Brevet FR2503254A1 — publié le 19821008

La présente invention se rapporte d'une façon générale à des moteurs à turbine à gaz, et elle a trait plus particulièrement à un moteur à turbine à gaz à triple rotor. On connaît un certain nombre de moteurs à turbine à gaz. Un grand nombre d'entre eux comprennent un carter comportant une entrée d'air, une sortie de gaz d'échappement et un passage fluidique pour relier l'entrée à la sortie. Un arbre principal est monté à rotation à l'intérieur du carter et il est prévu un compresseur d'air fixé sur l'arbre à une extrémité et une turbine de détente fixée à l'extrémité opposée de l'arbre. Un dispositif de combustion est placé à l'in- térieur du passage fluidique entre le compresseur et la turbine. Dans un grand nombre de moteurs à turbine à gaz de types connus, le groupe compresseur comprend un compresseur axial dans lequel l'air d'admission est comprimé progressivement avant son introduction dans le dispositif de combustion. De mime, la turbine de détente comprend plusieurs roues ou étages qui augmentent progressivement de dimensions et danslesquels les gaz de combustion sortant du dispositif de combustion se détendent pour assurer à la fois l'entratnement en rotation du compresseur et la génération de la poussée nécessaire du moteur à turbine à gaz. Pour tirer le rendement maximal d'un moteur à turbine à gaz, et par conséquent pour obtenir une consommation minimale de combustible, il est nécessaire de réduire au minimum les pertes internes du moteur à turbine à gaz. Ces pertes internes résultent, par exemple, de fuites de gaz à partir des zones de haute pression du moteur à turbine à gaz et en particulier autour de l'arbre de turbine. De telles pertes internes sont particulièrement désavantageuses pour des moteurs à turbine à gaz relativement petits, c'est-à-dire des moteurs à turbine à gaz produisant généralement une poussée inférieure à 4500 kg, puisque le rendement du moteur à turbine à gaz augmente avec ses dimensions. Un autre inconvénient de ces moteurs à turbine à gaz de types connus consiste en ce que les étages de turbine basse pression sont utilisés pour entraîner les étages de compression intermédiaire. Puisque les contraintes des ailettes de turbine sont proportionnelles au produit de la surface annulaire des ailettes de turbine par le carré de la vitesse, la turbine basse pression doit être conçue pour résister aux niveaux de contraintes résultant de l'entratnement des étages de compression intermédiaire. En outre, il est souvent nécessaire d'adopter des compromis en ce qui concerne les étages de turbine et/ou de compresseur afin de permettre aux différents étages de turbine et de compresseur de fonctionner en restant en-dessous des niveaux acceptables de contraintes, de tels compromis de conception ayant une influence perturbatrice sur le rendement du moteur à turbine à gaz. La présente invention a pour but de remédie aux inconvénients précités des moteurs à turbine à gaz de types connus à l'aide d'un moteur à turbine à gaz à triple rotor et de haut rendement, l'invention étant applicable d'une manière particulièrement avantageuse à des petits moteurs à turbine à gaz, c'est-à-dire des moteurs à turbine à gaz produisant gdnéralement une poussée inférieure à 4500 kg. Le moteur à turbine à gaz selon l'invention comprend un carter support qui est pourvu d'une entrée d'air et d'une sortie de gaz d'échappement. Un passage fluidique assure la lisison de l'entrée d'air avec la sortie de gaz d'échappement. Le moteur à turbine à gaz comprend en outre un ensemble à rotor basse pression comportant un premier arbre monté à rotation dans le carter porteur. Au moins un étage de compresseur basse pression est fixé à une extrémité du premier arbre de façon que cet étage compresseur soit positionné à l'intérieur du passage fluidique, immédiatement en aval de l'entrée d'air. En outre, au moins un étage de turbine basse pression est fix4 sur l'autre extrémité du premier arbre et est positionné dans le passage fluidique immédiatement en amont de la sortie de gaz d'échappement. Le moteur à turbine à gaz comprend en outre un ensemble à rotor à pression intermédiaire comportant un second arbre monté à rotation à l'intérieur du carter coaxialement au premier arbre. Au moins un étage de compresseur à pression intermédiaire est fixé sur une extrémité du premier arbre et est positionné dans le passage fluidique immédiatement en aval de l'étage de compressez basse pression. Au moins un étage de turbine à pression intermédiaire est fixé de la mEme façon sur l'autre extrémité du second arbre et est disposé dans le passage fluidique immédiatement en amont de l'étage de turbine basse pression. Dans le mode préféré de réalisation de l'invention, le second arbre est tubulaire et le premier arbre est disposé coaxialement dans le second arbre. Le moteur à turbine à gaz comprend en outre un ensemble à rotor haute pression comportant un troisième arbre monté à rotation dans le carter porteur principal. Au moins un étage de compresseur haute pression est fixé sur une extrémité du troisième arbre et est placé dans le passage fluidique immédiatement en aval de l'étage de compresseur à pression intermédiaire. De même, un étage de turbine haute pression est fixé sur l'autre extrémité du troisième arbre et est placé dans le passage fluidique immédiatement en amont de l'^t m pression intermédiaire. Un dispositif de combustion est logé dans l'ensemble à rotor haute pression entre ses étages de turbine et de compresseur pour assurer la combustion du combustible. Cependant, à la différence du premier et du second arbre, le troisième arbre de l'ensemble à rotor haute pression est décalé par rapport auxdits premier et second arbres, en étant de préférence orienté perpendiculairement à ces arbres. Une volute tubulairecld'admis- sion canalise l'air comprimé depuis le compresseur de rotor intermédiaire Jusqu'à l'ensemble à rotor haute pression, tandis que, d'une manière semblable, une volute tubulaire d'échappement canalise les gaz d'échappement depuis la turbine haute pression Jusqu'à la turbine à pression intermédiaire.En outre, le décalage de l'axe du troisième arbre évite la réalisation d'un trou de traversée pour l'arbre dans la zone de haute pression du moteur à turbine à gaz et réduit de la même manière les traJets de fuite existant dans les réalisations connues autour de l'arbre de turbine dans les zones de haute pression du moteur à turbine à gaz. Le montage avec décalage axial de l'ensem- ble à rotor haute pression est également avantageux du fait qu'il donne plus de souplesse pour positionner l'ensemble à rotor haute pression par rapport aux ensembles à rotors basse pression et pression intermédiaire. Cette souplesse de positionnement de l'ensemble à rotor haute pression permet également de réduire la longueur hors-tout du moteur à turbine à gaz. Le moteur à turbine à gaz selon l'invention est en outre avantageux du fait qu'il permet d'adapter respectivement chaque compresseur et son étage de turbin puisque chaque étage de turbine entrain seulement son étage de compresseur associé. Cette structure permet en outre d'adapter la surface annulaire maximale des ailettes de turbine à la vitesse la plus basse et par conséquent de réduire au minimum le niveau de contraintes dans chaque étage de turbine. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels * La Figure 1 est une vue en coupe longitudinale montrant le moteur à turbine à gaz conforme à la présente invention La Figure 2 est une vue en coupe faiX sur la ligne 2-2 de la Figure 1 ; La Figure 3 est une vue en coupe faite sur la ligne 3-3 de la Figure 1 ; et La Figure 4 est une vue en coupe faite sur la ligne 4-4 de la Figure 1. En référence à la Figure 1, le moteur à turbine à gaz 10 conforme à l'invention comprend un carter support 12 pourvu d'une entrée d'air 14 et d'une sortie de gaz d'échappement 16. Un passage fluidique 18, qui sera décrit de façon plus détaillée dans la suite, assure la lialson de entrée d'air 14 avec la sortie de gaz d'échappement 16. Un ensemble à rotor basse pression 20 est logé dans le carter et comprend un arbre tubulaire allongé 22 qui s'étend longitudinalement au travers du carter 12. L'arbre 22 est monté à rotation dans ce carter 12 par l'intermédiaire de paliers avant 24 et de paliers arrière 28.Au moins un étage de compresseur basse pression 30, c'est-à-dire un ventilateur de compresseur, est fixé sur l'extrémité avant 32 de l'arbre 22 de façon que l'étage de compresseur basse pression 30 soit positionné dans le passage fluidique 18 immédiatement en aval de l'entrée d'air 1a. En outre, au moins un, et de préférence deux étages de turbine basse pression 34, sont fixés dans des positions adJacentes à l'extrémité opposée ou arrière 35 de l'arbre 22, immédiatement en amont de la sortie de gaz d'échappement 16. Comme cela est également mis en évidence sur la Figure 1, le moteur à turbine a gaz 10 comprend en outre un ensemble s rotor à pression intermédiaire 36 qui est logé dans le carter 12. Cet ensemble à rotor à pression intermédiaire 36 comprend également un arbre tubulaire 38 qui est monté à rotation dans le carter 12 par l'intermédiaire des paliers 40 et 42 de façon que l'arbre 38 soit disposé coaxialement autour du premier arbre 22. Un ou plusieurs étages de compresseur à pression intermédiaire 44 sont fixés sur l'arbre 38 dans une zone adjacente à son extrémité avant, immédiatement en aval de l'étage de compresseur basse pression 30. De même, au moins un étage de turbine à pression intermédiaire 46 est fixé à l'extrémité opposée de l'arbre 38, immédiatement en amont des étages de turbine basse pression 34. En considérant maintenant plus particulièrement la Figure 2, on voit que le moteur à turbine à gaz 10 comprend un ensemble à rotor haute pression 50 logé dans une partie de carter 52, qui est elle-même placée à l'intérieur du carter principal 12. L'ensemble à rotor haute pression 50 comporte un troisième arbre 54 monté à rotation dans la partie de carter 52 par l'intermédiaire de paliers 56. Un étage de compresseur haute pression 58 est fixé sur l'arbre 54 dans une zone adJacente à son e * mité d'entrée 78 tandis que, de la même façon, un étage de turbine haute pression 60 est fixé sur l'arbre 54 dans une zone adjacente à son extrémité de sortie 82. L'ensemble à rotor haute pression 50 comprend en outre un dispositif de combustion 62 qui reçoit l'air provenant de l'étage de compresseur haute pression 58 et dans lequel du combustible est injecté et brûlé avant sa détente dans l'étage de turbine haute pression 60. De préférence du combustible est introduit dans le dispositif de combustion 62 par l'intermédiaire d'un injecteur 64 qui est solidaire de l'arbre 54. Du combustible est fourni à l'inJecteur 64 par une pompe (non représentée) par l'intermédiaire d'un orifice 66 ménagé dans l'arbre 54. En outre, chaque extrémité axiale de X partie de carter 52 est de préférence fermée et l'arbre 54 est logé intégralement dans la partie de carter 52. Le troisième arbre, ou arbre haute pression 54, est décalé par rapport au premier et au second arbre 22,38, en étant de préférence orienté perpendiculairement auxdits arbres 22,38. Comme le montre la Figure 1, l'ensemble à rotor haute pression 50 est de préférence positionné en-dessous de l'ensemble à rotor à pression intermédiaire 36. En considérant maintenant la Figure 1, on voit que le passage fluidique ménagé dans le carter porteur 12 est divisé par une structure statique 70 (Figure 1), placée immédiatement en aval de l'étage de compresseur basse pression 30, en un canal extérieur d'écoulement 72 et un canal intérieur d'écoulement 74. Les étages de compresseur à pression intermédiaire 44 sont tous disposés à l'intérieur du canal intérieur d'écoulement 74. En considérant maintenant plus particuliè- rement les Figures 1 à 3, on voit que l'air comprime sortant de l'étage final des étages de compresseur à pression intermédiaire 44 est relié, par une volute tubulaire d'entrée 76 à l'entrée 78 de l'étage de compresseur haute pression 58. La volute tubulaire 76 a une section droite circulaire, ce qui réduit ainsi le frottement superficiel entre la volute tubulaire 76 et l'écoulement d'air comprimé passant dans celle-ci. En outre, la section droite de la volute tubulaire 76 varie graduellement depuis la sortie de l'étage de compresseur intermédiaire jusqu'à l'entrée 78 de l'étage de compresseur haute pression, en assurant ainsi un contrdle précis de l'écoulement d'air comprimé.Comme le montrent les Figures 2 et 3, la volute tubulaire 76 est enroulée circonférentiellement autour de l'étage de compresseur haute pression 58, comme indiqué en 77, de façon que l'air injecté dans l'ensemble à rotor haute pression 50 comporte une composante de vitesse circonférentielle qui soit orientée dans la mdme direction que le sens de rotation du troisième arbre, comme indiqué par la flèche 80. Du combustible provenant de l'injecteur 64 est brtlé dans le dispositif de combustion 62 d'une manière classique. En considérant maintenant- plus particulièrement les Figures 1, 2 et 4, on voit que la sortie 82 de l'ensemble à rotor haute pression 50 est reliée d'une façon semblable, par une volute tubulaire de sortie 84 au premier des étages de turbine à pression intermédiaire 46. De façon similaire à la volute tubulaire d'entrée 76, la volute tubulaire de sortie 84 s'étend au moins partiellement sur la périphérie de l'étage à turbine à pression intermédiaire 46, de sorte que l'air s'échappant de la volute tubulaire de sortie 84 comporte une composante de vitesse circonférentielle qui est orientée dans la mtme direction que le sens de rotation de l'arbre intermédiaire 38 en vue d'augmenter au maxi mum le rendement du moteur à turbine à gaz.La volute tubulaire de sortie 84 a également une section droite circulaire pour réduire au minimum le frottement entre la volute 84 et les gaz s'écoulant dans celle-ci. Après avoir passé dans la seconde volute 84, les gaz d'échappement provenant de l'ensemble à rotor haute pression 50 traversent les étages de turbine à pression intermédiaire et à basse pression 46,34, et sont finalement déchargés par l'intermédiaire de la sortie 16 hors du carter 12. Le passage des gaz de combustion dans l'étage de turbine haute pression 60, dans l'étage de turbine à pression intermédiaire 46 et dans l'étage de turbine basse pression 34, fait évidemment tourner respectivement les arbres des différentes turbines. En outre, il est à noter que l'étage de turbine haute pression 60 entraine en rotation seulement l'é- tage haute pression 58, la mdme considération s'appliquant également aux étages de turbine à pression intermédiaire et à basse pression. En considérant maintenant principalement la Figure 1, on voit que le canal extérieur d'écoulement 72 part de l'étage de compresseur basse pression 30 au travers du carter 12 et se termine par une sortie annulaire 90 qui est placée concentriquement autour de la sortie de gaz d'échappement 16. L'air comprimé passant dans le canal extérieur 72 augmente la poussé totale du moteur à turbine à gaz 10 du fait que les gaz comprimés sont déchargés par l'intermédiaire du passage annulaire 90. En outre, la partie de carter 52 correspondant à l'ensemble à rotor haute pression 50 est disposée dans une zone du canal extérieur d'écoulement 72 de façon que la chaleur perdue à partir de l'ensemble à rotor haute pression 50 soit récupérée et transmise à l'écoulement d'air passant dans le canal extérieur 72, en vue d'augmenter ainsi la poussée globale du moteur à turbine à gaz 10. La position ou l'orientation effective de l'ensemble à rotor haute pression 50 n'a pas d'influence critique sur la mise en pratique de la présente invention, bien que la disposition décalée et perpendiculaire qui est représentée sur le dessin soit préférée. Par exemple, le troisième ensemble de rotor 50, pourrait être disposé parallèlement, mais excentré par rapport à l'axe de rotation du premier arbre 22 et du second arbre 38. En variante, l'axe de rotation de l'arbre de turbine haute pression 54 pourrait autre disposé de manière à couper en oblique, ou même perpendiculairement, l'axe de rotation des arbres de turbines à pression intermédiaire et à basse pression. Cependant, dans ce cas, on remplacerait la volute tubulaire d'échappement 84 par un tube axial de décharge allant de la turbine haute pression 60 à la turbine à pression intermédiaire 46. La description faite ci-dessus montre que le moteur à turbine à gaz 10 conforme à la présente invention constitue un moteur à turbine d'un type nouveau et extremement efficace ; en outre, l'invention convient particulièrement pour titre appliquée à un moteur à turbine à gaz relativement petit, c'est-à-dire un moteur à turbine à gaz produisant une poussée généralement infé- rieure à 4500 kg. Par ailleurs, la structure à trois rotors dont le troisième, c'est-à-dire le rotor haute pression, est décalé par rapport aux rotors à basse pression et à pression intermédiaire, donne plus de souplesse pour la conception du moteur à turbine à gaz 10 et elle permet en particulier de réduire la longueur hors-tout du moteur. Un autre avantage du moteur à turbine à gaz 10 selon l'invention consiste en ce que le troisième arbre, c'est-à-dire l'arbre de la turbine haute pression, est complètement logé à l'intérieur de sa partie de carter 52, ce qui évite l'obligation de prévoir des trous de traversée de l'arbre de turbine au travers de la partie de carter 52. Par fermeture de chaque extrémité axiale de la partie de carter 52, on réduit fortement les fuites d'air comprimé ou de gaz de combustion autour de l'arbre de turbine haute pression. Cette réduction des fuites se traduit également par une augmentation du rendement global du moteur à turbine à gaz et par une diminution de la consommation de combustible. Un autre avantage du moteur à turbine à gaz 10 selon l'invention consiste en ce qu'on utilise deux volutes tubulaires 76 et 84 pour relier fludiquement le rotor haute pression 50 au rotor à pression intermédiaire 36. Les volutes tubulaires 76 et 84 permettent en particulier d'utiliser avantageusement la composante de vitesse circonférentielle de l'air comprimé sortant de l'étage de compresseur à pression intermédiaire 44 ou bien, en variante, des gaz de combustion sortant de l'étage de turbine haute pression 60, en réduisant ainsi au minimum les turbulences indésirables dans le courant de gaz sortant du moteur. Un autre avantage important du moteur à turbine à gaz 10 selon l'invention consiste en ce que chaque étage de turbine est adapté à son étage de compresseur associé et entratne seulement cet étage. Par exemple, l'étage de turbine haute pression 60 assure seulement l'entratnement en rotation de l'étage de compresseur haute pression 58. De même, l'étage de turbine à pression intermédiaire 46 assure seulement l'entrat- nement en rotation de son compresseur 44, tandis que l'étage de turbine basse pression 34 assure seulement l'entraînement de ce compresseur 30. Cette association entre les étages de turbine et de compresseur permet d'utiliser la plus grande surface annulaire d'ailettes de turbine pour la vitesse minimale, et par conséquent de réduire au minimum les niveaux de contraintes sans faire intervenir des compromis entre les critères de conception des différents étages de turbine et de compresseur. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés ; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivent les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1 - moteur équipé d'une turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il comprend : - un carter (12) comportant une entrée d'air (14) et une sortie de gaz d'échappement (16), - un passage fluidique (18) formé dans le carter entre ladite entrée et ladite sortie, - un ensemble à rotor basse pression (20) comprenant un premier arbre (22) monté à rotation dans le carter, au moins ur, étage de compresseur basse pression (30) disposé dans ledit passage fluidique et fixé dans une position adjacente à une extrémité du premier arbre (22) et au moins un étage de turbine basse pression (34) disposé dans ledit passage fluidique (18) et fixé dans une position adjacente à l'autre extrémité de l'arbre (22), - un ensemble à rotor à pression intermédiaire (36) comprenant un second arbre (38) monté à rotation dans ledit carter, au moins un étage de compresseur à pression intermédiaire (44) disposé dans le passage fluidique immédiatement en aval dudit étage de compresseur basse pression (30) et fixé dans une position adjacente à une extrémité du second arbre (38), au moins un étage de turbine à pression intermédiaire (46) disposé dans ledit passage fluidique en amont dudit étage de turbine basse pression (34) et fixé sur le second arbre (38) dans une position adjacente à son autre extrémité, - un ensemble à rotor haute pression (50) comprenant un troisième arbre (54) monté à rotation dans le carter, au moins un étage de compresseur haute pression (58) disposé dans ledit passage fluidique (18) en aval dudit étage de compresseur à pression intermédiaire (44) et fixd dans une position adjacente à une extrémité du troisième arbre (54), au mois un étage de turbine haute pression (60) disposé dans ledit passage fluidique en amont dudit étage de turbine à pression intermédiaire (46) et fixé sur le troisième arbre (54) dans une position adjacente à son autre extrémité, - un dispositif de combustion (62) pour brûler un combustible entre lesdits étages de compresseur et turbine haute pression (58, 60), - en ce que lesdits premier (22) et second (38) arbres sont disposés coaxialement l'un par rapport à l'autre, et en ce que ledit troisième arbre (54) est espacé de, et non-coaxial auxdits premier et second arbres (22, 38). 2 - Moteur équipé d'une turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe du troisième arbre (54) est orienté perpendiculairement à l'axe du premier arbre (22). 3 - Moteur équipé d'une turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit passage fluidique (18) comprend en outre un canal intérieur d'écoulement (74) et un canal extérieur d'écoulement (72), lesdits ensembles à rotor à pression intermédiaire (36) et à rotor haute pression (50) étant disposés dans ledit canal intérieur (74) et ledit canal extérieur (72) s'étendant directement du compresseur basse pression (30) à ladite sortie (16). 4 - Moteur équipé d'une turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second arbre (38) est tubulaire, et en ce que le premier arbre (22) s'étend coaxialement entièrement au travers du second arbre (38). 5 - Moteur équipé d'une turbine à gaz selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit carter (12) comprend une partie (52) dans laquelle est logé ledit ensemble à rotor haute pression (50), ledit troisième arbre (54) étant totalement contenu dans ladite partie de carter (52), qui est obturée à chaque extrémité axiale du troisième arbre (54). 6 - Moteur équipé d'une turbine à gaz selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'unie volute tubulaire incurvée (76) relie fluidiquement ledit étage de compresseur à pression intermédiaire (44) avec ledit étage de compresseur haute pression (58). 7 - Moteur équipé d'une turbine à gaz selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une seconde volute tubulaire incurvée (84) relie fluidiquement ledit étage de turbine haute pression (60) avec ledit étage de turbine à pression intermédiaire (46). 8 - Moteur équipé d'une turbine à gaz selon la revendication 3, caractérisé en ce qutil comprend en outre une partie de carter dans laquelle ledit ensemble à rotor haute pression (50) est logé, ladite partie de carter étant positionnée au moins partiellement dans ledit canal extérieur d'écoulement (72). 9 - Moteur équipé d'une turbine à gaz selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite volute tubulaire (76) a une section droite de forme essentiellement circulaire. 10 - Moteur équipé d'une turbine à gaz selon la revendication 9, caractérisé en ce que la section droite de la volute tubulaire (76) varie graduellement dudit étage de compresseur à pression intermédiaire (44) jusqu'audit étage de compresseur haute pression (58).