Brevet FR2214044A1 — publié le 19740809

La presente invention concerne les moteurs à turb-ines à gaz et plus particuliè-rement la protection thermique des cavités des rotors des turbines. Du point de vue de la structure, les ailettes du rotor- et les roues associées de la turbine sont habituellement interposées entre le stator de .la turbide et une autre structure statique. Ces positions relatives empe- chent l'établissement de joints d'étancheite directs entre les elements tournants et les éléments statiques voisins.Par suite, la cavité du rotor dans laquelle sont-situes les éléments les plus sensibles à la température doit entre protégée contre les courants de gaz chauds d'une façon qui ne soit pas affectée défavorablement par la migration d'une partie des gaz chauds dans la cavité La présente invention a pour objet principal d'assurer une commande thermique pour la protection des éléments rotatifs de la turbine disposés dans la cavité de la turbiné, cette commande ayant peu d'effet sur le rendement du moteur. Pour obtenir ce résultat ainsi que d'autres objets qui appas rattront ci-apres, la présente invention concerne-sous un de ses aspects un dispositif de commande de la température pour la cavité du rotor d'une turbine, ce dispositif comportant plusieurs chambres de mélange espacées en série et superposées radialement. les chambres sont définies entre la structure statique de la turbine et une roue de turbine et sont comprises entre ces deux parties Les chambres communiquent en série les unes avec les autres de façon que les gaz échappant du passage pour les gaz chauds résident en premier lieu dans la chambre la plus extérieure radialement et soient mélangés à l'air de refroidissement et qu'ils passent successivement à travers les chambres voisines en série pour un mélange supplémentaire avant de pénétrer dans la cavité du rotor.De cette façons chaque chambre sert comme dissipateur de chaleur pour réduire la température des gaz qu'elle contient pendant leur durée de séjour, de sorte qu'il existe un gradient de température-global à travers la zone intermédiaire pour atteindre une limite inférieure acceptable dans la cavité du rotor Pour approcher de l'utilisation maximale de la commande thermique ainsi décrite, la première chambre (la plus extérieure radialement) est formée principalement d'une structure statique de sorte que les contraintes thermiques et les températures sont minimisées dans la structure du rotor. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à-titre d'exemples et faite en se référant au dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est une coupe simplifiée dlune partie de la turbine d'un moteur à turbine à gaz comportant un dispositif selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, - la figure 2 est une coupe montrant une variante d'un dispositif selon l'invention pour la turbine de la- figure 1, et - la figure 3 est une coupe montrant une autre variante d'un dispositif selon l'invention pour la turbine de la figure 1 La présente invention, bien que décrite en considérant le cas d'un moteur à turbine à gaz, peut avoir des utilisations très larges quand une commande de la température est désirable pour la protect-ion de parties d'une machine tournante exposées aux interfaces entre la structure rotative et la structure statique de la machine. La figure 1 est une coupe simplifiée d'une partie d'un moteur à turbine à gaz montrant les éléments de la turbine avec un dispositif selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. La turbine 10 est située dans le moteur immédiatement en aval d'une chambre de combustion (non représentée) ayant une ouverture de sortie 12 à travers laquelle les gaz chauds constitués par les produits de combusiton échappent d'une zone de combustion définie entre des chemises 14 et 16. La turbine comporte des étages de stator 18 et -20 supportés rigidement par un élément d'enveloppe 22.De plus, la turbine 10 comporte des étages de rotor 24 et 26. Le moteur fonctionne sur un mode classique suivant lequel le carburant est brdlé dans la chambre de combust-ion et les produits de combustion échappent à travers la sortie 12 pour venir. frapper les étages 18, 20, 24-et 26 de la turbine. Les ailettes directrices ou de distributeurs 18 et 20 servent respectivement à diriger l'écoulement suivant un angle optimal d'attaque pour le transfert de l'énergie aux étages 24 et 26 durotor, L'énergie ainsi transférée est utilisée pour faire tourner l'arbre qui entrafne un compresseur situe en amont de la chambre de combustion et diffém rents organes accessoires du moteur. Du point de vue structure, le distributeur 18 comporta un plateau d'ailettes 30 qui délimite en partie le passage 32 pour les gaz chauds, les produits de combustion passant à travers ce passage vers une sortie située en aval des ailettes 26 du rotor De façon similaire, te distributeur 20 comporte un plateau d'ailettes 34 et les ailettes 24 du rotor comportent un plateau 36 et des ailettes 26avec un plateau 38, tous ces plateaux délimitant de façon supplémentaire le passage pour les gaz chauds. Les roues ou disques 40 et 42 de la turbine portent respectivement les ailettes 24 et 26 du rotor, ces ailettes étant tenues du fait d'encoches dans les disques et des extrémités en queue d'aronde 44 et 46 des ailettes des deux disques. De façon similaire, les autres ailettes du rotor entourent les disques 40 et 42 et coopèrent avec ceux-ci. Les disques 40 et 42 sont solidarisés avec l'arbre par des entretois-es coniques 48 et 50. Cet assemblage peut titre obtenu. par n'importe quel moyen de fixation mécanique convenable, une fixation par boulons et écrous- étant représentée. La structure tournante. de la turbine, qui comprend les queues des ailettes, les roues et les éléments coniques formant l'arbre d'entratnement, se trouve dans une cavité de rotor 52, cette cavité entourant les roues et étant disposez radialement å l'intérieur par rapport au passage 32 pour les gaz chauds. Les ailettes rotor et les ailettes du stator de la turbine peuvent outre en maties pouvant supporter les tempé- ratures très élevées du passage pour les gaz chauds quand elles sont-- conve- nablement refroidies.Cependant, les conditions nécessaires pour les tolérances pour les contraintes résultant des forces mécaniques exercées sur les queues des ailettes, les roues et les autres éléments tournants situés dans la cavité du rotor emptchent- l'utilisation réelle de matières ayant une rdsis- tance extrtme à la chaleur. Il devient par suite nécessaire d'isoler pratiquement la cavité du rotor des températures existant dans-les passages pour les gaz chauds. En raison de la proximité des éléments statiques et rotatifs, il n'est pas possible d'éliminer totalement le jeu entre la cavité du rotor et le passage pour les gaz chauds, par exemple d'empêcher une fuite de gaz chauds du passage vers la cavité. De plus, un refroidissement en utilisant de--l'air de purge envoyé dans la cavité du rotor n'estpas-suffisant -et il provoque une réduction appréciable du rendement. La présente invention résout les problèmes relatifs au chauffage de la cavité du rotor d'une façon compatible--avec les restrictions pratiques, Au lieu d'essayer d'établir un joint s'opposant au passage des gaz du passage 32 pour les gaz chauds vers la cavité -52 du-rotor, la présente invention cherche l'établissement d'une zone thermique intermédiaire dont la partie A de la figure 1 est un exemple. Par- suite, la présente invention ne demande pas des fabrications conteuses avec des tolerances étroites qui ont tendance à outre détériorées rapidement dans lfatmosphère des gaz chauds. Au lieu de cela, l'invention a pour but de retarder la migration des gaz chauds vers la cavité du rotor, en dirigeant les gaz à travers un trajet sinueux formé par des chambres communiquant en série et dans chacune desquelles les gaz sont retenus temporairement et sont refroidis Une certaine partie de la structure statique indiquée d'une façon générale en 58 est formée selon ltinvention par des parties de la struc ture tournante pour délimiter plusieurs chambres connectées en série et dis posées successivement entre le passage pour les gaz chauds et la cavité du rotor à proximité de la jonction entre les éléments tournants et statiques. Plus particulièrement, la zone intermédiaire thermique A com porte, suivant le mode de réålisation représenté sur la figure 1, une première et une seconde chambre de mélange 54 et 56 à travers lesquelles les gaz chauds doivent passer avant de pénétrer dans la cavité 52 du-rotor. En plus de cette structure associée à la roue 40, une structure similaire peut astre associée å la roue 42 ainsi qu'aux roues consécutives de la turbine. Cependant, la des cription qui suit sera limitée à celle de la structure associée à la roue 40. D'une façon générale, la chambre 54occupeun espace immédia tement voisin du passage 32 pour les gaz chauds et il en est séparé par le plateau 30 des ailettes du premier distributeur La chambre 54est en partie délimitée par une première paroi 60 qui est une- partie du plateau 30 des ail lettes du distributeur De plus, la chambre est-partielleme-nt délimitée par une seconde paroi 62 qui est une partie de la structure statique 58 s'étendant radialement vers l'intérieur à partir du plateau 30. --La paroi 62 est espacée radialement de la paroi 60 et les deux sont pratiquement annulaires,de sorte que la chambre 54 est aussi pratiquement annulaire et s'étend circulairement autour de la cavité 52. Une partie du plateau 36 des ailettes de rotor dépasse-axia lement entre les parois 60 et 62 pour fermer sensiblement la chambre 54 et pour définir ses limites de façon supplémentaire. Clairement, c'est une ques tion de convenance d'utiliser le plateau du distributeur 30 et le plateau 36 des ailettes du rotor pour former la première paroi 60 et la troisième paroi 64. De façon similaira,-un autre élément statique et un autre élément tournant porté par la roue 40 pourraient servir aussi bien. Ainsi qu'il apparaît sur la figure 1, la configuration ainsi décrite laisse des intervalles ou jeux entre les parois associées, ces jeux étant indiqués en66 et 68. Les gaz chauds du passage 32 peuvent fuir à tra vers ces jeux vers la cavité 32 du rotor (en plus de petites quantités d'air de aeî?oidissement ou de purge pouvant passer de la cavité 52 dans les chambres de mélange 54 et 56 dans un but ,expliqué ci-après). Pour minimiser l'écoule- ment à travers ces jeux tout en limitant la dépense représentée par l'établis- sement de joints avec des tolérances étroites, la paroi 6p cpmporte un bord 70 s'étendant radialement et la paroi 62 comporte un bord similaire 72.Ces bords 70 et 72 arrivent à proximité de la troisième paroi 64 dans des directions radialement opposées dans la mesure compatible avec une fabrication peu cod- teuse Avec la disposition représentée sur la figure 1, les parois 60, 62 et 64 sont pratiquement coaxiales et la paroi 64 est située radialement entre les parois 60 et 62. Il sera montré ci-après que ce n'est que l'une parmi les combinaisons possibles pour la disposition des parois. De plus, les parois 60 et 62 sont pratiquement reliées, de la façon représentée, par une quatrième paroi 74 s'étendant dans la direction radiale entre les parois mentionnées ci-dessus. Les parois 60, 62 et 74 éta blessent un profil ayant la forme générale d'un U, la paroi 64 s'étendant dans ltouverture du U.Il doit être noté que trois dans quatre parois de la première chambre ou chambre radialement la plus extérieure 54 sont formées par ditfé- rentes parties des la structure statiquede--la turbine De plus, la structure statique est soumise à des contraintes mécaniques substantiel-lement inférieures à celies auxquelles est soumise la structure tournante, et,par suite, elle est mieux adaptée pour etre soumise aux températures élavées existant dans la chambre- 52. Un autre avantage de cette 'disposition est que la structure statique 58 de dimensions substantielles constitue un dissipateur de chaleur efficace auquel une partie importante de l'énergie thermique des gaz chauds peut etre transféree-pendant le séjour des gaz dans la chambre 54. Une seconde chambre de mélange 56 est représentée immédiatement a cté de la cavité 52 du rotor et elle est connectée en série à la chambre 54 par le jeu 68, et à la cavité du rotor par un autre jeu 76. La chambre 56 est délimitée par une paroi 78 associée à la structure statique 58 et par le côté inférieur 80 du plateau 36 des ailettes du rotor ainsi que la partie 82 de la queue de l'ailette et le dispositif de fixation de l'ailette (ou plaque de couverture) 83. Une paroi 84 approche d'un prolongement axial 86 de l'élément de fixation 83 pour réduire le jeu 76 mais en laissant suffisamment de jeu pour la facilité de la fabrication et de l'assemblage ainsi que pour éviter tout contact mécanique dans toutes les conditions courantes de fonctionnement. Les chambres 54 et 56 peuvent etre considérées comme partiellement isolées l'une de l'autre par le bord 72 de la paroi 62 de la structure statique de la turbine. Les deux chambres ne communiquent que par le jeu 68. Spatialement, les chambres 54 et 56 sont superposées radialement entre le passage 32 pour les gaz chauds et la cavité 52 du rotor. Le rapport de fonctionnement entre les chambres 54 et 56 et la commande thermique selon l'invention est le suivant. Les gaz chauds traversant le passage 32 frappent les ailettes de rotor 24 tournant autour de l'arbre, Une partie inévitable de ces gaz chauds passe à travers le jeu 66 dans la chambre 54 dans laquelle les gaz séjournent et se mélangent, et transfèrent une partie de leur énergie thermique à une petite quantité de courant de purge pénétrant a travers le jeu 68 à partir de la cavité 56.Après avoir cédé ou dissipé une partie substantielle de leur énergie thermique pendant la durée prédéterminée de séjour dans la chambre 54, une partie des gaz mélangés et de l'air de purge passe à travers le jeu 68 dans la seconde chambre 56 dans laquelle ont lieu un mélange et un transfert de chaleur supplémentaires, un petit courant de gaz de purge pénétrant à travers le jeu 76 a partir de la cavité 52 du rotor.L'utilisation du nombre voulu de chambres de mélange 54, 56, etc, provoque un gradient thermique à travers les chambresJde sorte que les gaz échappant à travers le jeu 76 entre le bord 84 et le prolongement axial 86 de la paroi 82 de la partie- tournante -seront à une -temprature- suffisaa- ment basse pour qu elle soit supportée par--les éi;éments- sensibles à la -tempé- rature situés- dans- la cavité du rotor Les figures 2 et 3 représerrt-ent des variantes du dispositifreprésenté sur la figure 1.Le fonctionnement suivant chacune de ces variantes est pratiquement le même que celui décrit ci-dessus.- -Dans le cas de la figure 2 une première chambre 90 correspondant à-la chambre 54 décrite ci-dessus est formée entre une première et une seconde paroi fixes 92 -et 94-conjointement avec une troisième paroi tournante 96. Suivant ce mode de réalisation, la première, la seconde et la troisième paroi 92, 94 et 96 sont sensiblement coaxialrs et la troisième paroi 96 est placée à l'intérieur radialement par rapport aux parois 92 et 94.Avec cette disposition, les bords 98 et 100 des parois 92 et 94 arrivent à proximité de la troisième paroi tournante 96 pour réduire les dimensions des jeux correspondants afin de réduira I'écoulement à travers ces jeux dans la mesure du possible. I1 sera noté que les bords 98 et 100 approchent de la paroi 96 å partir du meme côté dans le sens radial tandis que,dans le cas précédent, les bords 70 et 72 approchent de la paroi 64 par les côtés opposés radialement. Suivant la variante de la figure -3 > une première chambre 102 radialement à l'extérieur est délimitée par une première et une seconde paroi statiques 104 et 106, et elle est sensiblement fermée par une troisième paroi tournante 108. Dans ce cas aussi) les trois parois sont sensiblement coaxiales, mais suivant cette variante, les parois 106 et 108 sont situées sensiblement à la même distance radiale de façon-qutelles se touchent presque,tandis que la première paroi 104 est située radialement à l'extérieur par rapport à la seconde et à la troisième paroi. Comme il a été- indiqué dans les trois cas} lue fonctionnement du dispositif amortisseur thermique est similaire à celui -décrit ci-dessus. Toutes ces dispositions servent à établir un gradient thermique substantiel à travers la zone intermédiaire d'amortissement afin que la chaleur extreme présente dans le passage 32 ne vienne pas-en contact direct avec les élémentis sensibles à la chaleur situés dans la cavité 52 du rotor Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative, et l'invention peut etre mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que 1' on sorre de son cadre REVEND I CAT IONS 1. Système pour la commande de la temperature de la cavité du rotor d'un moteur à turbine à gaz du type comportant une roue de turbine, des ailettes de rotor coopérant avec la roue- et disposées dans un passage pour les gaz chauds, un plateau d'ailettes délimitant partiellement le passage pqur les gaz chauds, une cavité de rotor contenant de l'air de refroidissement et entourant la roue du cOté intérieur dans le sens radial du passage pour les gaz chauds et une structure statique de turbine comportant un distributeur de stator, caractérisé par une zone d'amortissement thermique disposée entra le passage pour les gaz chauds et la cavité du rotor, cette zone d'amortissement comportant une première paroi coopérant avec la structure statique, une seconde paroi espacée de la première paroi, une chambre de mélange thermique partiellement définie par-la première et la seconde paroi, une troisième paroi délimitant partiellement la chambre, cette troisibue paroi étant portée par la roue de la -turbine, un dispositif pour introduire une p-artie des gaz chauds du passage da-rrs la chmbTe- et- un dispositif pour introduire une partie de l'air de refroidissement- de la cavité du rotor dans la chambre de mélange. 2. Système selon la revendication 1, caractéris-é en ce quela chambre de mélange est sensiblement annulaire et s'étend circulairement autour de la cavité du rotor 3. Système selon revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif pour le passage des gaz chauds et le dispositif pour le passage de l'air de refroidissement sont constitués par des jeux établissant la commu-- nication respectivement entre la chambre de mélange et le passage pour les gaz et entre la- chambre de mélange et la cavité du rotor 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le distributeur du stator comporte un plateau à ailettes et la première paroi comprend une partie de ce-plateau. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que la troisième paroi comprend une partie du platea-u des ailettes du rotor. 6. Système selon l'une.quelconque des-revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la première, la seconde et la troisième paroi sont sensiblement coaxiales et la troisième paroi est située radialement entre la première et la seconde paroi. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la première, la seconde et la troisième paroi sont sensiblement coaxiales et la troisième paroi est située radialement à l'in térieur par rapport à la premiere at-à la seconde paroi. 8 Système selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la première, la seconde et la troisième paroi sont sensiblement coaxiales et Ia seconde et la troisième paroi se terminent face à face à peu de distance l'une de I'aut-re,tandis que la première paroi est située radialement à l'intérieur par rapport à la seconde et à la troisième paroi. 9, Système selon l'une quelconque des revendications- 1 à 7, caractérisé en ce que la première et la seconde paroi comportent resp-ectivement un premier et un second bord arrivant à proximité de la troisième paroi. 10 Système selon la revendication 6, caractérise par une quatrième paroi s'étendant entre la première et la seconde paroi et délimitant avec celles-ci la chambre de mélange avec une forme générale en U en section transversale et la troisième paroi s'détend dans la direction axiale dans 11 ouverture du U. 11, Système pour la commande de la température de la cavité du rotor d'un moteur à turbine à gaz du type comportant une roue de turbine > des ailettes de rotor coopérant avec la roue et disposées dans un passage pour les gaz chauds, un plateau à ailettes délimitant- partiellement le passage pour les gaz chauds, une cavité de rotor contenant de l'air de refroidissement et entourant la roue du cOté intérieur dans le sens radial du passage pour les gaz chauds, et une structure statique de turbine comportant un distributeur de stator, caractérisé par une zone d'amortissement thermique disposée entre le passage pour les gaz chauds et la eavité-du rotor, cette zone tissement comportant une première et une seconde chambre de mélange communiquant en série entre le passage pour les gaz chauds -de la cavité du rotor, et des dispositifs pour le passage d'une certaine quantité de gaz chauds à partir du passage pour les gaz chauds et une certaine quantité d'air de refroidissement à partir de la cavité du rotor vers la première et la seconde chambre pour leur mélange et le transfert de chaleur entre les gaz chauds et l'air de refroidissement. 12, Système selon la revendication 11, caractérisé en ce que la première chambre est située immédiatement à côté du passage pour les gaz chauds et la seconde chambre est située immédiatement à c8té de la cavité du rotor. 13. Système selon revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que la première et la seconde chambre sont délimitées entre la structure statique de la turbine et la roue de la turbine. 14. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que la première et la seconde chambre sont partiellement isolées l'une de l'autre par une partie de la structure statique de la turbine. 15. Système de commande de la température de la cavité du rotor d'un moteur à turbine à gaz du type-comportant une roue de turbina, des ailettes de rotor de la turbine coopérant avec la roue et disposées dans un passage pour les gaz chauds, un plateau à aiLettes délimitant partiellement le passage pour les gaz chauds, une cavité de rotor contenant de l'air de refroidissement et entourant la roue du cOté intérieur radialement par rapport au passage pour les gaz chauds, et une structure statique de turbine comportant- un distributeur de stator, caractérisé par une zone d'amortissement thermique entre le passage pour les gaz chauds et la cavité du rotor, la zone d'amortissement comportant plusieurs chambres de mélange superposées radialement et communiquant en série, délimitées par la structure- statique de-laturbine et la roue de la turbine et entre cette structure et la roue, et dans laquelle les gaz chauds provenant du passage pour les gaz chauds et l'air de refroidissement de la cavité du rotor sont mélangés dans ces chambres. 16. Système- selon la revendication 15, caractérisé en ce que la chambre la plus extérieure radialement-est située sensiblement à côté du passage pour les gaz chauds et la chambre la plus intérieure radialement est délimitée principalement par la structure statique de la turbine.