Brevet FR2468740A1 — publié le 19810508

L'invention concerne, d'une manière générale, un disposi- tif pour régler le jeu entre des pièces tournantes de la tur- bine et une virole qui les entoure, dans un moteur à turbine à gaz. La présente invention réalise dans une turbomachine un système qui règle le jeu entre des pièces tournantes de la turbine et une virole qui les entoure. Pour obtenir ce résul- tat, plusieurs anneaux de commande pourvus de passages inter- nes sont intégrés dans le carter de la turbine; ces anneaux se dilatent et se contractent sous l'effet de la chaleur ap- portée par un flux de fluide circulant dans les passages in- ternes pendant la marche du moteur, ce qui règle la position radiale de la virole de la turbine. La dilatation et la con- traction de la virole s'accordent avec la dilatation et la contraction des pièces tournantes de la turbine pour conser- ver entre elles un jeu serré à tous les régimes de fonction- nement du moteur, de la pleine puissance à la puissance rédui- te. Dans une réalisation de l'invention, le fluide servant à provoquer la dilatation et la contraction des anneaux de com- mande est de l'air de décharge du compresseur que l'on prélè- ve dans une région entourant la chambre de combustion du mo- teur. Il se trouve que la température et la pression de cet air correspondent de très près à ce qui est souhaitable pour remplir cette fonction. Le système utilise le débit et la pression de l'air-du compresseur, combinés à la taille, l'em- placement et la structure des anneaux de commande, pour faire se dilater et se contracter la virole de la turbine durant des périodes appropriées de la marche du moteur. La description qui va suivre se réfère aux figures anne- xées, qui représentent respectivement: Fig. 1, une vue schématique d'un moteur à turbine à gaz, partiellement en coupe et partiellement avec des parties en- levées, Fig. 2, une vue en coupe agrandie d'une turbine haute pression d'un moteur à turbine à gaz mettant en oeuvre une réalisation de la présente invention; Fig. 3, une représentation graphique de la dilatation d'un stator et d'un rotor de turbine quand un moteur passe du ralenti à pleins gaz; et Fig. 4, une représentation graphique de la contraction d'un stator et d'un rotor de turbine quand un moteur passe de pleins gaz au ralenti. La Figure 1 représente un moteur 10 à turbine à gaz comprenant, à la suite l'un de l'autre, une soufflante 12, un compresseur 14, une chambre de combustion 16, une turbine haute pression 18 et une turbine basse pression 20. A l'inté- rieur de la turbine haute pression, des pièces de la turbine sont montées pour tourner dans des viroles 22 de turbine. Ces pièces tournantes de la turbine constituent ce que les spécialistes appellent un rotor de turbine (repère 24). Cer- tains constituants importants de la turbine haute pression 18 ne tournent pas; ils portent le nom de stator 26 de turbine. Si l'on se reporte maintenant à la figure 2, on y voit plus en détail la turbine haute pression 18 et les structures associées, avec la présente invention mise en oeuvre. Le sta- tor 26 comporte une aube fixe d'entrée 28 et une aube fixe intermédiaire 30. La fonction principale des aubes fixes 28 et 30 est de diriger convenablement les gaz chauds de la tur- bine sur les aubes tournantes 32 et 34, pour que la force d'i- nertie de ces gaz provoque la rotation du rotor 24. Le rende- ment de ce transfert des forces d'inertie est un facteur im- portant du rendement global du moteur. Un moyen pour amélio- rer le rendement de ce transfert consiste à réduire au maxi- mum tout écoulement de gaz chauds entre l'extrémité des aubes tournantes 32 et 34 et la virole 22 qui les entoure, car tout gaz empruntant ce chemin ne transfère que très peu de force d'inertie aux aubes tournantes. On réduit le volume des gaz empruntant ce chemin indésirable en diminuant le jeu entre le bout des aubes tournantes et les viroles 22. C'est précisément l'objectif de la présente invention. On diminue le jeu en bout d'aube en faisant se dilater et se contracter radialement les viroles 22 pour s'accorder à la dilatation et à la contraction radiales du bout des aubes tournantes 32 et 34. Le réglage de la position radiale de la virole 22 s'obtient en faisant se dilater et se contracter sous l'effet de la chaleur les structures annulaires (ou an- neaux) relativement massives 36, 37, 38 et 39, qui dépassent, radialement vers l'extérieur, d'un carter 40 de turbine. Dans la réalisation de l'invention de la figure 2, on utilise de l'air de décharge du compresseur pour faire se di- later et se contracter sous l'effet de la chaleur les anneaux 36, 37, 38 et 39. Le prélèvement d'air de décharge du compres- seur se fait dans une région entourant la chambre de combus- tion. Dans une autre réalisation possible, on pourrait aussi se servir d'air prélevé aux étages amont du compresseur pour commander soit la totalité des anneaux soit des anneaux choi- sis. Des flèches noires indiquent le chemin suivi par l'air dans les passages des anneaux. Le système utilise la pression déjà disponible de cet air de décharge du compresseur, combi- née à un choix judicieux de la taille, de l'emplacement et de la structure des anneaux de commande et des passages, pour ré- gler convenablement l'effet thermique de l'air du compresseur sur les anneaux. On trouvera plus loin une description plus complète de la manière dont cela se fait. Le déplacement radial des anneaux de commande 36, 37, 38 et 39 est transmis physiquement à la virole 22 par les sup- ports 42 et 43 de virole. Chaque-support de virole se raccor- de physiquement à une partie de la virole 22 de façon à for- mer une structure dont la coupe est essentiellement du type caisson. Chacun des anneaux 36, 37, 38 et 39 occupe une posi- tion précise par rapport à un côté radial de cette structure en caisson, radialement vers l'extérieur. Cette disposition permet à chaque anneau d'agir plus directement sur la dilata- tion et la contraction d'un côté radial d'un support de viro- le, en même temps que d'une partie correspondante de la viro- le 22. Les composants d'un support de virole de turbine sont segmentés pour ne pas s'écarter de la position radiale que le carter cherche à prendre au fur et à mesure que sa fonction de réglage de la température de l'anneau agit. Ainsi, la struc- ture en caisson, jointe à la mise en position correspondante de l'anneau permet de régler avec une grande précision la po- sition de la virole sans faire basculer la partie de la viro- le et la désaligner par rapport à un bout contigu d'aube tour- nante. Si un défaut d'alignement venait à se produire, une partie de l'aube tournante viendrait frotter contre une partie de la virole. Tout frottement de cette nature entraînerait le désalignement du bout des aubes et de la virole correspondan- te, et donc augmenterait le jeu en bout d'aube lors du fonc- tionnement ultérieur du moteur. La marche d'un moteur commence par son démarrage et sa marche au ralenti. Pendant le ralenti, on ne demande pas au moteur de fournir une puissance élevée, et le rendement du mo- teur n'a pas une importance fondamentale. En conséquence, le- jeu en bout d'aube peut être relativement grand. D'autre part, quand un moteur fonctionne à plein régime et/ou en régime de croisière, il doit fournir une puissance élevée sur une lon- gue période de temps. Dans ces conditions, le rendement a une importance fondamentale, et le jeu en bout d'aube doit être aussi faible qu'il est raisonnablement possible. Pour avoir un jeu moins grand en bout d'aube en régime de croisière, on envoie dans les anneaux de commande 36, 37, 38 et 39 de l'air de décharge du compresseur, cet air étant assez froid dans ces conditions de vol. Les anneaux se contractent, et la di- minution correspondante du rayon de la virole 22 réduit le jeu en bout d'aube et améliore le rendement de la turbine. Cet effet souhaitable en régime de croisière devient difficile à obtenir pendant les régimes transitoires du mo- teur, tels que l'accélération et la décélération. En régime transitoire, les effets thermiques localisés des gaz chauds de la turbine et la dilatation radiale due à la vitesse de rotation élevée font qu'il est particulièrement difficile d'accorder la dilatation radiale de la virole et la dilata- tion radiale des pièces de la turbine en rotation rapide. Bien que le rendement ait relativement peu d'importance dans ces régimes transitoires, il est essentiel pour le jeu que la virole 22 n'interfère pas physiquement avec les aubes tournan- tes 32 et 34 de la turbine. Toute interférence se traduirait en effet par un frottement qui ferait disparaître une partie des aubes 32, 34 et des viroles 22. Après cela, en régime de croisière, le jeu en bout d'aube serait plus grand du fait de l'usure signalée des aubes et des viroles, d'o une diminution importante du rendement de la turbine. Pour qu'il n'y ait pas de frottements en régime transitoi- re, la présente invention utilise les vitesses d'échauffement et de refroidissement relativement lentes qui caractérisent des structures en anneau grandes et volumineuses, logées dans des cavités o la circulation de l'air est faible. Dans la présente invention, les anneaux 36, 37, 38 et 39 de la figure 2, se trouvent dans une région, entourant la turbine, o la circulation de l'air est relativement faible. En faisant les anneaux relativement massifs, et en limitant la circulation de l'air environnant, on peut régler les vitesses d'échauffe- ment et de refroidissement de la virole quand le moteur est en régime transitoire. Plus précisément, en faisant entrer dans les anneaux de petites quantités d'air de décharge, à pression élevée, du compresseur, et en faisant circuler cet air à travers les anneaux, on obtient les caractéristiques souhaitables suivantes de réponse transitoire: 1. Accélération du moteur. Quand le moteur accélère, l'air du compresseur venant de la région entourant la chambre de combustion est relativement chaud, en raison du travail exercé sur lui par la compression et du transfert de chaleur dû a la chambre de combustion 16. En circulant dans les an- neaux 36, 37, 38 et 39, cet air chaud provoque et règle une dilatation thermique qui déplace la virole 22 radialement vers l'extérieur et l'éloigne de la turbine, qui elle-même se dilate sous l'effet de la chaleur. Avec la réalisation repré- sentée, l'effet est nul ou très faible pendant la première partie de l'accélération. Il n'y a donc pas de frottement, ni par conséquent d'endommagement des aubes 32, 34 et de la virole 22. La figure 3 est une représentation graphique, obte- nue par calcul, de la dilatation raliale du stator et du ro- tor d'une turbine pendant une accélération du moteur. La cour- be 46 représente la dilatation du stator dans un moteur de ty- pe antérieur, sans la présente invention. La courbe 48 repré- sente la dilatation d'un stator de turbine quand la présente invention est mise en oeuvre dans le moteur. La courbe 50 re- présente la dilatation d'un rotor de turbine dans les moteurs équipés ou non de la présente invention. On voit très bien sur la figure 3 que l'accord des taux de dilatation est beau- coup plus étroit dans un moteur mettant en oeuvre la présente invention. Cette caractéristique présente des avantages impor- tants du fait qu'on a une réduction considérable des dépasse- ments, dûs à l'accélération, de la température d'entrée dans la turbine. Ces dépassements se produisent quand le pilote demande au moteur une puissance de sortie spécifique et que les jeux sont relativement très grands. Le rendement étant faible avec ces valeurs de jeu, on doit brûler un supplément de carburant pour obtenir la puissance voulue. La combustion de ce supplément de carburant porte momentanément les aubes fixes et tournantes de la turbine haute pression à des ni- veaux de température plus élevés que les valeurs normales de projet, ce qui réduit la durée de vie des composants. La pré- sente invention abaisse de façon importante ce dépassement de température. 2. Décélération du moteur. Quand le moteur décélère, sa puissance passe d'une valeur élevée à une faible valeur, et la pression de décharge du compresseur tombe, en même temps que la vitesse du moteur, à de très faibles valeurs. En consé- quence, la circulation de l'air à travers les anneaux refroi- dis 36, 37, 38 et 39 est moins énergique, et la vitesse de réponse en refroidissement que présentent les anneaux est très lente. La- cause en est simplement que les anneaux res- tent relativement chauds dans un environnement à faible cir- culation, alors que le reste du moteur se refroidit. Cette réponse retardée est très intéressante, car elle maintient la virole 22 en position radialement dilatée, si bien qu'en cas de réaccélération rapide, les aubes tournantes 32, 34 ont moins de chance d'avoir leur bout qui frotte et endommage la virole 22. La figure 4 est une représentation graphique de la con- traction radiale, obtenue par calcul, du rotor et du stator d'une turbine durant une décélération du moteur. La courbe 52 représente la contraction du stator dans un moteur de la technique antérieure, et la courbe 54 représente la contrac- tion du stator dans un-moteur mettent en oeuvre la présente invention. La courbe 56 représente la contraction du stator dans un moteur équipé ou non de la présente invention. Il est facile de voir sur la figure 4 que la contraction du stator dans un moteur mettant en oeuvre la présente invention est no- tablement plus lente, ce qui maintient un jeu en bout d'aube plus important, si bien que le moteur peut réaccélérer sans qu'il y ait de frottement au bout des aubes. Les caractéristiques décrites plus haut de la présente invention permettent d'avoir un réglage très serré du jeu en bout d'aube. Il n'est plus nécessaire de prendre en compte les différences de réponse transitoire entre le stator et le rotor qui, auparavant, soit demandaient l'établissement de jeux plus importants soit augmentaient la vitesse d'usure des moteurs. La présente invention permet d'améliorer le rende- ment et de réduire l'usure du moteur. En sélectionnant les matériaux des anneaux et en choissant des températures de l'air en circulation qui s'accordent à celles du rotor, l'aug- mentation du jeu entre des régimes d'accélération et des régi- mes permanents sera très faible. L'étude judicieuse de la géo- métrie du carter de turbine et des anneaux, le choix des ni- veaux du débit de refroidissement et des matériaux permettent de rendre à peu près égales la dilatation de la virole et celle du rotor. Il est donc possible d'avoir en régime perma- nent des jeux plus constants et relativement faibles, tout en évitant que le bout des aubes frotte en régime transitoire. On obtient toutes ces caractéristiques sans adjonction de col- lecteurs de refroidissement internes ou externes, ni de cap- teurs montés sur les canalisations ou le système de commande. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 - Turbomachine (10)ayant un compresseur (14) et une turbine (18, 20) dans laquelle des pièces de la turbine tour- nent avec un jeu serré dans une virole circulaire (22) de tur- bine et fonctionnent sur une certaine plage de températures et de vitesse, une série d'anneaux de commande du jeu (36, 37, 38, 39) structuralement intégrés dans un carter (40) de turbine entourant la turbine, ces anneaux constituant des structures, orientées radialement et pourvues de passages in- ternes, servant à faire passer un fluide à travers ces anneaux pour en régler la dilatation thermique, et d'un moyen grâce auquel la dilatation thermique de la virole de turbine répond à la dilatation thermique de ces anneaux de commande afin de régler le jeu entre cette virole de turbine et ces pièces tour- nantes de la turbine, turbomachine caractérisée en ce qu'un dispositif envoie ce fluide à diverses températures et pres- sions pour que la température des anneaux donne une dilata- tion radiale qui s'accorde étroitement à la dilatation du ro- tor pour divers régimes permanents de la turbomachine. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que - pendant que le moteur accélère, le fluide envoyé, à pression et à température relativement élevées par rapport à la turbine, a un débit plus important, grâce à quoi les an- neaux de commande grossissent sous l'effet de la chaleur et se dilatent radialement pour qu'il n'y ait pas d'interférence entre la virole de turbine et les pièces tournantes de la tur- bine, qui connaissent une dilatation radiale rapide; --pendant que le moteur est en régime permanent, le flui- de envoyé à une température et une pression appropriées par rapport à la turbine pour que les anneaux de commande réagis- sent thermiquement afin de réduire le jeu entre les pièces tournantes de la turbine et la virole de turbine; - et, pendant que le moteur décélère, le fluide envoyé à pression relativement basse a un débit moins important, grâ- ce à quoi la contraction thermique de la virole de turbine se trouve retardée pendant la décélération et le jeu augmente, pour qu'il n'y ait pas d'interférence entre la virole de tur- bine et les pièces tournantes de la turbine lors d'une accélé- ration ultérieure du moteur.