Brevet FR2520441A1 — publié le 19830729

La présente invention concerne un système de re- froidissement par air de turbomachines. Il est courant de prélever de l'air comprimé à l'un ou à plusieurs des compresseurs d'une turbomachine pour as- surer le refroidissement de divers éléments constitutifs, fixes ou mobiles, de celle-ci. Si l'on utilise de l'air pour refroidir des élé- ments mobiles tournant à une vitesse élevée, cet air, en frottant contre la surface de ces éléments, peut se ré- chauffer de façon appréciable Cette forme de réchauffement de l'air est souvent appelé dans la littérature anglo-sa- xonne "windage heàting", c'est-à-dire réchauffement de 1 ' air de léchage On connaît par la description qui en est faite dans le brevet britannique NI 1 217 807 un moyen de diminuer ce réchauffement, qui consiste à donner à l'air de refroidissement un effet de tourbillonnement initial dont le sens est le même que celui de la rotation de l'élé- ment à refroidir L'idéal est que la vitesse à laquelle cet air tourbillonne soit égale à la vitesse angulaire de l'é- lément rotatif. Dans de nombreux modèles de turbomachines, on fait s'écouler l'air tourbillonnant à travers d'étroits passages définis par une structure fixe et l'élément rotatif, pour empêcher ou diminuer le recyclage de l'air vers des ré- gions du moteur o il est préférable que l'air de refroi- dissement ne circule pas. Il y a un grand nombre d'avantages à pouvoir éviter le phénomène de "vindage heating" et à maintenir ainsi 1 ' air de refroidissement aussi froid que possible On peut, par exemple, obtenir des températures plus basses du mi- lieu ambiant, avec pour conséquence la possibilité d'utili- ser avec une plus grande marge de sécurité les matériaux adoptés ou d'utiliser des matériaux moins coûteux. On a constaté par contre que la résistance de frot- tement interne à l'écoulement de l'air tourbillonnant sur les structures et parois fixes peut freiner cet écoulement au point que la vitesse de tourbillonnement devient diffé- rente de la vitesse angulaire des éléments rotatifs et qu' il en résulte un réchauffement de l'air de léchage. L'invention a donc pour objet de réduire ce ré- chauffement de l'air tourbillonnant en diminuant son freinage par résistance de frottement sur les parties fixes de la turbomachine. A cet effet, dans la turbomachine selon l'inven- tion, munie de moyens pour prélever de l'air comprimé dans le flux d'air principal de la machine, de woyens pour communiquer & cet air un tourbillonnement initial de même sens que celui de la rotation de l'élément mobile à re- froidir et pour diriger l'air tourbillonnant vers le dit élément pour refroidir celui-ci, d'un passage défini en- tre ce même élément et une paroi fixe placée près de lui et à travers lequel s'écoule l'air tourbillonnant, il est prévu en outre de munir la paroi fixe de passages pour 1 ' air à travers elle et il est prévu des moyens pour com- muniquer de l'énergie à la couche limite de l'air tourbil- lonnant près de la paroi pour que la dite couche se dépla- ce relativement à la paroi dans le même sens que celui du tourbillon. Le moyen pour inciter l'air & s'écouler à travers les passages ménagés dans la paroi fixe peut être consti- tué par un moyen pour amener de l'air comprimé, à une pres- 28 sion Supérieure à celle de l'air tourbillonnant, au côté de la paroi tourné vers l'opposé de-cet air, pour qu'une quantité d'air ainsi amené s'écoule à travers les passages jusque dans l'air tourbillonnant. Comme variante, le moyen pour inciter l'air à s'é- couler à travers les passages peut comporter un moyen pour créer une zone de pression inférieure à celle de l'air tourbillonnant sur le côté de la paroi tourné vers l'oppo- sé de cet air et faire ainsi s'écouler une quantité de ce- lui-ci àa travers les passages vers la zone de pression in- férieure. La paroi peut comporter un matériau perméable à 1 ' air, fait de métal ou de céramique, un matériau en feuille perforé à petites ou très petites ouvertures, un métal tissé ou tressé ou une toile céramique. De toute façon, l'invention sera bien comprise à 1 ' aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de ce système de refroi- dissements Fig 1 est une vue écorchée d'une turbomachine se- lon l'invention; Fig 2 est une vue plus détaillée d'une partie de la turbomachine selon l'invention, montrant une partie du système de refroidissement d'un arbre de cette turbomachi- ne. Dans les figures, la turbomachine, désignée par la référence générale 10, comportant une soufflante monoéta- gée 11 ou compresseur basse pression, montée dans un con- duit de dérivation 12, et un ensemble moteur principal comprenant, montés les uns à la suite des autres dans le sens de l'écoulement, un compresseur à écoulement axial haute pression 13, multi-étagé, une chambre de combustion 14 une turbine haute pression b-étagée 1, une turbine basse pression multi-étagée 16 et une tuyère - La turbine haute pression 15 est reliée au compres- seur haute pression 1 l par un arbre 1 Cet arbre est sup- porté à son extrémité arrière dans un palier radial 18 et l'extrémité avant du compresseur 13 est montée dans un pa- lier de butée 19 L'arbre 20 reliant la turbine basse pres- sion 16 à la soufflante Il s'étend longitudinalement à I' intérieur de l'arbre haute pression 17, qui est creux. Le disque du premier étage de la turbine haute pression 15 présente sur sa face amont des éléments 21, qui coopèrent avec des surfaces situées sur une plaque d' étanchéité adjacente 22 pour définir des joints de retenue de l'air La plaque d'étanchéité 22 est portée par un au- -35 bage directeur d'entrée segmenté 23, monté dans l'envelop- pe extérieure 24 de la turbine La plate-forme intérieure M'de l'aubage directeur #2 supporte la paroi intérieure de la chambre de combustion 14, qui est annulaire (la pa- roi extérieure de la chambre de combustion 14 est portée par l'enveloppe extérieure 26 de la dite chambre) La plate-forme intérieure 2 présente deux brides, qui sail- lent radialement vers l'intérieur Sur une 27 de ces brides est fixée une structure de paroi fixe 28, qui sert à définir un certain nombre de passages à travers lesquels l'air de refroidissement peut s'écouler. L'enveloppe intérieure 29 de la chambre de combus- tion annulaire est boulonnée à la structure de paroi 28. Cette enveloppe entoure les régions intérieures de la cham- bre de combustion 14 et elle est supportée à son extrémité amont par l'ensemble aubage directeur diffuseur de sortie du compresseur haute pression 13. La face périphérique de la plaque d'étanchéité 22 est munie d'un évidement dans lequel s'engage l'autre bri- de 31 de la plate-forme intérieure 25 de l'aubage direc- teur 2 La plaque 22 présente en outre deux évidements, danà chacun desquels vient se loger une mince ailette, respectivement 32, I 2 Ces ailettes 32, 12 saillent hors du plan de la plaque 22 et sont fixées a la structure de paroi 28 par des boulons 34 et leurs écrous Un couvercle recouvre la face amont du disque du premier étage de la turbine haute pression Une quantité d'air à haute pression destiné à la chambre de combustion 14 est prélevée à l'extrémité aval du compresseur haute pression 13 et conduite le long de quatre parcours séparés Un de ces parcours s'étend autour de la face externe de la paroi extérieure de la chambre de combustion 14 et se termine en traversant des trous de re- froidissement dans le bord d'attaque des aubes directrices fi Un deuxième parcours s'étend autour de la face externe de la paroi intérieure de la chambre de combustion 14 et se termine à la sortie de trous dans le bord arrière des aubes 36 Le troisième parcours est défini entre les parois 28, 29, 2 et a et il se termine à travers des ajutages e 37 dans la plaque d'étanchéité 22 et il sert à refroidir les aubes mobiles de la turbine 15 d'une manière similaire à celle décrite dans la demande de brevet britannique NO 46540/78 de la Demanderesse, ainsi qu'à refroidir la face avant du premier étage de la turbine haute pression 15. L'air qui s'écoule dans le quatrième parcours tra- verse des ajutages 38 qui lui communiquent un effet de tourbillonnement initial dans le même sens que celui de la rotation du rotor du compresseur multi-étage f 2 L'air tourbillonnant s'écoule entre une paroi fixe 39, qui est boulonnée à la structure de paroi 28 et fixée aux ajuta- ges de tourbillonnement initial 38, et l'arbre creux 17, pour refroidir ce dernier A mesure que l'air de refroi- dissement, en s'écoulant, se rapproche de l'axe de la tur- bomachine, sa vitesse augmente et sa pression statique di- minue Cet air est ensuite dirigé à travers de grandes ou- vertures 40 dans un passage diffuseur 41 défini entre deux parois coniques espacées l'une de l'autre, le dit passage constituant un diffuseur de section annulaire dont l'en- trée est tournée radialement vers l'intérieur et dont la sortie est tournée radialement vers l'extérieur Un joint à balai 42 empêche l'air du quatrième parcours de s'écou- ler ailleurs que dans le passage 41. L'air sortant du diffuseur annulaire 41 traverse des trous radiaux ménagés dans la bride de fixation de l'ailet- te M, entre les boulons 34, et il sort à travers des aju- tages Le prévus dans la plaque 22 dans une zone située en- tre les joints de retenue de l'air Une certaine quantité de cet air s'écoule à travers des passages ménagés dans la zone périphérique du disque du premier étage de la turbine haute pression M, entre les pieds des aubes, puis sort- à travers des ajutages 44 sur la face aval de ce disque, de la manière décrite dans la demande de brevet britannique Nô 79 30150 de la Demanderesse, une partie étant utilisée pour aider au refroidissement des aubes de la turbine haute pression L'air est ensuite utilisé pour maintenir sous pression les joints M et 46 dans la zone périphérique du disque du premier étage de la turbine 15. Conformément à l'invention, la paroi fixe 12 et le couvercle 3 sont munis tous deux d'orifices, respecti- vement 47 et 48, alignés de façon à être tournés dans le même sens que celui du tourbillonnement de l'air qui s'é- coule entre l'arbre 1 et la paroi 1 (ou entre le disque du premier étage de la turbine haute puissance 15 et le couvercle 5, suivant le cas), L'air comprimé sur la face de la paroi 2 (ou du couvercle X) tourné vers l'opposé de l'air tourbillonnant s'écoule à travers les orifices 47 ou 48 et communique de l'énergie à la couche limite ad Ja- cente à la paroi 2 (ou au couvercle 35), la faisant se déplacer dans le même sens que celui du tourbillon et ré- duisant ainsi l'effet de résistance à l'écoulement par frottement interne sur l'air tourbillonnant. La paroi I ou le couvercle I peuvent être préala- blement percées de trous ou de fentes définissant les ori- fices 4, 48, ou ils peuvent être faits de tôles mta Ili- que perforées, à petites ou très petites ouvertures Com- me variantes, la paroi 1 ou le couvercle I peuvent com- porter des panneaux perméables à l'air (par exemple des toiles en métal tissé, des tresses métalliques ou des ma- tériaux céramiques). La présente invention peut être utilisée n'importe o dans laturbomachine, par exemple la structure fixe 46, -= près de la face arrière du disque du second étage de la turbine haute pression peut être rendue perméable à l'air et on peut amener de l'air comprimé sur sa face tournée vers l'opposé du disque. Un effet similaire à celui du soufflage d'air à tra- vers des parois fixes peut être obtenu dans certaines ap- plications en réduisant efficacement la pression sur la fa- ce de la paroi tournée vers l'opposé de l'air tourbillon- = nant, afin d'inciter une partie de ce dernier à s'écouler à travers les orifices de la paroi et à amener la couche -: limite à s'écouler dans le même sens que celui du tourbil- ? lonnement On peut y parvenir par exemple en faisant en faisant en sorte que la face en question de la paroi à traverser soit soumise à un courant d'air de refroidisse- ment dont la pression statique est inférieure à la pres- sion de l'air tourbillonnant. Dans la forme d'exécution qui vient d'être décrite, il est préférable de conformer les orifices 47, 48 de fa- çon que l'air qui les traverse soit dirigé préférentielle- ment dans le même sens que celui de l'air tourbillonnant. On peut y parvenir en poinçonnant les orifices 47, 48 de façon à former des déflecteurs qui incitent l'air à s'é- couler dans le sens désiré Il est bien entendu, cependant, qu'il peut ne pas être indispensable de diriger l'air de cette manière Il peut être suffisant de laisser l'air traverser la paroi dans une direction générale perpendicu- laire à cette dernière et de "lubrifier" ainsi avec cet air la paroi en question pour permettre à la couche limite d'air adjacente à cette paroi de se déplacer dans le même sens que celui de l'air tourbillonnant aidé par l'air qui traverse la paroi Ce serait le cas avec les panneaux per- méables à l'air mentionnés plus haut. REVENDICATIONS - 1. Turbomachine munie de moyens pour prélever de l'air comprimé dans le flux d'air principal de la machine, de moyens pour communiquer à cet air un tourbillonnement initial de même sens que celui de la rotation de l'élément mobile A refroidir et pour diriger l'air tourbillonnant vers le dit élément pour refroidir celui-ci, d'un passage défini entre ce même élément et une paroi fixe placée près de lui et à travers lequel s'écoule l'air tourbillonnant, caractérisé en ce que la paroi fixe ( 35, 39) est munie de passages ( 47, 48) pour l'air à travers elle, et en ce qu' il est prévu des moyens ( 13) pour communiquer de l'énergie à la couche limite de l'air tourbillonnant adjacente A la paroi ( 35, 39) pour que la dite couche se déplace relative- ment A la dite paroi dans le même sens que celui du tour- billon. 2. Turbomachine selon la revendication 1, caracté- isée en ce que les moyens ( 13) pour inciter l'air à s'écou- ler à travers les passages ( 47, 48) sont constitués par un moyen ( 13) pour fournir de l'air comprimé à une pression supérieure A celle de l'air tourbillonnant, au côté de la paroi ( 35, 39) tourné vers l'opposé de cet &ir, pour qu'u- ne quantité d'air ainsi amené s'écoule à travers les passa- ges ( 47, 48) jusque dans l'air tourbillonnant. 3 Turbomachine selon la revendication 1, caracté- risée en ce que les moyens pour inciter l'air à s'écouler A travers les passages ( 47, 48) comportent un moyen pour créer une zone de pression inférieure à celle de l'air tourbillonnant sur le côté de la paroi ( 35, 39) tourné vers l'opposé de cet air et faire ainsi s'écouler une quantité de ceiui-ci a travers les passages vers la zone de pression inférieure. 4. Turbomachine selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisée en ce que la paroi ( 35, 39) comporte un matériau perméable à l'air. 5. Turbomachine selon l'une quelconque des reven- dications 1 A 3, caractérisée en ce que la paroi ( 35, 39) comporte un matériau en feuille perforé, à petites ou très petites ouvertures. 6. Turbomachine selon l'une quelconque des reven- dications 1 A 3, caractérisée en ce que la paroi ( 35, 39) comporte une toile tissée ou tressée. 7. Turbomachine selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3,,caractérisée en ce que la paroi ( 35, 39) comporte un matériau céramique. t