FR2953556A1 - Turbine haute pression d'un turboreacteur - Google Patents

Abstract

Turbine haute pression à régulation automatique de ventilation interne de son stator. Le support d'anneau (16) formant stator comporte des trous (35) pour l'introduction d'air de refroidissement communiquant avec une cavité (38) renfermant un élément (41) en matériau possédant un coefficient de dilatation différent de celui du carter et coopérant avec les orifices internes des trous (35) pour former un obturateur variable, en fonction de la température.

Description

L'invention se rapporte à une turbine haute pression d'un turboréacteur comportant un carter support d'anneau formant stator. Elle concerne plus particulièrement un perfectionnement du système de ventilation interne d'un tel anneau.

Dans un turboréacteur d'avion, on recherche à améliorer les performances de la turbine haute pression. On rappelle que cette turbine, située en aval de la chambre de combustion est soumise à des températures très élevées nécessitant un refroidissement constant de sa structure. C'est le cas du carter support de l'anneau formant le stator de la turbine, la roue aubagée formant le rotor étant montée en rotation à l'intérieur de cet anneau. L'anneau est segmenté circonférentiellement et les segments sont assemblés au carter de façon à définir une cavité annulaire dans laquelle on injecte de l'air de refroidissement. L'air pénètre par des trous répartis circonférentiellement, pratiqués au travers de la face frontale amont du carter. Un premier problème est de gérer le débit d'air de refroidissement en fonction du régime de fonctionnement du turboréacteur. En effet, l'air de refroidissement est prélevé en amont de la chambre de combustion sur un étage du compresseur. Cet air ne participe pas à la combustion. Par conséquent, s'il est prélevé en quantité excessive, il en résulte une perte de rendement et une augmentation de la pollution. Il n'est guère envisageable d'équiper le circuit d'alimentation de la cavité par des systèmes de réglage de débit commandés, en raison des équipements supplémentaires coûteux, encombrants qui alourdiraient, en outre, les équipements autour de la turbine. L'invention vise en premier lieu à apporter à ce problème une solution simple peu coûteuse, à variation automatique ne nécessitant aucun équipement lourd et encombrant.

Plus particulièrement, l'invention concerne une turbine haute pression d'un turboréacteur comportant un carter support d'anneau formant stator, un rotor de ladite turbine étant monté en rotation dans cet anneau, ledit carter comportant des trous pour l'introduction d'air de refroidissement communiquant avec une cavité entourant radIalement Icult arinccu, earactunse en ce que iadIte LavlLe renferme un dément en matériau possédant un coefficient de dilatation différent de celui dudit carter, installé dans ladite cavité et coopérant avec les orifices internes de trous précités pour former un obturateur variable de ceux-ci, en fonction de la température. Par exemple, ledit élément formant obturateur a une forme annulaire. Par exemple, l'élément formant obturateur variable comporte des trous sensiblement en regard de ceux du carter, respectivement. Un autre problème est celui de la maîtrise du jeu entre les extrémités des aubes du rotor et la paroi interne de l'anneau de turbine.

Ce jeu conditionne pour beaucoup le rendement de la turbine et sa durée de vie. En effet, des études récentes, à l'origine de ce développement de l'invention ont montré que diverses pertes de performance sont imputables à une différence de temps de réponse thermique entre le stator et le rotor. On sait que, par exemple, la masse du disque de rotor, importante, est responsable d'une certaine inertie thermique de celui-ci, plus importante que celle du stator, c'est-à-dire le carter et l'anneau de turbine. En outre, le refroidissement provoqué par l'impact de l'air sur la paroi externe de la cavité, réduit encore le temps de réponse thermique du carter, ce qui a des conséquences, au moins à certains changements de régime, sur le jeu entre les extrémités des aubes du rotor et l'anneau de turbine. Il en résulte une usure entre les extrémités de pâle et l'anneau de turbine qui augmentent progressivement le jeu et contribuent à diminuer le rendement de la turbine. EP 1 903 186 propose de protéger cette paroi externe par une tôle ménageant un espace mort. La tôle est fixée audit carter. L'invention apporte une meilleure solution à ce problème. Le principe de base consiste à agencer dans la cavité un écran thermiquement isolant, annulaire, s'opposant aux échanges thermiques entre le carter et l'air de refroidissement qui y est introduit, notamment ladite paroi externe de la cavité. Ceci permet d'augmenter le temps de réponse thermique du carter et donc de le rapprocher de celui du rotor. Ainsi, l'invention concerne aussi une turbine selon la définition qui précède, caractérisée en ce qu'un tel élément formant obturateur Lildi que t2ti Il^dtCIldU isolant dispose en regard d'une partie de la paroi intérieure de la cavité, pour s'opposer aux échanges thermiques entre ledit carter et l'air circulant dans ladite cavité, afin d'augmenter le temps de réponse thermique dudit carter. De préférence, ledit élément formant obturateur variable ainsi prolongé par l'écran thermique est adossé à la face interne de la paroi radialement la plus externe dudit carter, sans être accolé complètement à celle-ci pour ménager un espace mort. L'effet technique recherché est obtenu dès lors que l'écran thermique est interposé entre la paroi externe de la cavité et la cavité elle- même, par exemple sans épouser complètement ladite paroi. A fortiori, si cet écran thermique constitue le prolongement de l'élément formant obturateur variable, le montage de ce dernier en est simplifié puisqu'il a la forme d'un anneau prenant naturellement sa place dans la cavité, sans qu'il soit nécessaire de le fixer au carter. En outre, le matériau utilisé à coefficient de dilation différent de celui du carter est préférentiellement en matériau à faible coefficient de dilatation, ce qui permet à l'élément formant obturateur et à l'écran thermique combinés d'être réalisés d'une seule pièce dans le prolongement l'un de l'autre. Enfin, un tel matériau à faible coefficient de dilation est aussi choisi pour présenter un faible coefficient de transmission thermique, ce qui est généralement le cas. Par conséquent, la partie formant l'écran thermique peut jouer pleinement son rôle, c'est-à-dire augmenter l'inertie thermique du stator pour la rapprocher autant que faire ce peu de celle du rotor. Typiquement, le matériau en question peut être un matériau composite à base de céramique. Il a une forme d'anneau, inséré dans la cavité du carter. Cet anneau peut être indexé à l'intérieur du carter pour assurer la correspondance voulue entre les trous du carter et ceux de la pièce. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe partielle d'une turbine haute pression montrant plus particulièrement le stator équipé du perfectionnement conforme à l'invention ; et - la figure 2A à 2C illustrent le comportement du perfectionnement selon l'invention à différents régimes de fonctionnement du turboréacteur. Sur les dessins, on a représenté en partie et en coupe passant par l'axe de rotation une turbine haute pression 11 normalement placée en aval d'une chambre de combustion et comportant un rotor 12 et un stator 13 composé d'un carter de turbine 15, de structure globalement annulaire, fixe et d'un anneau de turbine 16 portée par le carter. Le rotor 12 comprend des aubes rotatives 17. Il est monté tournant autour d'un axe de rotation confondu avec l'axe du carter et de l'anneau de turbine. Sur la figure 1, on ne distingue du rotor 12 que l'extrémité d'une aube 17, qui est séparée de la surface interne de l'anneau de turbine par un jeu e (faible distance radiale) qui conditionne pour beaucoup les performances de la turbine. Si le jeu e est trop élevé, une partie du débit des gaz expulsés de la chambre de combustion ne contribue pas à l'entraînement de la roue de rotor. Si le jeu est trop faible, une usure peut se produire, notamment en fonction des conditions transitoires de dilation des éléments fixes et tournants, ce qui ne peut que contribuer globalement et progressivement à l'augmentation du jeu lui-même et donc à faire baisser le rendement de la turbine et abréger sa durée de vie. Le carter de turbine 15 peut être d'une seule pièce, globalement annulaire, comprenant une cavité annulaire ouverte radialement vers l'intérieur tandis que l'anneau de turbine 16 est segmenté, c'est-à-dire composé de l'assemblage, côte à côte et circonférentiellement, de tronçons d'anneau 18. Le carter 15 est muni sur sa face frontale amont 20 d'une gorge intérieure 22 et à l'aval d'une gorge extérieure 24. Chaque segment d'anneau de turbine comporte une nervure amont 26 engagée dans la gorge intérieure 22 et une nervure aval 28 venant s'appliquer contre une surface annulaire 29 du carter située près de la gorge extérieure 24, pour permettre la mise en place d'un verrou 30 et assurer ainsi le montage du segment correspondant de l'anneau de turbine, Le carter comporte, sur sa face frontale amont une pluralité de trous d'entrée d'air de ventilation 35 régulièrement répartis circonféren-Liellement. Api es lu ÎLJ uje des tronçons de l'anneau de turnine, une cavité annulaire cie ventilation 38 est créée, dans laquelle de l'air est injecté par les trous 35. Le système tel qu'il vient d'être décrit jusqu'à présent est connu. Par ailleurs, on sait que l'air de refroidissement est prélevé sur le compresseur qui alimente en comburant la chambre de combustion. Par conséquent, cet air ne participe pas à la combustion et il en résulte une réduction du rendement. Il importe donc que la quantité d'air consacré au refroidissement ne soit pas trop excédentaire à certains régimes, par rapport à ce qui est strictement nécessaire.

Or, les trous 35 sont traditionnellement dimensionnés pour assurer une ventilation adéquate, pendant les phases de fonctionnement plein gaz, notamment au décollage. En revanche, pendant les manoeuvres au sol, sur l'aéroport et surtout en régime de croisière (ce qui correspond à la plus grande partie de la durée d'un vol) le débit d'air est excessif.

Selon l'invention, la cavité de ventilation 38 renferme un élément formant obturateur 41, en matériau possédant un coefficient de dilatation différent de celui dudit carter. Cet élément obturateur, installé dans la cavité, coopère avec les orifices internes des trous 35 pour former un obturateur variable de ceux-ci, en fonction de la température de fonctionnement du turboréacteur. L'élément formant obturateur est agencé pour que, aux fortes températures, correspondant par exemple au régime de fonctionnement plein gaz du turboréacteur, les trous 35 soient totalement dégagés en raison de la différence de dilatation entre le carter 15 et l'élément obturateur 41. Dans l'exemple, l'élément formant obturateur variable comporte un trou 44 sensiblement en regard de chaque trou 35 précité dudit carter. Le matériau constituant l'élément formant obturateur est un matériau à coefficient de dilatation plus faible que celui qui constitue le carter. Comme on le voit, l'élément obturateur est globalement situé radialement à l'extérieur de la couronne de trous. Il est adossé par ses extrémités à la paroi interne de la cavité de ventilation, sans y être fixé. L'élément 41 est annulaire et d'une seule pièce. Son indexage et son centrage peuvent être assurés, par exemple, par trois pions radiaux 46 solidaires du carter et engagés dans du l' ion n ' L.

Comme le montre la figure 2A, lorsque le turboréacteur fonctionne à faible régime, par exemple pendant des manoeuvres au sol, sur l'aéroport, la température est peu élevée et la dilation du carter 15, radialement, est faible. L'élément formant obturateur 41 est conformé pour que, dans cet état, ses trous 44 sont relativement décalés des trous 35 du carter. Par conséquent, la section d'écoulement de l'air de refroidissement est réduite. Dans une phase de fonctionnement en régime de croisière, correspondant à la figure 2B, la dilation du carter est telle que globalement, la section d'écoulement de l'air de refroidissement est augmentée mais en deçà de la section globale offerte par la section des trous 35. En revanche, comme le montre la figure 2C, pendant un régime de fonctionnement plein gaz (décollage, par exemple) où la température du carter est relativement élevée, les trous 35 du carter et les trous 44 de l'élément obturateur sont pratiquement en correspondance parfaite et le débit d'air de refroidissement est maximum. Indépendamment de la question du refroidissement variable en fonction du régime du turboréacteur, décrite ci-dessus, il faut noter que l'élément formant obturateur variable 41 se prolonge au-delà de ce qui est nécessaire pour assurer la fonction d'obturateur variable des trous 35 de façon à constituer un écran thermique longeant au moins une partie de la paroi intérieure de la cavité, (ici la paroi radialement extérieure 48 de celle-ci) pour s'opposer aux échanges thermiques entre le carter et l'air circulant dans la cavité et ainsi augmenter le temps de réponse thermique du carter. Il est rappelé que ce temps de réponse du carter est plus faible que celui de la turbine portant les aubes 17 et que cette augmentation du temps de réponse thermique a pour conséquence de le rapprocher de celui du rotor. Le fait de placer un écran thermique le long de la paroi radiale externe de la chambre de ventilation permet en effet de limiter le refroidissement par impact de l'air introduit par les trous 35 sur la paroi 48. Cette inertie thermique est encore améliorée si, comme c'est le cas, le matériau utilisé pour constituer ledit écran thermique est en matériau thermiquement isolant, c'est-à-dire mauvais conducteur de la chaleur. C'est le cas ici puisque le matériau utilisé est un matériau composite à base de céramique. Par conséquent, bien que ce ne soit pas theurrhuerlierlt eeessurre, ia parue qui terme robturateur variable et la partie gç,ii forme l'écran thermique sont réalrséus dans le même matériau et par conséquent peuvent constituer une seule pièce, comme représenté, en forme d'anneau ouvert intérieurement, à section approximativement en u, à base large. L'invention concerne aussi toute turbomachine équipée d'un 5 compresseur selon la description qui précède.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1. Turbine haute pression d'un turboréacteur comportant un carter (13) support d'anneau (16), formant stator, un rotor (12) de ladite turbine étant monté en rotation dans cet anneau, ledit carter comportant des trous (35) pour l'introduction d'air de refroidissement communiquant avec une cavité (38) entourant radialement extérieurement ledit anneau, caractérisé en ce que ladite cavité (38) renferme un élément (41) en matériau possédant un coefficient de dilatation différent de celui dudit carter, installé dans ladite cavité et coopérant avec les orifices internes de trous précités pour former un obturateur variable de ceux-ci, en fonction de la température.
2. 2. Turbine selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément formant obturateur variable (41) comporte des trous (44) 15 sensiblement en regard des trous (35) précités dudit carter.
3. 3. Turbine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'un tel élément formant obturateur variable (41) se prolonge par un écran thermique en matériau thermiquement isolant, disposé en regard d'une partie de la paroi intérieure de la cavité, pour s'opposer aux 20 échanges thermiques entre ledit carter et l'air circulant dans ladite cavité, afin d'augmenter le temps de réponse thermique dudit carter.
4. 4. Turbine selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit élément formant obturateur variable (41) est prolongé pour longer la paroi (48) radialement la plus externe de ladite cavité. 25
5. 5. Turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit élément formant obturateur variable (41) est en un matériau à coefficient de dilatation plus faible que celui dudit carter.
6. 6. Turbine selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit matériau est du type thermiquement isolant. 30
7. 7. Turbine selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit matériau est un matériau composite, à base de céramique.
8. 8. Turbomachine caractérisée en ce qu'elle comporte une turbine selon l'une des revendications précédentes.