Brevet FR2552817A1 — publié le 19850405

L'invention concerne le refroidissement des rotors de turbines Elle s'applique notamment aux turbines à gaz et plus particulièrement aux turboréacteurs d'aviation. On a reconnu depuis longtemps la nécessité de refroidir les aubes mobiles de turbines à gaz, et notamment de turboréacteurs d'aviation, et il est connu, à cet effet, de faire circuler un fluide de refroidissement, généralement de l'air, dans des canaux traversant radialement les aubes Cependant, la tendance actuelle de la technique est d'augmenter toujours davantage la vitesse de rotation des turbines et la température des gaz chauds qui les mettent en mouvement Il en résulte que les disques de rotor qui portent les aubes des turbines modernes sont soumis à des efforts centrifuges élevés et à des températures élevées qui diminuent leur résistance mécanique On a donc cherché à refroidir 15 aussi les disques de turbine qui, du fait qu'ils sont très chargés, comportent une base annulaire trèsépaisse et un voile qui s'amincit progressivement jusqu'à la jante qui porte les aubes Il est déjà connu (demande de brevet français publiée No 2 292 866) de faire circuler à cet effet le fluide de refroidissement des aubes dans 20 des passages pratiqués dans le disque de turbine qui porte ces aubes Dans les modes de réalisation connus, les passages sont pratiqués radialement dans le disque, c'est-à-dire que leurs axes sont situés dans le plan transversal de symétrie de celui-ci. Le but de l'invention est double Tout d'abord,il est d'assurer une meilleure résistance du disque de turbine aux efforts centrifuges en améliorant son refroidissement Ensuite, il est de mettre à profit la centrifugation de l'air dans les canaux pratiqués dans le disque pour amener l'air à un niveau de pression suffisant à l'entrée des orifices d'alimentation en air des aubes. 30 Conformément à la présente invention, le disque de turbine est pourvu de passages qui assurent un refroidissement superficiel du disque et, à cet effet, ces passages ne traversent pas celui-ci radialement, mais comprennent deux séries de passages quisont pratiqués respectivement près de chacune des faces du disque 35 et suivent le profil de celles-ci Selon une particularité de l'invention, les passages sont exécutés par la technique connue de l'usinage électrolytique. Dans un mode de réalisation, les deux faces du disque de turbine sont tronconiques sur la plus grande partie de leur surface, et les passages sont rectilignes Cependant, on emploiera de préférence la disposition consistant à donner aux deux faces du disque un profil courbe, avantageusement en arc de cercle, qui permet de limiter la masse du disque et les concentrations de contraintes, et à percer les passages au moyen d'électrodes courbes. De préférence, les passages ont une section ovalisée dont le grand axe est disposé transversalement à l'arbre de la turbine, c'est-à-dire parallèlement aux faces du disque La Deman10 deresse a constaté au cours de ses études que le perçage de ces passages au moyen d'électrodes à section elliptique produit des rayures sur la couche isolante des électrodes et que ces rayures sont l'origine d'arcs électriques qui perturbent la forme géométrique des passages, et qu'on remédie à cet inconvénient en uti15 lisant des électrodes dont la section ovalisée présente, aux extrémités de son grand axe, un rayon de courbure plus grand que le rayon de courbure correspondant d'une ellipse. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre les avantages de l'invention et l'art de la réaliser, toutes particularités qui ressortent tant du texte que des dessins faisant bien entendu partie de ladite invention. La figure 1 est une vue en demi-coupe longitudinale d'une partie d'un turboréacteur d'aviation, montrant un disque de turbine 25 refroidi selon l'invention. La figure la est une vue partielle en coupe axiale très agrandie du disque de turbine de la figure 1. La figure 2 est une vue partielle analogue à la figure 1, montrant à plus grande échelle un autre mode de réalisation d'un 30 disque de turbine refroidi selon l'invention. La figure 2 a est une vue partille en coupe axiale très agrandie du disque de turbine de la figure 2. La figure 3 est unevue analogue à la figure 2, montrant une variante. Le turboréacteur représenté sur la figure 1 comprend un compresseur 1 qui décharge de l'air comprimé dans un diffuseur 2 débouchant dans un carter annulaire 3 contenant une chambre de combustion 4 dans laquelle br Ole un carburant pour former des gaz chauds qui travaillent dans une turbine dont le premier aubage mobile est figuré en 5 Les aubages mobiles du compresseur sont reliés à ceux de la turbine par un arbre creux 6 qui leur transmet la rotation de ceux-ci Les gaz chauds sortant de la turbine 5 sont déchargés dans l'atmosphère par une tuyère non représentée, en formant un jet propulsif. Le rotor de la turbine est refroidi par de l'air prélevé à la sortie d'un étage la du compresseur au moyen d'un dispositif 7 semblable à celui qui est décrit dans la demande de brevet français 10 No 77 26637 de la Demanderesse L'air est prélevé en direction centripète selon les flèches 8 et s'écoule vers l'aval selon les flèches 9 à l'intérieur de l'arbre creux 6. Dans le mode de réalisation représenté, le disque de turbine 10 qui porte les aubes 5 comporte une jante 11 dans la15 quelle sont pratiqués, parallèlement à l'axe de la turbine, des alvéoles dans lesquels les pieds des aubes 5 sont engagés et maintenus par des flasques 12 et 13, un voile 14 dont les faces amont 14 a et aval 14 b sonttronconiques et sont pourvues de bras 15, 16 fixés à l'arbre creux 6, et une base annulaire massive 17 raccordée 20 au voile 14 par une portion intermédiaire 18 et deux redans 19, 20. Dans chaque alvéole débouchent deux perçages rectilignes 21 et 22 percés par usinage électrolytique, respectivement tout près des faces 14 a et 14 b (c'est-à-dire bien plus près de ces faces que du plan médian du disque) et parallèlement à celles-ci, à partir des 25 redans 19 et 20 La technique du perçage électrolytique est bien connue et, pour cette raison, il paraît inutile de la décrire On rappellera seulement qu'elle consiste à appliquer un potentiel positif à la pièce à percer et un potentiel négatif à une électrode qu'on approche de celle-ci et dans laquelle ou le long de laquelle 30 s'écoule un électrolyte. L'air de refroidissement qui s'écoule en 9 à l'intérieur de l'arbre creux pénètre, suivant les flèches 23 et 24 respectivement, dans les passages 21 et 22 qui le déchargent dans le fond des alvéoles, d'o il s'écoule dans des passages (non représentés) 35 pratiqués radialement dans les aubes 5 pour les refroidir En circulant ainsi dans les passages 21 et 22, tout près des faces 14 a et 14 b du disque 10, c'est-à-dire tout près des gaz chauds qui entourent la portion de ce disque située à l'extérieur de l'arbre creux 6, l'air refroidit le disque 10 bien plus efficacement que s'il circulait dans le plan médian de celui-ci comme dans les modes de réalisation antérieurement connus. Dans le mode de réalisation de la figure 2, sur laquelle les éléments jouant le même r 8 le que sur la figure I sont désignés par les mêmes chiffres de référence augmentés de 100 unités, les faces amont et aval 114 a et 114 b du voile 114 ont un profil circulaire, et deux gorges circulaires 25, 26 sont usinées respectivement à leur jonction avec les flancs amont 117 a et aval 117 b de 10 la base annulaire massive 117 Les perçages 121 et 122 suivent respectivement les profils en arc de cercle des faces 114 a et 114 b, et ont une section ovalisée dont le grand axe est disposé transversalement à l'axe de la turbine, c'est-à-dire perpendiculairement au plan de figure Cette section ovalisée permet d'aug15 menter la surface d'échange de chaleur au voisinage des faces du disque Les perçages 121 et 123 sont exécutés par perçage électrolytique au moyen d'électrodes en arc de cercle à section ovalisée. -De plus, un seul perçage débouche dans chaque alvéole, de sorte que les alvéoles sont alimentés en air de refroidissement, alter20 nativement l'un par un perçage amont 121 et le suivant par un perçage aval 122 On voit ainsi sur la figure 2 a un alvéole 27 alimenté par un perçage amont 121 qui aboutit au milieu de sa longueur; les deux alvéoles adjacents seront alimentés par un perçage aval aboutissant également au milieu de leur longueur. 25 Afin d'éviter que la perte de charge de l'écoulement d'air de refroidissement, à sa traversée en 28 de l'alésage 29 du disque 110 pour atteindre la face aval de celui-ci, ne risque de créer une hétérogénéité dans le refroidissement des aubes, on crée une perte de charge compensatrice sur le circuit de refroi30 dissement des aubes alimentées à partir de la face amont du disqbe au moyen de plaquettes perforées 30 insérées sous le pied 105 a des aubes (figure 2 a) Pour faciliter l'équilibrage, on insère sous les pieds des aubes alimentées à partir de la face aval, des plaquettes perforées de trous de plus grand diamètre que les trous 35 30 a des plaquettes 30 On ne sortirait évidemment pas du cadre de l'invention en remplaçant les plaquettes par des moyens équivalents, par exemple en réalisant des perçages 122 de plus grand diamètre que les perçages 121; les deux séries de perçages peuvent être exécutées au moyen d'électrodes identiques, en jouant sur le débit de l'électrolyte ou la durée de l'usinage, ou les deux. On a représenté sur la figure 2 a le pied 105 a d'une aube 105 engagé dans l'alvéole 27, ainsi que les passages 105 b pra5 tiqués radialement dans l'aube 105 et son pied 105 a pour l'écoulement de l'air de refroidissement de l'aube, mais les flasques (représentés en 12 et 13 sur la figure 1), qui maintiennent le pied des aubes dans les alvéoles et empêchent les fuites d'air, ne sont pas représentés sur les figures la, 2, 2 a et 3. La figure 3, sur laquelle les éléments jouant le même rôle que sur la figure 2 sont désignés par les mêmes chiffres de référence augmentés de 100 unités supplémentaires, montre une variante dans laquelle les gorges circulaires 25 et 26 de la figure 2 sont supprimées et les perçages 221 et 222 débouchent sur les flancs 217 a et 217 b du disque 210 Cette disposition est préférée à celle de la figure 2, car les perçages débouchent directement plus près de l'axe de la turbine, de sorte que la recompression de l'air de refroidissement dans les perçages par effet centrifuge sera plus importante. La comparaison dunmde de réalisation de la figure 1 avec celui des figures 2 et 3 est nettement en faveur de ces derniers En effet, dans le mode de réalisation de la figure 1, le col situé au droit des redans 19 et 20 constitue une zone que l'on a repéréeen 18, en pointillés sur la figure 1, qui est le siège de concentrations de contraintes très défavorables à la longévité du disque Dans cette zone, la contrainte tangentielle est pratiquement égale à la contrainte radiale, et pourrait provoquer l'éclatement du disque en service si une marge de sécurité importante n'était pas respectée. Sur les modes de réalisation des figures 2 et 3 on peut voir que les trous, en moins grand nombre, sont davantage noyés dans la masse du disque et la zone de col est moins critique: du fait de l'absence de col dans la variante de la figure 3 du fait de la position plus basse du col pour la variante de la figure 2, à un niveau o les contraintes, notamment les contraintes radiales, sont moindres. De façon surprenante a priori, le tracé curviligne des perçages présente en outre des avantages sur le plan de la fabrication et pour la réalisation des électrodes Dans le mode de réalisation des figures 1 et la, il est prévu deux perçages pour chaque aube Ces perçages passent, par exemple, à 3 mm de la sur5 face du disque Or, dans le cas d'électrodes elliptiques ayant par exemple un petit axe de 2, 1 mm et un grand axe de 7,5 mm pour une longueur de perçage de 150 mm (longueur d'électrode 350 mm) tout défaut de linéarité des électrodes se répercute sur le tracé des trous, et ces derniers, dans certains cas, pourraient se trouver hors tolérance De même, les tolérances sur la position du débouché des trous sont très serrées, car la sortie des trous se situe dans la zone du col du disque dont le niveau de contrainte est très critique L'opération de perçage est donc extrêmement délicate du fait de sa grande sensibilité au départ des trous. 15 En outre, le volume du disque compris entre l'enveloppe tronconique des perçages et la peau extérieure, du fait de sa mince épaisseur, ne participe pas à la tenue du disque, mais constitue une masse morte ajoutant inutilement aux contraintes centrifuges du disque, et qu'il faut compenser par une augmentation d'épais20 seur de ce dernier. Dans le mode de réalisation des figures 2 et 3, il n'y a qu'un seul perçage par aube, de sorte que les perçages peuvent déboucher au milieu de la longueur des alvéoles Comme les perçages sont moins nombreux, donc plus noyés dans la masse du disque, le 25 volume compris entre les trous et les faces du disque peut participer à la tenue du disque Un défaut de courbure des électrodes est donc moins critique qu'un défaut de linéarité dans le mode de réalisation de la figure 1 Cette particularité à elle seule, permet de réduire notablement la masse du disque, ce qui a une importance énorme sur b plan des contraintes, et qui peut paraître paradoxal du fait que le nombre de perçages, donc l'enlèvement de matière, est diminué. Egalement au point de vue de la réalisation des électrodes, le mode de réalisation des figures 2 et 3 est préférable à celui de la figure 1 Du fait qu'il y a moins de perçages, ceuxci doivent avoir une plus grande section; elles ont donc une inertie plus grande (l'inertie varie comme la puissance 4 du diamètre; si le petit axe de l'ellipse est multiplié par 2, l'inertie est multipliée par 16) L'électrode tient mieux en position L'augmentation d'inertie de l'électrode compense très largement l'augmentation de sa longueur due à sa courbure ( 20 %) Du fait que la section peut être augmentée l'alimentation en électrolyte et sur5 tout son évacuation en seront d'autant facilitées. Comme on l'a indiqué plus haut, les perçages sont exécutés au moyen d'électrodes à section ovalisée Cette section peut être elliptique, mais on utilisera de préférence des électrodes dont la section ovalisée présente, aux extrémités de son grand axe, un rayon de courbure plus grand que le rayon de courbure correspondant d'une ellipse Une électrode à section ainsi ovalisée "en anse de panier" permet à l'électrolyte de mieux circuler entre l'électrode et la pièce à percer et donne un meilleur usinage des perçages. REVENDICATIONS 1 Disque de turbine pourvu de passages pour la circulation d'un fluide de refroidissement des aubes portées par le disque, caractérisé en ce que ces passages assurent un refroidis5 sement superficiel du disque et, à cet effet, ne traversent pas celui-ci radialement mais comprennent deux séries de passages qui sont pratiqués respectivement près de chacune des faces du disque et suivent le profil de celles-ci. 2 Disque de turbine selon la revendication 1, caracté10 risé en ce que les faces du disque et les passages ont un profil courbe, avantageusement en arc de cercle. 3 Disque de turbine selon la revendication 2, caractérisé en ce que les passages aboutissent au milieu de la longueur des alvéoles qui reçoivent le pied des aubes. 4 Disque de turbine selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les alvéoles qui reçoivent le pied des aubes sont alimentés en fluide de refroidissement, alternativement l'un par un passage parallèle à la face amont du disque et le suivant par un passage parallèle à la face aval. 5 Disque de turbine selon la revendication 4, caractérisé en ce que les passages parallèles à la face amont débouchent en amont du disque et ceux quisont parallèles à la face aval débouchent en aval, afin de recueillir au voisinage de l'arbre de la turbine de l'air constituant le lluide de refroidissement. 6 Disque de turbine selon la revendication 5, caractérisé par des moyens pour créer, sur le circuit de refroidissement des aubes alimentées à partir de la face amont du disque, une perte de charge qui compense la perte de charge de l'écoulement d'air de refroidissement à sa traversée de l'alésage du disque 30 pour atteindre la face aval de celui-ci. 7 Disque de turbine selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les passages ont une section ovalisée dont le grand axe est disposé parallèlement aux faces du disque. 8 Disque de turbine selon une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les passages sont exécutés par perçage électrolytique. 9 Disque de turbine selon la revendication 7 et la revendication B, caractérisé en ce que le perçage électrolytique est exécuté au moyen d'électrodes dont la section ovalisée présente, aux extrémités de son grand axe, un rayon de courbure plus grand que le rayon de courbure correspondant d'une ellipse.