Brevet FR2690954A1 — publié le 19931112

"Distributeur-collecteur pour le refroidissement du, passage central d'un compresseur" La présente invention concerne d'une façon générale les moteurs à turbine à gaz et, plus particulièrement, la régulation de la température du rotor de compresseur haute pression dans un moteur à turbine à gaz. Il est classique de prélever de l'air dans le tra- jet d'écoulement du compresseur haute pression, soit au niveau de l'entrée soit au niveau d'un étage suivant du compresseur, pour l'introduire dans le passage central du compresseur afin de réguler la température du rotor de compresseur Les objectifs de cette pratique sont d'empêcher un échauffement localisé et donc d'augmenter la durée de vie, de commander le jeu entre les bouts des ailettes de rotor et les carénages de stator qui défi- nissent les limites extérieures du trajet d'écoulement dans le compresseur, et de purger le passage central dans le rotor La purge est nécessaire pour réduire le tourbillonnement de cavité et pour retirer l'air à tem- pérature élevée en provenance du trajet d'écoulement dans le compresseur qui fuit dans le passage central du compresseur En général, l'air de refroidissement pré- levé est introduit dans l'extrémité amont, c'est-à-dire avant, du passage central du compresseur, puis s'écoule uniformément vers l'aval à travers le passage central, le mélange de l'air de refroidissement et de l'air qui se trouve dans les cavités entre les disques du rotor étant principalement déterminé par les conditions loca- les d'écoulement Comme les disques des différents éta- ges de compresseur présentent différents besoins de refroidissement, l'écoulement uniforme de l'air prélevé à travers le passage central du compresseur, de l'avant vers l'arrière, ne remplit pas totalement ces objectifs. Un objectif principal de la présente invention est donc de fournir la possibilité d'une distribution diffé- renciée de l'air de refroidissement dans toute la lon- gueur axiale du passage central du compresseur, de façon à satisfaire davantage les besoins thermiques particu- liers des disques individuels d'étages du rotor dans un moteur à turbine à gaz. Pour cela, et conformément à la présente invention, des tubes interne et externe coaxiaux, espacés l'un de l'autre, sont montés de façon concentrique dans le pas- sage central du compresseur pour fournir une chambre allongée axialement formant un collecteur-distributeur annulaire De l'air de refroidissement est prélevé dans le courant d'air qui pénètre dans le passage annulaire d'écoulement dans le compresseur et est envoyé dans l'extrémité avant ouverte de la cavité du collecteur- distributeur Un ensemble d'orifices espacés suivant la circonférence sont formés dans le tube externe, en une pluralité d'emplacements axiaux prédéterminés, pour injecter radialement de l'air de refroidissement dans des cavités sélectionnées situées entre les disques d'étages adjacents qui font saillie dans le passage cen- tral du compresseur. Le nombre et la taille des orifices au niveau de chaque emplacement axial sont choisis pour satisfaire les besoins précis de refroidissement de chaque étage. L'air de refroidissement distribué aux cavités inter- disques sélectionnées se mélange avec l'air qui s'y trouve pour favoriser à la fois le refroidissement des disques adjacents et la purge du passage central du compresseur L'air de purge sort du passage central du compresseur par des embouchures de sortie situées dans le tube externe, au-delà de la chambre du collecteur- distributeur Au niveau des emplacements axiaux o le mélange n'est pas nécessaire, les orifices pour l'air de refroidissement sont omis Grâce à cette distribution contrôlée de l'air de refroidissement dans le passage central du compresseur, on obtient une meilleure régula- tion de la température des disques sur une base sélec- tive, étage par étage, avec par conséquent élimination des points chauds et amélioration de la régulation du jeu en bout d'ailettes. Pour une meilleure compréhension de la nature et des objectifs de la présente invention, on se rapportera à la description détaillée suivante prise en conjonction avec les dessins annexés, dans lesquels la figure unique est une vue en coupe axiale d'un compresseur haute pres- sion incorporant un collecteur-distributeur de refroi- dissement du passage central construit conformément à la présente invention. Comme on peut le voir sur la figure, un compresseur haute pression, désigné dans son ensemble par la réfé- rence 10, inclut un rotor globalement désigné par 12 et composé d'étages successifs de disques 14 de rotor, cha- cun soutenant au niveau de sa périphérie un réseau annu- laire ou rangée d'ailettes 16 espacées angulairement. Les étages de disques sont réunis à proximité de leurs périphéries par des entretoises 18 annulaires, interpo- sées, qui définissent les limites internes d'un trajet d'écoulement 20 annulaire à travers le compresseur des- tiné à un courant d'air indiqué par la flèche 21 Une rangée annulaire d'aubes 22 de stator, supportée par le carter du compresseur, dépasse radialement vers l'inté- rieur dans le trajet d'écoulement entre chaque étage consécutif d'ailettes et s'arrête à proximité de joints labyrinthes 24 annulaires portés par les entretoises 18. Les espaces entre les rangées consécutives d'aubes sont fermés par des carénages annulaires 26 qui servent éga- lement à définir les limites extérieures du trajet d'écoulement annulaire à travers le compresseur Comme le sait bien l'homme du métier, il est important de maintenir des jeux minimaux entre les bouts des ailettes 16 et les carénages 26 sur toute la gamme de conditions de fonctionnement du moteur malgré les variations de croissance radiale du rotor dues à la force centrifuge et malgré les dilatations thermiques différentes des éléments du stator et du rotor dues aux variations de température. Les étages de disques de rotor réunis sont montés, au niveau de l'extrémité amont c'est-à-dire avant, sur un arbre creux 28 par un rebord 30 conique, monobloc, et, au niveau de l'extrémité arrière c'est-à-dire aval, sur un arbre creux 32 par un rebord conique 34 et un disque intercalé 36 L'arbre 32 est relié pour entraîner le rotor d'une turbine haute pression (non représentée). Selon la présente invention, un collecteur- distributeur de refroidissement, désigné dans son ensem- ble par la référence 40, est disposé de façon concentri- que à l'intérieur du passage central 42 du rotor 12 de compresseur Ce collecteur-distributeur comprend un tube interne 44 dont le bord avant est soudé à un manchon 46 monté par ajustage doux sur l'arbre 28 au niveau de sa jonction avec le rebord 30 L'extrémité arrière du tube interne est reliée de façon appropriée au rotor de tur- bine haute pression (non représenté) Le tube interne du collecteurdistributeur est ainsi monté de façon coaxiale autour de l'arbre creux 48 qui relie la souf- flante et le compresseur basse pression (non représen- tés) situés en amont du compresseur haute pression 10 à la turbine basse pression (non représentée) située immé- diatement après la turbine haute pression dans une con- figuration traditionnelle de moteur à turbine à gaz à double flux. Le collecteur-distributeur 40 comprend également un tube externe 50 placé de façon coaxiale et espacée par rapport au tube interne 40 pour fournir une chambre 52 allongée axialement formant collecteur- distributeur annulaire Pour monter le tube externe, son extrémité avant est configurée de façon à fournir une moulure annulaire 54 qui s'engage par ajustage doux dans une nervure annulaire 56 formée sur le rebord conique 30. L'extrémité arrière du tube externe est formée avec un épaulement 58 dépassant radialement vers l'extérieur et une partie marginale d'extrémité 60 convergente en vue d'un ajustage doux dans le trou du disque 36 de rotor situé le plus en arrière Entre les tubes interne et externe, en avant de l'extrémité arrière du tube externe, est placé un joint annulaire 62 définissant l'extrémité arrière de la chambre 52 de collecteur- distributeur. Pendant le fonctionnement du moteur, une quantité prédéterminée d'air de refroidissement qui provient du courant d'air 21 pénétrant dans le compresseur est pré- levée par un ou plusieurs canaux 64 pour venir dans la cavité annulaire 66 (flèche 67) De cette cavité, l'air de refroidissement s'écoule, comme indiqué par la flèche 68, à travers un réseau de fentes 70 jusque dans l'extrémité amont de la chambre 52 de collecteur- distributeur Au niveau d'emplacements axiaux globale- ment alignés radialement avec des cavités 72 sélection- nées, définies entre les étages adjacents de disques 14 du rotor qui font saillie dans le passage central 42 du rotor, le tube externe du collecteur-distributeur est pourvu d'au moins un orifice, et de préférence d'une pluralité d'orifices 74 répartis sur la circonférence, a travers lesquels l'air de refroidissement s'écoulant dans la chambre de collecteur-distributeur est injecté dans le passage central du rotor Grâce aux emplacements axiaux des orifices et aux chutes de pression dans les orifices, l'air de refroidissement injecté établit un trajet de circulation (flèche 73) dans les cavités 72 inter-disques alignées radialement efficace pour pro- duire un mélange forcé de l'air de refroidissement avec l'air chaud se trouvant dans ces cavités Comme le collecteur-distributeur 40 tourne avec le rotor 12 du compresseur, l'air de refroidissement injecté possède une composante de vitesse angulaire qui produit une action de tourbillonnement pour favoriser davantage le mélange L'écoulement de l'air qui circule purge les cavités inter-disques de l'air chaud stagnant et de l'air à température élevé qui y fuit en provenance du trajet d'écoulement 20 et améliore le refroidissement par convexion des disques 14 de rotor De ces cavités inter-disques, le mélange air chaud/air de refroidisse- ment s'écoule (flèches 75) vers l'arrière par les passa- ges centraux 14 a des disques en direction du disque 36 qui ferme l'extrémité arrière du passage central 42 du compresseur Le mélange d'air sort alors par des embou- chures 76 dans le tube externe de collecteur- distributeur situé juste après le joint 62 de chambre de collecteurdistributeur et sort dans la région 78 du passage central de la turbine haute pression Un écoule- ment continu de l'air à travers le passage central 42 du compresseur est établi pour réguler la température des disques de rotor et pour purger le passage central du compresseur. On comprendra que les emplacements axiaux des grou- pes d'orifices 74 sont choisis pour distribuer l'air de refroidissement aux cavités inter-disques sur une base essentiellement étage par étage, en fonction des besoins Le degré de refroidissement des disques de rotor qui sont situés près de ces cavités peut ainsi être adapté aux exigences particulières par variation de la taille et/ou du nombre des orifices Pour les cavités inter-disques qui ne nécessitent pas une injection de mélange air de refroidissement/air de cavité, les orifi- ces de collecteur-distributeur sont omis De cette façon, les températures des disques de rotor peuvent être régulées de façon sélective pour réguler les jeux en bout d'ailettes. Bien que l'on ait spécialement décrit ici l'utili- sation d'air prélevé en provenance du courant d'air 21 qui pénètre dans le compresseur, on comprendra que l'air prélevé peut être extrait d'un étage de compresseur situé en aval, à une température ou une pression plus élevée, comme décrit dans le brevet US N O 4 893 983 délivré en même temps, ou extrait et mélangé à partir de différents étages de compresseur pour obtenir une tempé- rature souhaitée d'air prélevé Plus généralement, on peut utiliser des valves pour permettre une commande réglable de l'écoulement de l'air prélevé et de la tem- pérature On comprendra que l'air prélevé peut être introduit dans la cavité du collecteur-distributeur en des emplacements autres que son extrémité avant. Il est bien entendu que la description qui précède n a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peu- vent y être apportées dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 Collecteur-distributeur ( 40) pour un rotor de moteur à turbine à gaz comprenant un passage central dans lequel des étages de disques ( 14) font saillie radialement pour définir une succession de cavités inter-disques, caractérisé en ce qu'il comprend: A un tube interne ( 44) allongé monté coaxialement à l'intérieur du passage central du rotor; B un tube externe ( 50) allongé monté de façon coaxiale et espacée par rapport audit tube interne pour définir une chambre ( 52) axialement allongée formant collecteur-distributeur annulaire, dans laquelle est introduit de l'air prélevé; C plusieurs orifices ( 74) placés dans ledit tube externe en des emplacements prédéterminés espacés axialement pour injecter de l'air prélevé provenant de ladite chambre de collecteur-distributeur dans des cavités ( 72) inter-disques sélectionnées pour s'y mélanger avec l'air qui s'y trouve et réguler la température des disques voisins. 2 Collecteur-distributeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un joint annulaire ( 62) placé entre lesdits tubes interne et externe pour fermer une extrémité de ladite chambre de collecteur-distributeur et une embouchure ( 76) placée dans ledit tube externe en un emplacement axial situé au-delà dudit joint pour faire sortir l'air dudit pas- sage central du rotor. 3 Collecteur-distributeur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une pluralité d'orifices répar- tis sur la circonférence sont placés au niveau de chacun desdits emplacement axiaux. 4 Collecteur-distributeur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une pluralité d'embouchures de sortie réparties sur la circonférence sont placées dans ledit tube externe. Collecteur-distributeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit tube externe au moins est monté en vue d'une rotation avec le rotor. 6 Collecteur-distributeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tube est un rotor de com- presseur et les périphéries des disques supportent des rangées d'ailettes qui font saillie dans un trajet d'écoulement destiné à un courant d'air s'écoulant à travers le compresseur, et caractérisé en ce que de l'air prélevé dans le courant d'air au niveau de l'entrée du compresseur est introduit dans une extrémité de ladite chambre de collecteur-distributeur, axialement espacée dans la direction amont dudit joint, ledit emplacement axial de l'embouchure de sortie dans ledit tube externe étant situé en aval dudit joint. 7 Collecteur-distributeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits emplacements axiaux des orifices sont respectivement alignés radialement avec les différentes cavités inter-disques. 8 Collecteur-distributeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la taille et le nombre desdits orifices au niveau de chacun desdits emplacement axiaux sont sélectionnés pour satisfaire aux besoins de refroi- dissement des disques situés au voisinage de chaque cavité inter-disques. 9 Collecteur-distributeur selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit tube externe au moins est monté en vue d'une rotation avec le rotor. 10 Collecteur-distributeur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les extrémités dudit tube externe sont configurées pour un ajustage doux sur le rotor.