitable, la pression statique de l'air dans la partie de la chambre 29 située radialement à l'extérieur des prolongements 35 étant inférieure à celle qui règne dans la partie de cette cham-35 bre située radialement à l'intérieur desdits prolongements. Par conséquent, l'intervalle libre 50 est à une pression relative différente, par rapport à ces deux parties de la chambre 29. La présence du joint tournant 41 est au moins désirable pour compenser ces différences de pression» 40 Les nervures 45 sont inclinées d'un angle /% par' rapport 72 16070 7 2135319 à l'axe du rotor, cet angle étant déterminé par la position angulaire des ailettes profilées, et suivant les principes bien connus de tout homme de l'art. En vue d'assurer que les jets d'air qui sortent des buses 42 pénètrent dans les conduits 48 sui-5 vant la direction des nervures 45, ces buses sont inclinées d'un angle tel que la vitesse des jets d'air sortant dès buses, celle de l'air entre lesdites nervures, et la vitesse circonférentiel-le aesdites nervures indiquée par la flèche 49 qui assurera le passage sans turbulence dé l'air entre les buses 42 et les con-10 duits de passage 48. Les conditions précitées étant satisfaites, et assurant un écoulement sans turbulence de l'air dans l'intervalle libre 50, la présence des orifices d'entrée 39 a pour résultat de diffuser les jets d'air 51 sortant des orifices 21 et, par suite, 15 d'accroître la pression statique de ces jets. A cet effet, la section de passage minimum des orifices d'entrée 39 doit être plus grande que celle des orifices de sortie 21, mais pas trop, et il est préférable que ces orifices d'entrée comportent, ainsi que le montre la figure 2, une partie convergente 39A de façon à capter 20 la plus grande partie possible du courant d'air diffusé. Cette piarticularité de l'invention est mise en évidence par la figure 6, qui sera décrite plus loin. L'effet de diffusion qui se produit dans l'intervalle libre 50 est bien connu des aérodynamiciens, et la détermination 25 des dimensions à donner aux orifices entrant en jeu est, à un certain degré, expérimentable. La moitié de la récupération de pression statique possible peut être aisément obtenue dans cet intervalle 50, et il est théoriquement possiblê d'obtenir la totalité de cette récupération dans ledit intervalle, de sorte que 30 les diffuseurs 36 pourraient théoriquement, être supprimés. Ces diffuseurs 36 ne sont pas en eux-mêmes nécessaires pour que soit obtenue la diffusion désirée dans l'intervalle 50, et les parois 37 et 38 pourraient par conséquent être parallèles. Toutefois, en pratique, il est jugé préférable de prévoir les diffuseurs 36 35 afin de faciliter la diffusion de l'air dans l'intervalle 50. Sur les figures 6 et 7, on a représenté une buse constituée par une fente annulaire 142 délimitée par des parois convergentes 142A et 142B, et dont l'orifice de sortie 121, annulaire et ininterrompu, constitue l'étranglement de la buse. En amont 40 de la buse 142 il es-fàrévu dans la paroi du corps de stator une 72 16070 8 2135319 série de conduits de passage de l'air 152 délimités par des parois 152A et 152B réunies par des aubes directrices 1520. La buse 142 produit sur le courant d'air un effet déviateur comme le montre la flèche 153. Il est donc nécessaire que les aubes 5 152C soient inclinées d'un angle ^'plus grand que l'angle d'inclinaison correspondant des aubes 42C (voir figure 3). La modification représentée sur les figures 6 et 7 ne diffère du mode de réalisation des figures 2 à 5 qu'en ce que sa fabrication est plus facile. Les buses 42, qui constituent 10 autant de conduits séparés relativement étroits, sont coûteuses à construire avec précision, alors que la buse unique 142, qui est constituée par une seule fente annulaire continue, peut être usinée bien plus facilement. Les conduits 152 sont larges, par comparaison avec les buses 42, et la précision de leurs dimen-15 sions ne doit pas être aussi rigoureuse que celle des dimensions de ces buses ; ces conduits sont par suite d'un usinage plus facile. L'orifice de sortie 121 de la buse 142 correspond aux orifices de sortie 21 des figures 2 à 5. L'intervalle libre 50 et les prolongements 35 de la figure 6 correspondent à ceux des 20 figures 2 à 5. La figure 6 montre aussi plus en détail la forme des jets d'air traversant 1'intervalle 50. Chaque orifice d'entrée 39 se situe à la jonction entre la partie divergente du diffuseur 35 correspondant et sa partie d'entrée convergente 39A» Le 25 jet d'air 51 qui sort de la buse s'évasa pour venir frapper les-dites parties d'entrée 39A, puis il se resserre légèrement c'est-à-dire que sa vitesse augmente un peu, pour passer dans les orifices 39» Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée 30 aux modes de réalisation décrits, mais s'étend à toutes les variantes conformes à son esprit. 72 16070 9 2135319 KEVanSCAIIOHS 1 - Moteur à turbine à gaz ou turboréacteur comprenant un rotor de turbine supporté par des paliers de façon qu'il soit adjacent à un stator creux, et qu'il soit séparé de celui-ci en direction axiale par un certain intervalle libre, lé stator creux formant 5 des buses disposées en couronne qui font communiquer sofa, volume intérieur avec ledit intervalle, le rotor formant des conduits de passage de l'air disposés en couronne, qui font communiquer ledit intervalle et des conduits de refroidissement percés dans ses ailettes, ce moteur étant caractérisé en ce que le rotor (26) 10 comprend, au voisinage des orifices d'entrée (39) une couronne annulaire de nervures (45) délimitant entre elles lesdits passages, les nervures (45) formant des arêtes qui coopèrent pour délimiter les orifices d'entrée (39) et qui sont conformées aussi de façon à délimiter des cloisons séparatrices (47) pour le 15 courant qui s'écoule depuis les buses vers les orifices d'entrée (39). 2 - Moteur selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que le rotor (26) comporte un prolongement annulaire (35) pénétrant dans l'intervalle (29), les orifices d'entrée (39) étant déli- 20 ✓ mités par le prolongement (35) à l'extrémité libre de celui-ci, ledit prolongement (35) comportant des. parties qui forment ladites cloisons séparatrices (47) et forment aussi des conduits 44 orientés radialement et traversant les cloisons séparatrices (47) entre les parties dudit intervalle (29) qui se trouvent respec-^ tivement, dans le sens radial, à l'intérieur et à l'extérieur du prolongement 35. 3 - Moteur selon la Revendication 2, caractérisé par le fait que chaque ailette (25) comporte un pied (30) formant une ner- 30 vure (45) et un prolongement (35) dirigé vers le corps de stator (24), le prolongement (35) étant conformé de façon à former une cloison séparatrice (47) et des parois transversales (45A), les nervures (45), les prolongements (35) et les parois (37, 38) des ailettes respectives coopérant pour délimiter les orifices 35 d'entrée (39) et les conduits (48). 4 - Moteur selon la Revendication 1, caractérisé par le fait que le rotor (26)comporte des parois transversales (37, 38) coopérant avec les nervures pour délimiter les conduits (48), les parois transversales (37, 38) étant divergentes dans le sens ou 72 16070 10 2135319 elles s'éloignent des orifices d'entrée (39) pour former les diffuseurs (36). 5 - Moteur selon la Revendication 1, caractérisé en ce que ses buses sont remplacées par un ensemble comprenant une fente an- ^ rçulaire (142) prévue dans une paroi (120A) du corps du stator qui fait face au rotor (26), les flancs de cette fente convergeant en direction du rotor, et formant un seul et même orifice de sortie (121) et des conduits (152) qui mettent én communication la cavité intérieure (20) du corps du stator et le fond ^ de ladite fente (142), 6 - Moteur suivant la Revendication 1, caractérisé en ce que la buse est constituée par une couronne de conduits (42) dont chacun est délimixé par deux parois (42A, 42B) séparées, orientées suivant la circonférence de la couronne, et reliées par des cloisons (42C) dont chacune comporte un bord aval convergent, formant une arête (42D), les conduits (42) se terminant chacun en un étranglement (21) délimité par les parois (42A, 42B) et par les arêtes (42D).