Brevet FR2502691A1 — publié le 19821001

L'invention concerne d'une manière générale, des agencements de turbine pour moteurs à turbine à gaz, et plus particulièrement un nouvel agencement amélioré de turbine dans lequel on dispose les aubes mobiles de tur- bine et les aubes fixes de stator de telle façon que leurs axes radiaux soient perpendiculaires à la ligne moyenne d'écoulement des gaz traversant la turbine. La présente invention consiste en un agencement de turbine pour moteur à turbine à gaz qui réduit les per- tes en bout d'aube de rotor et donc augmente le rendement du moteur. L'agencement de turbine comporte un trajet d'écoulement annulaire des gaz et, dans celui-ci, plusieurs rangées d'aubes mobiles et d'aubes fixes. Les rangées d'au- bes mobiles consistent en plusieurs aubes de rotor répar- ties circulairement, et les rangées d'aubes fixes consis- tent en plusieurs aubes de stator réparties circulairement. La disposition du trajet d'écoulement est telle que, dans une partie au moins de ce trajet, la ligne moyenne d'écou- lement des gaz chauds s'écarte de l'axe longitudinal du moteur. Dans cette partie du trajet d'écoulement, les aubes mobiles de rotor et les aubes fixes de stator sont incli- nées pour rendre leurs axes radiaux sensiblement perpendi- culaires à la ligne moyenne d'écoulement. Dans une réalisation particulière de l'invention, la disposition du trajet d'écoulement est telle que, à son extrémité aval, la ligne moyenne d'écoulement est sensible- ment parallèle à l'axe longitudinal du moteur. La description qui va suivre se réfère aux figu- res annexées, qui représentent respectivement: 30. figure 1, une vue en coupe d'un moteur à tur- bine à gaz mettant en oeuvre l'agencement de turbine de la présente invention; figure 2, une vue en coupe de la moitié supé- rieure d'un agencement de turbine mettant en oeuvre les caractéristiques de la présente invention; figure 3, une vue en coupe de la moitié supé- rieure d'un agencement de turbine de type antérieur. Si l'on se reporte maintenant aux dessins, et en particulier à la figure 1, on y voit un moteur 8 à turbine à gaz classique. Le moteur 8 a une disposition sensible- ment concentrique autour d'un axe longitudinal (représenté par la ligne 10 en traits interrompus) et comporte une souf- flante 12, un compresseur 14, une chambre de combustion 16, une turbine haute pression 18 et une turbine basse pression 20. L'air, comprimé dans le compresseur 14, pénètre dans la chambre de combustion 16, o il se mélange à du carburant et est enflammé. Les gaz chauds en expansion résultants s'écoulent sur les aubes mobiles de la turbine haute pres- sion 18 et de la turbine basse pression 20, provoquant la rotation de ces deux turbines. La turbine haute pression 18 fait tourner le compresseur 14 par l'intermédiaire d'un arbre 22. La turbine basse pression 20 fait tourner la soufflante 12 et d'autres composants par l'intermédiaire d'un arbre 24. Bien que le moteur représenté sur la figure 1 soit une turbosoufflante, il doit être bien entendu qu'on peut utiliser l'invention décrite ci-dessous sur n'importe quel type de moteur à turbine à gaz. On a représenté figure 2, la turbine basse pres- sion 20 du moteur 8. L'agencement de turbine comprend un trajet d'écoulement annulaire des gaz 30, que délimitent des frontières radialement intérieure 32 et extérieure 34, respectivement. Ces frontières peuvent comprendre par exemple, des viroles et des bandages. Les gaz chauds sor- tant de la chambre de combustion 16 suivent le trajet d'écoulement 30, provoquant ainsi la rotation de la tur- bine 20, puis sortent du moteur 8 par son extrémité aval. La ligne moyenne d'écoulement représentée par la ligne en traits mixtes 36 se caractérise par une vitesse et un sens d'écoulement qui sont la vitesse moyenne et le sens moyen d'écoulement des particules de gaz en tous les points du trajet d'écoulement 30. La dis- position du trajet d'écoulement 30 emprunté par les gaz est telle que, dans un sens aval, sur au moins une partie de ce trajet, la ligne moyenne d'écoulement 36 s'écarte de l'axe longitudinal 10 du moteur. Cette disposition per- met au trajet d'écoulement 30 d'avoir un rapide évasement (ou pente raide) radialement vers l'extérieur. Cela est souhaitable en ce sens que les aubes 44 de rotor des étages avant de la turbine sont ainsi à une plus grande distance radiale de l'axe longitudinal 10 du moteur et ont donc un bras de levier plus long que celui qu'auraient les aubes de rotor dans un trajet d'écoulement non incliné ou à faible pente. L'allongement du bras de levier permet un transfert d'énergie aérodynamique plus efficace entre les gaz passant dans le trajet d'écoulement et le rotor de turbine. On donne de préférence au trajet d'écoulement une disposition telle que, à son extrémité aval, la ligne moyenne d'écoulement 36 est sensiblement parallèle à l'axe longitudinal 10 du moteur. La poussée du moteur est donc sensiblement parallèle à l'axe longitudinal 10 du moteur. La turbine basse pression 20 comporte au moins une et de préférence plusieurs rangées 40 d'aubes mobiles qui alternent avec plusieurs rangées 42 d'aubes fixes, ces aubes mobiles et ces aubes fixes se trouvant dans le tra- jet d'écoulement 30. Chaque rangée 40 d'aubes mobiles com- porte plusieurs aubes 44 de rotor réparties circulaire- ment et fixées ensemble d'une manière appropriée, par exemple à un disque de rotor tournant autour de l'axe lon- gitudinal 10 du moteur. Chaque rangée 42 d'aubes fixes comporte plusieurs aubes 46 de stator réparties circulai- rement et fixées ensemble d'une manière appropriée. Cha- cune des rangées 42 d'aubes fixes entoure l'axe longitu- dinal 10 du moteur et reste fixe pour diriger l'écoule- ment des gaz de combustion chauds sur les aubes 44 de rotor situées en aval par rapport à elle. Les aubes 44 de rotor et les aubes 46 de stator occupent de préférence sensiblement toute la distance qui sépare les frontières radialement intérieure 32 et radialement extérieure 34 respectivement du trajet d'écoulement 30. L'agencement de turbine de la présente inven- tion est particulièrement avantageux par rapport aux agencements de turbine antérieurs en ce qu'il place les aubes 44 de rotor et les aubes 46 de stator sensiblement perpendiculairement à la ligne moyenne d'écoulement 36 des gaz de combustion circulant dans le trajet d'écoule- ment 30. Cet agencement oblige les gaz de combustion à s'écouler dans le sens de la corde le long des surfa- ces des aubes 44 de rotor et réduit la tendance des gaz à s'écouler suivant les génératrices vers l'extrémité radialement extérieure des aubes de rotor. Dans ces condi- tions, il y a réduction des pertes en bout d'aube et augmentation du rendement de la turbine. Plus précisément, les aubes 44 de rotor et les aubes 46 de stator comportent chacune un axe radial, représenté par les lignes 50 en traits mixtes, qui passe par les extrémités radialement intérieure et radialement extérieure de l'aube. La disposition des aubes 44 de rotor et des aubes 46 de stator est telle que leur axe radial 50 est sensiblement normal, ou perpendiculaire, à la ligne moyenne d'écoulement 36. L'expression "sensible- ment normal" signifie que l'axe radial 50 et la ligne moyenne d'écoulement 36 sont suffisamment proches de l'orthogonalité pour que l'on obtienne la réduction vou- lue des pertes en bout d'aube. Pour obtenir cette rela- tion mutuelle dans la partie du trajet d'écoulement 30 o la ligne moyenne d'écoulement 36 s'écarte de l'axe longitudinal 10 du moteur, l'axe radial 50 s'incline vers l'avant et fait avec l'axe longitudinal 10 du moteur un angle inférieur à 90 . Comme on peut le voir sur la figure 2, par exemple, l'axe 50 d'une aube 44a de rotor et celui d'une aube 46a de stator font respectivement un angle a et a' avec l'axe longitudinal 10 du moteur. Au fur et à mesure que la ligne moyenne d'écou- lement 36 se rapproche de la parallèle à l'axe longitu- dinal 10 du moteur, les aubes 44 de rotor et les aubes 46 de stator de cette partie du trajet d'écoulement 30 sont disposées de façon telle que leur axe radial soit sensible- ment normal à la ligne moyenne d'écoulement. En conséquence, dans cette partie du trajet d'écoulement 30, les axes radiaux 50 ont peu ou pas du tout d'inclinaison vers l'avant et font donc avec l'axe longitudinal 10 du moteur un angle assez proche de 90 . Par exemple, l'axe radial de l'aube 44b de rotor et celui de l'aube 46b de stator font respectivement un angle b et b' avec l'axe longitudinal 10 du moteur. Les aubes 44 de rotor et des aubes 46 de stator de toutes les rangées 40 d'aubes mobiles et 42 d'aubes fixes de la turbine 20 ont de préférence une disposition telle que leurs axes radiaux 50 soient sensiblement normaux à la ligne moyenne d'écoulement 36. Pour avoir une rigi- dité de structure maximale, il est recommandé que les pieds 52 (qui ne se trouvent pas dans le trajet d'écoule- ment 30) de toutes les aubes 44 de rotor aient une orienta- tion telle que leurs axes radiaux soient normaux à l'axe longitudinal 10 du moteur. On se réfère maintenant à la figure 3, qui repré- sente un agencement de turbine classique de la technique antérieure. Une partie de la ligne moyenne d'écoulement 60 s'écarte de l'axe longitudinal 62 du moteur. Mais l'axe radial 64 des aubes 66 de rotor et des aubes 68 de stator n'a pas d'inclinaison vers l'avant. Ainsi, quand la ligne moyenne d'écoulement 50 s'incline, les gaz s'écoulent de biais sur les aubes 66 de rotor et les aubes 68 de stator. Une partie des gaz chauds a donc tendance à s'écouler suivant les génératrices le long des aubes de rotor, d'o des pertes gênantes en bout d'aube et une diminution cor- respondante du rendement du moteur. De plus, le degré de la pente qu'on peut réaliser dans le chemin d'écoulement annulaire 70 est limité par la quantité maximale de per- tes admissibles en bout d'aube. La configuration de la turbine se voit donc imposer une limitation structurale du fait de la non inclinaison desaubes 66 de rotor et des aubes 68 de stator. En conséquence, la disposition de turbine de la présente invention représentée sur la figure 2 réduit les pertes en bout d'aube dans les turbines o la ligne moyenne d'écoulement 36 a une grande pente. De plus, la présente invention permet au trajet d'écoulement annulaire 30 de recevoir une configuration structurale lui donnant une pente plus grande qu'on ne pourrait le faire avec la dispo- sition de turbine de la technique antérieure. REVENDICATIONS 1. Moteur à turbine à gaz (8) disposé concen- triquement autour d'un axe longitudinal (10) comprenant, un agencement de turbine destiné à recevoir des gaz chauds sortant d'une chambre de combustion (16) du moteur et à être entraînée en rotation par eux, caractérisé en ce que l'agencement de turbine se compose de: a) un trajet d'écoulement annulaire (30) pour les gaz, situé autour de l'axe longitudinal (10) du moteur et limité par des frontières radialement extérieure (34) et radialement intérieure (32) respectivement, ce trajet d'écoulement (30) étant disposé de telle façon que, dans un sens aval et sur au moins une partie de ce trajet d'écoulement (30), la ligne moyenne d'écoulement (36) des gaz chauds qui y circulent s'éloigne de l'axe longitudinal (10) du moteur; et b) plusieurs rangées (40) d'aubes mobiles et plusieurs rangées (42) d'aubes fixes, alternées et dispo- sées dans le trajet d'écoulement (30), chacune de ces ran- gées (40) d'aubes mobiles et de rangées (42) d'aubes fixes comprenant respectivement plusieurs aubes (44) de rotor et plusieurs aubes (46) de stator, réparties circulairement, les aubes (44) de rotor et les aubes (46) de stator de certaines au moins des rangées d'aubes mobiles et d'aubes fixes situées dans la partie du trajet d'écoulement (10) o la ligne moyenne d'écoulement (36) s'éloigne de l'axe longitudinal (10) du moteur ayant leur axe radial (50) incliné d'un angle inférieur à 90 par rapport à l'axe longitudinal (10) du moteur, si bien que cet axe radial (50) est sensiblement normal à la ligne moyenne d'écoule- ment (36). 2. Moteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le trajet d'écoulement (30) est disposé de telle façon que, à son extrémité aval, la ligne moyenne d'écou- lement (36) est sensiblement parallèle à l'axe longitudinal (10) du moteur. 3. Moteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le trajet d'écoulement (30) est disposé de telle façon que l'angle que la ligne moyenne d'écoulement (36) fait avec l'axe longitudinal (10) du moteur diminue entre l'extrémité amont et l'extrémité aval du trajet d'écoule- ment (30). 4. Moteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que, au fur et à mesure qu'il va vers l'aval, le trajet d'écoulement (30) a sa hauteur annulaire qui augmente. 5. Moteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les axes radiaux (50) des aubes (44) de rotor et des aubes (46) de stator de toutes les rangées d'aubes mobiles et d'aubes fixes (respectivement (40) et (42)) de la turbine sont disposés pour être sensiblement normaux à la ligne moyenne d'écoulement (36). 6. Moteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les aubes (44) de rotor comportent un socle (52) situé à l'extérieur du trajet d'écoulement (30Y, ces socles ayant leur axe radial respectif orienté perpendi- culairement à l'axe longitudinal (10) du moteur.