Brevet FR2472084A1 — publié le 19810626

La présente invention concerne des turbines à gaz et, plus particulièrement, un élément en vue de mon- ter une structure d'insonorisation sur le carter d'une turbine de ce type. Une turbine à gaz comporte une section de com- pression, une section de combustion et une section de turbine. La section de compression comporte un assem- blage de rotor et un assemblage de stator. Un parcours d'écoulement annulaire pour les gaz du milieu de tra- vail s'étend axialement à travers la section de compres- sion. L'interaction des éléments du rotor et du stator avec les gaz de ce milieu de travail engendre des vibra- tions acoustiques ou des bruits. Dans les turbines ou moteurs modernes, des structures d'insonorisation sont spécifiquement tour- nées vers le parcours d'écoulement du milieu de travail afin d'absorber ces vibrations acoustiques et réduire le niveau de bruit. Une structure de ce type est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 3.735. 593 accordé au nom de Howell et ayant pour titre "Ducted Fans As Used In Gas Turbine Engines Of The Type Known As Fan Jets" (= Propulseurs carénés utilisés dans des turbines à gaz du type connu sous le nom de moteurs à réaction à double flux). Dans une structure de ce type, on installe, à différents endroits de la turbine, un matériel d'amortissement des bruits, par exemple, des panneaux perforés ou des feuilles poreuses renforcées par desctructures en nid d'abeilles. Il est extrêmement important que ces panneaux soient durables et qu'ils aient une résistance adéquate à la fatigue. Une délamification des panneaux et le passage ultérieur en aval de la matière délamifiée peu- vent provoquer de sérieuses détériorations dans la tur- bine. Une cause de cette délamification est une défail- lance due à la fatigue lorsque des contraintes périodi- ques répétées résultant de vibrations mécaniques provo- quées acoustiquement sont absorbées dans les panneaux. Une autre source de contraintes périodiques dans la garniture intérieure réside dans les vibrations que subit le carter de la turbine. Les vibrations s'exer- çant dans ce carter sont particulièrement importantes lorsque les aubes du rotor viennent frapper successi- vement ce-carter. Des chocs de ce type peuvent inévita- blement se produire au cours d'accélérations rapides ou lorsque ltassemblage de rotor est soumis à des charges de manoeuvres gyroscopiques. D'autres sources de défaillance structurale de la garniture intérieure n'ont rien à voir avec les vibrations. Un type de défaillance de ce type peut se produire lorsque la turbine fonctionne en présence de la grêle, du brouillard, de la pluie, de la neige ou de la neige fondante. Sous, ses différentes formes, l'eau pénètre dans la turbine conjointement avec les gaz du milieu de travail et elle risque de venir s'enfermer dans les panneaux en nid d'abeilles. Lorsque la turbine fonctionne à des altitudes plus élevées, l'eau se trans- forme en glace et peut être la cause de détériorations structurales deJa garniture intérieure. Les panneaux peuvent subir une défaillance prématurée due à la fati- gue et il peut même s'y produire une délamification ayant pour conséquence de détériorer gravement la turbi- ne. Afin de résoudre les problèmes énoncés ci-des- sus, les hommes de science et les ingénieurs cherchent à élaborer des structures efficaces de montage préser- vant l'intégrité structurale des garnitures intérieures en compatibilité avec un bon rendement acoustique. Un objet principal de la présente invention est d'assurer le montage efficace d'une garniture in- térieure d'insonorisation dans le carter d'une turbine. Un autre objet de l'invention est d'amortir les vibrations provoquées dans cette garniture inté- rieure et résultant à la fois de vibrations acousti- ques dans le parcours d'écoulement des gaz du milieu de travail, ainsi que des vibrations mécaniques engen- drées dans le carter de la turbine. Un autre objet est d'isoler cette garniture intérieure des vibrations mé- caniques survenant dans le carter de la turbine. Suivant la présente invention, une matière viscoélastique d'une garniture d'insonorisation assure la suspension élastique de cette dernière au carter d'une turbine afin de l'isoler des vibrations provo- quées par le rotor dans ce carter. Suivant une forme de réalisation de la pré- sente invention, on colle la matière viscoélastique à un panneau d'une garniture intérieure d'insonorisation, cette matière viscoélastique poussant cette garniture vers l'intérieur contre une butée prévue sur la paroi intérieure du carter en formant une-cavité acoustique entre la garniture intérieure et le carter. Une caractéristique principale de la présente invention réside dans la matière viscoélastique de la garniture intérieure en vue de monter cette dernière en l'écartant du carter de la turbine. Dans une forme de réalisation, cette garniture intérieure est pressée contre le carter par la matière viscoélastique. Des chambres d'insonorisation ménagées dans la garniture intérieure sont assemblées et communiquent avec la cavité acoustique formée entre la garniture intérieure et le carter, créant ainsi des chambres efficaces d'une plus grande profondeur apparente. Un avantage principal de la présente inven- tion est de réduire la susceptibilité de la structure à une haute fatigue cyclique. La garniture intérieure est isolée des vibrations provoquées mécaniquement dans le carter de la turbine. Les vibrations provoquées acoustiquement dans la garniture intérieure sont amor- ties par des effets visqueux et de Coulomb. Un amor- tissement visqueux est assuré par la matière viscoélas- tique. Dans une forme de réalisation, l'amortissement de Coulomb est assuré grâce à un contact par friction entre la garniture intérieure et le carter. Dans une forme de réalisation, on augmente la capacité de la structure à absorber les vibrations acoustiques en augmentant la profondeur apparente des cavités d'inso- norisation. Les objets, caractéristiques -et avantages ci- dessus de la présente invention, ainsi que d'autres apparaîtront plus clairement à la lecture de la descrip- tion détaillée ci-après de certaines formes de réalisa- tion préférées données en se référant aux dessins anne- xés dans lesquels: la figure 1 est une vue latérale simplifiée en élévation d'une turbine à double flux, une partie du carter extérieur étant élaguée afin de montrer une garniture intérieure d'insonorisation et une aube de rotor; la figure 2 est une vue en coupe transversale d'une partie du carter extérieur et de la structure y associée, la figure 3 est une vue en coupe de la garni- ture intérieure et du carter, cette vue étant prise sui- vant la ligne 3-3 de la figure 2, la figure 4 est une vue en coupe transversale correspondant à celle de la figure 2, mais montrant une autre forme de réalisation. La figure 1 illustre une forme de réalisation d'une turbine à gaz suivant l'invention. Les sections principales de cette turbine sont: une section de com- pression 10, une section de combustion 12 et une section de turbine 14. A travers cette turbine, s'étend axiale- ment un parcours d'écoulement annulaire 16 pour les gaz du milieu de travail. Une structure de stator compor- tant un carter extérieur 18 de la turbine délimite le parcours d'écoulement du milieu de travail. Une struc- ture de rotor 20 est disposée à l'intérieur du carter extérieur etcomporte un axe de rotation A. Dans la section de compression, la structure de rotor comporte 2472084. un disque de rotor (non représenté) et plusieurs aubes mobiles 24. Ces aubes mobiles s'étendent vers l'exté- rieur du disque en travers du parcours d'écoulement du milieu de travail à proximité du carter extérieur. Le carter extérieur comporte une bande de friction 26 tour- née vers les aubes et il renferme une garniture inté- rieure d'insonorisation 28. Cette garniture d'insono- risation s'étend sur la circonférence intérieure du carter extérieur et elle est tournée vers le parcours d'écoulement du milieu de travail. Conjointement avec le carter, cette garniture intérieure forme une struc- ture d'insonorisation 30. La figure 2 est une vue en coupe transversale d'une partie du carter extérieur 18 et de la structure y associée, par exemple, les aubes mobiles 24 et la garniture intérieure d'insonorisation 28. Le carter est conçu pour recevoir cette garniture intérieure dans une gorge circonférentielle 32. La garniture intérieure vient s'engager dans le carter et elle comporte un ou plusieurs panneaux d'insonorisation 34. Chaque panneau comporte une première paroi, par exemple, une paroi ex- térieure 36, de même qu'une deuxième paroi, par exemple, une paroi intérieure 38, une paroi d'amont 40 et une pa- roi d'aval 42. La paroi d'amont et la paroi d'aval sont pratiquement perpendiculaires à la paroi intérieure. Cette paroi intérieure comporte une extrémité d'amont 44 et une extrémité d'aval 46. L'extrémité d'amont et l'ex- trémité d'aval sont toutes deux en biais par rapport au parcours d'écoulement. Une butée d'amont 48 et une bu- tée d'aval 50 sont également disposées en biais sur le carter intérieur pour recevoir la paroi extérieure. La butée d'amont vient s'engager mécaniquement sur l'extré- mité d'amont de la paroi intérieure. La butée d'aval vient s'engager mécaniquement sur l'extrémité d'aval de la paroi intérieure. Un élément 52 en une matière vis- coélastique est amalgamé entre les butées et la paroi intérieure afin d'assurer un carénage aérodynamique 2472084. entre le carter et cette paroi intérieure. Une structure interne telle que la structure en nid d'abeilles 54 est collée sur la paroi intérieure 38. Cette structure en nid d'abeilles s'étend vers l'extérieur et est collée sur la paroi extérieure 36 afin de former une ou plusieurs premières cavités 56 entre la paroi intérieure et la paroi extérieure. La paroi extérieure est écartée du carter de la turbine afin de former une ou plusieurs secondes cavités 58. A travers la paroi extérieure 36 de chaque panneau, sont pratiqués plusieurs passages 60 mettant chacune des premières cavités 56 en communication par fluide (gaz et liquide) avec une ou plusieurs des se- condes cavités 58. A travers la paroi intérieure, sont prévus-plusieurs passages 62 mettant chacune des pre- mières cavités en communication avec le parcours d'écou- lement des gaz 16. Des éléments permettant d'évacuer les liquides, par exemple, des trous 64 pratiqués dans le fond du carter extérieur 18, sont en communication par fluide avec chacune des secondes cavités. Sur le carter extérieur, viennent s'engager des premiers éléments tels que des coussinets en caout- chouc 66 constitués d'une matière viscoélastique afin de monter la garniture intérieure 28 sur le carter 18 de la turbine, de même que pour écarter le panneau 34 de ce dernier. Ces coussinets 66 viennent s'engager sur le carter de la turbine, par exemple, sur la paroi d'aval 42 et sur la paroi extérieure 36 afin d'assurer une suspension élastique pour chaque panneau. Après leur mise en place, les coussinets sont comprimés élas- tiquement et poussent les panneaux 34 vers l'intérieur. Chaque coussinet peut subir librement une expansion dans au moins une direction. Une matière viscoélasti- que satisfaisante pour ces coussinets est un caoutchouc silicone vulcanisé tel que la matière "IL-13275"1 vendue par "Acushnet Process Company", New Bedford, Massachu- setts, E.U.A., ou la matière "JL-78-71-L" vendue par "Jonal Laboratories", Meriden, Connecticut, E.U.A. Outre les premiers éléments 66 en une matière viscoélastique, on installe des seconds éléments 68 éga- lement en une matière viscoélastique entre le panneau d'insonorisation et le carter extérieur. Ces seconds éléments en matière viscoélastique sont installés sans Atre vulcanisés de façon à faire office d'adhésif et de matière de remplissage. Après l'installation, cette matière viscoélastique se vulcanise rapidement (dans les vingt-quatre heures), augmentant ainsi la suspension élas- tique du panneau d'insonorisation. Une matière visco- élastique satisfaisante est un caoutchouc silicone tel que la matière "RTV-106"1 (vulcanisée à la température ambiante) vendue par "Géneral Electric Company", Water- ford, New York, E.U.A., ou la matière "DC-140" vendue par "Dow Corning Corporation", Midland, Michigan, E.U.A. Comme représenté en figure 3, les panneaux d'insonorisation de la garniture intérieure sont espacés sur la circonférence de la turbine. Chaque panneau de la garniture intérieure s'étend à peu près sur 120 . Comme on le comprendra, la garniture intérieure peut com- porter un seul panneau s'étendant à peu près sur toute la circonférence du carter de la turbine ou elle peut être constituée de plusieurs segments comme représenté dans les dessins annexés. Les seconds éléments 68 cons- titués d'une matière viscoélastique sont disposés cir- conférentiellement entre chaque paire de panneaux adja- cents, ainsi qu'entre les coussinets 66. Un espace li- bre circonférentiel 70 ménagé entre les coussinets ins- tallés tout au fond de la turbine met la ou les diffé- rentes secondes cavités en communication par fluide. La figure 4 représente une variante de la forme de réalisation de la figure 2, cette variante comportant une paroi intérieure 38 espacée, à son extré- mité d'amont 44, de la butée d'amont 48 et, à son extré- mité d'aval 46, de la butée d'aval 50. Des premiers éléments constitués d'une matière viscoélastique, par exemple, des coussinets représentés par le coussinet unique 66 à l'extrémité d'amont et par le coussinet unique 66 à l'extrémité d'aval, s'étendent entre la paroi intérieure et les butées. Au cours du fonctionnement d'une turbine à gaz, les gaz constituant le milieu de travail sont dirigés le long du parcours d'écoulement annulaire 16 à tra- vers la section de compression 10. Ces gaz circulant à grande vitesse, de même que les éléments rotatifs et les éléments fixes à travers lesquels passent ces gaz, engendrent des vibrations acoustiques ou des bruits. Ces bruits sont absorbés partiellement par la garniture d'insonorisation 28 prévue dans la section de compres- sion. Grâce à la communication par fluide assurée par les passages 60 traversant la paroi extérieure 36 de chaque panneau d'insonorisation 34, les premières cavi- tés 56 de ce panneau peuvent coopérer, du point de vue acoustique, avec les secondes cavités 58 à ltextérieur des panneaux, entre ceux-ci et le carter de la turbine. Cette coopération acoustique augmente l'aptitude de la garniture à absorber les vibrations comparativement à une garniture comportant uniquement un panneau d'inso- norisation identique, mais sans cavité de renforcement. Les vibrations acoustiques s'exerçant dans le panneau d'insonorisation provoquent des vibrations mé- caniques dans ce dernier. Ces vibrations mécaniques donnent lieu à des déformations périodiques dans la ma- tière viscoélastique, par exemple, dans les premiers éléments (coussinets 66) et les seconds éléments 68 (matière de remplissage) s'étendant entre le carter de la turbine et le panneau d'insonorisation. Etant donné que ces matières viscoélastiques possèdent un important coefficient de friction interne, elles absorbent l'éner- gie-provenant des pièces subissant des vibrations méca- niques et elles transforment, en chaleur. l'énergie pro- venant du mouvement mécanique. Cette absorption d'éner- gie est une forme d'amortissement visqueux et elle a pour effet de réduire l'amplitude des vibrations dans les pièces vibrantes. On augmente la résistance à la fatigue des panneaux comparativement à des panneaux non amortis. Comme représenté dans la forme de réalisation illustrée en figure 2, on obtient un amortissement sup- plémentaire sous forme d'un amortissement de Coulomb ou d'un amortissement par friction à sec à l'extrémité d'amont 44 et à l'extrémité d'aval 46 de la paroi inté- rieure lorsque cette paroi vibre contre la butée d'amont 48 et la butée d'aval 50 sur le carter de la turbine. Les coussinets en matière viscoélastique, qui sont com- primés à la manière de ressorts élastiques au cours de leur mise en place, poussent la garniture vers l'inté- rieur, augmentant ainsi la force normale s'exerçant entre ces surfaces et, en même temps, le degré d'amortis- sement de Coulomb. Le fait que la matière viscoélasti-, que fait office de ressort, est important pour une autre raison. Lorsque l'assemblage de rotor 22 subit des ac- célérations rapides ou est soumis à des charges de ma- noeuvres gyroscopiques, les aubes mobiles 24 viennent heurter la bande de friction 26 pouvant s'user par abra- sion et adaptée sur le carter de la turbine. Le contact abrasif entre les aubes et cette bande provoque des vi- brations mécaniques dans le carter de la turbine. Ces vibrations sont transmises à travers ce carter. Les premiers et seconds éléments viscoélastiques servent à assurer la suspension élastique de chacun des panneaux 34 de la garniture intérieure 28 au carter de la turbine. Cette suspension élastique bloque la transmission des vibrations du carter de la turbine à la garniture inté- rieure et au panneau d'insonorisation de cette dernière. Dès lors, les perturbations produites dans le panneau par les vibrations engendrées dans le carter sont nette- ment réduites comparativement à un panneau fixé rigide- ment au carter de la turbine. Comme représenté dans la forme de réalisation illustrée en figure 2, la zone de contact capable de transmettre les vibrations mécaniques est limitée à la zone comprise entre la butée d'amont 48 du carter et l'extrémité d'amont 44 de la paroi inté- rieure, ainsi qu'entre la butée d'aval 50 du carter et l'extrémité d'aval 46 de la paroi intérieure. Même cette zone limitée est éliminée dans la forme de réali- sation illustrée an figure 4 dans laquelle des coussi- nets en matière viscoélastique 66 sont substitués à l'en- gagement mécanique de la forme de réalisation de la figure 2. Lteau s'infiltrant avec les gaz entrants du milieu de travail lors du fonctionnement de la turbine, est évacuée de la garniture intérieure 28. Grâce à la communication par fluide entre les premières cavités 56 du panneau d'insonorisation 34 et les secondes cavi- tés 58 s'étendant entre le panneau et le carter, l'eau peut être évacuée des premières cavités. Cette évacua- tion de l'eau empêche la formationi glace qui se pro- duirait si l'eau était enfermée par une paroi extérieure ne comportant pas les passages 60. La glace provoque- rait la rupture de la structure interne du panneau d'in- sonorisation, des éléments de ce dernier pouvant même venir se perdre dans le parcours des gaz de la turbine. Comme on l'a décrit ci-dessus, l'eau à l'état liquide est évacuée par les passages pratiqués dans la paroi extérieure 36, les secondes cavités et les trous du carter de la turbine, par exemple, le trou 64. Bien que la présente invention ait été décrite et illustrée par une de ses formes de réalisation préfé- rées, l'homme de métier comprendra que diverses modifi- cations et omissions peuvent être apportées tant dans sa forme que dans ses détails sans pour autant se départir de son esprit et de son cadre. REVENDICATIONS 1. Garniture intérieure d'insonorisation du type monté dans le carter d'une turbine à gaz, caracté- risée en ce qu'elle comprend des éléments constitués d'une matière viscoélastique afin de monter cette gar- niture intérieure en l'écartant du carter de la turbine afin d'absorber les vibrations amorcées acoustiquement dans cette garniture. 2. Structure d'insonorisation pour une tur- bine à gaz du type comportant un parcours d'écoulement s'étendant axialement, caractérisée en ce qu'elle com- prend: un carter de turbine, une garniture intérieure acoustique compor- tant au moins un panneau d'insonorisation tourné vers le parcours d'écoulement des gaz de la turbine, ainsi que des éléments constitués d'une matière visco- élastique afin de monter la garniture intérieure sur le carter de la turbine en écartant ce panneau de ce car- ter, ces éléments en matière viscoélastique isolant la garniture intérieure d'insonorisation vis-à-vis des vibrations provoquées mécaniquement dans le carter de la turbine, tout en amortissant les vibrations provo- quées acoustiquement dans cette garniture. 3. Structure d'insonorisation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la garniture intérieure est constituée de plusieurs panneaux espacés sur la circonférence de la turbine. 4. Structure d'insonorisation suivant la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comporte également une matière viscoélastique disposée circon- férentiellement entre chaque paire de panneaux adja- cents. 5. Structure d'insonorisation suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la garniture intérieure s'étend sur la circonférence du carter de la turbine et comporte: une première paroi, une deuxième paroi placée contre le carter de la turbine, les éléments assurant l'amortissement visqueux des-vibrations engendrées étant enfermés entre le carter de la turbine et la première paroi afin de pousser la deuxième paroi pour l'amener en contact avec le carter de la turbine et assurer un amortissement par friction des vibrations engendrées. 6. Structure d'insonorisation suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la garniture intérieure s'étend sur-la circonférence du carter de la turbine et comporte également: - - une première paroi entrant en contact avec les éléments en matière viscoélastique, une deuxième paroi espacée de la turbine, des seconds éléments en une matière viscoélas- tique enfermés entre la deuxième paroi et le carter de la turbine pour assurer le montage de cette garniture en l'écartant de ce carter. 7. Structure d'insonorisation suivant l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que la première paroi est pratiquement-perpendicu- laire à la deuxième. 8. Structure d'insonorisation suivant l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que la première et la deuxième paroi sont espacées pour former, entre elles, une ou plusieurs premières cavités afin d'absorber les vibrations acoustiques, la deuxième paroi délimitant le parcours d'écoulement du milieu de travail, tandis que plusieurs passages y sont pratiqués afin de mettre les premières cavités en communication avec le parcours d'écoulement des gaz, une ou plusieurs secondes cavités étant for-. mées entre la première paroi et le carter de la turbine afin d'absorber les vibrations acoustiques, tandis que plusieurs passages sont pratiqués à travers la première paroi pour mettre chacune de ces premières cavités en communication, par fluide gazeux, avec une ou plusieurs des secondes cavités.