Brevet FR2323007A1 — publié le 19770401

La présente invention concerne, d'une manière générale, des moteurs à turbines à gaz et, plus particulièrement, l'utilisation de l'écoulement de fuite de l'air de refroidissement de la turbine en vue d'accroitre les performances globales. Dans les moteurs à turbine à gaz présentant des performances élevées, la température du flux de gaz chauds, nroduit dans la section de combustion, excède les températures de fonctionnement de tout matériau pratique que l'on pourrait utiliser pour la fabrication des aubes mobiles et fixes de turbine. Afin de réduire la température à une valeur pour laquelle les métaux présentent une résistance mécanique suffisante, il est devenu de pratique courante d'envoyer de l'air sous pression à température plus basse, provenant du compresseur du moteur, vers les composants de la turbine qui fonctionnent dans l'environnement du flux de gaz chauds. Une des méthodes les plus efficaces pour abaisser la tempé- rature des métaux de tels composants consiste à introduire l'air de refroidissement dans des aubescréuses, mobiles ou fixes,et, ensuite, à évacuer l'air dans le flux de gaz chauds. Cet air de refroidissement abaisse les températures des métaux des composants grâce à divers processus de transfert de chaleur, tels qu'une action de refroidissement par film, par impact ou par convection. Pour être efficaces, tous ces processus de transfert de chaleur nécessitent l'emploi d'air sous pression, et dans les turbomachines à performances supérieures telles que, par exemple, une turbomachine comportant un seul étage de turbine à haute pression, l'air de refroidissement qui y pénètre doit avoir une pression très élevée Etant donné que l'on achemine cet air de refroidissement de la partie fixe de la turbomachine à la partie tournante de cette dernière, on doit prévoir un système étanche pour canaliser l'air de refroidissement dans le systeme principal d'acoulement d'air de la turbine et ce avec un mimimum de fuite. En tenant compte du fait qu'il existe une certaine fuite de l'air de refroidissement entre les principaux composants tournants et les composants fixes du système, on a mis au point des méthodes en vue d'utiliser cette fuite d'air pour un refroidissement complé- mentaire des composants tournants. Par exemple, dans le brevet des Etats Unis nO 3.768.924, on airige cet air sur le pied de l'aube afin de refroidir le pourtour du disque du rotor de la turbine. Bien que le fait de diriger l'air de fuite sur cette zone au-dessous de la plateforme de l'aube ait tendance à entraîner l'air de fuite loin de la face frontale de la grille d'aubes pour ainsi réduire la fuite dans le courant principal en ce point, il peut encore se produire une fuite dans le courant principal du fait de l'espace existant entre les plateformes des aubes adjacentes. Une fuite en ce point modifie fortement l'aérodynamisme de la grille d'aubes, et résulte en une diminution du rendement global du système. Par suite, on a élaboré diverses méthodes afin d'empêcher la fuite d'air entre les plateformes des aubes. Naturellement, si on empeche toute fuite d'air entre les plateformes, cela entraine l'apparition d'une contre-pression sur le système d'étanchéité en avant de la grille d'aubes, et la fuite d'air est alors à nouveau dirigée vers cette zone ou les effets sont plus gênants. En résumé, selon un aspect de la présente invention, on forme une chambre entre les pieds des aubes adjacentes en utilisant les plateformes des aubes, et des rails d'étanchéité associés des aubes mobiles de turbine respectives. On a prévu dans la chambre des ouvertures avant et arrière de telle manière que la fuite d'air de refroidissement pénètre par l'ouverture avant, traverse la chambre et sorte par l'ouverture arrière pour se décharger en un point situé en aval de la pale de turbine. L'axe de l'ouverture arrière forme un angle aigu avec l'axe du disque de la turbine, de telle façon que l'évacuation de l'air à partir de cette dernière provoque une réaction qui tend à accroître la rotation de l'aube dans son sens normal.Ainsi, l'énergie de l'air de refroidissement qui serait perdue dans l'écoulement principal d'air, ce qui réduirait le rendement, est utilisée pour accroître le rendement du système. Selon un autre aspect de la présente invention, on forme l'ouverture arrière dans le rail d'étanchéité de l'aube, et on fixe un dispositif de fermeture, par exemple une bague unitaire, à l'extrémité aval des aubes mobiles afin de former partiellement la chambre entre les aubes mobiles. On peut placer une bague unitaire, similaire avec des ouvertures appropriées, sur l'extrémité avant de l'aube mobile pour achever la formation de la chambre. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent, respectivement : Figure 1, une vue en coupe longitudinale, partielle d'un rotor et d'une aube mobile de turbine mettant en oeuvre la présente invention, Figure 2, une vue en coupe agrandie de la partie de la figure 1 qui met en oeuvre la presente invention, Figure 3, une vue en bout de l'arrière, partielle, de la figure 2 avec une partie éclatée afin de mieux illustrer la présente invention ; et Figure 4, une vue en plan partielle, d'une grille d'aubes selon la présente invention. Sur les figures 1, 2 et 3, on a representé un disque 10 de rotor de turbine comportant des aubes Il de turbine, saillant radialement, montées suivant une grille circulaire sur le disque. Chaque aube comprend une partie aérodynamique cambréeoupale 12 qui se trouve dans le courant de gaz chauds de la turbine, comme le savent les spécialistes. On a prévu une plateforme 13 à la base de chaque pale afin de définir de manière composite les limites internes du flux de gaz chauds à travers la grille d'aubes, et l'on a fermé l'espace entre les bords des plateformes adjacentes, par exemple, au moyen d'une simple bande de feuille de métal 15 (fig.2 et 4), d'une manière bien connuedes spécialistes. Partant de la plateforme, suivant un alignement essentiellement radial, on pré- voit une paire de saillies axialement espacées formant des rails d'étanchéité avant et arrière 14 et 16, respectivement.En outre, un pied 17 d'aube se prolonge radialement vers l'intérieur depuis la plateforme 13 afin de permettre la fixation de l'aube au disque 10 du rotor. Le disque 10 possède des encoches 18 en queue d'aronde formées de façon correspondantes sur son pourtour, les encoches recevant les pieds des aubes en vue du montage de l'aube 11 sur le disque 10. Si l'on considère maintenant la réalisation illustrée du pied 17 d'aube lors de son association avec le disque du rotor de la turbine (fig.2 et 3), on voit que les encoches 18 ont une profondeur supérieure à la hauteur des queues d'aronde des pieds 17 d'aubes afin de faciliter l'insertion des pieds d'aubes dans les encoches, et de faciliter l'amenée d'air de refroidissement aux pieds d'aubes d'une manière que l'on décrira ci-après. Des dispositifs de fixation avant et arrière 19 et 21 d'aubes, disposés sur les faces amont et aval du disque 10 du rotor de turbine, maintiennent les aubes 11 dans leur position axiale.Dans la présente réalisation, les dispositifs de fixation 19 et 21 d'aubes sont du type à plaque annulaire, et plusieurs boulons 20 espacés sur le pourtour les solidarisent avec le disque. I1 est, cependant, évident que l'on peut utiliser tout type adéquat de dispositif de fixation d'aube lors de l'application de la présente invention. Si l'on considère maintenant l'écoulement de l'air de refroidissement vers les aubes de la turbine, plusieurs trous 23, formés dans le dispositif de fixation amont 19, alimentent en air de refroidissement l'espace 22 (fia.2 et 3) situé entre le bas du pied 17 d'aube et le fond de l'encoche en queue d'aronde 18. Comme le montrent les figures 1 et 2, le compresseur (non représenté) fournit l'air de refroidissement à l'espace 22 par l'intermédiaire d'un passage 24 qui comporte une buse de détente 26 fixe afin de refroidir davantage l'air, ce d'une manière bien connue des spécialistes. L'air, après avoir traversé la buse de détente 26, pénètre dans une chambre 27 formée par la face amont du disque 10 du rotor de la turbine, un deuxième disque tournant 28, et le dispositif de fixation amont 19 de l'aube.Plusieurs boulons 29 solidarisent, en vue de sa rotation, le disque 28 avec le disque 10 du rotor de la turbine. L'air de refroidissement, provenant de la buse de détente 26 pénètre dans la chambre 27 par plusieurs trous 31 formés dans le disque 28. Cet air de refroidissement sort ensuite de la chambre 27 par des trous 28 du dispositif de fixation amont 19 de l'aube, et pénètre dans l'espace 22 à l'intérieur de l'encoche en queue d'aronde 18. Des encoches 18, l'air est envoyé dans les parties internes de l'aube 11 d'une manière quelconque connue. Dans le présent exemple, l'air traverse plusieurs passages lonqitudinaux 32 formés dans l'aube, et des passages de refroidissement formés dans la pale de turbine l'évacuent normalement de l'aube dans le chemin d'écoulement principal des gaz. Comme on l'a déjà mentionné, le dispositif de fixation 19 d'aube coopère avec le disque 10 du rotor et le disque 28 pour former la chambre 27. Pour cette raison, le dispositif de fixation 19 comporte un bras conique 33 qui s'adapte de façon étanche contre le pourtour 34 du disque 28, comme le montre la figure 1. La tête évasée 36 du dispositif de fixation 19 s'étend vers l'extérieur pour venir en contact avec le rail d'étanchéité 14, et la partie radiale interne de ce dispositif de fixation 19 vient en contact avec l'extrémité avant du pied 17, ce qui cale l'aube dans le sens axial. Une dent d'étanchéité 37 se prolonge axialement en avant de la tête évasée 36 et coopère avec un joint d'étanchéité fixe 38 afin d'éviter le mélange des flux de gaz chauds et froids soit dans la chambre 39, soit dans le chemin d'écoulement principal des gaz (figure 1). De plus, l'ensemble du dispositif d'étanchéité comprend un joint à dents multiples (fiv.1) qui constitue un prolongement du disque tournant 28 et qui vient en contact avec un joint fixe 50 afin de réduire la fuite d'air de refroidissement de la chambre 55 vers la chambre 39. I1 est évident qu'une certaine fuite se produit entre ces deux chambres et, en outre, qu'afin d'empêcher de façon satisfaisante une fuite de l'air de Iécoulement principal dans la chambre 39, il est nécessaire de permettre une faible fuite à partir de la chambre 39 dans le courant principal au moyen du joint 37. Néanmoins, on doit limiter cette fuite afin de ne pas interrompre l'écoulement principal, ce qui réduirait notablement le rendement du système. Outre la série de trous 23 mentionnés ci-dessus, le dispositif de fixation amont 19 d'aube comporte une série de trous 41 formés dans le bras se prolongeant radialement vers l'extérieur 42 du dispositif de fixation. Dans certains cas, il peut être souhaitable d'orienter ces trous suivant une direction autre qu'axiale afin d'améliorer leur capacité d'écoulement. I1 peut aussi être souhaitable de profiler leur configuration d'entrée de façon à améliorer les conditions d'entrée. Ces trous assurent une communication entre la chambre 39 sur un côté et une cavité annulaire 43 sur l'autre côté, la cavité annulaire 43 étant formée par la face avant du pied 17 de l'aube, le bras radial 42 et le rail d'étanchéité 14 des aubes espacées sur la circonférence.A son tour, la cavité annulaire 43 communique avec chacune des chambres 44 définies par les pieds 17 des aubes adjacentes, les plateformes 13 des aubes respectives, et le disque 10 du rotor de la turbine. L'écoulement d'air dans la chambre 44 a pour but de réduire la fuite d'air à partir de la chambre 39 vers l'écoulement principal des gaz. Avec une telle configuration, il est évident qu'en l'absence d'une détente de l'air de la chambre 44, la pression à l'intérieur de cette dernière a tendance à agir en retour dans la chambre 39 et éventuellement à s'exercer contre le joint 38, ce qui peut entraîner une fuite dans le courant principal de gaz. Un des buts de la présente invention est d'empêcher une telle fuite grâce à une structure de détente de la pression que l'on décrira en détail ci-après. Si l'on considère maintenant le dispositif de fixation arrière 21 de l'aube, la réalisation illustrée comprend une bague 46 fixée au disque 10 du rotor de la turbine au moyen de plusieurs boulons 20 espacés sur le pourtour, et possédant un bras 48 s'étendant radialement vers l'extérieur étroitement ajusté avec le pied 17 de l'aube et le rail d'étanchéité arrière 16, afin d'empêcher tout déplacement axial de l'aube à l'intérieur de l'encoche en queue d'aronde 18. S'étendant vrs l'arrière du bras radial 48, se trouve une dent d'étanchéité 49 qui vient en contact avec un joint fixe 51 afin d'assurer la fonction d'étanchéité nécessaire pour l'écoulement principal des gaz, comme le savent les spécialistes. Les figures 2 et 3 montrent que le rail arrière 16 de l'aube de turbine possede une ouverture 52 qui communique avec la chambre 44 à une de ses extrémités et avec le chemin d'écoulement principal des gaz à l'autre de ses extrémités. La taille de l'ouverture 52 est telle qu'elle fournit un écoulement suffisant de l'air de fuite de la chambre 39 à partir de la chambre 44 afin d'empêcher de manière adéquate l'augmentation de la pression et une fuite résultante à l'extrémité avant de la rangée d'aubes de turbine. Comme le montre la figure 4, on a orienté l'axe de l'ouverture de sortie 52 de manière que les forces de réaction des gaz sortants s'ajoutent aux forces de rotation s'exerçant sur le disque 10. C'est- -dire, l'axe de l'ouverture 52 forme un angle aigu avec l'axe du disque 10 du rotor de la turbine. De cette manière, les gaz sortant des ouvertures 52 ont tendance à se diriger vers la gauche comme l'indiquent les flèches de la figure 3, et les forces de réaction tendent à entrainer le disque 10 du rotor dans le sens des aiguilles d'une montre, ce qui accroît les forces de rotation agissant normalement sur le disque du rotor. On a trouvé que l'addition de ces forces augmentaient notablement le rendement global de la turbine à gaz. On a illustré l'ouverture 52 comme étant parallèle avec l'axe de la partie plane ou bord de fuite de la pale 12, indiqué par la ligne en tirets Y-Y sur la figure 4. I1 est évident que l'on peut modifier cette orientation par rapport à l'axe Y-Y afin d'obtenir des caractéristiques de l'écoulement de l'air de refroidissement et des performances de propulsion par réaction telles qu'on les veut. De ce qui précède, des variantes de la réalisation recommandée sont évidentes pour des spécialistes. Par exemple, la méthode et les dispositifs de fixation des aubes dans les fentes à queue d'aronde peuvent se présenter sous différentes formes, telles que, par exemple, plusieurs dispositifs segmentés, fixés individuellement au disque du rotor. Une autre variante consisterait à prévoir une ouverture d'évacuation dans l'élément de fixation arrière 21 d'aube plutôt que dans le rail d'étanchéité 16 comme représenté. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Dispositif de refroidissement par fluide destiné à une aube de turbine du type comportant une pale, une plateforme et un pied, une partie du pied pouvant être fixée dans un disque tournant et une autre partie de ce pied définissant en partie une cavite destinée à.recevoirun fluide de fuite provenant d'une chambre située en avant des aubes, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend - un élément de paroi arrière disposé radialement vers l'intrieur de la plateforme de l'aube et définissant en partie la cavité ; et un trou formé dans l'élément de paroi arrière dont l'axe forme un angle aigu avec l'axe du disque pour évacuer le fluide de fuite de la cavité. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pale est essentiellement plane vers son extrémité aval, et en ce que l'axe du trou est essentiellement parallèle à l'axe de l'extrémité aval. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de paroi arrière fait partie intégrante de l'aube. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide de fuite est introduit dans la cavité au moyen d'un élément de fixation avant d'aube pourvu d'un trou. 5 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide de fuite est l'air sous pression. 6 - Aube de turbine du type comportant une pale et un pied, une partie du pied étant conçue pour venir en prise avec un disque tournant, et une autre partie de ce pied définissant partiellement une cavité destinée à recevoir un fluide de fuite provenant d'une chambre située en avant de l'aube, caractérisée en ce qu'elle comprend - un bord de fuite fixé au pied définissant partiellement une partie arrière de la cavité, et - un trou formé dans le bord de fuite, dont l'axe forme un angle aigu avec l'axe du disque de telle sorte que la réaction de l'éjection du fluide de ce dernier tende à accroître la rotation normale de l'aube de turbine. 7 - Aube selon la revendication 6, caractérisée en ce que la pale est essentiellement plane à son extrémité aval, et en ce que l'axe du trou est essentiellement parallèle à l'axe de l'extré- mité aval. 8 - Aube selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une plateforme d'aube qui définit en partie la cavité 9 - Aube selon la revendication 8, caractérisée en ce que la plateforme d'aube est conçue pour venir en contact contre une plateforme d'aube adjacente qui définit en outre la cavité, et en ce qu'elle comporte de plus un dispositif de fermeture pour rendre étanche l'espace entre les-plateformes afin d'empêcher que l'air de refroidissement ne s'échapne à travers elles. 10 - Aube selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle est creuse et comporte en outre un dispositif pour l'introduction d'un fluide de refroidissement dans son volume intérieur en vue de son évacuation ultérieure dans le chemin d'écoulement principal des gaz. 11 - Méthode de refroidissement pour une aube de turbine du type comportant une pale, un dispositif pour introduire un fluide sous pression dans la pale en vue de son refroidissement; et un pied, une partie du pied étant conçue pour venir en prise avec un disque tournant, et une autre partie de ce pied définissant partiellement une cavité, méthode caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes suivantes : a) recueil de la fuite provenant du dispositif à fluide sous pression dans une chambre située en avant de l'aube, b) l'écoulement de cette fuite de la chambre vers la cavité; et, c) l'évacuation de la fuite de la cavité en général vers l'arrière de l'aube et avec un angle aigu par rapport à l'axe du disque, de telle sorte que la réaction à cette évacuation tende à accroître la rotation normale du disque. 12 - Méthode selon la revendication 11, caractérisée en ce que la pale est essentiellement plane vers son extrémité aval, et en ce que la direction d'évacuation du fluide lui est essentiellement parallèle. 13 - Méthode selon la revendication 11, caractérisée en ce que le fluide est introduit dans la partie avant de la cavité et la traverse axialement avant d'être évacué par l'extrémité arrière de la cavité.