DISTRIBUTEUR DE TURBINE DANS UNE TURBOMACHINE
L'invention concerne un distributeur de turbine dans une
turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur.
Classiquement, une turbomachine comprend d'amont en aval un
compresseur alimentant en air une chambre de combustion éjectant les
gaz brûlés dans une turbine haute pression. La turbine haute pression
comprend au moins un distributeur suivi d'une roue de turbine. Ce
distributeur est sectorisé et comprend deux plates-formes interne et externe
entre lesquelles s'étendent des pales sensiblement radiales Le distributeur
assure un guidage optimal vers la roue des gaz brûlés sortant de la
chambre de combustion.
En fonctionnement, on observe que la température des gaz brûlés
issus de la chambre de combustion n'est pas circonférentiellement
uniforme, ce qui donne lieu à la formation de points chauds sur le
distributeur d'entrée de la turbine haute pression. Pour remédier à cette
difficulté, il est connu de former des orifices traversants au voisinage amont
des plates-formes interne et externe du distributeur d'entrée, ces orifices
étant répartis sur la circonférence de chaque plate-forme et permettant une
réintroduction d'air de contournement de la chambre à l'intérieur de la
turbine haute pression. Ces flux d'air permettent un refroidissement des
extrémités amont des plates-formes interne et externe et une uniformisation
de la température circonférentielle en entrée du distributeur.
Toutefois, ce type de technologie n'est pas satisfaisant puisque l'air
traversant les plates-formes interne et externe à une vitesse relativement
grande conduisant à une pénétration radiale importante de d'air entre les
plates-formes interne et externe du distributeur. Il en résulte que cet air de
refroidissement est mélangé très rapidement aux gaz chauds issus de la
chambre de combustion et ne peut assurer un refroidissement optimal des
plates-formes interne et externe.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple,
efficace et économique à ce problème.
A cette fin, elle propose un distributeur sectorisé pour une turbine de
turbomachine comprenant deux plates-formes annulaires sectorisées
interne et externe reliées par des pales sensiblement radiales, au moins
l'une de ces plates-formes comportant au voisinage de son extrémité
amont une pluralité d'orifices traversants de passage d'air répartis sur la
circonférence de ladite plate-forme, caractérisé en ce que les orifices de
passage d'air de chaque secteur de plate-forme débouchent à leurs
extrémités opposées aux pales dans une cavité annulaire circonférentielle
du secteur de plate-forme, cette cavité étant fermée et comportant des
orifices d'alimentation en air de refroidissement, qui sont décalés
circonférentiellement en quinconce par rapport aux orifices de la plate
forme.
La formation d'une cavité annulaire fermée dans chacun des
secteurs de plate-forme permet de réduire la vitesse de l'air de
refroidissement sortant par les orifices de la plate-forme. Ainsi l'air de
refroidissement pénètre moins à l'intérieur de la veine annulaire définie
entre les plates-formes annulaires interne et externe et s'écoule au plus
près de la face de la plate-forme située à l'intérieur de la veine annulaire.
Le positionnement dans la direction circonférentielle des orifices de
la cavité annulaire en quinconce par rapport aux orifices de la plate-forme
permet que l'air entrant par les orifices de la cavité refroidisse la
plate-forme par impact d'air. Cela permet de réduire encore la vitesse de
l'air pénétrant dans le distributeur pour qu'il s'écoule le long des faces
internes des plates-formes.
La plate-forme d'un distributeur selon l'invention est ainsi mieux
refroidie et la température du distributeur est également mieux uniformisée
circonférentiellement par rapport à un distributeur de la technique
antérieure.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les orifices de la
plate-forme débouchent du côté des pales en amont des bords d'attaque
des pales, ce qui permet de garantir un refroidissement
circonférentiellement uniforme des jonctions des bords d'attaque des pales
avec la plate-forme.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les orifices de
la plate-forme et de la cavité annulaire de chaque secteur de distributeur
sont régulièrement espacés les uns des autres de manière à avoir une
réintroduction d'air entre les plates-formes interne et externe la plus
uniforme possible circonférentiellement.
Dans une configuration particulière de l'invention, les axes des
orifices de la plate-forme et de la cavité de chaque secteur de distributeur
sont sensiblement situés dans un même plan perpendiculaire à l'axe
longitudinal du distributeur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le nombre d'orifices de
la plate-forme de chaque secteur de distributeur est égal au nombre
d'orifices de la cavité de ce secteur de distributeur et les orifices de la
plate-forme de chaque secteur de distributeur ont un diamètre identique au
diamètre des orifices de la cavité de ce secteur, ce qui permet de répartir
les pertes de charges de manière identique sur les orifices de la
plate-forme et les orifices de la cavité.
La cavité peut être formée par une rainure annulaire ménagée dans
l'épaisseur de la plate-forme de chaque secteur de distributeur et fermée
par une tôle comprtant les orifices précités d'alimentation en air.
La tôle peut être fixée par brasage ou soudage sur deux portées
cylindriques de la plate-forme de chaque secteur de distributeur, situées
respectivement en amont et en aval de la cavité. Ces portées cylindriques
peuvent être réalisées par usinage.
Dans une réalisation particulière de l'invention, la plate-forme de
chaque secteur de distributeur comprend à son extrémité amont une paroi
radiale de fixation d'un moyen d'étanchéité, la cavité étant située en aval de
cette paroi radiale.
L'invention concerne également une turbomachine, telle qu'un
turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant un distributeur de
turbine tel que décrit ci-dessus et agencé en sortie d'une chambre
annulaire de combustion.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à
la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en
référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une chambre de
combustion et du premier distributeur d'une turbine haute pression
selon la technique antérieure ;
- la figure 1A est une vue schématique à plus grande échelle de la zone
délimitée en pointillés sur la figure 1 ;
- la figure 2 est une vue schématique en perspective et du dessus de
deux plates-formes internes sectorisés du distributeur de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue schématique en coupe axiale de l'extrémité
amont d'une plate-forme interne d'un distributeur de turbine haute
pression selon l'invention ;
- la figure 4 est une vue schématique en perspective et depuis l'intérieur
d'une plate-forme interne d'un distributeur selon l'invention ;
- la figure 5 est une vue schématique en perspective et selon un plan de
coupe transverse de l'extrémité amont de la plate-forme interne de la
figure 4 .
On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente une chambre
annulaire de combustion 10 selon la technique antérieure et dans laquelle
un compresseur haute pression en amont (non représenté) alimente en air
sous pression un espace annulaire 12 délimité par deux carters coaxiaux,
l'un radialement externe 14 et l'autre radialement interne 18, et qui contient
la chambre de combustion 10 .
Cette chambre de combustion 10 comprend deux parois de
révolution interne 20 et externe 22 coaxiales, et une paroi annulaire amont
de fond de chambre 24 sur laquelle est fixé un carénage annulaire 26 qui
s'étend vers l'amont.
Le carénage annulaire 26 et le fond de chambre annulaire 24
comprennent une pluralité d'ouvertures de passage d'air et de montage
d'injecteurs 28 fixés extérieurement sur le carter externe 14.
La chambre de combustion 10 débouche en sortie dans une turbine
haute pression 30 comprenant au moins un distributeur à aubes fixes et
une roue à aubes. Sur la figure 1, seul distributeur d'entrée 32 de la turbine
haute pression est représenté. Ce distributeur 32 est fixé à un carter
externe 34 de turbine lui-même fixé à son extrémité amont sur l'extrémité
aval du carter externe 14 de la chambre de combustion 10 . Le distributeur
32 comprend des plates-formes annulaires interne 36 et externe 38 qui
s'étendent l'une à l'intérieur de l'autre et qui sont reliées entre elles par des
pales 40 sensiblement radiales. Ces plates-formes interne 36 et externe 38
définissent ainsi entre elles une veine annulaire d'écoulement des gaz
brûlés issus de la chambre de combustion 10 .
Le distributeur 32 est sectorisé et formé de secteurs disposés les
uns à côté des autres sur une circonférence centrée sur l'axe de révolution
42 de la chambre de combustion 10 .
Les extrémités aval des parois cylindriques interne 20 et externe 22
de la chambre sont alignées et reliées par des moyens d'étanchéité aux
extrémités amont des secteurs de plates-formes interne 36 et externe 38
du distributeur.
La figure 1A est une vue à plus grande échelle du moyen
d'étanchéité interne qui est similaire au moyen d'étanchéité externe. Ce
moyen d'étanchéité comprend des lamelles 42 qui sont disposées
circonférentiellement les unes à côté des autres autour de l'axe de
révolution 42 de la chambre de combustion 10, et sur lesquelles sont
montés des couvre-joints (non représentés). Chaque lamelle 42 est formée
par une plaque plane à orientation circonférentielle qui s'étend
sensiblement vers l'amont et vers l'intérieur en position de montage. Elle
est fixée par rivetage au niveau de sa partie médiane sur un secteur de
distributeur et prend appui par son bord périphérique interne 44 sur une
face radiale d'un rebord cylindrique 46 de l'extrémité aval de la paroi de
révolution interne 20.
La plate-forme interne 36 du secteur de distributeur comporte à son
extrémité amont une paroi radiale 48 et une pluralité de pattes radiales 50
espacées axialement en aval par rapport à la paroi radiale et régulièrement
réparties sur la circonférence de la plate-forme interne 36. Les pattes
radiales 50 comprennent des orifices 52 de passage de rivets 54 dont les
extrémités amont traversent les lamelles 42 et sont logées dans des
encoches de la périphérie radialement interne de la paroi radiale 48. De
cette manière, les lamelles 42 sont fixées sur la paroi radiale 48.
Les lamelles 42 sont montées entre la paroi radiale et les pattes
radiales et sont en appui sur la face radiale aval de la paroi radiale et sont
sollicitées vers l'amont par un ressort 56 monté entre les lamelles 42 et les
faces amont des pattes radiales 50 de la plate-forme interne 36.
Chaque secteur de plate-forme interne 36 comprend en amont des
bords d'attaques des pales une rangée circonférentielle d'orifices 58
sensiblement radiaux traversant la plate-forme 36 (figure 2). Ces orifices 58
débouchent à l'intérieur de la veine annulaire délimitée par les
plates-formes interne 36 et externe 38. Du côté de la plate-forme interne 36
opposé aux pales 40, ces orifices 58 débouchent axialement entre la paroi
radiale 48 et les pattes radiales 50 de la plate-forme interne 36.
De manière similaire, chaque secteur de plate-forme externe 38
comprend des orifices débouchant sur la face externe de la plate-forme 38
entre une paroi radiale et des pattes radiales et sur la face interne de la
plate-forme externe 38 en amont des bords d'attaque des pales 40.
En fonctionnement, l'air (flèches A) contournant la chambre de
combustion 10 alimente les orifices 58 des plates-formes interne 36 et
externe 38, respectivement, ce qui permet de refroidir ces plates-formes.
Toutefois, les flux d'air traversant les plates-formes interne 36 et externe 38
ont une vitesse relativement élevée conduisant à une pénétration
importante de l'air de refroidissement à l'intérieur de la veine annulaire, ce
qui ne permet pas un refroidissement optimal des plates-formes du
distributeur.
L'invention apporte une solution simple aux problèmes de la
technique antérieure en formant une cavité 60 annulaire circonférentielle
sur au moins les secteurs de plate-forme interne et/ou externe, les orifices
64 de chaque plate-forme débouchant du côté des pales en amont des
bords d'attaque des pales 63 et de l'autre côté dans une cavité fermée
comportant des orifices d'alimentation en air de refroidissement.
La figure 3 représente l'extrémité interne amont d'un secteur de
distributeur selon l'invention, relié à l'extrémité aval de la paroi de révolution
externe 20 par un joint d'étanchéité du type décrit précédemment en
référence aux figures 1 et 1A.
Sur cette figure 3, la cavité est formée axialement entre une paroi
radiale interne 70 de l'extrémité amont de la plate-forme interne 62 et des
pattes radiales internes 72 de fixation des moyens d'étanchéité.
Cette cavité 60 est formée par usinage d'une rainure ou gorge
annulaire dans l'épaisseur de chaque secteur de plate-forme interne 62 et
est fermée par une tôle 66 insérée radialement entre la paroi radiale 70 et
les pattes radiales 72 et fixée par brasage ou soudage sur des portées
cylindriques 74 formées en amont et en aval de part et d'autre du débouché
interne de la gorge 60.
Les extrémités circonférentielles de la gorge 60 sont obturées et ne
débouchent pas aux extrémités circonférentielles du secteur de plate-forme
62 (figure 4). De cette manière, il est possible de conserver une jonction
étanche entre deux secteurs de plates-formes en vis-à-vis par des moyens
connus du type à lamelles insérées chacune pour moitié dans une fente 76
d'un bord circonférentiel d'une plate-forme d'un secteur de distributeur et
pour l'autre moitié dans la fente 76 d'un bord circonférentiel en vis-à-vis
d'une plate-forme d'un secteur de distributeur adjacent.
Chaque tôle 66 s'étend sur la même distance angulaire que le
secteur de distributeur. Les orifices 68, 64 de la tôle 66 et de la plate-forme
sont régulièrement espacés les uns des autres et leurs axes respectifs 80,
82 sont compris dans un même plan perpendiculaire à l'axe longitudinal 78
du distributeur.
Comme représenté en figure 5, les axes 80 des orifices 68 de la tôle
66 sont chacun situés dans un plan passant par l'axe longitudinal 78 du
distributeur et sensiblement entre deux orifices 64 consécutifs de la
plate-forme. Ce décalage en quinconce des orifices 68 de la tôle 66 par
rapport aux orifices 64 de la plate-forme 62 permet un refroidissement de la
plate-forme 62 par impact d'air.
Le nombre d'orifices de la plate-forme 62 de chaque secteur de
distributeur peut être égal au nombre d'orifices de la tôle 66 de ce secteur
de distributeur et par exemple compris entre 20 à 25.
Les orifices 68 des tôles 66 et les orifices 64 des plates-formes 62
de secteurs de distributeurs peuvent avoir un diamètre identique et de
l'ordre de 0,5 à 0,6 mm.
Dans une réalisation particulière de l'invention, chaque tôle 66 peut
avoir une épaisseur de l'ordre de 1 mm.
L'invention a été décrite en référence à une plate-forme interne 62
de distributeur. Toutefois, elle s'applique également aux plates-formes
externes des secteurs de distributeur.
On comprend également qu'il serait possible de former des cavités
circonférentielles fermées, uniquement sur les plates-formes internes ou
bien uniquement sur les plates-formes externes ou encore à la fois sur les
deux plates-formes annulaires interne et externe du distributeur.
Comme indiqué précédemment, l'intégration d'une cavité 60 dans
laquelle débouche les orifices 64 de la plate-forme 62 et qui est obturée par
une tôle 66 percée d'orifices 68, permet de réduire la vitesse de pénétration
de la fraction d'air de contournement de la chambre qui est réintroduite par
l'intermédiaire des orifices des plates-formes, ce qui permet que l'air
réintroduit s'écoule au plus près des faces des plates-formes situées du
côté des pales.
De plus, du fait que l'air de contournement réintroduit à l'intérieur de
la veine annulaire a une vitesse réduite en comparaison de la technique
antérieure, cet air est moins vite mélangé aux gaz chauds issus de la
chambre de combustion, ce qui permet de réduire encore les
hétérogénéités circonférentielles de température et ainsi de réaliser une
meilleure uniformisation circonférentielle de la température du distributeur.

REVENDICATIONS
1. Distributeur sectorisé pour une turbine de turbomachine comprenant
deux plates-formes annulaires sectorisées interne (62) et externe reliées
par des pales (63) sensiblement radiales, au moins l'une de ces
plates-formes (62) comportant au voisinage de son extrémité amont une
pluralité d'orifices (64) traversants de passage d'air répartis sur la
circonférence de ladite plate-forme (62), caractérisé en ce que les orifices
(64) de passage d'air de chaque secteur de plate-forme (62) débouchent à
leurs extrémités opposées aux pales (63) dans une cavité (60) annulaire
circonférentielle du secteur de plate-forme (62), cette cavité étant fermée et
comportant des orifices (68) d'alimentation en air de refroidissement, qui
sont décalés circonférentiellement en quinconce par rapport aux orifices
(64) de la plate-forme (62).
2 . Distributeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices
(64) de la plate-forme (62) débouchent du côté des pales (63) en amont
des bords d'attaque des pales (63).
3 . Distributeur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les
axes (80, 82) des orifices (64, 68) de la plate-forme (62) et de la cavité
annulaire de chaque secteur de distributeur sont sensiblement situés dans
un même plan perpendiculaire à l'axe longitudinal (78) du distributeur.
4 . Distributeur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que
les orifices (64) de la plate-forme (62) et de la cavité annulaire de chaque
secteur de distributeur sont régulièrement espacés les uns des autres.
5 . Distributeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en
ce que le nombre d'orifices de la plate-forme (62) de chaque secteur de
distributeur est égal au nombre d'orifices de la cavité annulaire de ce
secteur de distributeur.
6 . Distributeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en
ce que les orifices (64) de la plate-forme (62) de chaque secteur de
distributeur ont un diamètre sensiblement identique au diamètre des
orifices (68) de la cavité de ce secteur.
7 . Distributeur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que
la cavité (60) est formée par une rainure ménagée dans l'épaisseur de la
plate-forme (62) de chaque secteur de distributeur et fermée par une tôle
(66) comportant les orifices précités (68).
8 . Distributeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la tôle (66)
est fixée par brasage ou soudage sur deux portées cylindriques de la
plate-forme de chaque secteur de distributeur, situées respectivement en
amont et en aval de la cavité.
9 . Distributeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en
ce que la plate-forme (62) de chaque secteur de distributeur comprend à
son extrémité amont une paroi radiale de fixation d'un moyen d'étanchéité,
et en ce que la cavité (60) est située en aval de cette paroi radiale.
l O.Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion,
caractérisée en ce qu'elle comprend un distributeur de turbine selon l'une
des revendications précédentes, agencé en sortie d'une chambre annulaire
de combustion.