WO2014132001A1 - Réduction des échanges convectifs entre l'air et le rotor dans une turbine - Google Patents

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WO2014132001A1
WO2014132001A1 PCT/FR2014/050432 FR2014050432W WO2014132001A1 WO 2014132001 A1 WO2014132001 A1 WO 2014132001A1 FR 2014050432 W FR2014050432 W FR 2014050432W WO 2014132001 A1 WO2014132001 A1 WO 2014132001A1
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WO
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turbine
rotor
platform
air
annular
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PCT/FR2014/050432
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Julien RENAUD
Carine BLOT
Franck Denece
Christelle JUBERT
Thierry Lequitte
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Safran Aircraft Engines SAS
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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
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/001—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between stator blade and rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F05D2240/126—Baffles or ribs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/231—Preventing heat transfer
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates generally to gas turbine engines, and more particularly to the reduction of convective exchanges in a turbine, for example a low-pressure turbine of a turbomachine.
  • Fields of application of the invention are aircraft turbojet and turboprop engines and industrial gas turbines.
  • FIG. 1 An example of a turbomachine has been illustrated in FIG.
  • a turbomachine 1 typically comprises a nacelle which forms an opening for the admission of a given flow of air to the engine itself.
  • the turbomachine comprises one or more compression sections 4 of the air admitted into the engine (generally a low pressure section and a high pressure section). The air thus compressed is admitted into the combustion chamber 5 and mixed with fuel before being burned.
  • the hot combustion gases from this combustion are then expanded in different turbine stages.
  • a first expansion is made in a high pressure stage 6 immediately downstream of the combustion chamber 5 and which receives the gases at the highest temperature.
  • the gases are expanded again by being guided through so-called low pressure turbine stages 7.
  • a turbine, low pressure 7 or high pressure 6, conventionally comprises one or more stages, each consisting of a row of stationary turbine blades, also called distributor, followed by a row of turbine blades, which form the rotor.
  • Dispenser 2 deflects the flow of gas drawn from the combustion chamber 5 to the turbine blades at a suitable angle and speed to drive these rotating blades and the rotor of the turbine in rotation.
  • the distributor 2 comprises a plurality of blades spaced circumferentially about an axis of rotation X of the turbomachine 1 (said axis X corresponding to the axis of rotation of the turbine 7), and extending radially relative to this axis X in order to connect a radially inner annular element (or inner platform) and a radially outer annular element (or outer platform).
  • the assembly forms an annular vein opposite the moving blades of the turbine.
  • the rotor itself comprises several discs, for example five discs, which generally comprise peripheral grooves such as cells in which the blades are nested, or are formed in one piece with the blades, which are then machined on the periphery of the discs.
  • the different discs can be assembled coaxially by electron beam welding, rotary friction welding, or bolting.
  • the rotor of the turbine is subjected to a very hot thermal environment, well above the maximum permissible temperatures by the rotor parts. Specific ventilation for the rotor discs has therefore been put in place, during which a flow of pressurized air is introduced into the rotor in order to cool its parts, in particular its discs.
  • leaks F of hot air from the vein were introduced into the rotor, and caused convective heat exchange with the rotor discs.
  • the leakage air F coming from the vein penetrates into the rotor, immediately downstream of the mobile wheels, passes under the internal platform of the distributors to reach the adjacent mobile wheel, disposed immediately downstream.
  • the wipers generally consist of continuous or segmented annular blades arranged on the rotor at level of the junction between the movable wheels, while the bore of abradable material 14 is arranged facing, on a lower face of the internal platform of the distributor.
  • the document US 201 1/158797 describes a turbine distributor comprising a plurality of fixed blades extending radially with respect to an axis of rotation of the turbine from an inner annular platform, as well as means for tangential deflection of the flow of the turbine. air to reduce the pressure drop in the reintroduction of the leakage air in the main vein.
  • the flow of air that is deflected flows from the downstream to the upstream of the turbine, and is deflected and / or accelerated by tangential deflection means to be reinjected upstream in the vein .
  • An object of the invention is therefore to overcome the aforementioned problems of the prior art, and in particular to provide a turbine comprising means for reducing more effectively the heat exchange between the hot air leakage from the vein with the rotor, and in particular the rotors disks, in order to increase their service life at a moderate cost and overall weight.
  • the invention proposes a turbine, in particular a low-pressure turbine, comprising at least one distributor and a rotor, the distributor comprising a plurality of fixed blades extending radially with respect to an axis X of rotation of the turbine from an annular platform internal, the internal platform comprising:
  • the turbine being characterized in that the distributor further comprises air braking means adapted to reduce the speed of rotation of the air said braking means (16) comprising protuberances which extend from an upstream face of the radial wall (22) of the inner annular platform and thus reduce the relative speed of rotation of the air relative to the rotor.
  • the inner annular platform further comprises an inner ring, extending from the radial wall, and protuberances extending between the annular plate of the inner annular platform and the inner ring, the protuberances extend from the inner ring / or the annular plate of the inner annular platform,
  • the protuberances are formed integrally and in one piece with the inner annular platform
  • the protuberances comprise a series of fins extending from the inner annular platform
  • the inner annular platform further comprises a radial annular wall extending from the inner ring towards the annular plate, and
  • the braking means extend between the radial annular wall and the inner ring.
  • the invention also proposes a distributor for such a turbine.
  • FIG. 1 represents an example of a turbomachine to which the invention applies
  • FIG. 2a is a perspective view of an exemplary embodiment of a distributor sector comprising a first embodiment of means for braking the leakage air F according to the invention
  • FIG. 2b is a detailed perspective view of an internal platform of a distributor sector comprising a second embodiment of braking means according to the invention
  • FIG. 3 is a sectional view in detail of a first embodiment of a turbine according to an exemplary embodiment of the invention, on which is visible the path traveled by the air coming from the vein at the level of a distributor blade
  • FIG. 4 is a detailed view of a section of a turbine according to the prior art, on which is visible the path traveled by the leakage air F at a distributor blade
  • FIG. 5 is a sectional view in detail of a second embodiment of a turbine according to an exemplary embodiment of the invention, on which is visible the path traveled by the air coming from the vein at the level of a distributor blade.
  • a low pressure turbine 7 comprising a series of alternating low pressure (or stator) distributors 2 along the axis X of rotation of the turbomachine 1 with a series of moving wheels (or rotor ).
  • the turbine 7 could comprise a different number of stages, and that the invention is also applicable in a high-pressure turbine 6, which can be single or multi-stage.
  • the turbine 7 conventionally comprises one or more stages, each consisting of a distributor 2 followed by a rotor 3 (or moving wheel).
  • the rotor 3 comprises a plurality of discs 30, for example five discs 30, which generally comprise peripheral grooves such as cells in which the blades 32 are interlocked, or are made in one piece with the blades 32, which are then machined on the periphery of the discs 30.
  • Each rotor disc 30 can in particular be assembled coaxially by bolting.
  • Each rotor disc 30 then comprises an annular flange 34a which extends upstream from the upstream radial face of the disc 30, around which an annular flange may be mounted, sealing the passage of the cooling air.
  • upstream and downstream are defined by the flow direction of the gases in the turbomachine.
  • the disks 30 may be coaxially assembled by electron beam or rotary friction welding.
  • the distributor 2 as for it comprises a plurality of fixed blades 24 arranged radially with respect to the axis of rotation X of the turbomachine 1, connecting a radially inner annular platform 20 and a radially outer annular platform 20.
  • the platforms 20 and 25 distributor 2 form the annular vein opposite the blades 32 of the turbine.
  • the inner platform 20 comprises a plate 21, comprising an inner surface 21a and an outer surface 21b, the outer surface 21b forming a support for the blades 24, and a radial wall 22 extending from the inner surface 21a of said plate 21 towards the X axis of the turbomachine 1.
  • the radial wall 22 of the inner platform 20 is also associated with an inner ring 23.
  • the distributor 2 and the rotor 3 of each stage are spaced so as to create a clearance and allow rotation and relative expansion of the rotor 3 relative to the distributor 2, which is a function in particular of the speed variations of the turbomachine 1.
  • This game also forms a passage, through which leakage air F from the vein can be introduced into the rotor 3.
  • FIG. 3 shows a sectional view in detail of the platform 20 of a distributor 2, as well as the mobile wheels 32 immediately upstream and downstream of this distributor 2.
  • the leakage air F coming from the vein entering the rotor 3 enters between the disc 30 of the upstream movable wheel 3 and the distributor 2 (point 1), at the plate 21 of the platform 20, along the radial wall 22 and bypasses the inner ring 23 (point 2) of the inner platform 20, then passes under the distributor 2 (point 3), to finally reach the disk 30 of the downstream mobile wheel 3.
  • the turbine may comprise labyrinth seals, including wipers 12 and the bore 14 of abradable material described above.
  • the wipers 12 can then extend radially from the junction of the flanges 34 upstream and downstream of the discs 30, while the bore extends facing from the inner surface of the inner ring 23.
  • the rotational speed of the leakage air F is generally equal in absolute value to the speed of rotation of the moving wheels, but rotates in the opposite direction about the axis X of rotation of the turbomachine the relative speed of rotation of the leakage air F with respect to the rotor 3 is therefore very high.
  • the drag coefficient Kc of the leakage air F with respect to the rotor 3 i.e., the ratio of the air velocity in the flow core to the rotational speed rotor disc 30
  • zone 1 of FIGS. 3 and 4 for example of the order of -1.
  • this coefficient Ke tends to increase to become positive, which implies a reduction of the exchange coefficients between the leakage air F and the rotor 3.
  • this increase is not sufficient to avoid significant convective exchange, particularly at the flange 34s and flange 36 of the rotor 3, hence the high temperature of the discs 30 of the rotor 3 and ferrules.
  • the invention therefore proposes to slow down the speed of rotation of the air flow at the rotor 3 (zone 2), where the coefficient of entrainment is negative, in particular in the zone situated upstream of the labyrinth 12 (ie at internal platform level 20) in order to increase the entrainment coefficient Ke of the air and bring it closer to the value of 1, with the aid of braking means 16 of the leakage air flow F in the rotor 3.
  • the convective exchanges are reduced, and therefore the capacity of the leakage air F to heat the discs 30 of the rotor 3.
  • the braking means 16 comprise protuberances which preferably extend in the path of the leakage air flow F in the rotor 3, for example between the annular plate 21 of the inner annular platform 20 and the crown. internal 23 (zone 2).
  • the protuberances 16 may extend from the inner ring 23 of the annular platform 20 and / or from an upstream face 22a of the radial wall 22 of the annular platform 20.
  • the protrusions 16 may also extend from the plate 21, and possibly from an upstream face 22a of the radial wall 22 of the annular platform 20.
  • the protuberances 16 may thus be formed integrally and in one piece with the platform internal 20, and more particularly the inner ring 23, the plate 21 and / or the radial wall 22, or alternatively be reported and fixed on the inner platform 20.
  • the protuberances 16 may in particular extend upstream from the inner platform 20, or in the direction of leakage air flow F.
  • the protuberances 16 thus form an obstacle to the flow of leakage air F. in the rotor 3 and reduce its speed of rotation in the zone 2 relative to the rotor, which makes it possible to reduce the coefficient of exchange of the air with respect to the rotor 3 in the zone 3.
  • the invention proposes to influence the level of convective exchanges by acting on the coefficient of entrainment of the leakage air F with respect to the rotor 3. It will of course be understood that the two technical solutions can be combined in order to further reduce the convective exchanges between the air and the disks
  • the distributor 2 then comprises both protuberances 16 on the upstream side of the inner platform 20, in order to brake the leakage air F, and the bore 14 abradable material on the inner face 23a of the inner ring 23, to reduce the air flow, while the rotor 3 comprises the wipers 12 extending radially opposite the bore 14.
  • the protuberances 16 forming the braking means comprise a series of fins 16, each comprising a partition extending radially with respect to the axis X of the turbomachine between the inner ring 23 and the plate 21 of the inner platform 20 of the distributor 2.
  • the fins 16 extend in particular between the inner ring 23 and the radial wall 22 of the annular platform 20.
  • the fins 16 extend between the annular plate 21 and the radial wall 22 of the annular platform.
  • the convective exchanges can be further reduced thanks to the simultaneous (and optional) implementation of the labyrinth, comprising the wipers 12 and the abrasive material, which makes it possible to reduce the leakage air flow F between the two discs 30 of the rotor 3 .
  • the downstream disk 30 of the rotor 3 can then more rapidly put the leakage air F in rotation so that its drag coefficient tends more rapidly to the value 1 (which implies that the relative speed of rotation of the air relative to the rotor 3 tends to 0) than when the turbine 7 is devoid of braking means 16.
  • the convective exchanges between the leakage air F and the discs 30 are therefore significantly reduced, thus greatly reducing the temperature of the discs 30 of the rotor 3 (in particular in the region of the flanges 34 and the flange 36), which allows improve the service life of these parts.
  • the fins 16 preferably extend in a direction generally parallel to the axis X of the turbomachine. They can be straight, and extend radially with respect to the X axis, or have particular shapes to improve the slowing of the air flow, reduce material and manufacturing costs, and / or reduce the overall mass of the distributor 2. Thus, the fins 16 may have a curved surface, comprise a single continuous partition or alternatively several discontinuous partitions, include holes, etc.
  • FIG. 2b illustrates an example of fins 16 extending between the inner ring 23 and the radial wall 22, and comprising a curved surface whose concavity is oriented towards the leakage air flow F.
  • the surface of the fins 16 substantially corresponds to the surface of a quarter cylinder whose axis of revolution is parallel to the axis X of the turbomachine.
  • the fins 16 could also be shaped so that their axis of revolution extends radially relative to the axis X of the turbomachine, or that their surface is partially spherical. In this way, the direction of the air flow F is modified so that the air is deflected radially by the fins 16 relative to the axis X of the turbomachine.
  • the dimensions, the shape and the number of protuberances 16 as well as their position relative to the inner platform 20 determine their ability to slow down the speed of rotation of the air flow. This choice can however be limited by the cost and weight requirements of the turbine 7.
  • the increase in the coefficient of drive depends in particular on the effective surface of the fins 16 (that is to say the surface of the fins 16 obstructing the air leakage F and to slow down its negative rotation speed and possibly deflect the leakage air flow F), and the number of fins 16, for example between 1 and 100 fins 16 per distributor 2.
  • the number of fins 16 may in particular be determined according to the heat gain, the diameter of the distributor (and therefore the distributor stage) and the mass impact desired for the distributor sector.
  • the fins 16 may be made of a material similar to the material constituting the inner platform 20 of the distributor 2.
  • the annular platform may further comprise an annular radial wall 18 extending from the crown internal 23 towards the annular plate 21, adapted to limit the introduction of leakage air F from the vein in the rotor 3.
  • the annular wall 18 may for example extend radially from the upstream end of the crown internal 23 towards the vein of air.
  • the fins 16 can then extend to the annular wall 18, for example between the annular wall 18 and the upstream face 22a of the radial wall 22 of the inner platform 20.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

L'invention concerne une turbine, notamment basse pression, comprenant au moins un distributeur (2) et un rotor (3), le distributeur (2) comprenant une pluralité de pales fixes (24) s'étendant radialement par rapport à un axe de rotation (X)de la turbine (7)depuis une plateforme annulaire interne (21), la turbine (7) étant caractérisée en ce que le distributeur (2) comprend en outre des moyens de freinage (16) de l'air adaptés pour réduire la vitesse relative de rotation de l'air par rapport au rotor dans une zone adjacente à la plateforme annulaire interne (21).

Description

REDUCTION DES ECHANGES CONVECTIFS ENTRE L'AIR ET LE ROTOR DANS UNE TURBINE
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne de manière générale les moteurs à turbine à gaz, et plus particulièrement la réduction des échanges convectifs dans une turbine, par exemple une turbine basse pression d'une turbomachine. Des domaines d'application de l'invention sont les turboréacteurs et turbopropulseurs d'avions et les turbines à gaz industrielles.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Un exemple de turbomachine a été illustré en figure 1 .
Une turbomachine 1 comporte typiquement une nacelle qui forme une ouverture pour l'admission d'un flux déterminé d'air vers le moteur proprement dit. Généralement, la turbomachine comprend une ou plusieurs sections de compression 4 de l'air admis dans le moteur (généralement une section basse pression et une section haute pression). L'air ainsi comprimé est admis dans la chambre de combustion 5 et mélangé avec du carburant avant d'y être brûlé.
Les gaz de combustion chauds issus de cette combustion sont ensuite détendus dans différents étages de turbine. Une première détente est faite dans un étage à haute pression 6 immédiatement en aval de la chambre de combustion 5 et qui reçoit les gaz à la température la plus élevée. Les gaz sont détendus à nouveau en étant guidés à travers les étages de turbine dits à basse pression 7.
Une turbine, basse pression 7 ou haute pression 6, comporte classiquement un ou plusieurs étages, chacun étant constitué d'une rangée de pales de turbine fixes, aussi appelée distributeur, suivie d'une rangée d'aubes mobiles de turbine, qui forment le rotor. Le distributeur 2 dévie le flux de gaz prélevé au niveau de la chambre de combustion 5 vers les aubes mobiles de turbine à un angle et une vitesse appropriés afin d'entraîner en rotation ces aubes mobiles et le rotor de la turbine. Le distributeur 2 comprend une pluralité de pales espacées circonférentiellement autour d'un axe de rotation X de la turbomachine 1 (ledit axe X correspondant à l'axe de rotation de la turbine 7), et s'étendant radialement par rapport à cet axe X de manière à relier un élément annulaire radialement interne (ou plateforme interne) et un élément annulaire radialement externe (ou plateforme externe). L'ensemble forme une veine annulaire en regard des aubes mobiles de la turbine.
Le rotor quant à lui comprend plusieurs disques, par exemple cinq disques, qui comprennent généralement des rainures périphériques telles que des alvéoles dans lesquelles les aubes mobiles sont emboîtées, ou sont réalisés d'une seule pièce avec les aubes mobiles, qui sont alors usinées sur la périphérie des disques. Les différents disques peuvent être assemblés de manière coaxiale par soudage faisceau d'électrons, par soudage par friction rotative, ou encore par boulonnage.
Le rotor de la turbine est soumis à un environnement thermique très chaud, bien supérieur aux températures maximales admissibles par les pièces du rotor. Une ventilation spécifique pour les disques du rotor a donc été mise en place, au cours de laquelle un flux d'air pressurisé est introduit dans le rotor en vue de refroidir ses pièces, en particulier ses disques.
Toutefois, on constate que des fuites F d'air chaud en provenance de la veine s'introduisaient dans le rotor, et provoquaient des échanges thermiques par convection avec les disques du rotor. En particulier, comme illustré sur la figure 4 annexée, l'air de fuite F en provenance de la veine pénètre dans le rotor, immédiatement en aval des roues mobiles, passe sous la plateforme interne des distributeurs pour atteindre la roue mobile adjacente, disposée immédiatement en aval.
On a donc proposé de réduire le débit d'air de fuite F introduit dans le rotor à l'aide de joints labyrinthes, formés d'une part d'une partie tournante à ailettes (ou léchettes), et d'autre part d'une partie statique présentant un alésage 14 comportant un matériau abradable, capable de résister à des températures élevées. Les léchettes sont en général constituées de lames continues ou segmentées de forme annulaire, disposées sur le rotor au niveau de la jonction entre les roues mobiles, tandis que l'alésage en matériau abradable 14 est disposé en regard, sur une face inférieure de la plateforme interne du distributeur.
Cependant, il s'avère que la réduction de débit ne permet pas de réduire suffisamment les échanges convectifs avec le rotor, dans la mesure où les coefficients d'échange au niveau des disques du rotor restent trop importants pour que leur température soit suffisamment réduite. La température de travail des disques du rotor reste donc trop élevée au vu des matériaux utilisés, ce qui a tendance à réduire leur durée de vie.
Le document WO 2013/001240, au nom de la Demanderesse, décrit une turbine basse pression comprenant un distributeur et un rotor. Le distributeur comprend une pluralité de pales fixes s'étendant radialement par rapport à un axe de rotation de la turbine depuis une plateforme annulaire interne. Par ailleurs, afin d'améliorer l'étanchéité au niveau des cavités entre le distributeur et le rotor, ce document propose d'ajouter un matériau abradable en regard du rotor aval, afin de former un joint d'étanchéité à labyrinthe. Néanmoins, l'amélioration de l'étanchéité ne permet pas de réduire les échanges convectifs avec le rotor.
Le document EP 2 574 724 quant à lui décrit uniquement un compresseur haute pression, et est silencieux concernant les problèmes thermiques subis par le rotor d'une turbine.
Enfin, le document US 201 1/158797 décrit un distributeur de turbine comprenant une pluralité de pales fixes s'étendant radialement par rapport à un axe de rotation de la turbine depuis une plateforme annulaire interne, ainsi que des moyens de déviation tangentielle du flux d'air afin de réduire les pertes de charge au niveau de la réintroduction de l'air de fuite dans la veine principale. Toutefois, dans ce document, le flux d'air qui est dévié circule de l'aval vers l'amont de la turbine, et est dévié et/ou accéléré par les moyens de déviation tangentielle afin d'être réinjecté en amont dans la veine. Ces moyens de déviation tangentielle n'ont donc pas d'influence sur les échanges convectifs entre le flux d'air et le rotor, et notamment les brides et le flasque, puisque les brides et le flasque sont disposés en amont des moyens de déviation tangentielle sur le chemin du flux d'air.
RESUME DE L'INVENTION
Un objectif de l'invention est donc de remédier aux problèmes précités de l'art antérieur, et en particulier de proposer une turbine comprenant des moyens permettant de réduire plus efficacement les échanges thermiques entre l'air chaud de fuite en provenance de la veine avec le rotor, et notamment les disques des rotors, afin d'augmenter leur durée de vie, pour un coût et un poids global modéré.
Pour cela, l'invention propose une turbine, notamment basse pression, comprenant au moins un distributeur et un rotor, le distributeur comprenant une pluralité de pales fixes s'étendant radialement par rapport à un axe X de rotation de la turbine depuis une plateforme annulaire interne, la plateforme interne comprenant :
- un plateau annulaire formant support desdites pales, et
- une paroi radiale s'étendant depuis le plateau annulaire en direction de l'axe de rotation de la turbine,
la turbine étant caractérisée en ce que le distributeur comprend en outre des moyens freinage de l'air adaptés pour réduire la vitesse de rotation de l'air lesdits moyens de freinage (16) comprenant des protubérances qui s'étendent depuis une face amont de la paroi radiale (22) de la plateforme annulaire interne et réduire ainsi la vitesse relative de rotation de l'air par rapport au rotor.
Certaines caractéristiques optionnelles mais non limitatives de cette turbine sont les suivantes :
- la plateforme annulaire interne comprend en outre une couronne interne, s'étendant depuis la paroi radiale, et protubérances s'étendent entre le plateau annulaire de la plateforme annulaire interne et la couronne interne, - les protubérances s'étendent depuis la couronne interne /ou le plateau annulaire de la plateforme annulaire interne,
- les protubérances sont formées intégralement et en une pièce avec la plateforme annulaire interne,
- les protubérances et la plateforme annulaire interne sont des pièces distinctes,
- les protubérances comprennent une série d'ailettes s'étendant depuis la plateforme annulaire interne,
- la plateforme annulaire interne comprend en outre un muret annulaire radial s'étendant depuis la couronne interne en direction du plateau annulaire, et
les moyens de freinage s'étendent entre le muret annulaire radial et la couronne interne.
L'invention propose également un distributeur pour une telle turbine.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels :
La figure 1 représente un exemple de turbomachine sur lequel s'applique l'invention,
La figure 2a est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un secteur de distributeur comprenant un premier exemple de réalisation de moyens de freinage de l'air de fuite F conforme à l'invention,
La figure 2b est une vue en détail en perspective d'une plateforme interne d'un secteur de distributeur comprenant un deuxième exemple de réalisation de moyens de freinage conforme à l'invention,
La figure 3 est une vue en coupe en détail d'un premier mode de réalisation d'une turbine conforme à un exemple de réalisation de l'invention, sur laquelle est visible le chemin parcouru par l'air en provenance de la veine au niveau d'une pale du distributeur, La figure 4 est une vue en détail d'une section d'une turbine conforme à l'art antérieur, sur laquelle est visible le chemin parcouru par l'air de fuite F au niveau d'une pale du distributeur, et
La figure 5 est une vue en coupe en détail d'un deuxième mode de réalisation d'une turbine conforme à un exemple de réalisation de l'invention, sur laquelle est visible le chemin parcouru par l'air en provenance de la veine au niveau d'une pale du distributeur.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION
L'invention va être décrite tout particulièrement en référence à une turbine basse pression 7, comprenant une série de distributeurs 2 basse pression (ou stator) alterné selon l'axe X de rotation de la turbomachine 1 avec une série de roues mobiles (ou rotor). Ceci n'est cependant pas limitatif, dans la mesure où la turbine 7 pourrait comprendre un nombre d'étages différent, et que l'invention trouve aussi bien application dans une turbine haute pression 6, pouvant être mono- ou multi étages.
La turbine 7 comporte classiquement un ou plusieurs étages, chacun étant constitué d'un distributeur 2 suivi d'un rotor 3 (ou roue mobile).
Le rotor 3 comprend plusieurs disques 30, par exemple cinq disques 30, qui comprennent généralement des rainures périphériques telles que des alvéoles dans lesquelles les aubes mobiles 32 sont emboîtées, ou sont réalisés d'une seule pièce avec les aubes mobiles 32, qui sont alors usinées sur la périphérie des disques 30.
Les différents disques 30 peuvent notamment être assemblés de manière coaxiale par boulonnage. Chaque disque 30 de rotor 3 comporte alors une bride annulaire 34a qui s'étend vers l'amont depuis la face radiale amont du disque 30, autour de laquelle peut être monté un flasque annulaire assurant l'étanchéité du passage de l'air de refroidissement des disques 30, ainsi qu'une bride annulaire aval 34b qui s'étend depuis la face radiale aval du disque 30, adaptée pour être connectée avec la bride amont 34a du disque 30 aval adjacent. Ici, l'amont et l'aval sont définis par le sens d'écoulement des gaz dans la turbomachine.
En variante, les disques 30 peuvent être assemblés de manière coaxiale par soudage par faisceau d'électrons ou par friction rotative
Le distributeur 2 quant à lui comprend une pluralité de pales fixes 24 disposées radialement par rapport à l'axe de rotation X de la turbomachine 1 , reliant une plateforme annulaire radialement interne 20 et une plateforme 20 annulaire radialement externe 25. Les plateformes 20 et 25 du distributeur 2 forment la veine annulaire en regard des aubes mobiles 32 de la turbine.
La plateforme interne 20 comprend un plateau 21 , comprenant une surface interne 21 a et une surface externe 21 b, la surface externe 21 b formant support pour les pales 24, et une paroi radiale 22 s'étendant de la surface interne 21 a dudit plateau 21 vers l'axe X de la turbomachine 1 . La paroi radiale 22 de la plateforme interne 20 est en outre associée à une couronne interne 23.
Le distributeur 2 et le rotor 3 de chaque étage sont espacés de manière à créer un jeu et permettre la rotation et la dilatation relative du rotor 3 par rapport au distributeur 2, qui est fonction notamment des variations de régime de la turbomachine 1 . Ce jeu forme par ailleurs un passage, par lequel de l'air de fuite F en provenance de la veine peut être introduit dans le rotor 3.
On a représenté sur la figure 3 une vue en coupe en détail de la plateforme 20 d'un distributeur 2, ainsi que les roues mobiles 32 immédiatement amont et aval de ce distributeur 2.
Comme indiqué par la flèche, l'air de fuite F en provenance de la veine pénètre dans le rotor 3 pénètre entre le disque 30 de la roue mobile amont 3 et le distributeur 2 (point 1 ), au niveau du plateau 21 de la plateforme interne 20, longe la paroi radiale 22 et contourne la couronne interne 23 (point 2) de la plateforme interne 20, puis passe sous le distributeur 2 (point 3), pour finalement atteindre le disque 30 de la roue mobile aval 3.
De manière optionnelle, la turbine peut comprendre des joints labyrinthes, comprenant les léchettes 12 et l'alésage 14 en matériau abradable décrits ci-avant. Les léchettes 12 peuvent alors s'étendre radialement depuis la jonction des brides 34 amont et aval des disques 30, tandis que l'alésage s'étend en regard depuis la surface interne de la couronne interne 23. La Demanderesse s'est aperçue que les coefficients d'échange entre l'air de fuite F en provenance de la veine et le rotor 3 étaient liés à leur vitesse de rotation relative. Or, en aval des roues mobiles, la vitesse de rotation de l'air de fuite F est globalement égale en valeur absolue à la vitesse de rotation des roues mobiles, mais tourne en sens inverse autour de l'axe X de rotation de la turbomachine : la vitesse de rotation relative de l'air de fuite F par rapport au rotor 3 est donc très élevée. En conséquence, le coefficient d'entraînement Ke de l'air de fuite F par rapport au rotor 3 (c'est-à-dire le rapport entre la vitesse de l'air dans le cœur de l'écoulement et la vitesse de rotation du disque 30 du rotor 3) est négatif dans la zone 1 des figures 3 et 4, par exemple de l'ordre de -1 . Lors du passage de l'air de fuite F dans le rotor 3 (zone 3), ce coefficient Ke tend à augmenter jusqu'à devenir positif, ce qui implique une réduction des coefficients d'échanges entre l'air de fuite F et le rotor 3. Néanmoins, cette augmentation n'est pas suffisante pour éviter un échange convectif important, en particulier au niveau des bride 34s et du flasque 36 du rotor 3, d'où la température élevée des disques 30 du rotor 3 et des viroles.
L'invention propose par conséquent de ralentir la vitesse de rotation du flux d'air au niveau du rotor 3 (zone 2), où le coefficient d'entraînement est négatif, en particulier dans la zone située en amont du labyrinthe 12 (soit au niveau de la plateforme interne 20) afin d'augmenter le coefficient d'entraînement Ke de l'air et le rapprocher de la valeur de 1 , à l'aide de moyens de freinage 16 du flux d'air de fuite F dans le rotor 3. En effet, en réduisant la vitesse du flux d'air de fuite F par rapport à la vitesse de rotation du rotor 3, on diminue les échanges convectifs, et donc la capacité de l'air de fuite F à chauffer les disques 30 du rotor 3.
Pour cela, les moyens de freinage 16 comprennent des protubérances qui s'étendent de préférence sur le chemin du flux d'air de fuite F dans le rotor 3, par exemple entre le plateau 21 annulaire de la plateforme 20 annulaire interne 20 et la couronne interne 23 (zone 2).
Par exemple, les protubérances 16 peuvent s'étendre depuis la couronne interne 23 de la plateforme 20 annulaire, et/ou depuis une face amont 22a de la paroi radiale 22 de la plateforme 20 annulaire. En variante, les protubérances 16 peuvent également s'étendre depuis le plateau 21 , et éventuellement depuis une face amont 22a de la paroi radiale 22 de la plateforme annulaire 20. Les protubérances 16 peuvent ainsi être formées intégralement et en une seule pièce avec la plateforme interne 20, et plus particulièrement la couronne interne 23, le plateau 21 et/ou la paroi radiale 22, ou en variante être rapportées et fixées sur la plateforme interne 20.
Selon une forme de réalisation, les protubérances 16 peuvent notamment s'étendre vers l'amont depuis la plateforme interne 20, soit en direction flux d'air de fuite F. Les protubérances 16 forment ainsi un obstacle au flux d'air de fuite F dans le rotor 3 et réduisent sa vitesse de rotation dans la zone 2 relativement au rotor, ce qui permet de diminuer le coefficient d'échange de l'air par rapport au rotor 3 dans la zone 3.
Ainsi, alors que l'art antérieur se limitait à réduire simplement le débit d'air de fuite F, en particulier à l'aide de labyrinthes 12 disposés sur le passage de l'air, l'invention propose d'influencer le niveau des échanges convectifs en agissant sur le coefficient d'entraînement de l'air de fuite F par rapport au rotor 3. On comprendra bien entendu que les deux solutions techniques peuvent être combinées afin de réduire encore davantage les échanges convectifs entre l'air et les disques 30 du rotor 3. Le distributeur 2 comprend alors à la fois des protubérances 16 sur du côté amont de la plateforme interne 20, afin de freiner l'air de fuite F, et l'alésage 14 en matériau abradable sur la face interne 23a de la couronne interne 23, afin de réduire le débit d'air, tandis que le rotor 3 comprend les léchettes 12 s'étendant radialement en regard de l'alésage 14. Dans l'exemple de réalisation illustré en figures 2a et 3, les protubérances 16 formant les moyens de freinage comprennent une série d'ailettes 16, comprenant chacune une cloison s'étendant radialement par rapport à l'axe X de la turbomachine entre la couronne interne 23 et le plateau 21 de la plateforme interne 20 du distributeur 2. Ici, les ailettes 16 s'étendent notamment entre la couronne interne 23 et la paroi radiale 22 de la plateforme 20 annulaire.
En variante, dans l'exemple de réalisation de la figure 5, les ailettes 16 s'étendent entre le plateau annulaire 21 et la paroi radiale 22 de la plateforme 20 annulaire.
Dans tous les cas, la mise en œuvre de telles protubérances sur la plateforme annulaire 20 permet d'arrêter localement l'air de fuite F qui pénètre dans le rotor 3 dans la zone 2, dans la mesure où les protubérances 16 forment un obstacle sur son cheminement vers les disques 30. L'air de fuite F ainsi ralenti contourne ensuite la couronne interne 23 (zone 3), avant de passer sous le distributeur 2 et d'atteindre le disque 30 aval du rotor 3. Le flux d'air voit donc son coefficient d'entraînement Ke augmenter progressivement entre la zone 1 , qui correspond à son point d'entrée dans le rotor 3, où sa valeur est négative, par exemple de l'ordre de -1 , pour tendre vers 0 après avoir été freiné par les ailettes 16 dans la zone 2, puis vers 1 au niveau de la zone 3 qui est adjacente aux disques 30 du rotor 3.
Les échanges convectifs peuvent encore être réduits grâce à la mise en œuvre simultanée (et optionnelle) du labyrinthe, comprenant les léchettes 12 et le matériau abrasif, qui permet de diminuer le débit d'air de fuite F entre les deux disques 30 du rotor 3.
Le disque 30 aval du rotor 3 peut alors mettre plus rapidement l'air de fuite F en rotation de sorte que son coefficient d'entraînement tend plus rapidement vers la valeur 1 (ce qui implique que la vitesse relative de rotation de l'air par rapport au rotor 3 tend vers 0) que lorsque la turbine 7 est dépourvue de moyens de freinage 16.
Les échanges convectifs entre l'air de fuite F et les disques 30 sont donc nettement diminués, réduisant ainsi fortement la température des disques 30 du rotor 3 (en particulier dans la zone des brides 34 et du flasque 36), ce qui permet d'améliorer la durée de vie de ces pièces.
Les ailettes 16 s'étendent de préférence selon une direction globalement parallèle à l'axe X de la turbomachine. Elles peuvent être droites, et s'étendre radialement par rapport à l'axe X, ou présenter des formes particulières permettant d'améliorer le ralentissement du flux d'air, réduire les coûts en termes de matière et de fabrication, et/ou réduire la masse globale du distributeur 2. Ainsi, les ailettes 16 peuvent présenter une surface courbe, comprendre une unique cloison continue ou en variante plusieurs cloisons discontinues, comprendre des perçages, etc. Ainsi, on a illustré sur la figure 2b un exemple d'ailettes 16 s'étendant entre la couronne interne 23 et la paroi radiale 22, et comprenant une surface courbe dont la concavité est orientée vers le flux d'air de fuite F. Ici, la surface des ailettes 16 correspond sensiblement à la surface d'un quart de cylindre dont l'axe de révolution est parallèle à l'axe X de la turbomachine. En variante (non illustrée sur les figures), les ailettes 16 pourraient également être conformées de sorte que leur axe de révolution s'étende radialement par rapport à l'axe X de la turbomachine, ou que leur surface soit partiellement sphérique. De la sorte, la direction du flux d'air F est modifiée de sorte que l'air soit dévié radialement par les ailettes 16 par rapport à l'axe X de la turbomachine.
Les dimensions, la forme et le nombre de protubérances 16 ainsi que leur position par rapport sur la plateforme interne 20 déterminent leur capacité à ralentir la vitesse de rotation du flux d'air. Ce choix peut cependant être limité par les exigences de coût et de poids de la turbine 7. Par exemple, dans le cas de protubérances 16 comprenant des ailettes 16, l'augmentation du coefficient d'entraînement dépend notamment de là surface utile des ailettes 16 (c'est-à-dire la surface des ailettes 16 faisant obstacle à l'air de fuite F et permettant de ralentir sa vitesse de rotation négative et éventuellement de dévier le flux d'air de fuite F), et du nombre d'ailettes 16, par exemple entre 1 et 100 ailettes 16 par distributeur 2. Le nombre d'ailettes 16 peut notamment être déterminé en fonction du gain thermique, du diamètre du distributeur (et donc de l'étage du distributeur) et de l'impact en masse désirés pour le secteur de distributeur.
Par ailleurs, leur cloison radiale est dimensionnée de manière à résister aux contraintes thermiques et mécaniques qui lui sont appliquées. Par exemple, les ailettes 16 peuvent être réalisées dans un matériau similaire au matériau constitutif de la plateforme interne 20 du distributeur 2. Selon une forme de réalisation, la plateforme 20 annulaire peut en outre comprendre un muret radial annulaire 18 s'étendant depuis la couronne interne 23 en direction du plateau 21 annulaire, adapté pour limiter l'introduction d'air de fuite F en provenance de la veine dans le rotor 3. Le muret annulaire 18 peut par exemple s'étendre radialement de l'extrémité amont de la couronne interne 23 en direction de la veine d'air. Les ailettes 16 peuvent alors s'étendre jusqu'au muret annulaire 18, par exemple entre le muret annulaire 18 et la face amont 22a de la paroi radiale 22 de la plateforme interne 20.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Turbine (7), notamment basse pression, comprenant au moins un distributeur (2) et un rotor (3), le distributeur (2) comprenant une pluralité de pales fixes (24) s'étendant radialement par rapport à un axe de rotation (X) de la turbine (7) depuis une plateforme annulaire interne (20), la plateforme interne (20) comprenant :
- un plateau annulaire (21 ) formant support desdites pales,
- une paroi radiale (22) s'étendant depuis le plateau annulaire (21 ) en direction de l'axe de rotation (X) de la turbine,
la turbine (7) étant caractérisée en ce que le distributeur (2) comprend en outre des moyens de freinage (16) de l'air adaptés pour réduire la vitesse relative de rotation de l'air par rapport au rotor (3), lesdits moyens de freinage (16) comprenant des protubérances qui s'étendent depuis une face amont de la paroi radiale (22) de la plateforme annulaire interne (20).
2. Turbine (7) selon la revendication 1 , dans lequel la plateforme annulaire interne (20) comprend en outre une couronne interne (23), s'étendant depuis la paroi radiale (22), et les protubérances s'étendent entre le plateau annulaire (21 ) de la plateforme annulaire interne (21 ) et la couronne interne (23).
3. Turbine (7) selon la revendication 2, dans laquelle les protubérances (16) s'étendent depuis la couronne interne (23) et/ou le plateau annulaire (21 ) de la plateforme annulaire interne (20).
4. Turbine (7) selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle les protubérances (16) sont formées intégralement et en une pièce avec la plateforme annulaire interne (20).
5. Turbine (7) selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle les protubérances (16) et la plateforme annulaire interne (20) sont des pièces distinctes.
6. Turbine (7) selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle les protubérances (16) comprennent une série d'ailettes s'étendant depuis la plateforme annulaire interne (20).
7. Turbine (7) selon l'une des revendications 2 à 6, dans laquelle la plateforme annulaire interne (20) comprend en outre un muret annulaire radial (18) s'étendant depuis la couronne interne (23) en direction du plateau annulaire (21 ).
8. Turbine (7) selon la revendication 7, dans laquelle les moyens de freinage (16) s'étendent entre le muret annulaire radial (18) et la couronne interne (23).
9. Distributeur (2) d'une turbine (7) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de freinage (16) de l'air comprenant des protubérances qui s'étendent depuis une face amont de la paroi radiale (22) de la plateforme annulaire interne (20), adaptés pour réduire la vitesse relative de rotation de l'air par rapport au rotor (3).
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