Brevet FR2954401A1 — publié le 20110624

Procédé de refroidissement de stators de turbines et système de refroidissement pour sa mise en oeuvre [0001]L'invention concerne un procédé de refroidissement de stators, distributeurs ou anneaux de turbines à gaz équipant les turbomachines de propulsion d'aéronefs, en particulier d'hélicoptères, ainsi qu'un système de refroidissement de mise en oeuvre du procédé. [0002] Les cycles thermodynamiques des turbomachines sont de plus en plus élevés en température, ce qui nécessite un refroidissement étendu aux parties statoriques de la turbine : l'aubage fixe du distributeur de la turbine, ainsi que le support d'anneau lisse ou à joint d'étanchéité (ci-après dénommé support d'anneau) de l'aubage mobile ou rotor. L'air est alors introduit à travers les aubes du distributeur puis au-dessus de l'anneau du rotor. L'air est ensuite réintroduit dans la veine de sortie. [0003] Or, la tuyère de sortie présente aux faibles régimes un coefficient de récupération (Cp) pouvant atteindre des valeurs négatives, ce qui se traduit par une inversion de l'écart de pressions entre l'atmosphère et le plan de sortie de la turbine. Des réintroductions d'air chaud peuvent alors se produire par refoulement et empêcher le refroidissement du stator. [0004]Par ailleurs, l'utilisation d'air de refroidissement prélevé au niveau du compresseur a un coût en performance car il ne contribue plus au travail moteur. [0005] L'invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant une aspiration d'air ambiant au niveau du stator à refroidir. [0006] Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de refroidissement de pièces de turbine d'un moteur présentant à l'échappement une architecture à Cp positif sur l'ensemble des régimes de fonctionnement pour lesquels un refroidissement est souhaité, consistant à prélever un flux d'air ambiant par aspiration au niveau d'au moins une pièce à refroidir, suivi d'une traversée produisant une convection forcée en liaison avec cette pièce, puis d'une réintroduction avale de l'air dans la veine de sortie. [0007] Les termes « amont » et « aval » se rapportent au sens de l'écoulement de l'air dans le moteur et les termes « interne » - respectivement « externe » - se rapportent à des localisations « vues de » - respectivement « en direction de » - l'axe de rotation de la turbine. [0008]Ce procédé est particulièrement efficace dans le cas de configurations de turbines ou de moteurs qui permettent de définir une dépression en sortie suffisante pour garantir un Cp qui reste positif sur un ensemble de régimes de fonctionnement. Il en est ainsi : - des turbines mono - étage travaillant au même taux de détente qu'une turbine bi - étages, ce qui permet d'obtenir une pression statique en sortie sensiblement plus faible qu'avec une turbine bi-étage ; û des moteurs à tuyères axisymétriques, utilisées en particulier avec une architecture à arbre traversant. [0009]Selon des modes de mise en oeuvre préférés : - le refroidissement étant destiné à au moins un couple de pièces comportant un stator amont et un support d'anneau aval adjacent au stator, ce refroidissement est réalisé en mode série par une circulation successive d'un même flux d'air dans les deux pièces, en mode parallèle par des circulations indépendantes de flux d'air dans chacune des pièces ou en mode mixte par la circulation successive d'un même flux et une circulation indépendante dans la deuxième pièce par prélèvement de l'air ambiant au niveau du stator amont pour des refroidissements série et mixte, et au niveau de chaque pièce pour des refroidissements parallèle et mixte ; - les réintroductions avales dans la veine de sortie sont réalisées par des échappements parallèles ; - l'air prélevé est également mis en contact avec au moins une pièce moteur à refroidir comme par exemple le verrou de maintien du support d'anneau sur le bras du carter. [0010] L'invention a également pour objet un système de refroidissement de turbines de turbomachines comportant au moins un stator amont de distributeur à aubes fixes, un support d'anneau d'aubage mobile, un carter de turbine et une veine de sortie, le système étant apte à mettre en oeuvre le procédé ci-dessus. Ce système comporte une ouverture dans le carter en regard d'au moins une pièce à refroidir, une circulation d'air forcée en liaison avec cette pièce et au moins une sortie avale dans la veine. [0011]Selon des modes de réalisation particuliers : - une ouverture est formée dans le carter en regard d'une entrée de circulation d'air dans chaque aube du distributeur à refroidir, cette circulation étant réalisée par un circuit radial comportant au moins deux canaux, ainsi qu'une sortie d'air dans la veine de sortie de la turbine ; - une cavité axisymétrique est prévue entre les deux canaux pour homogénéiser la pression du flux d'air et réaliser un meilleur refroidissement des aubes fixes ; - le distributeur et le support d'anneau d'étanchéité du rotor d'une turbine sont refroidis en série par un canal de communication en sortie d'une aube de distributeur, lequel canal débouche dans une cavité en liaison radiale avec la face externe du support d'anneau puis vers la veine de sortie de la turbine par au moins un orifice formé dans le support d'anneau ; - le support d'anneau présente au moins un crochet amont apte à enserrer des brides sectorisées ou non lamées du carter et du distributeur pour former le canal de communication ; - le canal de chaque aube du distributeur comporte un prolongement débouchant directement dans la cavité pour former le canal de communication ; 25 - le refroidissement étant effectué en mode parallèle, le circuit radial de l'aube du distributeur débouche en regard d'une entrée de canal aménagé dans le support d'anneau du rotor pour le traverser jusqu'à la veine de sortie, et un orifice est formé dans le carter en vis-à-vis du support d'anneau pour prélever un flux d'air ambiant par aspiration et former un circuit de circulation d'air parallèle traversant la cavité et le support d'anneau par un orifice de sortie; - une tôle annulaire perforée est prévue dans la cavité du circuit de refroidissement du support d'anneau pour améliorer l'échange thermique avec l'air prélevé; - le refroidissement est effectué en mode série et/ou en parallèle par combinaison des circulations d'air série ou parallèle ci-dessus ; - la circulation d'air est réalisée par lamage des structures des aubes de stator et/ou des carters participant à cette circulation; - au moins un circuit d'air est équipé de clapets anti-retour d'air qui pourraient se situer au niveau des ouvertures pratiquées dans le carter. [0012] L'invention s'applique en particulier aux turbines mono - étages, et aux architectures moteurs à arbre traversant, permettant avantageusement l'utilisation de tuyères axisymétriques qui présentent des courbes de CP particulièrement favorables sur l'ensemble des régimes. [0013] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'exemples de réalisation ci-après, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : - la figure 1, une vue partielle en coupe d'un exemple de circuit de refroidissement en série d'un distributeur statorique et d'un support d'anneau d'étanchéité de rotor d'une turbine de turbomachine ; - les figures la et 1 b, un agrandissement de l'assemblage entre le distributeur et le carter par un crochet et une vue en coupe partielle selon I - I de la figure la au niveau de cet assemblage ; - la figure 1c, une vue partielle en coupe d'une cavité axisymétrique située entre les deux canaux de refroidissement ; - la figure 2, l'exemple de la figure 1 avec une étanchéité amont doublée et une variante de canal de circulation d'air dans le distributeur ; - la figure 3, une vue partielle en coupe d'un exemple de circuit de refroidissement en série d'un distributeur et d'un support d'anneau de rotor à aubes sans talon, et - la figure 4, une vue partielle en coupe d'un exemple de circuit de refroidissement en parallèle d'une turbine à aubage mobile sans talon. [0014] Les termes « interne » ou « externe » qualifient un élément vu du côté de l'axe de rotation de la turbine ou du côté opposé à cet axe. Par ailleurs, des signes de référence identiques sur les figures se rapportent à des éléments identiques ou équivalents. [0015] En référence à la figure 1, la turbine 1 se compose notamment d'un carter 3, d'un stator de distribution d'air ou distributeur à aubes fixes 7, d'un support d'anneau 9 d'étanchéité d'un aubage mobile 11, et d'une veine de sortie 13 d'accès aux tuyères (non représentées). Le carter 3 fixe la position du distributeur et du support d'anneau par des bras de support 3a, 3b et 3c. L'air sous capot est aspiré sous forme d'un flux Fs par dépression à travers un orifice d'admission 15 du carter 3 et jusqu'à la veine de sortie 13 à travers le distributeur 7 et le support d'anneau 9. [0016] L'orifice 15 est disposé en regard d'une ouverture d'entrée d'air 17 prévue à une extrémité d'un premier canal radial de circulation 19 à l'intérieur du distributeur 7. L'étanchéité amont du distributeur 7 sur le carter 3 est assurée par un joint 20 entre le premier bras amont 3a du carter 3 et un rebord amont 7r du distributeur 7. [0017] Une paroi radiale centrale 22 sépare le premier canal 19 d'un deuxième canal de circulation 24, les canaux étant également bordés par les bords d'attaque 7a et de fuite 7f des aubes du distributeur 7. Les deux canaux communiquent par une cavité 25 qui permet au flux Fs de circuler du premier au deuxième canal selon deux sens opposés. Dans une solution alternative, montrée à la figure 1c, une pièce 25a est fixée par tout moyen connu (vis, soudure) à l'extrémité de l'aube 7 pour assurer la transition entre les canauxl9 et 24. L'intérieur de cette pièce est usinée de façon à constituer une cavité axisymétrique 25b située entre les deux canaux 19 et 24 pour homogénéiser la pression du flux d'air FS et obtenir ainsi un meilleur refroidissement des aubes fixes 7. Cette configuration de pièce rapportée favorise également la fabrication de l'aube 7 puisque son extrémité radiale interne est ouverte. Des perturbateurs d'écoulement d'air 28, du type dit en « trombone », sont prévus à l'intérieur des canaux afin d'augmenter les transferts thermiques. [0018]A l'extrémité radiale du deuxième canal 24, le flux Fs pénètre et circule provoquant une convection forcée dans une cavité 26 située entre le carter 3 et la face externe Fe du support d'anneau 9. Une tôle annulaire 30 radialement externe est solidarisée en ses extrémités au support d'anneau fixe 9. Comme illustré plus particulièrement sur les figures 1 a et 1 b, la liaison entre le canal 24 et la cavité 26 est réalisée par des lamages 71 et 31 formées dans les bras 7b et 3b, respectivement, du distributeur 7 et du carter 3. Ces brides sont maintenues dans un crochet 32 constituant l'extrémité amont du support d'anneau 9. Des perforations 30a sont réalisées dans la tôle annulaire pour former un jet d'impact à vitesse d'air augmentée annulaire 30 afin de faciliter le transfert thermique entre le support d'anneau 9 et la cavité 26. La tôle annulaire est solidarisée en son extrémité amont à une face radiale du crochet 32. [0019] Dans l'exemple illustré, les aubes mobiles 11 sont équipées de talons 34 à leurs extrémités externes, en regard d'un matériau abradable en nid d'abeille 36. Ce matériau abradable est solidaire de la face interne Fi du support d'anneau 9. L'extrémité avale du support d'anneau 9, sur laquelle l'extrémité avale de la tôle annulaire 30 est solidarisée, et la bride avale 3c du carter 3 sont maintenues serrés par un verrou 38. Ce matériau permet de limiter les jeux entre les aubes mobiles 11 et le support d'anneau d'étanchéité 9 lors des dilatations des aubes, en particulier aux régimes élevés : les lèvres 34a du talon 34 peuvent alors pénétrer dans le matériau 36 sans se dégrader pour assurer l'étanchéité entre le rotor et l'anneau. [0020] Le flux Fs remonte par dépression, toujours en assurant une convection forcée, vers l'extrémité avale du support d'anneau puis est aspiré par une ouverture 40 réalisée dans le support d'anneau 9. Avantageusement, le transfert thermique peut être amélioré par convection forcée sur une surface rugueuse formée sur la tôle annulaire 30. Le flux s'échappe ensuite dans la veine 13 par des passages 42 en aval de l'aubage mobile 11. [0021]De manière alternative, d'une part, le joint d'étanchéité amont 20 de l'aube fixe 7 peut être un joint à lèvres en « w » et, d'autre part, le support d'anneau peut se présenter sous forme annulaire continue ou sous forme de secteurs annulaires (sectorisation). [0022] En variante, telle que représentée en figure 2, l'étanchéité amont du distributeur 7 est doublée : un emplacement pour un deuxième joint 44 est réalisé par la présence d'un épaulement 46, formé sur une excroissance du bord d'attaque 7a, en regard d'une rainure 48 aménagée dans la bride amont 3a du carter 3. [0023] De plus, la figure 2 montre une variante de passage du flux du deuxième canal de refroidissement 24 du distributeur 7 vers la cavité 26. Ce passage s'obtient par un prolongement 24p du canal 24. Ce prolongement vient, en se courbant et se rétrécissant dans l'exemple illustré, déboucher directement dans la cavité 26 par une ouverture 50 formée dans la bride 3b du carter 3. [0024]Selon une autre alternative, illustrée à la figure 3, l'aubage mobile ne présente pas de talon. Le support d'anneau 9 reste à distance suffisante du bord 11 b de l'aube 11 afin d'empêcher tout contact lors de dilatations thermiques de l'aubage mobile 11. De plus, une couche de matériau abradable 37 peut être projetée sur le support d'anneau pour assurer l'étanchéité en sommet de l'aubage. Cette configuration présente l'avantage de pouvoir disposer d'une cavité 26 de plus grand volume et donc d'une plus grande quantité de flux d'air Fs permettant un meilleur transfert thermique avec la face externe Fe du support d'anneau, avant échappement par l'ouverture 56 vers la veine de sortie 13. Une tôle annulaire perforée 30 peut également être prévue dans cette cavité, par exemple par soudage à mi-hauteur. De plus, le montage du support d'anneau 9 est simplifié par maintien sur le carter 3 à l'aide d'une bride 33. [0025] La figure 4 illustre un exemple de système de refroidissement en mode parallèle conforme à l'invention à partir d'une configuration d'aubage mobile 11 sans talon. Ce système de refroidissement comporte deux circuits de circulation de flux d'air Fs et Fs' indépendants. Le premier circuit se rapporte au refroidissement du distributeur 7 à partir de l'aspiration par l'ouverture 15 du carter 3 et la circulation de flux d'air Fs dans les canaux 19 et 24, telle que décrite en référence aux figures 1 et 2, jusqu'au premier lamage 71 formé dans le bras 7b du distributeur 7. Aucun lamage n'est ici formé dans la bride 3b du carter 3. Un canal 52 de sortie directe est formé dans le support d'anneau 9 en vis-à-vis du lamage 71 et débouche dans la veine de sortie 13. En sortie du lamage 71, l'air du flux Fs pénètre alors dans l'entrée 53 du canal 52 pour sortir dans la veine 13. [0026] Le deuxième circuit d'air est réalisé à partir d'un deuxième orifice 54 formé dans le carter 3 au niveau du support d'anneau 9. Par dépression, le flux d'air Fs' traverse la cavité 26 et sort par une deuxième ouverture 56 pratiquée dans le support d'anneau 9, parallèlement à la sortie du canal 52. Les deux circuits contribuent ainsi au refroidissement du support d'anneau 9. [0027] L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Ainsi, les circulations d'air en liaison avec le stator et avec le support d'anneau d'étanchéité peuvent être totalement indépendantes en prévoyant une sortie du canal radial 24 des aubes 7 du stator directement dans la veine 13. Il est par ailleurs possible de prévoir un nombre de canaux radiaux supérieur à deux dans les aubes du distributeur, plusieurs ouvertures dans le carter au niveau de chaque stator, distributeur, ou support d'anneau, ou encore des montages du distributeur ou du support d'anneau sur le carter par tout moyen approprié connu de l'homme de l'art (sertissage, frettage, soudage, etc.). Par ailleurs, le nombre de distributeurs et de rotors n'est pas limité à un mais correspond à toute turbine visée par la présente invention. Revendications1. Procédé de refroidissement de pièces (7, 9) de turbine (1)d'un moteur présentant à l'échappement une architecture à Cp positif sur l'ensemble des régimes de fonctionnement pour lesquels un refroidissement est souhaité, caractérisé en ce qu'il consiste à prélever (15, 54) un flux d'air ambiant (Fs, Fs') par aspiration au niveau d'au moins une pièce à refroidir (7, 9), suivi d'une traversée produisant une convection forcée (19, 24, 52, 26, 30) en liaison avec cette pièce (7, 9), puis d'une réintroduction avale (42, 56) de l'air dans la veine de sortie (13). 2. Procédé de refroidissement selon la revendication 1, dans lequel le refroidissement, destiné à au moins un couple de pièces comportant un stator amont (7) et un support d'anneau d'étanchéité (9) d'un aubage mobile (11) aval adjacent au stator (7), est réalisé en mode série par une circulation successive d'un même flux d'air (Fs) dans les deux pièces (7, 9), en mode parallèle par des circulations indépendantes de flux d'air (Fs, Fs') dans chacune des deux pièces (7, 9), ou en mode mixte par la circulation successive d'un même flux (Fs) dans les deux pièces et la circulation indépendante d'un deuxième flux (Fs') dans la deuxième pièce (9), par prélèvement d'air ambiant au niveau du stator amont (7) pour des refroidissements série et mixte, et de chaque pièce (7, 9) pour des refroidissements parallèle et mixte. 3. Procédé de refroidissement selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les réintroductions avales (52, 56) dans la veine de sortie(13) sont réalisées par des échappements parallèles. 4. Système de refroidissement de turbines de turbomachines pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes,comportant au moins un couple de pièces à refroidir composé d'un stator amont de distributeur à aubes fixes (7) et d'un support d'anneau d'étanchéité (9) d'un rotor à aubage mobile aval (11) adjacent au stator (7), un carter de turbine (3) et une veine de sortie (13), et caractérisé en ce qu'il comporte au moins une ouverture (15, 54) dans le carter (3) en regard d'au moins une pièce à refroidir (7, 9), une circulation d'air forcée (19, 24, 26) en liaison avec cette pièce (7, 9) et au moins une sortie avale (42, 56) dans la veine (13). 5. Système de refroidissement selon la revendication précédente, dans lequel une ouverture (15) est formée dans le carter (3) en regard d'une entrée (17) de circulation d'air dans chaque aube (7) du distributeur à refroidir, cette circulation étant réalisée par un circuit radial comportant au moins deux canaux (19, 24), ainsi qu'une sortie d'air (42) dans la veine de sortie (13) de la turbine. 6. Système de refroidissement selon la revendication précédente, dans lequel une cavité axisymétrique (25b) est prévue entre les deux canaux (19, 24) afin d'homogénéiser la pression du flux (FS) et réaliser un meilleur refroidissement des aubes fixes (7). 7. Système de refroidissement selon la revendication 4 ou 5, dans lequel le refroidissement du distributeur (7) et du support d'anneau d'étanchéité (9) de rotor de turbine étant effectués en série, un canal de communication (3e, 7e; 24p) en sortie d'une aube du distributeur (7) débouche dans une cavité (26) en liaison radiale avec la face externe (Fe) du support d'anneau (9) puis vers la veine de sortie (13) de la turbine par au moins un orifice (40) formé dans le support d'anneau (9). 8. Système de refroidissement selon la revendication précédente, dans lequel le support d'anneau présente au moins un crochet amont (32) apte à enserrer des brides lamées (3b, 7b) du carter et de l'aube du distributeur pour former le canal de communication. 9. Système de refroidissement selon la revendication 7, dans lequel le canal de circulation (19, 24) dans chaque aube (7) du stator comporte un prolongement (24p) débouchant directement dans la cavité (26) pour former le canal de communication. 10.Système de refroidissement selon la revendication 4 ou 5, dans lequel, le refroidissement étant effectué en mode parallèle, le circuit radial de l'aube du distributeur (7) débouche en regard d'une entrée (52) de canal aménagé dans e support d'anneau (9) du rotor pour le traverser jusqu'à la veine de sortie (13), et un orifice (54) est formé dans le carter (3) en vis-à-vis du support d'anneau (9) pour prélever un flux d'air ambiant (Fs') par aspiration et former un circuit de circulation d'air parallèle traversant la cavité (26) et le support d'anneau (9) par un orifice de sortie (56). 11. Système de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel une tôle annulaire perforée (30) est prévue dans la cavité (26) du circuit de refroidissement de l'anneau (9). 25