Brevet FR2467979A1 — publié le 19810430

La présente invention concerne des turbomachines dans lesquelles il est nécessaire d'agir sur la grandeur de l'espace libre entre l'extrémité libre ou tète des au- bes de la turbine et la carcasse de la turbomachine ou au- tre structure fixe similaire. Lors du démarrage et des accélérations de la turbo- machine, la dilatation thermique du rotor de la turbine est devancée par celle de son enveloppe. En régime stable, la dilatation de l'enveloppe correspond davantage à celle du rotor et, lors des décélérations et des arrêts, l'enve- loppe se contracte plus rapidement que le rotor. S'il n'est pas prévu de moyens pour faire colnci- der les vitesses respectives de dilatation et de contrac- tion de l'enveloppe et du rotor, il faut laisser entre les têtes d'aubes et l'enveloppe un espace libre assez large pour éviter qu'il y ait frottement dans les états transitoires o interviennent des vitesses de dilatation et de contraction différentes. Cet espace libre est mal- heureusement trop large pour le régime stable et il s'en- suit un rendement médiocre de la turbomachine, une perte de puissance et une consommation spécifique élevée de com- bustible. De nombreuses solutions ont été proposées pour gar- der sous contrôle la grandeur de cet espace libre, solu- tions qui vont du soufflage d'air froid venant du rotor sur l'enveloppe de la turbine ou autre structure qui co- opère avec les têtes d'aubes pour former un joint, afin d'agir sur l'espace qui les sépare, au renvoi des gaz de combustion qui ont traversé la turbine pour réchauffer 1' enveloppe ou autre structure et donc retarder sa contrac- tion pendant la décélération de la machine. Les deux suggestions ci-dessus impliquent la pré- sence d'une soupape et d'un dispositif de commande et com- promettent l'efficacité de la turbomachine. En utilisant de l'air froid, on gaspille le travail du compresseur et en utilisant les gaz chauds, on diminue l'efficacité de la turbine. Par ailleurs, aucune de ces solutions ne four- nit une méthode valable pour conserver le contrôle de 1' espace entre les têtes d'aubes et l'enveloppe de la tur- bine à tout moment, c'est-à-dire au cours des accéléra- tions, en régime stable et lors des décélérations. L'invention a donc tout d'abord pour objet de four- nir une méthode pour garder sous contrôle la grandeur de l'espace libre entre les aubes et l'enveloppe de la turbi- ne, ou autre structure avec laquelle les aubes coopèrent pour former un joint, méthode qui est adaptée étroitement à la dilatation et la contraction du rotor de la turbine dans toutes les conditions de fonctionnement de la turbo- machine. Elle a aussi pour objet d'y parvenir en infléchis- sant l'enveloppe extérieure ou autre structure avec la- quelle les aubes de la turbine coopèrent en réponse à la dilatation et aux contractions du rotor. Elle vise aussi à soustraire la face de joint qui coopère avec les têtes d'aubes aux déformations de la car- casse de la turbomachine qui résultent des charges inh&- rentes à la construction et des diagrammes thermiques aux- quels est soumise la dite carcasse. A cet effet, la turbine selon l'invention, destinée à une turbomachine, qui comprend un ensemble mobile muni d'aubes ou rotor, une grille d'entrée circulaire formée de segments et placée en amont du rotor, dont les seg- ments sont montés de façon à pouvoir être déplacés radia- lement relativement à une enveloppe extérieure, une chemi- se cylindrique creuse formée de segments, espacée radiale- ment des têtes d'aubes du rotor, chaque segment de la che- mise étant supporté à:sa première extrémité par un seg- ment de la grille fixe d'entrée et à sa seconde extrémité par une structure radialement déplaçable située en aval du rotor, est caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un premier et un second élément annulaire, dont chacun a une réaction aux changements de température qui est adap- tée à la dilatation et aux contractions que subit le ro- tor en service dans le sens radial, le premier élément an- nulaire étant disposé concentriquement aux segments de la grille circulaire fixe et pouvant agir sur eux pour les déplacer radialement, ainsi que la première extrémité des segments de la chemise, lorsqu'il subit une dilatation au des contractions thermiques dans le sens radial, tandis que le second élément annulaire peut agir sur la structu- re située en aval du rotor de façon à la déplacer radiale- ment, elle et la seconde extrémité des segments de la chemise, en synchronisation avec la première extrémité de ceux-ci, lorsqu'il subit une dilatationou des contractions thermiques dans le sens radial. La structure radialement déplaçable située en aval du rotor peut être constituée par une seconde grille cir- culaire fixe formée de segments, par exemple la grille fi- xe d'entrée d'un étage suivant de la turbine ou d'une se- conde turbine. Les segments de grille fixe peuvent être montés de façon que leur extrémité radialement extérieure pu's f aîement contre des faces de butée qui s'éten- dent dans le sens radial et sont portées par l'enveloppe de la turbine. Dans ce cas, la face de butée fournit une résistance axiale qui s'oppose à la poussée exercée axia- lement par les gaz sur les segments de la grille fixe. Comme variante, chaque segment de grille fixe peut être monté de façon à pouvoir pivoter relativement à l'enve- loppe de la turbine, de sorte que l'élément annulaire qui agit sur les segments de la grille fixe respective pro- duit un couple de rotation autour du pivot de chaque seg- ment de grille associé pour déplacer radialement les seg- ments de chemise. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l' aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de cette turbine: Fig. 1 est une vue en demi-coupe axiale fortement schématisée représentant une turbomachine aéronautique comportant une turbine à gaz selon l'invention, Fig. 2 est une vue en demi-coupe axiale plus dé- taillée représentant une partie de la turbine haute pres- sion, construite conformément à l'invention, de la turbo- machine selon l'invention. La figure 1 montre une turbumachine à double flux triple corps désignée par la référence générale 10. Cette turbomachine comporte, dans leàsens d'écoulement du flux, un compresseur basse pression 11, monté dans un conduit dérivé 12, un compresseur axial multi-étagé 13 pour pres- sions intermédiaires, un compresseur axial haute pression 14, une chambre de combustion 15, une turbine haute pres- sion 16, une turbine pour pressions intermédiaires 17, u- ne turbine basse pression 18 et une tuyère 19. La turbine haute pression 16 est représentée plus en détail à la figure 2. Elle comprend un ensemble mobile ou rotor, constitué par un disque annulaire 20, muni en son centre d'un moyeu 21 relativement massif et portant sur sa périphérie une pluralité d'aubes angulairement é- quidistantes 22. Les aubes 22 sont fixées à la périphérie du disque par une attache traditionnelle de type "sapin". Le disque 20 est muni aussi de brides 23 au moyen desquel- les il est fixé sur l'arbre respectif 24 (fig. 1) pour entraîner en rotation le compresseur haute pression 14. La grille fixe d'entrée 25 de la turbine haute pression 16 comprend une pluralité de segments 26, dont chacun comporte une pluralité d'aubes directrices 27 montées entre un socle 28 et un bandage 9. Les socles 28 des segments 26 sont munis sur leur face inférieure de deux flasques espacés 29, qui s'étendent radialement vers l'intérieur et sont munies de trous pour loger une ou plu- sieurs goupilles 30 pour chaque segment 26. Les segments 26 sont maintenus à leur extrémité radialement intérieure par les goupilles 30, qui pénètrent dans des trous oblongs 31 d'une bride annulaire 32 portée par le bâti 33 du tube-foyer de la chambre de combustion, de la turbomachine. Les segments 26 sont maintenus à leur extrémité radialement extérieure, près du bord avant des aubes di- rectrices 27, au moyen de crochets 34, qui viennent en ap- pui contre une face de butée 35 formée sur l'enveloppe 36 de la turbine. L'enveloppe X réagit à la poussée axiale des gaz sur les aubes directrices 27 par l'intermédiaire des crochets 34, la résistance à la rotation des segments autour des crochets 34 étant fournie par les goupilles et l'élément annulaire 44. En aval du disque 20 du rotor de la turbine haute pression est montée la grille fixe d'entrée 37 de la tur- bine pour pressions intermédiaires 17, dont le rotor n' est pas représenté à la figure 2. Cette grille fixe 37 est construite de la même façon que celle 26 de la turbine haute pression 16 et comporte comme elle une pluralité de segments 38, dont chacun est muni d'une pluralité d'aubes directrices 39 montées entre un socle fixe 40 et un ban- dage 41. Les segments 38 de la grille fixe 37 sont mainte- nus à leur extrémité radialement extérieure, près du bord arrière des aubes directrices 9, par une bride 42 qui vient an appui contre une face de butée 43 prévue sur 1' enveloppe 36 de la turbine. Cette enveloppe 36 réagit aux poussées axiales des gaz sur les aubes directrices 39 par l'intermédiaire de la bride 42 et de la face de butée.43 La grille fixe d'entrée 25 de la turbine haute pression 16 et la grille fixe d'entrée 37 de la turbine moyenne pression 17 sont munies l'une comme l'autre d'un élément annulaire, respectivement 44, 45, dont la réac- tion aux changements de température est adaptée à celle du rotor de la turbine haute pression. Dans le cas de la grille d'entrée 25 de la turbine haute pression, l'élément annulaire 44 est fixé par sa pé- riphérie à tous les segments 26 au moyen des goupilles 30 en un endroit situé au-dessous du socle 28, mais près du bord arrière des aubes directrices 27. Les dilatations et les contractions de l'élément annulaire 44 déplacent les segments 26 radialement vers l'extérieur et l'intérieur, suivant le cas, et communiquent aux segments un couple de rotation autour du crochet 3. De même, les dilatations et les contractions radiales de l'élément annulaire 45 dépla- cent les segments 38 radialement vers l'extérieur et vers l'intérieur, respectivement, et communiquent à ces seg- ments un couple de rotation autour de la bride 42. Chaque segment 26 de la grille fixe d'entrée 25 de la turbine haute pression est muni d'un évidement 47 sur le bord arrière du bandage 9, évidement dans lequel sont logés le bord avant d'une chemise cylindrique creuse 48 faite de segments, et celui d'une virole de contact de l'air 49. Les bords arrière respectifs de la chemise 48 et de la virole 49 sont logés dans un évidement 50 formé sur le bord avant du bandage des segments 38 de la grille fixe d'entrée 37 de la turbine pour pressions intermédiai- res. Une plaque de fermeture 51, qui permet les déplace- ments radiaux des segments 48 de la chemise et de la viro- le 49, est prévue entre la virole et une face de contact étanche 52 de l'enveloppe de la turbine. La virole 49 peut présenter des fentes alternative- ment sur l'une et l'autre de ses extrémités pour avoir u- ne flexibilité suffisante lui permettant d'accompagner les mouvements des bandages 9 et 41 et elle est munie d'une pluralité de trous à travers lesquels l'air de refroidis- sement venant de l'extérieur de la chambre de combustion peut s'écouler pour refroidir la chemise segmentée 48. Chacun des éléments annulaires 44, 45 est construit comme un disque miniature factice de turbine, avec un moyeu central 53, bien qu'il soit statique. Le moyeu 53 fournit une masse inerte pour contrôler la réaction aux changements de température des éléments annulaires 44, 45 et ceux-ci sont faits de matériaux qui, conjointement à leur configuration, leur assurent des dilatations et des contractions thermiques adaptées à celles du rotor de la turbine. Pour maintenir sous contrôle cetteréaction aux variations de température des éléments 44, 45, un couver- cle 54, 55 entoure chacun d'eux et l'isole de l'extérieur. Dans le cas de l'élément 44, le couvercle 54 est fixé par des boulons au bâti de la turbomachine et il maintient les chevilles 30 pour permettre la rotation des segments 26 autour des crochets 34, un certain déplacement axial de- vant être permis aux flasques 29 pour permettre au bâti 56 de coulisser axialement. Les trous du bâti fixe 56 traversés par les chevilles3 sont oblongs pour permettre un déplacement radial de l'élément 44, des chevilles 30 et des segments 26. Le couvercle 55 est porté par la gril- le fixe 37 d'entrée de la turbine pour pressions intermé- diaires par l'intermédiaire de goupilles 46 et d'un ergot 58, qui coulisse radialement. Les trous du couvercle 55 qui sont traversés par les goupilles 46 sont oblongs pour permettre à l'élément 45, aux goupilles 46 et aux segments 38 de la grille d'entrée 37 de se déplacer radia- lement par rapport au couvercle 55 et au bâti 57 qui le porte. Ce couvercle 55 et le bâti support 57 qui lui est associé constituent la partie statique d'un joint à la- byrinthe pour le rotor de la turbine. Lorsque la turbine est en service, les éléments 44 et 45 agissent sur leur grille fixe d'entrée respective ou _û pour déplacer radialement la chemise segmentée 48 dans le but de maintenir un espace libre approprié en- tre les aubes 22 et la chemise. Les bords avant et arriè- re des segments de cette chemise 48 se déplacent en même temps et à la même vitesse dans le sens radial et, comme la réaction des éléments 44 et 45 aux variations de tem- pérature est adaptée à celle du rotor, la grandeur de cet espace peut être maintenue à une valeur beaucoup plus précise que ce n'a été possible jusqu'ici. Le mouvement des grilles fixes 25, 37 est obtenu par pivotement des segments de ces grilles autour des points de contact entre eux et l'enveloppe. Ceci veut di- re qu'en faisant pivoter les grilles 25 et D7 respective- ment dans le sens anti-horloge et dans le sens horloge à la figure 2, autour d'un axe normal au plan de cette fi- gure, on augmente l'espace entre les aubes 22 et la che- mise 48 et vice versa. Dans une variante de réalisation de l'invention, les fixations des segments 26 et 38 aux éléments annulai- res 44 et 45 sont agencées de façon à s'opposer au pivo- tement de ces segments (par exemple, les éléments 44 et 45 peuvent être en double, un élément de chaque paire é- tant fixé à l'avant et l'autre à l'arrière du socle 28, ). Dans cette construction, les faces de butée des seg- ments peuvent coulisser radialement. Dans une autre forme d'exécution, l'extrémité arriè- re des segments de la chemise 48 peut être portée par une structure qui n'est pas une grille fixe d'entrée, mais qui peut se déplacer de la même manière que la grille fixe 37. Dans ce cas, l'élément 45 serait fixé à cette structure de façon à fonctionner de la même manière que celle qui , vient d'être décrite. Cette forme d'exécution peut conve- nir à une turbine à un seul étage ou à une turbine qui n'est pas suivie d'une autre turbine. - REVENDICATIONS - 1.- Turbine pour une turbomachine, comprenant un ensemble mobile muni d'aubes ou rotor, une grille d'en- trée circulaire fixe, formée de segments et placée en a- mont du rotor, dont les segments sont montés de façon à pouvoir être déplacés radialement relativement à une en- veloppe extérieure, une chemise cylindrique creuse formée de segments, espacée radialement des têtes d'aubes du ro- tor, chaque segment de la chemise étant supporté à son extrémité amont par un segment de la grille fixe d'entrée et à son extrémité aval par une structure radialement dé- plaçable située en aval du rotor, caractérisée en ce qu' elle comporte en outre un premier et un second élément annulaire (44,45), dont chacun a une réaction aux varia- tions de température qui est adaptée aux dilatations et aux contractions que subit le rotor en service dans le sens radial, le premier élément annulaire (44) étant dis- posé concentriquement aux segments (26) de la grille cir- culaire fixe (25) et pouvant agir sur eux pour les dé- placer radialement, eux et l'extrémité amont des segments de la chemise (48), lorsqu'il subit une dilatation ou une contraction thermique dans le sens radial, tandis que le second élément (45) peut agir sur la structure fixe située en aval du rotor de façon à la déplacer radialement, elle et l'extrémité aval des segments de la chemise, en même temps et à la même vitesse que l'extrémité amont de ceux- ci, lorsqu'il subit une dilatation ou contraction thermi- que dans le sens radial. 2.- Turbine selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que la structure radialement déplaçable située en aval du rotor est constituée par une seconde grille circulaire. 3.- Turbine selon la revendication 2, caractéri- sée en ce que la seconde grille circulaire fixe est la grille d'entrée d'unétage suivant de la turbine. 4.- Turbine selon la revendication 2, caractéri- sée en ce que la seconde grille circulaire fixe est la grille d'entrée d'une deuxième turbine. 5.- Turbine selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que les segments de grille fixe (26,38) sont montés de façon que leur extrémi- té radialement extérieure puisse coulisser radialement contre des faces de butée (35) qui s'étendent dans le sens radial et sont portées par l'enveloppe extérieure (36), faces de butée qui fournissent une résistance axiale à la poussée des gaz exercée axialement sur les segments de la grille fixe. 6.- Turbine selon l'une quelconque des revendica- tions 1-rà 5, caractérisée en ce que chaque segment (26, 38) de grille fixe est monté de façon à pouvoir pivoter relativement à l'enveloppe extérieure (36) et l'élément annulaire (44,45) qui agit sur les segments de la grille fixe respective produit un couple de rotation autour du piot de chaque segment de grille associé pour déplacer radialement les segments de chemise (48). 7.- Turbine selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que chaque segment (26,38) de grille fixe comporte un socle à son extrémité radialement intérieure et une ou plusieurs aubes directri- ces (27,39) montées sur le socle (28,40), et en ce que l' élément annulaire respectif (44,45) est placé de façon à pouvoir agirsur la face inférieure du socle.