Brevet FR2462555A1 — publié le 19810213

La présente invention est relative d'une manière générale aux machines à turbine à gaz et, plus particu- lièrement, à un système pour rendre minimum le jeu entre le rotor et le bandage des aubes et entre le stator et le rotor pendant les régimes de fonctionnement stationnaires et transitoires. Au fur et à mesure que les machines à turbine deviennent plus fiables et plus efficaces par des modifi- cations de procédés,d'agencements et de matériaux, les 1-0 pertes dues à des jeux excessifs entre les rotors et les ban- dages des aubes et entre le stator et le rotor prennent de plus en plus d'importance parmi les nombreux paramè- tres considérés lors de la conception. Pour se rendre ma tre des jeux, on s'est orienté au début surtout vers la position relative de la turbine et du bandage, tandis que récemment on s'est efforcé de se rendre maître de la position relative du rotor du compresseur et du bandage et du stator et du rotor. Dans de nombreuses applications de machines à turbine, le cours normal du fonctionnement doit s'ef- fectuer à divers régimes stationnaires et entre ces ré- gimes.- C'est ainsi par exemple que dans un moteur à réaction du type utilisé pour propulser un aéronef, il est nécessaire que l'opérateur puisse passer à un régime souhaité lorsqu'il le souhaite. Ces variations de tempé- rature et de régime du rotor s'accompagnent d'une dila- tation relative du rotor et du bandage/stator qui l'entoure, si bien que, pour maintenir le rendement souhaité, il faut se rendre mattre de cette dilatation. L'invention vise à maintenir un jeu minimum entre le stator et le rotortout en prévenant toute interaction entre eux qui provoquerait un frottement et une augmen- tation en conséquence du jeu radial pendant le fonction- nement ultérieur. Lorsque l'on considère les exigences de fonctionnement en régime transitoire, telles- que mention- nées ci-dessus, les dilatations mécaniques et thermiques relatives du rotor et du bandage constituent un problème très difficile. Si le système ne devait opérer que dans des conditions de régime stationnaire, il serait rela- tivement simple de maintenir le jeu le plus petit possi- ble entre le rotor et le stator, de manière à obtenir le rendement le plus grand possible tout en évitant tout frottement entre ces éléments. Mais pour s'accommoder du régime transitoire, la machine est conçue en général de manière à avoir un jeu adéquat pour un fonctionnement provoquant la dilatation relative la plus grande,habi- tuellement pour des poussées thermiques au niveau du rotor. Mais alors, lorsque la machine fonctionne sous d'autres régimes, y compris en régime de croisière qui est celui dans lequel la machine se trouve le plus souvent, le jeu entre les composants peut être plus grand que le jeu minimum souhaité qui donnerait le rendement maximum. Un procédé pour rendre minimum le jeu entre ex- trémités dans les turbines consiste à choisir correctement les divers matériaux ayant des propriétés thermiques qui faciliteront l'égalisation des réponses radiales du ro- tor et du bandage à des régimes différents de la machine. C'est ainsi que le coefficient de dilatation thermique du matériau constitutif du bandage ou de celui constitutif du support du bandage est très important à considérer lors de la conception. Mais cela seul ne suffit pas pour se rendre mattre du jeu d'une manière adéquate. On a proposé aussi de faire passer de l'air froid sur le bandage ou sur le support de celui-ci de manière à mieux équilibrer la dilatation thermique du rotor. On a même proposé de faire varier la température ou le débit de l'air de refroidissement, par exemple en utilisant de lair d'un compresseur dont le débit et la température peuvent varier naturellement en fonction du régime de la machine. Un tel système passif donne des caractéristiques améliorées de jeu, mais reste encore inadéquat pour obtenir le meilleur rendement possible. Suivant l'invention,il est prévu un collecteur entourant une partie du stator/bandage des aubes du com- presseur et des moyens pour injecter le courant d'air de refroidissement à l'une des extrémités du collec- teur et pour le laisser passer dans celui-ci le long d'une face extérieure du bandage et de la structure supportant celui-ci et pour décharger ce courant,en vue d'une autre utilisation,à l'extrémité en aval du collecteur. De cette manière,on se rend mattre de la température et donc de la dilatation thermique du stator/bandage,afin de mieux commander le jeu entre le stator/bandage et le rotor intérieur. Suivant un autre aspect de l'invention, il est prévu une vanne,que l'on peut faire fonctionner de ma- nière à détourner sélectivement le courant d'air de re- froidissement du collecteur pendant des périodes de fonctionnement en régime transitoire, de manière à per- mettre à la température du stator/bandage de s'élever et à lui permettre ainsi de se dilater ou de retenir de la chaleur et de s'accommoder de toute dilatation mécani- que et thermique du rotor pendant cette période de fonc- tionnement. Suivant un autre aspect de l'invention, l'air de refroidissement s'échappe du compresseur dans une chambre à partir de laquelle on le fait passer ensuite sélectivement, soit dans le collecteur de refroidissement afin de refroidir le stator/bandage, puis dans un conduit de sortie pour refroidir d'autres composants, soit direc- tement dans le conduit de sortie en court-circuitant ainsi le refroidissement du bandage, soit suivant toute combinai- son d'écoulement entre le collecteur de refroidissement et le conduit de sortie. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'ex- emple La figure 1 est un schéma d'une machine à tur- bine à gaz incorporant la présente invention, et La figure 2 est une vue en coupe axiale de la partie supérieure du compresseur incorporant la présente invention. En se reportant à la figure 1, l'invention est illustrée d'une manière générale en 10, telle qu'incorporée à une machine 11 à double flux ayant un moteur 12 central qui comprend en série un compresseur 13, une chambre de combustion 14 et une turbine 16 haute pression. Le com- presseur 13 est relié,de manière à être entraîné,à la turbine 16 haute pression par un rotor 17 central et fonctionne de manière à recevoir de l'air de refroidis- sement à une pression relativement basse par l'aspiration 18 du compresseur, et à décharger cet air au point 19 de refoulement sous une pression et à une température plus élevées. Du carburant est alors mélangé à l'air sous pression élevée et est brûlé dans la chambre 14 de com- bustion pour augmenter encore la température avant que le mélange gazeux ne pénètre dans la turbine 16 haute pression. Après avoir traversé celleci, le gaz passe dans la turbine 22 basse pression qui, à son tour, en- trâàne le ventilateur 23 par le biais d'un arbre 24 basse pression d'interconnexion. Le compresseur 13 axial est représenté plus en détails à la figure 2. Il comprend un rotor 26 ayant plusieurs disques 27 répartis sur-l'axe, le pourtour ex- térieur de chacun de ces disques portant une rangée de pales 28 du compresseur. Des rangées d'ailettes 29 ré- parties sur la circonférence sont placées en alternance entre des rangées adjacentes de pales 28. Les ailettes 29 sont fixées à une structure 31 statorique cylindrique et supportée par celle-ci. Leur fixation s'effectue à la manière classique, par exemple par l'ajustement de talons 32 d'ailettes dans des encoches 33 en forme de T ménagées à la circonférence de la structure statorique. Du côté intérieur radialement du trajet 34 pour le fluide dans le compresseur, l'interface entre les ai- lettes 29 fixes et le rotor 26 tournant est munie de dispositifs d'étanchéité,constitués par la coopération mutuelle d'une structure 36 en nid d'abeille fixée aux extrémités des ailettes 29 et d'un joint 37 à labyrinthe à plusieurs dents monté sur le tambour ou rotor 26. Les dents du joint 37 viennent dans des gorges portées par le nid d'abeille 36,de façon à former une barrière empêchant tout écoulement axial de l'air du compresseur entre les ailettes 29 et le rotor. Du côté extérieur du trajet 34 pour le courant, un tel dispositif d'étanchéité n'est pas pratique. Bien que dans une utilisation mettant en jeu une vitesse rela- tivement basse, comme par exemple dans une turbine basse pression, on puisse fixer un bandage de pales aux extrémi- tés extérieures des pales,de manière à ce qu'elles coopè- rent avec une face en nid d'abeille ménagée sur un ban- dage fixe, il serait difficile de réaliser une telle fixa- tion pour un rotor de compresseur tournant à vitesse éle- vée. C'est pourquoi cette interface ainsi que celle se trouvant du côté intérieur du trajet 34 permettraient, si l'on n'avait rien prévu pour compenser la dilatation rela- tive du rotor et du stator, à de l'air de fuir par les ex- trémités des pales et provoqueraient une perte de rendement. L'invention a pour but de perfectionner une telle structu- re. En se reportant à la fois aux figures 1 et 2, le système suivant l'invention comprend un collecteur 38 d'air de refroidissement fixé à la face extérieure d'une partie de la structure 31 statorique et entourant cette face extérieure. D'une manière générale, comme illustré à la figure 1, le collecteur 38 a des moyens d'admission de l'air de refroidissement, représentés d'une manière générale en 39,pour envoyer de l'air à l'extrémité avant du collecteur 38 et des moyens d'échappement de l'air de refroidissement,représentés d'une manière générale par la référence 41, destinés à recevoir l'air qui s'échappe de l'extrémité en aval du collecteur 38. De l'air de refroidissement est envoyé au collecteur 38 de manière sélective, en faisant fonctionner un mécanisme 42 de commande qui déplace une vanne 43 par des moyens classi- ques, par exemple par un dispositif d'actionnement 44 hydraulique ou pneumatique. Le mécanisme de commande 42 peut provoquer le passage direct de l'air de refroidisse- ment dans un conduit 46 de sortie suivant le trajet 47. Bien entendu, la vanne 43 peut être placée dans une posi- tion intermédiaire de manière à donner une combinaison d'écoulement dans le collecteur 38 et dans les moyens 39 d'admission de l'air. Le conduit 46 de sortie reçoit ainsi l'air de refroidissement soit du collecteur 38 par les moyens 41 d'échappement de l'air de refroidissement, soit directement des moyens 39 d'amenée d'air par le tra- jet 47, soit par une combinaison des deux possibilités qui viennent d'être mentionnées. L'air s'écoule ensuite en aval et est utilisé pour refroidir les composants de la turbine haute pression et/ou de la turbine basse pres- sion à la manière classique. Le mécanisme 42 de commande est mis en action en fonction de paramètres opératoires choisis de la ma- chine. Dans le mode de réalisation préféré, une sonde 48 détecte la vitesse du moteur central et envoie le signal de sortie obtenu par une ligne 51 au mécanisme 42 de commande. Les détails du fonctionnement seront explicités plus en détail dans la suite. En se référant maintenant à la structure par- ticulière du mode de réalisation préféré tel qu'illus- tré à la figure 2, le collecteur 38 de l'air de refroi- dissement comprend un séparateur de courant ou une ailet- te 52 frontale et des ailettes 53 et 54 intermédiaires fixées à la face 56 extérieure de la structure 31 stato- rique et s'étendant radialement vers l'extérieur jusqu'à un capot 57 extérieur qui forme la limite extérieure de l'écoulement d'air dans le collecteur 38. Plusieurs trous sont ménagés dans 1' ailette 52 frontale et dans les ai- lettes 53 et 54 intermédiaires pour conduire l'air de refroidissement vers l'arrière à partir d'une chambre 58 d'alimentation, en passant par le collecteur 38 le long de la face 56 extérieure de la structure statorique pour aller à une chambre 59 d'échappement qui forme une partie des moyens 41 d'échappement de l'air de refroidissement. La communication entre le collecteur 38 et la chambre 59 est obtenue par un orifice 61 d'échappement ménagé entre le capot 57 et une bride 62 postérieure s'étendant radia- lement vers l'extérieur à partir de la structure 31 sta- torique. La chambre 59 est définie par le capot 57, par une botte 63 postérieure et par une botte 64 extérieure. Une ouverture 66 est ménagée dans la botte 64 de manière à obtenir une communication entre la chambre 59 et le conduit 46 de sortie par l'intermédiaire de la vanne 43. Le courant d'air passant dans cette ouverture est comman- dé comme il sera décrit ci-après. La chambre 58 est définie par la structure sta- torique 31,par l'ailette 52 et par la botte 64. L'air de refroidissement peut entrer dans la chambre 58 par plusieurs orifices 67 ménagés dans la structure statorique 31. L'air de refroidissement suit le trajet 34 pour le fluide dans le compresseur, passe dans la rangée 68 d'ailettes, puis par les orifices 67 pour aller dans la chambre 58 o il peut s'écouler soit dans le collecteur 38, soit dans le conduit 46 de sortie en étant ainsi détourné par le biais de l'ouverture 69. Pour commander la répartition du courant de l'air. de refroidissement entre les deux trajets possibles, il est prévu dans le conduit 46 un volet ou vanne 71 à deux voies semblable, monté pivotant sur la bride 72 annulaire et pouvant fonctionner entre une position ac- tive telle qu'illustrée en trait plein et une position inactive telle qu'illustrée en trait mixte. En position active la vanne 71 est en contact avec la butée 73 en empêchant l'air de passer par l'ouverture 69 et en l'obligeant à aller,en passant par le collecteur 38, dans la chambre 39 et en passant par l'ouverture 66 dans le conduit 46. Quand la vanne 71 est en position inactive, comme illustré en trait mixte, le courant d'air passant dans le collecteur est détourné et l'air va de la chambre 58, en passant par l'ouverture 69, dans le conduit 46. Des positions intermédiaires de la vanne 71 proportion- nent l'écoulement de l'air de refroidissement entre le collecteur 38 et l'ouverture 69. Pour les conditions de fonctionnement les plus normales en régime stationnaire de la machinele méca- nisme 42 de commande met la vanne 71 en la position ac- tivede sorte que l'air de refroidissement passe sur la face 56 extérieure du stator et vient frapper les ailet- tes afin de maintenir une température assez basse de la structure 31 statorique. Cela permet de diminuer la di- mension de la structure 31 statorique et de rendre mini- mum le jeu entre le stator et le rotor. Pendant un fonc- tionnement en régime transitoire, tel que pour des ra- lentis ou des pointes, le détecteur 48 de vitesse dé- tecte la variation de- vitesse et le signal correspon- dant est acheminé par la ligne 51 au mécanisme 42 de commande qui, à son tour, module le système en déplaçant la vanne 71 entre fa position entièrement active et la position inactive. En général, pendant des accéléra- tions significatives, on fait passer initialement l='air de refroidissement dans le collecteur 38 et, en raison de l'augmentation de pression qui en résulte, il tend à chauffer le stator et à le faire se dilater thermiquement. Pendant une décélération significative, on interrompt l'écoulement dans le collecteur 38 et on laisse le stator conserver la chaleur qu'il a et donc se rétrécir lente- ment. Le système permet ainsi d'obtenir des jeux ré- duits pendant un fonctionnement en régime stationnaire, ce qui donne de meilleurs rendements. On s'accommode de régimes transitoires en fermant temporairement le systè- me pour empêcher des frottements. Bien entendu on peut utiliser d'autres agencements pour atteindre les objectifs suivant l'invention. C'est ainsi par exemple que le système de commande peut répondre à la position d'un injecteur à des températures, à des pressions, à des jeux, à des retards. En outre,la vanne peut être d'un autre type et peut fonctionner par voie hydromécanique, pneumatique, électronique ou autre. En outre, même si la vanne a été décrite comme étant une vanne tout ou rien, elle peut fonctionner tout aussi bien en d'autres positions. C'est ainsi par exemple qu'il peut être souhaitable qu'un peu d'air s'écoule toujours dans le collecteur, auquel cas la vanne ne sera jamais complè- tementfermée, comme illustré par les traits mixtilignes. De mêmeon peut mettre la vanne en toute position in- termédiaire entre celles illustrées à la figure 2. Il va de soi que, même si l'on a décrit le système suivant l'invention comme étant actif quand la machine fonction- ne en régime permanent-et inactif lorsque la machine fonc- tionne suivant un régime transitoire, le système de re- froidissement peut être aussi commandé en fonction d'au- tres paramètres ou d'autres conditions opératoires. C'est ainsi par exemple que,pendant qu'un aéronef prend de la hauteur, il peut être préférable que le système fonctionne même si le moteur ne fonctionne pas sous un régime sta- tionnaire au sens strict. En outre, bien que les bandages aient été re- présentés comme faisant partie d'une botte 31 à la figu- re 2, la face de frottement des bandages peut être cons- tituée de bandes séparables revêtues et sous forme de tronçons retenus d'une manière semblable aux bandages des ailettes ou prolongeant ceux-ci. Dans ce cas-, la com- mande de jeu est obtenue essentiellement en refroidis- sant sélectivement la structure portant les bandages. REVENDICATIONS 1) Système perfectionné de commande de jeu pour une turbomachine,du type ayant plusieurs étages roto- riques entourés à proximité radiale immédiate d'une structure statorique, caractérisé en ce qu'il comprend a) des moyens pour introduire le courant d'air de refroidissement suivant un trajet axial à la face ex- térieure de la structure statorique afin d'en empêcher la dilatation thermique; et b) des moyens pour détourner sélectivement le courant d'air de refroidissement de ce trajet axial pendant des conditions déterminées à l'avance de fonc- tionnement de la turbomachine. 2) Système suivant la revendication 1,caractérisé en ce que les moyens d'introduction du courant d'air de refroidissement comprennent, en un point axial, un orifice d'entrée de l'air de refroidissement menant à la face extérieure de la structure statorique et en un autre point axial un orifice d'échappement d'air de re- froidissement partant de la face extérieure de la struc- ture statorique. 3) Système suivant la revendication 2,caractérisé en ce que l'orifice d'entrée du courant est disposé de manière à recevoir du fluide moteur de la turbomachine. 4) Système suivant la revendication 2,caractérisé en ce que l'orifice d'échappement du courant est disposé de manière à évacuer de l'air radialement et vers l'ex- térieur. ) Système suivant la revendication 1,caractérisé en ce que la turbomachine comprend un compresseur et les moyens pour introduire le courant comprennent des moyens pour évacuer le fluide moteur de ce compresseur. 6) Système suivant la revendication 5,caractérisé en ce que les moyens pour introduire le courant compren- nent au moins un orifice d'entrée mettant en communica- tion le compresseur et la face extérieure de la struc- ture statorique. 7) Système suivant la revendication 6, caracté- risé en ce que le compresseur comprend plusieurs ai- lettes fixes et l'un au moins des orifices d'entrée du courant et disposées dans la zone du bord arrière de ces ailettes. 8) Système suivant l'une des revendications 1 à 7,caractérisé en ce que lès moyens pour détourner le courant sont destinés à fonctionner pendant un fonc- tionnement en régime transitoire de la turbomachine. 9) Système suivant l'une des revendications 1 à 8,caractérisé en ce que les moyens pour détourner l'air comprennent un conduit de sortie de l'air qui communique avec les moyens pour introduire le courant. ) Système suivant la revendication 9,caractérisé en ce que le conduit de sortie comprend une vanne pour commander l'écoulement de l'air de refroidissement dans le conduit de sortie.. 11) Système de commande du jeu pour un compresseur axial ayant plusieurs étages de compresseur, répartis axialement,entourés par une enveloppe se trouvant à proximité immédiate, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour provoquer l'écoulement sélectif de l'air de refroidissement axialement le long de la face extérieure de l'enveloppe afin de se rendre mattre de la température de celle-ci et de sa dimension. 12) Système suivant la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens provoquant l'écoulement compren- nent un collecteur pour l'air de refroidissement s'é- tendant axialement le long des étages du compresseur et ayant un orifice d'entrée et un orifide de sortie pour le courant. Système suivant la revendication 12,caractérisé 13) en ce que l'orifice d'entrée communique avec le compres- seur. 14) Système suivant la revendication 12, caractérisé en ce que l'orifice d'entrée comprend un perçage qui traverse radialement l'enveloppe. ) Système suivant la revendication 12,caractérisé en ce que le compresseur comprend des ailettes et l'o- rifice d'entrée permet l'écoulement radial de l'air de refroidissement dans des portions de ces ailettes du compresseur. 16) Système suivant la revendication 11,caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour détourner sélective- ment le courant axial de l'air de refroidissement de la face extérieure de l'enveloppe. 17) Système suivant la revendication 16,caractérisé en ce que les moyens pour détourner le courant compren- nent un conduit de détournement et une vanne pour comman- der le courant d'air de refroidissement qui y passe. 18) Système suivant la revendication 12,caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour détourner sélective- ment le courant axial d'air de refroidissement dans la face extérieure de l'enveloppe. 19) Système suivant la revendication 18,caractérisé en ce que les moyens pour détourner le courant compren- nent un conduit de détournement qui communique avec l'o- rifice d'entrée. ) Système suivant la revendication 19,caractérisé en ce que le conduit de détournement comprend une vanne pour commander l'écoulement de l'air de refroidissement qui y passe. 21) Système suivant la revendication 20,caractérisé en ce que la vanne agit de manière à commande simultané- ment le courant d'air de refroidissement à la fois dans le collecteur de refroidissement et dans le conduit de détournement. 22) Système suivant la revendication 21,caractérisé en ce que la vanne, lorsqu'elle est placée dans une po- sition déterminée à l'avance, divise le courant d'air de refroidissement en une première portion qui s'écoule le long de la face extérieure de l'enveloppe et en une seconde portion qui court-circuite l'enveloppe et se re- combine à la première portion dans un conduit de sortie.