Brevet FR2965010A1 — publié le 20120323

La présente invention concerne le refroidissement de carters de turbines dans un moteur à turbine à gaz, notamment de turbine basse pression dans un moteur multi-corps et plus particulièrement dans un moteur double corps. Un moteur à turbine à gaz double corps comprend en aval de la chambre de combustion une turbine dite à haute pression, désignée HP, suivie d'une turbine dite à basse pression, désignée BP, cette dernière étant alimentée par les gaz partiellement détendus dans la turbine à haute pression. Dans les moteurs à application aéronautique à usage commercial, la turbine BP est composée de plusieurs étages. Les roues des aubes des différents étages sont montées sur un rotor commun, coaxial avec le rotor de la turbine HP. Des roues d'aubes statoriques formant distributeurs sont intercalées entre les roues de turbine. Chaque étage d'aubes statoriques a pour fonction de distribuer les gaz moteurs de l'étage amont sur l'étage de turbine aval. Les aubes de distributeurs sont disposées radialement par rapport à l'axe du moteur en étant fixées à la paroi interne du carter formant l'enveloppe de la turbine BP. Un mode de fixation comprend des rails transversaux, usinés sur la face interne de la paroi du carter de turbine. Les rails ont une section en forme de crochet ouvert vers l'aval et ménageant une face d'appui radial sur laquelle est glissé un rail de profil complémentaire ménagé sur les jantes des roues de distributeurs. Le montage des anneaux de turbine comprend également un système de rails. En pied d'aubes, les distributeurs sont solidaires d'un anneau de joint à labyrinthes assurant l'étanchéité interne avec le rotor de turbine. Les anneaux de turbines forment l'enveloppe externe cylindrique balayée par les sommets des aubes mobiles de turbine ; l'espace entre les anneaux de turbine et les talons des aubes est configuré pour former des joints à labyrinthe et assurer l'étanchéité aux gaz moteur en définissant un jeu en sommet d'aubes aussi réduit que possible. Pendant un cycle de fonctionnement du moteur, le flux de gaz moteur et la température varient avec pour conséquence une variation de la température du carter de turbine. Il est nécessaire de maîtriser l'évolution de la température de ce dernier pour éviter d'une part une surchauffe de certains de ses éléments, comme les crochets mentionnés ci-dessus, et d'autre part de maîtriser les jeux en sommets des aubes de turbine. En phase de décollage et de montée de l'aéronef, il faut ainsi réduire la température du carter de turbine BP pour garantir la tenue mécanique des crochets. Il faut également réduire la température du carter en phase de croisière pour 2 réduire les jeux en sommet d'aubes mobiles ainsi que les jeux en pied d'aubes de distributeurs. De la qualité de ces jeux dépendent le rendement de la machine et la consommation spécifique. On cherche à réduire celle-ci autant que possible. Il est connu de réaliser des systèmes de ventilation du carter permettant de refroidir les éléments du stator. Par exemple, un moteur commercial existant tel que le moteur CFM56 comprend un système de ventilation de la paroi externe du carter associé à un balayage interne des deux premiers crochets du côté amont de la turbine. Le système de ventilation externe du carter est formé de tubes disposés au droit des crochets sur lesquels sont montés les distributeurs et les anneaux de turbine. Les tubes sont alimentés en air prélevé en amont, au compresseur fan, et sont pourvus d'orifices pour refroidir par impact la paroi de carter dans les zones où se situent les crochets. Le second système est constitué d'air prélevé dans la cavité de distributeur amont. Ces systèmes de ventilation sont efficaces mais peuvent être perfectionnés. Le refroidissement par impact est très localisé et entraîne des gradients de température très importants dans les crochets les plus chauds ; ces gradients de température sont susceptibles d'affecter la durée de vie des pièces. Ces gradients peuvent également être associés à une répartition non homogène des températures sur la circonférence du carter, résultant d'une répartition hétérogène des circulations d'air à l'intérieur de la nacelle enveloppant le moteur. Il s'ensuit la manifestation de distorsions de la paroi du carter susceptibles de pénaliser les jeux en sommet d'aubes et sous les distributeurs, et donc la performance de la machine. La présente invention vise à remédier à ce problème. Conformément à l'invention, le dispositif pour refroidir la paroi extérieure du carter de turbine d'un moteur à turbine à gaz, la turbine comportant une pluralité d'étages avec des roues de distributeurs et des anneaux de turbine fixés à la paroi interne du carter par des moyens de fixation formant crochets et solidaires de la paroi du carter, est caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un moyen de refroidissement par impact d'air et un moyen de refroidissement par convection, le moyen de refroidissement par impact refroidissant au moins une zone de la paroi correspondant à un premier des desdits moyens de fixation, le moyen de refroidissement par convection refroidissant une zone de la paroi correspondant à un second desdits moyens de fixation. 3 Par l'invention, on assure un refroidissement différencié, tous les moyens de fixation ne nécessitant pas la même intensité de refroidissement ; on localise le mode de refroidissement le plus intense, c'est-à-dire par impact, dans les zones critiques, le refroidissement par convection étant réservé aux zones non critiques. On qualifie de critiques les moyens de fixation situés le long du carter dans des zones où une surchauffe du moyen de fixation peut survenir. La localisation dépend du moteur. Ainsi pour un certain type de moteur les zones critiques sont localisées un crochet sur deux, pour un autre type de moteur les zones critiques sont localisées un peu en aval de l'entrée de la turbine. Par ailleurs le refroidissement par convection permet une répartition des températures plus homogène dans les zones non critiques. Afin de rendre le refroidissement par convection plus efficace on dispose avantageusement des éléments perturbateurs dans le parcours de l'air de refroidissement. 20 On assure une utilisation optimale de l'air de refroidissement avec un moyen de guidage de l'air après impact pour assurer au moins en partie le refroidissement par convection. On réduit ainsi la consommation d'air de refroidissement. 25 De préférence, le dispositif comprend un moyen d'isolation thermique du carter, ledit moyen d'isolation thermique ménageant avec la paroi du carter un espace formant le moyen de guidage d'air de convection. Un tel agencement permet de combiner le guidage de l'air de refroidissement et l'isolation thermique du carter par rapport à la circulation d'air entre le 30 moteur et la paroi de la nacelle dans laquelle le moteur est compris. On réduit de cette façon les hétérogénéités de température qui en résultent. Selon un mode de réalisation du dispositif de refroidissement, le moyen de refroidissement par impact d'air comprend des tubes transversaux, disposés 35 au droit des premiers moyens de fixation et percés d'orifices d'injection d'air en direction de la zone à refroidir. Selon un mode de réalisation particulier, les premiers moyens de fixation alternant vers l'aval avec les seconds moyens de fixation, une tôle d'isolation thermique étant disposée entre deux desdits tubes, avec des orifices d'évacuation d'air côté aval des 40 tôles. Ainsi, selon ce mode de réalisation, la tôle d'isolation thermique15 4 ménage un espace annulaire entre deux tubes de refroidissement par impact 1 long duquel la paroi est refroidie par convection. Selon un autre mode de réalisation, le moyen de refroidissement par impact comprend un boîtier collecteur d'air alimentant au moins une tôle percée d'orifices d'injection d'air en direction de la zone des premiers moyen de fixation à refroidir. L' invention porte également sur le turbomoteur à turbine à gaz comprenant 10 un dispositif de refroidissement tel que décrit ci-dessus. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de 15 l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. La figure 1 représente une vue en élévation d'un moteur à turbine à gaz, La figure 2 représente une vue partielle en coupe longitudinale d'une 20 turbine comprenant le carter et le moyen de refroidissement selon l'art antérieur ; La figure 3 représente une vue partielle en coupe longitudinale d'une turbine comprenant le carter et un moyen de refroidissement selon un mode de réalisation de l'invention ; 25 La figure 4 représente un autre mode de réalisation de l'invention. En se reportant à la figure 1 on voit un moteur à turbine à gaz 1 à application aéronautique constituant un turboréacteur à double corps et à double flux. Il comporte de l'amont vers l'aval dans le sens d'écoulement 30 de l'air à travers le moteur, une soufflante avant 2, un compresseur de gavage, l'ensemble formant l'unité de compresseur BP 3, un compresseur HP 4, la chambre de combustion 5, la turbine HP 6, la turbine BP 7 et la tuyère 8 de flux primaire. 35 Pour piloter les jeux entre les parties mobiles et fixes de la turbine BP, tout en refroidissant les points chauds, il est connu de disposer sur le carter de la turbine BP des tubes transversaux parallèlement les uns aux autres en vis-à-vis des zones que l'on souhaite refroidir. Les tubes sont alimentés en air de refroidissement et comprennent des perforations par lesquelles l'air est 40 délivré sous la forme de jets projetés contre la paroi. Le refroidissement est localisé à la zone d'impact des jets d'air et est très efficace. Sur la figure 2, on voit une partie de la turbine BP 7 du moteur de la figure 1. La turbine BP comprend plusieurs étages, ici cinq, d'aubes mobiles agencés en roues 10 de l'amont vers l'aval. Les roues mobiles sont séparées 5 par des roues 20 d'aubes fixes formant des distributeurs entre les étages mobiles. Le carter 30 enveloppant la turbine comprend des rails 31 et 32 formant des moyens de fixation des roues d'aubes de distributeurs. Les rails sont annulaires et perpendiculaires à l'axe moteur ; ils sont en forme de crochets quand ils sont vus en coupe, tels que sur la figure ; les rails 31 comprennent une partie parallèle à l'axe moteur avec une surface d'appui radial. Entre cette surface et la paroi du carter, sont glissés les crochets amont des couronnes de distributeurs. En aval les crochets aval des couronnes de distributeurs sont en appui contre la face radialement interne des crochets 32 chacun situés à l'aval d'un crochet 31. Les crochets 32 forment un appui amont radial aux crochets correspondants des éléments d'anneaux de turbine. Les éléments d'anneau de turbine sont conformés de manière à former un joint à labyrinthes avec les talons des aubes mobiles qui sont en vis-à-vis. Les crochets 31 et 32 forment ainsi une succession de moyens de fixation des distributeurs et des anneaux de turbine des différents étages de la turbine. Pour piloter la dilation du carter en fonction des phases de fonctionnement de la machine et aussi éviter la surchauffe des moyens de fixation, on a prévu un dispositif de refroidissement par impact d'air. Les tubes 40 sont disposés sur le carter à distance déterminée de la paroi, concentriquement aux moyens de fixation 31 et 32. Les tubes 40 sont alimentés en air par des moyens non représentés. Cet air est projeté en jets contre la paroi du carter. En contrôlant le débit de l'air, on pilote la dilation de la paroi du carter et, par voie de conséquence, les jeux entre les parties mobiles et les parties fixes de la turbine BP. Pour éviter les hétérogénéités et les gradients de température, on propose, conformément à l'invention, un dispositif combiné de refroidissement par impact et par convection. Sur la figure 3, illustrant un premier mode de réalisation, on retrouve la turbine BP constituée des mêmes éléments que précédemment, à l'exception du dispositif de refroidissement de la paroi du carter. 40 Le dispositif comprend quatre tubes 140 transversaux concentriques à la paroi de carter 30. Les tubes sont perforés pour la formation de jets d'air35 refroidissant par impact la paroi de carter. Les tubes sont situés axialement au niveau des moyens de fixation amont des distributeurs 20. Sur la figure sont représentés quatre distributeurs 20 fixés par leur crochet amont aux moyens de fixations 31 en forme de crochet. Plusieurs tôles 141annulaires sont fixées extérieurement à distance de la paroi de carter 30. Elles s'étendent en aval de chacun des tubes 140 et ménagent un canal annulaire de convection avec la paroi de carter 30. Ces canaux annulaires sont fermés en amont par une cloison radiale 142 s'étendant entre les tubes 140 et la paroi 30. L'air issu des tubes 140 après avoir frappé la paroi 30 est guidé ainsi vers l'aval le long de la paroi, assurant son refroidissement par convection. Les caractéristiques de l'air issu des tubes sont déterminées de manière à ce que, après impact de la paroi, celui-ci remplisse également la fonction de refroidissement de la paroi 30. L'air est évacué par les passages 145 entre la partie aval des tôles 141 et les tubes 140 en aval. Afin d'accroître les échanges thermiques entre le flux d'air le long de la paroi de carter et la paroi elle-même, il est avantageux de ménager des perturbateurs 143 de l'écoulement qui en créant des turbulences dans l'écoulement accélèrent les échanges thermiques entre l'air circulant dans le canal et la paroi elle même. Ces perturbateurs 143 peuvent être formés par des nervures transversales qui s'étendent radialement depuis la paroi 30. Des picots conviennent également. La figure 4 représente une variante d'exécution de l'invention. On retrouve la turbine BP qui n'est pas modifiée. Le dispositif comprend un boîtier collecteur annulaire 240 posé sur une tôle d'isolation thermique 241, également annulaire. Le boîtier est localisé dans la zone du carter pour laquelle on souhaite intensifier le refroidissement par rapport aux autres parties de la paroi 30 du carter. Il s'agit dans cet exemple de deux moyens de fixation 31 et 32 en aval du premier distributeur 20. La tôle 241 ménage un espace annulaire avec la paroi 30 du carter. Des perturbateurs 243 ont été prévus le long de la paroi dans les zones où il s'agit aussi d'intensifier le refroidissement. Une cloison radiale 242, intermédiaire, sous le boîtier collecteur 240 définit deux circuits de refroidissement par convection, indiqués par les flèches, l'un vers l'amont, l'autre vers l'aval. La tôle 241 est percée d'orifices de refroidissement par impact au niveau du boîtier collecteur 240. Le fonctionnement du dispositif de refroidissement selon cette variante est le suivant. Le boîtier collecteur 240 est alimenté en air de refroidissement depuis une source appropriée située à l'amont du carter de turbine BP. L'air 7 sous pression présent dans le collecteur est éjecté au travers des orifices de la tôle 241, en direction de la paroi de carter. Les jets d'air issus de la paroi 241, sont agencés de façon à assurer le refroidissement requis de la zone d'impact par ceux-ci. Cet air est guidé ensuite le long des deux canaux de convection délimités par la cloison 142, la paroi 30 du carter et la tôle 241, l'un vers l'amont l'autre vers l'aval. L'air refroidit la paroi par convection au contact de celle-ci. Comme dans le mode de réalisation précédent, des perturbateurs 243 peuvent être disposés sur la paroi dans les zones où l'on souhaite un accroissement des échanges thermiques entre le flux d'air et la paroi. L'air est évacué par des ouvertures prévues aux extrémités, respectivement amont et aval, du canal. Par la solution de l'invention, on utilise de manière optimale la quantité d'air de refroidissement disponible. Le même fluide est utilisé pour les 15 deux modes de refroidissement. On assure par ailleurs, une répartition homogène de la température à la surface du carter, par le guidage de l'air le long du canal annulaire formé par la tôle d'isolation thermique. REVENDICATIONS1. Dispositif pour refroidir la paroi extérieure du carter (30) de turbine d'un moteur à turbine à gaz, la turbine comportant une pluralité d'étages avec des roues de distributeurs (20) et des anneaux de turbine fixés à la paroi interne du carter par des moyens de fixation (31, 32) formant crochets et solidaires de la paroi du carter, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un moyen de refroidissement par impact d'air (140; 240) et un moyen de refroidissement par convection (141, 142, 143, 145 ; 241, 242, 243, 245), le moyen de refroidissement par impact (140, 240) refroidissant au moins une zone de la paroi correspondant à un premier des desdits moyens de fixation (31, 32), le moyen de refroidissement par convection refroidissant une zone de la paroi correspondant à un second desdits moyens de fixation (31, 32) . 2. Dispositif selon la revendication précédente le moyen de refroidissement par convection comprend des éléments perturbateurs (143 ; 243) de l'écoulement d'air. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédente, comprenant un moyen de guidage de l'air (141, 241) après impact pour assurer au moins en partie le refroidissement par convection. 25 4. Dispositif selon la revendication précédente, comprenant un moyen d'isolation thermique du carter, le dit moyen d'isolation thermique ménageant avec la paroi du carter un espace formant ledit moyen de guidage d'air. 30 5. Dispositif de refroidissement selon une des revendications précédentes, le moyen de refroidissement par impact d'air comprend des tubes (140) disposés au droit des premiers moyens de fixation et percés d'orifices d'injection d'air en direction de la zone à refroidir. 35 6. Dispositif selon la revendication précédente, les premiers moyens de fixation alternant vers l'aval avec les seconds moyens de fixation, une tôle d'isolation thermique étant disposée entre deux desdits tubes, avec des orifices d'évacuation d'air côté aval des tôles. 40 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, le moyen de refroidissement par impact comprenant un boîtier collecteur d'air20alimentant au moins une tôle percée d'orifices d'injection d'air en direction de la zone des premiers moyen de fixation à refroidir. 8. Turbomoteur à turbine à gaz comprenant un dispositif de 5 refroidissement selon l'une des revendications précédentes.