Brevet FR2117848A1 — publié le 19720728

t 2117848 La présente invention concerne d'une façon générale le perfectionnement des moteurs à turbine à gaz, et plus particulièrement le refroidissement des rotors des turbines de ces moteurs. Les moteurs à turbines à gaz du type considéré comportent 5 de façon classique un compresseur pour comprimer l'air nécessaire à la combustion du carburant pour la production d'un courant de gaz chauds. Ce courant de gaz chauds entraîne une turbine couplée au compresseur et ensuite il est utilisé pour produire une poussée de propulsion ou une puissance disponible sur un arbre du moteur. Pour obtenir un rendement supérieur 10 et des puissances supérieures quand le courant de gaz chauds traverse la turbine, il est normalement à une température supérieure aux possibilités mécaniques des matières formant la turbine. Cela est particulièrement apparent en considérant les contraintes élevées imposées au rotor de la turbine. Cette situation a 15 conduit à de nombreuses solutions pour les systèmes de refroidissement des turbines, en particulier pour les parties des turbines exposées au courant de gaz d'une grande énergie. L'une de ces solutions consiste à diriger de l'air relativement froid provenant du compresseur du moteur à travers des passages formés dans 20 les ailettes de la turbine. Le refroidissement assuré par cet air abaisse la température de la matière des ailettes jusqu'à un niveau pour lequel une fusion ou un brûlage n'ont pas lieu et auquel la résistance mécanique de la matière des ailettes est suffisante. L'un des problèmes les plus difficiles à résoudre pour le 25 refroidissement des rotors de turbines de cette façon concerne la canalisation de l'air de refroidissement du compresseur à la turbine qui tourne à grande vitesse. Suivant une pratique courante, l'air de refroidissement est envoyé en by-pass à l'intérieur de la chambre de combustion du moteur et il est ensuite introduit dans les passages formés dans le rotor de la turbine. 30 En général, les entrées de ces passages du rotor ont une vitesse périphérique pouvant être comprise entre une centaine de mètres à la seconde et plus de 1 500 mètres à la seconde. Pour l'envoi de l'air de refroidissement au rotor de la turbine, un travail relativement important doit être effectué sur l'air 35 de refroidissement pour l'introduction de l'air dans le rotor. Ce travail à l'entrée est traduit par une augmentation de la température de l'air de refroidissement à son entrée dans la turbine. Cela réduit à son tour le rendement de refroidissement d'une masse donnée d'air pour la réduction de 71 35321 2 2117848 la température des ailettes et autres organes de la turbine devant être refroidis par cet air. Les tentatives antérieures pour résoudre ce problème ont conduit à l'utilisation de détendeurs pour le refroidissement de l'air, placés dans les passages pour l'air de refroidissement entre le compresseur 5 et la turbine. Ces détendeurs comportent habituellement un certain nombre de tuyères qui accélèrent l'air de refroidissement dans le sens de rotation du rotor de la turbine juste avant que l'air de refroidissement frappe le rotor de la turbine et alimente celui-ci. Ces détendeurs permettent une réduction du travail demandé à la turbine pour faire passer l'air de refroidissement 10 à la vitesse du rotor, et une réduction correspondante de la température de l'air de refroidissement. Cependant, ces détendeurs conduisent aussi un système de refroidissement plus compliqué du fait qu'ils nécessitent des joints haute pression supplémentaires. Ces joints doivent être placés entre le compresseur, les éléments tournants de la turbine et les éléments du bâti fixe pour établir 15 le trajet d'écoulement de refroidissement intérieur nécessaire entre le compresseur et la turbine. La présente invention a pour objet de réduire le travail effectué sur l'air de refroidissement de la turbine, et par suite de réduire la température de l'air de refroidissement pénétrant dans le rotor de turbine pour le 20 refroidissement des éléments de ce rotor. L'invention a aussi pour objet de minimiser ce travail tout en supprimant la nécessité de joints haute pression pour l'établissement d'un passage d'air de refroidissement intérieur. D'une façon générale, l'objet de l'invention est atteint dans un moteur à turbine à gaz comportant un rotor de turbine ayant des ailettes 25 dépassant du rotor, par l'utilisation d'un système détendeur d'air de refroidissement des extrémités des ailettes, avec des joints d'étanchéité, dans lequel l'air de refroidissement est introduit dans une chambre située au-dessus des extrémités des ailettes. L'air de refroidissement passe à travers un certain nombre de tuyères situées devant les ailettes en rotation. Ces tuyères accélèrent 30 l'air de refroidissement dans le sens de rotation du rotor et elles déchargent cet air dans une chambre limitée par les éléments de la chemise stationnaire, les tuyères pour l'air de refroidissement, une ceinture fixée aux extrémités des ailettes et des éléments d'étanchéité situés aux extrémités amont et aval de la ceinture. L'air de refroidissement s'écoule ensuite dans un circuit 35 formé à travers les ailettes à partir de la chambre, à travers des passages formés dans la ceinture des ailettes. 71 35321 3 2117848 Les caractéristiques de l'invention ressortirônt plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant au dessin annexé sur lequel : - la figure 1 est une vue schématique en élévation et partiel-5 lement en coupe d'un moteur à turbine à gaz comportant un système de refroidissement selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 2 est:une coupe longitudinale d'une partie du mécanisme de refroidissement de la figure 1, - la figure 3 est une coupe longitudinale d'une partie d'un 10 mécanisme de refroidissement suivant une technique antérieure, et - la figure 4 est une vue en perspective et en coupe d'une partie du mécanisme de la figure 2. La figure 1 représente un moteur à turbine à gaz 10 qui comporte un compresseur à écoulement axial 12 pour comprimer l'air nécessaire à la 15 combustion du carburant dans une chambre de combustion 14. Le courant de gaz chauds engendré dans la chambre de combustion 14 traverse une turbine 16 pour entraîner celui-ci. Le courant de gaz chauds passe ensuite dans une chambre de postcombustion dans laquelle du carburant supplémentaire est envoyé sélectivement pour sa combustion avant l'échappement du courant de gaz à travers une 20 tuyère d'échappement 20 pour produire la force de propulsion du moteur. Bien que la présente description soit limitée au cas d'un turboréacteur à postcombustion, il est évident que l'invention peut être utilisée aussi pour des turboréacteurs sans postcombustion, des moteurs à turbosouffiantes, des turbines à gaz fixes pour la production d'énergie électrique, des turbines 25 à vapeur et autres. La présente description est par suite donnée seulement pour illustrer l'invention dans un cas concret. La turbine 16 comporte un rotor composite 22 qui est relié par un arbre 24 au rotor composite 26 du compresseur 12. La chambre de combustion 14 est du type anmilaire, comportant des chemises 28 espacées d'une enveloppe 30 extérieure 30 et d'une enveloppe intérieure 32 pour établir un trajet d'écoulement pour l'air de refroidissement autour des chemises 28 et pour l'air secondaire pénétrant dans la chambre de combustion 14 à travers des ouvertures des chemises 28. L'air sous pression refoulé par le compresseur passe non seulement dans ces espaces annulaires et dans la chambre de combustion, mais ainsi 35 qu'il apparaît sur la figure 2 à travers des ouvertures 34 à l'intérieur des ailettes 36 du distributeur fixe, qui sont situées à l'extrémité aval des chemises 28, le distributeur étant fixé aux chemises d'une façon convenable, par exemple par des boulons 37. Cet air constitue ensuite de la façon décrite 71 35321 4 2117848 ci-après un fluide de refroidissement pour le rotor de la turbine. Pour situer l'invention dans un cas concret il est fait référence à la figure 3 sur laquelle est représenté un système de refroidissement suivant une technique antérieure. Dans le cas de la figure 3 le réfri-5 gérant, au lieu d'être dirigé à travers les ailettes du distributeur 36, est dirigé à travers un distributeur annulaire 38 qui dirige l'air de refroidissement vers une chambre d'entrée annulaire tournante 40. L'air de refroidissement passe ensuite de la chambre d'entrée 40 à travers des ouvertures 42 formées dans le disque 44 du rotor de la turbine. L'air de refroidissement 10 traverse ensuite des passages 46 formés à travers la paroi inférieure des talons 48 qui servent au montage des ailettes 50 de la turbine sur le disque 44. Les ailettes 50 comportent des passages convenables pour le réfrigérant qui dirigent l'air pour établir le mécanisme désiré de refroidissement des ailettes. 15 Comme le montre la figure 3, le distributeur annulaire 38 est supporté par les ailettes de distributeur 36' par l'intermédiaire d'un cône 52 dépassant vers l'intérieur et auquel le pourtour extérieur 54 du distributeur 38 est fixé. Le distributeur annulaire 38 comporte des ailettes directrices 56 montées entre le cercle extérieur 54 et un cercle intérieur 58. 20 Comme il a été indiqué ci-dessus, l'air de refroidissement est dirigé par le distributeur 38 dans la chambre tournante 40. Cette chambre est définie en partie par un arbre conique 60 (formant une partie du rotor 22 de la turbine) et par un flasque 62 espacé radialement à l'extérieur de l'arbre conique 60. Des dents de labyrinthe 64 sont formées sur l'arbre conique 60 25 pour coopérer avec des surfaces d'étanchéité 66 d'un élément en forme d'anneau 68 qui est fixé au cercle intérieur 58 du distributeur, et des dents de labyrinthe 70 dépassent du flasque tournant 62 pour coopérer avec des surfaces d'étanchéité 72 d'un élément annulaire 74 solidaire du cercle extérieur 54. Les dents de labyrinthe 64, 70 et les surfaces d'étanchéité 66, 72 forment des 30 joints tournants à fluide pour la chambre 40. Bien que le système de refroidissement représenté sur la figure 3 soit bien plus efficace que le système de refroidissement antérieur dans lequel un courant d'air de refroidissement est dirigé d'une chambre directement vers les entrées des passages d'un rotor de turbine ayant des vitesses périphériques 35 élevées, il ressort de ce qui précède qu'une structure tournante assez compliquée est nécessaire pour l'accélération voulue de l'air de refroidissement et pour la mise en concordance convenable de la composante circonférentielle de vitesse I de l'air de refroidissement et de la vitesse circonférentielle des entrées du 71 35321 5 2117848 passage du rotor. De plus, un travail est nécessaire pour pomper l'air de refroidissement du rayon auquel l'air arrive dans le rotor vers l'extérieur jusqu'au rayon des ailettes auquel l'air échappe. L'augmentation du rayon auquel l'air de refroidissement arrive dans le rotor réduit le travail de 5 pompage de l'air de refroidissement, réduit la température de cet air de refroidissement et augmente le rendement de la turbine. Cependant, l'augmentation de ce rayon nécessite une augmentation des dimensions radiales des joints mentionnés ci-dessus, et par suite complique ces joints. La présente invention a en particulier pour but d'éviter la 10 nécessité de ces structures compliquées et de supprimer les limitations pour le rayon du détendeur d'air de refroidissement. La figure 2 représente un système selon l'invention dans lequel une partie de l'air refoulé par le compresseur circule autour des chemises 28, et au lieu de traverser le distributeur 38 de la figure 3, traverse une ouverture 80 d'un support d'ailettes 82. 15 De cette façon, le courant de refroidissement est dirigé dans une chambre fixe 84 formée au-dessus des extrémités des ailettes 86 du rotor de la turbine qui sont supportées par un disque de turbine 88. Comme le montre la figure 2, la chambre fixe 84 est limitée à la partie supérieure par une partie de l'enveloppe extérieure 30 et sur le côté 20 amont par le support 82 qui est fixé à l'enveloppe extérieure 30 d'une façon convenable, par exemple par des boulons 90 et une bride 92 dépassant vers l'intérieur. Le support 82 comporte aussi un cercle extérieur 94 pour supporter les ailettes 36 du distributeur fixe de la turbine, à travers lesquelles un courant supplémentaire de refroidissement passe dans la chambre 84 par l'inter-25 médiaire des ouvertures 80 considérées ci-dessus, cet air pouvant aussi échapper dans le courant principal des gaz à travers des orifices convenables des bords de fuite des ailettes 36. La chambre fixe 84 est limitée sur le côté aval par un élément annulaire sensiblement en V 96 qui est fixé à la bride intérieure 98 de l'enve-30 loppe extérieure 30 par des boulons 100. La branche 102 de l'élément en anneau 96 forme la limite intérieure de la chambre 84. L'extrémité libre de la branche 102 peut être fixée rigEdanent au support 82 de n'importe quelle façon convenable, par exemple par une soudure. Ainsi qu'il apparaît sur les figures 2 et 4, la branche 102 35 supporte le distributeur ou détendeur d'air de refroidissement 104 qui, suivant la présente invention, comporte un certain nombre d'ailettes à profil aérodynamique 106. Les ailettes 106 sont disposées en cascade et sont supportées aux extrémités opposées par les rebords 108 et 110 qui dépassent vers le haut 71 35321 6 2117848 de la branche 102. Chaque ailette 106 a un profil aérodynamique avec un bord d'attaque 112 et un bord de fuite 114. Comme il apparaît plus clairement sur la figure 4, les ailettes 106 sont espacées pour permettre l'écoulement de l'air de refroidissement de la chambre stationnaire 84 vers une cavité 5 116 formée au-dessus des extrémités des ailettes 86 du rotor de la façon décrite ci-après. De plus, les ailettes 106 sont orientées pour accélérer l'air de refroidissement et pour établir un écoulement à peu près tangentiel dans la cavité 116. La cavité 116 est formée entre la branche 102, une ceinture 10 tournante 118 fixée rigidement aux extrémités des ailettes 86 du rotor et des joints à fluide 120 et 122. Les fuites à pnartir de la cavité 116 sont contrôlées par les joints 120 et 122 qui peuvent être des joints radiaux et/ou axiaux, et, qui, suivant le mode de réalisation représenté,comportent les bords en forme de dents radiales du cercle 118, ces dents radiales coopèrent avec les 15 éléments d'étanchéité fixes 124 et 126 qui sont fixés rigidement au côté intérieur de la branche 102. Comme il a été indiqué ci-dessus, les ailettes 106 sont prévues pour accélérer le courant de refroidissement et elles sont orientées pour établir un écoulement: à peu près tangentiel dans la cavité 116. Les ailettes 106 sont 20 de plus orientées de façon à établir cet écoulement dans le sens de rotation das ailettes 86 du rotor. Dans les conditions idéales, les ailettes 106 devraient établir un écoulement de refroidissement ayant une composante de vitesse radiale faible ou nulle. Jn ta! système permettrait une détente de l'air de refroidissement jusqu'à une vitesse élevée (et par suite une température basse corres-25 pondante) sans désaccord excessif entre la vitesse de l'air de refroidissement et la vitesse des éléments tournants, en augmentant ainsi le rendement de refroidissement. Le courant de refroidissement passe de la cavité 116 à travers les ailsttas 86 du rotor en traversant des passages convenables de n'importe 30 quel type des ailettes. Suivant le'mode de réalisation représenté, les ailettes 86 sont creuses et la ceinture 118 des ailettes comporte une ouverture 128 pour chaque ailette aérodynamique 86, ces ouvertures permettant le passage de l'air de refroidissement de ia cavité 116 vers l'intérieur des ailettes 86. Bien que la forme et les dimensions des passages pour l'air de refroidissement à l'intérieu 35 des ailettes 86 ne fasse pas partie de la présente invention, les ailettes 86 peuvent comporter des orifices le long du bord de fuite pour permettre l'échappement de l'air de refroidissement à partir de l'intérieur des ailettes 86 pour son mélange avec le courant de gaz chauds, d'une façon connue. CDPY 71 35321 7 2117848 Si cela est nécessaire, un dispositif peut être utilisé pour l'envoi d'air de refroidissement dans la chambre stationnaire 84 à travers une tuyauterie 130 représentée en tirets sur la figure 2. L'utilisation d'un tel passage extérieur pour l'air de refroidissement forme un système pouvant 5 comporter facilement un échangeur de chaleur à carburant ou air dans le circuit de refroidissement. Cet échangeur peut utiliser la basse température du carburant ou de l'air refoulé par la soufflante (dans le cas d'un moteur à turbo-souffiante) pour l'envoi d'air de refroidissement à une température plus basse vers la cavité 116 afin d'obtenir un refroidissement plus efficace des ailettes 10 86. Dans le cas des circuits de refroidissement intérieurs suivant la technique antérieure, de la façon représentée sur la figure 3, l'utilisation d'un tel échangeur de chaleur est sévèrement limitée en raison des tuyauteries importantes nécessaires pour diriger le carburant ou l'air vers les parties intérieures du rotor de la turbine à gaz. 15 Le détendeur d'air de refroidissement pour les extrémités des ailettes de la turbine selon l'invention apporte un certain nombre d'avantages importants par rapport aux systèmes utilisés jusqu'ici. Par exemple, les passages pour l'air de refroidissement du compresseur à la turbine sont considérablement simplifiés, ce qui se traduit par des formes moins compliquées pour les rotors 20 de la turbine et du compresseur, qui, en raison des joints d'étanchéité plus simples, sont caractérisés par une réduction des pertes de pression. La combinaison décrite permet des températures nettement plus basses de l'air de refroidissement pour les ailettes 86 hautement critiques de la turbine, parce que l'air de refroidissement est envoyé directement aux ailettes à travers le détendeur 25 104. Cette combinaison permet aussi un travail plus faible de pompage de l'air de refroidissement pour l'accélération de l'air de refroidissement jusqu'à la vitesse du disque. Un refroidissement bien plus efficace est ainsi obtenu. De plus, le travail réduit de pompage de l'air de refroidissement permet de prévoir une turbine' ayant un plus grand rayon que le rayon habituellement utilisé, 30 ce qui à son tour permet un rendement aérodynamique supérieur. Dans les systèmes utilisés actuellement, le travail supérieur de pompage de l'air de refroidissement peut être supérieur au gain de rendement aérodynamique pouvant être obtenu avec une turbine de plus grand diamètre. De plus, le système selon l'invention permet de réduire les pertes 35 de pression dans l'air de refroidissement résultant d'un désaccord entre la vitesse de l'air de refroidissement et la vitesse du disque à l'entrée de l'air dans le disque. Du fait de l'établissement d'une cavité sous pression à la ceinture, cette combinaison supprime ou réduit aussi les fuites de gaz qui 71 35321 8 2117848 autrement pourraient avoir lieu autour des extrémités des ailettes 86. Cela aussi augmente le rendement global de la turbine. Enfin, l'air de refroidissement envoyé dans la cavité 116 refroidit directement la ceinture 118 et élimine les problèmes de refroidissement pour ces parties. 5 Bien que la ceinture 118 des ailettes soit représentée sous ■ la forme d'un anneau en une pièce, des parties séparées de cette ceinture peuvent être formées à l'extrémité de chaque ailette 86. Dans ce cas, chaque partie de la ceinture est en contact avec les parties voisines pour former la ceinture continue nécessaire pour constituer la cavité 116. 10 Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 71 35321 9 2117848 REVENDICATIONS 1. Système pour le refroidissement d'une turbomachine comportant un disque de rotor, des ailettes de rotor montées radialement autour du disque 5 et ayant des parties à profil aérodynamique avec des extrémités, caractérisé par une ceinture s'étendant circulairement pour limiter le courant de gaz et fixé aux extrémités des ailettes, une structure stationnaire espacée radialement de la ceinture des ailettes et coopérant avec cette ceinture, un dispositif pour distribuer l'air de refroidissement dans la cavité suivant un écoulement tangen- 10 tiel accéléré, et des ouvertures dans la ceinture pour le passage de l'air de refroidissement à partir de la cavité vers l'intérieur des ailettes pour le refroidissement des ailettes. 2. Système de refroidissement selon la revendfcation 1, caractérisé en ce que le dispositif distribuant l'air sous la forme d'un courant tangentiel 15 accéléré comporte un certain nombre d'ailettes fixes supportées par la structure stationnaire et adaptées pour envoyer l'air de refroidissement dans.la cavité. 3. Système de refroidissement selon la revendication 2, caractérisé en ce que la structure stationnaire forme de plus une chambre annulaire au-dessus de la cavité annulaire. 20 4. Système de refroidissement selon la revendication 3, carac térisé en ce que les ailettes ont en section transversale un profil de forme générale aérodynamique, chaque ailette comportant un bord d'attaque du côté de la chambre annulaire et un bord de fuite situé dans la cavité. 5. Système de refroidissement selon la revendication 4, carac- 25 térisé en ce que le dispositif pour le passage de l'air de refroidissement de la cavité vers l'intérieur des ailettes comporte des ouvertures formées dans la ceinture des ailettes à l'extrémité de chaque ailette. 6. Système de refroidissement selon la revendication 5, caractérisé en ce que la*ceinture des ailettes comporte des joints à fluide pour 30 limiter les fuites à partir de la cavité. 7. Système de refroidissement selon la revendication 6, caractérisé en ce que les joints à fluide comportent au moins un élément à section transversale en forme de dent à chaque extrémité dans la direction axiale de la ceinture et un élément d'étanchéité fixé à la structure stationnaire pour 35 coopérer avec la dent radiale. 8. Système de refroidissement selon la revendication 7, caractérisé en ce que la structure stationnaire porte un certain nombre d'ailettes de distributeur, ces ailettes comportant des passages pour de l'air de refroidissement. 71 35321 10 2117848 9. Moteur à turbine à gaz comportant un compresseur, un système de combustion pour la production d'un courant de gaz annulaire de grande énergie et une turbine pour entraîner le compresseur, caractérisé en ce que la turbine comporte un disque tournant, des ailettes de rotor fixées radialement sur le pourtour du disque et ayant des parties à profil aérodynamique avec des extrémités, une ceinture circulaire limitant circulairement le courant de gaz et, fixée aux extrémités des ailettes, une structure circulaire espacée radialement de la ceinture des ailettes et coopérant avec cette ceinture pour former une cavité annulaire au-dessus de la ceinture, un dispositif pour l'envoi d'air de refroidissement dans la cavité sous la forme d'un courant tangentiel accéléré, et un dispositif pour le passage de l'air de refroidissement de la cavité à travers les ailettes pour le refroidissement des ailettes. 10. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 9, caractérisé en ce que le dispositif pour l'envoi d'air de refroidissement comporte un certain nombre d'ailettes fixes à profil aérodynamique supportées par la structure stationnaire et adaptées pour le passage de l'air de refroidissement vers la cavité.