FR3093532A1 - Dispositif de ventilation d’une roue de turbine de turbomachine et/ou de retenue axiale d’aubes d’une telle roue - Google Patents

Abstract

L’invention se rapporte à une roue, ou plus généralement un rotor de turbine de turbomachine, ce rotor comprenant un disque (75) et un organe de retenue rapporté sur la périphérie du disque (75) de manière à enserrer ce disque (75). L’organe de retenue comprend un corps (92) s’étendant circonférentiellement et étant plaqué contre une face amont du disque (75) de manière à délimiter axialement au moins une alvéole de logement d’aube du disque (75). L’organe de retenue comprend aussi des pattes d’accrochage (93) s’étendant chacune en saillie du corps (92) pour venir en appui contre une face aval du disque (75). Le corps (92) de l’organe de retenue permet de canaliser de l’air froid de ventilation vers le fond des alvéoles et/ou de retenir axialement des aubes reçues dans celles-ci. Figure pour l’abrégé : Fig. 6

Description

Dispositif de ventilation d’une roue de turbine de turbomachine et/ou de retenue axiale d’aubes d’une telle roue

L’invention concerne le domaine des turbines pour turbomachine d’aéronef, et plus spécifiquement des roues mobiles de telles turbines. L’invention s’applique à tout type de turbomachine, tel qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur.

État de la technique antérieure

Une roue mobile de turbine comporte généralement un disque et une pluralité d’aubes agencées sur la circonférence du disque. Pour ce faire, le disque présente sur sa périphérie des dents qui définissent entre elles des alvéoles dans lesquelles sont logés les pieds des aubes.

Lors du fonctionnement de la turbomachine, des gaz chauds générés par la combustion circulent dans les turbines. Les disques des roues sont directement exposés à ces gaz chauds.

Pour éviter notamment l’endommagement des disques, il est connu de faire circuler de l’air froid de ventilation dans les turbines. Cet air de ventilation circule typiquement au travers des jeux entre les pieds des aubes et les alvéoles de logement d’aube.

En général, le refroidissement des disques est amélioré en augmentant les échanges thermiques entre les pieds d’aube et les alvéoles de logement d’aube.

Le refroidissement des roues mobiles de l’art antérieur nécessite d’être amélioré. En effet, selon l’art antérieur, l’air de ventilation a tendance à se disperser au travers des jeux de sorte qu’une quantité non négligeable d’air de ventilation circulant entre les pieds d’aube et les alvéoles de logement d’aube n’est pas canalisée au niveau des fonds d’alvéole. De telles pertes ont une incidence sur le débit d’air de ventilation nécessaire pour refroidir efficacement les disques.

Par ailleurs, dans les configurations de roue concernées par la présente invention, les alvéoles de logement d’aube forment des ouvertures qui traversent axialement le disque. Le maintien axial des aubes sur un tel disque est généralement réalisé en positionnant contre les pieds d’aube et les dents du disque un anneau de retenue, en amont et/ou en aval de la roue. Les documents FR 2 918 103 A1 et FR 2 972 759 A1 montrent des exemples d’anneaux de retenue axiale d’aubes.

D’une part, un anneau de retenue tel que ceux décrits dans ces documents nécessite généralement une pièce d’appui supplémentaire pour maintenir l’anneau contre la roue. D’autre part, l’amélioration du refroidissement du disque d’une roue équipée d’un tel anneau de retenue peut nécessiter un agencement relativement complexe de cet anneau et de la pièce d’appui supplémentaire afin d’acheminer l’air de ventilation entre les pieds d’aube et les alvéoles de logement d’aube.

Un but de l’invention est d’améliorer la retenue axiale des aubes. Un autre but de l’invention est également d’améliorer le refroidissement du disque. L’invention vise à atteindre a minima l’un ou l’autre de ces objectifs, de préférence ces deux objectifs à la fois, cela en proposant une solution simple et/ou n’impliquant pas d’importantes modifications structurelles d’une roue de l’art antérieur.

A cet effet, l’invention a pour objet un rotor de turbine de turbomachine, s’étendant autour d’un axe et comprenant un disque présentant sur sa périphérie des dents qui définissent entre elles des alvéoles de logement d’aube, le disque comprenant une face amont et une face aval opposée à la face amont. Selon l’invention, ce rotor comprend un organe de retenue qui présente un corps s’étendant circonférentiellement et qui est plaqué contre l’une parmi la face amont et aval du disque, le corps de l’organe de retenue délimitant axialement au moins une alvéole, l’organe de retenue comprenant des pattes d’accrochage s’étendant chacune en saillie du corps de l’organe de retenue pour venir en appui contre l’autre parmi la face amont et aval du disque.

Un tel organe de retenue peut être assemblé sur un disque d’une roue conventionnelle, sans modification dimensionnelle des alvéoles de logement d’aube du disque ou des pieds d’aube reçus dans ces alvéoles. En effet, ni le corps de l’organe de retenue ni ses pattes d’accrochage ne s’étendent au travers des alvéoles, ou plus précisément sur les faces des alvéoles destinées à être en contact avec les pieds d’aube.

Le corps de l’organe de retenue peut être utilisé pour retenir axialement les aubes reçues dans les alvéoles du disque, ou une partie de ces aubes. Le corps de l’organe de retenue forme dans ce cas une butée axiale maintenue en position grâce à l’agencement des pattes d’accrochage qui enserrent le disque.

En alternative ou en complément de cette fonction de retenue axiale d’aubes, le corps de l’organe de retenue peut être utilisé pour canaliser l’air froid de ventilation vers le fond des alvéoles, en limitant les fuites d’air par obturation partielle des alvéoles. Cela permet de réduire la quantité d’air nécessaire au refroidissement du disque.

La notion d’obturation partielle précitée indique que, pour une alvéole donnée, le corps de l’organe de retenue n’obture pas la totalité de cette alvéole dans un plan perpendiculaire à l’axe de rotation du disque. Autrement dit, le corps de l’organe de retenue laisse dans ce plan une ouverture autorisant une pénétration de l’air de ventilation dans l’alvéole. Une telle obturation partielle permet de canaliser l’air de ventilation vers une région choisie de l’alvéole, en particulier vers le fond de l’alvéole, et par suite d’améliorer le refroidissement du disque.

De préférence, cette fonction de retenue axiale d’aubes et/ou cette fonction de canalisation d’air de ventilation peuvent être réalisées en agençant l’organe de retenue de sorte que le corps de l’organe de retenue soit plaqué contre la face amont du disque.

L’air de ventilation traversant la roue de l’amont vers l’aval, un tel agencement permet de canaliser l’air de ventilation vers le fond des alvéoles.

Ces différents avantages peuvent être obtenus avec un organe de retenue de dimension circonférentielle variable et/ou obturant partiellement les alvéoles de logement d’aube, ou une partie de ces alvéoles.

Ainsi, selon une première variante de réalisation, le corps de l’organe de retenue peut être agencé pour obturer partiellement toutes les alvéoles de logement d’aube du disque.

Selon une deuxième variante de réalisation, le corps de l’organe de retenue peut être agencé pour obturer partiellement une partie seulement des alvéoles de logement d’aube du disque.

Dans le cadre de cette deuxième variante de réalisation, et lorsque l’organe de retenue a une dimension circonférentielle inférieure à la dimension circonférentielle de la périphérie du disque, plusieurs organes de retenue de ce type peuvent être agencés bout à bout sur la périphérie du disque de sorte que les corps de ces organes de retenues obturent, ensemble, partiellement toutes les alvéoles de logement d’aube.

Dans un mode de réalisation, le corps de l’organe de retenue peut former une couronne.

De préférence, les pattes d’accrochage peuvent être régulièrement réparties à la périphérie de cette couronne

Afin de canaliser de l’air de ventilation vers le fond des alvéoles, cette couronne peut s’étendre radialement à l’extérieur par rapport au fond des alvéoles, le fond de chaque alvéole délimitant chaque alvéole radialement vers l’intérieur.

Bien entendu, la couronne peut présenter une forme plus ou moins complexe, par exemple en présentant un rayon intérieur variable selon une direction circonférentielle. A titre d’exemple, le rayon intérieur de la couronne peut être inférieur au niveau des dents de la périphérie du disque par comparaison avec le rayon de la couronne au niveau des alvéoles de logement d’aube de ce disque. Une telle configuration peut permettre d’augmenter la dimension de la face d’appui de la couronne contre le disque tout en optimisant le refroidissement du disque. Pour autre exemple, la couronne peut être dimensionnée de sorte que, au niveau de chaque alvéole de logement d’aube, le bord interne de la couronne ait une forme analogue à la forme du fond de cette alvéole de manière à définir une ouverture d’introduction d’air de ventilation circonférentiellement constante, ou sensiblement constante.

Indépendamment des dimensions ou de la forme du corps de l’organe de retenue, celui-ci peut être enserré sur un nombre choisi de dents de la périphérie du disque.

Dans un mode de réalisation, chaque patte d’accrochage de l’organe de retenue peut enserrer une dent respective de la périphérie du disque.

Dans un autre mode de réalisation, les pattes d’accrochage de l’organe de retenue peuvent enserrer uniquement certaines dents de la périphérie du disque, par exemple une dent sur deux.

En général, un nombre plus important de pattes d’accrochage et donc de dents enserrées par l’organe de retenue améliore le maintien de cet organe sur le disque et permet de répartir plus régulièrement les efforts de plaquage du corps de cet organe de retenue contre la face amont ou aval du disque.

La fabrication de l’organe de retenue et son assemblage avec le disque peuvent toutefois être simplifiés avec un nombre limité de pattes d’accrochage.

De préférence, l’organe de retenue peut être constitué d’une tôle. A titre d’exemple non limitatif, la conformation de l’organe de retenue peut être réalisée par découpage d’une tôle plane puis pliage de celle-ci.

Dans un mode de réalisation, chaque patte d’accrochage peut comprendre une première portion et une seconde portion. Dans ce mode de réalisation, pour chaque patte d’accrochage, la première portion s’étend entre l’amont et l’aval, sur une face radialement externe d’une dent respective du disque, et la seconde portion vient en appui contre l’autre parmi la face amont et aval du disque.

Dans un mode de réalisation, le corps de l’organe de retenue peut délimiter axialement l’au moins une alvéole de manière à obturer celle-ci axialement en ménageant une ouverture agencée pour canaliser un écoulement d’air vers le fond de cette au moins une alvéole.

Un tel agencement du corps de l’organe de retenue permet d’obturer axialement des jeux entre une alvéole ainsi délimitée par ce corps et un pied d’aube reçu dans cette alvéole, limitant ou annulant ainsi les fuites d’air au niveau de ces jeux. L’ouverture formée par la partie non obturée de l’alvéole permet quant à elle de canaliser l’air vers le fond de cette alvéole. Il résulte de la combinaison de ces caractéristiques une amélioration du refroidissement du disque.

L’invention a aussi pour objet une turbine pour turbomachine, comprenant un rotor tel que défini ci-dessus.

Un autre objet de l’invention est une turbomachine comprenant une telle turbine, cette turbomachine appartenant par exemple à un ensemble propulsif d’aéronef.

Enfin, l’invention a aussi pour objet un procédé d’assemblage d’un rotor ou d’une turbine tels que définis ci-dessus.

Lorsque l’organe de retenue est annulaire, ce procédé d’assemblage peut comprendre une étape de découpe du corps de cet organe de retenue de manière à disjoindre deux parties circonférentiellement adjacentes de l’organe de retenue, une étape de déformation dans laquelle lesdites parties circonférentiellement adjacentes ainsi disjointes sont écartées l’une par rapport à l’autre, et une étape d’emboîtement sur le disque de l’organe de retenue.

Selon une autre approche, ce procédé d’assemblage peut comprendre une étape de conformation de l’organe de retenue, directement sur le disque. Pour ce faire, le procédé peut par exemple comprendre une étape de positionnement du corps de l’organe de retenue sur la face amont ou aval du disque suivie d’une étape de pliage des pattes d’accrochage de manière à enserrer des dents de la périphérie du disque.

D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée, non limitative, qui suit.

La description détaillée qui suit fait référence aux dessins annexés sur lesquels :

est une vue schématique en coupe axiale d’un ensemble propulsif d’aéronef comprenant une turbomachine de type turboréacteur à double flux ;

est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale d’une turbine basse-pression de turbomachine ;

est une vue schématique en perspective d’une roue mobile de turbine ;

est une vue schématique partielle en perspective éclatée d’une roue mobile de turbine ;

est une vue schématique en perspective d’un organe de retenue pour roue mobile de turbine selon l’invention ;

est une vue schématique partielle en perspective, de l’aval d’un rotor selon l’invention, montrant l’organe de retenue de la figure 5 rapportée sur la périphérie d’un disque de ce rotor ;

est une vue schématique partielle en perspective, de l’amont du rotor de la figure 6 ;

est une vue schématique partielle en perspective, de l’aval d’une roue mobile selon l’invention, faisant apparaître des pattes d’accrochage de l’organe de retenue de la figure 5, laquelle est rapportée sur la périphérie d’un disque de cette roue mobile ;

est une vue schématique partielle en perspective, de l’amont de la roue mobile de la figure 8, faisant apparaître le corps de l’organe de retenue de cette roue mobile.

Description détaillée de modes de réalisation

L’invention concerne un ensemble propulsif 1 d’aéronef (non représenté) tel que représenté à la figure 1. Cet ensemble propulsif 1 comprend une turbomachine 10 carénée par une nacelle 11. Dans cet exemple, la turbomachine 10 est un turboréacteur à double flux bien connu dans le domaine des ensembles propulsifs d’aéronef. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée à une telle turbomachine et peut s’appliquer à tout type de turbomachine, tel que par exemple un turbopropulseur.

La turbomachine 10 présente un axe central longitudinal A1 autour duquel s’étendent ses différents composants, en l’occurrence, de l’amont vers l’aval de la turbomachine 10, une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6 et une turbine basse pression 7. Les compresseurs 3 et 4, la chambre de combustion 5 et les turbines 6 et 7 forment un générateur de gaz.

Par la suite, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à une direction principale D1 d’écoulement des gaz à travers l’ensemble propulsif 1 le long de l’axe central longitudinal A1.

De manière conventionnelle, lors du fonctionnement d’un tel turboréacteur 10 à double flux, un écoulement d’air 8 pénètre dans l’ensemble propulsif 1 par une entrée d’air en amont de la nacelle 11, traverse la soufflante 2 puis se divise en un flux primaire 8A central et un flux secondaire 8B. Le flux primaire 8A s’écoule dans une veine principale 9A de circulation des gaz traversant les compresseurs 3 et 4, la chambre de combustion 5 et les turbines 6 et 7. Le flux secondaire 8B s’écoule quant à lui dans une veine secondaire 9B entourant le générateur de gaz du turboréacteur 10 et délimitée radialement vers l’extérieur par la nacelle 11.

La figure 2 représente de manière plus détaillée une partie de la turbine basse pression 7, selon un plan radial qui comprend l’axe central longitudinal A1 qui est l’axe de rotation du rotor de cette turbine 7. L’invention n’est toutefois pas limitée à la turbine basse pression 7 et peut également s’appliquer à la turbine haute pression 6.

Dans cet exemple, le rotor de la turbine 7 comprend quatre roues 71 assemblées axialement les unes aux autres par des brides annulaires 72. Le stator de cette turbine 7 comprend quatre aubes fixes 73 montées en leurs extrémités radialement externes sur un carter 74 de cette turbine 7.

En référence aux figures 2 à 4, chaque roue 71 comprend un disque 75 et des aubes 76. Plus spécifiquement, chaque aube 76 de la roue 71 comprend un pied 77, une plateforme 78, et une pale 79 portée par la plateforme 78. La pale 79 forme la partie aérodynamique de l’aube 76.

En référence à la figure 4, le disque 75 présente sur sa périphérie des dents 81 qui définissent entre elles des alvéoles de logement d’aube. Ce disque 75 comprend une face amont 82, une face aval 83 axialement opposée à la face amont 82 et une face radialement externe 84.

Les alvéoles de logement d’aube sont agencées pour recevoir les pieds 77 des aubes 76 de sorte que celles-ci soient disposées les unes à côté des autres selon une direction circonférentielle D2. Dans cet exemple, le pied 77 de chaque aube 76 présente une forme extérieure dite « en sapin », permettant son insertion dans l’une des alvéoles de logement d’aube, lesquelles présentent une forme correspondante.

Les alvéoles de logement d’aube s’étendent selon une direction sensiblement axiale, à savoir une direction sensiblement parallèle à l’axe A1 de rotation de la roue 71, et forment ainsi des ouvertures traversant le disque 75 d’amont en aval.

L’invention consiste à rapporter sur la périphérie du disque 75 – ou plus généralement sur la périphérie d’un disque de roue mobile de turbine 6 ou 7 – un organe de retenue 91 tel qu’illustré à la figure 5.

Dans cet exemple, l’organe de retenue 91 est une tôle formant un profilé annulaire d’axe A1.

Plus précisément, l’organe de retenue 91 comprend un corps 92 formant une couronne, ainsi que des pattes d’accrochage 93 s’étendant chacune en saillie du corps 92. Les pattes d’accrochage 93 sont réparties sur toute la circonférence de l’organe 91.

Cet organe de retenue 91 est prévu pour être monté sur la périphérie du disque 75 selon le principe illustré aux figures 6 et 7.

D’une part, le corps 92 de l’organe de retenue 91 est plaqué contre la face amont du disque 75 et s’étend circonférentiellement de manière à délimiter axialement plusieurs alvéoles de logement d’aube. Dans cet exemple, le corps 92 de l’organe de retenue 91 est aussi agencé pour obturer partiellement ces alvéoles de logement d’aube. Comme cela ressort de la figure 7, l’obturation est partielle au sens où le corps 92 laisse au niveau de chaque alvéole une ouverture 921 au travers de laquelle de l’air situé en amont du disque 75 peut pénétrer dans l’alvéole. Le corps 92 de l’organe de retenue 91 permet ainsi de canaliser l’air de ventilation vers le fond des alvéoles.

D’autre part, en référence à la figure 6, chaque patte d’accrochage 93 comprend une première portion 931 et une seconde portion 932 formant un coude s’étendant en saillie du corps 92 de l’organe 91. La première portion 931 de cette patte 93 longe une partie de la face radialement externe du disque 75 définie par une dent 81 correspondante, et la seconde portion 932 forme une extrémité de cette patte 93 venant en appui contre la face aval de ladite dent 81 correspondante.

Cette configuration permet d’enserrer chaque dent 81 avec une partie de l’organe de retenue 91 de sorte que la partie de la face amont 82 du disque 75 formée par une dent 81 soit en contact avec le corps 92 de l’organe de retenue 91, que la partie de la face radialement externe 84 du disque 75 formée par cette dent 81 soit en contact avec la première portion 931 d’une patte d’accrochage 93, et qu’une partie de la face aval 83 du disque 75 formée par cette dent 81 soit en contact avec l’extrémité 932 de cette patte d’accrochage 93.

L’organe de retenue 91 peut ainsi être fixement maintenu sur la périphérie du disque 75, en particulier de manière à maintenir le corps 92 de cet organe 91 plaqué contre la face amont 82 du disque 75.

Le corps 92 de l’organe de retenue 91 peut être utilisé pour canaliser l’air de ventilation vers le fond 85 des alvéoles de logement d’aube, c’est-à-dire vers la portion du disque 75 délimitant les alvéoles radialement vers l’intérieur (voir figure 4). Une telle canalisation de l’air de ventilation permet d’améliorer le refroidissement du disque 75.

A cet effet, la couronne formée par le corps 92 de l’organe de retenue 91 présente dans cet exemple un diamètre intérieur supérieur au diamètre d’un cercle qui s’étend autour de l’axe A1 et passant par le fond 85 des alvéoles de logement d’aube, ce qui permet de constituer pour chaque alvéole ladite ouverture 921 (voir figure 7).

Le corps 92 de l’organe de retenue 91 peut aussi être utilisé pour retenir axialement les aubes 76 insérées dans les alvéoles du disque 75.

A cet égard, les figures 8 et 9 montrent une roue 71 comprenant un disque 75, un organe de retenue 91 rapportée sur la périphérie de ce disque 75, selon les principes décrits ci-dessus, et des aubes 76 reçues par leur pied 77 dans les alvéoles du disque 75.

Il se dégage de cet exemple particulier que le corps 92 de l’organe de retenue 91 forme une butée axiale amont des aubes 76.

La retenue axiale en aval peut être réalisée par tout moyen de retenue classique, par exemple à l’aide d’un flasque annulaire ayant une extrémité amont plaquée contre la face aval 83 du disque 75 et une face aval des pieds d’aube 77 et ayant une extrémité aval pourvue d’une bride fixée au disque 75.

Bien entendu, les modes de réalisation qui viennent d’être décrits ne sont nullement limitatifs. Par exemple, dans des modes de réalisation non représentés :
– l’organe de retenue 91 peut être agencé sur le disque 75 de sorte que le corps 92 de cet organe 91 soit plaqué contre la face aval 83 du disque 75, et/ou
– l’organe de retenue 91 peut comprendre un nombre de pattes d’accrochage 93 tel que certaines dents 81 de la périphérie du disque 75 ne soient pas enserrées par des pattes d’accrochage 93.

Claims (10)

1. Rotor de turbine (6, 7) de turbomachine (10), s’étendant autour d’un axe (A1) et comprenant un disque (75) présentant sur sa périphérie des dents (81) qui définissent entre elles des alvéoles de logement d’aube (76), le disque (75) comprenant une face amont (82) et une face aval (83) opposée à la face amont (82), caractérisé en ce qu’il comprend un organe de retenue (91) qui présente un corps (92) s’étendant circonférentiellement et qui est plaqué contre l’une parmi la face amont (82) et aval (83) du disque (75), le corps (92) de l’organe de retenue (91) délimitant axialement au moins une alvéole, l’organe de retenue (91) comprenant des pattes d’accrochage (93) s’étendant chacune en saillie du corps (92) de l’organe de retenue (91) pour venir en appui contre l’autre parmi la face amont (82) et aval (83) du disque (75).
2. Rotor selon la revendication 1, dans lequel le corps (92) de l’organe de retenue (91) est plaqué contre la face amont (82) du disque (75).
3. Rotor selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque patte d’accrochage (93) de l’organe de retenue (91) enserre une dent (81) respective de la périphérie du disque (75).
4. Rotor selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le corps (92) de l’organe de retenue (91) forme une couronne, les pattes d’accrochage (93) étant régulièrement réparties à la périphérie de cette couronne.
5. Rotor selon la revendication 4, dans lequel la couronne (92) s’étend radialement à l’extérieur par rapport au fond (85) des alvéoles, le fond (85) de chaque alvéole délimitant chaque alvéole radialement vers l’intérieur.
6. Rotor selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l’organe de retenue (91) est constitué d’une tôle.
7. Rotor selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chaque patte d’accrochage (93) comprend une première portion (931) et une seconde portion (932), et dans lequel, pour chaque patte d’accrochage (93), la première portion (931) s’étend entre l’amont et l’aval, sur une face radialement externe (83) d’une dent (81) respective du disque (75), et la seconde portion (932) vient en appui contre l’autre parmi la face amont (82) et aval (83) du disque (75).
8. Rotor selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le corps (92) de l’organe de retenue (91) délimite axialement l’au moins une alvéole de manière à obturer celle-ci axialement en ménageant une ouverture (921) agencée pour canaliser un écoulement d’air vers le fond de cette au moins une alvéole.
9. Turbine (6, 7) pour turbomachine (10), caractérisée en ce qu’elle comprend un rotor selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
10. Turbomachine (10), caractérisée en ce qu’elle comprend une turbine (6, 7) selon la revendication 9.