Brevet FR3055654A1 — publié le 20180309

ROTOR DE TURBINE À VIROLES DE SÉPARATION D'AIR POUR LE REFROIDISSEMENT DE PARTIES DE COUPLAGE D'AUBES ET DE DISQUES, POUR UNE TURBOMACHINE L'invention concerne les turbines qui équipent des turbomachines, et plus précisément les rotors qui font partie de telles turbines. On notera que l'invention concerne non seulement les turboréacteurs et les turbopropulseurs qui équipent notamment des aéronefs, mais également les turbomachines industrielles à turbine à gaz. Une turbomachine comprend habituellement au moins une partie dédiée à la compression de l'air qu'elle admet en entrée. Cet air qui est comprimé pénètre dans une chambre de combustion où il est mélangé à un carburant avant que le mélange résultant ne soit brûlé et produise des gaz de combustion chauds. Ces derniers sont ensuite détendus dans un étage haute pression de la turbine, puis dans au moins un étage basse pression de cette même turbine. Chaque étage d'une turbine comprend généralement une série de pales fixes (ou distributeurs), suivie d'au moins un rotor (de turbine). Ce rotor comprend au moins deux séries d'aubes mobiles solidarisées respectivement à des disques qui sont couplés en rotation les uns aux autres. Chaque disque comprend en fait une partie de couplage munie de logements (ou alvéoles) qui logent chacun un pied d'une aube d'une série. Par ailleurs, dans un rotor classique la plupart des disques comprennent un bras « amont » et un bras « aval » qui est couplé en rotation au bras amont du disque suivant par des liaisons boulonnées. En raison de l'environnement de plus en plus contraint des turbines au niveau des températures d'utilisation et des vitesses de rotation du rotor, et des diamètres de plus en plus grands de ces turbines, il existe des phénomènes d'écartement de brides et de fortes contraintes dans les liaisons boulonnées inter-disques. De plus, ces dernières induisent de fortes 3055654 2 contraintes d'accessibilité pour l'outillage de montage. Afin de réduire la contrainte de température pour assurer une durée de vie suffisante des parties de couplage des aubes (pieds d'aube) et des disques, on est contraint de les refroidir au moyen d'un air de refroidissement 5 qui doit être guidé jusqu'à elles (et notamment jusque dans les logements de pieds d'aube (ou alvéoles)) sans être mélangé à l'air de veine chaud qui circule sous les distributeurs basse pression (ou DBPs). En effet, ce mélange induirait un échauffement de l'air de refroidissement, et donc une perte de la fonction de refroidissement en fond d'alvéole. 10 Dans un rotor classique (avec liaisons boulonnées inter-disques), le guidage de l'air de refroidissement est assuré par un anneau labyrinthe qui est solidarisé via une bride aux liaisons boulonnées et qui est placé devant une face « externe » du bras amont du disque, comme décrit dans le document brevet FR 3019584. Cette bride comprend des trous permettant 15 l'entrée d'air dans un espace défini entre la face « interne » de l'anneau labyrinthe et la face externe du bras amont du disque. Afin de réduire les phénomènes d'écartement de brides et les contraintes dans les liaisons boulonnées inter-disques, tout en réduisant la masse totale du rotor, il a été proposé de réduire la masse, l'encombrement 20 et éventuellement le nombre des liaisons boulonnées inter-disques. De tels rotors sont généralement de type dit « spool » ou de type dit « à disques percés ». Dans ces deux derniers types de rotor l'intégration des moyens d'alimentation en air de refroidissement destiné aux parties de couplage 25 aube/disque pose des problèmes. Plus précisément, un rotor de type spool ne permet pas l'intégration d'un anneau labyrinthe, et l'ajout d'un anneau labyrinthe entre les disques d'un rotor de type à disques percés alourdit sensiblement ce dernier rotor et impose l'ajout d'une bride supplémentaire sur chaque liaison vissée inter-disques qui augmente encore plus le poids et 30 complexifie le montage. L'invention a donc notamment pour but d'améliorer la situation. 3055654 3 Elle propose notamment à cet effet un rotor de turbine propre à équiper une turbomachine et comprenant au moins deux disques comportant chacun une partie de couplage munie de logements logeant chacun un pied d'une aube, et couplés entre eux par une première virole annulaire et 5 solidarisée à l'un d'entre eux au voisinage des logements. Ce rotor de turbine se caractérise par le fait : - qu'il comprend également des secondes viroles couplées en rotation et radialement respectivement aux disques, et constituées chacune d'au moins deux secteurs semi-annulaires et délimitant avec le disque associé 10 un espace qui communique avec les logements de la partie de couplage de ce dernier disque, et - que chaque première virole comprend des trous traversants propres à permettre une entrée dans cet espace puis dans les logements d'un air destiné à refroidir la partie de couplage de son disque et les pieds d'aube 15 qui sont logés dans ces logements. On peut ainsi avantageusement alimenter en air de refroidissement, directement (c'est-à-dire sans trajet à parcourir), les parties de couplage des disques et des aubes, sans mélange à l'air de veine chaud qui circule sous les DBPs et sans que cet air de refroidissement ait le temps d'être 20 réchauffé. Le rotor de turbine selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : - ses trous traversants peuvent être calibrés de manière à définir un débit 25 d'air prédéfini entrant dans l'espace qui est défini par un secteur de seconde virole et le disque associé ; - chaque première virole peut comprendre une nervure annulaire et chaque partie de couplage d'un disque peut comprendre une partie d'extrémité munie de protubérances définissant des butées radiales. Dans ce cas, 30 chaque secteur d'une seconde virole peut comprendre une première extrémité couplée à la nervure d'un secteur correspondant de la première virole à laquelle elle est couplée et une seconde extrémité couplée à un secteur correspondant de la partie de couplage d'un disque associé sous 3055654 4 les protubérances ; - la première extrémité de chaque seconde virole peut présenter une section transverse en forme générale de U inversé de manière à loger partiellement la nervure de la première virole associée ; 5 - dans une première variante, la première extrémité de chaque seconde virole peut présenter une section transverse en forme générale de L inversé de manière à coopérer avec la nervure de la première virole associée pour empêcher sa seconde virole de basculer dans l'espace (qui communique avec les logements) ; 10 - dans une seconde variante, la première extrémité de chaque seconde virole peut présenter une section transverse en forme générale de L inversé, et chaque première virole peut comprendre une rainure annulaire située à la base de la nervure et logeant partiellement un jonc annulaire et sur lequel s'appuie la première extrémité de la seconde 15 virole associée ; - le jonc peut être de type dit « martyre » ; - la seconde extrémité de chaque secteur d'une seconde virole peut comprendre des crans bloqués radialement par les protubérances et séparés les uns des autres par des trous (ou encoches) logeant chacun 20 étroitement un ergot que comprend un pied d'aube de manière à assurer le couplage en rotation avec le disque associé ; - les protubérances peuvent présenter une largeur inférieure à une largeur des ergots. L'invention propose également une turbine, éventuellement de type 25 basse pression, propre à équiper une turbomachine et comprenant un rotor de turbine du type de celui présenté ci-avant. L'invention propose également une turbomachine comprenant une turbine du type de celle présentée ci-avant. L'invention propose également un aéronef comprenant au moins une 30 turbomachine du type de celle présentée ci-avant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur 3055654 5 lesquels : - la figure 1 illustre de façon schématique, dans une vue en perspective, une petite partie d'un exemple de réalisation d'un rotor de turbine selon l'invention, 5 - la figure 2 illustre de façon schématique, dans une vue en perspective, une partie de disque, un pied d'aube et un premier exemple de réalisation d'un secteur de seconde virole d'un rotor de turbine selon l'invention, avant leur assemblage, - la figure 3 illustre de façon schématique, dans une vue en coupe, une 10 partie d'un disque de rotor de turbine selon l'invention couplée à une partie d'une aube et une partie d'un deuxième exemple de réalisation d'un secteur de seconde virole de ce même rotor de turbine, et - la figure 4 illustre de façon schématique, dans une vue en coupe, une partie d'un disque de rotor de turbine selon l'invention couplée à une partie 15 d'une aube et une partie d'un troisième exemple de réalisation d'un secteur de seconde virole de ce même rotor de turbine. L'invention a notamment pour but de proposer un rotor de turbine RT propre à équiper une turbomachine et comprenant des moyens de refroidissement des parties de couplage PC et PA de ses disques DR et 20 aubes AR. Dans ce qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que la turbomachine est un turboréacteur destiné à équiper un avion. Mais l'invention n'est pas limitée à ce type de turbomachine. Elle concerne en effet toute turbomachine comprenant une turbine à aubes et disques couplés. 25 Ainsi, elle concerne également les turbopropulseurs qui équipent notamment des aéronefs et les turbomachines industrielles à turbine à gaz. Par ailleurs, on considère dans ce qui suit, à titre d'exemple non limitatif, que la turbine (qui comprend un rotor RT selon l'invention) est de type basse pression. Mais elle pourrait également être de type haute pression, 30 sous réserve de comporter au moins deux disques haute pression. De plus, on considère dans ce qui suit, à titre d'exemple non limitatif, que le rotor RT est de type spool. Mais il pourrait être d'un autre type, et notamment de type dit à disques percés ou à bridage inter-disques. 3055654 6 On a schématiquement illustré sur les figures 1 et 2 une petite partie d'un exemple de réalisation d'un rotor (de turbine) RT selon l'invention, respectivement après et avant assemblage de ses constituants. Comme illustré, un rotor (de turbine) RT, selon l'invention, comprend 5 au moins deux disques DR, des aubes AR, et des secondes viroles V2 en nombre égal au nombre de disques DR. A titre d'exemple illustratif (et donc non limitatif), le nombre de disques DR peut être égal à cinq. Mais ce nombre peut prendre n'importe quelle valeur supérieure ou égale à deux. 10 Comme cela apparaît mieux sur la figure 2, les disques DR comportent chacun une partie de couplage PC munie de logements (ou alvéoles) L destiné(e)s à loger chacun(e) un pied PA d'une aube AR. Ces disques DR sont couplés entre eux par une première virole V1 annulaire et solidarisée fixement à l'un d'entre eux au voisinage des logements L. On 15 notera que dans le cas d'un rotor RT de type spool chaque première virole V1 est solidarisée fixement aux deux parties de couplage PC de deux disques DR voisins, et plus précisément fait partie intégrante de ses deux parties de couplage PC en constituant une liaison inter-disques. On notera, comme illustré sur les figures 3 et 4, que chaque logement 20 L est préférentiellement agencé de manière à comporter derrière le pied d'aube PA associé une sous-partie vide SPV communiquant avec l'extérieur au niveau de ses extrémités opposées une fois qu'il loge une partie de ce pied d'aube PA. On comprendra plus loin l'intérêt de cette sous-partie vide SPV. 25 Chaque seconde virole (ou collecteur) V2 est associé(e) à une première virole V1 et à une partie de couplage PC d'un disque DR. De plus, et comme cela apparaît sur les figures 1, 3 et 4, chaque seconde virole V2 est couplée en rotation et radialement à la partie de couplage PC d'un disque DR, et est constituée d'au moins deux secteurs SV semi-annulaires et délimitant 30 avec la partie de couplage PC du disque DR associé un espace EC qui communique avec les logements L de cette partie de couplage PC. Comme cela apparaît sur les figures 3 et 4, chaque première virole V1 comprend des trous traversants TT qui sont propres à permettre une 3055654 7 entrée dans l'espace EC puis dans les logements L (qui communiquent avec cet espace EC) d'un air qui est destiné à refroidir la partie de couplage PC de son disque DR dans sa zone la plus contrainte (c'est-à-dire celle comprenant les logements L). 5 Comme cela apparaît également sur les figures 3 et 4, l'espace EC communique avec une première extrémité de la sous-partie vide SPV de chaque logement L de la partie de couplage PC qui le définit partiellement. Ainsi, l'air qui pénètre dans l'espace EC via les trous traversants TT peut ensuite pénétrer dans ces sous-parties vides (ou fond d'alvéoles) SPV, afin 10 de les refroidir, puis ressortir par les secondes extrémités (opposées aux premières) de ces sous-parties vides SPV. Grâce à ces secondes viroles V2 peu encombrantes et donc de faible masse, on peut avantageusement alimenter en air de refroidissement, directement (c'est-à-dire sans trajet à parcourir), les parties de couplage PC et 15 PA respectivement des disques DR et des aubes AR. Ainsi, l'air de refroidissement n'est pas mélangé avec l'air de veine chaud qui circule sous les DBPs et n'a pas à lécher sur une longue distance une face interne d'une paroi dont la face externe est léchée par cet air de veine chaud comme c'est le cas avec un anneau labyrinthe. Il en résulte un rendement de 20 refroidissement qui est meilleur que celui offert par un anneau labyrinthe. De préférence, les trous traversants TT sont calibrés de manière à définir un débit d'air prédéfini entrant dans l'espace EC avec lequel ils communiquent. Par exemple, chaque première virole V1 peut comprendre une 25 nervure NV annulaire, et chaque partie de couplage PC d'un disque DR peut comprendre une partie d'extrémité munie de protubérances PPD qui définissent des butées radiales. On entend ici par « butée radiale » une butée qui est destinée à empêcher un déplacement suivant une direction radiale dr au-delà de sa 30 propre position (voir figures 3 et 4). Par ailleurs, on entend ici par « direction radiale » une direction qui est perpendiculaire à l'axe de rotation principal du rotor RT et donc des aubes AR et disques DR associés. En présence de ces nervure NV et protubérances PPD, chaque 3055654 8 secteur SV d'une seconde virole V2 peut comprendre une première extrémité El qui est couplée à la nervure NV d'un secteur correspondant de la première virole V1 à laquelle elle est couplée, et une seconde extrémité E2 qui est couplée à un secteur correspondant de la partie de couplage PC d'un disque 5 DR associé sous les protubérances PPD de cette dernière (PC). On comprendra que cet exemple d'agencement est destiné à coupler radialement chaque seconde virole V2 à la partie de couplage PC du disque DR associé. Plusieurs modes de réalisation peuvent être envisagés pour le couplage de chaque première extrémité El d'une seconde virole V2 à la 10 nervure NV de la première virole V1 associée. Un premier exemple est illustré non limitativement sur les figures 1 et 2. Dans ce premier exemple, la première extrémité El de chaque seconde virole V2 présente une section transverse en forme générale de U inversé de manière à loger partiellement la nervure NV de la première virole V1 associée. 15 On comprendra que cette première extrémité El en forme générale de U inversé définit une espèce de glissière logeant partiellement la nervure NV associée, ce qui permet d'immobiliser la seconde virole V2 suivant une direction axiale da qui est parallèle à l'axe de rotation principal du rotor RT et donc perpendiculaire à la direction radiale dr. 20 Un deuxième exemple est illustré non limitativement sur la figure 3. Dans ce deuxième exemple, la première extrémité El de chaque seconde virole V2 présente une section transverse en forme générale de L inversé de manière à coopérer avec la nervure NV de la première virole V1 associée pour empêcher sa seconde virole V2 de basculer dans l'espace EC. On 25 comprendra que la première partie de la première extrémité El qui constitue la base du L inversé s'étend suivant la direction axiale da et s'appuie sur l'extrémité libre de la nervure NV, tandis que la seconde partie de la première extrémité El qui est perpendiculaire à la première partie est placé contre la face de la nervure NV qui est orientée vers les logements L de sa pièce de 30 couplage PC. Cela permet d'immobiliser (ou bloquer) la seconde virole V2 suivant la direction axiale da. Un troisième exemple est illustré non limitativement sur la figure 4. Dans ce troisième exemple (variante du deuxième), la première extrémité El 3055654 9 de chaque seconde virole V2 présente une section transverse en forme générale de L inversé, et chaque première virole V1 comprend une rainure RV annulaire située à la base de sa nervure NV et logeant partiellement un jonc J annulaire et sur lequel s'appuie la première extrémité El de la seconde 5 virole V2 associée (et donc qui est comprimé par cette première extrémité El ). Par exemple, ce jonc J peut avoir un diamètre d'encombrement à l'état libre qui est plus important que son diamètre de logement dans le disque DR. On comprendra que la première partie de la première extrémité El qui constitue la base du L inversé s'étend suivant la direction axiale da et s'appuie 10 sur l'extrémité libre du jonc J, tandis que la seconde partie de la première extrémité El qui est perpendiculaire à la première partie est placé contre la face du jonc J qui est orientée vers les logements L de sa pièce de couplage PC. Cela permet d'immobiliser la seconde virole V2 suivant la direction axiale da, et d'éviter l'usure de la nervure NV (qui nécessiterait une réparation 15 onéreuse du disque DR - c'est en effet le jonc J qui va s'user à la place de la nervure NV). Par exemple, le jonc J peut être de type dit « martyre », c'est-à-dire destiné à servir de pièce d'usure. Afin d'assurer le couplage en rotation d'une seconde virole V2 avec le 20 disque DR associé, la seconde extrémité E2 de chaque secteur SV de cette seconde virole V2 peut comprendre des crans CV bloqués radialement par les protubérances PPD et séparés les uns des autres par des trous (ou encoches) TC qui logent chacun(e) étroitement un ergot EP que comprend un pied d'aube PA. C'est ce qui est illustré dans les exemples non limitatifs des 25 figures 1 à 4. Chaque ergot EP s'étend suivant sensiblement la direction axiale da. De préférence, les protubérances (ou butées radiales) PPD présentent une largeur qui est inférieure à la largeur des ergots EP. Cela permet en effet de réaliser un assemblage des constituants du rotor RT 30 comme suit. On peut commencer par insérer suivant la direction radiale dr chaque secteur SV d'une seconde virole (ou collecteur) V2, en faisant passer les protubérances (ou butées radiales) PPD au travers des trous (ou encoches) 3055654 1 0 TC. Il faut donc veiller à préserver un jeu suffisant au niveau des différents trous TC de chaque secteur SV de la seconde virole V2 pour que l'insertion de ce secteur SV puisse se faire sans interférence avec les protubérances (ou butées radiales) PPD. 5 Puis, une fois que tous les secteurs SV de la seconde virole V2 ont été insérés radialement, on applique une rotation de ces secteurs SV par rapport au disque DR associé, de façon à positionner chaque trou (ou encoche) TC en vis-à-vis d'un logement (ou alvéole) L. Les secteurs SV de la seconde virole V2 se retrouvent alors bloqués/maintenus radialement, via 10 leurs crans CV, par les protubérances (ou butées radiales) PPD du disque DR. Ensuite, on loge chaque pied d'aube PA dans le logement (ou alvéole) L correspondant jusqu'à ce que son ergot EP soit logé (ou engagé) dans le trou (ou encoche) TC précédemment placé en vis-à-vis de son 15 logement (ou alvéole) L, ce qui permet de bloquer en rotation la seconde virole (ou collecteur) V2 par rapport au disque DR. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation de rotor de turbine, de turbine et de turbomachine décrits ci-avant, seulement à titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager 20 l'homme de l'art dans le seul cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS1. Rotor de turbine (RT) propre à équiper une turbomachine et comprenant au moins deux disques (DR) comportant chacun une partie de couplage (PC) munie de logements (L) logeant chacun un pied (PA) d'une aube (AR), et couplés entre eux par une première virole (V1) annulaire et solidarisée à l'un d'entre eux au voisinage desdits logements (L), caractérisé en ce qu'il comprend en outre des secondes viroles (V2) couplées en rotation et radialement respectivement auxdits disques (DR) et constituées io chacune d'au moins deux secteurs (SV) semi-annulaires et délimitant avec le disque (DR) associé un espace (EC) communiquant avec lesdits logements (L) de ladite partie de couplage (PC) de ce dernier (DR), et en ce que chaque première virole (V1) comprend des trous traversants (TT) propres à permettre une entrée dans ledit espace (EC) puis dans lesdits logements (L) 15 d'un air destiné à refroidir ladite partie de couplage (PC) de son disque (DR) et lesdits pieds d'aube (PA) logés dans ces logements (L). 2. Rotor de turbine selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque première virole (V1) comprend une nervure (NV) annulaire, en ce que chaque partie de couplage (PC) d'un disque (DR) comprend une partie 20 d'extrémité munie de protubérances (PPD) définissant des butées radiales, et en ce que chaque secteur (SV) d'une seconde virole (V2) comprend une première extrémité (El) couplée à la nervure (NV) d'un secteur correspondant de la première virole (1/1) à laquelle elle est couplée et une seconde extrémité (E2) couplée à un secteur correspondant de ladite partie 25 de couplage (PC) d'un disque (DR) associé sous lesdites protubérances (PPD). 3. Rotor de turbine selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première extrémité (El) de chaque seconde virole (V2) présente une section transverse en forme générale de U inversé de manière à loger 30 partiellement ladite nervure (NV) de la première virole (V1) associée. 4. Rotor de turbine selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première extrémité (El) de chaque seconde virole (V2) présente une section transverse en forme générale de L inversé de manière à coopérer 3055654 avec ladite nervure (NV) de la première virole (V1) associée pour empêcher sa seconde virole (V2) de basculer dans ledit espace (EC). 5. Rotor de turbine selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première extrémité (El) de chaque seconde virole (V2) présente une 5 section transverse en forme générale de L inversé, et en ce que chaque première virole (V1) comprend une rainure (RV) annulaire, située à la base de ladite nervure (NV) et logeant partiellement un jonc (J) annulaire et sur lequel s'appuie ladite première extrémité (El) de la seconde virole (V2) associée. 6. Rotor de turbine selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit jonc (J) est de type dit « martyre ». 7. Rotor de turbine selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que ladite seconde extrémité (E2) de chaque secteur (SV) d'une seconde virole (V2) comprend des crans (CV) bloqués radialement par lesdites protubérances (PPD) et séparés les uns des autres par des trous (TC) logeant chacun étroitement un ergot (EP) que comprend un pied d'aube (PA) de manière à assurer le couplage en rotation avec ledit disque (DR) associé. 8. Rotor de turbine selon la revendication 7, caractérisé en ce que 20 lesdites protubérances (PPD) présentent une largeur inférieure à une largeur desdits ergots (EP). 9. Turbine pour une turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend un rotor de turbine (RT) selon l'une des revendications précédentes. 25 10. Turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine selon la revendication 9.