Brevet FR2494764A1 — publié le 19820528

LIa présente invention concerne les moteurs à turbine à gaz et, plus spécialement, un dispositif d'étanché- ité pour les pointes d'aubes, de type cerclé ou non, du rotor de turbine d'un moteur à turbine à gaz On connait depuis longtemps les difficultés inhérentes à l'étanchéisation des extrémités libres ou pointes des aubes de rotor, du type non cerclé d'un bandage Ce problème s'est aggravé à mesure que les dimensions et la température de travail des moteurs à turbine à gaz augmentaient. 'Un des facteurs principaux que l'on doit prendre en considération lorsqu'on établit le projet d'un dispositif satisfaisant d'étanchéité est la concordance des diamètres respectifs du rotor de turbine et de son carter à leurs températures de tra- vail en tenant compte des coefficients de dilatation différents des matériaux utilisée pour la fabrication de la turbine et du carter On doit également tenir compte du fait que, lorsqu' L moteur est amené à sa vitesse de régime, le rotor et le carter sont soumis à divers échelons d'augmenta- tion de leurs dimensions radiales. En premier lieu, les aubes du rotor, assez minces, se dilatent rapide- ment en réponse à l'augmentation de la température et aux forces centrifuges, dilatation à laquelle s'a- joute la croissance des dimensions radiales du disque de rotor, dCe à la force centrifuge. Un second éche- lon de croissace radiale survient lorsque le disque du rotor, assez épais, s'échauffe jusqu'à sa tempéra- ture de régime. Au cours de toutes ces phases de di- latation, le carter entourant le rotor se dilate à une vitesse régulièrement décroissante pendant toute la durée de l'échauffement. Le jeu entre les pointes des aubes du rotor et le carter doit donc être calculé de façon à tolérer tou- tes les variations relatives d'augmentation des dimen- sionstant du rotor de turbiné dans son ensemble que du carter Il existe en outre d'autres conditions de fonctionne- ment dans lesquelles le jeu des pointes d'aubes doit être établi de façon à être admissible, par exemple lorsque la vitesse du moteur décroît ou lorsque le moteur est amené à l'arrêt total. Dans de tels cas, le carter de la turbine se refroidira et s+ ontractera plus rapidement tandis que le moteur est assez chaud et toujours soumis aux effets de la force centrifuge La présente invention a pour objet de réaliser un joint d'étanchéité pour pointes d'aubes comportant un dispositif tel que le jeu des pointes d'aubes puisse être réglé ou maintenu à une valeur optimale dans presque toutes les conditions de fonctionnement du moteur. Le dispositif d'étanchéité pour pointes d'aubes de turbine de moteur à turbine à gaz selon la présente invention comprend une couronne d'étanchéité, un pre- mier élément annulaire de réglage comportant des or- ganes coopérant avec la couronne d'étanchéité, ledit élément annulaire de réglage possédant une vitesse de réaction relativement rapide pour se dilater ou se contracter rapidement conformément à une variation annulaire de température, et un second élément/de réglage pos- sédant une vitesse de réaction relativement lente pour se dilater ou se contracter relativement lente- ment conformément à une variation de température, ce dispositif étant établi de façon qu'en cas d'augmenta- tion de température venant à s'exercer sur lui, le pre- mier élément annulaire de réglage se dilatera relative- ment rapidement et, par l'effet de ses organes coopéra- teurs, fera se dilater également la couronne d'étanché- ité, mais que, lorsque le premier élément annulaire de réglage aura atteint un diamètre déterminé, il prendra contact avec, et sera retenu de continuer à se dilater, par le second élément annulaire de réglage de façon que la couronne d'étanchéité se dilate alors relativement lentement conformément à la vitesse de dilatation du second élément annulaire de réglage, et qu'en cas de diminution de la température s' exerçant sur le dispo- sitif, la couronne d'étanchéité se contractera d'abord relativement lentement conformément au second élément annulaire de réglage dans une première phase de con- traction, puis relativement vite conformément au pre- mier élément annulaire de réglage dans une seconde phase de contraction Selon un autre aspect de l'invention, ce dispositif d'étanchéité pour pointes d'aubes de turbine de moteur à turbine à gaz comprend une couronne d'étanchéité, un-premier élément annulaire de réglage comportant des organes coopérant avec la couronne d'étanchéité, ledit élément annulaire de réglage possédant une vitesse de réaction relativement rapide pour se dila- ter ou se contracter rapidement conformément à une variation de température, et un second élément annu- laire de réglage comportant des organes coopérant avec ledit premier élément annulaire de réglage, ledit second élément annulaire de réglage possédant une vitesse de réaction relativement lente pour se dilater ou se contracter relativement lentement conformément à une variation de température, ce dispositif étant - établi de façon qu'en cas d'augmentation de tempéra- ture venant à s'exercer sur lui le premier élément an- nulaire de réglage se dilatera relativement rapidement et, par l'effet de ses organes coopérateurs, fera se dilater également la couronne d'étanchéité, mais que lorsque le premier élément annulaire de réglage aura atteint un diamètre déterminé, il prendra contact a- vec, et sera retenu de continuer à se dilater par le second élément annulaire de réglage de façon que la relativement couronne d'étanchéité se dilate alors/lentement con- formément à la vitesse de dilatation du second élément annulaire de réglage, et qu'en cas de diminution de la température s'exerçant sur le dispositif, la cou- ronne d'étanchéité se contractera relativement lente- ment conformément au second élément annulaire de ré- glage dans une première phase de contraction, puis relativement vite conformément au premier élément an- nulaire de réglage dans une seconde phase de contrac- tion, jusqu'à ce que le premier élément annulaire de réglage soit retenu de continuer à se contracter par le second élément annulaire de réglage de façon que la couronne d'étanchéité se contracte alors conformé- ment au second élément annulaire de réglage dans une troisième phase de contraction La couronne d'étanchéité pourra être, soit constituée par une pluralité d'éléments segmentés appropriés à coulisser les uns par rapport aux autres, soit formée d'un anneau continu en matière élastique. Le premier élément annulaire de réglage pourra être un manchon cylindrique, de section relativement mince et de masse relativement réduite, et le second élément annulaire de réglage pourra être constitué, soit par un manchon cylindrique,.de section relativement é- paisse, soit par une partie du carter du moteur pos- sédant une masse relativement grande De préférence, les organes coopérateurs disposés sur le premier élément annulaire de réglage comprendront un évidement s'étendant axialement et dans lequel se logera une partie de la couronne d'étanchéité En outre, les organes coopérateurs disposés sur le second élément annulaire de réglage comprendront une languette s'étendant axialement et se logeant dans une rainure ménagée dans le premier élément annulaire de réglage L'invention est décrite ci-après en détail en se ré- férant à un exemple préféré, non limitatif, de réali- sation représenté sur les dessins annexés dans les- quels - la figure 1 est une vue schématique de coté d'un turboréacteur à soufflante canalisée dont le carter est localement écorché pour laisser apparaître le dispositif selon l'invention, représenté schémati- quement; et - la figure 2 est une coupe axiale partielle à plus grande échelle montrant, plus en détail, le mode de réalisation du dispositif de la figure 1. Le turboréacteur 10, représenté à la figure 1, com- porte, dans le sens d'écoulement des gaz, une souf- flante 12, un compresseur 13, un appareillage de com- bustion 14, une turbine 15, et se termine par une tuyère d'éjection 17. La soufflante est montée rota- tive dans un canal 18, radialement extérieur au turbo- réacteur et coaxial au carter du compresseur 13b. La flèche 19 indique un mode de réalisation, repré- senté schématiquement, d'un dispositif d'étanchéité pour pointes d'aubes de turbine, conforme à la pré- sente invention La figure 2 est une coupe axiale partielle, à plus grande échelle, du dispositif d'étanchéité de pointes d'aubes 19 de la figure 1. Ce dispositif comprend un premier élément annulaire de réglage 20, de section transversale assez mince afin d'avoir une masse assez réduite. Ce premier élément 20 comporte une languet- te 21 s'étendant axialement et pouvant se loger dans une rainure creusée dans la face amont d'une couronne d'étanchéité 23 dont l'extrémité aval est montée sur une partie fixe du moteur au moyen d'un joint à rai- nure et languette 24. De préférence, la couronne d'étanchéité 23 est faite d'une pluralité de segments disposés de façon à pouvoir coulisser les uns par rapport aux autres mais elle pourra également être faite d'une matière élastique, les deux types de cou- ronne pouvant comporter une garniture susceptible d'abrasion 25 telle qu'une structure en nid d'abeille. Un second élément annulaire de réglage 26 est disposé radialement à l'extérieur du premier élément annulaire de réglage 20; ce second élément 26 a une section relativement épaisse, donc une masse relativement grande, comparée au premier élément de réglage Dans l'exemple représenté, ce second élément 26 a la forme d'un anneau indépendant mais, dans certains cas, il pourra y avoir avantage à ce qu'il soit constitué par une partie du carter du moteur. Un flasque 27 est fixé au second élément annulaire de réglage 26 par une pluralité de boulons orientés axia- lement, dont l'un, le boulon 28, est visible sur la figure 2. Ce flasque 27 comporte une languette s'é- tendant axialement 29 et se logeant dans une rainure creusée dans le premier élément de réglage 20 pour que, dans certains cas de fonctionnement du moteur, le mouvement d'un des éléments annulaires de réglage soit commandé par le mouvement de l'autre élément de réglage Lorsque le turboréacteur démarre à froid, les aubes de turbine se dilatent rapidement du fait de l'augmen- tation de la température et de la force centrifuge agissant sur elles. La couronne d'étanchéité 23 doit donc pouvoir augmenter rapidement dans le sens diamé- tral pour assurer le maintien d'un jeu entre les pointes des aubes de turbine et la couche de matière abradable 25. Ce résultat est obtenu par le fait que le premier élément annulaire de réglage 20 réagit ra- pidement conformément à une variation de température du fait de sa section relativement mince et de sa faible masse. Sa température augmentant donc rapi- dement, le premier élément annulaire de réglage 20 - se dilate et, du fait de la coopération de sa lan- guette 21 avec la couronne d'étanchéité 25, déplace radialement la couronne d'étanchéité 23 vers l'exté- rieur Mais après qu'une augmentation initiale de température et la force centrifuge ont agi sur les aubes au cours d'une phase d'extension rapide, leur vitesse d'exten- sion radiale se ralentit pour entrer dans une seconde phase d'extension. Donc, pour assurer que le premier élément annulaire de réglage 20 ne continue pas à se dilater trop rapidement, donc à déplacer la couronne d'étanchéité pour créer un jeu anormalement étendu à la pointe des aubes, le diamètre intérieur du second élément annulaire de réglage 26 est calculé de façon que le jeu 30 séparant les deux éléments de réglage diminue jusqu'à ce que le second élément 26 vienne s'opposer à la poursuite de la dilatation rapide du premier élément 20 Toutefois, le rotor et les aubes-de la turbine con- tinueront à se dilater plus lentement au cours d'une seconde phase de dilatation dans laquelle la tempéra- ture de la masse assez importante du rotor de turbine augmente régulièrement jusqu'à atteindre la valeur de la température de régime du moteur. Cette phase de croissance thermique est donc équilibrée par le second élément de réglage 26 dont la section et la masse sont relativement plus grandes que celles du premier élé- ment de réglage 20 sur lequel il exerce une influence régulatrice Au cours de la décélération du moteur, il ne se pro- duira d'abord qu'une très faible diminution du dia- mètre de la turbine bien que la température du courant gazeux qui la traverse baisse assez rapidement; ceci n'affectera tout d'abord que les aubes de turbine qui se contracteront assez rapidement mais qui resteront soumises à la force centrifuge produite par la pour- suite de la rotation de la turbine. La vitesse de contraction initiale de cette dernière sera donc re- lativement faible La température du premier élément annulaire de réglage s'abaissera aussi assez rapidement du fait de sa fai- ble épaisseur mais son diamètre ne se mettra pas im- médiatement à décroître car cet élément se trouve dans un état de compression d" à ce qu'il est en prise avec le second élément annulaire de réglage 26 Par conséquent la vitesse de contraction de la cou- ronne d'étanchéité 23 sera d'abord réglée par la vi- tesse de contraction du second élément de réglage 26 - au cours de sa première phase de contraction Pendant que la température et la vitesse de contrac- tion du rotor de turbine continue à décroîtres la vi- tesse de contraction du diamètre de la turbine s'ac- célérera jusqu'à entrer dans une seconde phase du fait de l'action combinée de la diminution des effets de la force centrifuge et de la température. Au cours de cette seconde phase de contraction, le premier é- lément de réglage 20 se sera suffisamment contracté pour ne plus être affecté par le second élément de réglage 26. La vitesse de contraction de la couronne d'étanchéité 23 sera donc réglée par la vitesse, re- lativement élevée, de contraction du premier élément de réglage 20 La turbine entrera enfin dans une troisième phase de contraction au cours de sa décélération; dans cette phase, la contraction est dMe principalement à la masse, se refroidissant assez lentement, du rotor de turbine. Donc, pour maintenir un jeu adéquat à l'en- droit des pointes d'aubes, le premier élément de ré- glage 20 est retenu de poursuivre sa contraction ra- pide par la languette 29 disposée sur le flasque 27 rigidement fixé au second élément de réglage 26 Toute poursuite de la contraction de la couronne d'étanchéité 23 sera donc commandée par le second é- lément de réglage 26 qui se contractera assez lente- ment du fait de sa masse relativement grande. On comprendra qu'en réglant, soit les masses relatives des deux éléments de réglage 20 et 26, soit en choi- sissant des matériaux de coefficients de dilatation thermique différents, ou bien en réglant la tempéra- ture de l'environnement dans lequel les éléments de réglage respectifs sont placés, il sera possible de régler leurs vitesses relatives de dilatation et de contraction ou la vitesse à laquelle ils réagissent, de façon à être sûr de pouvoir faire varier le dia- mètre de la couronne d'étanchéité pour maintenir un jeu acceptable aux pointes des aubes de la turbine dans toutes les conditions de fonctionnement du moteur. On comprendra en outre que, bien que l'exemple repré- senté et décrit fasse état d'organes coopérants com- prenant la languette 29 entre les deux éléments de réglage 20 et 26, cette caractéristique n'est pas, dans certaines circonstances, essentielle pour le fonctionnement efficace du dispositif de l'invention Il Les auteurs de l'invention pensent qu'en choisissant de façon appropriée les matériaux constitutifs des éléments de réglage ou éventuellement en ajustant soigneusement la température de l'environnement, les vitesses respectives de dilatation et de contraction de ces éléments pourront être adaptées de façon à éluder l'obligation d'utiliser des organes coopérants comportant une languette telle que la languette 29. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'étanchéité pour pointes d'aubes de turbine de moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il comprend une couronne d'étanchéité (23), un premier élément annulaire de réglage (20) com- portant des organes (21) coopérant avec la couronne d'étanchéité (23), ledit élément annulaire-de ré- glage (20) possédant une vitesse de réaction rela- tivement rapide pour se dilater ou se contracter rapidement conformément à une variation de tempé- rature, et un second élément annulaire de réglage (26) possédant une vitesse de réaction relativement lente pour se dilater ou se contracter relativement lentement conformément à une variation de tempéra- ture, ce dispositif étant établi de façon qu'en cas d'augmentation de température venant à s'exercer sur ledit dispositif, le premier élément annulaire de réglage (20) se dilatera relativement rapidement et, par l'effet de ses organes coopérateurs, fera se dilater également la couronne d'étanchéité (23), mais que, lorsque le premier élément annulaire de réglage (20) aura atteint un diamètre déterminé, il prendra contact avec, et sera retenu de conti- nuer à se dilater par le second élément annulaire de réglage (26) de façon que la couronne d'étan- chéité (23) se dilate alors-relativement lentement conformément à la vitesse de dilatation du second élément annulaire de réglage (26), et qu'en cas de diminution de la température s'exerçant sur le dispositif, la couronne d'étanchéité (23) se con- tracte d'abord relativement lentement conformément au second élément annulaire de réglage (26) dans - une première phase de contraction, puis relative- ment vite conformément au premier élément annulaire de réglage (20) dans une seconde phase de contrac- tion 2. Dispositif d'étanchéité pour pointes d'aubes de turbine de moteur à turbine à gaz, selon la Reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une couronne d'étanchéité (23), un premier élément an- nulaire de réglage (20) comportant des organes (21) coopérant avec la couronne d'étanchéité (23), le- dit élément annulaire de réglage (20) possédant une vitesse de réaction relativement rapide pour se di- later ou se contracter rapidement conformément à une variation de température, et un second élément annulaire de réglage (26) comportant des organes (29) coopérant avec le premier élément annulaire de' réglage (20), ledit second élément annulaire de ré- glage (26) possédant une vitesse de réaction rela- tivement lente pour se dilater ou se contracter re- lativement lentement conformément à une variation de température, ce dispositif étant établi de façon qu'en cas d'augmentation de température venant à s'exercer sur ledit dispositif, le premier élément annulaire de réglage (20) se dilatera relativement rapidement et, par l'effet de ses organes coopéra- teurs, fera se dilater également la couronne d'é- tanchéité (23), mais que, lorsque le premier élé- ment annulaire de réglage (20) aura atteint un dia- mètre déterminé, il prendra contact avec, et sera retenu de continuer à. se dilater par le second é- lément annulaire de réglage (26) de façon que la couronne d'étanchéité (23) se dilate alors lente- ment, conformément à................ la vitesse de dilatation du second élément annu- laire de réglage (26), et qu'en cas de diminution de la température s'exerçant sur le dispositif, la couronne d'étanchéité (23) se contracteraâefateve- ment lentement conformément au second élément an- nulaire de réglage (26) dans une première phase de contraction, puis relativement vite conformément au premier élément annulaire de réglage (20) dans une seconde phase de'contr&ction, jusqu'à ce que le premier élément annulaire de réglage (20) soit retenu de continuer à se contracter par le-second élément annulaire de réglage (26) de façon que la couronne d'étanchéité (23) se contracte alors con- formément au second élément annulaire de réglage (26) dans une troisième phase de contraction. 3. Dispositif d'étanchéité pour pointes d'aubes de turbine de moteur à turbine à gaz selon une quel- conque des Revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la couronne d'étanchéité (23) est, soit constituée par une pluralité d'éléments segmentés appropriés à coulisser les uns par rapport aux autres, soit formée d'un anneau continu en matière élastique. 4. Dispositif d'étanchéité pour pointes d'aubes de turbine de moteur à turbine à gaz.selon une quel- conque des Revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier élément annulaire de réglage (20) est un manchon cylindrique 'de section relative- ment mince et de masse relativement réduite, et que le second élément annulaire de réglage (26) est constitué, soit par un manchon cylindrique de secotion; relativement épaisse, soit par une partie du carter du moteur possédant une masse relativement grande. 5. Dispositif d'étanchéité pour pointes d'aubes de turbine de moteur à turbine à gaz selon une quel- conque des Revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les orgapes coopérateurs (21) disposés sur le premier élément annulaire de réglage (20) com- prennent un évidement s'étendant axialement, dans lequel se loge une partie de la couronne d'étan- chéité (23) 6.Dispositif d'étanchéité pour pointes d'aubes de turbine de moteur à turbine à gaz selon la Reven- dication 2, caractérisé en ce que les organes co- opérateurs (29) disposés sur le second élément annulaire de réglage (26) comprennent une languette (29) s'étendant axialement et se logeant dans un'- évidement ménagé dans le premier élément annulaire de réglage (20).