Brevet FR2503246A1 — publié le 19821008

La présente invunti, n cIcuLie une buse pour pale de rotor refroidissuble et_ cunlclne le domaine des moteurs à turbine à gaz et plus [Jr:cisent des assemblages d'étages de rotor refroidssdbLles pour de tels moteurs qui cumpren- nent une couronne mobile de rotert rufroidissable et un agencement de pales de otoul refroidissables. Les principes ont été développés dans l'industrie des moteurs à turbine à gaz à flux axial pour régler le flux de l'air de refroidissement au travers des pales de turbine et pour orienter le flux d'air de refroidissement depuis les pales de turbine de tels moteurs mais ont une possiblité d'application plus large à des assemblages de configurations similaires. Dans le domaine des assemblages d'étages de rotor des moteurs à turbine à gaz, on trouve typiquement une couronne mobile de rotor et une pluralité de pales de rotor s'étendant vers l'extérieur à partir de la couronne mobile. Les assemblages d'étages de rotor sont disposés entre deux assemblages adjacents de stator. Un trajet annulaire de courant pour les gaz chauds de travail passe au travers des étages d'assemblages de rotor et de stator. Chaque assembla- ge de stator comporte des ailettes qui coopèrent avec les ailettes de rotor adjacentes pour permettre aux pales de rotor d'enlever efficacement l'énergie des gaz du milieu de travail passant au travers des assemblages. Une conséquence du ce contact intime entre les parties aérodynamiques des pales de rotor et les gaz chauds du milieu de travail est le transfert de chaleur depuis les gaz chauds vers les pales de rotor. Dans les moteurs d'avions modernes, de l'air de refroidissement peut passer au travers de chaque pale pour éliminer une partie de cette chaleur de la pale, en rédui- sant les niveaux de la température et les gradients dans le sens de l'envergure dans les pales et ainsi améliorer la durée de vie de la pale. Un exemple d'une telle pale de rotor refroidissable est montré dans le brevet US numéro 3 F35 586. Le transfert de la chaleur depuis les gaz chauds (lu milieu de travail vers la couronne mobile du rotor est -2- également important. Les gaz chauds du milieu de travail peuvent localement chauffer la région de la ceinture de la couronne mobile en provoquant des gradients et des con- traintes thermiques qui diminuent la durée de vie de la couronne mobile. Une tentative pour régler ce problème consiste à refroidir la surface de la couronne mobile par des jets d'air de refroidissement. Un exemple d'une telle construction est montré dans le brevet du brevet US No. 2 858 101. Dans ce brevet, l'air de refroidissement est déchargé sous forme de jets au travers d'une buse de dosage sur la surface de la couronne mobile. Les buses de dosage sont orientées dans une direction opposée à la direction de rotation de la couronne mobile. Une autre tentative consiste à faire passer de l'air de purge au travers d'une cavité entre une structure de rotor et une structure de stator, vers l'intérieur par rapport au trajet du courant de gaz de travail, pour empêcher la pénétration des gaz chauds provenant du courant de gaz de travail. Le travail doit être fait par la machine en rotation du moteur, tel qu'un compresseur, pour pressu- riser l'air de purge. Par conséquent, une perte de l'air de purge dans le passage du courant de gaz diminue le ren- dement du moteur. La perte d'air de purge est augmentée par une grande couche limite entre l'air de purge et la couronne mobile du rotor en rotation, par comparaison avec les constructions ne comportant qu'une petite couche limite. La couronne mobile du rotor agit comme une force centri- fuge et au moyen de forces de rotation pompe radialement vers l'extérieur l'air de la couche limite. Le courant d'air de purge vers l'extérieur peut être équilibré par le courant à l'intérieur de la cavité d'air de purge supplé- mentaire, diminuant davantage le rendement du moteur. Selon une autre possihJité, l'air de purge pompé depuis la couche limite peut être remplacé par les gaz chauds du milieu de travail provenant du trajet du courant de gaz qui peuvent être mélangés avec l'air de purge et recircu- lés dans le trajet du courant de gaz. Le courant de gaz en recirculation, provenant du trajet de gaz, dans la coucle - 3 - limite et retournant du trajet de gaz provoque un échauf- fenint nuisible de La couronne mobile du rotor et diminue également le rendement du moteur. Par conséquent, les scientifiques et les ingénieurs continuent à rechercher des systèmes de refruidissement pour assemblages de rotor n'ayant q(lue des effets nuisibles minimes sur le rendement des moteurs en tonctionnement tout en constituant un re- troidissemnent satisfaisant des éléments du rotor. Selon la présente invention, une buse de décharge- ment pour doser le flux d'air de refroidissement au tra- vers d'une pale de rotor refroidissable dirige un jet d'air de refroidissement dans une cavité adjacente à l'intérieur du trajet du courant du milieu de travail de sorte que l'air de refroidissement ait une composante de vitesse dirigée dans la direction opposée à celle de la rotation, une composante de vitesse dirigée dans la direction axiale au travers de la couche limite adjacente à la couronne mobile et une composante de vitesse dirigée radialement vers l'intérieur de la buse pour interférer avec la formation de la couche limite le long de la couronne mobile pour supprimer la formation d'un flux en recirculation, et pour ralentir la perte d'air de purge par un courant tourbillonnant. La caractéristique principale de la présente inven- tion est une pale de rotor refroidissable comprenant une emplanture. L'emplanture comporte un passage pour décharger l'air de refroidissement passant au travers de la pale de rotor de refroidissement. Une buse de décharqgement est fixée à l'emplanture pour doser le courart d'air de refroidissement au travers de la pale de rotor refroidissable et pour diriger un jet d'air de refroidis- sement depuis la pale. Une autre caractéristique est une cavité s'étendant circonférentiellement vers l'intérieur du trajet du courant du milieu de travail et adjacente à la zone d'emplanture de la pale de rotor. Une source d'air pour corriger la cavité est adjacente aux structures de rotor et de stator. Le principal avantage de la présente invention est le gain d rendement du rotor qui résulte de la dimi- -4- nution de la quantité d'air tourbillonitant dans la cavité et simultanément de la perte d'air dans le trajet du courant de milieu de travail en dirigeant l'air de refridis- sement dans une direction opposée à la direction de rotations Un autre avantage est le gain du rendement du rotor qui résulte de la suppression du pompage radial et de l'empê- chement de la formation d'une grande couche limite adjacen- te à la couronne mobile du rotor en dirigeant un jet d'air de refroidissement dans une direction axiale au travers de la couche limite et en dirigeant un jet d'air radialement! vers l'intérieur au travers de la couche limite. Un autre avantage est le rendement du moteur qui résulte d'un dosage précis du flux d'air de refroidissement au travers de la pa-t le de rotor avec la buse de déchargement. Pour que l'invention puisse être mieux comprise, référence est faite aux figures suivantes o: La figure 1 est une vue en coupe au travers d'une partie d'une section de turbine d'un moteur à turbine à gaz à flux axial; la figure 2 est une vue prise le long de la ligne 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une vue en perspective partielle d'un assemblage d'étage de rotor montrant un plan de référence X, un plan de référence Y et un plan de référence Z; la figure 4 est une vue en perspective partielle d'une partie de l'emplanture d'une pale de rotor; la figure 5 est une vue en coupe prise le long de la ligne 5-5 de la figure 4 qui coïncide avec une coupe prise parallèlement au plan de référence Y; la figure 6 est une vue en coupe prise le long de la ligne 6-6 de la figure 4 de la figure 5 et qui coïncide avec une coupe parallèle au plan de référence Z montré dans la figure 4. Les principes de la présente invention sont illustrés dans une section de turbine d'un moteur à turbine à gaz. Dans la figure I,on montre une partie dela turbine 10. Un trajet annulaire 12 du courant de gaz du milieu de travail s'étend axialement au travers de la turbine. La turbine -5 comprend un assenmblage 14 d'étage de rotor et un assemblage 16 de stator. Des parties de cus issemblages limitent la partie interne du trajet de cuurant du milieu de travail annulaire. L'assemblage de rtor est écarté axialement de l'assemblage de stator pour former une cavité 18 entr' eux. Cette cavité s'étend circonférentiellement et se trouve à l'intérieur par rapport au trajet de courant du milieu de travail. Une source 20 d'air de purge se trouve à l'intérieur de la cavité. Un espace 21 entre l'assembla- ge de stator et l'assemblage de rotor'met cette source d'air de purge en communication avec la cavité. L'assemblage 14 d'étage de rotor est formé d'une couronne mobile de rotor 22 et d'une pluralité de pales de rotor s'étendant vers l'extérieur à partir de la couronne mobile de rotor au travers du trajet 12 du courant du milieu de travail, comme il est montré par la pale 24 unique de rotor. Chaque pale de rotor peut être refroidie à l'air et comprend un passage interne 26 pour l'air de refroidis- sement. Une source 28 d'air de refroidissement est en communication avec un étage de compresseur en amont (non représenté) et est en communication avec le passage inter- ne de la pale. La pale comprend une plate-forme 30 limitant le trajet du courant du milieu de travail. Une emplanture 32 s'étend vers l'intérieur à partir de la plate-forme et se trouve à l'intérieur par rapport au trajet du courant du milieu de travail. L'emplanture est adjacente à la cavité 18 de l'air de purge et se trouve dans une région o une couche limite ayant une certaine épaisseur t est formée par l'air de purge sur la couronne mobile du rotor. Le rotor comporte une buse 34 pour doser le cou- rant d'air de refroidissement au travers de la pale de rroto-r tour former un jet d'air de haute vitesse et pour urienter l'air de refroidissement qui est déchargé par l'eniplanture de la pale de rotor. Il est admis qu'un jet d'air ayant un moment axial suffisant pour pénétrer au travers de la couche limite doit avoir une vitesse élevée. Ainsi qu'on le comprendra, la buse peut faire partie inté- grante avec la construction de la pale de rotor ou peut être une partie d'une pièce séparée fixée à la pale de ro- tor, telle qu'une plaque d'orifice 36 fixée à l'ermplanture de la pale de rotor. De préférence, la buse ne s'étend pas au travers de la couche limite. La figure 2 est une vue prise le long de la ligne 2-2 de la figure 1 et montre la plaque d'ouverture 36, une partie de l'emplanture 32 et une partie de la plate-forme de la pale. Le trait interrompu montre la direction généralement circonférentielle du courant dirigé depuis la plaque d'ouverture 36. Ainsi qu'on le comprendra, la place d'ouverture peut ne comporter qu'un seul orifice ou une pluralité d'orifices pour diriger le courant. La figure 3 est une vue en perspective partielle de l'assemblage d'étage de rotor montrant une partie de l'assemblage de rotor 14 du moteur. La couronne mobile de rotor 22 comprend un axe de rotation Ar. Les dimensions des pales de rotor sont mesurées à partir d'un plan de référence X, d'un plan de référence Y et d'un plan de référence Z. A l'état installé, les plans de référence ont une orientation particulière par rapport à l'axe de rotation Ar de l'assemblage de rotor. Le plan de référen- ce Y s'étend dans la direction axiale et contient l'axe de rotation Ar. Le plan de référence X est un plan radial perpendiculaire à l'axe de rotation Ar et est perpendicu- laire au plan Y. Le plan de référence Z est perpendicu- laire aux deux plans X et Z. Le plan Z est un plan tangent à un rayon arbitraire à l'axe de rotation Ar. Les plans X, Y et Z restent fixes avec la pale dans son état installé. La figure 4 est une vue en perspective partielle de la plaque d'ouverture 36 es de l'emplanture 32 de la pale de rotor à laquelle la pale est attachée. Le courant d'air de refroidissement sortant de la plaque d'ouverture a une direction F. La direction F a une orientation angulaire par rapport au plan Y et par rapport au plan Z. Ainsi qu'on le comprendra, une direction de courant existera pour cha- que ouverture asymétrique ou symétrique. Dans un but illustratif, une ouverture symétrique est montrée. Une coupe parallèle au plan de référence Y (ci-après désignée coupe de plan Y) est représentée par la coupe 5-5. Pour chaque coupe de plan Y au travers de l'ouverture 38, l'ori- - 7 - fice a un axe longitudinal de synéLrie AY' L'angle entre l'axe de symétrie Ay et le plan de référence X est un angle aigu se situ.nt dans l'intervalle de seize à dix-huit degrés (16 -180) qui oriente l'orifice de telle façon qu'il fait fa- ce vers l'intérieur velrs l'axe de rotation du moteur. En conséquence, la direction F du courant d'air de refroidisse- nient a une projection dans la coupe de plan Y telle que l'angle entre la projection de F et le plan de référence Z se situe également dans l'intervalle de seize à dix-huit degrés (16 -18 ). Cette orientation angulaire du courant a pour effet que le courant est dirigé vers l'intérieur vers l'axe de rotation du moteur. En plus de la composante radiale vers l'intérieur, la projection montre que l'orien- tation angulaire de la direction du courant F a une composant te s'étendant vers l'arrière dans la direction axiale. Cette. composante axiale est une conséquence de l'orientation du courant par rapport au plan de référence Y et au plan de référence Z. Similairement, pour toutes coupes prises le long d'un plan parallèle au plan de référence Z (coupe de plan Z) au travers de l'orifice 38, l'orifice a un axe transversal de symétrie Az. L'angle entre l'axe de symétrie Az et le plan, de référence X est un angle aigu se situant dans un inter- valle de vingt-huit à trente-deux degrés (280-320) qui orien- te l'orifice de telle façon qu'il soit orienté dans une direction opposée à la direction de rotation de la couronne mobile du rotor. En conséquence, la direction F du courant d'air de refroidissement a une projection dans la coupe de plan Z telle que l'angle entre la projection de F et le plan de référence X se situe dans l'intervalle de vingt-huit à trente-deux degrés (28 -32 ). Cette orientation angulaire du courant a pour effet que le courant soit dirigé tangen- tiellement dans une direction opposée à la direction de rotation de la couronne mobile du rotor. En plus de la composante tangentielle, la projection montre qu'une orientation angulaire de la direction du courant F a une composante supplémentaire s'étendant vers l'arrière dans la direction axiale. Cette composante-axiale est le résultat de l'orientation duoDurant par rapport au plan de référence -8- Z et au plan de référence X. La figure 5 est une vue en coupe prise le long de la ligne 5-5 de la figure 4 et coïncide avec le plan Y montré dans la figure 4. Conuite on peut le voir dans la figu- re 5, l'angle entre l'axe de symétrie A et le plan de 0 y référence X est d'environ170. Similairement l'angle entre la projection de la direction du courant F et le plan de référence Z est d'environ 170. La figure 6 est une vue en coupe agrandie prise le long de la ligne 6-6 de la figure 4 et de la figure 5 et coïncide avec une coupe prise le long du plan Z montré dans la figure 4. L'angle entre l'axe de symétrie AZ de l'ouver- ture et le plan de référence X est d'environ trente degrés. Similaire-ment l'axe entre la projection de la direction du courant F et le plan de référence X est d'environ 300. Pendant le fonctionnement du moteur à turbine à gaz, les gaz du milieu de travail passent le long du trajet annulaire 12 du courant. Les gaz du milieu de travail communiquent de l'énergie à l'assemblage de rotor 14, ayant pour effet que l'assemblage de rotor tourne dans la direction en sens contraire des aiguilles d'une montre autour de l'axe de rotation Ar. De la chaleur est transférée depuis les gaz chauds du milieu de travail aux pales de rotor 24 qui sont en contact intime avec les gaz. De l'air de refroidissement passant depuis une source d'air de re- froidissement 28 au travers de la pale de rotor réalise le refroidissement de la pale. Bien que l'air de refroidis- sement soit chauffé par transfert thermique depuis la pale vers l'air de refroidissement, la température de l'air de refroidissement est toujours beaucoup moindre que celle des gaz du milieu de travail dans le trajet annulaire du courant! L'air de refroidissement est déchargé depuis la buse 34. La différence de pression entre l'air de refroidissement en amont de la buse et la cavité 18 a pour effet que l'air de refroidissement sort sous forme d 'un jet à haute vitesse avec une vitesse suffisante pour passer au travers de la couche limite formée par l'air de purge qui est pompée radia- lement vers l'extérieur le long de la couronne mobile. Ainsi qu'on le comprendra, cette action de pompage résulte de la - _9-_ rotation de la couronne inobi le qui coimmunique de l'énergie de rotation à l'air de purgtu Lassant au travers de la cavité 18. L'air de refroidissement a des composantes de vitesse qui déterminent la direction du courant F. L'air de refroidissement a une composante de vitesse dirigée radialement vers l'intérieur telle que l'air déchargé depuis l'emplanture de la pale de rotor interfère non seulement avec la formation de la couche limite de l'air de purge mais également retarde le mouvement vers l'ex- térieur de l'air de la couche limite d'air de purge à cause du moment interne de l'air de refroidissement. L'air de refroidissement a une composante de vitesse dirigée dans la direction opposée à la direction de rotation. Cette composante de vitesse résulte en une réduction de la vitesse de l'air de refroidissement dans la direction circonférentielle depuis la vitesse du disque de rotor jusqu'à une vitesse proche de 0. La poussée produite par cette composante d'injection de refroidisse- ment s'ajoute à l'énergie de l'assemblage de rotor. En- suite, parce que l'air est à une vitesse zéro, il n'y a pas de tendance pour que l'air tourbillonne vers l'exté- rieur dans le trajet du courant d'un milieu de travail. Le jet d'air de refroidissement a également une composante de vitesse s'étendant vers la direction axiale due au premier angle aigu et au second angle aigu du courant d'air de refroidissement. Cette composante de vitesse garantit que le jet d'air de refroidissement passe au travers de la couche limite est n'est pas piégé par la couche limite de telle façon qu'un épaississement de la couche limite en rotation est évité. Ainsi qu'on le com- prendra, une augmentation de l'épaisseur de la couche limite en rotation augmente la quantité d'air de purge que la couche limite pompera depuis la cavité dans le trajet du courant de milieu de travail. En évitant ce pompage, on évite la nécessité de prendre des quantités accrues d'air de purge depuis le cycle générateur de gaz de base et on évite la recirculation de gaz du milieu de travail chaud supplémentaire depuis le système généra- - 10 - teur de gaz. Bien entendu diversus miodil ications peuvent être apportées par l'honuniie de l'art aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de]l'invention. 1l Revendications: 1. Moteur à turbine à gaz à flux axial du type comprenant un axe de rotation et un trajet annulaire du courant de gaz du milieu de travail, limité du côté intérieur par un assemblage de stator et un assemblage d'étage de rotor, o l'assemblage de rotor est écarté axialement de l'assemblage de stator pour former une cavité s'étendant circonférentiellement entr'eux à laquelle on fournit de l'air de purge et dans laquelle l'assemblage de rotor est formé d'une couronne mobile de rotor et d'une pluralité de pales de rotor refroidissables s'étendant vers l'extérieur à partir de la couronne mobile du rotor au travers du trajet du courant du milieu de travail, chaque pale comprenant une emplanture dirigée vers l'intérieur par rapport au trajet du courant du milieu de travail et adjacente à la cavité d'air de purge dans la zone o une couche limite est formée par l'air de purge sur la couronne mobile du rotor, carac- - térisé par le perfectionnement comprenant un dispositif (36, 36) pour doser le courant d'air de refroidissement au travers de la pale (24) de rotor et diriger l'air de refroidissement qui est déchargé depuis l'emplanture (32) de la pale (24) de rotor de telle façon que l'air de refroidissement a une composante de vitesse s'éten- dant dans la direction axiale de sorte que l'air passe en aval au travers de la couche limite dans la cavité (18) et une composante de vitesse dirigée radialement vers l'intérieur de sorte que l'air déchargée depuis l'emplan- ture (32) de la pale (24) de rotor interfère avec la formation de la couche limite d'air de purge. 2. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'air de refroidissement a une composante de vitesse dirigée dans la direction opposée de la direction de rotation de l'assemblage d'étage de rotor (14) pour empêcher la formation d'un courant tour- billonnant dans la cavité (18) et pour exercer un travail sur l'assemblage d'étage de rotor (14). 3. Moteur àturbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif (36, 38) pour doser et diriger le courant d'air de refroidissement est orienté par rapport à un plan de référence Y s'étendant dans une direction axiale et contenant l'axe du moteur, un plan de référence X perpendiculaire au plan Y et perpendiculaire à l'axe du moteur, et un plan de référenoe Z perpendiculaire au plan X et au plan Y de telle façon que le courant d'air de refroidissement sortant de la pale (24) du rotor qui a une direction F, a une projection de F dans le plan de référence Y qui forme un angle avec le plan de référence Z d'environ dix-sept degrés et a une projection F dans le plan de référence Z qui forme un angle avec le plan de référence X d'environ trente degrés. 4. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif pour doser et diriger le courant d'air de refroidissement est une plaque d'ouverture (36) comprenant au moins un orifice (38) qui est fixé à l'emplanture (32) de la pale (24) de rotor. 5. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plaque d'ouverture (36) est disposée autour d'une ligne de référence, à l'inter- section du plan de référence Y s'étendant dans une direction axiale et contenant l'axe du moteur, un plan de référence X perpendiculaire au plan de référence Y et perpendiculaire à l'axe du moteur, et un plan de référence Z perpendiculaire au plan X et au plan Y, o la plaque d'ouverture (36) a un orifice (38) ayant l'axe de symétrie se situant dans le plan Y, cet axe de symétrie se situant dans le plan Y, cet axe de symétrie forman un premier angle aigu par rapport au plan X et un second axe de symétrie se trouvant dans le plan Z tel que l'axe de symétrie forme un second angle aigu par rapport au plan X. 6. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 4, caractérisé à ce que le premier angle aigu se situe dans un intervalle de seize à dix-neuf degrés (16-19 ) et le second angle aigu se situe dans un intervalle de vingt- huit à trente-deux degrés (28 -32 ). 7. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 4, - 13 - caractérisé en ce que ld couche limite a une épaisseur donnée et la plaque d'ouverture est soudée à l'emplanture de la partie aérodynamique et s'étend depuis la couronne mobile (22) sur und distance inférieure à l'épaisseur de la couche limite.