FR2840351A1 - Refroidissement du flasque amont d'une turbine a haute pression par un systeme a double injecteur fond de chambre - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif de ventilation d'un rotor de turbine à haute pression qui comporte un disque de turbine (3) et un flasque amont (5). Un premier circuit de refroidissement des aubes délivre un premier débit d'air (C1), via des injecteurs principaux (15) et des trous (11) ménagés dans le flasque (5). Un deuxième circuit de refroidissement délivre un deuxième débit d'air (C2) à travers un labyrinthe de décharge (18) situé en aval du compresseur, une partie de ce deuxième débit servant au refroidissement de la face supérieure amont du flasque au travers d'un deuxième labyrinthe (22) situé sous les injecteurs principaux (15). Une dérivation est prévue entre le premier circuit et l'enceinte (23) située en aval du deuxième labyrinthe (22) et délivre un troisième débit (C1a) mis en pré-rotation au moyen d'injecteurs additionnels (30) réalisés sous forme de perçages inclinés.
Description
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Refroidissement du flasque amont d'une turbine à haute pression par un système à double injecteurs fond de chambre.
L'invention concerne le domaine de la ventilation des rotors de turbine à haute pression des turboréacteurs.
Elle concerne plus précisément un dispositif de ventilation d'un rotor de turbine à haute pression d'une turbomachine, cette turbine étant disposée en aval de la chambre de combustion et comportant, d'une part, un disque de turbine présentant un alésage intérieur et une bride amont pour sa fixation sur le cône aval d'un compresseur, à haute pression, et, d'autre part, un flasque disposé en amont dudit disque et séparé de ce dernier par une cavité, ledit flasque comportant également un alésage intérieur, à travers lequel s'étend la bride amont dudit disque, et une bride amont pour sa fixation sur ledit cône aval, ledit dispositif comportant un premier circuit pour le refroidissement des aubes alimenté par un premier débit d'air prélevé en fond de chambre et délivrant ce premier débit d'air dans ladite cavité via des injecteurs principaux disposés en amont dudit flasque et des trous de ventilation ménagés dans ledit flasque, et un deuxième circuit pour le refroidissement du flasque, alimenté par un deuxième débit d'air au travers d'un labyrinthe de décharge situé en aval du compresseur à haute pression, une partie au moins dudit deuxième débit d'air servant à ventiler la face supérieure amont dudit flasque au travers d'un deuxième labyrinthe situé sous les injecteurs.
La figure 1 montre un tel rotor de turbine 1 à haute pression, disposé en aval d'une chambre de combustion 2, et qui comporte un disque de turbine 3 équipé d'aubes 4, et un flasque 5 disposé en amont du disque 3. Le disque 3 et le flasque 5 comportent chacun une bride amont, référencée 3a pour le disque 3 et 5a pour le flasque 5, pour leur fixation à l'extrémité aval 6 du cône aval 7 du compresseur à haute pression entraîné par le rotor 1.
Le disque 3 comporte un alésage intérieur 8 traversé par l'arbre 9 d'une turbine à basse pression, et le flasque 5 présente un alésage intérieur 10 entourant la bride 3a du disque 3, et des trous de ventilation
11 par lesquels un premier débit d'air Cl de refroidissement prélevé en fond de chambre est délivré dans la cavité 12 séparant la face aval du flasque 5 de la face amont du disque 3. Ce débit d'air Cl de
11 par lesquels un premier débit d'air Cl de refroidissement prélevé en fond de chambre est délivré dans la cavité 12 séparant la face aval du flasque 5 de la face amont du disque 3. Ce débit d'air Cl de
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refroidissement circule radialement vers l'extérieur et pénètre dans les alvéoles 4a contenant les pieds des aubes 4 afin de refroidir ces dernières. Ce débit d'air est prélevé dans le fond de chambre, circule dans un conduit 13 disposé dans l'enceinte 14 séparant le flasque 5 du fond de chambre et est mis en rotation par des injecteurs 15 afin d'abaisser la température de l'air délivré dans la cavité 12.
Un deuxième débit d'air C2 de refroidissement prélevé en fond de chambre circule vers l'aval dans l'enceinte 16 séparant le cône aval 7 du compresseur à haute pression du carter intérieur 17 de la chambre de combustion 12. Ce débit d'air C2 s'écoule à travers un labyrinthe de décharge 18 et pénètre dans l'enceinte 14 d'où une partie C2a s'écoule à travers des orifices 19 ménagés dans la bride amont 5a du flasque 5, passe à travers l'alésage 10 du flasque 5 afin de refroidir la partie radialement intérieure de ce dernier et rejoint le débit d'air Cl de refroidissement des aubes 4. Une autre partie C2b du deuxième débit d'air C2 refroidit la face amont du flasque 5, contourne les injecteurs 15 et est évacuée dans la cavité de purge amont 20 du rotor de turbine 1.
Enfin, une troisième partie C2c du troisième débit d'air C2 sert à ventiler la face supérieure amont 21 du flasque 5 au travers d'un deuxième labyrinthe 22 situé sous les injecteurs 15. Cette troisième partie C2c pénètre dans l'enceinte 23 située en aval du deuxième labyrinthe 22, entre le flasque 5 et les injecteurs 15, et est évacuée dans la cavité de purge amont 20 du rotor de turbine 1 à travers un troisième labyrinthe 24 situé au-dessus des injecteurs 15, ou vient se mélanger au premier débit d'air Cl.
Le deuxième débit d'air C2 sert à refroidir le cône aval 7, le fût de liaison du compresseur à haute pression à la turbine à haute pression, et le flasque 5. Ce deuxième débit d'air circulant axialement dans un espace annulaire délimité par des parois fixes solidaires de la chambre et des parois mobiles en rotation solidaires du rotor, subit des échauffements liés aux puissances dissipées entre le rotor et le stator.
Pour abaisser la température du flasque amont suivant les spécifications de sa tenue mécanique, il est donc nécessaire d'augmenter le débit d'air C2 traversant le labyrinthe de décharge 18 situé en aval du compresseur à haute pression, et de le rejeter soit dans le circuit de refroidissement des aubes, soit dans la veine en amont de la roue de
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turbine à haute pression. Cette augmentation de débit génère une augmentation de la température de l'air de refroidissement des aubes du fait du rejet d'un air réchauffé dans le circuit de refroidissement des aubes, et une chute des performances de la turbine du fait du rejet dans la veine.
En outre le débit d'air C2c servant au refroidissement du flasque en aval du deuxième labyrinthe 22 situé sous les injecteurs 15, est peu maîtrisable car il subit les évolutions des jeux du labyrinthe de décharge 18, du deuxième labyrinthe 22 et du troisième labyrinthe 24 situé audessus des injecteurs 15, au cours du fonctionnement et au cours de la vie du moteur.
La température de la face amont du flasque en aval du deuxième labyrinthe est donc assez élevée et mal maîtrisée. Ceci nécessite d'utiliser des matériaux spéciaux pour la réalisation du flasque et un dimensionnement approprié.
Le but de l'invention est d'abaisser la température de la face amont du flasque afin de faciliter son dimensionnement en survitesse, d'augmenter sa durée de vie et de pouvoir utiliser un matériau économique.
Ce but est atteint selon l'invention par le fait que ledit dispositif comporte en outre une dérivation entre le premier circuit et l'enceinte interne située en aval du deuxième labyrinthe, ladite dérivation délivrant un troisième débit d'air pour le refroidissement de la face supérieure amont dudit flasque, ce troisième débit d'air étant mis en pré-rotation au moyen d'injecteurs additionnels.
Ce troisième débit d'air pré-entraîné et injecté en aval du labyrinthe sous injecteurs principaux permet ainsi de réduire la température totale relative de l'air venant refroidir la face amont du flasque en aval du deuxième labyrinthe. Ce troisième débit d'air se mélange au débit de fuite du labyrinthe sous injecteurs et est évacué en aval des injecteurs principaux de turbine, dans le circuit d'alimentation des roues de turbine à haute pression.
L'air injecté dans le circuit d'alimentation de la roue de turbine est ainsi plus froid que celui de l'air injecté selon l'état de la technique.
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Avantageusement, les injecteurs additionnels sont réalisés sous forme de perçages inclinés tangentiellement dans le sens de rotation du rotor.
De préférence, lesdits perçages prélèvent de l'air dans les injecteurs principaux, et le délivrent immédiatement en aval du deuxième labyrinthe.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une demi-coupe axiale d'un rotor de turbine à haute pression d'un turboréacteur, qui montre les circuits d'air de refroidissement selon l'art antérieur ; la figure 2 est une demi-coupe axiale d'un rotor de turbine de turboréacteur qui comporte le dispositif de refroidissement selon l'invention ; et les figures 3 à 5 montrent les évolutions de température de l'alésage du flasque amont respectivement en fonction du jeu du labyrinthe de décharge du compresseur, du labyrinthe sous injecteurs et du labyrinthe sur-injecteurs, avec un dispositif de ventilation classique et avec un dispositif de ventilation selon l'invention.
L'état de la technique montré sur la figure 1 a été discuté dans l'introduction et ne nécessite pas d'autres explications.
La figure 2 montre un rotor de turbine 1 qui se différencie de celui montré sur la figure 1 par le fait que l'enceinte 23 située en aval du deuxième labyrinthe 22 est alimentée en air, d'une part, par une fuite d'air C2c provenant de l'enceinte 14 via le deuxième labyrinthe 22 et, d'autre part, par un débit d'air Cla délivré par une dérivation ménagée entre le conduit 13 délivrant le premier débit d'air Cl et l'enceinte 23. La dérivation est constituée d'une pluralité de perçages 30 débouchant, d'une part, à l'entrée des injecteurs principaux 15 et, d'autre part, dans l'enceinte 23 immédiatement en aval du deuxième labyrinthe 22. Les perçages 30 sont cylindriques et inclinés tangentiellement dans le sens de rotation du rotor de turbine 1.
Ainsi que cela est visible sur la figure 2, la partie radialement intérieure 31 du flasque 5 a une forme massive, et s'étend axialement vers l'avant du moteur jusqu'à la bride radiale 5a qui sert à sa fixation à
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l'extrémité aval 6 du cône aval 7 du compresseur. Le labyrinthe 22, situé sous les injecteurs 15 est disposé à la périphérie de la bride radiale 5a.
Les perçages 30 sont sensiblement radiaux et dirigés vers la face supérieure 32 de la partie radialement intérieure du flasque 5.
Du fait que les perçages 30 sont inclinés dans le sens de rotation du rotor de turbine 1, le débit d'air Cla délivré par les perçages 30 est à une température totale relative réduite par rapport à l'air de refroidissement des mêmes régions dans l'état de la technique.
Le gain de température peut être estimé à 30 C. Le débit d'air Cla se mélange au débit de fuite C2c du labyrinthe sous injecteurs 22 et est évacué en aval des injecteurs principaux 15, dans le circuit d'alimentation de la roue de turbine.
Ainsi que cela se voit sur la figure 2, la bride radiale 5a ne comporte pas d'orifices pour alimenter la chambre annulaire 33 située entre la partie radialement intérieure 31 du flasque 5 et la bride aval 3a du disque de turbine 3, du fait que le troisième débit d'air Cla, est suffisant pour assurer à lui seul le refroidissement de la totalité du flasque 5.
L'air injecté dans le circuit d'alimentation de la roue de turbine pour le refroidissement des aubes ainsi pré-entraîné est plus froid, que l'air de refroidissement des aubes dans une ventilation classique. Le gain de température peut être estimé à 15 , ce qui équivaut à un gain de consommation spécifique de 0,06 % environ.
En outre, le débit d'air froid Cla délivré par les perçages 30 n'est pas influencé par les variations des jeux des labyrinthes environnants, car ce débit est calibré par les perçages 30.
La figure 3 montre en pointillé l'évolution de la température de l'alésage 31 du flasque 5 dans une ventilation classique de rotor de turbine, et en traits pleins, l'évolution de la température au même endroit avec le dispositif de ventilation selon l'invention en fonction du jeu du labyrinthe de décharge 18 exprimé en mm.
On constate que l'évolution de cette température avec le dispositif selon l'invention est sensiblement constante et toujours inférieure à la température obtenue à cet endroit avec une ventilation classique.
La figure 4 montre l'évolution de la température de l'alésage 31 du flasque 5 en fonction du jeu du deuxième labyrinthe 22 situé sous les
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injecteurs principaux 15, avec une ventilation classique (courbe en pointillé) et avec un dispositif de ventilation selon l'invention.
On constate également que, toutes choses étant égales par ailleurs, la température dans cette zone avec le dispositif selon l'invention est sensiblement constante et inférieure à celle obtenue avec une ventilation classique.
La figure 5 montre l'évolution de la température au même endroit du flasque, en fonction du jeu du troisième labyrinthe 24, pour une ventilation classique (courbe en pointillé) et pour une ventilation avec le dispositif selon l'invention. La température dans cette région est sensiblement constante avec un dispositif de ventilation selon l'invention.
Du fait que la température du flasque 5 au voisinage du troisième labyrinthe 24 est sensiblement constante avec le dispositif de ventilation selon l'invention, et inférieure à celle obtenue avec une ventilation classique, le flasque 5 est moins sollicité par des contraintes thermiques, et il peut être réalisé dans un matériau moins coûteux et plus facile à travailler.
Claims (6)
1. Dispositif de ventilation d'un rotor de turbine à haute pression d'une turbomachine, cette turbine étant disposée en aval de la chambre de combustion et comportant, d'une part, un disque de turbine présentant un alésage intérieur et une bride amont pour sa fixation sur le cône aval d'un compresseur, à haute pression, et, d'autre part, un flasque disposé en amont dudit disque et séparé de ce dernier par une cavité, ledit flasque comportant également un alésage intérieur, à travers lequel s'étend la bride amont dudit disque, et une bride amont pour sa fixation sur ledit cône aval, ledit dispositif comportant un premier circuit pour le refroidissement des aubes alimenté par un premier débit d'air prélevé en fond de chambre et délivrant ce premier débit d'air dans ladite cavité via des injecteurs principaux disposés en amont dudit flasque et des trous de ventilation ménagés dans ledit flasque, et un deuxième circuit pour le refroidissement du flasque, alimenté par un deuxième débit d'air au travers d'un labyrinthe de décharge situé en aval du compresseur à haute pression, une partie au moins dudit deuxième débit d'air servant à ventiler la face supérieure amont dudit flasque au travers d'un deuxième labyrinthe situé sous les injecteurs, caractérisé par le fait que ledit dispositif comporte en outre une dérivation entre le premier circuit (13) et l'enceinte (23) située en aval du deuxième labyrinthe (22), ladite dérivation délivrant un troisième débit d'air (Cla) pour le refroidissement de la face supérieure amont (32) dudit flasque (5), ce troisième débit d'air (Cla) étant mis en pré-rotation au moyen d'injecteurs additionnels (30).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les injecteurs additionnels sont réalisés sous forme de perçages (30) inclinés tangentiellement dans le sens de rotation du rotor.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdits perçages (30) prélèvent de l'air dans les injecteurs principaux (15).
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que lesdits perçages (30) délivrent de l'air immédiatement en aval du deuxième labyrinthe.
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5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que le deuxième labyrinthe (22) est disposé entre les injecteurs principaux (15) et la bride amont (5a) du flasque (5).
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la bride amont (5a) du flasque (5) est radiale.
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