Brevet FR2798423A1 — publié le 20010316

Commande de jeu pour turbine de moteur turbine à gaz L'objet de la présente demande se réfère à la matière des demandes de brevets américaines N F-5979 et F-6043 déposées à la même date et intitulées chacune "pales refroidies pour moteur à turbine à gaz". L'invention concerne les moteurs à turbine à gaz et en particulier des moyens pour minimiser les fuites parasites à la pointe des pales de turbines axiales. Ainsi qu'il est bien connu, en vue d'améliorer les performances des moteurs, l'industrie des moteurs d'avions a développé un effort important pour essayer de minimiser le jeu entre le joint d'air externe ou enveloppe et la pointe des pales de turbine des moteurs d'avions à turbine à . Par exemple, le brevet américain N 4 069 662 délivré au nom de I. Redinger et al le 24 Janvier 1978 et cédé à United Technologies Corporation, le cessionnaire de la présente demande, décrit un système de commande de jeu actif qui fait entrer sélectivement en collision l'air sur le carter du moteur pour le contracter et déplacer les joints d'air externes plus près de la pointe des pales de turbine. D'autres systèmes ont essayé passivement de réduire le jeu en faisant écouler l'air à différents niveaux de température à proximité des joints d'air externes pour provoquer leur contraction ou expansion. I1 est aussi bien connu que la complexité du problème est liée directement à l'utilisation particulière du moteur. Par exemple les manoeuvres associées à un avion de combat placent les exigences du moteur d'avion à un niveau qui dépasse largement celui des avions commerciaux. Le pilote d'un avion de combat sélectionnera beaucoup plus de matériels, et de conditions en à coups et transitoires qu'un pilote de ligne commerciale. Ces conditions influencent à l'évidence la conception du moteur, et particulièrement les relations d'esrpace du rotor de la turbine au joint d'air externe. Ces demandes du pilote provoquent un échauffement et un refroidissement de la structure de section de la turbine, qui sont tels que la contraction et l'expansion induites et leurs régimes influencent les problèmes de fuites parasites de la turbine. Ainsi, toute contribution technique qui sert à -diminuer jeu tout en permettant à la turbine de fonctionner sans frotter au niveau des joints d'air externes, t considérée comme très importante et significative, étant donné que les fuites influent sur les performances globales du moteur. On a trouvé que l'on peut réduire les fuites parasites en déchargeant discrètement une partie de l'air de refroidissement à l'intérieur des pales de la turbine depuis la pointe de la pale vers une direction particulière. Un objet de l'invention est de proposer un rotor perfectionné du type comprenant des pales de turbine refroidies de façon interne pour des moteurs d'avions à turbine à gaz. Un aspect de l'invention est de diriger l'air déchargé du profil de la pale de turbine dans le flux de gaz adjacent à la pointe de la pale, de manière à réduire les pertes aérodynamiques par diminution du jeu effectif de pointe, et à désensibiliser la pale à un jeu de pointe augmenté. Un autre objet de l'invention est de diriger l'air de refroidissement, depuis la pointe du profil de la pale de turbine d'un moteur à turbine à gaz, dans la direction du côté de pression du profil et à angle de préference égal à 15 et au maximum égal au à 45 par rapport à une ligne radiale sur l'axe de rotation ou sur la surface de la pointe de la pale, et que l'air de déchargement soit à une pression relativement importante. L'invention est décrite ci-après à l'aide d'exemples de réalisation et en référence aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est une vue en Loupe d' pale de turbine selon l'invention prise le long de axe sur la corde ; La figure 2 est une vue en coupe prise le long de la ligne 2-2 de la figure 1; figure 3 est un diagramme de circuit d'écoulement montrant les réseaux d'écoulement à l'intérieur la pale de la turbine; figure 4 est une vue en coupe partielle de la pointe d'une pale de turbine selon un mode préféré de réalisation; figure 5 est une vue de dessus en plan de la pointe de la section du profil selon une variante de réalisation de l'invention, et figure 6 est vue en coupe prise suivant la ligne 6-6 de la figure 5. L'invention est particulièrement applicable à des pales de turbine de moteur â turbine à gaz où un refroidissement interne des pales est désiré. La construction de pales de turbine refroidies de façon interne est bien décrite dans la littérature et pour des raisons de sécurité et de clarté de la description, seule la partie de la pale nécessaire pour la compréhension sera décrite ci-après. Pour des détails sur les moteurs à turbine à gaz et les pales de turbine, on se référera aux moteurs F100 et JT9D fabriqués par Pratt et Whitney Aircraft, une division de United Technologies Corporation, le cessionnaire de la présente demande de brevet et des brevets mentionnés ci-dessus. Comme représenté sur la figure 1 qui est une vue en coupe transversale prise le long de l'axe sur la corde, et sur la figure 2, la pale selon l'invention désignée de façon générale par la référence numérique 10, comprend une paroi externe ou enveloppe 12, définissant une surface de pression 14, une surface d'aspiration 16, un bord de front 18, et un bord de traînée 20. La pale 10 est moulée dans une configuration à double paroi, dans laquelle la paroi interne 22 se trouve essentiellement en coextension et parallèle à l'enveloppe externe 12 mais en est espacée pour définir un passage d'extension radiale 26. Puisque que ce passage 26 alimente en air froid les trous 28 de refroidissement du film, le passage 26 est désigné comme un canal d'alimentation. Tandis que le canal 26 est représenté comme une pluralité de canaux d'alimentation, le nombre de tels passages sera prédéterminé selon l'application particulière. C'est un passage dynamique plutôt que statique puisque l'air froid s écoule de façon constante vu qu'il est continuellement alimenté en air froid et qu'une partie de l'air décharge continuellement à la pointe par l'orifice 50. Ceci apparaît mieux à la figure 2 montrant schématiquement que l'air froid pénètre par l'extrémité inférieure du canal d'alimentation 26 et s'écoule radialement vers la pointe de la pale. L'air de refroidissement s'écoule également continuellement vers la cavité centrale qui est un passage s'étendant radialement. C'est également un passage dynamique puisqu'il est alimenté continuement en air froid et qu'une partie de l'air de refroidissement se décharge à la pointe par l'orifice 52. Comme il apparaît sur ce qui suit, dans la mesure où cette cavité alimente en air de refroidissement le canal d'alimentation 26 pour recharger l'air de refroidissement tandis qu'il sort par les trous 28 de refroidissement du film, on désigne ci- après comme chambre d'alimentation 32. I1 est à noter que le canal d'alimentation 26 et la chambre d'alimentation 32 reçoivent de 'air d'un compresseur de façon classique. I1 apparaît de ce qui précède que l'air de refroidissement se dépressurise tandis qu'il progresse dans le canal d'alimentation 26, radialement depuis la base vers la pointe de la pale et alimente les trous 28 du film espacés radialement . Cependant, puisque le canal 26 est toujours en communication avec la chambre 32, par les trous espacés radialement 36, l'alimentation en air de refroidissement est rechargée continuellement. A l'évidence, l'air de refroidissement, dans le canal 26 et la chambre 32 est mis en pression tandis qu'il progresse vers la pointe de la pale en raison de la rotation de cette dernière. Ainsi, les trous de refroidissement du film à proximité de la pointe de la pale sont en position pour recevoir de l'air de refroidissement à un niveau de pression acceptable. Jusqu'à présent, dans les réalisations de pales, la pression spécifiée de l'air de refroidissement à la pointe de la pale était déterminée par la pression d'entrée à base de la pale. Ainsi, les plus hautes pressions spécifiées demandaient de plus hautes pressions d'entrée Ceci a posé un problème au concepteur pour essayer d'éviter les fuites lors de l'écoulement de l'air refroidissement, de la source à travers une section non tournante vers les passages de la pale tournants. La chambre d'alimentation 32 consiste essentiellement une cavité creuse s'étendant depuis la base jusqu'à la pointe et est limitée par la paroi intérieure 22. Des nervures telles que les nervures 40 et 42 peuvent être incorporées pour assurer l'intégrité structurelle à la pale. L'utilisation de nervures, naturellement, sera prédéterminée suivant la conception particulière de la pale et de son application. Puisque les trous 36 servent à diriger l'air de refroidissement contre la surface interne 44 de enveloppe externe, ils sont désignés ci-après comme trous de rechargement 36 du refroidissement. Ainsi, les trous de rechargement servent parmi d'autres fonctions comme moyens pour recharger le canal d'alimentation 26 et moyens pour augmenter le rendement du refroidissement provoquant une turbulence sur le flux pénétrant dans trous de refroidissement du film. On a trouvé que le rechargement des canaux d'alimentation par les trous de rechargement 36 offrait une amélioration significative rendement de refroidissement relativement à une pale tée sans trous de rechargement. La taille de ces trous peut être choisie pour assurer la chute de pression désirée afin de garantir un rapport-de pression désiré a travers les trous de refroidissement du film. Le refroidissement peut en outre être amélioré en incorporant des nervures de déviation 46 dans le canal d'alimentation 26. Les nervures de déviation apportent une fonction additionnelle outre le refroidissement en ce qu'elles créent une chute de pression. Ceci peut être souhaitable lorsque l'air de refroidissement approchant la pointe de la pale, par suite de la centrifugation de l'air dans le canal d'alimentation 26 et dans la chambre d'alimentation 32, devient en surpression et il est nécessaire de réduire cette pression pour obtenir le rapport de pression adéquat pour optimiser la formation du film sortant des trous de refroidissement 28. De ce ' précède il apparaft que le canal 26 et la chambre 32 sont des passages radiaux directs éliminent les passages en serpentins généralement utilisés. Cet aspect permet au concepteur de la pale de 'duire la taille de pointe puisqu'il n'a plus à prévoir les passages tournants de la conception en serpentins, et ceci lui permet d'appliquer les techniques aérodynamiques de fermeture la pointe. Ceci permet au concepteur aérodynamicien de choisir la longueur de corde, au niveau de la pointe, au minimum requis en considération des performances aérodynamiques sans se préoccuper des exigences taille pour le refroidissement interne. Naturellement, cette particularité offre plusieurs avantages qui sont souhaitables dans la conception des turbines. La pale peut ainsi être plus légère, elle a une traction significativement réduite et le disque portant la pale peut être plus léger. Tous ces éléments influencent favorablement le poids, les performances, et durée de vie de la turbine. En fonctionnement et avec référence aux circuits d'écoulement de la figure 3, l'air de refroidissement pénètre dans la pale par sa section de base à 1 extrémité inférieure de la pale et progresse à travers la section du profil jusqu'à la pointe, comme représenté par les lignes de flèches interrompues A et les lignes de flèches rectilignes B. Des trous dans la pointe permettent à une partie de l'air d'être expulsé à cet endroit ; une partie de l'air de refroidissement s'écoule vers la tête en gerbe au circuit LE (bord de front) et une partie de l'air de refroidissement est dirigée vers le circuit TE (bord de trainée) comme représenté par les lignes de flèches horizontales C et D respectivement. Tandis que l'air progresse radialement vers la sortie en direction de la pointe, l'air dans chambre d'alimentation (flèche B) recharge continuellement l'air dans le canal d'alimentation (flèche A). Ainsi le canal d'alimentation est continuellement alimenté air de refroidissement. En raison de l'action de pompage associée à la rotation des pales, la pression à la pointe où c'est le plus nécessaire, est engendrée de façon inhérente. Ceci garantit qu'un rapport de pression adéquat à travers les trous du film est maintenu le long de la surface totale de l'enveloppe. Etant donné que la paroi interne remplace les nervures qui formaient les passages en serpentins, elle sert surface de transfert de chaleur pour assurer la même convection de chaleur que dans la conception à serpentins. Selon l'invention et comme on le voit le mieux à la figure les orifices 50 et 52 sont orientés en sorte que le flux se déchargeant des canaux d'alimentation 26 et de la chambre 32, soit dirigé sur le côté de pression de la pale et à un angle sensiblement égal à 40 à 45 . L'angle est mesuré à partir de la surface plane de la pale et varie à différents endroits du profil. De préférence, l'angle sera égal à une valeur minimale, à savoir 15 , mais dépassera pas 45 . Ceci permet de créer une zone tampon à la pointe dans le jeu 54 entre la pointe et l'enveloppe 56 représentée schématiquement comme entourant la pale. Puisque l'écoulement se déchargeant à travers les orifices 50 et 52 a reçu le bénéfice de l'action de pompage de la pale, la vitesse à laquelle le flux se décharge est significativement élevée pour effectuer une réduction des pertes aérodynamiques apparaissant sans cela dans jeu et rend effectivement la pale insensible au jeu de pointe. La figure 4 montre un mode de réalisation préféré d'une pale de turbine où le passage radial 70 traverse le profil depuis le côté d'aspiration 72, de telle sorte que l'air se décharge la pointe adjacente au côté de -pression 74. L'orifice de décharge 76 est orienté avec la surface plane 78 de la pointe de telle sorte qu'il forme un angle de 20 . Les figures 5 et 6 montrent une variante de réalisation de l'invention où la pointe de la pale est rainurée pour définir une poche refroidissante 60, adjacente au côté de pression 62 de la pale. Les trous de décharge 64 dans l'exemple sont en angle pour assurer une zone tampon adjacente à la pointe de la pale afin de conférer un joint aérodynamique réduisant les pertes du milieu de travail du moteur se produisant dans ce jeu. REVENDICATIONS 1.- Turbine à flux axial pour moteurs à turbine à gaz en combinaison avec une enveloppe annulaire entourant ladite turbine, caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité de pales de turbine refroidies par air façon interne, chacune comprenant une section de pointe (30) montée adjacente à ladite enveloppe, et définissant avec elle un jeu (54) qui est susceptible de laisser fuir le milieu de travail du moteur, chacune desdites pales comportant une surface de profil exposée audit milieu de travail du moteur définissant une surface de pression (14) et une surface d'aspiration (16), des moyens pour minimiser ladite fuite en fournissant une zone tampon dans ledit jeu, ces moyens comprenant des moyens d'orifices (50, 52), logés dans ladite section de pointe adjacente à la surface de pression et lesdits orifices étant en oblique relativement à l'axe de rotation de la pale pour mener l'air à l'intérieur de la pale dans le ' où le flux d'air se déchargeant desdits orifices définit une zone tampon de façon à minimiser les fuites parasites du milieu de travail du moteur. - Turbine à flux axial selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite section du profil définit également un bord de front (18) et un bord trainée (20), ce que ladite pale comporte une poche (60) formée dans ladite pointe s'étendant sensiblement adjacente au bord de front jusqu'au dit bord de tramée, et étant à proximité de la surface de pression (62), et en ce que lesdits moyens d'orifices comprennent une pluralité de trous (64) espacés en oblique dans ladite poche menant l'air interne de la pale jusqu'au dit jeu. - Turbine à flux axial pour un moteur à turbine à gaz combinaison avec un joint d'air externe entourant ladite turbine, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de pales refroidies par air de façon interne, lesquelles comportent une pluralité de passages de conduction de l'air interne, lesdites pales comprenant une surface de profil définissant une section de pointe (30), une section de base, un bord de front (18), un bord tramée (20), une surface de pression (14) et une surface d'aspiration (16), au moins un (26) desdits passages s'étendant radialement, de façon directe, pour acheminer l'air de refroidissement depuis la section de base à section de pointe, laquelle comprend une surface externe relativement plane, ledit passage alimentant une pluralité de trous (28) de refroidissement du film espacés radialement dans ladite surface du profil, ledit passage étant rechargé par de l'air de refroidissement depuis un autre (32) desdits passages par des trous de rechargement (36) espacés radialement le long dudit passage, ledit joint d'air externe et ladite section de pointe définissant un jeu (54) susceptible de fuite parasite du milieu de travail du moteur utilisé dans l'actionnement ladite turbine, des moyens pour minimiser ladite fuite parasite comprenant un orifice (50,52) dans la pointe communiquant avec un passage (26, 32) et étant orienté pour décharger l'air de refroidissement angulairement par rapport à l'axe de rotation de ladite turbine et orienté dans direction vers ledit c8té de pression, et une source 'air de refroidissement alimentant ladite section de base pour pourvoir en air de refroidissement lesdits passages y compris ledit passage. 4. Turbine à flux axial selon la revendication caractérisée en ce que ledit angle dudit orifice (50, est sensiblement égal à 15 à 45 relativement à ladite surface externe plane. 5 - Turbine à flux axial selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite pale comprend une section de mi-corde, un passage radial direct (32) dans ladite section de mi-corde, s'étendant de ladite section de base jusqu'à ladite section de pointe, et étant sensiblement parallèle audit passage (26), ladite section de mi-corde comprenant des trous (36) espacés radialement communiquant avec ledit passage pour recharger en air de refroidissement ledit passage afin de compenser l'air de refroidissement utilisé pour alimenter lesdits trous de refroidissement du film (28). 6.- Turbine à flux axial selon la revendication 5, caractérisée en ce que des passages (26) adjacents à ladite surface de pression et à ladite surface d'aspiration et ladite section de mi-corde comprennent au moins orifice (50, 52) déchargeant de l'air depuis ladite section de pointe audit jeu et étant en oblique relativement à l'axe de rotation de la turbine orienté pour décharger l'air de refroidissement vers ladite surface de pression. 7.- Turbine à flux axial selon la revendication 6, caractérisée en ce que ladite pointe comprend surface plane et en ce que l'angle de tous les orifices est sensiblement égal à 15 à 45 relativement à ladite surface plane. 8.- Turbine à flux axial selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit passage adjacent à ladite surface d'aspiration s'achemine dans le profil pour décharger ladite section de pointe adjacente à ladite surface de pression.