Brevet FR2960020A1 — publié le 20111118

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général du refroidissement des disques métalliques de rotor d'une turbomachine sur lesquels sont montées des aubes en matériau composite. L'un des domaines d'application de l'invention est celui des turbines basse-pression de turbomachines aéronautiques du type à double corps et double flux. Chaque étage de la turbine basse-pression d'une turbomachine se compose d'un distributeur formé d'une pluralité d'aubes fixes disposées dans une veine d'écoulement et d'une roue mobile placée derrière le distributeur et formée d'une pluralité d'aubes mobiles également disposées dans la veine d'écoulement et montées par leur pied dans des alvéoles d'un disque de rotor. Pendant le fonctionnement, la veine d'écoulement de la turbine basse-pression est traversée par des gaz dont la température est très élevée. Pour éviter d'endommager les disques de rotor et les aubes montées sur ceux-ci, il est connu de refroidir ces pièces en faisant cheminer de l'air frais dans les alvéoles des disques de rotor. A cet effet, l'une des solutions connues consiste à prélever de l'air plus frais (par exemple dans le compresseur haute-pression de la turbomachine) pour l'acheminer via un circuit de refroidissement jusqu'aux alvéoles des disques de rotor. En pratique, ces circuits de refroidissement sont formés par un espace annulaire laissé entre une bride du disque de rotor et un flasque de maintien des aubes monté contre cette bride. Cet espace annulaire forme une cavité de diffusion de l'air de refroidissement qui débouche dans le fond de chaque alvéole du disque de rotor. L'air circule alors axialement dans les alvéoles du disque d'amont en aval, ventilant ainsi le disque de rotor par ses alvéoles, mais également les aubes par leur pied. De la sorte, la température des pieds d'aubes et du fond des alvéoles du disque est abaissée. On pourra par exemple se référer au document EP 2,009,235 qui décrit un tel circuit de refroidissement. Ce type de refroidissement est efficace lorsque les disques de rotor et les aubes mobiles montées sur ces disques sont métalliques. En revanche, le recours à des aubes mobiles en matériau composite (notamment en CMC - composite à matrice céramique) dans une turbine basse-pression impose une contrainte supplémentaire en termes de ventilation. En effet, les caractéristiques du CMC se dégradent fortement dans une plage de température intermédiaire de fonctionnement de sorte qu'il est préférable d'éviter de stabiliser thermiquement les aubes dans cette plage de température. En particulier, il est nécessaire de maintenir la température de ces aubes au-dessus de cette plage de température intermédiaire, tout en continuant de refroidir le disque métallique sur lequel elles sont montées. Objet et résumé de l'invention La présente invention vise donc principalement à répondre à ces critères en proposant un refroidissement efficace des disques de rotor qui n'influence pas la température des aubes en matériau composite montées sur ces disques. Ce but est atteint grâce à un dispositif de refroidissement de disques de rotor d'une turbomachine, comprenant un assemblage d'au moins deux disques centrés sur un axe longitudinal de la turbomachine, adjacents l'un à l'autre et sur chacun desquels sont montées des aubes disposées dans une veine d'écoulement d'un flux d'air chaud traversant la turbomachine ; un arbre de rotor centré sur l'axe longitudinal de la turbomachine et relié aux disques pour les entraîner en rotation ; une cavité interne de refroidissement délimitée à l'extérieur par les disques et à l'intérieur par l'arbre de rotor ; des moyens pour alimenter la cavité de refroidissement en air prélevé dans la veine d'écoulement ; des moyens pour envoyer l'air injecté dans la cavité de refroidissement sur la surface intérieure des disques afin de refroidir ces derniers ; et des moyens pour évacuer l'air ayant refroidi les disques dans la veine d'écoulement. Corrélativement, l'invention a pour objet un procédé de refroidissement de disques de rotor d'une turbomachine, la turbomachine comprenant un assemblage d'au moins deux disques centrés sur un axe longitudinal de la turbomachine, adjacents l'un à l'autre et sur chacun desquels sont montées des aubes disposées dans une veine d'écoulement d'un flux d'air chaud traversant la turbomachine ; un arbre de rotor centré sur l'axe longitudinal de la turbomachine et relié aux disques pour les entraîner en rotation ; une cavité interne de refroidissement délimitée à l'extérieur par les disques et à l'intérieur par l'arbre de rotor ; le procédé consistant à alimenter la cavité de refroidissement en air prélevé dans la veine d'écoulement ; envoyer l'air sur la surface intérieure des disques afin de refroidir ces derniers ; et évacuer l'air ayant refroidi les disques dans la veine d'écoulement. Le dispositif et le procédé selon l'invention prévoient de refroidir les disques de rotor en envoyant de l'air frais sur leur surface intérieure. Les disques sont ainsi refroidis par l'intérieur, tandis que les aubes montées sur les disques ne le sont pas. En particulier, aucun débit d'air ne vient ventiler les alvéoles du disque dans lesquelles sont montés les pieds des aubes. De la sorte, les critères de tenue en température des disques de rotor (par exemple métalliques) et des aubes (par exemple en matériau composite) sont respectés et la durée de vie de ces pièces est augmentée. De préférence, le dispositif comprend un flasque annulaire fixe fermant la cavité de refroidissement à l'amont, le flasque étant percé d'au moins un orifice d'injection d'air s'ouvrant vers la veine d'écoulement et débouchant dans la cavité de refroidissement pour alimenter celle-ci en air prélevé dans la veine d'écoulement. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend au moins un tube fixé sur le flasque, s'ouvrant en regard de l'orifice d'injection d'air et débouchant en regard de la surface intérieure des disques afin de refroidir ces derniers par convection forcée. Dans ce cas, le dispositif peut comprendre en outre des passages d'air s'ouvrant dans la cavité de refroidissement et débouchant vers la veine d'écoulement pour évacuer l'air ayant refroidi les disques dans celle-ci. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif comprend une tôle annulaire centrée sur l'axe longitudinal de la turbomachine, disposée à l'intérieur de la cavité de refroidissement et fixée sous les disques de façon à délimiter avec la surface intérieure de ceux-ci un canal annulaire débouchant en amont dans la cavité de refroidissement pour être alimenté en air prélevé dans la veine d'écoulement, la circulation de l'air d'amont en aval dans le canal assurant un refroidissement des disques par convection forcée. Dans ce cas, le dispositif peut comprendre en outre des passages d'air s'ouvrant dans le canal en aval de celui-ci et débouchant vers la veine d'écoulement pour évacuer l'air ayant refroidi les disques dans celle-ci. Selon encore un autre mode de réalisation, le dispositif comprend, pour chaque disque, une tôle annulaire d'impact centrée sur l'axe longitudinal de la turbomachine, disposée à l'intérieur de la cavité de refroidissement et fixée sous le disque en ménageant un espace annulaire avec la surface intérieure de celui-ci, la tôle d'impact étant pourvue d'une pluralité de perforations débouchant en regard de la surface intérieure du disque pour refroidir celui-ci par impact. Dans ce cas, le dispositif peut comprendre en outre, pour chaque disque, une pluralité de passages d'air s'ouvrant dans l'espace annulaire entre la tôle d'impact et la surface intérieure du disque en aval des perforations de la tôle d'impact et débouchant vers la veine d'écoulement pour évacuer l'air ayant refroidi le disque dans celle-ci. L'invention concerne également une turbomachine comportant un dispositif de refroidissement tel que défini précédemment. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une turbine basse-pression montrant l'emplacement du dispositif de refroidissement selon l'invention ; - la figure 2 représente un dispositif de refroidissement selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 représente un dispositif de refroidissement selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 4 représente un dispositif de refroidissement selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Description détaillée de modes de réalisation L'invention est applicable à différents types d'ensembles rotatifs d'une turbomachine, et notamment à une turbine basse-pression d'une turbomachine aéronautique du type à double corps et double flux, telle que celle représentée sur la figure 1. La turbine basse-pression 10 comprend notamment une pluralité d'étages successifs centrés sur un axe longitudinal X-X de la turbomachine. Chacun de ces étages se compose d'un distributeur formé d'une pluralité d'aubes fixes 12 disposées dans une veine d'écoulement 14 et d'une roue mobile placée derrière le distributeur et formée d'une pluralité d'aubes mobiles 16 également disposées dans la veine d'écoulement 14 et montées par leur pied dans des alvéoles 18 d'un disque de rotor 20. Les disques de rotor 20 sont centrés sur l'axe longitudinal X-X. Ils sont réalisés en métal, par exemple en Inconel® 718. Quant aux aubes mobiles 16 montées sur ces disques de rotor, elles peuvent être réalisées en matériau composite (par exemple en CMC) ou être métalliques. Les disques de rotor 20 sont assemblés entre eux au moyen de brides annulaires 22 qui sont fixées entre elles par soudure par exemple (ou à l'aide de liaisons boulonnées). La turbine basse-pression comprend également un cône de tourillon d'arbre de rotor 24 centré sur l'axe longitudinal X-X et logé à l'intérieur des disques de rotor 20. Cet arbre de rotor est également relié à l'assemblage des disques au moyen d'une bride annulaire 26 pour les entraîner en rotation. La turbine basse-pression comprend encore un flasque (ou carter) fixe 28 s'étendant radialement depuis la plate-forme du premier distributeur de la turbine (c'est-à-dire celui qui est le plus en amont par rapport au sens d'écoulement du flux gazeux dans la veine 14) sur laquelle il est fixé jusqu'à l'arbre de rotor 24. Une cavité interne de refroidissement 30 est par ailleurs prévue. Cette cavité est délimitée radialement, à l'extérieur par les disques de rotor 20, et à l'intérieur par l'arbre de rotor 24. Elle est également délimitée axialement, à l'amont par le flasque 28 et à l'aval par la bride 26 reliant l'assemblage de disques à l'arbre de rotor. De l'air frais est prélevé dans la veine d'écoulement du flux gazeux traversant la turbomachine en amont de la turbine basse-pression, par exemple au niveau d'un étage du compresseur haute-pression (non représenté) de celle-ci. Cet air chemine jusqu'au premier distributeur de la turbine basse-pression, traverse radialement les aubes fixes de celui-ci de leur sommet à leur pied et alimente la cavité de refroidissement 30 en transitant par le flasque 28. A cet effet, ce dernier comprend au moins un orifice d'injection d'air 32 débouchant dans la cavité de refroidissement. Conformément à l'invention, l'air frais alimentant ainsi la cavité de refroidissement 30 sert à refroidir les disques métalliques de rotor 20 sans refroidir les aubes 16 en CMC montées sur ceux-ci. En liaison avec la figure 2, on décrira maintenant un premier mode de réalisation d'un tel refroidissement des disques de rotor. Dans ce mode de réalisation, au moins un tube principal 34 est fixé sur le flasque 28 de façon à s'ouvrir à son extrémité amont en regard de l'orifice d'injection d'air 32. Ce tube principal s'étend axialement dans la cavité de refroidissement et débouche par l'intermédiaire de tubes secondaires 36 en regard de la surface intérieure 20a des différents disques de rotor 20. Les tubes secondaires 36 débouchent en regard de la surface intérieure de chaque disque de rotor. Certains peuvent également déboucher en regard des brides 22 reliant les disques de rotor les uns aux autres. Ainsi, l'air frais injecté dans la cavité de refroidissement vient refroidir les disques de rotor par convection forcée en étant guidé directement par les tubes 34, 36 jusqu'à la surface intérieure de ceux-ci. Par ailleurs, il est prévu en aval de la cavité de refroidissement des passages d'air 38 s'ouvrant dans la cavité de refroidissement et débouchant vers la veine d'écoulement 14 pour évacuer l'air ayant refroidi les disques de rotor. En liaison avec la figure 3, on décrira maintenant un deuxième mode de réalisation d'un refroidissement des disques de rotor selon l'invention. Dans ce mode de réalisation, une tôle annulaire 40 centrée sur l'axe longitudinal X-X et disposée à l'intérieur de la cavité de refroidissement 30 est fixée sous les disques 20 de façon à délimiter avec la surface intérieure 20a des disques et de leurs brides un canal annulaire 42. La tôle est notamment fixée sur des brides 22 des disques de rotor. Ce canal 42 s'ouvre à l'amont dans la cavité de refroidissement au niveau de l'orifice d'injection d'air 32, par exemple au moyen d'une écope 44, de façon à être alimenté en air de refroidissement. En aval de la cavité de refroidissement, le canal 42 débouche vers la veine d'écoulement 14 par des passages d'air 46 pratiqués dans une bride 22 de disque de rotor pour évacuer l'air ayant refroidi les disques de rotor. La cavité de refroidissement 30 étant en surpression par rapport à la veine d'écoulement 14, l'air frais injecté dans la cavité de refroidissement va avoir tendance à venir s'écouler d'amont en aval dans le canal 42, refroidissant ainsi les disques de rotor par convection forcée. L'air est ensuite évacué dans la veine d'écoulement 14 en empruntant les passages d'air 46. On notera que, pour être efficace, la distance entre la tôle annulaire 40 et la surface intérieure 20a des disques doit être la plus petite possible. En liaison avec la figure 4, on décrira maintenant un troisième mode de réalisation d'un refroidissement des disques de rotor selon l'invention. Dans ce mode de réalisation, pour chaque disque de rotor 20, il est prévu une tôle annulaire d'impact 48 centrée sur l'axe longitudinal X-X, disposée à l'intérieur de la cavité de refroidissement 30 et fixée sous le disque en ménageant un espace annulaire 50 avec la surface intérieure 20a de celui-ci. Les tôles d'impact sont notamment fixées sur des brides 22 des disques de rotor. Par ailleurs, chaque tôle d'impact 48 est pourvue d'une pluralité de perforations 52 débouchant en regard de la surface intérieure 20a du disque de rotor correspondant. Enfin, pour chaque disque de rotor, il est prévu une pluralité de passages d'air 54 pratiqués dans une bride 22 de disque de rotor qui s'ouvrent dans l'espace annulaire 50 entre la tôle d'impact et la surface intérieure du disque en aval des perforations 52 de la tôle d'impact et qui débouchent vers la veine d'écoulement 14. La cavité de refroidissement 30 étant en surpression par rapport à la veine d'écoulement 14, l'air frais injecté dans la cavité de refroidissement va avoir tendance à venir traverser les tôles d'impact 48 par leurs perforations 52 et impacter les surfaces intérieures 20a des disques de rotor. Ces derniers sont ainsi refroidis par impact. L'air est ensuite évacué dans la veine d'écoulement 14 en empruntant les passages d'air 54. On notera que, pour être efficace, la distance entre les tôles d'impact 48 et la surface intérieure 20a des disques doit être la plus petite possible. REVENDICATIONS1. Dispositif de refroidissement de disques de rotor d'une turbomachine, comprenant un assemblage d'au moins deux disques (20) centrés sur un axe longitudinal (X-X) de la turbomachine, adjacents l'un à l'autre et sur chacun desquels sont montées des aubes (16) disposées dans une veine d'écoulement (14) d'un flux d'air chaud traversant la turbomachine ; un arbre de rotor (24) centré sur l'axe longitudinal de la turbomachine et relié aux disques pour les entraîner en rotation ; une cavité interne de refroidissement (30) délimitée à l'extérieur par les disques et à l'intérieur par l'arbre de rotor ; des moyens (32) pour alimenter la cavité de refroidissement en air prélevé dans la veine d'écoulement ; des moyens (34, 36) pour envoyer l'air injecté dans la cavité de refroidissement sur la surface intérieure (20a) des disques (20) afin de refroidir ces derniers ; et des moyens (38) pour évacuer l'air ayant refroidi les disques dans la veine d'écoulement. 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant un flasque annulaire fixe (28) fermant la cavité de refroidissement à l'amont, le flasque étant percé d'au moins un orifice d'injection d'air (32) s'ouvrant vers la veine d'écoulement et débouchant dans la cavité de refroidissement pour alimenter celle-ci en air prélevé dans la veine d'écoulement. 3. Dispositif selon la revendication 2, comprenant au moins un tube (34, 36) fixé sur le flasque, s'ouvrant en regard de l'orifice d'injection d'air et débouchant en regard de la surface intérieure des disques afin de refroidir ces derniers par convection forcée. 4. Dispositif selon la revendication 3, comprenant en outre des passages d'air (38) s'ouvrant dans la cavité de refroidissement et débouchant vers la veine d'écoulement pour évacuer l'air ayant refroidi les disques dans celle-ci. 5. Dispositif selon la revendication 2, comprenant une tôle annulaire (40) centrée sur l'axe longitudinal de la turbomachine, disposée à l'intérieur de la cavité de refroidissement et fixée sous les disques de façon à délimiter avec la surface intérieure de ceux-ci un canal annulaire (42) débouchant en amont dans la cavité de refroidissement pour être alimenté en air prélevé dans la veine d'écoulement, la circulation de l'air d'amont en aval dans le canal assurant un refroidissement des disques par convection forcée. 6. Dispositif selon la revendication 5, comprenant en outre des passages d'air (46) s'ouvrant dans le canal en aval de celui-ci et débouchant vers la veine d'écoulement pour évacuer l'air ayant refroidi les disques dans celle-ci. 7. Dispositif selon la revendication 2, comprenant, pour chaque disque, une tôle annulaire d'impact (48) centrée sur l'axe longitudinal de la turbomachine, disposée à l'intérieur de la cavité de refroidissement et fixée sous le disque en ménageant un espace annulaire (50) avec la surface intérieure de celui-ci, la tôle d'impact étant pourvue d'une pluralité de perforations (52) débouchant en regard de la surface intérieure du disque pour refroidir celui-ci par impact. 8. Dispositif selon la revendication 7, comprenant en outre, pour chaque disque, une pluralité de passages d'air (54) s'ouvrant dans l'espace annulaire entre la tôle d'impact et la surface intérieure du disque en aval des perforations de la tôle d'impact et débouchant vers la veine d'écoulement pour évacuer l'air ayant refroidi le disque dans celle-ci. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les aubes montées sur les disques sont en matériau composite à matrice céramique et les disques sont métalliques. 10. Turbomachine comportant un dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.35 11. Procédé de refroidissement de disques de rotor d'une turbomachine, la turbomachine comprenant : un assemblage d'au moins deux disques (20) centrés sur un axe longitudinal (X-X) de la turbomachine, adjacents l'un à l'autre et sur chacun desquels sont montées des aubes (16) disposées dans une veine d'écoulement (14) d'un flux d'air chaud traversant la turbomachine ; un arbre de rotor (24) centré sur l'axe longitudinal de la turbomachine et relié aux disques pour les entraîner en rotation ; une cavité interne de refroidissement (30) délimitée à l'extérieur par les disques et à l'intérieur par l'arbre de rotor ; le procédé consistant à : alimenter la cavité de refroidissement en air prélevé dans la veine d'écoulement ; envoyer l'air sur la surface intérieure des disques afin de 15 refroidir ces derniers ; et évacuer l'air ayant refroidi les disques dans la veine d'écoulement.