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FR2961250A1 - Dispositif de refroidissement des alveoles d'un disque de rotor de turbomachine a l'aval du cone d'entrainement - Google Patents

Dispositif de refroidissement des alveoles d'un disque de rotor de turbomachine a l'aval du cone d'entrainement Download PDF

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FR2961250A1 FR1054676A FR1054676A FR2961250A1 FR 2961250 A1 FR2961250 A1 FR 2961250A1 FR 1054676 A FR1054676 A FR 1054676A FR 1054676 A FR1054676 A FR 1054676A FR 2961250 A1 FR2961250 A1 FR 2961250A1
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Abstract

L'invention concerne un dispositif de refroidissement des alvéoles d'un disque de rotor de turbomachine, comprenant un disque de rotor amont ayant une bride de fixation (28) dont la périphérie est festonnée, un disque de rotor aval (20c), un flasque (48) de maintien des aubes disposé autour de la virole (22) du disque aval en ménageant avec celle-ci une cavité de diffusion d'air (50), un cône (38) d'entraînement en rotation des disques ayant une bride de fixation (40) dont la périphérie est festonnée, et une pluralité de liaisons boulonnées (26) traversant d'amont en aval, les parties pleines des brides de fixation du disque amont et du cône, la bride de fixation (52) du flasque et la bride de fixation (34) du disque aval. La bride de fixation du flasque est percée par des orifices de ventilation (58) débouchant dans la cavité de diffusion d'air pour l'alimenter en air de refroidissement, cette cavité débouchant dans les alvéoles (18) du disque aval à leur extrémité amont pour les refroidir.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général du refroidissement d'un disque de rotor de turbomachine disposé en aval du cône d'entraînement en rotation du disque. Elle vise plus précisément un dispositif permettant de refroidir les alvéoles d'un tel disque dans lesquelles sont montées des aubes. L'un des domaines d'application de l'invention est celui des turbines basse-pression de turbomachines aéronautiques du type à double corps et double flux.
Chaque étage de la turbine basse-pression d'une turbomachine se compose d'un distributeur formé d'une pluralité d'aubes fixes disposées dans une veine d'écoulement et d'une roue mobile placée derrière le distributeur et formée d'une pluralité d'aubes mobiles également disposées dans la veine d'écoulement et montées par leur pied dans des alvéoles d'un disque de rotor. Les disques de rotor de la turbine sont généralement assemblés entre eux au moyen de viroles qui sont fixées entre elles par des liaisons boulonnées traversant des brides de fixation. Cet assemblage de disques est lui-même relié à un arbre de turbine par l'intermédiaire d'un cône pour être entraîné en rotation.
Pendant le fonctionnement, la veine d'écoulement de la turbine basse-pression est traversée par des gaz dont la température est très élevée. Pour éviter d'endommager les disques de rotor et les aubes montées sur ceux-ci, il est connu de refroidir ces pièces en faisant cheminer de l'air frais dans les alvéoles des disques de rotor. A cet effet, l'une des solutions connues consiste à prélever de l'air plus frais (par exemple dans le compresseur haute-pression de la turbomachine) pour l'acheminer via un circuit de refroidissement jusqu'aux alvéoles des disques de rotor. Par exemple, l'air prélevé peut être acheminé jusqu'aux alvéoles des disques en passant par des encoches ménagées dans les brides de fixation de la virole du disque entre les liaisons boulonnées. On pourra se référer au document EP 2,009,235 qui décrit un exemple d'un tel dispositif de refroidissement. Or, ce type de dispositif de refroidissement n'est pas applicable à toutes les turbines basse-pression existantes. En particulier, il n'est pas toujours possible d'avoir recours à un dispositif de refroidissement tel que décrit précédemment pour le refroidissement du disque situé directement en aval du cône d'entraînement en rotation en disque du fait de l'apparition de fuites au niveau des brides de fixation.
Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un dispositif de refroidissement des alvéoles d'un disque de rotor situé en aval du cône d'entraînement en rotation qui s'applique à tout type de turbine. Ce but est atteint grâce à un dispositif de refroidissement des alvéoles d'un disque de rotor de turbomachine, comprenant : un disque de rotor amont centré sur un axe longitudinal de la turbomachine et comprenant une virole annulaire qui s'étend vers l'aval depuis une face latérale aval du disque, ladite virole ayant une bride de fixation s'étendant radialement vers l'intérieur et dont la périphérie est festonnée avec des parties pleines alternant avec des parties creuses ; un disque de rotor aval centré sur l'axe longitudinal de la turbomachine, comprenant à sa périphérie une pluralité d'alvéoles axiales ouvertes vers l'extérieur et destinées à recevoir chacune le pied d'une aube, et une virole annulaire qui s'étend vers l'amont depuis une face latérale amont du disque, ladite virole ayant une bride de fixation s'étendant radialement vers l'intérieur ; un flasque annulaire de maintien des aubes du disque aval disposé autour de la virole du disque aval en ménageant avec celle-ci un espace annulaire formant une cavité de diffusion d'air, ledit flasque comprenant une bride de fixation s'étendant radialement vers l'intérieur ; un cône annulaire d'entraînement en rotation des disques centré sur l'axe longitudinal de la turbomachine et comprenant une bride de fixation s'étendant radialement vers l'extérieur et dont la périphérie est festonnée avec des parties pleines alternant avec des parties creuses, les parties pleines étant alignées angulairement avec les parties pleines de la bride de fixation de la virole du disque amont ; et une pluralité de liaisons boulonnées traversant successivement d'amont en aval, les parties pleines des brides de fixation de la virole du disque amont et du cône, la bride de fixation du flasque et la bride de fixation de la virole du disque aval ; la bride de fixation du flasque étant percée par des orifices de ventilation débouchant dans la cavité de diffusion d'air pour l'alimenter en air de refroidissement, ladite cavité de diffusion d'air débouchant dans les alvéoles du disque aval à leur extrémité amont pour les refroidir.
Un tel dispositif de refroidissement est remarquable en ce qu'il permet de ventiler les alvéoles du disque aval sans provoquer de fuites au niveau des brides de fixation de ce disque aval avec le disque amont. Il en résulte une augmentation de la durée de vie de ce disque aval. Le flasque peut comprendre en outre une virole annulaire qui s'étend vers l'amont autour de la virole du disque amont en ménageant avec celle-ci un espace annulaire communiquant avec la cavité de diffusion d'air par l'intermédiaire des orifices de ventilation. Dans ce cas, l'espace ménagé entre les viroles respectives du flasque et du disque amont communique de préférence avec une cavité d'alimentation d'air par les parties creuses des brides de fixation de la virole du disque amont et du cône. La virole du flasque peut être frettée sur la virole du disque amont. De préférence, le flasque comprend en outre des léchettes radiales d'étanchéité destinées à coopérer avec la surface annulaire interne d'un distributeur disposé entre les disques amont et aval. L'invention concerne également un étage de turbine basse-pression d'une turbomachine et une turbomachine comprenant un dispositif de refroidissement tel que défini précédemment.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une turbine basse-pression montrant l'emplacement du dispositif de refroidissement selon l'invention ; - la figure 2 est une vue agrandie du dispositif de refroidissement de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue en coupe selon III-III de la figure 2.
Description détaillée d'un mode de réalisation L'invention est applicable à différents types d'ensembles rotatifs d'une turbomachine, et notamment à une turbine basse-pression d'une turbomachine aéronautique du type à double corps et double flux, telle que celle représentée partiellement sur la figure 1. La turbine basse-pression 10 comprend notamment une pluralité d'étages successifs centrés sur un axe longitudinal X-X de la turbomachine (seuls les trois premiers étages sont représentés sur la figure 1). Chacun de ces étages se compose d'un distributeur formé d'une pluralité d'aubes fixes 12 disposées dans une veine d'écoulement 14 et d'une roue mobile placée derrière le distributeur et formée d'une pluralité d'aubes mobiles 16 également disposées dans la veine d'écoulement 14 et montées par leur pied dans des alvéoles 18 d'un disque de rotor 20a, 20b et 20c. Les disques de rotor 20a, 20b et 20ç de la turbine basse- pression sont centrés sur l'axe longitudinal X-X. Chacun d'entre eux comprend une virole annulaire amont 22 qui s'étend vers l'amont depuis une face latérale amont du disque et une virole annulaire aval 24 qui s'étend vers l'aval depuis une face latérale aval du disque. Les disques sont assemblés entre eux au moyen de ces viroles 22, 24.
Plus précisément, le disque 20b du deuxième étage de la turbine est relié au disque 20a du premier étage par un cordon de soudure 25 entre les extrémités libres de leur virole amont 22 et aval 24, respectivement. Alternativement, cet assemblage entre ces deux disques pourrait être réalisé en fabriquant les disques et leurs viroles en une seule et même pièce. Alternativement encore, cet assemblage entre ces deux disques pourrait être réalisé à l'aide de liaisons boulonnées entre leurs viroles. Quant au disque 20c du troisième étage de la turbine, il est relié au disque 20b du deuxième étage par des liaisons boulonnées 26 entre leur virole amont et aval, respectivement. De façon plus précise comme représenté sur les figures 2 et 3, la virole aval 24 du disque du deuxième étage de la turbine comprend une bride de fixation 28 s'étendant radialement vers l'intérieur (c'est-à-dire vers l'axe longitudinal X-X) et dont la périphérie est festonnée avec des parties pleines 30 alternant avec des parties creuses 32. Les parties pleines 30 de cette bride de fixation sont traversées par les liaisons boulonnées 26. Quant à la virole amont 22 du disque 20c du troisième étage, elle comprend également une bride de fixation 34 s'étendant radialement vers l'intérieur (l'extrémité libre de cette bride n'est en revanche pas festonnée mais est également traversée par les liaisons boulonnées 26).
La turbine basse-pression comprend également un arbre de rotor 36 centré sur l'axe longitudinal X-X et logé à l'intérieur des disques de rotor 20a à 20c. Cet arbre de rotor est également relié à l'assemblage des disques au moyen d'un cône annulaire 38 de façon à les entraîner en rotation.
Ce cône 38 d'entraînement en rotation des disques est centré sur l'axe longitudinal X-X et comprend une bride de fixation 40 s'étendant radialement vers l'extérieur (c'est-à-dire en direction opposée à l'axe X-X) et dont la périphérie est festonnée avec des parties pleines 42 alternant avec des parties creuses 44, les parties pleines étant traversées par les liaisons boulonnées 26. Par ailleurs, comme représenté plus particulièrement par la figure 3, ces parties pleines 42 sont alignées angulairement avec les parties pleines 30 de la bride de fixation 28 de la virole aval du disque du deuxième étage de la turbine (il en est de même des parties creuses respectives de ces deux brides de fixation).
De façon connue, de l'air frais est prélevé dans la veine d'écoulement du flux gazeux traversant la turbomachine en amont de la turbine basse-pression, par exemple au niveau d'un étage du compresseur haute-pression (non représenté) de celle-ci. Cet air chemine jusqu'à une cavité annulaire 46 formée à l'intérieur des disques de rotor et délimitée axialement à l'aval par le cône 38 d'entraînement en rotation des disques. Cet air est destiné à venir ventiler les alvéoles des disques des différents étages de la turbine pour les refroidir. La figure 2 illustre de façon plus précise comment cet air permet de ventiler les alvéoles 18 du disque 20c de rotor appartenant au troisième étage de la turbine.
Un flasque annulaire 48 de maintien des aubes centré sur l'axe longitudinal X-X est disposé autour de la virole amont 22 du disque 20ç du troisième étage de la turbine en ménageant avec celle-ci un espace annulaire 50 formant une cavité de diffusion d'air. Cette cavité de diffusion d'air débouche à l'aval dans les alvéoles 18 du disque 20c à l'extrémité amont de celles-ci pour les ventiler.
Le flasque 48 de maintien des aubes comprend une bride de fixation 52 s'étendant radialement vers l'intérieur (et dont la périphérie n'est pas festonnée). Il comprend en outre une virole annulaire 54 qui s'étend vers l'amont autour de la virole aval 24 du disque 20b du deuxième étage de la turbine (sur laquelle elle est frettée) en ménageant avec celle-ci un espace annulaire 56 communiquant avec la cavité de diffusion d'air 50 par l'intermédiaire d'orifices de ventilation 58 percés dans sa bride de fixation 52. Ainsi, l'air frais présent dans la cavité annulaire 46 formée à l'intérieur des disques alimente l'espace 56 formé entre la virole du flasque et la virole aval du disque 20b en circulant radialement par les parties creuses respectives des brides de fixation de la virole aval 24 du disque 20b et du cône 38 d'entraînement en rotation des disques. Cet air s'écoule ensuite dans la cavité de diffusion d'air 50 en passant par les orifices de ventilation 58 puis se diffuse dans chaque alvéole 18 du disque 20ç pour les ventiler. Par ailleurs, comme indiqué précédemment, les liaisons boulonnées 26 permettent, d'une part d'assembler entre eux les disques 20b, 20c du deuxième et du troisième étage de la turbine, et d'autre part de raccorder les disques au cône 38. Les différents éléments précités de la turbine sont disposés de telle sorte que ces liaisons boulonnées 26 traversent successivement, d'amont en aval : les parties pleines 30 de la bride de fixation 28 de la virole aval 24 du disque 20b, les parties pleines 42 de la bride de fixation 40 du cône 38 d'entraînement en rotation des disques, la bride de fixation 52 du flasque 48, et la bride de fixation 34 de la virole amont 22 du disque 20c. De façon avantageuse, le flasque 48 de maintien des aubes comprend en outre des léchettes radiales d'étanchéité 60 qui coopèrent en fonctionnement avec la surface annulaire interne 62 du distributeur du troisième étage de la turbine (et donc disposé entre les disques 20b et 20ç).

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de refroidissement des alvéoles d'un disque de rotor de turbomachine, comprenant un disque de rotor amont (201_) centré sur un axe longitudinal (X-X) de la turbomachine et comprenant une virole annulaire (24) qui s'étend vers l'aval depuis une face latérale aval du disque, ladite virole ayant une bride de fixation (28) s'étendant radialement vers l'intérieur et dont la périphérie est festonnée avec des parties pleines (30) alternant avec des parties creuses (32) ; un disque de rotor aval (20c) centré sur l'axe longitudinal de la turbomachine, comprenant à sa périphérie une pluralité d'alvéoles axiales (18) ouvertes vers l'extérieur et destinées à recevoir chacune le pied d'une aube (16), et une virole annulaire (22) qui s'étend vers l'amont depuis une face latérale amont du disque, ladite virole ayant une bride de fixation (34) s'étendant radialement vers l'intérieur ; un flasque annulaire (48) de maintien des aubes du disque aval disposé autour de la virole du disque aval en ménageant avec celle-ci un espace annulaire (50) formant une cavité de diffusion d'air, ledit flasque comprenant une bride de fixation (52) s'étendant radialement vers l'intérieur ; un cône annulaire (38) d'entraînement en rotation des disques centré sur l'axe longitudinal de la turbomachine et comprenant une bride de fixation (40) s'étendant radialement vers l'extérieur et dont la périphérie est festonnée avec des parties pleines (42) alternant avec des parties creuses (44), les parties pleines étant alignées angulairement avec les parties pleines de la bride de fixation de la virole du disque amont ; et une pluralité de liaisons boulonnées (26) traversant successivement d'amont en aval, les parties pleines des brides de fixation de la virole du disque amont et du cône, la bride de fixation du flasque et la bride de fixation de la virole du disque aval ; la bride de fixation du flasque étant percée par des orifices de ventilation (58) débouchant dans la cavité de diffusion d'air (50) pour l'alimenter en air de refroidissement, ladite cavité de diffusion d'air débouchant dans les alvéoles du disque aval à leur extrémité amont pour les refroidir.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le flasque (48) comprend en outre une virole annulaire (54) qui s'étend vers l'amont autour de la virole (24) du disque amont (20b) en ménageant avec celle-ci un espace annulaire (56) communiquant avec la cavité de diffusion d'air (50) par l'intermédiaire des orifices de ventilation (58).
  3. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel l'espace (56) ménagé entre les viroles respectives du flasque et du disque amont communique avec une cavité d'alimentation d'air (46) par les parties creuses (32, 44) des brides de fixation (28, 40) de la virole du disque amont et du cône.
  4. 4. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel la virole (54) du flasque (48) est frettée sur la virole (24) du disque amont (201).
  5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le flasque (48) comprend en outre des léchettes radiales d'étanchéité (60) destinées à coopérer avec la surface annulaire interne (62) d'un distributeur disposé entre les disques amont et aval.
  6. 6. Etage de turbine basse-pression d'une turbomachine comprenant un dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
  7. 7. Turbomachine comprenant un dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.
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