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DES
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Organism
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2520441A1
Family ID 3206921
Probable Assignee Rolls Royce Plc
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title TURBOMACHINE MUNIE DE MOYENS DE REFROIDISSEMENT PAR AIR
Abstract
_________________________________________________________________
UNE TURBOMACHINE DANS LAQUELLE UN ELEMENT ROTATIF (COMME UN ARBRE 17
OU UN DISQUE DE TURBINE) EST REFROIDI EN DIRIGEANT SUR LUI DE L'AIR
AUQUEL ON A COMMUNIQUE UN TOURBILLONNEMENT INITIAL EN LE FAISANT
CIRCULER DANS UN PASSAGE DEFINI ENTRE L'ELEMENT CONCERNE ET UNE PAROI
FIXE 35, 39. POUR REDUIRE LA RESISTANCE DE FROTTEMENT INTERNE A
L'ECOULEMENT DE L'AIR TOURBILLONNANT, DUE A LA PRESENCE DE LA PAROI
FIXE, ON FAIT PASSER DE L'AIR A TRAVERS CETTE PAROI POUR QUE LA COUCHE
LIMITE DE L'AIR QUI EST PRES D'ELLE SE DEPLACE DANS LE MEME SENS QUE
LE TOURBILLON D'AIR. CE PASSAGE D'AIR A TRAVERS LA PAROI PEUT ETRE
OBTENU EN ASPIRANT OU SOUFFLANT DE L'AIR A TRAVERS DES ORIFICES 47, 48
MENAGES DANS CELLE-CI.
Description
_________________________________________________________________
La presente invention concerne un systeme de re- froidissement par air
de turbomachines.
Il est courant de prelever de l'air comprime a l'un ou a plusieurs des
compresseurs d'une turbomachine pour as- surer le refroidissement de
divers elements constitutifs, fixes ou mobiles, de celle-ci.
Si l'on utilise de l'air pour refroidir des ele- ments mobiles
tournant a une vitesse elevee, cet air, en frottant contre la surface
de ces elements, peut se re- chauffer de facon appreciable Cette forme
de rechauffement de l'air est souvent appele dans la litterature
anglo-sa- xonne "windage heating", c'est-a-dire rechauffement de 1 '
air de lechage On connait par la description qui en est faite dans le
brevet britannique NI 1 217 807 un moyen de diminuer ce rechauffement,
qui consiste a donner a l'air de refroidissement un effet de
tourbillonnement initial dont le sens est le meme que celui de la
rotation de l'ele- ment a refroidir L'ideal est que la vitesse a
laquelle cet air tourbillonne soit egale a la vitesse angulaire de
l'e- lement rotatif.
Dans de nombreux modeles de turbomachines, on fait s'ecouler l'air
tourbillonnant a travers d'etroits passages definis par une structure
fixe et l'element rotatif, pour empecher ou diminuer le recyclage de
l'air vers des re- gions du moteur o il est preferable que l'air de
refroi- dissement ne circule pas.
Il y a un grand nombre d'avantages a pouvoir eviter le phenomene de
"vindage heating" et a maintenir ainsi 1 ' air de refroidissement
aussi froid que possible On peut, par exemple, obtenir des
temperatures plus basses du mi- lieu ambiant, avec pour consequence la
possibilite d'utili- ser avec une plus grande marge de securite les
materiaux adoptes ou d'utiliser des materiaux moins couteux.
On a constate par contre que la resistance de frot- tement interne a
l'ecoulement de l'air tourbillonnant sur les structures et parois
fixes peut freiner cet ecoulement au point que la vitesse de
tourbillonnement devient diffe- rente de la vitesse angulaire des
elements rotatifs et qu' il en resulte un rechauffement de l'air de
lechage.
L'invention a donc pour objet de reduire ce re- chauffement de l'air
tourbillonnant en diminuant son freinage par resistance de frottement
sur les parties fixes de la turbomachine.
A cet effet, dans la turbomachine selon l'inven- tion, munie de moyens
pour prelever de l'air comprime dans le flux d'air principal de la
machine, de woyens pour communiquer and cet air un tourbillonnement
initial de meme sens que celui de la rotation de l'element mobile a
re- froidir et pour diriger l'air tourbillonnant vers le dit element
pour refroidir celui-ci, d'un passage defini en- tre ce meme element
et une paroi fixe placee pres de lui et a travers lequel s'ecoule
l'air tourbillonnant, il est prevu en outre de munir la paroi fixe de
passages pour 1 ' air a travers elle et il est prevu des moyens pour
com- muniquer de l'energie a la couche limite de l'air tourbil-
lonnant pres de la paroi pour que la dite couche se depla- ce
relativement a la paroi dans le meme sens que celui du tourbillon. Le
moyen pour inciter l'air and s'ecouler a travers les passages menages
dans la paroi fixe peut etre consti- tue par un moyen pour amener de
l'air comprime, a une pres-
28 sion Superieure a celle de l'air tourbillonnant, au cote de la
paroi tourne vers l'oppose de-cet air, pour qu'une quantite d'air
ainsi amene s'ecoule a travers les passages jusque dans l'air
tourbillonnant.
Comme variante, le moyen pour inciter l'air a s'e- couler a travers
les passages peut comporter un moyen pour creer une zone de pression
inferieure a celle de l'air tourbillonnant sur le cote de la paroi
tourne vers l'oppo- se de cet air et faire ainsi s'ecouler une
quantite de ce- lui-ci aa travers les passages vers la zone de
pression in- ferieure.
La paroi peut comporter un materiau permeable a 1 ' air, fait de metal
ou de ceramique, un materiau en feuille perfore a petites ou tres
petites ouvertures, un metal tisse ou tresse ou une toile ceramique.
De toute facon, l'invention sera bien comprise a 1 ' aide de la
description qui suit, en reference au dessin schematique annexe,
representant, a titre d'exemple non limitatif, une forme d'execution
de ce systeme de refroi- dissements
Fig 1 est une vue ecorchee d'une turbomachine se- lon l'invention; Fig
2 est une vue plus detaillee d'une partie de la turbomachine selon
l'invention, montrant une partie du systeme de refroidissement d'un
arbre de cette turbomachi- ne. Dans les figures, la turbomachine,
designee par la reference generale 10, comportant une soufflante
monoeta- gee 11 ou compresseur basse pression, montee dans un con-
duit de derivation 12, et un ensemble moteur principal comprenant,
montes les uns a la suite des autres dans le sens de l'ecoulement, un
compresseur a ecoulement axial haute pression 13, multi-etage, une
chambre de combustion 14 une turbine haute pression b-etagee 1, une
turbine basse pression multi-etagee 16 et une tuyere -
La turbine haute pression 15 est reliee au compres- seur haute
pression 1 l par un arbre 1 Cet arbre est sup- porte a son extremite
arriere dans un palier radial 18 et l'extremite avant du compresseur
13 est montee dans un pa- lier de butee 19 L'arbre 20 reliant la
turbine basse pres- sion 16 a la soufflante Il s'etend
longitudinalement a I' interieur de l'arbre haute pression 17, qui est
creux.
Le disque du premier etage de la turbine haute pression 15 presente
sur sa face amont des elements 21, qui cooperent avec des surfaces
situees sur une plaque d' etancheite adjacente 22 pour definir des
joints de retenue de l'air La plaque d'etancheite 22 est portee par un
au-
-35 bage directeur d'entree segmente 23, monte dans l'envelop- pe
exterieure 24 de la turbine La plate-forme interieure M'de l'aubage
directeur #2 supporte la paroi interieure de la chambre de combustion
14, qui est annulaire (la pa- roi exterieure de la chambre de
combustion 14 est portee par l'enveloppe exterieure 26 de la dite
chambre) La plate-forme interieure 2 presente deux brides, qui sail-
lent radialement vers l'interieur Sur une 27 de ces brides est fixee
une structure de paroi fixe 28, qui sert a definir un certain nombre
de passages a travers lesquels l'air de refroidissement peut
s'ecouler.
L'enveloppe interieure 29 de la chambre de combus- tion annulaire est
boulonnee a la structure de paroi 28.
Cette enveloppe entoure les regions interieures de la cham- bre de
combustion 14 et elle est supportee a son extremite amont par
l'ensemble aubage directeur diffuseur de sortie du compresseur haute
pression 13.
La face peripherique de la plaque d'etancheite 22 est munie d'un
evidement dans lequel s'engage l'autre bri- de 31 de la plate-forme
interieure 25 de l'aubage direc- teur 2 La plaque 22 presente en outre
deux evidements, dana chacun desquels vient se loger une mince
ailette, respectivement 32, I 2 Ces ailettes 32, 12 saillent hors du
plan de la plaque 22 et sont fixees a la structure de paroi 28 par des
boulons 34 et leurs ecrous Un couvercle recouvre la face amont du
disque du premier etage de la turbine haute pression Une quantite
d'air a haute pression destine a la chambre de combustion 14 est
prelevee a l'extremite aval du compresseur haute pression 13 et
conduite le long de quatre parcours separes Un de ces parcours s'etend
autour de la face externe de la paroi exterieure de la chambre de
combustion 14 et se termine en traversant des trous de re-
froidissement dans le bord d'attaque des aubes directrices fi Un
deuxieme parcours s'etend autour de la face externe de la paroi
interieure de la chambre de combustion 14 et se termine a la sortie de
trous dans le bord arriere des aubes 36 Le troisieme parcours est
defini entre les parois 28, 29, 2 et a et il se termine a travers des
ajutages e 37 dans la plaque d'etancheite 22 et il sert a refroidir
les aubes mobiles de la turbine 15 d'une maniere similaire a celle
decrite dans la demande de brevet britannique NO 46540/78 de la
Demanderesse, ainsi qu'a refroidir la face avant du premier etage de
la turbine haute pression 15.
L'air qui s'ecoule dans le quatrieme parcours tra- verse des ajutages
38 qui lui communiquent un effet de tourbillonnement initial dans le
meme sens que celui de la rotation du rotor du compresseur multi-etage
f 2 L'air tourbillonnant s'ecoule entre une paroi fixe 39, qui est
boulonnee a la structure de paroi 28 et fixee aux ajuta- ges de
tourbillonnement initial 38, et l'arbre creux 17, pour refroidir ce
dernier A mesure que l'air de refroi- dissement, en s'ecoulant, se
rapproche de l'axe de la tur- bomachine, sa vitesse augmente et sa
pression statique di- minue Cet air est ensuite dirige a travers de
grandes ou- vertures 40 dans un passage diffuseur 41 defini entre deux
parois coniques espacees l'une de l'autre, le dit passage constituant
un diffuseur de section annulaire dont l'en- tree est tournee
radialement vers l'interieur et dont la sortie est tournee radialement
vers l'exterieur Un joint a balai 42 empeche l'air du quatrieme
parcours de s'ecou- ler ailleurs que dans le passage 41.
L'air sortant du diffuseur annulaire 41 traverse des trous radiaux
menages dans la bride de fixation de l'ailet- te M, entre les boulons
34, et il sort a travers des aju- tages Le prevus dans la plaque 22
dans une zone situee en- tre les joints de retenue de l'air Une
certaine quantite de cet air s'ecoule a travers des passages menages
dans la zone peripherique du disque du premier etage de la turbine
haute pression M, entre les pieds des aubes, puis sort- a travers des
ajutages 44 sur la face aval de ce disque, de la maniere decrite dans
la demande de brevet britannique NO 79 30150 de la Demanderesse, une
partie etant utilisee pour aider au refroidissement des aubes de la
turbine haute pression L'air est ensuite utilise pour maintenir sous
pression les joints M et 46 dans la zone peripherique du disque du
premier etage de la turbine 15.
Conformement a l'invention, la paroi fixe 12 et le couvercle 3 sont
munis tous deux d'orifices, respecti- vement 47 et 48, alignes de
facon a etre tournes dans le meme sens que celui du tourbillonnement
de l'air qui s'e- coule entre l'arbre 1 et la paroi 1 (ou entre le
disque du premier etage de la turbine haute puissance 15 et le
couvercle 5, suivant le cas), L'air comprime sur la face de la paroi 2
(ou du couvercle X) tourne vers l'oppose de l'air tourbillonnant
s'ecoule a travers les orifices 47 ou 48 et communique de l'energie a
la couche limite ad Ja- cente a la paroi 2 (ou au couvercle 35), la
faisant se deplacer dans le meme sens que celui du tourbillon et re-
duisant ainsi l'effet de resistance a l'ecoulement par frottement
interne sur l'air tourbillonnant.
La paroi I ou le couvercle I peuvent etre preala- blement percees de
trous ou de fentes definissant les ori- fices 4, 48, ou ils peuvent
etre faits de toles mta Ili- que perforees, a petites ou tres petites
ouvertures Com- me variantes, la paroi 1 ou le couvercle I peuvent
com- porter des panneaux permeables a l'air (par exemple des toiles en
metal tisse, des tresses metalliques ou des ma- teriaux ceramiques).
La presente invention peut etre utilisee n'importe o dans
laturbomachine, par exemple la structure fixe 46, -= pres de la face
arriere du disque du second etage de la turbine haute pression peut
etre rendue permeable a l'air et on peut amener de l'air comprime sur
sa face tournee vers l'oppose du disque.
Un effet similaire a celui du soufflage d'air a tra- vers des parois
fixes peut etre obtenu dans certaines ap- plications en reduisant
efficacement la pression sur la fa- ce de la paroi tournee vers
l'oppose de l'air tourbillon-
= nant, afin d'inciter une partie de ce dernier a s'ecouler a travers
les orifices de la paroi et a amener la couche
-: limite a s'ecouler dans le meme sens que celui du tourbil-
? lonnement On peut y parvenir par exemple en faisant en faisant en
sorte que la face en question de la paroi a traverser soit soumise a
un courant d'air de refroidisse- ment dont la pression statique est
inferieure a la pres- sion de l'air tourbillonnant.
Dans la forme d'execution qui vient d'etre decrite, il est preferable
de conformer les orifices 47, 48 de fa- con que l'air qui les traverse
soit dirige preferentielle- ment dans le meme sens que celui de l'air
tourbillonnant.
On peut y parvenir en poinconnant les orifices 47, 48 de facon a
former des deflecteurs qui incitent l'air a s'e- couler dans le sens
desire Il est bien entendu, cependant, qu'il peut ne pas etre
indispensable de diriger l'air de cette maniere Il peut etre suffisant
de laisser l'air traverser la paroi dans une direction generale
perpendicu- laire a cette derniere et de "lubrifier" ainsi avec cet
air la paroi en question pour permettre a la couche limite d'air
adjacente a cette paroi de se deplacer dans le meme sens que celui de
l'air tourbillonnant aide par l'air qui traverse la paroi Ce serait le
cas avec les panneaux per- meables a l'air mentionnes plus haut.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS -
1. Turbomachine munie de moyens pour prelever de l'air comprime dans
le flux d'air principal de la machine, de moyens pour communiquer a
cet air un tourbillonnement initial de meme sens que celui de la
rotation de l'element mobile A refroidir et pour diriger l'air
tourbillonnant vers le dit element pour refroidir celui-ci, d'un
passage defini entre ce meme element et une paroi fixe placee pres de
lui et a travers lequel s'ecoule l'air tourbillonnant, caracterise en
ce que la paroi fixe (35, 39) est munie de passages (47, 48) pour
l'air a travers elle, et en ce qu' il est prevu des moyens (13) pour
communiquer de l'energie a la couche limite de l'air tourbillonnant
adjacente A laparoi (35, 39) pour que la dite couche se deplace
relative-ment A la dite paroi dans le meme sens que celui du
tour-billon.2. Turbomachine selon la revendication 1, caracte-isee en
ce que les moyens (13) pour inciter l'air a s'ecou-ler a travers les
passages (47, 48) sont constitues par un moyen (13) pour fournir de
l'air comprime a une pression superieure A celle de l'air
tourbillonnant, au cote de laparoi (35, 39) tourne vers l'oppose de
cet and ir, pour qu'u-ne quantite d'air ainsi amene s'ecoule a travers
les passa-ges (47, 48) jusque dans l'air tourbillonnant.3 Turbomachine
selon la revendication 1, caracte-risee en ce que les moyens pour
inciter l'air a s'ecouler A travers les passages (47, 48) comportent
un moyen pour creer une zone de pression inferieure a celle de l'air
tourbillonnant sur le cote de la paroi (35, 39) tourne vers l'oppose
de cet air et faire ainsi s'ecouler une quantite de ceiui-ci a travers
les passages vers la zone de pression inferieure.4. Turbomachine selon
l'une quelconque des reven-dications 1 a 3, caracterisee en ce que la
paroi (35, 39)comporte un materiau permeable a l'air.5. Turbomachine
selon l'une quelconque des reven-dications 1 A 3, caracterisee en ce
que la paroi (35, 39) comporte un materiau en feuille perfore, a
petites ou trespetites ouvertures.6. Turbomachine selon l'une
quelconque des reven-dications 1 A 3, caracterisee en ce que la paroi
(35, 39) comporte une toile tissee ou tressee.7. Turbomachine selon
l'une quelconque des reven-dications 1 a 3,,caracterisee en ce que la
paroi (35, 39)comporte un materiau ceramique.t
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