Ventilación de una turbina de alta presión en una turbomáquina.

Turbina de alta presión de turbomáquina, que comprende al menos un disco de rotor (24) provisto de álabes quecomprende bridas anulares aguas arriba (30,

32) y aguas abajo (40, 42) que separan una cavidad anularradialmente interna (72), en el interior de la cual se extiende el cubo (64) del disco (24), de dos cavidades anularesradialmente externas, de las cuales una (50) está aguas arriba del disco y recibe un flujo de aire (48) de ventilaciónde los álabes del disco que proviene de un fondo de cámara de combustión, y la otra (88) está aguas abajo deldisco, caracterizada porque la brida aguas arriba (30, 32) del disco comprende medios (74) que hacen comunicar lacavidad radialmente externa aguas arriba (50) y la cavidad raídamente interna (72) para la ventilación del cubo (64)del disco (24),

Ventilación de una turbina de alta presión en una turbomáquina

La presente invención concierne a la ventilación de una turbina de alta presión en una turbomáquina de doble cuerpo, tal como un turborreactor de avión, y de modo más particular a la ventilación de un disco de turbina de alta presión.

Las turbomáquinas de doble cuerpo comprenden una turbina de alta presión dispuesta a la salida de una cámara de combustión para extraer energía de un flujo de gases eyectados por la cámara de combustión y arrastrar en rotación a un compresor de alta presión dispuesto aguas arriba de la cámara de combustión y que alimenta de aire a presión a esta cámara. Estas turbomáquinas comprenden igualmente una turbina de baja presión dispuesta aguas abajo de la turbina de alta presión para extraer un exceso de energía del flujo de gases y arrastrar en rotación a un compresor de baja presión dispuesto aguas arriba del compresor de alta presión.

La turbina de alta presión comprende en general un disco dispuesto a la salida de la cámara de combustión y que lleva álabes arrastrados en rotación por el flujo de gases eyectados por esta cámara de combustión, estando rodeado el disco por un elemento de estátor, tal como un anillo sectorizado, para asegurar la estanqueidad de la vena de flujo de los gases en la turbina. Un disco de rotor de este tipo está descrito en el documento FR 2 907 496.

Debido a las elevadas temperaturas alcanzadas por los gases de combustión, el anillo de estanqueidad del estátor y el disco de rotor son sometidos a importantes tensiones térmicas capaces de inducir dilataciones de estos componentes.

El disco tiene una masa relativamente elevada y por tanto reacciona más lentamente que el anillo de estanqueidad a las variaciones de temperatura de los gases provocadas por las variaciones del régimen de funcionamiento de la turbomáquina, lo que genera dilataciones térmicas diferenciales, y esto tanto más cuanto que el disco esté menos expuesto a los gases de combustión que los álabes que éste lleva y que el anillo de estanqueidad del estátor.

Estas dilataciones térmicas diferenciales conducen a variaciones de las holguras en la cabeza de álabe en el transcurso de las diferentes fases de funcionamiento de la turbomáquina, lo que obliga a prever holguras relativamente importantes en detrimento del rendimiento de la turbina.

Además, la temperatura no es homogénea en el disco, especialmente entre su periferia radialmente externa que lleva los álabes que están en contacto con los gases de combustión, y su cubo que se encuentra a distancia de estos gases de combustión.

Los gradientes térmicos en el disco reducen su duración de vida de servicio e imponen la utilización de un disco relativamente grueso y macizo, en contradicción con las búsquedas de ganancia de masa inherentes a la concepción de estas turbomáquinas.

Para limitar estos inconvenientes, el disco es en general ventilado por aire tomado aguas arriba, para recalentarle durante las subidas de régimen y acelerar su dilatación térmica, y para enfriarle durante las bajadas de régimen y acelerar su contracción.

Los álabes del disco se benefician en general de un circuito de ventilación específico, que toma aire del fondo de la cámara de combustión para llevarlo, por medio de inyectores, a una cavidad anular formada inmediatamente aguas arriba del disco y que comunica con circuitos de ventilación dispuestos en el interior de los álabes.

El cubo del disco recibe aire de ventilación tomado, en general, a nivel de una etapa del compresor de alta presión, y que circula hacia aguas abajo, por ejemplo a lo largo de una envuelta cilíndrica o manguito que se extiende axialmente desde la etapa antes citada del compresor y que delimita una cavidad anular radialmente interna con respecto a la cavidad antes citada, hasta aguas abajo del disco de la turbina de alta presión.

Sin embargo, el aire tomado del compresor de alta presión para la ventilación del cubo del disco no tiene la misma temperatura y sigue un recorrido considerablemente, más largo que el aire que es tomado en el fondo de cámara de combustión para ventilar los álabes de este disco. Durante un cambio de régimen, el aire de ventilación del cubo del disco ve así variar su temperatura con un retardo con respecto al aire de ventilación de los álabes y con respecto a los gases de combustión.

Esto hace difícil el control de las holguras en la cabeza de álabe e impone prever holguras relativamente importantes capaces de penalizar el rendimiento de la turbina, para limitar los riesgos de desgaste prematuro de los álabes y del anillo de estanqueidad que les rodea.

Además, esto es perjudicial para una reducción satisfactoria de los gradientes térmicos en el disco de la turbina.

Además, el aire tomado en el fondo de la cámara de combustión para la ventilación de los álabes de la turbina de alta presión tiene una presión más elevada que el aire tomado en el compresor de alta presión para la ventilación del cubo del disco de esta turbina.

Ahora bien, el aire de ventilación de los álabes pasa por la cavidad anular unida a los circuitos de ventilación interna de los álabes, y así es aplicado sobre una parte radialmente externa del costado aguas arriba del disco, mientras que el aire de ventilación del cubo fluye hacia la cavidad radialmente interna a una y otra parte del cubo del disco.

Resulta así un desequilibrio de las presiones aplicadas sobre el disco, que induce un empuje axial del disco hacia aguas abajo, que hace más difícil el control de la turbomáquina.

La invención tiene por objetivo principalmente aportar una solución simple, económica y eficaz a estos problemas, que permita evitar los inconvenientes de la técnica conocida.

En particular, ésta tiene por objetivo disminuir los gradientes térmicos en el disco de rotor de la turbina de alta presión, y reducir el tiempo de respuesta en temperatura de este disco.

Ésta tiene igualmente por objetivo equilibrar las presiones aplicadas a una y otra parte del disco para limitar los esfuerzos axiales aplicados al disco.

A tal efecto, la invención propone una turbina de alta presión de turbomáquina, que comprende al menos un disco de rotor provisto de álabes que comprende bridas anulares aguas arriba y aguas abajo que separan una cavidad anular radialmente interna en el interior de la cual se extiende el cubo del disco, dos cavidades anulares radialmente internas, de las cuales una está aguas arriba del disco y recibe un flujo de aire de ventilación de los álabes del disco que proviene de un fondo de cámara de combustión, y la otra está aguas abajo del disco, caracterizada porque la brida aguas arriba del disco comprende medios que hacen comunicar la cavidad radialmente externa aguas arriba y la cavidad radialmente interna para la ventilación del cubo del disco.

La ventilación del cubo del disco de la turbina de alta presión no queda así asegurada por el aire tomado a nivel de una etapa del compresor de alta presión de la turbomáquina, sino por una parte del aire tomado en el fondo de la cámara de combustión e inyectado en la cavidad radialmente externa situada aguas arriba del disco, siendo utilizada la otra parte de este aire para la ventilación de los álabes llevados por el disco.

Por consiguiente, el aire de ventilación del cubo del disco sigue una trayectoria relativamente corta, a la manera del aire de ventilación de los álabes, de modo que su temperatura sigue casi sin retardo las variaciones del régimen de funcionamiento de la turbomáquina.

Esto permite reducir las dilataciones térmicas diferenciales entre el rotor de la turbina de alta presión y el anillo de estanqueidad que rodea a este rotor, de modo que las holguras en la cabeza de álabe pueden ser reducidas durante el dimensionamiento de la turbina, sin riesgo de desgaste prematuro de los álabes y del anillo de estanqueidad.

La invención permite igualmente reducir los gradientes de temperatura en el disco de la turbina de alta presión, lo que aumenta la duración de la vida de servicio de este disco y permite reducir la masa de la turbomáquina, lo que es particularmente ventajoso en el caso de un turborreactor de avión. La utilización de un disco de espesor reducido permite además mejorar el tiempo de respuesta en temperatura... [Seguir leyendo]

1. Turbina de alta presión de turbomáquina, que comprende al menos un disco de rotor (24) provisto de álabes que comprende bridas anulares aguas arriba (30, 32) y aguas abajo (40, 42) que separan una cavidad anular radialmente interna (72) , en el interior de la cual se extiende el cubo (64) del disco (24) , de dos cavidades anulares radialmente externas, de las cuales una (50) está aguas arriba del disco y recibe un flujo de aire (48) de ventilación de los álabes del disco que proviene de un fondo de cámara de combustión, y la otra (88) está aguas abajo del disco, caracterizada porque la brida aguas arriba (30, 32) del disco comprende medios (74) que hacen comunicar la cavidad radialmente externa aguas arriba (50) y la cavidad raídamente interna (72) para la ventilación del cubo (64) del disco (24) ,

2. Turbina de alta presión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque los medios que hacen comunicar la cavidad radialmente externa aguas arriba (50) y la cavidad radialmente interna (72) comprenden ranuras radiales

(74) formadas en la cara aguas arriba de la brida aguas arriba (30) del disco, formando estas ranuras (74) canales de circulación de aire entre la brida aguas arriba (30) y un componente rotatorio (28) de la turbomáquina al cual esta brida está unida.

3. Turbina de alta presión de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, caracterizada porque la brida aguas abajo (40) del disco comprende medios (84) que hacen comunicar la cavidad radialmente interna (72) y la cavidad radialmente externa aguas abajo (88) .

4. Turbina de alta presión de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque los medios que hacen comunicar la cavidad raídamente externa aguas abajo (88) y la cavidad radialmente interna (72) comprenden ranuras radiales

(84) formadas en la cara aguas abajo de la brida aguas abajo (40) del disco, formando estas ranuras (84) canales de circulación de aire entre la brida aguas abajo (30) y un componente rotatorio (82) de la turbomáquina al cual esta brida está unida.

5. Turbina de alta presión de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la cavidad radialmente interna (72) está delimitada, radialmente hacia el interior, por una envuelta cilíndrica o manguito (80) cuya extremidad aguas arriba está fijada al componente (28) que lleva la brida aguas arriba (30) del disco (24) , y cuya extremidad aguas abajo está fijada al componente (82) que lleva la brida aguas abajo (40) del disco.

6. Turbina de alta presión de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizada porque el manguito (80) delimita, con el árbol (91) de una turbina de baja presión de la turbomáquina, un paso anular (90) de llegada de aire de ventilación

(66) tomado en una etapa de un compresor de alta presión de la turbomáquina.

7. Turbina de alta presión de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el componente que lleva la brida aguas arriba (30) del disco (24) es un disco de rotor (28) que lleva juntas de laberinto

(36) y que comprende orificios (62) para el paso del flujo de aire (48) tomado en el fondo de la cámara de combustión.

8. Turbina de alta presión de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizada porque los orificios (62) del disco (28) que lleva las juntas de laberinto (36) están dispuestos en la prolongación de inyectores (52) fijados a una pared interna (58) de la cámara de combustión.

9. Turbina de alta presión de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el componente que lleva la brida aguas abajo (40) del disco es un muñón (82) del rotor.

10. Turbina, caracterizada porque comprende una turbina de alta presión de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes.