Brevet FR2482662A1 — publié le 19811120

La présente invention concerne un carter extérieur pour compresseur axial ou turbine axiale de machine fluidique, notamment de turbines à gaz qui est constitué par une double paroi enfermant des chambres d'air. Il s'agit essentiellement de créer un carter qui compense les influences thermiques. L'utilité d'une compen- sation efficace du carter réside dans le fait, que les cartes de stator soumis à des effets thermiques, qutil se produit une dilatation et un retrait radiaux contrôlés ce qui influence de façon positive le comportement de l'intervalle radial entre le rotor et le stator. Des modes de réalisation de compensation, connus, comme par exemple les solutions consistant en une couronne intérieure segmentée, un centrage à crochets et une couronne de contrôle, en particulier le coincement des crochets, présentent des inconvénients fonctionnels considérables, dont l'origine se trouve dans les déformations des segments qui se produisent en fonctionnement. Cette solution a en outre l'incon- vénient que les composants importants tels que les centrages à crochets et les étanchéités des segments au niveau des zones de jonction subissent l'usure et ainsi la maStrise de la compen- sation se détériore au cours du temps. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des solutions de compensation sous forme de segments et de centrages à crochets, dans le cadre des problèmes posés, et de créer un carter extérieur dont la structure soit en même temps relativement simple et peu soumise à l'usure, et d'assurer un comportement optimum à la compensation en tenant. notamment compte des variations brutales de charge des machines fluidiques correspondantes, pour arriver à un jeu des pointes des aubes, aussi faible et aussi constant que possible. A cet effet, l'invention concerne un carter extérieur caractérisé par les éléments suivants: a) le carter extérieur est composé d'éléments annulaires en une seule pièce, dont chaque anneau intérieur est relié solidement par une entretoise radiale intermédiaire, à la couronne extérieure, b) les entretoises.forment plusieurs chambres d'air séparées les unes des autres dans la direction périphérique et de préférence réparties de la même manière; - 2 2482662 c) partant de la paroi intérieure du carter, les entretoises comportent chaque fois des intervalles radiaux ouverts en direction du canal de compresseur ou de la turbine correspondant, et qui s'étendent chaque fois entre deux chambres d'air voisines. Selon ltinvention, les appuis peuvent en outre être de préférence régulièrement répartis à la périphérie et au milieu en partant de la paroi intérieure de la couronne, par des cavités en forme de fente, pour assurer une dilatation thermique radiale, contrôlée par une dilatation périphérique autant que possible sans usure. Pour la-mise en oeuvre de cette invention, des éléments d'appui radiaux constituent un élément important qui, sous l'effet de la température agissant en particulier sur la paroi intérieure, se traduit par une compression ou une traction pour les variations de longueur et un fléchissement pour les dilatations périphériques de la paroi intérieure. Les paramètres pour une mise en forme et un nombre optimum d'entretoises et de cavités, se déterminent par une bonne appréciation de la température et une bonne analyse de la résistance des matériaux. Ces paramètres sont directement liés aux dilatations radiales et tangentielles du carter, telles qu'elles se présentent en fonctionnement, et par suite aux contraintes de fléchissement et de compression qui en résultent. Le rapport optimum des masses entre la paroi intérieure et la paroi extérieure serait à définir dans les mêmes conditions. Aux extrémités axiales et aux zones périphé- riques extérieures de la couronne intégrale, il suffit de moyens purement de construction pour réduire l'échange thermique au niveau des chambres à air et de la masse de contrôle. Les moyens d'étanchéité et de recouvrement prévus à cet effet ne doivent pas autant que possible influencer le fonctionnement des éléments d'appui et de la couronne intérieure. Dans lescas de fonctionnement avec des gradients de température relativement élevés, l'invention permet de réduire l'échange thermique au niveau de la zone périphérique intérieure par une couche d'isolant thermique approprié supplémentaire. L'ensemble du système tel que représenté, d'un bottier intégral, nécessite un centrage radial soigneux ainsi qu'un blocage axial, et pour cela les éléments de liaison entre 3 248?662 les étages de carter voisins doivent être de préférence diffé- rents suivant les applications. Un exemple de l'invention sera décrit aux dessins dans lesquels: - la figure 1 est une vue de face partielle d'une couronne de carter à double paroi, intégrale et selon l'invention; - la figure 2 est une coupe du détail Il du carter de la figure 1, à échelle agrandie, - la figure 3 est une coupe à échelle agrandie selon la ligne III-III de la figure 1; - la figure 4 est une coupe longitudinale d'une partie de carter formée de deux parties intégrales, pour un compresseur axial à plusieurs étages d'un turbo-réacteur. La partie de carter, intégrale, à double paroi selon la figure 1, se compose d'une couronne extérieure 3 et d'une couronne intérieure 5 reliées par des cloisons radiales 2, minces. Les chambres d'air 4, libres, qui subsistent entre les entretoises 2, servent essentiellement à réduire l'échange thermique entre la couronne intérieure et la couronne extérieure. De ce fait, on retarde les dilatations et retraits thermiques, radiaux, sur la couronne extérieure 3, ce qui constitue un moyen pour contrôler la dilatation radiale de la couronne inté- rieure 5 par les entretoises 2. Les figures 2 et 3 montrent le principe de la compensation et son évolution chronologique selon les étapes suivantes: Lors d'une élévation de température, la couronne intérieure 5 est maintenue pendant une courte durée dans sa position de sortie radiale, puis se déplace à mesure que la température des entretoises 2 augmente, le déplacement correspon- dant à une fraction de l'allongement 8, radialement vers l'inté- rieur, et ce n'est que lorsque la température agit sur la couronne extérieure ou couronne de contr6le 3 qu'il y a un mouvement radial vers l'extérieur qui correspond sensiblement à une fraction de la dilatation radiale de température de la couronne extérieure 3. L'importance de la différence de dilatation radiale entre la couronne intérieure 5 et la couronne extérieure 3 et qui provient de la forme optimale des entretoises 2, est un élément de l'efficacité de la compensation. Cet élément ou ce 4 24&26&2 facteur est en même temps une mesure permettant de déterminer la fraction de dilatation tangentielle 9 dans la couronne inté- rieure 5, fraction qui vient du dimensionnement approprié de la largeur 7 des intervalles et de la mise en forme des intervalles radiaux 1 avec une subdivision suffisante 6 de la couronne inté- rieure. Lors du refroidissement de la couronne inté- rieure 5, l'opération décrite se déroule en sens inverse à la fois dans la direction radiale et dans la direction tangentielle. Il est à remarquer que l'augmentation de courte durée du rayon de la couronne intérieure 5 provient de la contraction des entre- toises 2 lors de la diminution de la température. Dans une appli- cation à un turbo-réacteur, cela correspond à une influence positive, car pour un refroidissement rapide et une décélération du moteur on améliore le comportement de la fente qui subsiste entre les aubes du rotor et le carter du stator. Malgré cela, la phase de diminution de la température doit être prise en compte dans le dimensionnement de tous les composants nécessaires. La figure 4 montre une réalisation de construc- tion possible du carter extérieur 10 d'un compresseur axial à étages multiples dans un turbo-réacteur à gaz. Dans ce cas, on a au moins un élément de liaison 11, qui en coupe longitudinale a une forme profilée essentiellement en T et une structure annulaire, pour relier les moyens d'appui et de centrage de bottier 12, 13 dans la direction axiale et dans la direction radiale. Dans ce cas, un segment de paroi périphérique 14, radialement en saillie de l'élément de liaison 11, repose dans une cavité frontale de la zone, de préférence située du côté de la couronne extérieure d'un organe et vient, par ailleurs, directement contre l'organe d'étanchéité 15. Les organes inté- graux peuvent être vissés à l'aide de boulons-de fixation qui traversent dans la direction axiale (suivant la ligne 16) respec- tivement la couronne extérieure 3, l'organe d'étanchéité 15 ainsi que les segments de paroi radiale 14 des éléments de liaison 11. Selon la figure 4, chaque couronne intérieure 5 d'un organe intégral peut comporter une isolation thermique 17 sur sa face tournée vers le canal du compresseur ou de la turbine, cette isolation étant de préférence combinée avec une garniture 2482662 d'introduction pour les pointes adjacentes des aubes 18 du rotor de la turbine correspondante. Cette isolation 17 peut, en outre, être constituée par une matière céramique. Comme cela résulte de plus de la figure 4, le carter extérieur 10 peut etre réalisé sous forme de support d'aube directrice à la zone de jonction située à l'intérieur du- carter entre chaque fois deux organes intégraux adjacents, ce support d'aube directrice étant par exemple sous la forme d'une rainure périphérique 19 pour recevoir les talons correspondants des aubes. En outre, selon la figure 4, à chaque zone de jonction située à l'intérieur du carter, entre les deux organes intégraux adjacents, il est prévu une liaison par brides 20, annulaire, qui assure le centrage radial et en même temps l'étanchéité radiale des chambres d'air 4, corres- pondantes par rapport au canal de la turbine ou du compres- seur. Pour le matériau constituant le carter et le procédé de fabrication du carter, il est à remarquer que, suivant les domaines d'application et les possibilités de fonctionnement, on choisira les matériaux et les procédés les plus appropriés. Les organes intégraux qui font partie du carter extérieur peuvent de préférence être réalisés en un alliage très réfractaire à base de nickel-Ni. REVENDICATIONS 1) Carter extérieur pour compresseur axial ou turbine axiale de machine fluidique, notamment de turbines à gaz qui est constitué par une double paroi enfermant des- chambres d'air, carter caractérisé par les éléments suivants: a) le carter extérieur (10) est composé d'élé- ments annulaires en une seule pièce, dont chaque anneau inté- rieur (5) est relié solidement par une entretoise radiale intermédiaire (2) à la couronne extérieure (3); b) les entretoises (2) forment plusieurs chambres d'air (4) séparées les unes des autres dans la direction périphérique et de préférence réparties de la même manière; c) partant de la paroi intérieure du carter, les entretoises (2) comportent chaque fois des intervalles radiaux (2) ouverts en direction du canal de compresseur ou de la turbine correspondante, et qui s'étendent chaque fois entre deux chambres d'air (4) voisines. 2) Carter extérieur selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour assurer en même temps l'étanchéité latérale et radiale des chambres d'air (4) et pour recouvrir l'intervalle radial (1), il est prévu des organes d'étanchéité (15) (tôles ou manchons) dirigés dans la direction périphérique, et entre ces organes dtétanchéité sont prévus deux organes intégraux, reliés l'un à l'autre alignés dans la direction axiale. 3) Carter extérieur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que des éléments de liaison (11) présentent en coupe longitudinale un profil essentiellement en forme de T, et une structure annulaire, ces éléments servant à la fixation axiale du carter et à son centrage radial, la section de la paroi périphérique (14) de ces éléments, qui sont respectivement en saillie dans la direction radiale, reposant dans une cavité frontale de la zone située de préférence du côté de la couronne extérieure d'un élément et, d'autre part, directement contre l'organe d'étanchéité (15), les organes intégraux étant vissés à l'aide de boulons de fixation qui traversent dans la direction axiale respectivement les.couronnes extérieures(2, les organes d'étan- chéité (15) et les segments de la paroi radiale (14) des (cléments de liaison. 24826&' 4) Carter extérieur selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, caractérisé en ce que chaque couronne intérieure (5) d'un organe intégral comporte sur son côté tourné vers le canal de la turbine ou du compresseur, une isolation thermique (17) qui est de préférence combinée à une garniture d'introduction pour les pointes des aubes de rotor de la turbine ou du compresseur correspondants. ) Carter extérieur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'isolation (17) est un matériau céra- mique. 6) Carter extérieur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'une zone de jonction respective située à l'intérieur du carter entre deux organes intégraux adjacents, est réalisée comme support d'aube directrice, par exemple sous la forme d'une rainure périphérique (19) pour les talons correspondants des aubes. 7) Carter extérieur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'à la zone de jonction correspondante située à l'intérieur du carter, entre deux organes intégraux adjacents, une liaison par bride (20), annulaire, assure un centrage radial en même temps qu'une étan- chéité radiale du volume intérieur ou des chambres d'air (4) correspondantes par rapport au canal du compresseur ou de la turbine.