Brevet FR3026430A1 — publié le 20160401

ROUE DE TURBINE DANS UNE TURBOMACHINE L'invention se rapporte à un ensemble rotatif pour turbomachine, telle qu'en particulier un turboréacteur d'avion, ainsi qu'à une turbomachine comprenant un tel ensemble. On décrit ci-après, en référence aux figures 1 et 2, l'état préexistant de la technique, auquel l'invention apporte une évolution et des avantages non négligeables, comme on le verra par la suite. Bien que l'invention puisse être adaptée sur différents étages d'une turbomachine, on l'illustrera lorsqu'elle est portée sur un étage de turbine haute pression. C'est en effet au sein de cet environnement que l'invention est la plus intéressante. Ainsi, selon l'état connu de la technique, une turbine haute pression comprend un disque 10, et des aubes 12 s'étendant radialement vers l'extérieur depuis le disque et dont des pieds, dont les extrémités internes sont référencées 14, sont engagés axialement dans des alvéoles, dont les fonds sont référencés 16, de la périphérie externe du disque, et retenus radialement par des dents du disque, dont les extrémités externes sont référencées 18, disposées en alternance avec lesdites alvéoles. Des cavités dites d'alvéole 20a, 20b sont formées par des espaces qui sont situés radialement entre les parois des pieds 14 d'aubes et les parois des alvéoles 16, et qui s'étendent axialement de l'amont à l'aval des alvéoles. En rotation, les aubes, par effets centrifuges, sont plaquées radialement vers l'extérieur contre les flancs latéraux des dents 18. Ces flancs sont aussi appelés portées des dents du disque. Sur l'étage de turbine haute pression représenté, les pieds 14 des aubes 12 possèdent deux niveaux radiaux, l'un externe 14a et l'autre interne 14b, chacun de ces niveaux de pieds étant retenu par une paire de portées issues des deux dents 18 adjacentes du disque composées également de deux niveaux, l'un externe 18a et l'autre interne 18b. Ainsi, les pieds 14 et les dents 18 possèdent chacun une forme de deux bulbes superposés radialement. On dit encore que les dents 18 et les pieds 14 sont en sapin. Dans cette configuration des cavités d'alvéoles externes 20a sont formées entre les niveaux externes des pieds 14a et des dents 18a, et des cavités d'alvéoles internes 20b sont formées entre les niveaux internes des pieds 14b et des dents 18b. Les aubes 12 comprennent également des plates-formes internes 22 qui s'en étendent latéralement et qui sont agencées circonférentiellement bout à bout de manière à définir ensemble la limite interne cylindrique ou tronconique du flux d'écoulement des gaz chauds circulant dans la turbine. La partie de l'aube 12 située intérieurement par rapport à la veine, c'est-à-dire entre la plate-forme interne 22 et le pied 14, est appelée échasse 24. Selon cette disposition, des espaces sont formés entre deux échasses 24 adjacentes dans la direction circonférentielle, et entre les plates-formes 22 et les dents 18 dans la direction radiale, et forment des cavités dites inter-échasses ou inter-aubes 26. Les plates-formes 22 possèdent chacune des parois sensiblement radiales 22a, 22b, en plus d'une paroi cylindrique ou tronconique 22c, qui s'en étendent vers l'intérieur depuis leurs extrémités amont et aval respectivement, afin de recouvrir et isoler partiellement l'amont et l'aval des cavités inter-aubes 26. Une ouverture subsiste toutefois entre les dents 18 et les parois 22a, 22b des plates-formes 22, de sorte qu'un flux peut circuler axialement à travers les cavités inter-aubes. Un flasque annulaire amont 28 est agencé en amont du disque 10. Ce flasque possède un crochet annulaire 30a en prise avec un crochet annulaire 30b de la face amont du disque 10, et l'extrémité interne du flasque 28 est en outre boulonnée à une bride amont du disque 10 (ce boulonnage n'est pas représenté sur la figure). L'extrémité externe du flasque 28 est agencée contre les faces amont des dents 18 du disque et des pieds 14 des aubes 12, de sorte que le flasque 28 retient axialement les aubes 12 dans les alvéoles 16 du disque 10. Plus particulièrement, l'extrémité externe du flasque 28 comprend une lèvre annulaire 32 en protrusion vers l'aval, qui est en appui contre les faces amont précitées. L'appui peut ne pas être parfait en fonction des jeux prévus entre les pièces. L'appui étant localisé radialement entre les cavités d'alvéoles externes 20a et les cavités d'alvéoles internes 20b, une étanchéité est créée entre ces deux séries d'alvéoles, à l'amont du disque. Un flasque annulaire aval 34 est agencé en aval du disque 10. Ce flasque aval 34 est retenu sur la face aval du disque 10 par des systèmes de crochets annulaires 36a à l'extrémité interne du flasque coopérant avec des crochets annulaires 36b de la face aval du disque 10. Ce flasque aval 34 comprend une lèvre annulaire externe 38 en protrusion vers l'amont, située au regard de, voir en appui contre les extrémités aval des plates-formes 22, et plus particulièrement des parois radiales aval 22b. Ce flasque aval 34 comprend également une lèvre annulaire interne 40 en protrusion vers l'amont, située au regard de, voir en appui contre les faces aval des dents 18 et des pieds 14 des aubes, radialement entre les cavités d'alvéoles externes 20a et les cavités d'alvéoles internes 20b. La lèvre interne 40 permet de créer une étanchéité entre les cavités d'alvéoles externes 20a et les cavités d'alvéoles internes 20b, à l'aval du disque. La lèvre externe 38 permet de créer une étanchéité entre la veine et les cavités inter-aubes 26 à l'aval des aubes. Ainsi agencé, le flasque aval 34 a également pour rôle de retenir axialement les aubes 12 dans les alvéoles 16 du disque 10. Ainsi agencé, on voit bien qu'un flux peut circuler entre les cavités inter-aubes 26 et les cavités d'alvéoles externe 20a, par l'amont ou l'aval du disque 10, alors que les cavités d'alvéoles internes 20b sont complètement isolées des autres cavités 26, 20a, par la lèvre 32 du flasque amont 28 et la lèvre interne 40 du flasque aval 34. Comme on l'a dit plus haut, le disque aubagé dont il est ici question se trouve dans la turbine haute-pression d'une turbomachine. C'est pourquoi, sur la figure, on voit qu'il se trouve juste en aval d'une chambre de combustion 42 et d'un distributeur haute-pression 44, classiquement connus dans l'art antérieur. Afin d'améliorer les performances de la turbomachine, et d'éviter l'échauffement du disque 10 et du flasque amont 28 par le flux des gaz chauds issus d'une chambre de combustion amont et s'écoulant à travers la veine, il est important de limiter au maximum la circulation des gaz chauds issus de la chambre de combustion 42 vers l'intérieur entre le distributeur haute-pression 44 et le disque aubagé. En effet, ces deux étages sont espacés axialement d'une certaine distance, ce qui forme une discontinuité 46 en forme d'espace annulaire à la limite interne de la veine d'écoulement des gaz. Ces gaz pourraient donc théoriquement s'écouler vers l'intérieur à travers cette discontinuité 46 et endommager la turbomachine. A cet effet, on prélève de l'air froid sous pression en amont de la chambre de combustion dans un étage de compresseur basse-pression ou haute-pression, et on l'achemine par un circuit interne à la veine, jusqu'à l'espace annulaire situé juste en amont du disque 10 et en aval du distributeur haute-pression. Plus précisément, une partie de l'air froid sous pression (flèche 1) est acheminé en amont du flasque amont 28, et l'autre partie (non représentée) entre le flasque amont 28 et le disque 10. La partie de l'air froid sous pression (flèche 1) qui est acheminée en amont du flasque amont 28 circule donc vers l'extérieur, en longeant le flasque 28, vers la discontinuité annulaire 46 de la veine, refroidissant ainsi le flasque 28, et les faces amont des dents 18 du disque, tout en 20 empêchant par sa pression et son débit les gaz de veine de circuler vers l'intérieur à travers cette même discontinuité 46 (flèche 3). Cette même partie de l'air froid sous pression circule dans les cavités d'alvéoles externes 20a (flèche2), pour mieux refroidir la périphérie externe du disque 10 sur toute son étendue axiale. 25 La partie de l'air froid sous pression qui est acheminée en aval du flasque amont 28, entre ce même flasque 28 et le disque 10, circule dans les cavités d'alvéoles internes 20b et alimente une série de conduits (non représentés) formés à l'intérieur des aubes 12 et débouchant notamment sur leurs bords de fuite, bords d'attaque, extrados et intrados. Ces conduits 30 refroidissent les aubes 12, ce qui leur permet de résister aux gaz chauds issus de la chambre de combustion 42. Une série d'études et essais qui ont été menées sur cette architecture ont permis de mettre en lumière que l'air de refroidissement qui circule d'amont en aval à travers les cavités d'alvéoles externes 20a, remonte ensuite vers l'extérieur à l'aval de la périphérie du disque le long du flasque aval 34 (flèche 5), et recircule en fait d'aval en amont à travers les cavités inter-aubes (flèche 4), pour être éjecté à proximité de la discontinuité 46 de veine (flèche 6). Or, l'air de refroidissement, en effectuant ce circuit, se charge en calorie et se réchauffe, au contact des plates-formes par exemple, et transmet cette chaleur à l'air de refroidissement ayant directement circulé jusqu'à la discontinuité 46. Afin de conserver une température acceptable à la périphérie du disque 10 et au niveau du flasque amont 28, il a donc été nécessaire jusqu'alors de fournir un débit d'air de refroidissement assez élevé pour compenser cette acquisition de chaleur inutile à travers les cavités d'alvéoles externes 20a et les cavités inter-aubes 26. Partant de cette constatation, l'invention apporte une solution simple, efficace et économique permettant de diminuer la montée en chaleur de l'air de refroidissement et donc de diminuer le débit utile d'air prélevé. A cet effet, elle propose un ensemble rotatif pour turbomachine, 20 comprenant : - un disque ayant une périphérie externe présentant une alternance d'alvéoles et de dents s'étendant d'une face amont à une face aval du disque, - des aubes s'étendant radialement depuis le disque et dont des pieds sont 25 engagés axialement dans les alvéoles et retenus radialement par les dents du disque, des espaces appelés cavités d'alvéoles étant ménagés entre les pieds des aubes et les alvéoles et s'étendant de la face amont à la face aval du disque, - des plates-formes s'étendant latéralement depuis les aubes et agencées 30 circonférentiellement bout à bout, les unes vis-à-vis des autres, de manière à former des espaces appelés cavités inter-aubes radialement entre les dents du disque et les plates-formes, - en aval du disque, un flasque annulaire aval, ledit flasque comprenant une lèvre annulaire externe d'étanchéité en regard des extrémités aval des plates-formes, caractérisé en ce que le flasque annulaire aval comprend en outre une lèvre annulaire intermédiaire d'étanchéité en regard des faces aval des dents du disque et des pieds d'aubes, radialement entre les cavités d'alvéoles et les cavités inter-aubes. Dans l'invention, on entend par « lèvre » une zone annulaire du flasque se projetant vers l'amont et vers le disque. Cette lèvre pourra par exemple prendre la forme d'une nervure axiale, d'une zone bombée, d'une courbure du flasque, d'une extrémité recourbée, etc. Telles que définies, ces lèvres sont assez proches des faces aval du disque ou des aubes pour y créer une étanchéité. Bien qu'un appui des lèvres sur les extrémités aval précitées ne soit pas forcément nécessaire pour créer l'étanchéité, un tel appui pourra être préférable dans certains cas, et est donc pris en compte par l'invention. Selon la description de l'invention faite ci-dessus, lorsqu'un air de refroidissement circule à travers les cavités d'alvéoles de l'amont à l'aval du disque, cet air ne peut plus remonter radialement le long du flasque aval car il est bloqué par la lèvre annulaire intermédiaire du flasque. L'air de refroidissement ne recircule donc plus vers l'amont à travers les cavités inter-aubes, et n'apporte donc plus de chaleur emmagasinée à travers les cavités précitées auprès de l'air de refroidissement déjà acheminé à l'amont de la périphérie du disque. On comprend donc bien que l'invention s'applique parfaitement et apporte des avantages évidents à l'environnement qui a été décrit en référence à la figure 1, bien qu'elle trouve une utilité dès qu'un air de refroidissement est acheminé en amont de l'ensemble rotatif en compensation d'un échauffement provenant de la veine. Le champ de l'invention peut donc couvrir plus généralement l'ensemble rotatif ci-dessus lié aux éléments les plus caractéristiques du fonctionnement de l'environnement de la figure 1, pris indépendamment ou en combinaison. Ainsi, avantageusement, le disque est un disque de turbine, plus particulièrement de turbine haute-pression de turbomachine. C'est en effet à cette localisation que les problématiques de refroidissement sont les plus sensibles, de par la proximité directe de la chambre de combustion. Préférentiellement, le flasque aval comprend en outre une lèvre annulaire interne d'étanchéité en regard de la face aval du disque intérieurement aux cavités d'alvéoles. Cette lèvre interne évite que de l'air de refroidissement circulant dans ces alvéoles ne circule inutilement vers l'intérieur le long du flasque aval. Le flasque aval sera de préférence maintenu sur le disque, par des systèmes de crochets, ou par boulonnage, par exemple. Selon une autre caractéristique, un flasque annulaire amont est agencé en amont du disque et retient les pieds des aubes axialement dans les alvéoles. Il est en effet toujours nécessaire de s'assurer que les aubes ne puissent glisser ni en amont ni en aval du disque, le flasque aval assurant déjà la retenue aval. Avantageusement, les plates-formes comprennent, à leurs extrémités amont et aval, des parois radiales s'étendant vers l'intérieur et cloisonnant partiellement les extrémités axiales, c'est-à-dire amont et aval, des cavités inter-aubes, la lèvre externe du flasque aval étant agencée au regard de ces parois radiales aval des plates-formes. Ces parois radiales assurent entre autre un bon appui de la lèvre externe du flasque sur les plates-formes, et donc une meilleure étanchéité. L'invention exprime plus clairement son intérêt lorsqu'un air de refroidissement est acheminé jusqu'à la périphérie externe de la face aval du disque et alimente les cavités d'alvéoles. Avantageusement, les pieds d'aubes comprennent chacun deux niveaux, l'un interne et l'autre externe, pour former des pieds dits en « sapin », les dents du disque comportant des flancs composés de portées externes qui retiennent par coopération de forme les niveaux externes des pieds, et de portées internes qui retiennent par coopération de forme les niveaux internes des pieds. La configuration en sapin permet d'assurer une plus grande force de retenue des aubes par le disque, compensant les effets centrifuges, souvent nécessaire dans un étage de turbine haute-pression dans lequel la vitesse de rotation de l'ensemble rotatif peut être très élevée. Pour cette configuration en sapin, des cavités d'alvéoles externes sont formées entre les portées externes des dents et les niveaux externes des pieds d'aubes, et d'autres cavités d'alvéoles internes sont formées entre les portées internes des dents et les niveaux internes des pieds d'aubes. Comme il a été expliqué en référence à la figure 1, les cavités d'alvéoles externe sont utilisées principalement pour refroidir la périphérie externe du disque, alors que les cavités d'alvéoles internes sont utilisées principalement pour refroidir les aubes à travers des conduits ménagés dans leurs volumes et débouchant dans ces cavités d'alvéoles internes. Le flasque amont comprendra avantageusement dans ce cas une lèvre annulaire d'étanchéité en regard des faces amont des dents du disque et des pieds d'aubes, radialement entre les cavités d'alvéoles externes et les cavités d'alvéoles internes ; et la lèvre intermédiaire du flasque aval sera située radialement à l'extérieur des cavités d'alvéoles externes, plus précisément radialement entre ces cavités d'alvéoles externes et les cavités inter-aubes ; et la lèvre interne du flasque aval sera située radialement entre les cavités d'alvéoles externes et les cavités d'alvéoles internes ; un air de refroidissement étant acheminé jusqu'à la périphérie externe de la face aval du disque de chaque côté du flasque amont pour alimenter aussi bien les cavités d'alvéoles externes que les cavités d'alvéoles internes. La disposition des différentes lèvres décrite ci- dessus permet de séparer à étanchéité les cavités d'alvéoles internes des autres cavités. L'invention concerne également une turbomachine, tel qu'un turbopropulseur ou un turboréacteur, comprenant un ensemble rotatif tel que décrit ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - les figures 1 et 2, déjà décrites, sont respectivement une coupe axiale, et une vue en perspective, d'une portion de turbine haute-pression d'une turbomachine de l'art antérieur ; et - les figures 3, 4 et 5 sont trois vues en perspective, de côté, depuis l'amont et depuis l'aval d'une portion de turbine haute-pression d'une turbomachine présentant l'invention. Les figures 3 à 5 reprennent donc l'environnement décrit en référence aux figures 1 et 2, et y représentent en outre l'invention appliquée. On voit que le flasque annulaire aval 34 comprend dans ces figures une lèvre annulaire intermédiaire 48, sensiblement sous la forme d'une nervure axiale s'étendant du flasque vers l'amont, agencée en regard des faces aval des dents 18 du disque et des pieds 14 des aubes 12, radialement entre les cavités d'alvéoles externes 20a et les cavités inter-aubes 26. A cette position radiale, les pieds 14 et les dents 18 s'alternent circonférentiellement sans discontinuité, en fonctionnement, la force centrifuge plaquant les pieds 14 contre les portées des dents 18. Comme les pieds 14 et les dents 18 sont prévus pour posséder les mêmes dimensions axiales, sauf tolérances de fabrication, on maitrise facilement l'espace de circulation du flux d'air de refroidissement qui provient des cavités d'alvéoles externes 20a et s'écoule vers l'extérieur (flèche 5) entre le flasque aval 34 et le disque 10, en ajustant au désir la dimension axiale de la lèvre intermédiaire 48. On pourra laisser un espace axial faible entre cette lèvre intermédiaire 48 et les extrémités aval des pieds 14 d'aubes et des dents 18 du disque, ce qui y réduira le débit par rapport à l'art antérieur, tout en permettant toutefois le refroidissement de la partie externe du flasque 34 par exemple. On pourra également mettre la lèvre intermédiaire 48 en appui total contre ces mêmes extrémités, ce qui coupe complètement le passage d'air de refroidissement vers l'extérieur en aval du disque. Dans tous les cas, le débit de recirculation de l'air de refroidissement de l'aval vers l'amont dans les cavités inter-aubes 26 (flèche 4) est réduit, et l'apport de chaleur en amont de la périphérie externe du disque 10 au niveau de discontinuité de veine 46, provoqué par cette même recirculation, est donc diminué d'environ 40°C selon les tests effectués. Cela permet au final de réduire le prélèvement d'air froid en amont de la turbomachine aux étages de compresseur basse-pression ou haute-pression, pour une même efficacité que l'art antérieur en terme de refroidissement du disque 10 et du flasque amont 28. Cet air non-prélevé participe alors à la poussée effective de la turbomachine et améliore les performances en terme de poussée ou de consommation de la turbomachine. Comme on a déjà pu l'évoquer plus haut, bien que l'invention décrite soit en lien avec un étage rotatif de turbine haute-pression de turbomachine, puisque elle y apporte une réelle amélioration et contribue grandement à l'amélioration des performances d'une turbomachine dans ce contexte, l'invention peut aussi s'appliquer à n'importe quel étage rotatif puisqu'elle peut apporter une amélioration notable dès qu'un refroidissement est nécessaire.25 REVENDICATIONS1. Ensemble rotatif pour turbomachine, comprenant : - un disque (10) ayant une périphérie externe présentant une alternance d'alvéoles (16) et de dents (18) s'étendant d'une face amont à une face aval du disque, - des aubes (12) s'étendant radialement depuis le disque (10) et dont des pieds (14) sont engagés axialement dans les alvéoles (16) et retenus radialement par les dents (18) du disque, des espaces appelés cavités d'alvéoles (20a) étant ménagés entre les pieds des aubes et les alvéoles et s'étendant de la face amont à la face aval du disque, - des plates-formes (22) s'étendant latéralement depuis les aubes (12) et agencées circonférentiellement bout à bout, les unes vis-à-vis des autres, de manière à former des espaces appelés cavités inter- aubes (26) radialement entre les dents (18) du disque et les plates- formes, - en aval du disque, un flasque annulaire aval (34), ledit flasque comprenant une lèvre annulaire externe d'étanchéité (38) en regard des extrémités aval des plates-formes (22), caractérisé en ce que le flasque annulaire aval (34) comprend en outre une lèvre annulaire intermédiaire d'étanchéité (48) en regard des faces aval des dents (18) du disque, radialement entre les cavités d'alvéoles (20a) et les cavités inter-aubes (26). 2. Ensemble rotatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le disque (10) est un disque de turbine haute-pression de turbomachine. 3. Ensemble rotatif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le flasque aval (34) comprend en outre une lèvre annulaire interned'étanchéité (40) en regard de la face aval du disque intérieurement aux cavités d'alvéoles (20a), 4. Ensemble rotatif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un flasque annulaire amont (28) est agencé en amont du disque et retient les pieds (14) des aubes (12) axialement dans les alvéoles (16). 5. Ensemble rotatif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plates-formes (22) comprennent, à leurs extrémités amont et aval, des parois radiales (22a, 22b) s'étendant vers l'intérieur et cloisonnant partiellement les extrémités axiales des cavités inter-aubes (26), la lèvre externe (38) du flasque aval (34) étant agencée au regard des parois radiales aval (22b) des plates-formes. 6. Ensemble rotatif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un air de refroidissement (flèche 1) est acheminé jusqu'à la périphérie externe de la face aval du disque et alimente les cavités d'alvéoles (20a). 7. Ensemble rotatif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pieds d'aubes (14) comprennent chacun deux niveaux, l'un interne (14b) et l'autre externe (14a), pour former des pieds dits en « sapin », les dents (18) du disque comportant des flancs composés de portées externes qui retiennent par coopération de forme les niveaux externes des pieds, et de portées internes qui retiennent par coopération de forme les niveaux internes des pieds. 8. Ensemble rotatif selon la revendication 7, caractérisé en ce que des cavités d'alvéoles externes (20a) sont formées entre les portées externes des dents (18) et les niveaux externes (14a) des pieds d'aubes, et d'autres cavités d'alvéoles internes (20b) sont formées entre les portées internes des dents et les niveaux internes (14b) des pieds d'aubes. 9. Ensemble rotatif selon l'une des revendications 7 ou 8, lorsqu'elles dépendent des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le flasque amont (28) comprend une lèvre annulaire d'étanchéité (32) en regard des faces amont des dents (18) du disque et des pieds d'aubes (14), radialement entre les cavités d'alvéoles externes (20a) et les cavités d'alvéoles internes (20b), et en ce que la lèvre intermédiaire (48) du flasque aval (34) est située radialement à l'extérieur des cavités d'alvéoles externes (20a), et la lèvre interne (40) du flasque aval est située radialement entre les cavités d'alvéoles externes (20a) et les cavités d'alvéoles internes (20b), un air de refroidissement étant acheminé jusqu'à la périphérie externe de la face aval du disque de chaque côté du flasque amont pour alimenter aussi bien les cavités d'alvéoles externes que les cavités d'alvéoles internes. 10. Turbomachine, tel qu'un turbopropulseur ou un turboréacteur, caractérisée en ce qu'elle comprend un ensemble rotatif selon l'une des revendications précédentes.20