Brevet FR2574856A1 — publié le 19860620

La présente invention concerne des moteurs à turbine a gaz comportant des composants d'un rotor à turbine refroidissable. Les principes de l'invention ont été développés pour une application particulière à l'alimentation en air de refroidissement en direction des ailettes rotoriques de l'ensemble du rotor mais ils peuvent avoir aussi bien un domaine d'application plus large. Dans les moteurs à turbine à gaz auxquels se rappor- te l'invention, un combustible est brûlé dans une chambre de combustion afin de produire un effluent chaud. Cet ef- fluent se détend dans une section de turbine en travers de sériesalternées d'aubes statoriques fixes et d'ailettes rotoriques rotatives, afin de produire une énergie utilisable. Les températures de l'effluent à l'endroit des séries initiales d'aubes et ailettes dépassent couramment 10930C. Les aubes et ailettes qui sont susceptibles d'être endommaqgés par l'effluent chaud,sont refroidies par de l'air comprimé en amont dans le moteur et s'écoulant en direction de la turbine afin d'assurer son refroidissement. Un problème notable quelvon rencontre avec de tels systèmes, est le transfert d'air de refroidissement à partir de cavité fixes dans le stator du moteur, en direction du rotor, en vue d'être distribué ensuite vers l'intérieur des ailettes rotoriques. Les brevets US-3 768 921, 3 990 812, 4 178 129, 4 236 869 -et 4 435 123 décrivent des principes associés à la présente invention et utilisables pour assurer une telle distribution. Malgré la disponibilité de tes principes, les scien- tifiques et ingénieurs spécialisés dans le domaine de l'in- dustrie des turbines à gaz ont continué leurs recherches en direction de principesencore améliorés et en particulier de principespermettant d'utiliser d'une manière judicieuse l'air de refroidissement fourni ou de réduire les débits d'air d'alimentation dépassant celui qui est exigq. Suivant l'invention la quantité d'air de refroi- dissement pouvant s'écouler en direction des ailettes roto- riques d'une turbine d'un moteur à turbine h gaz est rendue variable en réponse aux exigences des ailettes, en permet- tant l'ouverture et la fermeture d'une portion des injec- teurs d'un système d'injection tanqentielle embarqué four- nissant l'air de refroidissement au rotor. Des caractéristiques principales de la présente invention comportent des premiers injecteurs et des seconds injecteurs du système d'injection tangentielle embarqu,. Les injecteurs des deux ensembles sont espacés circonférentiellement tout autour du moteur, les seconds injecteurs étant, dans la forme d'exécution décrite, espacés radialement vers l'extérieur par rapport aux premier injecteurs. Un anneau prévu à l'extrémité amont des seconds injecteurs présente une pluralité d'orifices correspondant, du point de vue section de passage et espacement, à la section de passage et à l'espacement des seconds injecteurs. Des moyens d'actionnement sont prévus pour faire tourner cet anneau de telle façon que ses orifices soient alignés avec les secondsinjecteurs dans les conditions d'un débit de refroidissement maximal exigé et qu'il soient par contre non alignésdans les cas exigeant un débit d'air moindre. L'invention est basée en partie sur la reconnaissan- ce du fait que des quantités excessives d'air de refroi- dissement s'écoulenthabituellement en direction des ailettes de turbine refroidies dans les conditions correspondant au régime de croisière de telle façon qu'un débit approprié soit disponible dans le cas des conditions exigeant le maxi- mum d'énergie. Un avantage principal de la présente inven- tion est la réduction notable du volume de l'air de refroi- dissement utilisé pour refroidir les ailettes de turbine enrégie de croisière et une réduction appréciable de l'air de refroidissement utilisé pendant tout le cycle de vol du moteur. On décrira ci-après,à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention,en référence au dessin annexé sur lequel: La figure I est une vue en coupe simplifiée d'une partie de la section de turbine d'un moteur à turbine à gaz, cette vue montrant l'appareil assurant la distribution de l'air de refroidissement en direction des ailettes rotori- ques. La figure 2 est une vue en coupe faite suivant la ligne 2-2 de la figure 1, cette vue illustrant l'intercep- tion du débit d'air de refroidissement en directiondes secondsinjecteurs. Une portion simplifiée 10 de la section de turbine d'un moteur à turbine à gaz est représentée sur la figure 1. Dans cette portion sont inclus un stator 12 et un rotor 14. Un circuit d'écoulement 16 pour les gaz de travail actifs s'étend axialement entre des séries alternées d'aubes sta- toriques, représentées par l'aube'unique 18, et d'ailettes rotoriques, représentées par l'ailette unique 20, à partir d'une chambre de combustion 22. Des cavités annulaires 24 et 26, communiquant l'une avec l'autre, sont formées dans le stator 12 et elles fonc- tionnent en partie en tant que réservoirs pour l'air de refroidissement de la turbine. La structure 28 du staetor, qui forme une partie de la paroi de la cavité 24, supporte la série d'aubes statoriques 18. Ces aubes s'étendent radialement à partir de cette structure, en travers du circuit d'écoulement des gaz de travail actifs. Chaque aube a une multiplicité de passagesde refroidissement interneset d'ouvertures en surface à travers lesquels 1-' air provenant de la cavité peut s'écouler afin de refroidir les aubes. Immédiatement en aval de la série d'aubes statori- ques 18 est disposée la rangée d'ailettes rotoriques 20. Ces ailettes s'étendent radialement vers l'extérieur à partir d'un disque rotorique formant support 30. Des cavités 32 et 34 sont formées entre la structure 28 du stator et le disque rotorique 30. La cavité 34 est isolée par des joints A laby- rinthe 36 et elle peut être alimenté en air de refroidisse- ment à partir de la cavité 26, par une multiplicité de pre- mier injecteur ou buses, représentés par le seul injecteur 38. Dans la forme d'exécution illustrée ces injecteurs sont espacés les uns des autres dans le sens circonférentiel autour du moteur. En outre une multiplicité de secondsinjec- teursou buses, représentés par le seul injecteur hn, sont capables de fournir de l'air de refroidissement additionnel à partir de la cavité 26 à la cavité 34. Dans la forme d'exécution illustrée ces injecteurs sont également espacés dans le sens circonférentiel autour du moteur. res injec- teurs sont du type "injecteurs tangentiels embarqués" et leur fonctionnement est décrit dans le brevet IIS-3 768 021. Un anneau 42 percé d'orifices44 qui peuvent être alignés avec les injecteurs correspondants 40, est monté en butée contre la structure 28 qui supporte les injecteurs. Comme on peut le voir sur la figure 2, l'anneau 42 peut -être tourné au moyen d'un actionneur 46, jusqu'à une position dans la- quelle]es orifices 44 et les injecteurs 40 se trouvent alignés, et il peut être également tourné par l'actionneur de manière à occuper une position dans laquelle la plaque annulaire intercepte l'air de refroidissement qui sans cela s'écoulerait vers les injecteurs 40. Le disque rotorique 30 présente une pluralité de trous, représentés par le seul trou 48 sur la figure 1, trous à travers lesquels l'air de refroidissement peut s'é- couler à partir de la cavité 34 vers une cavité interne 50 dans le rotor 14. Des passages 52 dans le disque permettent l'écoulement de I'air de refroidissement en direction des ailettes de turbine supportées par-le disque. Chacune de ces ailettes présente une multiplicité de passages de refroidissement internes et des ouvertures en surface 54 h travers lesquels l'air peut s'écouler pour refroidir les ailettes. La valeur du débit de refroidissement exigé pour refroidir les ailettes 20 de la turbine varient avec le type de moteur pour lequel les ailettes ont été conçues. Dans les moteurs modernes la température des gaz de travail actifs peut dépasser 1l93,30C et une alimentationen air de refroi- dissement à travers chacune des ouvertures 54 est exiqAe afin d'empêcher l'écoulement en retour de gaz actif chaud contre la surface des ailettes ou vers et dans l'int6rieur des ailettes à travers une ou plusieurs de ces ouvertures. Dans chacun de ces cas la pression de l'air de refroidissement fourni à l'intérieur des ailettes et l'aire totale des ouvertures 54 sont dimensionnées proportionnellement de manière à fournir la quantité exigée de débit d'ai ie refroidissement pour le niveau d'énergie du moteur le plus élevé, c'est-à-dire dans les conditions de débit de la turbine les plus chaudes. Dans la forme d'exécution de l'invention présente- ment illustrée le débit d'air de refroidissement pour le niveau d'énergie du moteur le plus élevé est fourni par les injecteurs 38 et 40. Pour obtenir un tel débit l'anneau 42 est placé,.par l'actionneur46, dans une position telle que ses orifices 44 soient alignés avec les secondsinjecteurs 40. Lorsque le moteur doit fonctionner à. un niveau puissanceplusfaibleet que 15.les exigences en matière de refroidissement sont réduites proportionnellement, l'anneau 42 est déplacé circonférentiellement de telle façon que cet anneau intercepte le débit en direction des second injecteurs 40. Dans une telle condition l'écoulement vers et dans la cavité 34 et par conséquent le volume d'air fourni aux ailettes de turbine 20 sont réduits. Ainsi qu'il a été décrit, le fonctionnement des second injecteurs 42 peutpasser de l'état de mise en service totale à l'état de mise hors service totale et vice versa. Pour des exigences intermédiaires en matière de refroidissement, les orifices 44 peuvent être placés,par l'actionneur 46, avec des degrés différents d'alignement avec les secondsinjecteurs, afin-de fournir des degrés intermé- diaires de restriction du débit d'air de refroidissement. Les réductions obtenues en ce qui concerne la quan- tité d'air de refroidissement s'écoulant pour protéger les composants de la turbine sont notables et elles sont estimées être de l'ordre de 10% du débit d'air de refroi- dissement total, si on effectue une comparaison avec des turbines pourvues de systèmes d'alimentation en air de refroidissement conventionnels Une partie dominante du cycle du vol se déroule dans des conditions de croisière en altitude dans lesquelles les exigences en matière de refroidissement des ailettes de turbine sont d'environ 7f0 des conditions normales prévalant au décollage. La r4duc- tion ou l'interception complète du débit en direction des secondsinjecteurs 40,dimensionnés d'une manière sppropriée, permet d'adapter la quantité d'air s'écoulant dans les con- ditions de croisière aux exigences de 70% ce qui permet d'obtenir une économie de 10% dans le débit d'air total. REVENDICATIONS 1.- Moteur à turbine à gaz du type comportant des ailettes rotoriques refroidissables, des moyens pour fournir de l'air de refroidissement à ces ailettes, lesquels comportent des injec- teurs embarqués tangentiels fixés au stator du moteur entre source d'air de refroidissement et le rotor du moteur, afin de diriger un débit d'air de refroidissement contre le rotor, dans la direction de la rotation du rotor, et des passages à l'intérieur du rotor pour diriger ensuite le débit d'air vers les ailettes rotoriques, caractérisé en ce qu'il comprend une première pluralité d'injec- teurs (38) espacés circonférentiellement les uns des autres autour du moteur, une seconde pluralité d'injecteurs (40) espacés circon- férentiellement les uns des autres autour du moteur, et des moyens (42,44) pour restreindre l'écoulement de l'air de refroidissement vers les seconds injecteurs (40), dans les conditions de fonctionne- ment du moteur qui exigent un débit d'air de refroidissement inférieur au débit maximal. 2.- Moteur à turbine à gaz suivant la revendication 1 carac- térisé en ce que les moyens pour restreindre le débit d'air de refroidissement en direction des seconds injecteurs (40) comprennent un anneau (42) disposé contre les extrémités amont des seconds injecteurs (40) et qui percé d'une pluralité d'orifices (44), et cet anneau (42) peut être tourné circonférentiellement autour du moteur de telle façon que les orifices (44) de l'anneau (42) soient prati- quement alignés avec les seconds injecteurs (40) pour permettre la restriction du débit d'air de refroidissement à travers les seconds injecteurs (40) dans les conditions de fonctionnement du moteur qui exigent un débit d'air de refroidissement inférieur au débit maximal. 3.- Moteur à turbine à gaz comportant un rotor et un stator, caractérisé en ce qu'il comprendun rotor comportant un disque roto- rique (30) supportant une pluralité d'ailettes rotoriques refroidis- sables (20), s'étendant vers l'extérieur à partir du disque (30) à l'intérieur duquel est définie une cavité (34) capable de recevoir l'air de refroidissement en vue d'une distribution subséquente en direction des ailettes rotoriques (20), le disque (30) étant percé de trous (48) communiquant avec la cavité (34), une structure (28) du stator supportant une pluralité de premiers injecteurs (38) et une pluralité de seconds injecteurs (40) et définissant une cavité (26) à l'endroit des extrémités amont de ces injecteurs, vers lesquels l'air de refroidissement peut s'écouler pour être dis- tribué ensuite vers le rotor du moteur, des moyens d'étanchéité s'étendant à partir de la structure (28) du stator et à partir du rotor afin de former une cavité (26) entre eux, autour des extrémités amont des injecteurs, cette cavité (26) communiquant, à travers les trous (48) du disque (30), avec la cavité (34) du rotor, et des moyens (42,44) disposés en travers des extrémités amont des seconds injecteurs et capables d'intercepter l'écoule- ment de l'air de refroidissement à partir de la cavité (26) dans la structure du stator, en direction des seconds injecteurs (40), en réponse à des exigences réduites des ailettes de la turbine en ce qui concerne le débit d'air de refroidissement. 4.- Moteur à turbine à gaz suivant la revendication 3 ca- ractérisé en ce que les moyens pour intercepter le débit d'air de refroidissement en direction des seconds injecteurs (40) com- prennent un anneau (42) percé d'une pluralité d'orifices (44), espacés, dans la direction circonférentielle, d'une manière corres- pondant à l'espacement des seconds injecteurs (40) et des moyens (46) pour faire tourner l'anneau (42) circonférentiellement autour du moteur, en réponse aux exigences des ailettes de la turbine en ce qui concerne le débit d'air de refroidissement de telle façon que pour les exigences d'un débit d'air maximal les orifices (44) et les seconds injecteurs (40) soient complètement alignés et que pour les exigences d'un débit d'air minimal, les seconds injecteurs (40) soient totalement bloqués par l'anneau (42).