FR2928962A1 - Distributor for low-pressure turbine of e.g. turbojet engine, of aircraft, has blades extending between two revolution walls, where one of blades comprises internal recesses for relaxing and reduction of operation constraints - Google Patents
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Abstract
Description
Distributeur de turbine à pales creuses Hollow blade turbine distributor
La présente invention concerne un distributeur pour une turbine de turbomachine, et en particulier pour une turbine basse-pression d'un turboréacteur ou d'un turbopropulseur d'avion. Une turbine basse-pression de turboréacteur comprend plusieurs étages comportant chacun une roue à aubes et un distributeur. Chaque distributeur comprend deux parois de révolution, respectivement interne et externe, entre lesquelles s'étendent des pales sensiblement radiales. Le distributeur est sectorisé et est formé de plusieurs secteurs de distributeur disposés bout à bout. Dans la technique actuelle, un des distributeurs de la turbine comprend une pale creuse, les autres pales de ce distributeur étant pleines. La pale creuse comporte une cavité interne de logement d'un instrument de mesure de la température. Cet instrument est monté dans la cavité de la pale par une ouverture formée dans la paroi externe du distributeur, sensiblement au droit de la pale, et débouchant dans la cavité interne de cette pale. Cette cavité communique avec la veine de la turbine par des perçages formés dans la pale et répartis sur sa longueur. The present invention relates to a distributor for a turbomachine turbine, and in particular for a low-pressure turbine of a jet engine or an airplane turboprop. A turbojet low-pressure turbine comprises several stages each comprising a paddle wheel and a distributor. Each distributor comprises two walls of revolution, respectively internal and external, between which extend substantially radial blades. The distributor is sectorized and consists of several distributor sectors arranged end to end. In the present art, one of the turbine distributors comprises a hollow blade, the other blades of this dispenser being full. The hollow blade has an internal housing cavity of a temperature measuring instrument. This instrument is mounted in the cavity of the blade by an opening formed in the outer wall of the distributor, substantially to the right of the blade, and opening into the internal cavity of this blade. This cavity communicates with the vein of the turbine by bores formed in the blade and distributed over its length.
L'instrument: permet de mesurer la température à l'intérieur de la pale creuse et d'en déduire la température des pales du distributeur en fonctionnement du turboréacteur. Ces informations sont transmises au pilote de l'avion équipé de cette turbomachine qui peut alors vérifier que la température des pales du distributeur ne dépasse pas un certain seuil au- delà duquel il est nécessaire d'immobiliser l'avion pour réaliser une révision complète du turboréacteur. Les dimensions de la pale creuse du distributeur sont notamment déterminées en fonction des dimensions de la cavité interne de cette pale pour le logement de l'instrument de mesure, et des épaisseurs de paroi minimales de cette pale. The instrument: used to measure the temperature inside the hollow blade and to deduce the temperature of the blades of the distributor in operation of the turbojet engine. This information is transmitted to the pilot of the aircraft equipped with this turbomachine which can then verify that the temperature of the distributor blades does not exceed a certain threshold beyond which it is necessary to immobilize the aircraft to perform a complete overhaul of the aircraft. turbojet. The dimensions of the hollow blade of the distributor are in particular determined according to the dimensions of the internal cavity of this blade for the housing of the measuring instrument, and the minimum wall thicknesses of this blade.
Toutes les pales du distributeur doivent avoir les rnêmes dimensions. Les dimensions des pales pleines du distributeur sont donc identiques à celles de la pale creuse et sont donc relativement importantes en épaisseur. Cela se traduit par une augmentation significative de la masse du distributeur et donc du turboréacteur, toujours préjudiciable en aéronautique. De plus, les pales pleines du distributeur sont plus rigides et plus robustes que nécessaire. En fonctionnement, ces pales pleines sont soumises à des sollicitations mécaniques et thermiques qui se traduisent par des déformations plus importantes de parties plus faibles du distributeur, auxquelles les pales pleines sont raccordées. La pale creuse du distributeur ainsi que les zones de raccordement entre les pales et les parois de révolution du distributeur sont ainsi soumises à des contraintes importantes, qui peuvent réduire la durée de vie du distributeur. All the blades of the dispenser must have the same dimensions. The dimensions of the full blades of the distributor are therefore identical to those of the hollow blade and are therefore relatively large in thickness. This results in a significant increase in the mass of the distributor and therefore the turbojet, still detrimental in aeronautics. In addition, the full blades of the dispenser are stiffer and stronger than necessary. In operation, these full blades are subject to mechanical and thermal stresses which result in greater deformations of weaker parts of the distributor, to which the full blades are connected. The hollow blade of the distributor as well as the connection areas between the blades and the revolution of the distributor are thus subject to significant constraints, which can reduce the life of the dispenser.
Les pales des aubes de ce type de distributeur sont en outre réalisées dans des matériaux à solidification dirigée, par exemple à base de nickel et sont coûteuses. L'invention permet d'apporter une solution simple, efficace et économique aux problèmes de la technique antérieure. The blade blades of this type of distributor are also made of directionally solidified materials, for example based on nickel and are expensive. The invention makes it possible to provide a simple, effective and economical solution to the problems of the prior art.
Elle propose à cet effet un distributeur pour une turbine de turbomachine, comportant deux parois de révolution coaxiales entre lesquelles s'étendent des pales sensiblement radiales, au moins une des pales présentant une cavité interne de logement d'un instrument de mesure qui est engagé dans la cavité depuis une extrémité de celle-ci, caractérisé en ce que les autres pales du distributeur comprennent des évidements internes d'allègement et de réduction des contraintes en fonctionnement. Le distributeur de turbine selon l'invention comporte donc uniquement des pales creuses dont une forme un logement d'un instrument de mesure, les autres pales étant évidées pour réduire la masse du distributeur et donc la masse de la turbine de turbomachine équipée de ce distributeur. Les évidements des autres pales du distributeur sont en outre conformés pour, d'une part réduire les contraintes auxquelles sont soumises la pale équipée de l'instrument de mesure et les zones de raccordement des pales aux parois de révolution du distributeur et, d'autre part pour simplifier la fabrication de ces pales. To this end, it proposes a distributor for a turbomachine turbine, comprising two coaxial revolution walls between which substantially radial blades extend, at least one of the blades having an internal housing cavity of a measuring instrument which is engaged in the cavity from one end thereof, characterized in that the other blades of the dispenser comprise internal recesses of relief and reduction of stresses in operation. The turbine distributor according to the invention therefore comprises only hollow blades, one of which forms a housing of a measuring instrument, the other blades being recessed to reduce the mass of the distributor and therefore the mass of the turbomachine turbine equipped with this distributor. . The recesses of the other blades of the distributor are further shaped to, firstly reduce the stresses to which are subjected the blade equipped with the measuring instrument and the zones of connection of the blades to the revolution walls of the distributor and, on the other hand part to simplify the manufacture of these blades.
Dans un cas particulier de réalisation de l'invention, les contraintes maximales appliquées au distributeur ont été réduites de plus de 10%, ce qui a permis d'augmenter la durée de vie de ce distributeur de plus de 50%, par rapport à la technique antérieure. Dans un premier mode de réalisation, les pales du distributeur ont toutes la même cavité. Cela permet de mieux répartir et d'uniformiser les contraintes dans le distributeur et ainsi d'améliorer la durée de vie de ce dernier. Cela permet en outre de simplifier la fabrication du distributeur. Lorsque les pales du distributeur sont réalisées de fonderie, un même noyau peut en effet servir pour former la cavité interne de la pale de logement de l'instrument de mesure et les évidements des autres pales. En variante, l'évidement de chaque pale a une forme et/ou des dimensions différentes de celles de la cavité interne de la pale équipée de l'instrument de mesure. Les évidements des pales peuvent être différents les uns des autres du point de vue de leur forme et/ou de leurs dimensions. In a particular embodiment of the invention, the maximum stresses applied to the distributor have been reduced by more than 10%, which has made it possible to increase the service life of this dispenser by more than 50%, compared to the prior art. In a first embodiment, the blades of the dispenser all have the same cavity. This makes it possible to better distribute and standardize the stresses in the distributor and thus to improve the service life of the latter. This also makes it possible to simplify the manufacture of the dispenser. When the blades of the distributor are made of foundry, the same core can indeed be used to form the internal cavity of the housing blade of the measuring instrument and the recesses of the other blades. Alternatively, the recess of each blade has a shape and / or dimensions different from those of the internal cavity of the blade equipped with the measuring instrument. The recesses of the blades may be different from each other in terms of their shape and / or their dimensions.
Cela permet de former dans les autres pales des évidements plus simples et moins difficiles à réaliser que la cavité de la pale destinée à recevoir l'instrument de mesure. Les évidements des pales du distributeur peuvent être reliés à la veine de la turbine par des orifices ou des perçages de sortie d'air de ventilation. Les évidements internes des pales sont alors alimentés en air de ventilation par des moyens appropriés de façon à assurer le refroidissement des pales du distributeur. Cela permet notamment de fabriquer ces pales avec des matériaux moins coûteux. L'invention concerne également une turbine de turbomachine, 30 caractérisée en ce qu'elle comprend un distributeur du type précité, et une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine équipée d'au moins un distributeur 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 : - la figure 1 est une demi-vue schématique en coupe axiale d'une turbine basse-pression d'une turbomachine, - la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un secteur de distributeur de turbine selon la technique antérieure, - la figure 3 est une vue schématique en coupe selon la ligne III-III de la figure 2, - la figure 4 est une vue schématique en perspective et en coupe partielle d'un secteur de distributeur d'une turbine selon l'invention. This makes it possible to form in the other blades recesses simpler and less difficult to achieve than the cavity of the blade for receiving the measuring instrument. The recesses of the distributor blades can be connected to the turbine duct through orifices or ventilation air outlets. The internal recesses of the blades are then supplied with ventilation air by appropriate means so as to ensure the cooling of the blades of the distributor. This allows in particular to manufacture these blades with less expensive materials. The invention also relates to a turbomachine turbine, characterized in that it comprises a distributor of the aforementioned type, and a turbomachine, such as an airplane turbojet or turboprop, characterized in that it comprises a turbine equipped at least one dispenser as described above. The invention will be better understood and other details, characteristics and advantages of the present invention will appear more clearly on reading the following description given by way of non-limiting example and with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a diagrammatic half-view in axial section of a low-pressure turbine of a turbomachine; FIG. 2 is a diagrammatic perspective view of a turbine distributor sector according to the prior art, FIG. is a schematic sectional view along the line III-III of Figure 2, - Figure 4 is a schematic perspective view and partly in section of a valve sector of a turbine according to the invention.
On se réfère d'abord à la figure 1 qui est une demi-vue schématique en coupe d'une turbine basse-pression 10 d'un turboréacteur ou d'un turbopropulseur d'avion, selon un plan passant par l'axe de rotation du rotor de la turbine. Le rotor de la turbine comprend trois disques 12 assemblés coaxialement les uns aux autres par des brides annulaires 14 et portant des rangées annulaires d'aubes 16 qui sont montées par des pieds d'aubes à leurs extrémités radialement internes sur la périphérie externe des disques 12. Le rotor est relié à un arbre de turbine par l'intermédiaire d'un cône d'entraînement 18 fixé au moyen d'une bride annulaire 20 entre les brides annulaires 14 du disque intermédiaire et du disque aval. Des flasques annulaires 22 de retenue axiale des aubes 16 sur le disque 12 sont en outre montés entre les disques et comprennent chacun une paroi interne 24 sensiblement radiale serrée axialement entre les brides annulaires 14 de deux disques adjacents. Referring first to Figure 1 which is a schematic half-sectional view of a low-pressure turbine 10 of a turbojet engine or a turboprop aircraft, in a plane passing through the axis of rotation rotor of the turbine. The rotor of the turbine comprises three disks 12 assembled coaxially to each other by annular flanges 14 and carrying annular rows of vanes 16 which are mounted by blade roots at their radially inner ends on the outer periphery of the discs 12 The rotor is connected to a turbine shaft via a drive cone 18 fixed by means of an annular flange 20 between the annular flanges 14 of the intermediate disc and the downstream disc. Annular flanges 22 of axial retention of the blades 16 on the disk 12 are further mounted between the disks and each comprise a substantially radial inner wall 24 clamped axially between the annular flanges 14 of two adjacent disks.
Entre les rangées d'aubes 16 se trouvent des distributeurs qui comportent chacun deux parois de révolution 26, 28 coaxiales, respectivement interne et externe, reliées entre elles par une rangée annulaire de pales 30. Les parois externes 28 des distributeurs sont accrochées par des moyens 32 appropriés sur un carter externe 34 de la turbine basse-pression. Les parois internes 26 des distributeurs sont reliées à des moyens 36 de support d'éléments annulaires 38 en matériau abradable. Ces éléments abradables 38 sont agencés radialement à l'intérieur des parois internes 26 des distributeurs, et à l'extérieur et en regard de léchettes annulaires externes 40 portées par les flasques 22 de façon à former des joints à labyrinthe. Between the rows of blades 16 are distributors which each comprise two mutually coaxial inner and outer walls of revolution 26, 28 interconnected by an annular row of blades 30. The outer walls 28 of the distributors are hooked by means 32 suitable on an outer casing 34 of the low-pressure turbine. The inner walls 26 of the distributors are connected to means 36 for supporting annular elements 38 of abradable material. These abradable elements 38 are arranged radially inside the internal walls 26 of the distributors, and outside and facing the outer annular scabs 40 carried by the flanges 22 so as to form labyrinth seals.
Les distributeurs sont sectorisés et sont chacun formés de plusieurs secteurs de distributeurs disposés bout à bout les uns à côté des autres autour de l'axe longitudinal de la turbine. Chaque secteur de distributeur (figure 2) comprend un secteur de paroi externe 28 relié par des pales à un secteur de paroi interne 26. Les secteurs de parois interne et externe d'un secteur de distributeur ont sensiblement la même étendue angulaire et sont alignés l'un par rapport à l'autre en direction radiale. Le secteur de distributeur représenté en figure 2 comprend cinq pales 30, 30' dont une pale creuse 30' et quatre pales pleines 30. La pale creuse 30' comporte une cavité interne 42 de logement d'un instrument 44 de mesure de la température, du type thermocouple par exemple, qui permet de renseigner le pilote de l'avion équipé du turboréacteur sur la température des pales 30, 30' du distributeur en fonctionnement, cette température étant notamment fonction de l'état général d'usure du turboréacteur. La cavité interne 42 s'étend sur toute la dimension radiale de la pale 30' et communique avec la veine de la turbine par l'intermédiaire de perçages 46 formés dans la pale 30'. Ces perçages 46 sont formés du côté de l'intrados de la pale 30' dans l'exemple représenté. The distributors are sectorized and are each formed of several sectors of distributors arranged end to end next to each other around the longitudinal axis of the turbine. Each manifold sector (Fig. 2) comprises an outer wall sector 28 connected by blades to an inner wall sector 26. The inner and outer wall sectors of a manifold sector have substantially the same angular extent and are aligned with each other. one to the other in the radial direction. The distributor sector shown in FIG. 2 comprises five blades 30, 30 'including a hollow blade 30' and four full blades 30. The hollow blade 30 'has an internal cavity 42 for housing an instrument 44 for measuring the temperature, of the thermocouple type, for example, which makes it possible to inform the pilot of the aircraft equipped with the turbojet engine on the temperature of the blades 30, 30 'of the distributor in operation, this temperature being in particular a function of the general state of wear of the turbojet engine. The internal cavity 42 extends over the entire radial dimension of the blade 30 'and communicates with the vein of the turbine through holes 46 formed in the blade 30'. These holes 46 are formed on the underside side of the blade 30 'in the example shown.
Le secteur de paroi externe 28 du secteur de distributeur comporte une ouverture radiale 48 qui débouche à son extrémité radialement interne dans la cavité interne 42 de la pale 30'. Cette ouverture 48 permet de monter l'instrument 44 dans la cavité interne 42 et d'avoir accès à cet instrument pour le remplacer si nécessaire. Les autres pales 30 de ce secteur de distributeur sont pleines dans la technique actuelle. Les autres secteurs de distributeur comportent uniquement des pales pleines car ce type de distributeur est en général équipé d'un seul instrument de mesure 44 et comprend donc une seule pale creuse 30' comportant une cavité interne 42 de logement de cet instrument. The outer wall sector 28 of the distributor sector has a radial opening 48 which opens at its radially inner end into the internal cavity 42 of the blade 30 '. This opening 48 makes it possible to mount the instrument 44 in the internal cavity 42 and to have access to this instrument to replace it if necessary. The other blades 30 of this dispenser sector are full in the present art. The other distributor sectors comprise only full blades because this type of distributor is generally equipped with a single measuring instrument 44 and therefore comprises a single hollow blade 30 'having an internal cavity 42 housing this instrument.
Cependant, cette technologie présente de nombreux inconvénients. Les dimensions transversales de la pale creuse 30' sont déterminées en fonction de la section de la cavité 42 nécessaire au montage de l'instrument 44, et de l'épaisseur 50 de paroi minimale de la pale de façon à ce que cette pale ait une bonne tenue mécanique. Les dimensions transversales des autres pales 30 du distributeur sont déterminées en fonction de celles de la pale creuse 30', de sorte que toutes les pales du distributeur soient identiques. Les pales pleines 30 sont donc plus épaisses que nécessaire, ce qui entraîne donc une augmentation globale de la quantité de matière et donc de la masse des pales 30 du distributeur, qui se répercute sur la masse globale du turboréacteur. Les pales pleines 30 sont par ailleurs beaucoup plus rigides que la pale creuse 30' du distributeur, ce qui génère en fonctionnement des déformations du distributeur et des concentrations de contraintes dans la pale creuse 30' et au niveau des zones 52 de raccordement des pales 30, 30' aux parois interne 26 et externe 28 du distributeur. L'invention permet de remédier au moins partiellement à ces problèmes grâce à la réalisation d'évidements ou de cavités dans les pales 30 du distributeur, ces évidements ayant pour fonction d'alléger les pales 30 du distributeur et de limiter et uniformiser les contraintes auxquelles le distributeur est soumis en fonctionnement. However, this technology has many disadvantages. The transverse dimensions of the hollow blade 30 'are determined as a function of the section of the cavity 42 necessary for mounting the instrument 44, and the minimum wall thickness 50 of the blade so that this blade has a good mechanical strength. The transverse dimensions of the other blades 30 of the distributor are determined according to those of the hollow blade 30 ', so that all the blades of the distributor are identical. The full blades 30 are therefore thicker than necessary, which therefore causes an overall increase in the amount of material and therefore the mass of the blades 30 of the distributor, which has repercussions on the overall mass of the turbojet engine. The solid blades 30 are moreover much stiffer than the hollow blade 30 'of the distributor, which generates in operation deformations of the distributor and stress concentrations in the hollow blade 30' and at the zones 52 of blade connection 30 , 30 'to the inner 26 and outer 28 of the distributor. The invention overcomes at least partially these problems through the production of recesses or cavities in the blades 30 of the distributor, these recesses having the function of lightening the blades 30 of the distributor and to limit and standardize the stresses to which the distributor is submitted in operation.
Dans l'exemple représenté en figure 4, le distributeur comprend une pale 130' comportant une cavité interne 142 du même type que celle de la technique antérieure représentée en figures 2 et 3, les autres pales 130 de ce distributeur comprenant des évidements 154 identiques les uns aux autres et également identiques à la cavité interne 142 de la pale 130'. Chaque évidement 154 d'une pale 130 s'étend en direction radiale sur sensiblement toute la dimension radiale de la pale 130 et a une section transversale sensiblement égale à celle de la cavité interne 142 de la pale 130'. In the example shown in FIG. 4, the distributor comprises a blade 130 'having an internal cavity 142 of the same type as that of the prior art shown in FIGS. 2 and 3, the other blades 130 of this dispenser comprising recesses 154 identical to the to each other and also identical to the internal cavity 142 of the blade 130 '. Each recess 154 of a blade 130 extends radially over substantially the entire radial dimension of the blade 130 and has a cross section substantially equal to that of the internal cavity 142 of the blade 130 '.
Les avantages procurés par cette invention sont nombreux. L'invention permet d'une part de réduire de manière significative la masse de chaque pale 130 du distributeur et donc la masse totale du distributeur. Elle permet également de répartir de manière homogène la masse du distributeur autour de l'axe de la turbine et donc de limiter les déformations de ce distributeur et les contraintes localisées dans ce distributeur, lorsqu'il est soumis à des forces centrifuges importantes en fonctionnement. Les secteurs de ce distributeur peuvent être obtenus de fonderie. Dans ce cas, un même noyau réalisé dans un matériau approprié peut être utilisé pour former la cavité 142 de la pale 130' et les évidements 154 des pales 130. Dans une variante non représentée, les évidements ont une forme et des dimensions différentes de celles de la cavité 142 de la pale 130'. Ces évidements peuvent s'étendre en direction radiale sur une partie seulement de la dimension radiale des pales 130, la section de ces évidements pouvant être inférieure voire supérieure à celle de la cavité 142. Les évidements des pales 130 peuvent en outre être différents les uns des autres. Les pales 130 du distributeur peuvent également comporter des perçages 156 de sortie d'air de ventilation qui assurent une communication fluidique entre les évidements 154 des pales 130 et la veine de la turbine. The advantages provided by this invention are numerous. The invention makes it possible on the one hand to significantly reduce the mass of each blade 130 of the distributor and therefore the total mass of the distributor. It also makes it possible to evenly distribute the mass of the distributor around the axis of the turbine and thus to limit the deformations of this distributor and the localized stresses in this distributor, when it is subjected to significant centrifugal forces in operation. The sectors of this distributor can be obtained from foundries. In this case, the same core made of a suitable material can be used to form the cavity 142 of the blade 130 'and the recesses 154 of the blades 130. In a variant not shown, the recesses have a shape and dimensions different from those of the cavity 142 of the blade 130 '. These recesses may extend radially over only a portion of the radial dimension of the blades 130, the section of these recesses being smaller or greater than that of the cavity 142. The recesses of the blades 130 may also be different from each other. others. The blades 130 of the dispenser may also include ventilation air outlets 156 which provide fluid communication between the recesses 154 of the blades 130 and the vein of the turbine.
Les évidements 154 de ces pales sont alors alimentés en air de ventilation par exemple par leurs extrémités radialement externes. Des trous radiaux (non représentés) comparables à l'ouverture 48 peuvent être formés dans la paroi externe 128 du distributeur sensiblement au droit des évidements, ces trous débouchant à leurs extrémités radialement internes dans les évidements 154 et étant reliés à leurs extrémités radialement externes à des moyens d'alimentation en air, cet air étant par exemple prélevé sur un compresseur du turboréacteur. Dans le cas où les pales sont refroidies par de l'air de ventilation, il est possible de réaliser ces pales dans des matériaux moins résistants thermiquement et donc moins coûteux que ceux de la technique antérieure. The recesses 154 of these blades are then supplied with ventilation air for example by their radially outer ends. Radial holes (not shown) comparable to the opening 48 may be formed in the outer wall 128 of the distributor substantially to the right of the recesses, these holes opening at their radially inner ends in the recesses 154 and being connected at their radially outer ends to means for supplying air, this air being for example taken from a compressor of the turbojet engine. In the case where the blades are cooled by ventilation air, it is possible to achieve these blades in less thermally resistant materials and therefore less expensive than those of the prior art.
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