Brevet FR2491142A1 — publié le 19820402

Dispositif de guidage d'air frais pour moteurs à turbines à gaz. L'invention a pour objet un dispositif de guidage d'air frais pour moteurs à turbines à gaz, notamment pour turboréac- teurs, du type de construction à plusieurs arbres, l'air frais étant prélevé en un emplacement approprié du compresseur, nQtam- ment du compresseur haute pression, et étant envoyé par un con- duit pour refroidir les turbines, notamment la turbine haute pression. Les aubes des turbines à gaz, notamment les aubes des turbines haute pression des turboréacteurs modernes, ont besoin d'air frais à pression relativement élevée qui, pour obtenir un refroidissement suffisant, doit être soufflé, en particulier en opposition au sens d'écoulement, sur les bords avant des aubes mobiles intéressées. Cet air est en général prélevé dans le volume de la chambre de combustion (entre le caisson extérieur et le tube à flamme de la chambre de combustion) et envoyé, en passant par des buses de tourbillonnement, au rotor ou au disque de roue correspondant de la turbine. Ce passage du système fixe au système tournant est associé à de nombreuses pertes: pertes par mélange, pertes par chocs et surtout pertes par fuites à cause du niveau de pression élevé requis pour l'air frais. L'invention a pour but de créer un dispositif de gui- dage d'air frais dans lequel les pertes mentionnées pour les réalisations connues sont éliminées dans une très large mesure. On doit en outre obtenir un guidage aérodynamique favorable de l'air en garantissant un niveau de pression relativement élevé de l'air frais pour le refroidissement des turbines avec une puissance relative extrêmement faible prise dans le circuit de fonctionnement aérothermodynamique du moteur. L'invention concerne à cet effet un dispositif du type ci-dessus caractérisé en ce que le conduit de guidage de l'air frais est élément constituant d'un système rotor commun au com- presseur et aux turbines. Des dispositions indiquées dans la suite permettent d'obtenir des modes de réalisation avantageux de l'invention. 2491 142 L'invention sera mieux comprise en regard de la descrip- tion ci-après et du dessin annexé représentant un exemple de réalisation de l'invention. Dans ce dessin, la figure unique re- présente en coupe axiale une partie du générateur de gaz avec le système rotor haute pression d'un turboréacteur du type de cons- truction à plusieurs arbres. Le générateur de gaz du turboréacteur représenté est essentiellement constitué par un compresseur haute pression 1 à plusieurs étages réalisé sous forme de compresseur axial, une chambre de combustion annulaire 2, ainsi que par une turbine haute pression 3 à un seul étage réalisée sous forme de turbine axiale. Le compresseur haute pression 1 et la turbine haute pression 3 (disque de roue de turbine 10) sont assemblés entre eux par des parties de. parois intérieure et extérieure de révolu- tion ou en forme de tambour du système rotor haute pression. Sur le dessin, les parties de paroi intérieure sont désignées par 4, 5 et 6 de la gauche vers la droite et les parties-de paroi extérieure sont désignées par 7 et 8 de la gauche vers la droite. Un conduit 9 de prélèvement et de guidage d'air frais vers le disque de roue de turbine 10 et les aubes mobiles de turbine 11 est essentiellement formé entre les parties de paroi intérieure 4, 5 et 6 et les parties de paroi extérieure 7 et 8 mentionnées précédemment. Il en résulte que le conduit 9 est un élément constituant du système rotor haute pression. On obtiént ainsi un dispositif de prélèvement et de guidage de l'air dis- posé dans le rotor haute pression et tournant avec lui en ser- vice. Les parties du conduit 9 formées par les parties de paroi mentionnées sont reliées entre elles par des fentes de pourtour ou des évidements similaires décalés en direction péri- phérique par rapport à chacune des zones d'assemblage A, B. Comme on le voit en outre sur le dessin, le prélève- ment de l'air a lieu dans le cas présent dans le dernier étage du compresseur haute pression 1. De façon plus précise, le prélèvement est effectué par un intervalle de prélèvement 12 disposé coaxialement à l'axe du turboréacteur, derrière les aubes mobiles 11, entre le bord frontal du plateau de roue et une partie inférieure d'entrée côté bordure du stator de com- presseur correspondant au dernier étage de ce compresseur. Pour obtenir un prélèvement d'air favorable au point de vue aérodynamique, une partie de paroi extérieure 12' du conduit 9 se trouvant à proximité immédiate de l'emplacement de prélèvement (fente 12) du compresseur haute pression 1, est un élément constituant du stator de compresseur correspondant. Conformément au dessin, le conduit 9 comporte un pre- mier aubage 13 et un second aubage 14 tournant en service. Le premier aubage 13 est disposé dans une partie du conduit 9 en forme de coude annulaire faisant passer le flux d'air frais d'une direction d'écoulement radiale dans une direction d'écou- lement axiale. Par contre, le second aubage 14 est monté entiè- rement dans une partie du conduit 9 guidant l'écoulement en direction radiale, devant le disque de roue de turbine corres- pondant 10 du système rotor commun et est assemblé avec ce plateau. Comme on peut le voir encore sur le dessin, les aubes du premier aubage 13 sont fixées dans le domaine de la partie de paroi intérieure 4 le plus voisin de l'axe du turboréacteur. L'extrémité supérieure de ces aubes,située à l'opposé de l'em- placement de fixation,est située à une très faible distance de la partie de paroi extérieure adjacente 7 du conduit 9. Les aubes du second aubage 14 sont disposées principa- lement sur la partie de paroi extérieure 8' du conduit 9 située côté turbine. Le bord d'extrémité de ces aubes situé à l'opposé de l'emplacement de fixation est cependant, au moins en partie, écarté en direction axiale du disque de roue de turbine voisin 10. Les distances radiales ou axiales (intervalles), res- pectivement mentionnées pour les aubages 13, 14,sont prévues essentiellement, entre autres, pour permettre la compensation des dilatations différentes des éléments de construction inté- ressés, ce qui est dû à des actions de températures différentes. La partie de paroi extérieure 8' du conduit 9 adjacente au disque de roue de turbine 10 et assemblée avec ce disque pré- sente une partie d'extrémité 16 cintrée en direction du disque de roue 10 pour obtenir intentionnellement un guidage localisé, favorable à l'écoulement du flux d'air frais par l'intermédiaire d'évidements 17, 18, 19 du disque de roue vers les aubes de turbine à refroidir 11. A partir de là, l'air frais usagé est envoyé au flux de gaz du conduit de turbine 20, entre autres par les fentes ou perçages d'écoulement pratiqués sur les bords en saillie des aubes considérées. La partie du conduit 9 correspon- dant au second aubage 14, côté turbine, présente une section qui va en se rétrécissant dans la direction d'écoulement de l'air frais, puis ensuite en s'élargissant. Cette disposition est pré- vue pour obtenir une vitesse du fluide de refroidissement suffi- samment élevée pour le refroidissement de la turbine et des aubes que l'on se propose d'obtenir. Dans le dispositif, l'air frais est donc prélevé dans un étage approprié du compresseur haute pression 1, c'est-à-dire par l'intervalle de prélèvement -12 dans l'exemple considéré, avec une pression suffisante pour le refroidissement des aubes mobiles de la turbine haute pression, entre l'aube mobile 11 et l'aubage directeur 111. Cet air est guidé radialement vers l'intérieur, la composante périphérique de l'écoulement croissant vers l'intérieur à partir de la sortie de la roue conformément au principe du vortex (ce qui peut être représenté sensiblement par la loi de l'angle libre). Cette croissance se poursuit jus-. qu'à ce que l'écoulement, favorisé par le frottement de paroi dans le conduit 9, se soit adapté à la vitesse périphérique du rotor. L'origine de l'aubage 13 se trouve exactement au rayon VE correspondant à l'emplacement o la composante périphérique de l'écoulement a atteint la composante périphérique du rotor. En cet emplacement, l'aubage 13 guide l'écoulement et lui prend de l'énergie jusqu'au rayon minimal Vmin du dispositif de guidage d'écoulement (effet de turbine). Sur le trajet côté turbine, avec composante radiale, la vitesse périphérique du rotor à haute pression est imposée à l'air frais par l'intermédiaire du second aubage 14, pour ré- duire le plus possible les pertes par frottement sur les parois et garantir une entrée sans choc de l'air frais dans les aubes mobiles 11 de la turbine haute pression. A partir du rayon d'en- trée VTl de l'aubage 14 jusqu'au rayon de sortie VT21 de l'éner- gie est donc fournie à l'écoulement par l'effet de compresseur de l'aubage 14. REVENDICATIONS 1 ) - Dispositif de guidage d'air frais pour moteurs à turbines à gaz, notamment pour turboréacteurs, du type de cons- truction à plusieurs arbres, l'air frais étant prélevé en un emplacement approprié (12) du compresseur, notamment du compres- seur haute pression (1), et étant envoyé par un conduit (9) pour refroidir les turbines, notamment la turbine haute pression (3), caractérisé en ce que le conduit (9) de guidage de l'air frais est élément constituant d'un système rotor commun au compresseur et aux turbines. 2 ) - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit (9) est formé entre des parties de parois de révolution intérieures (4, 5, 6) et extérieures (7, 8, 8') du système rotor commun. 3 ) - Dispositif selon l'une ou l'autre des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce qu'une partie de paroi exté- rieure (12') du conduit (9) située à proximité immédiate de l'emplacement de prélèvement (12) du compresseur (1) est un élément constituant du stator de compresseur intéressé. 4 ) - Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tLons 1 à 3, caractérise en ce qu'il eot prévu dans le conduit (9) au moins un premier aubage (13) et un second aubage partici- pant à la rotation en service, le premier (13) de ces aubages étant disposé dans une partie du conduit (9) en forme de coude annulaire faisant passer le flux d'air frais d'une direction d'écoulement radiale dans une direction d'écoulement axiale, tandis que le second aubage (14) est monté entièrement dans une partie du conduit (9) guidant l'écoulement en direction radiale du disque de roue de turbine correspondant (10) du système rotor commun et est assemblé avec ce plateau. 5 ) - Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce que les aubes du premier aubage (13) sont fixées dans le domaine de la partie de paroi inté- 7 2491142 rieure (4) le plus voisin de l'axe du moteur, l'extrémité supé- rieure de ces aubes située à l'opposé de l'emplacement de fixa- tion étant située à une très faible distance de la partie de paroi extérieure adjacente (7) du conduit (9). 6>) - Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce que les aubes du second aubage (14) sont disposées principalement sur la partie de paroi exté- rieure (8') du conduit bord d'extrémité de ces aubes situé à l'opposé de l'emplacement de fixation est, au moins en partie, écarté en direction axiale du disque de roue-de turbine voisin (10). ) - Dispositif selon l'une quelconque des revendica- -tions 1 à 6, caractérisé en ce que la partie de paroi (8') du conduit (9) adjacente au disque de roue de turbine (10) et as- semblé avec lui est agencée sous forme d'élément de déviation auxiliaire pour le guidage du flux d'air frais par l'intermé- diaire du disque de roue (10) vers les aubes mobiles de turbine (11) à refroidir. 8 ) - Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que la partie du conduit (9) correspondant au second aubage (14) côté turbine présente une section qui va en se rétrécissant, puis ensuite en s'élargis- sant dans la direction d'ecoulement de l'air frais.