Brevet FR2464363A1 — publié le 19810306

La présente invention concerne des rotors de turbine pour turbomachines telles que des moteurs à turbine à gaz. Il existe de nombreux cas o il y a un excès d'air de refroidissement dans la zone située immédiatement à l'amont de l'ensemble rotor de la turbine et adjacente au pourtour de la turbine, en dessous des plates-formes des aubes de la turbine. Si cet air de refroidissement est déchargé dans le courant gazeux passant sur les aubes de la turbine, le rendement de la turbine baisse. Pour surmonter le problème il est courant de dévier l'excès d'air radialement vers l'intérieur sur la surface amont du disque de turbine et à l'encontre des effets centrifuges du disque de turbine qui tourne. L'air passe alors par un alésage central du disque pour être déchargé dans le courant gazeux à l'aval du rotor de la turbine. L'air redirigé est utilisé pour refroidir et pressuriser le disque et les paliers de la turbine. Cependant, le passage de l'air de refroidissement en direction radiale et vers l'intérieur dans la zone adjacente à la face amont du disque de turbine, puis radialement vers l'extérieur dans la zone adjacente à la face aval d'un disque de turbine, absorbe une partie de la puissance de la turbine et réduit de ce fait le rendement effectif de la turbine, et donc du moteur. Dans les moteurs à rotors multiples, le diamètre de l'alésage central par lequel passe l'air de refroidissement est déterminé par le diamètre des arbres internes et les dimensions des jeux radiaux qui sont nécessaires pour être certain d'un courant approprié d'air de refroidissement. Les dimensions de l'alésage central ont une influence sur les dimensions d'ensemble du disque de turbine et les dimensions de la partie renflée centrale des aubes. Plus l'alésage central est important, plus la largeur de la partie renflée centrale des aubes doit être importante pour résister aux contraintes d'éclatement élevées et avoir une durée de service appropriée. Il en résulte qu'il est souhaitable de réduire au minimum le diamètre de l'alésage central du disque de turbine. Lorsqu'il s'agit de moteurs pourvus de systèmes d'alimen- tation à pression élevée des aubes.de turbine, la mise en place d'un système de courant dirigé radialement et vers l'intérieur à partir de la zone adjacente au pourtour du disque jusqu'à la face amont d'un disque de turbinepeut être à la fois complexe et lourde. Il en résulte, après avoir tenu compte du travail d'absorption de la turbine, des dimensions des disques de turbine pour obtenir des durées de vie appropriées et de la simplification des systèmes d'air interne du moteur, qu'il est avantageux de dévier au moins une partie du courant d'air en excès sur le pourtour d'un disque de turbine dans une zone adjacente à la face amont, loin de l'alésage du disque de turbine, et de transférer cet air en excès à l'arrière du disque de turbine de façon efficace. Un but de l'invention est de réduire ou de surmonter les problèmes mentionnés ci-dessus en prévoyant un ensemble rotor de turbine capable de transférer l'air de refroidissement d'un côté à l'autre sans le faire passer par un alésage central du disque du rotor. Selon la présente invention, il est proposé un ensemble rotor de turbine pour turbomachine, comprenant un ou plusieurs étages de turbine constitués par un disque de turbine et une série d'aubes de turbine espacées autour du pourtour du disque, caractérisé en ce qu'au moins l'un des étages de la turbine est pourvu de moyens récepteurs destinés à recevoir l'air de refroidis- sement provenant d'une zone située immédiatement à l'amont de l'étage de la turbine, et des moyens injecteurs adjacents au pourtour de la turbine, ou disposés dans ce pourtour, pour envoyer l'air de refroidissement sur le côté aval de l'étage de turbine considéré indépendamment des gaz qui passent sur les aubes de la turbine, les moyens injecteurs étant conformés et positionnés pour diriger l'air de refroidissement vers l'arrière par rapport à la direction de rotation de l'ensemble rotor. De préférence, le disque, ou chacun des disques, est pourvu d'une série de fentes de fixation des aubes disposées axialement et espacées autour de son pourtour, les aubes de la turbine étant pourvues de moyens de fixation de leur racine qui sont disposés et retenus dans les fentes, les aubes comprenant une plate-forme entre les moyens de fixation et leur racine et une section aérodynamique, et une plaque formant joint étant prévue pour fermer efficacement l'extrémité arrière des fentes. Les moyens injecteurs peuvent être prévus dans la plaque de scellement ou dans le pourtour du disque de turbine, ou encore dans une partie des aubes de la turbine qui fait face vers l'arrière, en un emplacement situé en dessous des plats-formes des aubes. L'ensemble rotor de la turbine pelit être du type comprenant un disque à aubes en une seule pièce, auquel cas les moyens injecteurs sont prévus sur le pourtour du disque. Une partie de l'air de refroidissement immédiatement à l'amont du disque peut être envoyée par des passages de refroidis- sement à l'intérieur des aubes de la turbine pour les refroidir et une partie peut être envoyée aux moyens injecteurs. Dans le cas o l'étage de la turbine, ou chacun des étages de la turbine, comprend des aubes qui sont disposées dans les fentes de fixation sur le pourtour du disque, les moyens récepteurs peuvent comprendre une fente de fixation des aubes et une partie de l'air pénétrant dans les fentes peut être envoyé par des passages de refroidissement à l'intérieur des aubes pour les refroidir, et une partie peut être envoyée auxdits moyens injecteurs. Selon une disposition différente, les moyens récepteurs peuvent comprendre des chambres constituées entre les racines des aubes de turbine adjacentes en dessous des plates-formes des aubes. Dans ce cas, les moyens injecteurs communiquent avec les chambres. On décrira maintenant des modes de réalisation de l'in- vention à titre d'exemples et en référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: la fig. 1 est une vue schématique d'une turbomachine à gaz à rotors multiples pour aéronefs, du type à dérivation et comprenant un ensemble rotor de turbine selon l'invention la fig. 2 est une vue en élévation avec coupe d'une partie de la turbine à deux étages à haute pression du moteur de la fig. 1, et -4 la fig. 3 est une vue en coupe d'une partie du premier étage de la turbine à haute pression de la fig. 2 suivant III-III de la fig. 2. Si l'on se reporte à la fig. 1, celle-ci représente une turbomachine à gaz du type pour aéronef, comprenant un venti- lateur compresseur 11 à étage unique et à basse pression monté dans une conduite en dérivation 12 et un moteur central comprenant en série un compresseur axial 13 à haute pression et à étages multiples, une chambre de combustion 14, une turbine à deux étages et haute pression 15, une turbine à basse pression et à étages multiples 16, et une tuyère d'éjection 17. Si l'on se reporte en particulier aux-fig. 2 et 3, la turbine à haute pression 15 comprend un rotor de turbine consistant en deux étages de turbine 15a, 15b. Chaque étage de turbine 15a, 15b comprend lui-même un disque de turbine annulaire 18a, 18b avec un fort renflement central 19 et une série d'aubes équidistantes les unes des autres autour du pourtour du disque. Chaque disque 18a, 18b est pourvu de fentes de fixation 21 pour les aubes, équidistantes les unes des autres et du type bien connu en forme de sapin. Chaque aube 20 comprend une racine en forme de sapin 22 disposée et retenue dans les fentes 21 de chaque disque 18a, 18b. Les aubes comprennent une section de forme aérodynamique 23, une joue de pointe 24, une plate-forme 25 et une queue 26 entre la plate-forme 25 et la racine en forme de sapin 22. Le disque de turbine 18a du premier étage est pourvu d'une collerette 27 par laquelle elle est fixée à l'arbre 28 du compresseur de haute pression qui est supporté à ses extrémités avant dans un palier de butée (non représenté). Le disque de turbine 18a du premier étage est boulonné au disque de turbine 18b du second étage et le disque 18b est pourvu d'une collerette 29 faisant saillie vers l'arrière et sur laquelle est boulonné un joint à labyrinthe 30. Le joint à labyrinthe 30 coopère avec la structure fixe 31 et le disque 18a est supporté par un coussinet de fusée (non représenté) au moyen d'un carter de liaison 32 monté de façon rotative dans le coussinet de fusée. L'arbre 33 qui relie le compresseur de basse pression à la turbine de basse pression traverse l'alésage central des disques 18a, 18b et un tube de recouvrement 34 s'étend entre le carter 32 et l'arbre 28 du compresseur de haute pression pour déterminer un couvercle étanche à l'air sur l'arbre 33. Entre les pourtours des deux disques de turbine 18a, 18b est monté un disque 35 constituant un joint à labyrinthe et coopérant avec les surfaces cylindriques 36 portées par des aubes directrices intermédiaires 37. Les aubes directrices 37 sont montées dans le carter externe 38 de la turbine et déterminent également les surfaces de scellement 39 avec lesquelles les pointes 40 des aubes de turbine du second étage coopèrent pour former un joint. La base des racine des aubes de turbine 20 de la turbine a du premier étage est écourtée pour définir une cavité 41 entre les racines 22 des aubes et la base des fentes 21. L'avant des aubes 20 du premier étage 15a de la turbine est pourvu d'une collerette 42 faisant saillie vers l'avant et d'un évidement 43 définissant une entrée d'air. Des passages de refroidissement 44 conduisent de la cavité 41 à l'intérieur des aubes pour déterminer le refroidissement tel qu'il est décrit plus complète- ment dans les demandes française NO 78 35354 et anglaise No 46540o/? Les collerettes avant 42 des aubes du premier étage 15a de la turbine sont pourvues de joints 45 coopérant avec des collerettes 46 portées par la structure fixe 47 qui constitue une partie du support des aubes directrices d'entrée 48. Les aubes directrices d'entrée 48 sont en outre supportées par le carter interne 49 de la chambre de combustion et le carter externe 38 de la turbine de haute pression et détermine des surfaces cylindriques contre lesquelles les pointes des joues des aubes forment un joint. Un joint 51 est prévu à l'avant des plates-formes des aubes du premier étage 15a de la turbine pour minimiser les fuites d'air de refroidissement dans le courant de gaz chauds passant sur les aubes de la turbine. Une plaque de scellement 52 est également prévue pour fermer de façon efficace les extrémités arrière-des fentes 21 des aubes de la turbine. La plaque de scellement 52 coopère également avec le pourtour du disque pour déterminer une force de réaction résistant au mouvement vers l'arrière des aubes dans les fentes 21. Les aubes 20 du premier étage 15a de la turbine comprennent une collerette 53 faisant saillie radialement vers l'intérieur à l'arrière de la queue de l'aube et juste en dessous de la plate- forme -Une série de trous 54 sont prévus dans la joue 53, les trous 54 étant dirigés vers l'arrière par rapport à la direction de la rotation de la turbine et formant ensemble des moyens injecteurs. L'air de refroidissement qui parvient du compresseur à haute pression est admis dans l'espace 55 par l'intermédiaire d'injecteurs à pré-tourbillon 58 situés immédiatement à l'amont du disque 15a du premier étage de la turbine et de la plaque de recouvrement 59. Une partie de l'air passe dans l'évidement de la collerette avant 28 des aubes et passe par l'intermédiaire des cavités 41 et des passages de refroidissement 44 de manière à refroidir les aubes du premier étage de la turbine. La partie restante de l'air de refroidissement peut passer devant les joints 45 et parvenir dans les chambres 56 (voir fig. jentre les queues adjacentes des aubes 20 du premier étage de la turbine. Les chambres 56 constituent un dispositif récepteur qui reçoit l'air de refroidissement et qui le dirige vers les moyens injecteurs constitués par les trous 54. En dirigeant l'air provenant des moyens injecteurs selon un angle tourbillonnaire élevé pour impartir une composante de vitesse importante à l'air en excès en direction opposée à la direction de rotation de la turbine, la différence de pression entre les pressions statiques immédiatement à l'amont et à l'aval du disque de turbine peut être utilisée dans les moyens injecteurs pour extraire de l'énergie de l'air en excès, et augmenter de ce fait le rendement de la turbine et refroidir en outre l'air à l'arrière du disque de turbine. Eair en excès provenant des trous 54 peut être utilisé pour déterminer la pressurisation de l'espace 57 entre les étages de la turbine, et il peut être également utilisé pour refroidir les aubes directrices 37 injectrices de l'étage suivant de la turbine. Si on le souhaite, l'air de refroidissement soufflé par les moyens injecteurs du premier étage de la turbine peut être également utilisé pour refroidir le second étage de la turbine. Si on avait recours à cette solution, il serait nécessaire de modifier la forme des fixations des aubes du second étage de la turbine par rapport à ce que représente le dessin, pour parvenir à un type de construction semblable à celui utilisé dans le premier étage de la turbine. Selon une autre modification, au lieu de prévoir les trous 54 dans une collerette des aubes de turbine faisant face vers l'arrière, les moyens injecteurs peuvent se présenter sous la forme d'une série de trous pratiqués dans la plaque de scellement 52. Les trous de la plaque de scellement doivent alors être disposés pour recevoir l'air provenant des chambres 56 et le renvoyer vers l'arrière par rapport à la direction de rotation du disque de turbine. Selon une autre modification encore, au lieu de compter sur l'air qui passe par le joint 45 et qui pénètre dans les chambres 56, on peut utiliser l'air qui est reçu dans la cavité 41 et déterminer une canalisation interne dans la racine de l'aube, pour laisser passer une partie de l'air reçu et refroidir l'aube, à partir de la cavité 41 et jusqu'à des moyens injecteurs prévus soit dans la plaque de scellement, soit dans la collerette 53 des aubes. Selon une autre modification encore, on peut constituer les étages de la turbine au moyen d'un disque rotor dont les aubes font partie intégrante, auquel cas les moyens injecteurs destinés à provoquer un tourbillon dans l'air de refroidissement peuvent traverser une partie constituant le pourtour du disque. En fait et bien que cela ne soit pas pratique avec les étages de turbine représentés sur les dessins, il pourrait être possible, quand les étages de la turbine se présentent sous d'autres formes, d'utiliser une série d'aubes disposées dans des fentes autour du disque de turbine pour constituer des moyens injecteurs traversant une partie du pourtour du disque, au lieu de traverser la plaque de scellement ou les collerettes montées sur les aubes. REVENDICATIONS 1.- Ensemble rotor de turbine pour turbomachine,-comprenant un ou plusieurs étages de turbine constitués par un disque de turbine et une série d'aubes de turbine espacées autour du - disque, caractérisé en ce qu'au moins l'un des étages 15a, 15b de la turbine est pourvu de moyens récepteurs (56) destinés à recevoir l'air de refroidissement provenant d'une région située immédiatement à l'amont de l'étage de la turbine, et des moyens injecteurs (54) adjacents au pourtour du disque (18a, 18b), ou à l'intérieur de ce pourtour, pour envoyer l'air de refroidis- sement sur le côté interne de l'étage de-turbine respectif indépendamment des gaz qui passent sur les aubes (20) de la turbine, les moyens injecteurs (54) étant conformés et disposés de manière à diriger l'air de refroidissement vers l'arrière par rapport à la direction de rotation de l'ensemble rotor. 2.- Ensemble rotor de turbine selon la revendication 1, caractérisé en ce que le disque (18) ou chacun des disques (18a, 18b) est pourvu d'une série de fentes (21) de fixation d'aubes (20) disposées axialement et espacées autour de son pour- tour, les aubes (20) de turbine étant pourvues de moyens de fixation de la racine (22) qui sont disposés ou retenus dans les fentes (21), les aubes (20) comprenant une plate-forme (25) entre les moyens de fixation de la racine (22) et une section aérodynamique (23) de l'aube, et une plaque de scellement (52) étant prévue pour fermer de façon efficace l'extrémité arrière des fentes (21). 3.- Ensemble rotor de turbine selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens injecteurs (54) sont prévus dans une partie des aubes (20) de turbine faisant face vers l'arrière, en un emplacement situé en dessous de la plate-forme (25) des aubes. 4.- Ensemble rotor de turbine selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens injecteurs (54) sont prévus dans la la plaque de scellement (52). 5.- Ensemble rotor de turbine selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens injecteurs sont prévus dans le pourtour du disque (18a, 18b). 6.- Ensemble rotor de turbine selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étage de turbine (15a, 15b) ou chacun des étages de turbine, comprend un disque à aubes (18a, 18b) en une seule pièce, et en ce que les moyens injecteurs (54) sont prévus sur le pourtour du disque. 7.- Ensemble rotor de turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une partie de l'air de refroidissement immédiatement à l'amont du disque (18a, 18b) est envoyé dans des passages de refroidissement (44) à l'intérieur des aubes (20) de la turbine pour les refroidir, alors qu'une partie est envoyée auxdits moyens injecteurs (54). 8.- Ensemble rotor de turbine selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens récepteurs comprennent les fentes (21) de fixation des aubes (20), et en ce qu'une partie de l'air de refroidissement qui pénètre dans les fentes (21) de fixation des aubes est envoyé dans des passages de refroidissement (44) à l'intérieur des aubes de turbine pour les refroidir, alors qu'une partie est envoyée aux moyens injecteurs (54). 9.- Ensemble rotor de turbine selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens récepteurs comprennent des chambres (41) formées entre la partie constituant la racine (22) des aubes (20) de turbine adjacentes, en dessous des plates- formes (25) des aubes, et en ce que les moyens injecteurs (54) communiquent avec les chambres (41).