Brevet FR2999249A1 — publié le 20140613

COMPRESSEUR POUR TURBOMACHINE DOTÉ DE MOYENS DE REFROIDISSEMENT D'UN JOINT TOURNANT ASSURANT L'ÉTANCHEITÉ ENTRE UN REDRESSEUR ET UN ROTOR DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine des compresseurs axiaux dans les turbomachines, telles que les turbomoteurs d'aéronefs. Elle concerne en particulier le refroidissement d'un joint tournant destiné à assurer l'étanchéité entre le rotor et un redresseur dans un tel compresseur. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Un compresseur axial de turbomachine comporte une alternance de roues aubagées reliées entre elles par un arbre de rotor commun et de redresseurs solidaires d'un carter extérieur du compresseur. Un redresseur est un ensemble annulaire d'aubes statiques destinées à dévier le flux d'air provenant de la roue aubagée qui précède le redresseur, afin d'accroître la pression statique de ce flux d'air et d'optimiser l'incidence de ce flux d'air sur la roue aubagée suivante. L'étanchéité doit être assurée entre le rotor et chaque redresseur afin de limiter au maximum les fuites d'air au niveau du flux primaire s'écoulant dans le compresseur et optimiser ainsi le rendement de ce compresseur tout en limitant au mieux les risques de pompage. Cette étanchéité est assurée, pour chaque redresseur, par un joint tournant, également dénommé joint sans contact, tel qu'un joint labyrinthe ou un joint à revêtement abradable. Un tel joint tournant présente une ou plusieurs cavités annulaires délimitées conjointement par un élément tournant et par un élément statique du joint tournant. L'air présent dans ces cavités voit sa température augmenter par dissipation visqueuse au contact des éléments tournant et statique du joint. La température de l'air peut en outre s'accroître davantage en cas de contact entre ces éléments tournant et statique. Or, l'amélioration des performances des compresseurs, notamment des compresseurs haute pression, requiert une augmentation de la pression de l'air au sein de ces compresseurs, qui s'accompagne nécessairement d'une augmentation de la température de cet air. Ce phénomène, particulièrement marqué dans les moteurs dits à fort taux de compression, soumet les joints tournants à des contraintes de nature à réduire la durée de vie de ces joints, et impose l'utilisation de matériaux à forte résistance thermique, qui ne sont généralement pas les matériaux ayant la meilleure résistance mécanique. Par conséquent, il est souhaitable de réduire la charge aérothermique subie par les joints tournants dans les compresseurs. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ce problème. Elle propose à cet effet un compresseur axial pour turbomachine, comprenant au moins : - un carter extérieur délimitant extérieurement un canal annulaire d'écoulement d'un flux primaire destiné à alimenter une chambre de combustion, un arbre de rotor, une première roue aubagée solidaire de l'arbre de rotor, un redresseur agencé en aval de la première roue aubagée et comportant des aubes statiques solidaires du carter extérieur et une enveloppe annulaire intérieure raccordée à une extrémité radialement interne des aubes statiques de manière à délimiter intérieurement le canal annulaire d'écoulement du flux primaire, une deuxième roue aubagée agencée en aval du redresseur, et un joint tournant comprenant un élément tournant porté par l'arbre de rotor et un élément statique porté par le redresseur et agencé radialement vers l'intérieur par rapport à ladite enveloppe annulaire intérieure, au moins un premier élément parmi lesdits éléments tournant et statique présentant des nervures d'étanchéité annulaires en saillie en direction du second élément parmi lesdits éléments tournant et statique. Selon l'invention, le compresseur comprend des moyens de canalisation d'air conçus pour prélever de l'air de refroidissement en aval du joint tournant, relativement à la direction générale d'écoulement du flux primaire, et pour injecter l'air de refroidissement entre l'élément tournant et l'élément statique du joint tournant de sorte que l'air de refroidissement baigne au moins un flanc d'au moins l'une des nervures d'étanchéité. Dans l'ensemble de la présente description, les directions amont et aval sont définies relativement au sens général d'écoulement du flux primaire dans le canal annulaire précité. L'injection d'air de refroidissement dans la cavité précitée permet de limiter la température de l'air présent dans cette cavité malgré les phénomènes de dissipation visqueuse et les éventuels contacts entre l'élément tournant et l'élément statique, ce qui permet de limiter l'échauffement de ces éléments. L'air de refroidissement est prélevé en aval du redresseur, ca qui permet de profiter de la pression plus élevée de l'air à cet endroit, qu'il s'agisse de l'air présent dans le canal d'écoulement du flux primaire ou de l'air présent dans une cavité de purge disposée radialement vers l'intérieur par rapport à ce canal et séparée en partie de ce canal par ladite enveloppe intérieure du redresseur, comme cela apparaîtra plus clairement dans ce qui suit. Il est à noter que les moyens de canalisation d'air sont de préférence régulièrement répartis autour d'un axe longitudinal du compresseur de manière à ce que la charge aérodynamique, résultant de l'impact de l'air de refroidissement sur l'élément tournant du joint tournant, soit sensiblement symétrique par rapport à cet axe longitudinal. Lesdits moyens de canalisation sont de préférence configurés pour injecter une partie au moins de l'air de refroidissement au sein d'au moins une cavité délimitée conjointement par deux desdites nervures d'étanchéité et par ledit second élément du joint tournant. De préférence, lesdites nervures d'étanchéité sont au moins au nombre de trois. Deux desdites nervures d'étanchéité délimitent entre elles une première cavité, et deux desdites nervures d'étanchéité délimitent entre elles une deuxième cavité disposée en aval de ladite première cavité. Dans ce cas, lesdits moyens de canalisation sont avantageusement configurés de manière à injecter au moins une partie de l'air de refroidissement dans ladite première cavité. Bien entendu, chaque cavité est délimitée par deux nervures d'étanchéité consécutives. Ainsi, dans le cas où les nervures d'étanchéité sont au nombre de trois, une nervure médiane délimite à la fois la première cavité et la deuxième cavité. En variante ou de manière complémentaire, lesdits moyens de canalisation peuvent être configurés pour injecter une partie au moins de l'air de refroidissement le long d'un flanc amont d'une nervure d'étanchéité formant une extrémité amont dudit premier élément. Dans tous les cas, le joint tournant est habituellement traversé par un flux d'air de fuite provenant du flux primaire et s'écoulant en sens inverse par rapport au flux primaire, c'est-à-dire de l'aval vers l'amont. Ce flux d'air de fuite traverse successivement les cavités formées par les nervures d'étanchéité du joint tournant, en se réchauffant par dissipation visqueuse au contact de ces nervures d'étanchéité. Ainsi, plus une nervure d'étanchéité se trouve proche de l'extrémité amont du joint tournant, plus elle est soumise à une température élevée. C'est pourquoi il est particulièrement avantageux que l'air de refroidissement soit injecté dans la première cavité précitée, ou plus généralement dans une cavité relativement proche du côté amont du joint tournant, ou en variante, le long du flanc amont de la nervure d'étanchéité formant une extrémité amont du premier élément du joint tournant. Par ailleurs, lesdits moyens de canalisation d'air traversent avantageusement ladite enveloppe intérieure du redresseur de manière à prélever l'air de refroidissement dans le canal annulaire d'écoulement du flux primaire. En variante, lesdits moyens de canalisation d'air peuvent être configurés de manière à communiquer avec la cavité de purge précitée, de manière à prélever l'air de refroidissement dans cette cavité de purge. Par ailleurs, ledit premier élément du joint tournant présentant lesdites nervures d'étanchéité est de préférence l'élément tournant porté par l'arbre de rotor, et l'élément statique du joint tournant comporte avantageusement une piste abradable annulaire coopérant avec lesdites nervures d'étanchéité et traversée par lesdits moyens de canalisation. L'invention peut ainsi être appliquée aux joints d'étanchéité sans contact du type comprenant une piste abradable, qui sont couramment utilisés dans les turbomoteurs des aéronefs. Dans ce cas, la piste abradable est adaptée pour permettre le passage de l'air de refroidissement précité. Le redresseur peut comporter un support annulaire présentant une extrémité radialement interne sur laquelle est disposée ladite piste abradable. Dans ce cas, le support peut être traversé par lesdits moyens de canalisation d'air. Ce support peut présenter une structure pleine, auquel cas les moyens de canalisation d'air peuvent être formés de canaux ménagés dans la matière du support. En variante, le support peut prendre la forme d'une enceinte creuse délimitée par une paroi pourvue d'orifices d'admission d'air et d'orifices d'éjection d'air, pour permettre le passage de l'air de refroidissement à l'intérieur du support. Dans ce cas, lesdits moyens de canalisation d'air débouchent avantageusement dans ladite cavité de purge au travers d'une face aval du support. Par ailleurs, la piste abradable présente de préférence une structure en nid d'abeilles, et lesdits moyens de canalisation d'air comprennent avantageusement des alvéoles de ladite structure en nid d'abeilles. De cette façon, certaines alvéoles de la piste abradable sont mises à profit pour conduire l'air de refroidissement jusque dans la ou les cavités concernées du joint tournant. Dans ce cas, lesdits moyens de canalisation d'air peuvent comprendre des tubes d'amenée d'air s'étendant au moins en partie à l'intérieur de ladite piste abradable, et ayant des sorties amont respectives débouchant dans lesdites alvéoles ainsi que des entrées aval respectives débouchant à l'extérieur dudit joint tournant. Ces tubes d'amenée d'air peuvent en particulier déboucher dans la cavité de purge précitée pour y prélever l'air de refroidissement. En variante, la piste abradable peut présenter une structure lisse, c'est- à-dire pleine, auquel cas lesdits moyens de canalisation d'air peuvent comprendre des canaux ménagés au sein de la piste abradable. En variante encore, ledit second élément du joint tournant peut présenter des nervures d'étanchéité complémentaires des nervures d'étanchéité du premier élément de ce joint tournant, de manière à former un joint labyrinthe. L'invention concerne également une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur pour aéronef, comprenant au moins un compresseur axial du type décrit ci-dessus. Dans le cas d'une turbomachine à double corps, ledit compresseur peut en particulier être un compresseur haute pression. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise, et d'autres détails, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un compresseur haute pression de turbomoteur pour aéronef selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention ; la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un compresseur haute pression de turbomoteur pour aéronef selon un deuxième mode de réalisation préféré de l'invention ; la figure 3 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un compresseur haute pression de turbomoteur pour aéronef selon un troisième mode de réalisation préféré de l'invention. Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS La figure 1 illustre une partie d'un compresseur haute pression 10 de type axial dans un turbomoteur d'aéronef, par exemple un turboréacteur d'avion à double corps et double flux, selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention. Le compresseur 10 comporte un carter extérieur 12 délimitant extérieurement un canal annulaire 14 d'écoulement d'un flux primaire 16 destiné à alimenter une chambre de combustion (non visible sur la figure 1). Comme indiqué ci-dessus, les directions amont et aval sont définies relativement au sens général d'écoulement du flux primaire 16. Le compresseur 10 comprend en outre un arbre de rotor 18 reliant une première roue aubagée 20, en amont, à une deuxième roue aubagée 22, en aval. Le compresseur 10 comprend également un redresseur 24 agencé axialement entre la première roue aubagée 20 et la deuxième roue aubagée 22. Le redresseur 24 comporte une rangée annulaire d'aubes statiques 26 raccordées au carter extérieur 12, et une enveloppe annulaire intérieure 28 raccordée à une extrémité radialement interne des aubes statiques 26 de manière à délimiter intérieurement le canal annulaire 14 d'écoulement du flux primaire 16. L'enveloppe annulaire intérieure 28 est par exemple formée d'une rangée annulaire de plateformes, chacune en forme de secteur d'anneau, montées bout-à-bout circonférentiellement, d'une manière bien connue. Le compresseur 10 comprend un joint tournant 30 comprenant un élément tournant 32 porté par l'arbre de rotor 18 et un élément statique 34 porté par le redresseur 24. Dans l'exemple illustré, l'élément tournant 32 présente trois nervures d'étanchéité 36a, 36b, 36c, couramment dénommées « léchettes », s'étendant en saillie radialement vers l'extérieur depuis la surface de l'arbre de rotor 18. L'élément statique 34 comporte un support annulaire 38, couramment dénommé « porte-abradable », fixé sur une face radialement interne 40 de l'enveloppe annulaire intérieure 28 du redresseur, ainsi qu'une piste abradable annulaire 42 disposée au niveau d'une extrémité radialement interne de ce support 38. La piste abradable 42 peut également être formée d'une rangée annulaire de secteurs montés bout-à-bout circonférentiellement. Il en est de même en ce qui concerne le support 38. La nervure d'étanchéité amont 36a et la nervure d'étanchéité médiane 36b délimitent une première cavité 44a conjointement avec la piste abradable 42. De manière analogue, la nervure d'étanchéité médiane 36b et la nervure d'étanchéité aval 36c délimitent une deuxième cavité 44b conjointement avec la piste abradable 42. Le compresseur 10 comprend en outre des moyens de canalisation d'air permettant de prélever de l'air de refroidissement 46 en aval du joint tournant 28 et d'injecter cet air de refroidissement 47 au sein de l'une au moins des cavités 44a, 44b. Dans cet exemple, le support 38 et la piste abradable 42 présentent des structures respectives pleines, et les moyens de canalisation d'air prennent la forme de canaux 48 formés, chacun, d'une portion médiane 48a ménagée dans le support 38 et prolongée d'une part par une portion d'admission d'air 48b traversant l'enveloppe annulaire intérieure 28, et d'autre part par une portion d'éjection d'air 48c traversant la piste abradable 42 et débouchant dans la première cavité 44a. Les canaux 48 sont au moins au nombre de deux et sont régulièrement répartis autour d'un axe longitudinal 54 du compresseur. En fonctionnement, en aval du redresseur 24, l'air du flux primaire 16 est à une pression supérieure à celle de l'air présent au sein de la première cavité 44a de sorte qu'il se produit un écoulement d'air de refroidissement 56 au sein des canaux 48, depuis le canal annulaire 14 d'écoulement du flux primaire 16 jusque dans la première cavité 44a. La température de l'air au sein de cette première cavité 44a peut ainsi être limitée malgré les phénomènes de dissipation visqueuse et les éventuels contacts entre les nervures d'étanchéité 36a, 36b, et la piste abradable 42. Il est à noter que l'air de refroidissement baigne ainsi deux flancs mutuellement opposés appartenant respectivement à deux nervures d'étanchéité 36a, 36b consécutives. La figure 2 illustre une partie d'un compresseur haute pression 110 semblable au compresseur 10 décrit ci-dessus, mais qui diffère de ce dernier de par la structure du redresseur 124, et plus particulièrement la structure du joint tournant 130. Dans cet exemple, l'élément statique 134 du joint tournant 130 comporte en effet une piste abradable 142 présentant une structure alvéolaire, du type couramment dénommé « en nid d'abeilles », comportant une pluralité d'alvéoles s'étendant sensiblement selon la direction radiale. Le support annulaire 138 pour la piste abradable 142 présente une structure creuse et est par exemple réalisé en tôle, d'une manière connue en soi. Le support 138 délimite ainsi une cavité annulaire 158. De plus, le support 138 présente une paroi radialement interne 160 sur laquelle est fixée la piste abradable 142, ainsi qu'une paroi aval 162 et une paroi amont 164 raccordant la paroi radialement interne 160 à l'enveloppe annulaire intérieure 28 du redresseur 124. La paroi aval 162 du support 138 présente des orifices d'admission d'air 166a tandis que la paroi radialement interne 160 présente des orifices d'éjection d'air 166b. Chacun des orifices d'admission d'air 166a débouche dans une cavité de purge 168 agencée radialement vers l'intérieur par rapport au canal annulaire 14 d'écoulement du flux primaire 16 et séparée en partie de ce canal par l'enveloppe intérieure 28 du redresseur 124. Chacun des orifices d'éjection d'air 166b débouche dans une ou plusieurs alvéoles 170 de la piste abradable 142, lesquelles alvéoles débouchent dans la première cavité 44a.30 En fonctionnement, la pression de l'air dans la cavité de purge 168 étant supérieure à celle de l'air dans la première cavité 44a, il se produit un écoulement d'air de refroidissement depuis la cavité de purge 168 jusque dans la première cavité 44a. En effet, l'air de refroidissement est admis (flèches 146) par les orifices d'admission d'air 166a dans la cavité annulaire 158 au sein du support 138, puis cet air de refroidissement circule au sein de cette cavité (flèches 156) et pénètre dans les alvéoles 170 (flèches 172) et y circule (flèches 174) pour finalement être éjecté dans la première cavité 44a (flèches 147). Il apparait ainsi que le support 138 et les alvéoles 170 forment ensemble des moyens de canalisation de l'air de refroidissement précité. La figure 3 illustre une partie d'un compresseur haute pression 210 semblable au compresseur 110 de la figure 2, mais qui diffère de ce dernier de par la structure du redresseur 224, et plus particulièrement la structure du joint tournant 230. Dans cet exemple, l'élément statique 234 du joint tournant 230 comporte également une piste abradable 242 à structure alvéolaire. Cette piste abradable 242 est fixée sur un support annulaire 238 ayant par exemple une structure pleine. La piste abradable 242 peut en variante être directement fixée sur l'enveloppe annulaire intérieure 28 du redresseur 224. Le redresseur 224 comporte en outre des tubes d'amenée d'air 248 dont une partie s'étend à l'intérieur de la piste abradable 242, par exemple selon une direction parallèle à l'axe longitudinal 54 du compresseur. Ces tubes d'amenée d'air 248, qui sont au moins au nombre de deux et qui sont régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal 54 du compresseur, présentent chacun une entrée aval 266a d'admission d'air débouchant dans la cavité de purge 168 à l'extérieur du joint tournant 230, ainsi qu'une sortie amont 266b d'éjection d'air débouchant dans une ou plusieurs alvéoles 270 de la piste abradable 242. En fonctionnement, la pression de l'air dans la cavité de purge 168 étant ici encore supérieure à celle de l'air dans la première cavité 44a, il se produit un écoulement d'air de refroidissement depuis la cavité de purge 168 jusque dans la première cavité 44a. L'air de refroidissement est admis (flèches 246) par les entrées aval 266a respectives des tubes d'amenée d'air 248 puis circule au sein de ces tubes d'amenée d'air 248 (flèches 256) et pénètre dans les alvéoles 170 et y circule (flèches 274) pour finalement être éjecté dans la première cavité 44a (flèches 247). Il apparaît donc que les tubes 248 et les alvéoles 170 forment ensemble des moyens de canalisation de l'air de refroidissement précité. Dans les trois exemples décrits ci-dessus, l'air de refroidissement est injecté dans la première cavité 44a. En variante ou de manière complémentaire, une partie ou la totalité de cet air de refroidissement peut être injecté dans une autre cavité. En variante ou de manière complémentaire, une partie ou la totalité de l'air de refroidissement peut être injectée en amont de la nervure d'étanchéité 36a formant l'extrémité amont de l'élément tournant 32, de manière à baigner le flanc amont de cette nervure d'étanchéité 36a.20 REVENDICATIONS1. Compresseur axial (10) pour turbomachine, comprenant au moins : - un carter extérieur (12) délimitant extérieurement un canal annulaire (14) d'écoulement d'un flux primaire (16) destiné à alimenter une chambre de combustion, - un arbre de rotor (18), - une première roue aubagée (20) solidaire dudit arbre de rotor (18), - un redresseur (24, 124, 224) agencé en aval de ladite première roue aubagée (20) et comportant des aubes statiques (26) solidaires dudit carter extérieur (12) et une enveloppe annulaire intérieure (28) raccordée à une extrémité radialement interne desdites aubes statiques (26) de manière à délimiter intérieurement ledit canal annulaire (14) d'écoulement du flux primaire (16), - une deuxième roue aubagée (22) agencée en aval dudit redresseur (24, 124, 224), - un joint tournant (30, 130, 230) comprenant un élément tournant (32) porté par ledit arbre de rotor (18) et un élément statique (34, 134, 234) porté par ledit redresseur et agencé radialement vers l'intérieur par rapport à ladite enveloppe annulaire intérieure (28) de ce dernier, au moins un premier élément (32) parmi lesdits éléments tournant (32) et statique (34, 134, 234) présentant des nervures d'étanchéité annulaires (36a, 36b, 36c) en saillie en direction du second élément (34, 134, 234) parmi lesdits éléments tournant et statique, ledit compresseur étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de canalisation d'air (48, 166a, 166b, 158, 170, 248, 270) conçus pour prélever de l'air de refroidissement (46, 146, 246) en aval dudit joint tournant, relativement à la direction générale d'écoulement dudit flux primaire (16), et pour injecter ledit air de refroidissement (47, 147, 247) entre ledit élément tournant (32) et ledit élément statique (34, 134, 234) de sorte que ledit air de refroidissement baigne au moins un flanc d'au moins l'une desdites nervures d'étanchéité (36a, 36b, 36c). 2. Compresseur axial selon la revendication 1, dans lequel lesdits moyens de canalisation sont configurés de manière à injecter ledit air de refroidissement au sein d'au moins une cavité (44a) délimitée conjointement par deux desdites nervures d'étanchéité (36a, 36b) et par ledit second élément (34, 134, 234) du joint tournant. 3. Compresseur axial selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lesdits moyens de canalisation d'air (48b) traversent ladite enveloppe intérieure (28) dudit redresseur de manière à prélever ledit air de refroidissement dans ledit canal annulaire (14) d'écoulement du flux primaire (16). 4. Compresseur axial selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lesdits moyens de canalisation d'air (158, 248) communiquent avec une cavité de purge (168) agencée radialement vers l'intérieur par rapport audit canal annulaire (14) d'écoulement du flux primaire (16) et séparée en partie de ce canal annulaire (14) par ladite enveloppe intérieure (28) dudit redresseur, de manière à prélever ledit air de refroidissement dans ladite cavité de purge (168). 5. Compresseur axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel : - ledit premier élément (32) du joint tournant présentant lesdites nervures d'étanchéité est ledit élément tournant porté par ledit arbre de rotor (18), et - ledit élément statique (34, 134, 234) du joint tournant comporte une piste abradable (42, 142, 242) annulaire coopérant avec lesdites nervures d'étanchéité et traversée par lesdits moyens de canalisation (48c, 170, 270). 6. Compresseur axial selon la revendication 5, dans lequel ledit redresseur comporte un support annulaire (38, 138) présentant une extrémité radialement interne sur laquelle est disposée ladite piste abradable (42, 142), ledit support étant traversé par lesdits moyens de canalisation d'air (48a, 158).30 7. Compresseur axial selon la revendication 6, dans lequel lesdits moyens de canalisation d'air (158) débouchent dans ladite cavité de purge (168) au travers d'une face aval (162) dudit support (138). 8. Compresseur axial selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel ladite piste abradable (142, 242) présente une structure en nid d'abeilles, et dans lequel lesdits moyens de canalisation d'air comprennent des alvéoles (170) de ladite structure en nid d'abeilles. 9. Compresseur axial selon la revendication 8, dans lequel lesdits moyens de canalisation d'air comprennent des tubes d'amenée d'air (248) s'étendant au moins en partie à l'intérieur de ladite piste abradable (242), et ayant des sorties amont respectives (266b) débouchant dans lesdites alvéoles (170) ainsi que des entrées aval respectives (266a) débouchant à l'extérieur dudit joint tournant (234). 10. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur pour aéronef, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un compresseur axial (10, 110, 210) selon l'une quelconque des revendications précédentes.20