Brevet FR2881472A1 — publié le 20060804

La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz et notamment celui des moteurs utilisés pour la propulsion des aéronefs. Un moteur de ce type comprend au moins un compresseur alimentant en air une chambre de combustion dont les gaz sont dirigés sur une turbine puis éjectés dans une tuyère d'éjection. La turbine et le compresseur sont montés sur un arbre commun, en forme de fût notamment, autour duquel est disposée la chambre de combustion, cet ensemble rotatif constituant un corps. Le moteur peut comprendre plusieurs corps, généralement deux ou io trois, tournant à des vitesses différentes. La présente invention concerne le corps haute pression du moteur et vise en particulier la ventilation du rotor de turbine haute pression. On a représenté sur la figure 1 une vue en coupe longitudinale partielle du corps haute pression d'un moteur actuellement en service, dont on voit un rotor 1 de compresseur HP, sans les aubes, relié par une portion cylindrique en forme de fût 2, au rotor 3 de turbine HP. L'ensemble est mobile autour d'un axe ici horizontal. Le compresseur 1 alimente l'enceinte 5 de la chambre de combustion à travers un diffuseur 4 dont les aubes fixes en redressent le flux. L'enceinte de chambre est délimitée longitudinalement par deux parois concentriques, dont on voit la paroi intérieure 51 en deux parties. Dans cette enceinte 5, on voit la chambre de combustion annulaire 7, elle-même avec ses parois 71 et 72 concentriques et un brûleur. La ventilation du rotor de turbine haute pression est assurée par deux circuits Cl et C2 parcourus par de l'air: un circuit Cl destiné plus particulièrement au refroidissement des aubes de turbine haute pression et un circuit C2 de refroidissement du cône aval du compresseur HP, du fût de liaison 2 et du flasque amont 31 de turbine HP. Le circuit C l alimente les aubes de turbine en air de refroidissement par une cavité ménagée entre un flasque 31 et le disque du rotor de la turbine HP. Le flasque 31 est pourvu d'orifices axiaux 31A de ventilation en regard d'un conduit 9 annulaire ou en secteur d'anneau, qui est ouvert en amont, en 91, sur l'enceinte 5 de chambre et forme un injecteur. Le conduit 9 est pourvu de moyens de guidage, imprimant au flux d'air qui le traverse une pré-rotation de manière à ce que la température totale relative soit la plus faible possible. Ce flux d'air est injecté à travers les trous de ventilation du flasque amont puis est guidé entre ce dernier et le disque de turbine jusqu'aux alvéoles ménagés sur la jante d'où il alimente les canaux de refroidissement des aubes mobiles qui y sont montés. L'étanchéité entre le conduit 9 et le flasque 31 est assurée par deux joints d'étanchéité à labyrinthe, l'un 32 intérieur et l'autre 33 extérieur. io Le circuit C2 comprend un prélèvement d'air entre le rotor 1 du compresseur et le diffuseur 4, un chemin le long de la paroi intérieure 51 de l'enceinte de chambre entre celle-ci et le fût 2 du corps haute pression. Un joint d'étanchéité à labyrinthe 21 entre le fût 2 et la paroi 51 permet un contrôle du flux vers l'aval. Cet air ensuite est dirigé contre le flasque amont 31 de turbine pour en assurer la ventilation puis il est évacué en partie dans le circuit Cl à travers le joint à labyrinthe intérieur 32, en partie dans la cavité de purge amont de turbine HP en bipassant par des tubes radiaux 92 les injecteurs 9 via les injecteurs secondaires dits shunt . Cet air refroidit le stator du joint à labyrinthe 33. Par rapport à cette disposition connue, le déposant a cherché à améliorer le refroidissement du joint extérieur 33 ainsi que la robustesse du système d'alimentation des aubes de turbine HP. La robustesse est la capacité du système à assurer le refroidissement de l'aube en cas de détérioration des labyrinthes ou de tolérance maximale. Conformément à l'invention on parvient à réaliser ces objectifs sur un moteur à turbine à gaz avec une turbine entraînée par les gaz issus de la chambre de combustion, comprenant un conduit d'air alimentant une cavité 3o ménagée dans le rotor de turbine en air de refroidissement depuis l'enceinte de la chambre de combustion, un joint d'étanchéité extérieur entre le conduit et le rotor, un moyen de refroidissement dudit joint d'étanchéité extérieur, caractérisé par le fait que l'air de refroidissement dudit joint extérieur est prélevé dans l'enceinte de la chambre en aval du diffuseur. En particulier, cet air est prélevé depuis des orifices ménagés dans la paroi de la chambre de combustion, et de préférence les orifices sont situés de telle manière que le stator du joint extérieur comprend une zone d'impact d'air. Le joint extérieur est avantageusement un joint à labyrinthe, de type connu 5 en soi, avec des léchettes solidaires du rotor, coopérant avec une partie statorique supportant un matériau d'usure, dit abradable. Par rapport à l'art antérieur, la solution de l'invention revient donc à inverser le sens de circulation de l'air de refroidissement de la partie o statorique du joint extérieur. Elle présente plusieurs avantages. Cela permet de ventiler le support d'abradable du joint à labyrinthe extérieur sans avoir recours aux injecteurs secondaires qui pénalisent la consommation spécifique. Cette solution est particulièrement intéressante lorsque, pour certaines applications, la tenue thermique du flasque amont est suffisante sans qu'aucune ventilation par les injecteurs secondaires ne soit nécessaire. On peut alors les supprimer. On ventile le support de stator du joint à labyrinthe extérieur par de l'air plus froid que l'air prélevé au compresseur et qui a subi les échauffements par frottement visqueux de la cavité sous chambre. Le gain est par exemple de 60 C. Cet air plus froid permet de réduire le jeu radial du joint à labyrinthe en régime stabilisé. On permet aussi d'améliorer la robustesse de l'alimentation des aubes de turbine car l'air est plus froid. On diminue l'impact de l'air 3o chaud venu du compresseur HP sur la température d'air d'alimentation des aubes. Conformément à une autre caractéristique, l'air, après refroidissement dudit joint, est mélangé en partie au moins, avec l'air du conduit d'air alimentant la cavité ménagée dans le rotor. En particulier, il est introduit dans le conduit. Conformément à une autre caractéristique l'air, après refroidissement dudit joint, est dirigé au moins en partie le long de la paroi de la chambre vers l'amont, en direction de la veine du compresseur. Conformément à une autre caractéristique, l'air, après refroidissement dudit joint, est mélangé en majorité avec l'air du premier circuit, la ventilation de la paroi de la chambre de combustion étant assurée par de l'air prélevé au compresseur et circulant le long de la paroi de la chambre de combustion o d'amont en aval. La présente invention est décrite ci-après plus en détail, en référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue partielle en coupe longitudinale d'un moteur conforme à l'art antérieur, -la figure 2 est une vue partielle en coupe longitudinale d'un moteur conforme à l'invention, - la figure 3 est une vue partielle de la figure 2 présentant une première 20 variante de réalisation de l'invention, - la figure 4 montre une seconde variante de réalisation. On se reporte à la figure 2 qui est une coupe longitudinale partielle d'un moteur à turbine à gaz présentant les caractéristiques de l'invention. Les parties du moteur correspondant à celles de la figure 1 en portent les mêmes références mais augmentées de 100 ou 1000. Le corps haute pression du moteur comprend un compresseur 101 et une turbine 103 reliées par une partie cylindrique 102 en forme de fût. Le 3o compresseur débouche dans une enceinte de chambre de combustion 105 à travers un diffuseur 104, comme cela est connu. L'enceinte 105 annulaire avec une paroi intérieure 1051, ici en deux parties boulonnées entre elles, et une paroi extérieure non visible, contient la chambre de combustion 107 annulaire dont on voit la chemise intérieure 1071 et un brûleur 1074. La chambre 107 est soutenue en aval par une tôle ajourée 1053. La chambre de combustion débouche par un redresseur 108 dans le canal de turbine. Le rotor de turbine 103 comprend un disque 103'. Un flasque amont 1031 est solidaire du disque sur lequel il est boulonné de manière à ménager une cavité communiquant avec les aubes montées sur la jante du disque. Le flasque comprend des ouvertures 1031A axiales communiquant avec un conduit annulaire 109. Ce conduit est solidaire de la paroi 1051 et communique avec l'enceinte 105 par des orifices 1091 ménagés dans la paroi. Le conduit 109 comprend une pluralité de tubes radiaux 1095 qui to permettent une communication radiale à travers lui. L'étanchéité entre l'ensemble tournant et le conduit 109 est assurée à ce niveau par deux joints d'étanchéité de type à labyrinthe. Un joint radialement extérieur 1033 et un joint radialement intérieur 1032. Ces 1s joints sont constitués par une pluralité de léchettes circonférentielles, 1032A respectivement 1033A, ici radiales, ménagées sur le flasque, et coopérant avec une partie de stator., 1032B respectivement 1033B, supportant un matériau d'usure, tel qu'un matériau connu sous le terme abradable. Il peut s'agir d'une structure en nid d'abeille ou bien d'un matériau peu résistant à l'abrasion et qui cède lorsque les léchettes viennent à son contact. Le jeu entre les léchettes radiales et la surface du stator détermine la fuite de gaz au travers du joint. Le stator 1033B du joint extérieur est solidaire de la partie aval de la paroi de l'enceinte de chambre au niveau du redresseur 108. Le stator 1033B est espacé de la paroi 1051. Sur cette dernière des trous calibrés 1051B ont été percés en face du stator 1033B. On décrit maintenant la circulation de l'air de refroidissement en fonctionnement du moteur. Cette circulation d'air est visualisée par les 30 flèches en traits gras. Un premier circuit est constitué par le conduit 109. L'air est prélevé en fond de chambre à travers les orifices 1091, passe dans le conduit 109 qui est de forme convergente. Comme dans l'art antérieur, il est pourvu de moyens de guidage, imprimant au flux d"air qui le traverse une prérotation de manière à ce que la température totale relative soit la plus faible s possible. Ce flux d'air est injecté à travers les trous de ventilation du flasque amont 1031 puis est guidé entre ce dernier et le disque de turbine jusqu'aux alvéoles ménagés sur la jante d'où il alimente les canaux de refroidissement des aubes mobiles qui y sont montés. Un second circuit d'air comprend un prélèvement en fond de chambre également à travers les orifices 1051B. Ce flux d'air vient buter contre le stator 1033B qu'il refroidit. L'air ensuite est évacué ensuite à travers les tubes radiaux 1095 du conduit 109. Selon ce mode de réalisation une partie ensuite est évacuée à travers le joint intérieur 1032 entre les léchettes et le stator. Une autre partie remonte en amont le long de la paroi 1051 entre celle-ci et le fût 102, jusqu'au compresseur où il est réinjecté en amont du diffuseur 104. On observe que ls dans ce mode de réalisation le joint d'étanchéité entre le fut 102 et la paroi de chambre a été omis. Grâce à cette disposition on assure un refroidissement efficace du stator 1033 en raison du refroidissement par impact et de la température de l'air qui peut être inférieure de 60 C à celle qui est prélevée au compresseur 101. On réduit ainsi le jeu radial en régime stabilisé. On améliore la robustesse de l'alimentation des aubes de la turbine HP car on peut alimenter le circuit avec de l'air plus froid par le joint 1032. On compense ainsi l'absence du labyrinthe sous chambre sur la spécification en température d'air de refroidissement des aubes. On contrôle le débit provenant de la cavité sous chambre par le jeu du joint 1032. On permet une calibration du débit de l'air circulant sous la chambre par 30 des orifices, ce qui est facilement modifiable en développement. La figure 3 illustre une variante de réalisation du circuit d'air de refroidissement. Seule la partie aval est représentée avec indication de la circulation de l'air par les flèches en traits gras. Comme précédemment l'air est prélevé par un perçage 105113 dans le fond de chambre et il refroidit par impact le stator 1033B du joint extérieur 1033. Il passe par les tubes radiaux 1095 et est intégralement évacué par le joint intérieur 1032 en étant par exemple injecté entre deux séries de léchettes 1032A. Une ouverture est ménagée à cet effet dans le stator 1032B. Dans cette réalisation, l'air de ventilation de la paroi 1051 de l'enceinte de chambre est dirigé d'amont en aval depuis un prélèvement dans le compresseur en amont du diffuseur. Par rapport à la réalisation précédente, cette solution permet de gonfler la pression à l'intérieur du joint à labyrinthe sous injecteurs 1032, ce qui rend Io ce dernier plus étanche et isole le circuit d'alimentation des aubes HP. La figure 4 montre une autre variante de réalisation du circuit d'air de refroidissement. Elle se distingue de la solution précédente par le fait que l'air prélevé dans le fond de chambre à travers les perçages 1051B est, après impact du stator du joint extérieur 1033 injecté par une ouverture appropriée dans le convergent du conduit 109 en profitant de l'écart de pression totale/pression statique. D'autres variantes sont à la portée de l'homme du métier. Notamment, on n'a pas représenté d'écoulement d'air en direction du redresseur 108 pour un injecteur de type shunt. Les réalisations de l'invention permettent d'en ménager si cela est nécessaire. REVENDICATIONS 1. Moteur à turbine à gaz avec un compresseur (101) alimentant une chambre de combustion à travers un diffuseur (104), une turbine (103) entraînée par les gaz issus de la chambre de combustion, comprenant un conduit (109) formant injecteur d'air alimentant une cavité ménagée dans le rotor (103) de turbine en air de refroidissement depuis l'enceinte (105) de la chambre de combustion, un joint d'étanchéité extérieur (1033) entre le conduit (109) et le rotor (103), un moyen de refroidissement dudit joint d'étanchéité extérieur (1033), caractérisé par le fait que l'air de refroidissement dudit joint extérieur (1033) est prélevé dans l'enceinte (105) de la chambre de combustion en aval du diffuseur (104). 2. Moteur selon la revendication 1 dont l'air est prélevé depuis des orifices (1051B) ménagés dans la paroi (1051) de l'enceinte de chambre de combustion. 3. Moteur selon la revendication 2, dont les orifices (1051B) sont situés de telle manière que le stator (1033B) du joint extérieur forme une zone d'impact d'air. 4. Moteur selon la revendication 1, 2 ou 3 dont l'air après refroidissement dudit joint extérieur (1033) est mélangé, en partie au moins, avec l'air dudit conduit (109) formant injecteur. 5. Moteur selon la revendication 4, dont un joint d'étanchéité intérieur (1032) est ménagé à proximité du conduit (109) formant injecteur, l'air après refroidissement du joint extérieur (1033) étant guidé au moins en partie dans ledit joint intérieur. 6. Moteur selon la revendication 4. dont l'air après refroidissement 35 dudit joint extérieur est introduit, au moins en partie, dans ledit conduit (109) formant injecteur. 7. Moteur selon l'une des revendication 4 à 6, dont l'air après refroidissement dudit joint extérieur (1033) est dirigé au moins en partie le long de la paroi (1051) de l'enceinte de chambre vers l'amont, en direction de la veine du compresseur (101). 8. Moteur selon l'une des revendications 4 à 6 dont l'air après refroidissement dudit joint extérieur (1033) est mélangé en majorité avec l'air du dit conduit (109) formant injecteur, la ventilation de la to paroi (1051) d'enceinte de chambre de combustion étant assurée par de l'air prélevé au compresseur (101) et circulant le long de ladite paroi d'amont vers l'aval. 9. Moteur selon l'une des revendications précédentes dont le rotor de turbine comprend un disque, ladite cavité étant ménagée par un flasque (1031) monté sur le disque. 10.Moteur selon l'une des revendications précédentes dont le conduit (109) formant injecteur alimente les aubes du rotor haute pression en air de refroidissement.