Brevet FR3039200A1 — publié le 20170127

Refroidissement d'anneau de turbine 1. Domaine technique de l'invention L'invention concerne une turbine de turbomachine. En particulier, l'invention concerne un ensemble constitué d'un distributeur et d'un anneau de turbine. 2. Arrière-plan technologique Une turbomachine comprend, généralement, d'amont en aval, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression. L'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du gaz (de l'amont vers l'aval). La turbine convertit l'énergie thermique et cinétique du flux de gaz issu de la chambre de combustion en énergie mécanique nécessaire par exemple à l'entraînement de compresseur et /ou de rotor dans le cas d'un hélicoptère. La turbine comprend habituellement un ou plusieurs étages d'aubes, chaque étage comportant généralement, de manière connue, une grille d'aubes fixes appelée distributeur et une grille d'aubes mobiles. La grille d'aubes mobiles est entraînée en rotation par le flux de gaz chauds issu de la chambre de combustion. La veine de gaz au niveau de la grille d'aubes mobiles de la turbine est délimitée, du côté externe, par un carter sous forme d'anneau, s'étendant à la périphérie des aubes mobiles et classiquement désigné par l'expression "anneau de turbine". Pour permettre aux aubes mobiles de tourner, un jeu est ménagé entre les extrémités radiales des aubes mobiles et l'anneau fixe de turbine. Plus ce jeu est grand, moins l'efficacité (ou encore rendement) de la turbine est importante, puisqu'une partie du flux de gaz chauds s'écoule dans ce jeu sans participer à l'entraînement en rotation de la grille d'aubes mobiles de la turbine. 3039200 2 Pour parvenir à minimiser ce jeu, il est primordial d'assurer un refroidissement de l'anneau de turbine aussi efficace que possible. Typiquement, le refroidissement de l'anneau de turbine est réalisé par le prélèvement d'air sous pression provenant du compresseur qui vient au contact de 5 la surface radialement extérieure de l'anneau de turbine. Selon que cet anneau est monobloc ou sectorisé, le circuit de l'air de refroidissement provenant du compresseur diffère. Si l'anneau est sectorisé, c'est-à-dire composé de secteurs d'anneau, l'air de refroidissement circule via les jeux présents entre les différents secteurs 10 formant cet anneau jusqu'à la veine de gaz. La dispersion du débit fait que l'impact de la réintroduction est faible. Si l'anneau est monobloc, l'air de refroidissement est généralement introduit dans la veine par un circuit unique entre le bord de fuite du distributeur et le bord d'attaque de l'anneau. Une quantité importante d'air plus froid donc 15 plus dense est amenée dans la veine et proche du bord d'attaque de l'aube. Cette configuration est susceptible de générer des perturbations et donc des pertes aérodynamiques. Ces pertes engendrent une diminution du rendement et une augmentation de la consommation spécifique du moteur. De plus, l'introduction de l'air de refroidissement se fait généralement de 20 manière radiale dans la veine. Le flux d'air de refroidissement a alors un angle proche de 90° par rapport au flux de gaz chauds. L'air de refroidissement introduit dans la veine est alors balayé par le flux de gaz chauds ce qui génère des pertes aérodynamiques qui pénalisent les performances de la turbomachine. Une autre solution consiste à laisser un jeu axial important entre le 25 distributeur et l'anneau de turbine. Cependant, avec ce type de configuration, des gaz chauds provenant de la veine sont susceptibles de remonter par ce jeu. Ces remontées de gaz chauds viennent perturber le refroidissement et peuvent même chauffer l'anneau ce qui provoque sa dilatation et donc une dégradation des performances de la machine. 3. Objectifs de l'invention L'invention vise à pallier au moins certains des inconvénients précités. 3039200 3 En particulier, l'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un ensemble d'un distributeur et d'un anneau de turbine qui permet un refroidissement optimal de l'anneau de turbine. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de 5 l'invention, un ensemble d'un distributeur et d'un anneau de turbine qui diminue les pertes aérodynamiques dues à l'introduction d'air de refroidissement dans la veine. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un ensemble d'un distributeur et d'un anneau de turbine qui limite les 10 remontées de gaz chaud depuis la veine. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, une turbine dans laquelle le jeu entre les extrémités radiales des aubes mobiles et l'anneau fixe de turbine a été minimisé. 4. Exposé de l'invention 15 Pour ce faire, l'invention concerne un ensemble d'un distributeur et d'un anneau monobloc d'une turbine de turbomachine adaptée pour être mise en rotation par un écoulement d'amont en aval d'un gaz dans une veine de gaz, ledit ensemble comprenant un passage d'introduction d'air de refroidissement dudit anneau monobloc dans ladite veine de gaz, ledit passage étant formé par un interstice 20 axial entre le distributeur et l'anneau monobloc et débouchant dans ladite veine de gaz, caractérisé en ce que ledit passage d'introduction d'air de refroidissement comprend un canal de section moyenne prédéterminée débouchant dans une cavité, dite cavité de tranquillisation, ladite cavité de tranquillisation débouchant 25 dans ladite veine de gaz, présentant une section moyenne élargie par rapport à ladite section moyenne prédéterminée dudit canal pour permettre de ralentir la vitesse de l'air de refroidissement injecté dans ladite veine de gaz et comprenant une paroi aval inclinée par rapport à la direction de ladite veine. Les inventeurs ont constaté qu'en faisant circuler l'air de refroidissement 30 dans un canal présentant une section moyenne prédéterminée faible puis dans une cavité de tranquillisation comprenant une paroi aval inclinée par rapport à la 3039200 4 veine, les perturbations engendrées par le contact entre le flux de l'air de refroidissement et celui des gaz chauds de la veine étaient diminuées sans que les gaz chauds issus de la veine puissent remonter via le passage d'introduction d'air de refroidissement. En effet, la faible section moyenne du canal empêche les 5 remontées de gaz chauds. Toutefois, cette faible section moyenne du canal entraîne une accélération de l'air de refroidissement. Pour éviter que l'air de refroidissement ne soit introduit dans la veine à une vitesse trop importante qui viendrait générer des perturbations, la cavité de tranquillisation présente une section moyenne élargie par rapport à la section moyenne prédéterminée dudit 10 canal. De plus, toujours afin de limiter les perturbations engendrées par l'entrée de l'air de refroidissement dans la veine, l'air de refroidissement est introduit selon un angle proche de la direction de la veine. Cet angle d'introduction est du à l'inclinaison de la paroi aval de la cavité de tranquillisation. La paroi aval de la cavité forme, en effet, un angle aigu avec la direction de la veine. Le flux d'air de 15 refroidissement rentre en contact avec le flux de gaz chauds de la veine selon une direction proche du flux de gaz chauds et dans le même sens que ce dernier. Le gain de rendement entre un ensemble selon l'invention et un ensemble dans lequel l'air de refroidissement est introduit radialement peut aller jusqu'à un point. Selon un mode de réalisation, ledit canal est incliné par rapport à la 20 direction de ladite veine de gaz. De préférence, ledit canal comprend une paroi aval, la paroi aval dudit canal ayant la même inclinaison que la paroi aval de ladite cavité de tranquillisation. Ainsi, il n'existe pas de discontinuité entre les parois aval du canal et de la cavité de tranquillisation. De préférence, la paroi aval de ladite cavité de tranquillisation est inclinée 25 d'un angle compris entre 20° et 70° par rapport à la direction de la veine. Le gain de rendement pour un angle entre la paroi aval et la direction de la veine supérieur à 70° est relativement faible car la réintroduction est alors quasi-radiale. Pour un angle proche de 20°, la fabrication et la mise en oeuvre deviennent délicates mais le gain de rendement est maximum. Une inclinaison de la paroi 30 aval de la cavité de tranquillisation comprise entre 20° et 70° permet donc d'obtenir une gain de rendement optimal sans complexifier de manière trop lourde 3039200 5 la fabrication et la mise en oeuvre. Selon un mode de réalisation préféré, la paroi aval de ladite cavité de tranquillisation est inclinée de 45° par rapport à la direction de la veine. Un tel angle permet à la fois de limiter les perturbations engendrées par l'entrée de l'air 5 de refroidissement dans la veine et de générer un flux d'air de refroidissement qui épouse la paroi de l'anneau améliorant ainsi son refroidissement. Typiquement, ledit canal comprend une paroi amont et une paroi aval. Selon un mode de réalisation préféré, ledit canal présente un jeu axial moyen prédéterminé entre la paroi aval et la paroi amont dudit canal, le jeu axial 10 moyen prédéterminé dudit canal étant compris entre 0,15mm et 5mm, de préférence entre 0,2mm et 3mm, plus préférablement de 0,5mm. Typiquement, ladite cavité de tranquillisation comprend une paroi amont. Selon un mode de réalisation préféré, la paroi amont de ladite cavité de tranquillisation est inclinée par rapport à la direction de la veine d'un angle 15 supérieur à l'angle d'inclinaison de la paroi aval de ladite cavité de tranquillisation par rapport à la direction de la veine. L'inclinaison respective de la paroi amont par rapport à la paroi aval permet de générer un élargissement de la section de la cavité de tranquillisation depuis la partie de la cavité débouchant dans le canal à la partie de la cavité débouchant dans la veine. 20 De préférence, ladite cavité de tranquillisation est perpendiculaire à la direction de la veine. La paroi amont de la cavité située sur le bord de fuite du distributeur présente donc une structure usuelle. Dans ce mode de réalisation, il est donc inutile de modifier la structure du distributeur afin de mettre en oeuvre 1 ' invention. 25 L'invention concerne également une turbine comprenant au moins un étage comprenant une grille d'aubes mobiles et un ensemble d'un distributeur et d'un anneau de turbine tel que défini ci-dessus. La structure de l'ensemble constitué d'un distributeur et d'un anneau de turbine selon l'invention permet d'optimiser l'introduction de l'air de 30 refroidissement dans la veine et le refroidissement de l'anneau de turbine. L'optimisation du refroidissement permet de travailler à de très faibles jeux entre 3039200 6 les aubes mobiles et l'anneau. De ce fait, le rendement de la turbine est augmenté. L'invention concerne également une turbomachine comprenant au moins une turbine telle que définie ci-dessus. 5. Liste des figures 5 D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est une vue partielle en coupe d'une turbine selon un mode de réalisation de l'invention, 10 - la figure 2 est une vue agrandie d'une partie de la figure 1. 6. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d'illustration et de clarté. La figure 1 montre une vue partielle en coupe d'une turbine. 15 La turbine comprend un distributeur 1, une grille d'aubes mobiles et un anneau 2 monobloc. La grille d'aubes mobiles est formée des aubes mobiles 3 et du disque 4 qui les portent. L'anneau 2 monobloc s'étend à la périphérie des aubes mobiles 3 et délimite la veine 5 de gaz. Le jeu entre les aubes mobiles et l'anneau de turbine 20 noté J. Le distributeur 1 est situé en amont de l'anneau 2. L'anneau 2 monobloc comprend un bord d'attaque sur sa partie amont. Le distributeur 1 comprend, quant à lui, un bord de fuite sur sa partie aval. Une partie du bord de fuite du distributeur 1 est en regard avec au moins une partie du bord d'attaque de 25 l'anneau 2. L'interstice axial entre le distributeur 1 et l'anneau 2 monobloc forme le passage 6. Le passage 6 débouche dans la veine 5 de gaz. Il est adapté pour l'introduction d'air de refroidissement, notamment d'air sous pression provenant du compresseur. Ce passage 6 d'introduction d'air de refroidissement est délimité 30 par les parties du bord de fuite du distributeur 1 et du bord d'attaque de l'anneau 2 qui sont en regard. 3039200 7 La figure 2 représente un agrandissement du passage d'introduction d'air de refroidissement représenté à la figure 1. Le passage 6 d'introduction d'air de refroidissement comprend un canal 7 qui débouche dans une cavité, dite cavité de tranquillisation 8. La cavité de 5 tranquillisation débouche, quant à elle, dans la veine 5 de gaz. Le canal 7 est incliné de 45° par rapport à la direction de la veine de gaz. Typiquement, la direction de la veine de gaz est identique à la direction de l'axe de la turbine. Le canal 7 comprend une paroi amont 11 et une paroi aval 10. La paroi amont 11 du canal est située sur le bord de fuite distributeur 1 et la paroi 10 aval 10 du canal est située sur le bord d'attaque de l'anneau. Les parois amont 11 et aval 10 du canal sont toutes deux inclinées d'un angle de 45° par rapport à la direction de la veine de gaz. La section moyenne prédéterminée correspond à la moyenne de la section entre le distributeur 1 et l'anneau 2 au niveau du canal 7. Les parois amont et aval du canal étant parallèles, le jeu axial entre la paroi aval 15 10 et la paroi amont 11 du canal est constant et égal au jeu axial moyen prédéterminé du canal. Le canal 7 débouche dans une cavité de tranquillisation 8. La cavité de tranquillisation 8 comprend une paroi amont 12 et une paroi aval 9. La paroi amont 12 de la cavité de tranquillisation est située sur le bord de fuite distributeur 1 et la paroi aval 9 du canal est située sur le bord d'attaque de 20 l'anneau. La cavité de tranquillisation 8 présente une section moyenne élargie par rapport à la section moyenne prédéterminée du canal. La section moyenne de la cavité de tranquillisation 8 correspond à la moyenne de la section entre le distributeur 1 et l'anneau 2 au niveau de la cavité 8. De même que la paroi aval 10 du canal, la paroi aval 9 de la cavité de 25 tranquillisation est inclinée d'un angle a de 45° par rapport à la direction de la veine 5 de gaz. Il y a une continuité au niveau des parois aval du canal et de la cavité de tranquillisation. A contrario, la paroi amont de la cavité de tranquillisation est perpendiculaire à la direction de la veine 5 de gaz. La cavité de tranquillisation 8 débouche dans la veine 5. Ainsi, la section de la cavité s'élargit 30 progressivement depuis l'entrée de la cavité de tranquillisation jusqu'à la sortie dans la veine 5 de gaz. 3039200 8 Les flèches en trait épais représentent la circulation de l'air de refroidissement provenant du compresseur. Après l'impact de l'air de refroidissement sur la partie extérieure de l'anneau 2, l'air de refroidissement circule dans le passage 6, entre le bord de fuite du distributeur et le bord d'attaque 5 de l'anneau. L'air de refroidissement est accéléré dans le canal 7 du fait de la faible section moyenne prédéterminée de ce dernier. Cette faible section moyenne prédéterminée empêche la réintroduction de gaz chaud provenant de la veine 5 de gaz. L'air de refroidissement pénètre ensuite dans la cavité de tranquillisation. La section de la cavité de tranquillisation 8 étant élargie par rapport à celle du canal 10 7, l'air de refroidissement est ralenti. La paroi aval de la cavité étant inclinée de 45°, l'air de refroidissement pénètre dans la veine 5 de gaz selon une direction inclinée par rapport à la direction de la veine ce qui limite les perturbations avec le flux de gaz chauds de la veine 5 de gaz. De plus, du fait de cette conformation, une quantité importante de l'air de refroidissement issu de la cavité de 15 tranquillisation circule entre l'anneau 2 et les aubes mobiles 3 ce qui permet d'améliorer leur refroidissement et de minimiser le jeu J entre les aubes mobiles et l'anneau. Typiquement, le jeu J entre les extrémités radiales des aubes mobiles et l'anneau de turbine peut donc être inférieur au jeu habituel qui se situe entre 0,3mm et 0,35mm. 20 REVENDICATIONS1. Ensemble d'un distributeur (1) et d'un anneau (2) monobloc d'une turbine de turbomachine adaptée pour être mise en rotation par un écoulement d'amont en aval d'un gaz dans une veine (5) de gaz, ledit ensemble comprenant un passage (6) d'introduction d'air de refroidissement dudit anneau (2) monobloc dans ladite veine (5) de gaz, ledit passage (6) étant formé par un interstice axial entre le distributeur (1) et l'anneau (2) monobloc et débouchant dans ladite veine (5) de gaz, caractérisé en ce que ledit passage (6) d'introduction d'air de refroidissement comprend un canal (7) de section moyenne prédéterminée débouchant dans une cavité, dite cavité de tranquillisation (8), ladite cavité de tranquillisation (8) débouchant dans ladite veine (5) de gaz, présentant une section moyenne élargie par rapport à ladite section moyenne prédéterminée dudit canal pour permettre de ralentir la vitesse de l'air de refroidissement injecté dans ladite veine (5) de gaz et comprenant une paroi aval (9) inclinée par rapport à la direction de ladite veine (5) 2. Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit canal (7) est incliné par rapport à la direction de ladite veine (5) de gaz. 3. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que ledit canal (7) comprend une paroi aval (10), la paroi aval (10) dudit canal ayant la même inclinaison que la paroi aval (9) de ladite cavité de tranquillisation. 4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit canal (7) comprend une paroi amont (11) et une paroi aval (10), ledit canal (7) présentant un jeu axial moyen prédéterminé entre la paroi aval (10) et la paroi amont (11) dudit canal, le jeu axial moyen prédéterminé dudit canal étant compris entre 0,15 et 5mm. 3039200 10 5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la paroi aval (9) de ladite cavité de tranquillisation est inclinée d'un angle compris entre 20° et 70° par rapport à la direction de ladite veine (5) de gaz. 5 6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que ladite cavité de tranquillisation (8) comprend une paroi amont (12), la paroi amont (12) de ladite cavité de tranquillisation (8) est perpendiculaire à la direction de ladite veine (5) de gaz. 10 7. Turbine caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un étage comprenant une grille d'aubes mobiles et un ensemble tel que défini aux revendications 1 à 6. 8. Turbomachine caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une turbine telle que définie à la revendication 7. 15