Brevet FR2481747A1 — publié le 19811106

L'invention concerne, d'une manière générale, des chemins d'écoulement pour l'air de refroidissement de turbines à haute température. Récemment, on a utilisé sur les moteurs à turbine des ajutages orientés dans le sens de rotation de la turbine pour accélérer cet air de refroidissement dans le sens de rotation afin de faciliter son entrée dans l'arbre tournant. L'ajutage fait passer l'air par de simples trous percés dahs la paroi de l'arbre. Pour arriver aux aubes de la turbine, l'air doit passer par ces trous de l'arbre, puis se déplacer radialement vers l'extérieur dans les aubes chaudes de la turbine. Bien que cette amélioration ait donné de bons résultats, il est possible de faire encore mieux. On a trouvé que, après sa sortie de l'ajutage, l'air de refroidissement possède une vitesse très élevée, supérieure à la vitesse de rotation de l'arbre de la turbine. Cela signifie que l'air de refroidis- sement a une vitesse tangentielle par rapport à l'arbre. Quand l'air ralentit pour passer par les trous de l'arbre, il se produit une perte de charge importante. Ceci représente une perte d'énergie impossible à récupérer. Par ailleurs, si l'air s'écoule suivant un-rayon plus petit, par exemple en passant sous un disque de turbine, sa vitesse tangentielle augmente encore, provoquant même parfois une résonance acoustique. Récemment, on a utilisé dans les moteurs à turbine des aubes radiales planes disposées à l'intérieur de l'arbre de la turbine, pour réduire la vitesse tangentielle résiduelle de l'air de refroidissement. On a réussi ainsi à éliminer la résonance acoustique, mais les pertes aérodynamiques subies par l'air dans le circuit de refroidissement en ont été encore augmentées. On peut éviter ces difficultés potentielles en enlevant à l'air de refroidissement toute vitesse tangentielle excédentaire avant qu'il ne pénètre dans l'arbre de la turbine. L'invention a donc pour buts: - de faire pénétrer de l'air de refroidissement exempt de toute rotation dans une turbine en rotation d'un moteur à turbine à gaz, sans pertes de charge importantes, avec des températures moins élevées de l'air de refroidissement et une réduction du débit de l'air de refroidissement; - d'envoyer de l'air de refroidissement dans une turbine en rotation sans qu'il ait une vitesse tangentielle trop grande. Dans une réalisation, la présente invention consiste en des aubes déflectrices profilées qui correspondent à des trous ménagés dans une paroi d'arbre de turbine et sont fixées à eux. Ces aubes ont pour fonction de modifier la direction d'écoulement de l'air de refroidissement; cet air possédant à sa sortie d'un ajutage une accélération tangente à la paroi de l'arbre, il s'agit de l'orienter suivant une nouvelle direction parallèle à l'axe de chacun des trous de l'arbre. Dans ces conditions, ces aubes font passer l'air de refroidis- sement dans les trous de l'arbre tournant, sans pertes de charge importantes, et la température de cet air est moins élevée. De plus, les aubes sont pourvues de passages qui s'évasent dans le sens d'écoulement de l'air, afin de faire diffuser cet air et d'augmenter sa pression statique. On réduit la perte d'entrée en donnant à l'entrée du passage une forme aérodynamique. L'effet combiné de cette perte d'entrée réduite et de la remontée de la pression due à la diffusion permet d'utiliser un ajutage à rapport de pression plus élevé, ce qui augmente le rendement du système et réduit la température de sortie de l'air de refroidissement par rapport au rotor. L'abaissement de la température de l'air de refroidissement permet de réduire le débit de l'air de refroidissement et, en définitive, d'améliorer le rendement du cycle de la turbine. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées, qui représentent respectivement Figure 1, une vue en coupe d'un moteur à turbine à gaz d'avion; Figure 2, une vue en coupe agrandie d'une partie d'un moteur à turbine à gaz, représentant un chemin d'écoulement typique, pour l'air de refroidissement, suivant-la technique antérieure; Figure 3, une vue en coupe agrandie d'une partie d'un moteur à turbine à gaz, semblable à celle de la figure 2, 248 1747 mais mettant en oeuvre une réalisation de la présente invention; et Figure 4, une vue en coupe d'une réalisation d'un dispositif antiturbulence de la présente invention. Si l'on se reporte maintenant à la figure 1, on y voit en 10 un moteur à turbine à gaz pour avion, représenté ici pour décrire les composants et les fonctions de base du moteur et certains aspects généraux d'un chemin d'écoulement pour l'air de refroidissement. La description des fonctions de base du moteur commence lorsque l'air entrant dans le moteur pénètre dans un compresseur 12 o il est comprimé à très haute pression pour permettre une combustion rapide plus en avàl dans le moteur. Cet air à très haute pression sort par une sortie 14 de compresseur et pénètre dans une chambre de combustion 16, o il se mélange à du carburant. L'inflammation du mélange air/carburant produit des gaz de combustion chauds qui prennent de la vitesse en passant de la chambre de combustion 16 à une turbine 18. Dans la turbine, ces gaz de combustion accélérés sont dirigés vers des aubes 20 de turbine et les font tourner à très grande vitesse. Les aubes 20 sont reliées par des rotors 22 à un arbre 24 de turbine pour transférer de l'énergie à celui-ci. L'arbre 24 peut être relié mécaniquement à n'importe quel dispositif que l'utilisateur du moteur souhaite entraîner mécaniquement. Dans un moteur d'avion typique, on utilise des arbres de turbine pour entraîner tant le compresseur 12 qu'une soufflante (non représentée) qui accélére l'air pour communiquer une poussée vers l'avant à un avion. Dans l'exécution de ces fonctions de base par le moteur, il faut bien voir que l'on peut tirer des gaz de combustion une puissance maximale à une certaine température optimale thermodynamiquement déterminée. Malheureusement, la meilleure température donnée par le calcul est si élevée que le fonctionnement du moteur de cette façon optimale conduirait à la destruction rapide des parties du moteur exposées aux gaz de combustion très chauds. C'est pourquoi les moteurs à turbine à gaz fonctionnent effectivement à une température quelque peu inférieure à la température optimale déterminée thermodynamiquement. Pour améliorer le rendement des moteurs en les faisant fonctionner à température plus élevée, on s'est appliqué récemment à concevoir des composants de turbine qui, lorsqu'ils se trouvent sur le trajet des gaz de combustion, sont refroidis par air. Ces efforts ont été couronnés de succès et ont grandement amélioré le rendement des moteurs à turbine à gaz modernes. Malheureusement, cet air de refroidissement doit être prélevé sur une source à haute pression, telle que le compres- seur 12 du moteur, et tout prélèvement d'air sur le compresseur représente une perte parasite en ce qui concerne l'air dispo- nible pour la combustion et une perte de puissance de sortie pour le moteur. En raison de cette perte parasite, on a consacré beaucoup d'efforts à obtenir de meilleurs procédés d'utilisation de cet air de refroidissement qui permettent de prélever moins d'ait sur le compresseur 12 pour refroidir les parties chaudes de la turbine. Si l'on se reporte maintenant à la figure 2, on y voit une coupe d'un moteur de la technique antérieure et d'un chemin d'écoulement interne pour l'air de refroidissement. Ce chemin est représenté de manière générale par les grosses flèches dégradées. L'air de refroidissement vient de la sortie du compresseur (non représentée sur la figure 2), arrive dans une région 25 qui entoure une paroi 26 de chambre de combustion, et finalement, après avoir traversé un arbre 24 de turbine, pénètre dans une cavité 19 de rotor de turbine. Il s'agit d'une région très critique du chemin d'écoulement de l'air de refroidissement, car cet air est envoyé là sur les parties les plus chaudes de la turbine, y compris une première rangée d'aubes 30 de la turbine. L'air doit être maintenu à pression élevée, car si l'on veut qu'il pénètre dans les aubes 20 et les traverse, sa pression doit être supérieure à celle des gaz de combustion qui entourent les ajutages et les aubes. Or, comme les gaz viennent de quitter le compresseur 12 et la chambre de combustion 16, leur pression est encore relativement élevée par rapport au reste du moteur. Non seulement il s'agit d'une région critique du chemin d'écoulement de l'air de refroidissement, mais les difficultés techniques qu'il y a à déplacer de l'air dans cette région du moteur augmentent encore du fait que l'air sort d'une partie non tournante du moteur et traverse un arbre tournant 24 pour pénétrer dans une cavité 19 du rotor. Il faut que là ou l'air pénètre, dans l'arbre 24 de la turbine (généralement par plusieurs trous 32 ménagés dans la paroi de l'arbre), il soit rapidement accéléré et prennent un mouvement de rotation. Des pertes de rendement et des variations de pression importantes peuvent apparaître dans cette région si de l'air non en rotation passe par les trous 32. Pour essayer de réduire ces pertes de rendement, les concepteurs de moteurs ont récemment introduit un ajutage 34 dans les chemins d'écoulement de l'air de refroidissement du type de la figure 3. L'ajutage 34 a pour fonction d'accélérer l'air de refroidissement dans le sens de rotation de la turbine. Cette accélération oblige l'air à s'écouler tangentiellement à la circonférence de l'arbre. Si l'air a une vitesse tangen- tielle supérieure à celle de l'arbre, on observe une perte de charge importante lors de son passage dans les trous de l'arbre. De plus, si l'air s'écoule suivant un plus faible diamètre, par exemple en passant sous un rotor 22 de turbine du premier étage, sa vitesse tangentielle va augmenter et il peut en résulter une résonance acoustique. Si l'on supprime la vitesse tangentielle excédentaire avant les trous de l'arbre, on améliorera notablement cette situation; on a déjà indiqué que c'était un but de la présente invention. Si l'on se reporte maintenant à la figure 3, on y voit une réalisation de la présente invention dans laquelle celle-ci est mise en oeuvre dans la région du moteur 10 ou l'air de refroidissement pénètre dans l'arbre 24 de la turbiné. L'invention comprend un dispositif antiturbulence 36 monté dans le chemin d'écoulement de l'air à l'endroit ou l'air pénètre dans l'arbre 24. La fonction du dispositif antiturbu- lence est de modifier aérodynamiquement le sens d'écoulement 248 1747 de l'air de refroidissement et de guider l'air pour le faire passer par les trous 32. Le dispositif antiturbulence a une autre fonction, qui est de réduire la vitesse de rotation de façon qu'elle devienne du même ordre de grandeur que la vitesse de rotation de l'arbre 24 de la turbine. Le dispositif antiturbulence 36 est fixé directement sur l'arbre 24 de la turbine, si bien qu'il tourne exactement comme celui-ci. Cette caractéristique permet au dispositif antiturbulence 36 de réduire la vitesse de rotation de l'air de refroidissement au fur et à mesure qu'il conduit cet air dans les trous 32. Une autre caractéristique d'une réalisation du dispositif antiturbulence 36 se voit sur la figure 3: la section trans- versale des passages 38 du dispositif antiturbulence peut croître depuis l'entrée 40 du dispositif jusqu'à sa sortie 42. Ces passages 38 à section continument croissante fonctionnent comme un diffuseur et convertissent donc une partie de la pression dynamique qu'a l'air à l'entrée en pression statique. Ici encore, il faut souligner que cet air de refroidissement est envoyé dans une zone à haute pression de la turbine et qu'il est donc tout à fait souhaitable de maintenir élevée la pression de l'air à l'endroit o il pénètre dans les trous 32 de l'arbre. Par conséquent, dans l'application particulière du dispositif antiturbulence 36 de la figure 3, il est extrêmement souhaitable que ses passages internes 38 s'évasent, jouant ainsi ce rôle de diffuseurs. Si l'on se reporte maintenant à la figure 4, l'ajutage 34, le dispositif antiturbulence 36 et les trous 32 de l'arbre sont représentés de façon à faire comprendre facilement les effets qu'ont l'ajutage et le dispositif antiturbulence sur l'orientation du flux d'air de refroidissement. Le chemin d'écoulement suivi par l'air de refroidissement est représenté par les flèches dégradées. Le long de ce chemin, les ajutages 34 sont alignés avec les entrées 40 du dispositif antiturbu- lence, et les sorties 42 du dispositif antiturbulence sont alignées de même avec les trous 32 de l'arbre. Cette disposition assure à l'air de refroidissement un chemin d'écoulement aérodynamique. 248 1747 Comme indiqué plus haut, le fluide de refroidissement doit être prélevé sur une source d'air à pression relativement élevée située àl'intérieur du moteur. Un emplacement idéal est la région 25 entourant la paroi de la chambre de combustion qui se trouve tout de suite en aval de la sortie du compresseur. Cet air est à très haute pression, et sa situation immédiate- ment en amont de la turbiné 18 permet son acheminement dans l'arbre 24 de la turbine. La première opération à laquelle on soumet cet air entrant dans la turbine 18 est de l'accélérer dans le sens de rotation de la turbine. Comme indiqué plus haut, on obtient ce résultat au moyen des ajutages 34. Le fonctionnement d'un ajutage est bien connu des spécialistes, et il en existe un grand nombre de types pouvant servir à accélérer l'air. On peut modifier l'importance de l'accélération donnée à l'air de refroidisse- ment en jouant sur la configuration de l'ajutage. Après son passage par les sorties 44 d'ajutage, l'air pénètre dans les entrées 40 du dispositif anti-turbulence. Le dispositif antiturbulence 36 se compose d'une série d'aubes déflèctrices 37 qui forment des passages destinés à faire dévier le flux d'air tangentiel et a le rendre.plus parallèle à l'axe des trous 32. Les aubes 37 réalisent ce changement de direction en incurvant le flux d'air radialement vers l'intérieur et en transformant simultanément une partie de la vitesse tangen- tielle du flux d'air en une vitesse de rotation sensiblement égale à celle de l'arbre 24 de la turbine. De plus, si la vitesse tangentielle de l'air est bien supérieure à la vitesse de rotation de l'arbre de la turbine, on donne aux passages 38 du dispositif antiturbulence une structure telle qu'ils diffusent l'air, convertissant ainsi en pression statique une partie de la pression dynamique d'entrée et réduisant les pertes d'entrée dans l'arbre. Cette réduction des pertes d'entrée, ajoutée à la remontée de la pression par diffusion, permet d'obtenir un rapport de pression et une accélération plus élevés à travers les ajutages 34. L'augmentation du rapport de pression à travers les ajutages 34 fait que l'air est à une température moins élevée à la sortie 44 des ajutages. Cette réduction de la température de l'air de refroidissement permet de réduire le flux de refroidissement, d'o amélioration du rendement de la turbine, ce qui est un but principal de la présente invention. La réduction de la température de l'air de refroidissement résulte du transfert d'une partie de l'énergie de l'air à la turbine, ce qui augmente encore son rendement. REVEND ICAT IONS 1. Moteur (10) à turbine à gaz comportant un compresseur (12), une chambre de combustion (16), une turbine tournante (18), disposée autour d'un axe central du moteur, à laquelle sont associés des rotors (22) de turbine et un arbre tournant (24) de turbine, et un circuit d'air de refroidissement destiné à envoyer de l'air de refroidissement dans le turbine tournante (18), ce circuit d'air de refroidissement ayant un ajutage (34) qui accélère cet air de refroidissement tangentiellement à l'arbre tournant (24) de turbine et dans le sens de rotation de la turbine, moteur caractérisé en ce qu'il comprend: - un dispositif (36) qui reçoit l'air de refroidissement accéléré délivré par l'ajutage (34) et modifie la direction de cet air pour le faire passer dans des trous (32) ménagés dans l'arbre tournant (24) de la turbine sans pertes de charge importantes. 2. Moteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif est un dispositif antiturbulence (36) tournant ayant des passages (38) à surfaces internes incurvées pour modifier progressivement la direction du flux d'air et le faire pénétrer dans l'arbre (24). 3. Moteur suivant larevendication 2, caractérisé en ce que les passages (38) ont des sorties (42) qui sont alignées avec l'axe des trous (32) récépteurs ménagés dans l'arbre tournant (24). 4. Moteur suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la surface de la section transversale des passages incurvés augmente graduellement pour diffuser l'air, conver- tissant ainsi en pression statique une partie de la pression dynamique de l'air d'entrée. 5. Moteur suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif antiturbulence (36) est fixé directe- ment sur l'arbre (24) de la turbine pour tourner avec lui. 6. Moteur (10) à turbine à gaz comportant un compresseur (12), une chambre de combustion (16), une turbine tournante (18), disposée autour d'un axe central du moteur, à laquelle sont associés des rotors (22) de turbine et un arbre tournant 248 1747 (24)de turbine, et un circuit d'air de refroidissement destiné à envoyer de l'air de refroidissement dans la turbine tour- nante (18), ce circuit d'air de refroidissement ayant un ajutage (34) qui accélère cet air de refroidissement tangen- tiellement à l'arbre tournant (24) de turbine et dans le sens de rotation de la turbine, amélioration qui envoie dans cette turbine tournante (18), sans pertes de charges importantes, cet air de refroidissement accéléré, moteur caractérisé en ce qu'il comprend: - un dispositif antiturbulence (36) du type diffuseur, fixé directement à l'arbre tournant (24) de turbine pour tourner avec lui, ce dispositif antiturbulence (36) comportant des aubes internes (37) formant des passages (38) à surfaces internes progressivement incurvées, et ces passages (38) comprenant en outre: a) des régions d'entrée (40), situées entre ces aubes (37), caractérisées en ce que les surfaces internes incurvées sont alignées avec le flux d'air de refroidissement accéléré sortant de l'ajutage (34) pour recevoir de façon aérodynamique cet air de refroidissement: b) des régions intermédiaires (38) dont la section croit progressivement pour décélérer et diffuser cet air de refroi- dissement, et c) des régions de sortie (42), situées entre les aubes (37), caractérisées en ce que les surfaces internes incurvées sont alignées avec des trous (32) ménagés dans l'arbre (24) de la turbine pour envoyer de façon aérodynamique cet air de refroidissement dans l'arbre (24) de la turbine.