Brevet FR2638206A1 — publié le 19900427

i DISPOSITIF D'AMENEE D'AIR DE REFROIDISSEMENT POUR LES AUBES DE ROTOR DE TURBINES A GAZ. L'invention concerne un dispositif d'amenée d'air de refroidissement pour les aubes de rotor de turbines à gaz, aubes qui sont ancrées par adhérence et complémentarité de formes, sur un disque de rotor, et dont les pieds d'aubes forment avec le disque de rotor, des chambres de refroidissement, chacune de ces chambres de refroidissement étant en communication avec des canaux de refroidissement conduisant au travers de l'aube. Un tel dispositif est divulgué par le document DE-A-1 814 430, dispositif dans lequel des systèmes pour la liaison entre chambre de refroidissement et source d'agent de refroidissement tournent avec l'ensemble tournant, de telle sorte qu'ils constituent des masses tournantes importantes, sous la forme de pièces-entretoises tournantes, de formes complémentaires, entre les roues de rotor successives. Le flux d'air de refroidissement dans la chambre de refroidissement, est dévié au moyen de plaques d'écoulement de refroidissement et de pièces d'étanchéité, de telle sorte que plusieurs surfaces d'étanchéité s'appuient simultanément sur des corps différents, ce qui ne garantit pas une étanchéité totale du flux d'air de refroidissement à cause du franchissement des plans de joints entre les corps. Par ailleurs, le document EP-0 043 300 divulgue un dispositif d'amenée d'air de refroidissement pour des aubes de turbines à gaz, dans lequel un flasque, en tant que disque de recouvrement à étanchéité axiale et par complémentarité de formes par rapport à la roue de rotor, relie les chambres de refroidissement agencées en-dessous ou sur le côté des pieds d'aubes d'un rotor, à la source d'air de refroidissement. Lors de l'arrivée et du passage de l'air de refroidissement entre le flasque ou le disque de recouvrement, et le disque de rotor, le gaz de refroidissement subit un tourbillonnement et est soumis à des pertes par frottement élevées, par exemple dûes à des effets de Coriolis ou à la formation de couches de Ekman. Ainsi, la chute de pression de l'air de refroidissement qui serait convertible en abaissement de température, est réduite de manière préjudiciable. De ce fait, l'abaissement de température de l'air de refroidissement est, de manière préjudiciable, fortement restreint, dans le cas de systèmes à disques de recouvrement. Une amenée directe pratiquement sans contact, de l'air de refroidissement, du stator vers les chambres de refroidissement tournantes, sur les pieds d'aubes, telle qu'elle est divulguée par le document DE-A-1 942 346, nécessite une étanchéité du type labyrinthe à fente sur un grand diamètre, qui est liée à la mise en oeuvre de moyens importants côté stator, pour l'adaptation de la fente aux différents états de fonctionnement d'un propulseur. Le problème posé à l'invention est de fournir un dispositif de ce type, qui présente des masses tournantes minimales, qui réalise une communication entre source d'air de refroidissement, côté stator, et chambre de refroidissement, côté rotor, sans joint d'étanchéité et sans contact, par franchissement d'une enceinte basse pression, et n'occasionnant que de faibles pertes, qui garantisse un abaissement élevé de température de l'air de refroidissement et qui soit lié à la mise en oeuvre de moyens peu importants, côté stator, qui réduise également le nombre de surfaces d'étanchéité dans la chambre de refroidissement et qui évite les systèmes d'adaptation des fentes d'étanchéité. - Ce problème est résolu en ce que dans chaque chambre de refroidissement est agencé un insert qui est relié par complémentarité de formes au pied de l'aube et qui est fermé côté aval du disque de rotor, et en ce que du côté amont, les inserts font saillie au-delà du disque de rotor et constituent une ouverture d'entrée d'air annulaire en forme de fente dirigée vers le moyeu, une buse annulaire de sortie d'air, côté stator, étant sensiblement dirigée radialement vers l'extérieur en direction de l'ouverture d'entrée d'air. Avec le dispositif selon l'invention, la source d'air de refroidissement située côté stator, est reliée à une buse de sortie d'air de forme annulaire, également située côté stator, qui génère un flux d'air de refroidissement radial dirigé sensiblement vers l'extérieur, et qui constitue un rideau d'air de refroidissement de forme annulaire. Ce rideau d'air de refroidissement vient aboutir sur une surface d'impact située dans la zone de bordure radialement externe du disque de rotor, et est dévié en direction de l'ouverture d'entrée d'air annulaire et tournante, constituée par les segments annulaires & fente dirigée vers le moyeu, des inserts pour les chambres de refroidissement. Pour l'adaptation de l'écoulement à partir de la partie statique constituée par la buse de sortie d'air, vers les segments annulaires tournant de l'ouverture d'entrée d'air, on imprime à ce flux d'air de refroidissement, une composante périphérique au moyen d'un dispositif additionnel en amont de la buse de sortie d'air, tel que par exemple une buse directrice. Ce dispositif présente l'avantage de réaliser une liaison totalement sans contact entre la source d'air de refroidissement côté stator, et l'ensemble utilisateur côté rotor, et ne nécessitant aucun système de régulation de fente. Les masses tournantes sous la forme de disques de recouvrement ou de pièces- entretoises sont réduites à des inserts de faible volume, à l'intérieur des chambres de refroidissement, inserts qui par un choix approprié du matériau, ne représentent qu'un poids additionnel minimal. De manière particulièrement avantageuse, cet insert est de préférence réalisé d'une seule pièce. Selon une exécution conforme à l'invention, l'insert est lié par complémentarité de formes en direction du pied d'aube, par l'intermédiaire d'un seul siège annulaire d'étanchéité ajusté. Ce siège d'étanchéité de l'insert garantit, de manière avantageuse, une étanchéité parfaite pour le flux d'air de refroidissement dans la chambre de refroidissement, puisqu'il ne s'appuie que sur une seule pièce, sans franchissement de plans de joint entre corps. Un mode d'exécution préféré consiste à réaliser une pièce intégrale, en reliant l'insert au pied d'aube par brasage, soudage, collage ou frittage, pour assurer ainsi, de manière avantageuse, un montage simplifié, un nombre réduit de pièces constitutives, et la suppression totale de surfaces d'étanchéité. Grâce à une configuration aérodynamique donnée à l'insert dans la zone du flux d'air de refroidissement, celui-ci est dévié avec de faibles pertes, la pression de l'air de refroidissement étant régénérée, et est amené aux canaux de refroidissement 2638Z06 dans les aubes du rotor. Ceci permet un abaissement de la température du gaz de refroidissement supérieur en raison de l'alimentation avec de faibles pertes, à celui obtenu avec les solutions connues de l'état de la technique. Des parts, par exemple tourbillonnaires, du flux d'air de refroidissement, occasionnant des pertes, sont par ailleurs séparées du flux lors du passage de la buse de sortie d'air vers l'ouverture d'entrée d'air, grâce à une surface d'impact dans la zone de bordure du disque de rotor, attaquée sous un angle d'incidence de 20 à 50 , de préférence 33'. Ce flux de fuite qui est séparé, présente le même ordre de grandeur que les flux de fuite de systèmes d'étanchéité à labyrinthe classiques. L'étendue axiale de la surface annulaire d'impact, dans la zone de bordure du disque de rotor, est de préférence supérieure aux translations axiales, nécessitées par le fonctionnement, entre la buse de sortie côté stator et le disque de rotor, de manière à ce que, pour tous les états de fonctionnement, le flux d'air de refroidissement vienne tout d'abord aboutir sur la surface d'impact, avant d'être dévié vers l'ouverture d'entrée d'air. Ceci présente l'avantage que le flux d'air atteigne de façon optimale l'ouverture d'entrée d'air, dans toutes les conditions de fonctionnement. En vue d'optimiser le flux d'air séparé devant la buse d'entrée d'air, l'ouverture d'entrée d'air présente de préférence, une largeur inférieure à celle de la buse de sortie d'air. Cette conception a l'avantage de permettre d'obtenir une montée en pression avec de faibles pertes, dans l'insert de chambre de refroidissement. L'insert peut être réalisé de manière particulièrement simple en tant que corps métallique fritté ou moulé. Comme matériaux de base, sont mis en oeuvre, de préférence, des matériaux à base de nickel ou de cobalt servant à la fabrication des aubes, de façon à ce qu'ils présentent un comportement de dilatation adapté à celui des pieds d'aubes. Un autre développement de l'invention prévoit que les inéerts soient, de préférence, fabriqués dans des matériaux de céramiques oxydées ou frittées, parce que ces matériaux permettent, grâce à un gain de poids, de maintenir faibles les masses tournantes. Les figures montrent des exemples de réalisation de l'invention. La Fig. I montre de manière schématique, en coupe transversale, un dispositif conforme à l'invention, destiné à l'amenée d'air de refroidissement pour les aubes de rotor d'une turbine à gaz. La Fig. 2 montre en coupe transversale, un insert dans une chambre de refroidissement sous un pied d'aube, de l'exemple de réalisation selon la figure 1. La Fig. 3 montre une vue partielle frontale de l'exemple de réalisation selon la figure 1. La figure i montre de façon schématique, un dispositif conforme à l'invention, avec une buse de sortie d'air annulaire (1), côté stator, qui génère un flux d'air de refroidissement (2) homogène, sans contact, et dirigé radialement vers l'extérieur selon la direction de la flèche. Une composante périphérique est imprimée à ce flux d'air de refroidissement (2), au moyen d'une buse directrice (3) qui est agencée entre deux plaques de recouvrement (4,5) en forme de disque. La buse de sortie d'air (1) dirige le flux d'air de refroidissement (2), au travers d'une fente annulaire (13) entre le stator (6) et le rotor (7), sur une surface d'impact (23) dans la zone de bordure du disque de rotor (7). La surface d'impact (23) dévie le flux d'air de refroidissement vers une ouverture d'entrée d'air (8) d'un insert (9) d'une chambre de refroidissement (10) en-dessous du pied d'aube (11) d'une aube (22). L'insert (9) dévie le flux d'air de refroidissement (2), après qu'il ait franchi l'ouverture d'entrée d'air (8) (voir les flèches), et le conduit aux canaux d'air de refroidissement (12,20 et 21) dans le pied d'aube (11). La figure 2 montre en coupe transversale, un insert (9) dans une chambre de refroidissement (10) sous un pied d'aube (11), de l'exemple de réalisation selon la figure 1. L'insert (9) dévie le flux d'air de refroidissement (2) dirigé radialement, vers les canaux d'air de refroidissement (12,20 et 21) du pied d'aube (11), après que ce flux soit parvenu dans l'ouverture d'entrée d'air (8) de l'insert (9) en ayant franchi la fente annulaire (13) entre stator (6) et disque de rotor (7), après avoir été dévié par la plaque d'impact (23). Pour cela, l'air de refroidissement s'écoule au travers de la chambre de déviation (19) qui présente une forme favorisant l'écoulement. L'insert (9) est relié par complémentarité de formes, au pied d'aube (11), par l'interm4diaire d'un rebord de centrage (14) entourant de manière annulaire le pied d'aube (11) ; l'insert est rendu étanche au gaz par l'intermédiaire du siège d'étanchéité (15). L'aube et l'insert sont assurés contre un glissement axial mutuel au moyen d'un disque de blocage (16) et d'un insert annulaire du type jonc (17). La figure 3 montre une vue partielle frontale de l'exemple de réalisation selon la figure 1, seulement trois emplacements d'aube d'un disque de rotor (7) étant représentés. Les inserts correspondants font saillie hors du disque de rotor (7) et forment une ouverture d'entrée d'air (8) sensiblement opposée à la buse de sortie d'air (1) en étant située radialement à l'extérieur de celle-ci. La surface d'impact (23) dans la zone de bordure du disque de rotor (7), est située dans la fente annulaire entre l'ouverture d'entrée d'air (8) et la buse de sortie d'air (1). REVENDICATIONS 1. Dispositif d'amenée d'air de refroidissement pour les aubes de turbines à gaz qui sont ancrées par adhérence et complémentarité de formes, sur un disque de rotor, et dont les pieds d'aubes forment avec le disque de rotor, des chambres de refroidissement, chacune de ces chambres de refroidissement étant en communication avec des'canaux de refroidissement conduisant au travers de l'aube, caractérisé en ce que dans chaque chambre de refroidissement (10), est agencé un insert (9) qui est relié par complémentarité de formes, au pied d'aube (11), et qui est fermé côté aval du disque de rotor (7), et en ce que sur le côté amont, les inserts.(9) font saillie au-delà du disque de rotor (7) et constituent une ouverture annulaire d'entrée d'air (8) en forme de fente dirigée vers le moyeu, une buse annulaire de sortie d'air (1), côté stator, étant sensiblement dirigée radialement vers l'extérieur, en direction de l'ouverture d'entrée d'air (8). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'insert (9) est constitué d'une seule pièce. 3. Dispositif selon la revendication i ou 2, caractérisé en ce que l'insert (9) est constitué par une pièce métallique frittée ou moulée en un alliage à base de nickel ou de cobalt. 4. Dispositif selon la revendication i ou 2, caractérisé en ce que l'insert (9) est un corps fritté en céramique. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications i à 4, caractérisé en ce que l'insert (9) présente un rebord de centrage (14) vers le pied d'aube (11), avec un unique siège d'étanchéité (15). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce que le pied d'aube et l'insert forment une pièce intégrale. 7. Dispositif selon- l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le flux d'air de refroidissement (2) de la buse de sortie d'air (1) est dirigé sous un angle d'incidence de 20 à 50', de préférence 33 , sur une surface annulaire d'impact (23), dans la zone de bordure du disque de rotor (7), en vue de la séparation de couches externes tourbillonnaires du flux d'air de refroidissement. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'étendue axiale de la surface d'impact (23) est supérieure aux translations axiales nécessitées par le fonctionnement, et apparaissant entre la buse de sortie d'air (1), côté stator, et le disque de rotor (7). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'ouverture d'entrée d'air (8) de forme annulaire, présente une fente de largeur inférieure à celle de la buse de sortie d'air (1). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'un dispositif pour imprimer une composante d'écoulement en direction périphérique, est monté en amont de la buse annulaire de sortie d'air (1).