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"Perfectionnements apportés ou relatifs à des moteurs à turbine à gaz."
La présente invention a trait à des moteurs à turbine à gaz et concerne d'abord, bien que non exclusivement, les moteurs à tur- bine à gaz employés sur les aéronefs.
Dans de tels moteurs, les aubes du rotor de la turbine sont portées par un disque et entre la périphérie du disque et la partie statique de l'enveloppe du moteur, il y a un joint ayant un jeu @
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entre les parties mobiles et statiques. Par conséquent, puisque la pression en amont des aubes est supérieure à la pression atmos- phérique, les gaz de combustion chauds auront une tendance à s'écou- ler radialement vers l'intérieur par le jeu du joint dans l'intérieur de l'enveloppe. Ce courant dirigé vers l'intérieur des gaz de com- bustion chauds est contrecarré en fournissant de l'air sous pression à l'intérieur de l'enveloppe et cet air avait auparavant été pris à un compresseur ou un ventilateur auxiliaire, ou bien en soutirant de l'air du compresseur principal.
Un objet de la présente invention est d'éviter la nécessité de prévoir un compresseur supplémentaire ou un ventilateur auxiliai- re ou de soutirer de l'air du compresseur principal d'une manière qui peut affecter le rendement global du moteur.
Selon la présente invention à un point de vue, il est prévu dans un moteur à turbine à gaz un dispositif d'étanchéité entre l'ex- trémité de refoulement du rotor du compresseur et l'enveloppe du moteur, et un dispositif grâce auquel l'air fuyant par le dispositif d'étanchéité hors du conduit de refoulement du compresseur est em- ployé pour empêcher l'écoulement vers l'intérieur des gaz de combus- tion chauds sur la face avant du disque de la turbine. Il convient que le dispositif d'étanchéité dont l'air de fuite est prélevé, soit le joint labyrinthe ou similaire qui est normalement employé entre le rotor du compresseur et l'enveloppe du moteur. Auparavant, l'air fuyant par ce labyrinthe pouvait passer dans l'atmosphère.
En em- ployant/cet air de fuite pour assurer l'étanchéité de la turbine, la nécessité d'un ventilateur ou d'un compresseur auxiliaire ou celle de soutirer de l'air au compresseur principal est évitée.
Selon une particularité de la présente invention, le dispositif d'étanchéité est situé entre l'orifice d'écoulement du compres- seur et une chambre sensiblement close aménagée entre l'extrémité de refoulement du rotor du compresseur et l'enveloppe du moteur si de/ bien que l'air de fuite s'écoule dans cette chambre et que cette chambre, l'air s'écoule jusqu'au voisinage du jeu entre le disque
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de la turbine et l'enveloppe du moteur.
Selon une autre particularité encore de la présente invention, la fente du jeu est agencée de façon à s'ouvrir dans une chambre li- mitée par une partie de la face du disque de la turbine et par l'en- veloppe du moteur et cette chambre est reliée à la chambre sensible- ment close de façon que l'air de fuite s'écoule de cette dernière chambre à la première.
Selon une autre particularité de l'invention, l'air sous pression destiné à empêcher la fuite des gaz de combustion chauds agit également sur une partie de la face avant du disque de la tur- bine pour équilibrer des charges axiales exercées sur le disque.
En outre, dans les moteurs à turbine à gaz, particulièrement dans ceux qui ont un compresseur axial, les pressions agissant sur le rotor du compresseur donnent lieu à une charge axiale qui tend à déplacer le rotor du compresseur vers l'avant, c'est-à-dire vers l'extrémité d'admission du compresseur. Pour équilibrer une telle charge axiale, un piston d'équilibre peut être prévu qui est soumis à la pression fournie par le système principal du compresseur de façon à donner lieu à une charge axiale dirigée vers l'arrière qui s'exerce sur le rotor du compresseur pour équilibrer entièrement ou partiellement la charge axiale dirigée vers l'avant.
D'après cela, dans une construction préférée de moteur à turbine à gaz, il est prévu en association rotative avec le rotor du compresseur, un piston d'équilibre des charges qui est soumis à la pression de l'air à pression élevée prélevé du compresseur afin de produire une charge axiale dirigée vers l'arrière qui équilibre entièrement ou partiellement les charges axiales dirigées vers l'a- vant qui s'exercent sur le rotor du compresseur.
Lorsque le moteur à turbine à gaz a un compresseur axial, la charge axiale due à la fuite de l'air par le dispositif d'étanchéité s'ajoute normalement à la charge axiale vers l'avant provenant des pressions qui s'exercent sur les aubes du rotor du compresseur et le piston d'équilibre des charges va être agencé pour produire une
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charge axiale dans la direction opposée et qui équilibre entièrement ou partiellement la charge axiale totale dirigée vers l'avant.
En outre, lorsque le rotor du compresseur ou celui de la turbine sont portés par des arbres coaxiaux reliés par un accouple- ment, lequel est avantageusement un raccord universel, l'agencement est tel que pendant la marche du moteur, le raccord est tendu ou com- primé si bien qu'en fait, les charges axiales qui s'exercent sur 1' assemblage complet du rotor sont équilibrées.
Il sera maintenant décrit une construction de moteur à tur- bine à gaz qui réalise l'invention. La description se réfère aux dessins ci-annexés où.: la fig, 1 est une vue schématique en coupe du moteur à tur- bine à gaz et elle constitue le dessin joint au Provisional Speci- fication de la présente demande de brevet, et les figures 2 et 3 illustrent en coupe des constructions pratiques de certaines parties du moteur.
En se référant aux dessins, le moteur comprend un compresseur du type axial ayant des aubes de rotor portées par un tambour de ro- tor 10 et des aubes de stator portées par une enveloppe extérieure 11. Le compresseur reçoit l'air à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique à son orifice d'admission et refoule de l'air à une pression élevée par les conduits 12 vers les chambres de combustion 13 dans lesquelles du combustible est brûlé. Les produits de la combustion passent par un assemblage des aubes di- rectrices de tuyère 14 dirigeant les gaz sur les aubes du rotor de la turbine 15 qui sont montées sur la périphérie du disque du rotor de la turbine 16. Les gaz d'échappement de la turbine passent dans l'atmosphère par un assemblage d'échappement 17.
Le disque du rotor de la turbine 16 est fixé sur l'arbre 18, qui est coaxial de l'arbre 19 et est relié pour la transmission à l'arbre 19 par un accouplernent 20 permettant un certain degré de mouvement universel relatif angulaire entre les arbres 1$ et 19.
L'arbre 19 mène le tambour du rotor du compresseur 10.
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L'assemblage du rotor, constitué par les arbres le et 19, le tambour du rotor du compreseur 10 et le disque de la turbine 16, est porté par les papiers 21, 22 et 23, dont le palier 22 au moins est apte à supporter les poussées axiales qui s'exercent sur l'as- semblage du rotor. Le palier 21 est monté sur un support 24 situé dans l'enveloppe extérieure 11 du compresseur et il est porté par des étrésillons radiaux et le palier 23 est monté dans une paroi 25A faisant partie de l'enveloppe intermédiaire 25 qui s'étend entre le compresseur et la turbine et se trouve à l'intérieur par rapport aux chambres de combustion, mais à l'extérieur de l'arbre 18, 19.
Le moteur à turbine à gaz décrit ci-dessus peut être employé comme un moteur de propulsion par réaction simple, dans lequel les gaz d'échappement venant par l'assemblage d'échappement sont dirigés vers l'arrière pour la propulsion par réaction, ou bien la turbine peut mener, outre le compresseur, une hélice ou un ventilateur placé dans une conduite.
En envisageant maintenant l'application de la présente in- vention au moteur à turbine à gaz décrit ci-dessus, le tambour du rotor du compresseur 10 est muni à son extrémité de refoulement d'un prolongement axial 26 comportant des rainures de labyrinthe sur ses faces intérieure et extérieure, qui coopèrent respectivement avec une conformation de labyrinthe complémentaire de la structure statique ainsi qu'il est indiqué en 27 et 28, afin de former un joint entre les structures tournante et statique. Un autre joint labyrin- the est prévu entre la partie 29 de la structure statique et une surface d'étanEhéité associée avec le rotor 10 du compresseur.
Cet ¯agencement des joints labyrinthes entre l'extrémité de refoulement du tambour du compresseur et la structure statique forme en fait une chambre close P de forme annulaire, qui est obturée à son rayon intérieur par le joint labyrinthe 29, 30 et qui reçoit l'air sous pression grâce aux fuites venant de l'orifice de refoulement du compresseur par les joints labyrinthes 26, 27, 28.
Une conduite 31 est prévue pour relier la chambre P à une chambre annulaire Q aména-
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gée entre la partie périphérique de la surface avant 32 du disque 16 de la turbine et la paroi 25A. La chambre Q est obturée à son rayon intérieur par un joint labyrinthe 33 prévu entre le disque 16 de la turbine et la paroi 25A et communique par une fente de jeu annulaire 34 existant entre la périphérie du disque 16 de la turbi- ne et la structure statique, avec l'espace situé entre l'assemblage des'aubes directrices 14 et les aubes du rotor de la turbine 15.
un notera qu'en fonctionnement du moteur à turbine à gaz, les produits de la combustion sont, après passage par l'assemblage des aubes directrices 14, à une pression plus basse que la pression de refoulement du compresseur, mais à une température plus élevée que celle qui règne à l'intérieur de l'enveloppe intermédiaire 25.
Par conséquent, par suite de la fuite de l'air sous pression vers la chambre P et de la chambre P vers la chambre Q, la pression ré- gnant dans la chambre Q est supérieure à la pression existant'entre les aubes fixes de l'assemblage des aubes directrices 14 et les au- bes mobiles 15. Un écoulement de l'air vers l'extérieur va donc se produire par la fente du jeu 34, empêchant un écoulement vers l'in- térieur du gaz chaud sur la face avant du disque de la turbine.
La chambre Q fonctionne aussi comme il est décrit ci-dessous plus en détail pour appliquer une charge axiale au disque de la turbine qui équilibre partiellement les forces axiales agissant sur le dis- que de la turbine.
La description précédente montre clairement que l'invention assure une alimentation d'air comprimé au disque 16 de la turbine afin d'empêcher l'écoulement des gaz chauds vers l'intérieur, en employant dans ce but l'air de fuite qui, dans une autre hypothèse, serait passé dans 1 'atmosphère, et pas conséquent, que la nécessité de prévoir un compresseur ou un ventilateur auxiliaire ou de souti- rer de l'air au compresseur principal est évitée. Le rendement du moteur peut ainsi être amélioré.
Si les charges axiales agissant sur l'assemblage du rotor
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sont prises en considération, on voit qu'avec l'arrangement décrit ci-dessous, il existe une charge axiale dirigée vers l'avant. Dans le but d'équilibrer cette charge axiale vers l'avant, il est prévu selon une particularité importante de la présente invention, un pis- ton d'équilibrage 35 est monté pour tourner avec l'arbre du rotor du compresseur 19. Un joint labyrinthe 36 est prévu entre la péri- phérie du piston d'équilibrage 35 et la structure statique du moteur.
Le piston 35 et la structure statique délimitent entre eux une cham- bre R et cette chambre est alimentée par l'air comprimé venant de l'orifice de refoulement du compresseur par un conduit 37. La cham- bre R est fermée par le joint labyrinthe 29, 30 par rapport à la chambre P et par un joint labyrinthe 36 par rapport à une chambre S qui est en communication avec l'atmosphère. Une paroi 38 s'étend radialement vers l'intérieur à partir de l'enveloppe intermédiaire 25 jusqu'au joint labyrinthe 39 entre la paroi 38 et l'arbre 19, fermant ainsi la chambre S aux espaces d'intercommunication T de l'enveloppe intermédiaire 25 et empêchant le passage de l'air de la chambre S aux espaces T.
Cet effet est désirable car l'air à haute pression passant par le conduit 37 est à une température élevée et car il est désirable de maintenir les espaces T à basse température pour permettre le refroidissement du palier 22.
La pression régnant dans la chambre R et agissant sur-le piston d'équilibrage 35 exerce une charge axiale dirigée vers l'ar- rière, opposée à la résultante des forces axiales qui agiraient au- trement sur l'assemblage du rotor.
Il est supposé que les charges axiales agissant sur l'assem- blage du rotor comprennent les charges suivantes :
P1 charge axiale vers l'avant sur le rotor du compresseur due à la pression sur les aubes du rotor ; p2 charge axiale vers l'avant sur le rotor du compresseur due à la pression régnant dans la chambre P, agissant sur l'extrémité du tambour du rotor ;
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p3 charge axiale vers l'avant sur le rotor du compresseur due à la pression de l'air dans le joint labyrinthe 26,
27,28 ; p charge axiale vers l'avant due à la pression sensiblement égale à la pression atmosphérique agissant sur le piston d'équilibrage ; p5 charge axiale vers l'avant sur le disque 16 due à la pres- sion régnant à l'intérieur de l'assemblage d'échappement 17 ;
t. charge axiale vers l'arrière sur le rotor du compresseur due à la pression sensiblement atmosphérique s'exerçant sur la face avant du rotor du compresseur et due à la pres- sion régnant dans le compresseur et agissant sur la sur- face conique du tambour du compresseur ; t charge axiale vers l'arrière sur le rotor du compresseur due à la pression de refoulement du compresseur agissant sur le piston 35 ; t3 charge axiale vers l'arrière sur les aubes du rotor de la turbine 15 ; t4 charge axiale vers l'arrière sur le rotor de la turbine due à la pression régnant dans la chambre Q agissant sur la surface du disque de .la turbine 32 ; t5 charge axiale vers l'arrière sur le rotor de la turbine due aux pressions régnant dans le joint labyrinthe 33 ;
t6 charge axiale vers l'arrière sur le rotor de la turbine due à la pression sensiblement atmosphérique agissant sur le disque 16 de la turbine ; dès lors, en choisissant convenablement les dimensions des surfaces actives sur lesquelles agissent les diverses pressions, la somme des charges p1, p2, p3, p4 et p5 peut être rendue sensiblement égale à la somme des charges tl, t2, t3, t4, t5 et t6 de sorte que la charge
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totale axiale sur l'assemblage du rotor est équilibrée. Il peut toutefois avoir un déséquilibre, comme entre le rotor du compresseur et celui de la turbine, si bien que l'accouplement est soumis à une traction ou à une compression.
Dans certains cas, il peut être désirable et pratique d'é- rotor du compresseur 10 et les charges agissant sur le quilibrer les charges agissant sur ledisque de la turbine 16 d'une façon indépendante les unes des autres, c'est-à-dire de façon qu'il n'y ait pas de tension de traction ou compression transmise par l'accouplement 20. Dans ce cas, les surfaces sur lesquelles agissent les pressions donnant lieu aux charges énumérées ci-dessus, seront choisies de telle façon que la somme p1 + p2 + p3 + p4 soit sensi- blement égale à la somme t1 + t et que p5 soit sensiblement égale à la somme t3+ t4 +' t5 + t.
En se référant aux figures 2 et 3, il y est illustré en sec- tion une construction pratique des parties d'un moteur à turbine à gaz réalisant les particularités précédentes de la présente inven- tion. Dans cette construction, le rotor du compresseur (fig. 2) comprend une plaque terminale 40 formant l'extrémité de refoulement et la surface terminale du tambour du rotor et cette plaque termina- le comporte près de sa périphérie un prolongement axial 41 ayant une série de nervures circonférencielles 42 sur sa surface extérieure et des saillies à gradins 43 sur sa surface intérieure. Le prolon- gement est entouré par une bague statique 44, portant les aubes directrices de refoulement, qui comporte sur sa surface intérieure des/saillies à gradins 45 destinées à coopérer avec les nervures 42 pour former une partie d'un joint labyrinthe.
La bague 44 s'aboute contre une âme radiale 46 de l'envelop- pe intermédiaire 47 du moteur et porte intérieurement une plaque en forme de cuvette 48 pourvue à sa périphérie extérieure de nervures 49 destinés à coopérer avec les saillies 43 afin de compléter le joint labyrinthe indiqué par les chiffres 26, 27, 28 dans la fig. 1.
La plaque 48 comporte au centre un goulet 50 ayant des nervures 51
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coopérant avec les surfaces cylindriques de l'assemblage du rotor afin d'assurer un joint labyrinthe correspondant aux joints 29,30 de la fig. 1. L'espace 64 situé entre la plaque terminale 40 du tambour du compresseur et la plaque 48 est par conséquent fermé et reçoit l'air sous pression par le joint 42, 45, 43, 49.
Un conduit de sortie 52 est aménagé dans un renflement 53 de la plaque 48 pour accéder au tuyau 54 menant à un orifice de sortie 55 (fig. 3) s'ouvrant dans l'espace 65 situé entre les parois inté- rieure et extérieure 56,57 fixées à l'enveloppe intermédiaire 47, et le disque 58 de la turbine. Un joint labyrinthe est prévu entre la paroi 56 et le disque de la turbine 58 et le jeu 60 entre la pé- riphérie du disque de la turbine et une bague 61 portée par une pa- roi 57 forme un orifice de sortie dudit espace vers l'endroit situé entre l'assemblage des aubes directrices de tuyère 62 et les aubes de la turbine 63.
Un disque à rebords périphériques 66, boulonné à l'assembla- ge du rotor du compresseur, constitue le piston d'équilibrage , et la périphérie du disque comporte des saillies à gradins 67 destinées à coopérer avec les nervures 68 d'un rebord annulaire 69 porté par la plaque 48 afin de former un joint labyrinthe entre l'espace 70 et l'espace 71 lequel est relié à l'atmosphère.
L'espace 70 est a- limenté en air sous pression venant de l'orifice de refoulement du compresseur par les canaux 72 ménagés dans les plates-formes 73 des aubes directrices, les ouvertures 75 de la bague 44 et les ouvertures 76 de la plaque 48
L'espace 71 est isolé de l'espace 77 par un plateau en forme de cuvette 78 boulonné au support 79 du palier central 80, et par un joint labyrinthe 81 aménagé entre un rebord 82 de la périphérie intérieure de l'élément 78 et l'arbre du tambour du compresseur.
Les surfaces de l'assemblage du rotor sur lesquelles agis- sent les pressions régnant dans les espaces 64, 65, 70, 71 sont choisies de façon à satisfaire aux conditions d'équilibre décrites ci-dessus.