Brevet FR2970746A1 — publié le 20120727

TURBOMACHINE A TURBINES HAUTE PRESSION ET BASSE PRESSION IMBRIQUEES DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne une turbomachine dans laquelle les turbines haute pression et basse pression sont imbriquées. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEUR Les turbomachines double flux comportent généralement une veine centrale dite « veine primaire » dans laquelle se trouve un compresseur basse pression, suivi d'un compresseur haute pression, d'une chambre de combustion, d'une turbine haute pression et d'une turbine basse pression. Chaque compresseur comporte généralement un rotor et un stator, de même que chaque turbine comporte généralement un rotor et un stator. Le rotor du compresseur basse pression est relié au rotor de la turbine basse pression par un arbre basse pression, de sorte que ces deux éléments sont solidaires en rotation. Le rotor du compresseur haute pression est relié au rotor de la turbine haute pression par un arbre haute pression de sorte que ces deux éléments sont solidaires en rotation. La veine primaire est parcourue par un flux primaire. La veine primaire est entourée par une veine secondaire qui est parcourue par un flux secondaire et une première soufflante est placée en entrée de la veine primaire et de la veine secondaire. Cette première soufflante est généralement solidaire de l'arbre basse pression de sorte qu'elle est entraînée en rotation par l'arbre basse pression, ce qui lui permet d'injecter le flux secondaire dans la veine secondaire. La présence du flux secondaire est particulièrement avantageuse car elle permet d'améliorer le rendement propulsif du moteur. En effet, plus le débit de flux secondaire est important par rapport au débit du flux primaire, plus le rendement propulsif du moteur est élevé. On cherche donc à améliorer le taux de dilution des turbomachines, c'est-à-dire le rapport du débit d'air en dehors de la veine primaire sur le débit d'air dans la veine 2 primaire, tout en ayant un nombre d'étages réduits, afin de réduire la masse de la turbomachine. L'inertie de la première soufflante augmentant avec le taux de dilution, une puissance plus importante est demandée à la turbine pour augmenter le taux de dilution. De plus si la turbine est reliée directement à la première soufflante, elle voit sa vitesse angulaire diminuer avec le taux de dilution. Pour rester à une charge acceptable, il faut alors augmenter le nombre d'étages de la turbine basse pression. Une autre solution est de mettre un réducteur entre la turbine basse pression et la première soufflante pour limiter le nombre d'étages de la turbine basse pression. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique en proposant une turbomachine moins lourde et moins encombrante que celles de l'art antérieur, mais qui est capable d'atteindre un fort taux de dilution, c'est-à-dire un taux de dilution supérieur à 10. Un autre objet de l'invention est de proposer une turbomachine qui présente une complexité technique limitée. Un autre objet de l'invention est de proposer une turbomachine qui présente une masse réduite tout en présentant le même taux de dilution que les turbomachines de l'art antérieur. Pour ce faire, est proposé selon un premier aspect de l'invention, une turbomachine comportant : - Une turbine basse pression comportant un rotor ; - Une turbine haute pression comportant un rotor ; le rotor de la turbine haute pression étant imbriqué dans le rotor de la turbine basse pression de façon à former une turbine contrarotative. Le fait d'imbriquer les rotors des turbines basse pression et haute pression permet de réduire la taille de la turbomachine, ainsi que son poids. 3 Dans ce document, les termes « amont » et « aval » sont utilisés en référence au sens d'écoulement des fluides dans la turbomachine, et en particulier au sens d'écoulement d'un flux primaire dans la veine primaire. La turbomachine peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques additionnelles décrites ci-après, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles. Selon différents modes de réalisation : - la turbomachine comporte en outre un compresseur haute pression comportant un rotor, le rotor du compresseur haute pression étant entraîné en rotation par le rotor de la turbine haute pression ; - le rotor du compresseur haute pression comporte un pied, le rotor de la turbine haute pression comportant un pied, le pied du rotor du compresseur haute pression et le pied du rotor de la turbine haute pression étant fixés à un arbre dit « haute pression » ; - le rotor du compresseur haute pression comporte une tête, le rotor de la turbine haute pression comportant une tête, la tête du rotor du compresseur haute pression et la tête du rotor de la turbine haute pression étant fixées à un arbre dit « haute pression » ; - la turbomachine comporte en outre un compresseur basse pression comportant un rotor, le rotor du compresseur basse pression étant entraîné en rotation par le rotor de la turbine basse pression ; - le rotor du compresseur basse pression comporte un pied, le rotor de la turbine basse pression comportant un pied, le pied du rotor du compresseur basse pression et le pied du rotor de la turbine basse pression étant fixés à un arbre dit « basse pression » ; - le rotor de la turbine basse pression comporte plusieurs étages d'aubes, chaque étages d'aubes présentant une tête, les têtes des étages d'aubes du rotor de la turbine basse pression étant reliées entre elles par l'intermédiaire d'un tambour extérieur ; - un des étages d'aubes présente un pied, le rotor du compresseur basse pression comportant un pied, le pied du compresseur basse pression et le 4 pied dudit un des étages d'aubes étant reliés ensemble par l'intermédiaire d'un arbre basse pression ; La turbomachine comporte : - une veine primaire dans laquelle sont situées les turbines basse pression et haute pression, et - une veine secondaire, la veine primaire et la veine secondaire étant séparées l'une de l'autre par un carter intermédiaire, - une chambre de combustion, la chambre de combustion étant fixée au carter intermédiaire ; - le compresseur haute pression comporte un stator présentant un pied, le pied du stator du compresseur haute pression étant fixé à un carter central, la turbomachine comportant en outre une chambre de combustion, la chambre de combustion étant fixée au carter central ; - le rotor de la turbine basse pression comporte plus d'étages d'aubes que le rotor de la turbine haute pression ; - la turbine basse pression comporte en outre un stator - la turbomachine comporte en outre un réducteur permettant de dissocier la vitesse du compresseur basse pression de la vitesse de la turbine basse pression ; - la turbomachine comporte une aube fixe en amont de la turbine contrarotative. BREVES DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : - La figure 1, une représentation schématique d'une demi turbomachine en 25 coupe selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - La figure 2, une représentation schématique d'une demi turbomachine en coupe selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;20 - La figure 3, une représentation schématique d'une demi turbomachine en coupe selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; - La figure 4, une représentation schématique d'une demi turbomachine en coupe selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ; 5 - La figure 5, une représentation schématique d'une demi turbomachine en coupe selon un cinquième mode de réalisation de l'invention ; - La figure 6, une représentation schématique d'une demi turbomachine en coupe selon un sixième mode de réalisation de l'invention ; - La figure 7, une représentation schématique d'une demi turbomachine en coupe selon un septième mode de réalisation de l'invention. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de références identiques sur l'ensemble des figures. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION La figure 1 représente schématiquement une demi-turbomachine selon un premier mode de réalisation. La turbomachine présentant une symétrie de révolution autour d'un axe de référence 1, seule la moitié de la turbomachine a été représentée. La turbomachine comporte une veine primaire 2 qui présente une symétrie de révolution autour de l'axe de référence 1. La veine primaire 2 est entourée par une veine secondaire 12. Les veines primaire 2 et secondaire 12 sont séparées par un carter intermédiaire 13. La turbomachine comporte en outre, à l'intérieur de la veine primaire 2: - Un compresseur basse pression 4, qui comporte un rotor 4a et un stator 4b ; - Un compresseur haute pression 5, en aval du compresseur basse pression 4, qui comporte un rotor 5a et un stator 5b ; - Une chambre de combustion 6 en aval du compresseur haute pression 6 - Une turbine haute pression en aval de la chambre de combustion, la turbine haute pression comportant un rotor 7; - Une turbine basse pression comportant un rotor 8. Le rotor 7 de la turbine haute pression comporte plusieurs étages d'aubes 7a, 7b, 7c. Le rotor 8 de la turbine basse pression comporte plusieurs étages d'aubes 8a, 8b. Le rotor 7 de la turbine haute pression et le rotor 8 de la turbine basse pression sont imbriqués l'un dans l'autre de façon à former une turbine contrarotative. Pour cela, les étages d'aubes 7a, 7b, 7c du rotor de la turbine haute pression sont intercalés avec les étages d'aubes 8a, 8b du rotor de la turbine basse pression, c'est-à-dire que deux étages d'aubes consécutifs 7a, 7b (respectivement 7b, 7c) du rotor de la turbine haute pression sont séparés par un étage d'aubes 8a (respectivement 8b) de la turbine basse pression, et inversement. La chambre de combustion 6 et les stators 4b et 5b des compresseurs basse et haute pression sont fixés au carter intermédiaire 13. Les stators 4b et 5b des compresseurs basse et haute pression sont donc fixés au carter intermédiaire 13 par leurs têtes 30, 31. Le rotor 5a du compresseur haute pression 5 est relié au rotor 8 de la turbine haute pression de façon à ce que le rotor 5a du compresseur haute pression soit entraîné en rotation par le rotor 8 de la turbine haute pression. Pour cela, le rotor 8 de la turbine haute pression présente un pied 15 qui est relié à un arbre haute pression 9 et le rotor 5a du compresseur haute pression présente également un pied 14 qui est relié à l'arbre haute pression 9. Les étages d'aubes 8a, 8b du rotor 8 de la turbine haute pression sont donc reliés entre eux et avec le rotor 5a du compresseur haute pression par l'intermédiaire de l'arbre haute pression 9. Le rotor 8 du compresseur haute pression et le rotor 5a du compresseur haute pression sont donc disposés autour de l'arbre haute pression 9. Les étages d'aubes 7a, 7b, 7c du rotor de la turbine basse pression sont reliés entre eux par l'intermédiaire de leurs têtes 10a, 10b, 10c. Ainsi, les têtes 10a, 10b, 10c des étages d'aubes 7a, 7b, 7c du rotor de la turbine basse pression sont reliés entre elles 7 par l'intermédiaire d'un tambour extérieur 11 qui entoure le rotor 7 de la turbine basse pression. L'étage d'aubes 7c qui se trouve le plus en aval présente un pied 16, ce pied 16 étant relié à un arbre basse pression 17. Le rotor 4a du compresseur basse pression présente également un pied 18 qui est relié à l'arbre basse pression 17 de sorte que le rotor 4a du compresseur basse pression est entraîné en rotation par le rotor 7 de la turbine basse pression par l'intermédiaire de l'arbre basse pression 17. La turbomachine comporte également une soufflante 19 disposée en amont des veines primaire 2 et secondaire 12 de façon à injecter un flux primaire 20 dans la veine primaire 2 et un flux secondaire 21 dans la veine secondaire 12. La soufflante 19 est également reliée à l'arbre basse pression 17. La turbomachine comporte également un réducteur 22 situé sur l'arbre basse pression 17 entre la partie de l'arbre basse pression sur laquelle est fixée la soufflante 19 et la partie de l'arbre basse pression sur laquelle sont fixés le rotor du compresseur basse pression et le rotor de la turbine basse pression. Le réducteur 22 permet d'équilibrer le couple produit par le rotor 7 de la turbine basse pression et par le rotor 8 de la turbine haute pression de façon à ce que le rapport du couple produit par le rotor 7 de la turbine basse pression et du couple produit par le rotor 8 de la turbine haute pression soit sensiblement égal à 1. La figure 2 représente une turbomachine selon un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel le rotor de la turbine basse pression 7 comprend, outre les étages d'aubes 7a, 7b, 7c qui sont imbriqués dans les étages d'aubes 8a, 8b de la turbine haute pression des étages d'aubes additionnels 7d, 7e. Ces étages d'aubes additionnels 7d, 7e sont imbriqués dans un stator 7f, 7g. Ce stator 7f, 7g est fixé par sa tête 23 au carter intermédiaire 13. Ces étages d'aubes additionnels 7d, 7e permettent d'augmenter le couple généré par la turbine basse pression. En outre, comme représenté sur la figure 3, lorsque des étages d'aubes additionnels 7d, 7e sont présents, le réducteur 22 peut être supprimé puisque le rapport des couples produits par la turbine basse pression et par la turbine haute pression peut être contrôlé par l'ajout des étages d'aubes additionnels 7d, 7e. 2970746 s La figure 4 représente une turbomachine selon un autre mode de réalisation dans lequel au lieu de fixer les étages d'aubes 8a, 8b du rotor 8 de la turbine haute pression par leur pied, on les fixe par leur tête 24. Contrairement aux modes de réalisation des figures 1 à 3 dans lesquels l'arbre haute pression 9 était entouré par 5 le rotor 8 de la turbine haute pression, dans ce mode de réalisation, c'est le rotor 8 de la turbine haute pression qui est entouré par l'arbre haute pression 9. L'arbre haute pression 9 forme alors un tambour qui entoure le rotor 8 de la turbine haute pression, ainsi que le rotor 5a du compresseur haute pression. En effet, le rotor 5a du compresseur haute pression est également fixé à l'arbre haute pression 9 par sa 10 tête 25. Le rotor 7 de la turbine basse pression est lui fixé par son pied 26 à l'arbre basse pression 17, c'est-à-dire que tous les étages d'aubes du rotor 7 de la turbine basse pression sont fixés par leur pied 26 à l'arbre basse pression. Le rotor 4a du compresseur basse pression est lui fixé par son pied 18. 15 Le stator 4b du compresseur basse pression est fixé par sa tête 30 au carter intermédiaire 13. Le stator 5b du compresseur haute pression est lui fixé à un carter central 28. Le carter central 28 est en aval du stator 4b du compresseur basse pression. Le carter central 28 est fixé à l'étage d'aube 30 du stator 4b du compresseur basse pression 20 qui est situé le plus en aval. La chambre de combustion 6 est fixée au carter central 28. La turbomachine comporte également une soufflante 19 disposée en amont de la veine primaire 2 et de la veine secondaire 12. La soufflante 19 est fixée à l'arbre basse pression 17. Un réducteur 22 peut éventuellement être disposé entre la partie 25 de l'arbre basse pression sur lequel est fixé la soufflante 19 et la partie de l'arbre basse pression sur lequel est fixé le rotor du compresseur basse pression. La figure 5 représente une demi-turbomachine, identique à celle du mode de réalisation de la figure 4, à l'exception du fait que dans la turbomachine de la figure 5, la turbine basse pression comporte, outre les étages d'aubes 7a, 7b qui sont 30 imbriqués dans les étages d'aubes 8a, 8b de la turbine haute pression des étages 9 d'aubes additionnels 7d, 7e. Ces étages d'aubes additionnels 7d, 7e sont imbriqués dans un stator 7f. Ce stator 7f est fixé par sa tête 23 au carter intermédiaire 13. Ces étages d'aubes additionnels 7d, 7e permettent d'augmenter le couple généré par la turbine basse pression. La figure 6 représente un autre mode de réalisation dans lequel le rotor 7 de la turbine basse pression comporte des étages d'aubes additionnels 7d, 7e, 7h imbriqués dans des étages d'aubes de stator 7f, 7g. Dans ce mode de réalisation, on peut enlever le réducteur 22 disposé sur l'arbre basse pression 17 étant donné que les étages d'aubes additionnels 7d, 7e, 7h permettent d'équilibrer le couple produit par la turbine basse pression et le couple produit par la turbine haute pression. Le nombre d'étages d'aubes additionnels 7d, 7e, 7h est de préférence suffisant pour pouvoir se passer d'un réducteur. La figure 7 représente un autre mode de réalisation dans lequel la turbomachine comporte en outre une aube fixe 32 disposée en amont de la turbine contrarotative formée par le rotor 7 de la turbine basse pression et le rotor 8 de la turbine haute pression. Cette aube fixe 32 permet de récupérer le flux axial issu de la chambre de combustion 6 de façon à le mettre en mouvement pour mieux alimenter la turbine contrarotative. Cette aube fixe 32 est située entre la chambre de combustion 6 et la turbine contrarotative. Les turbomachines des modes de réalisation des figures 1 à 6 peuvent également comprendre une telle aube fixe 32 qui permet d'optimiser l'écoulement du flux 20 dans la veine primaire 2. Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, bien que l'invention ait été décrite dans le cadre d'une turbomachine double flux, elle pourrait également être mise en oeuvre dans le cadre d'une turbomachine triple flux. REVENDICATIONS1. Turbomachine comprenant : - Une turbine basse pression comportant un rotor (7); - Une turbine haute pression comportant un rotor (8) ; caractérisée en ce que le rotor (8) de la turbine haute pression est imbriqué dans le rotor (7) de la turbine basse pression de façon à former une turbine contrarotative. 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un compresseur haute pression (5) comportant un rotor (5a), le rotor (5a) du compresseur haute pression étant entraîné en rotation par le rotor (8) de la turbine haute pression. 3. Turbomachine selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le rotor (5a) du compresseur haute pression comporte un pied (14), le rotor (8) de la turbine haute pression comportant un pied (15), le pied (14) du rotor (5a) du compresseur haute pression et le pied (15) du rotor (8) de la turbine haute pression étant fixés à un arbre haute pression (9). 4. Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce que le rotor (5a) du compresseur haute pression comporte une tête (25), le rotor (8) de la turbine haute pression comportant une tête (24), la tête (25) du rotor (5a) du compresseur haute pression et la tête (24) du rotor (8) de la turbine haute pression étant fixées à un arbre haute pression (9). 5. Turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un compresseur basse pression (4) comportant un rotor (4a), le rotor (4a) du compresseur basse pression (4) étant entraîné en rotation par le rotor (7) de la turbine basse pression. Il 6. Turbomachine selon la revendication précédente et selon la revendication 4, caractérisée en ce que le rotor (7) du compresseur basse pression comporte un pied (18), le rotor (7) de la turbine basse pression comportant un pied (26), le pied (18) du rotor (4a) du compresseur basse pression et le pied (26) du rotor (7) de la turbine basse pression étant fixés à un arbre basse pression (17). 7. Turbomachine selon la revendication 5 et la revendication 3, caractérisée en ce que le rotor (7) de la turbine basse pression comporte plusieurs étages d'aubes (7a, 7b, 7c), chaque étages d'aubes (7a, 7b, 7c) présentant une tête (10a, 10b, 10c), les têtes (10a, 10b, 10c) des étages d'aubes (7a, 7b, 7c) du rotor (7) de la turbine basse pression étant reliées entre elles par l'intermédiaire d'un tambour extérieur (11). 8. Turbomachine selon la revendication précédente, caractérisée en ce que un des étages d'aubes (7c) présente un pied (16), le rotor (4a) du compresseur basse pression comportant un pied (18), le pied (18) du rotor (4a) du compresseur basse pression et le pied (16) dudit un des étages d'aubes (7c) étant reliés ensemble par l'intermédiaire d'un arbre basse pression (17). 9. Turbomachine selon l'une des revendications 3, 5, 7 ou 8, caractérisée en ce qu'elle comporte - une veine primaire (2) dans laquelle sont situées les turbines basse pression et haute pression, et - une veine secondaire (12), la veine primaire (2) et la veine secondaire (12) étant séparées l'une de l'autre par un carter intermédiaire (13), - une chambre de combustion (6), la chambre de combustion (6) étant fixée au carter intermédiaire (13). 10. Turbomachine selon l'une des revendications 2, 4 ou 6, caractérisée en ce que le compresseur haute pression (5) comporte un stator (5b) présentant 12 un pied (29), le pied (29) du stator (5b) du compresseur haute pression (5) étant fixé à un carter central (28), la turbomachine comportant en outre une chambre de combustion (6), la chambre de combustion (6) étant fixée au carter central (28). 11. Turbomachine selon l'une des revendications 2, 4, 6 ou 10, caractérisée en ce que le rotor (7) de la turbine basse pression comporte plus d'étages d'aubes que le rotor (8) de la turbine haute pression. Zo 12. Turbomachine selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la turbine basse pression comporte en outre un stator (7f, 7g). 13. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 6 à 12 lorsqu'elles dépendent de l'une des revendications 6 ou 8, caractérisée en ce 15 qu'elle comporte en outre un réducteur permettant de dissocier la vitesse du compresseur basse pression de la vitesse de la turbine basse pression. 14. Turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une aube fixe (32) en amont de 20 la turbine contrarotative.5