EP0785338A1 - Dispositif de refroidissement d'un disque de turbine - Google Patents

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EP0785338A1
EP0785338A1 EP97400078A EP97400078A EP0785338A1 EP 0785338 A1 EP0785338 A1 EP 0785338A1 EP 97400078 A EP97400078 A EP 97400078A EP 97400078 A EP97400078 A EP 97400078A EP 0785338 A1 EP0785338 A1 EP 0785338A1
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Christian Largillier
Gérard Jacques Stangalini
Marc Roger Marchi
Laurent Palmisano
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Safran Aircraft Engines SAS
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Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
SNECMA SAS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/08—Heating, heat-insulating or cooling means
    • F01D5/081—Cooling fluid being directed on the side of the rotor disc or at the roots of the blades

Definitions

  • the invention relates to a device for cooling a turbine disc.
  • the high pressure turbine 1 begins in a disc 2 carrying a first stage of movable vanes 3 and fixed to the rotor 4.
  • This disc 2 is located downstream of a combustion chamber 5 formed in a stator 6 surrounding the rotor 4 and which is itself located downstream of a high pressure compressor 7.
  • the gases resulting from the combustion of the fuel in the chamber 5 very strongly heat the disc 2, which must therefore be cooled vigorously to maintain the material which composes it at a temperature compatible with the maintenance of its mechanical resistance properties.
  • the means used consist of two ventilation circuits I and II of cooler air: the first of them I, illustrated by the arrows in solid lines, uses air drawn just upstream from the combustion chamber 5 and which passes through a chamber bottom volume 28 before leaving it via orifices 8 in order to enter injection chambers 9 from which the air exits by high pressure injectors 10 which accelerate and propel it at great speed speed towards side 14 of disc 2.
  • the second air flow II is taken just after the high pressure compressor 7 and passes through a chamber 16 between the rotor 4 and the stator 6 from which it exits by a labyrinth seal or with a brush 17 thrown between these parts and more precisely composed of wipers 18, that is to say circular ridges erected on the rotor 4, which rub on an abradable material 19 fixed to the stator 6, that is to say to say a soft matter which they dig with the liking of differential expansions with the various modes of the machine.
  • the air pressure projects the air out of the chamber 16 and into an annular channel 20 of divergent orientation, contiguous to a part of the chamber bottom 28 over a large part of its length and from where the air exits via upper injectors 36 which open in front of a radially outer ring 22 of the turbine disc 2, in fact belonging to a side surface 29 of the flange 13 secured to this disc.
  • the air of the second ventilation circuit exerts significant refrigeration on the outer ring 22 by reaching this area close to the combustion gases and therefore more strongly heated.
  • the need to cool the entire disc 2 but especially its periphery justifies the duality of the cooling circuits, the air of which can moreover come from other places of the machine.
  • part of the air from the first ventilation circuit does not pass through the orifices 12 but bypasses the flange 13 from the outside and passes through a labyrinth or brush seal 23, which is roughly similar. to the previous 17 and composed like him of wipers 24 erected on the flange 13 and a layer of abradable 25 welded on a surface of the stator 6.
  • the centrifugal forces that the flange 13 exerts on this portion of the first flow straightens it like the previous portion and makes it run along the flank surface 29 to finally cross the flow of the second ventilation circuit in front of the external crown 22.
  • the origin of the invention is based on the observation that this situation was not ideal because the air stream from circuit I is significantly warmer than that of circuit II (around 50 ° C).
  • the invention consists in adding parts whose function is to channel the flows so that their mixing is excluded and that the air of the circuit II originating from the upper injectors 36 reaches the outer ring 22 without hindrance; this air of circuit II is appreciably cooler than that of the first circuit I, because the labyrinth or brush seal 17 which is associated with it, heats the air less than the labyrinth seal 23, of larger diameter, and the air of the first circuit I is centrifuged at the outlet of the labyrinth 23, therefore compressed, which also heats it up.
  • the invention therefore consists of a device for cooling a turbine disc, comprising first and second air ventilation circuits originating from a stator and opening respectively in front of an internal crown and a outer crown radially of a flank surface of the disc, characterized in that it comprises a part located in front of the outer crown, crossing first channels substantially parallel to the flank surface of the disc and second channels extending the second ventilation circuit, crossing the first channels without cutting them, and ending in front of the outer crown.
  • the fundamental element of the invention is a distributor ring 30 integral with the stator 6 and located in front of the outer ring 22 to be cooled, not far from it.
  • the distributor crown 30 is traversed by axial channels 32 which extend the upper injectors 36 to terminate in front of the external crown 22, and the channels 32 are separated by substantially radial channels 31 which cross the previous ones without cutting them, as shown in detail in section of figure 3.
  • the interior of the distributor crown 30 is arranged to minimize pressure losses; this is how the axial channels 32 can be connected to injectors 36 of oblique direction, bent in the direction of travel of the disc 2.
  • the ventilation air of the second circuit II borrows the axial channels 32 and is therefore not affected by the air of circuit I, which passes through the radial channels 31; the mixing of the flows only occurs at the periphery of the disc 2, beyond the outer ring 22.
  • the flange 13 can be constructed with a wiper 33 on its flank surface 14, that is to say a crest whose free end 34 is close to the distributor crown 30 and whose purpose is to guide the air in the flow I running along the side surface 29 of the flange 13 towards the radial channels 31, without allowing it to slide to the outer ring 22.
  • the turbine disk 2 is brought to a temperature above 650 ° C in the known machine.
  • the use of the invention makes it possible to reduce this temperature by several tens of degrees for the flange 13. Progress is important if we consider the high level of quality already achieved with existing engines; it can be exploited by using less expensive materials to build the disc 2 and its flange 13, or by reducing the cooling rates.

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Abstract

Dispositif de refroidissement de la partie externe d'un disque de turbine (2) au moyen d'un courant d'air frais externe (circuit II) sans mélange avec la ventilation plus chaude du centre du disque (circuit I). Une pièce (30) traversée de canaux (31, 32) qui se croisent sans se couper permet d'éviter le mélange de courants sensiblement perpendiculaires devant une partie (22) du disque (2) et un mélange qui réduit l'efficacité du refroidissement. <IMAGE>

Description

  • L'invention concerne un dispositif de refroidissement d'un disque de turbine.
  • Dans la portion de turbine à gaz d'une machine existante illustrée à la figure 1, la turbine à haute pression 1 commence en un disque 2 porteur d'un premier étage d'aubes mobiles 3 et fixé au rotor 4. Ce disque 2 est situé en aval d'une chambre de combustion 5 formée dans un stator 6 entourant le rotor 4 et qui se situe elle-même en aval d'un compresseur à haute pression 7.
  • Les gaz résultant de la combustion du carburant dans la chambre 5 chauffent très fortement le disque 2, qu'il s'agit donc de refroidir énergiquement pour maintenir la matière qui le compose à une température compatible avec le maintien de ses propriétés de résistance mécanique. Le moyen utilisé consiste en deux circuits de ventilation I et II d'air plus frais : le premier d'entre eux I, illustré par les flèches en trait plein, utilise de l'air soutiré juste en amont de la chambre de combustion 5 et qui passe par un volume de fond de chambre 28 avant de le quitter par des orifices 8 pour pénétrer dans des chambres d'injection 9 d'où l'air sort par des injecteurs à haute pression 10 qui l'accélèrent et le propulsent à grande vitesse vers le flanc 14 du disque 2.
  • Une partie de cet air parvient effectivement à une couronne interne 11 appartenant au flanc 14 après avoir traversé des orifices 12 d'un flasque 13 couvrant le disque 2, après quoi la rotation du disque 2 produit une force centrifuge sur l'écoulement d'air, qui le dirige vers l'extérieur ; l'air est guidé entre la surface de flanc 14 du disque 2 et le flasque 13 pour refroidir finalement la périphérie du disque 2 en pénétrant dans des cavités 15 creusées dans celle-ci.
  • Le second écoulement d'air II, illustré par les flèches en pointillés, est prélevé juste après le compresseur à haute pression 7 et passe par une chambre 16 comprise entre le rotor 4 et le stator 6 d'où il sort par un joint à labyrinthe ou à brosse 17 jeté entre ces pièces et composé plus précisément de léchettes 18, c'est-à-dire de crêtes circulaires érigées sur le rotor 4, qui frottent sur une matière abradable 19 fixée au stator 6, c'est-à-dire une matière tendre qu'elles creusent au gré des dilatations différentielles aux différents régimes de la machine. La pression de l'air projette l'air hors de la chambre 16 et dans un canal 20 annulaire et d'orientation divergente, contigu à une partie du fond de chambre 28 sur une grande partie de sa longueur et d'où l'air sort par des injecteurs supérieurs 36 qui débouchent devant une couronne radialement externe 22 du disque de turbine 2, appartenant en fait à une surface de flanc 29 du flasque 13 solidaire de ce disque.
  • L'air du second circuit de ventilation exerce une réfrigération notable sur la couronne externe 22 en atteignant cette zone proche des gaz de combustion et donc plus fortement échauffée. La nécessité de refroidir tout le disque 2 mais surtout sa périphérie justifie la dualité des circuits de refroidissement, dont l'air peut d'ailleurs provenir d'autres endroits de la machine. Toutefois, il est prévu qu'une partie de l'air du premier circuit de ventilation ne passe pas par les orifices 12 mais contourne le flasque 13 par l'extérieur et passe par un joint à labyrinthe ou à brosse 23, à peu près semblable au précédent 17 et composé comme lui de léchettes 24 érigées sur le flasque 13 et d'une couche d'abradable 25 soudée sur une surface du stator 6. Les forces centrifuges que le flasque 13 exerce sur cette portion du premier écoulement la redressent comme la portion précédente et la font longer la surface de flanc 29 pour finalement croiser l'écoulement du second circuit de ventilation devant la couronne externe 22.
  • L'origine de l'invention repose sur la constatation que cette situation n'était pas idéale car le courant d'air provenant du circuit I est nettement plus chaud que celui du circuit II (d'environ 50°C).
  • L'invention consiste à ajouter des pièces dont la fonction est de canaliser les écoulements afin que leur mélange soit exclu et que l'air du circuit II originaire des injecteurs supérieurs 36 parvienne sans encombre sur la couronne extérieure 22 ; cet air du circuit II est sensiblement plus frais que celui du premier circuit I, car le joint à labyrinthe ou à brosse 17 qui lui est associé, échauffe moins l'air que le Joint labyrinthe 23, de plus grand diamètre, et l'air du premier circuit I est centrifugé à la sortie du labyrinthe 23, donc comprimé, ce qui l'échauffe également.
  • Ce surcroît de réfrigération dû à l'air du second circuit compense largement la perte de réfrigération consécutive à la dérivation temporaire du courant d'air du premier écoulement, dont l'action est moindre.
  • Sous sa forme la plus générale, l'invention consiste donc en un dispositif de refroidissement d'un disque de turbine, comprenant un premier et un second circuits de ventilation d'air originaires d'un stator et débouchant respectivement devant une couronne interne et une couronne externe radialement d'une surface de flanc du disque, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce située devant la couronne externe, traversée de premiers canaux sensiblement parallèles à la surface de flanc du disque et de seconds canaux prolongeant le second circuit de ventilation, croisant les premiers canaux sans les couper, et se terminant devant la couronne externe.
  • D'autres particularités de l'invention seront plus facilement saisies à l'aide de la description détaillée d'une de ses réalisations, qui va maintenant être faite au moyen des figures suivantes :
    • la figure 1, déjà décrite, illustre une conception déjà connue de turbines à gaz à laquelle l'invention peut être appliquée ;
    • les figures 2 et 3 illustrent l'invention, la figure 3 étant une section selon la ligne A-A de la figure 2, et
    • la figure 4 illustre une amélioration possible.
  • L'élément fondamental de l'invention, représenté à la figure 2, est une couronne distributrice 30 solidaire du stator 6 et située devant la couronne externe 22 à refroidir, à peu de distance d'elle. La couronne distributrice 30 est traversée de canaux axiaux 32 qui prolongent les injecteurs supérieurs 36 pour aboutir devant la couronne externe 22, et les canaux 32 sont séparés par des canaux sensiblement radiaux 31 qui croisent les précédents sans les couper, comme le montre le détail en section de la figure 3.
  • L'intérieur de la couronne distributrice 30 est agencé pour réduire au minimum les pertes de charges ; c'est ainsi que les canaux axiaux 32 peuvent être raccordés à des injecteurs 36 de direction oblique, infléchis dans le sens de défilement du disque 2.
  • L'air de ventilation du second circuit II emprunte les canaux axiaux 32 et n'est donc pas affecté par l'air du circuit I, qui passe par les canaux radiaux 31; le mélange des écoulements ne se produit qu'à la périphérie du disque 2, au-delà de la couronne externe 22. Pour réduire encore les occasions de mélange, on peut construire le flasque 13 avec une léchette 33 sur sa surface de flanc 14, c'est-à-dire une crête dont l'extrémité libre 34 frôle la couronne distributrice 30 et dont le but est de guider l'air de l'écoulement I longeant la surface de flanc 29 du flasque 13 vers les canaux radiaux 31, sans lui permettre de se glisser jusqu'à la couronne externe 22. Dans la réalisation illustrée où la partie de la couronne distributrice 30 porteuse des canaux 31 et 32 s'étend devant une portion radialement intérieure de la couronne externe 22, il est possible d'adjoindre à la couronne distributrice 30 un écran 35 parallèle à la couronne externe 22 et qui s'étend devant le reste de celle-ci, pour séparer par force les écoulements des deux circuits jusqu'au-delà de la couronne externe 22.
  • Si on se reporte maintenant à la figure 4, on constate que l'efficacité de l'invention est encore améliorée si l'air plus frais du second circuit II est encore refroidi. On profite pour cela de l'air du premier circuit, qui est temporairement plus frais avant qu'il n'ait franchi les injecteurs à haute pression 10 et le joint à labyrinthe ou à brosse 23 et après que l'air du second circuit a franchi son joint à labyrinthe ou à brosse 17. Il se trouve que les écoulements sont contigus dans une partie de cet état, puisqu'ils circulent alors dans le fond de chambre 28 et le canal divergent 20 qui ne sont séparés que par une cloison assez mince 37 du carter de stator 6. Il suffit alors d'établir des obstacles 38 tels que des nervures, des bossages ou des ondulations sur les deux faces de cette cloison 37 pour favoriser l'échange de chaleur entre les deux écoulements.
  • Le disque de turbine 2 est porté à une température supérieure à 650°C dans la machine connue. L'utilisation de l'invention permet de réduire cette température de plusieurs dizaines de degrés pour le flasque 13. Le progrès est important si on considère le haut niveau de qualité déjà atteint avec les moteurs existants ; il pourra être exploité en recourant à des matières moins coûteuses pour construire le disque 2 et son flasque 13, ou en réduisant les débits de refroidissement.

Claims (6)

  1. Dispositif de refroidissement d'un disque de turbine (2) couvert par un flasque (13) comprenant un premier (I) et un second (II) circuits de ventilation d'air originaires d'un stator (6) et débouchant respectivement devant une couronne interne (11) du disque et une couronne externe (22) du flasque (13), une portion du premier circuit (I) bifurquant vers un joint d'étanchéité (23) disposé entre le flasque et le stator puis devant le flasque (13) et parallèlement au flasque, vers la couronne externe (22) du flasque, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce (30) située devant la couronne externe, traversée de premiers canaux (31) sensiblement parallèles à une surface de flanc (29) du flasque et prolongeant le premier circuit de ventilation et de seconds canaux (32) prolongeant le second circuit de ventilation, croisant les premiers canaux sans les couper, et se terminant devant la couronne externe (22).
  2. Dispositif de refroidissement d'un disque de turbine suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le flasque (13) comprend une pièce (33) de guidage d'une portion centrifuge et courant le long de la surface de flanc (29) du flasque d'un écoulement d'air originaire du premier circuit de ventilation vers les premiers canaux (31).
  3. Dispositif de refroidissement d'un disque de turbine suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce de guidage est une crête à bord (34) frôlant la pièce (30) traversée par les canaux, qui est fixée au stator (6).
  4. Dispositif de refroidissement d'un disque de turbine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pièce (30) traversée par les canaux comprend un écran (35) parallèle à la couronne externe (22) et situé entre celle-ci et les premiers canaux (31).
  5. Dispositif de refroidissement d'un disque de turbine suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les premiers canaux (31) et l'écran (35) s'étendent devant respectivement des portions radialement interne et externe de la couronne externe (22).
  6. Dispositif de refroidissement d'un disque de turbine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, où les circuits de ventilation possèdent des portions contiguës en aval d'un joint à labyrinthe ou à brosse (17) au travers du second circuit de ventilation mais en amont d'un autre joint à labyrinthe ou à brosse (23) au travers du premier circuit de ventilation, les joints à labyrinthe étant jetés entre le stator (6) et un rotor (4) auquel appartient la turbine, caractérisé en ce que les portions contigues sont munies d'obstacles (38) fournissant un échange de chaleur entre les circuits.
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