Brevet FR2496753A1 — publié le 19820625

249675. La présente invention concerne les moteurs à turbine à gaz, et en particulier les turbines de ces moteurs Le rendement de la turbine d'un moteur à turbine à gaz dépend de divers facteurs dont l'un est le jeu radial existant. entre les pointes de ses aubes mobiles et la structure qui les entoure. Si ce jeu est trop grand, la fuite de gaz qui se produira à hauteur des pointes d'aubes sera trop grande et il en résultera une chute de rendement. Par contre, si ce jeu est réduit en vue de diminuer cette fuite, donc d'améliorer le rendement, il risquera de se produire un contact entre les poin- tes d'aubes mobiles et la structure environnante Ce risque est particulièrement grand lors d'une accé- lération ou d'une décélération de la vitesse de rota- tion du moteur du fait que les coefficients différents de dilatation thermique des éléments de la turbine entraînent quelquefois des vitesses différentes de dilatation ou de contraction radiales pour les aubes mobiles et pour la structure environnante On connait des moyens appropriés à maintenir le jeu aux pointes d'aubes mobiles à une valeur essentielle- ment constante - Ces moyens comportent en général un bandage annulaire cerclant les pointes d'aubes mobiles et actionné, soit mécaniquement, soit thermiquement, pour maintenir un jeu radial essentiellement constant aux pointes 'd'aubes L'inconvénient des dispositifs mécaniques est qu'il augmente la complication mécani- que du moteur et en augmente le poids de façon into- lérable. Les dispositifs actionnés thermiquement sont basés sur un courant d'air réfrigérant dirigé sur le bandage de façon à en maintenir la température à une valeur capable de maintenir le bandage à des dimen- sions telles que les jeux aux pointes d'aubes auront la valeur voulue. Ialheureusement, le bandage devra comporter des passages d'air compliqués pour assurer son refroidissement efficace et il sera en outre sujet à des gradients localisés de température pouvant en- trainer des variations locales des jeux aux pointes d'aubes. De plus, ces gradients localisés de tempé- rature, outre qu'ils provoquent des variations du jeu des pointes d'aubes, peuvent provoquer des déforma- tions et même des fissurations du bandage. La présente invention a donc pour objet de réaliser une turbine appropriée à un moteur à turbine à gaz dans laquelle les jeux aux pointes des aubes mobiles sont maintenus à une valeur essentiellement constante par des organes actionnés thermiquement éliminant sub- stantiellement les inconvénients précités des organes de maintien de jeu aux pointes d'aubes mobiles action- nés thermiquement. La turbine pour moteur à turbine à gaz selon la pré- sente invention comprend: une couronne d'aubes mobi- les; un bandage annulaire approprié à définir une sur- face annulaire faisant radialement face vers l'inté- rieur, la majeure partie de ce bandage annulaire étant constituée par au moins un conduit thermique, ce ban- dage annulaire étant monté coaxialement auxdites aubes mobiles et radialement extérieurement à elles de façon que les pointes desdites aubes mobiles et ladite sur- face annulaire faisant radialement face vers l'inté- rieur soient contiguës les unes à l'autre mais espa- cées les unes de l'autre de façon à ménager entre elles un jeu radial; un odomètre dont le signal de sortie est proportionnel audit jeu entre les pointes d'aubes et la surface annulaire interne du bandage; un organe approprié à diriger un fluide régulateur de température sur ledit conduit thermique au moins unique; un organe approprié à régler le débit dudit fluide régulateur de température sur ledit conduit thermique au moins uni- que; ledit organe régulateur de débit et ledit odo- mètre étant couplés par un organe de commande appro- prié à commander ledit organe régulateur de débit en réponse au signal de sortie dudit odomètre de façon à diriger une quantité suffisante dudit fluide régulateur de température sur ledit conduit thermique au moins unique afin d'en commander la dilatation ou la contrac- tion thermiques afin que ledit jeu radial entre ladite surface annulaire interne du bandage et lesdites poin- tes d'aubes, mesuré par ledit odomètre, se maintienne dans une gamme de valeurs prédéterminée Le bandage annulaire pourra 9tre conformé de façon à définir intérieurement une chambre annulaire au moins partiellement délimitée par ledit conduit thermique au moins unique, et ledit organe, approprié à diriger le fluide régulateur de température sur ledit conduit thermique au moins unique, étant logé, au moins en partie, à l'intérieur de ladite chambre annulaire et conformé de façon à diriger une partie au moins de ce fluide réj:ulat.eur de température sur celles des zones dudit conduit thermique au moins unique qui délimitent au moins partiellement ladite chambre annulaire. De préférence, le fluide régulateur de température sera de l'air réfrigérant. La surface annulaire interne du Bandage pourra commu- niquer avec ladite chambre annulaire intérieure au bandage annulaire par7 une pluralitét de passages dispo- sés de façon à diriger l'air réfrigérant de ladite chambre annulaire à ladite surface annulaire interne pour asL'urer le refroidissement laminaire de cette dernière Le bandage annulaire pourra être pourvu de passages supplémentaires faisant communiquer ladite chambre an- nulaire avec d'autres.:ones du bandage que ladite sur- face annulaire interne, exposées au courant gazeux traversant la turbine pendant sbn fonctionnement, ces passages étant disposés de façon à assurer le refroi- dissement laminaire de ces zones. Ladite majeure partie du bandage annulaire constituée par au moins un conduit thermique pourra être annulaire et de section transversale de forme générale en U de façon à donner deux flasques s'étendant radialement vers l'intérieur, ces deux flasques étant reliés par des organes appropriés à définir ladite eurface annu- laire faisant radialement fece vers l'intérieur, de façon que ladite majeure partie du bandage annulaire et lesdits organes appropriés à définir ladite surface annulaire interne définissent ensemble ladite chambre annulaire Les organes appropriés à définir ladite surface interne pourront comprendre une pluralité de plaques placées bout à bout, lesquelles pourront être faites d'une matière métallique ou d'une matière céramique. 249675! L'invention est décrite ci-après en détail en se réfé- rant à quelques exemples préférés, non limitatifs, de réalisation représentés sur les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue de c8té d'un turboréacteur équip( d'une turbine selon l'invention; - la figure 2 est une vue de coté, en coupe longitudi- nale, d'une partie de la turbine du turboréacteur de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe, à plus grande é- chelle, d'une partie de la turbine de la figure 2 et - la figure 4 est une vue en coupe d'une variante de réalisation de la partie de turbine de la figure 3 La figure 1 montre un turboréacteur 10 composé d'un compresseur 11, d'un appareillage de combustion 12 et d'une turbine 13. Ce turboréacteur 10 fonctionne de la façon habituelle, l'air comprimé par le compresseur 11 se mélangeant et brûlant dans l'appareillage de combustion 12, et les gaz chauds ainsi engendrés se détendant dans la turbine 13 qui entraIne le compres- seur 11 puis s'échappant dans l'atmosphère par la tuyère propulsive 14. L'appareillage de combustion 12 comprend une chambre de combustion annulaire 15 dont la figure 2 laisse a- percevoir une partie de l'extrémité aval. Les gaz chauds sortant de la chambre de combustion 14 sont dirigés dans l'étage de haute pression 16 de la tur- bine 13 par une couronne d'aubes distributrices dont l'une 17 est représentée sur la figure 2. Dans l'ex- emple représenté, la turbine haute pression 16 comporte un étag.e unique d'aubes mobiles dont l'une est visible en 18, r.ais il est évident que cette turbine 16 pourra comporter plus d'un étage d'aubes. Cette turbine 16 est couplée avec la partie haute pression du compres- seur 11 p r un arbre non représenté. Les gaz chauds sortant de la partie haute pression 16 sont dirigés vers la partie basse pression 19 de la tur- bine 13 par une seconde couronne d'aubes distributrices dont l'une est visible en 20. Comme dans le cas de la partie haute pression 16, la partie basse pression 19 comporte un étage unique d'aubes mobiles dont l'une est visible en 21. Cette partie basse pression 19 est cou- plée avec la partie basse pression du compresseur 11 par un second arbre non représenté. les gaz chauds sortant de l'étage basse pression 19 de la turbine tra- versent une couronne d'aubes distributrices de sortie (non représentées) avant de s'échapper à l'air libre par la tuyère 14 Pour assurer que la plus grande fraction possible des gaz chauds dirigés par les aubes distributrices haute pression 17 franchissent les parties a4rodynamiquement profilées des aubes mobiles 18 de la turbine haute pression, les pointes 22 de ces aubes 18 sont disposées de façon à passer aussi près que possible d'un bandage annulaire 23. Ce bandage annulaire 23, particulièrement apparent sur la figure 3, est monté coaxialement à l'axe de rotation des aubes mobiles 18. Il comprend un organe annulaire 24 constitué par un conduit thermique 25 de section transversale en forme générale de U de façon qu'il présente deux flasques 26 s'étendant radialement vers l'intérieur. Dans la présente description, le terme "conduit thermi- que" désigne un dispositif d'égalisation des températu- res comprenant une enceinte étanche renfermant à la fois une vapeur condensable et des organes capillaires pouvant déplacer la vapeur condensée d'une zone froide à une zone chaude de ladite enceinte, la vapeur conden- sable étant transportée de la zone chaude à la zone froide par le gradient de pression de vapeur existant entre ces deux zones, et la vapeur se condensant dans la zone froide. Les variations de la pression de la vapeur en fonction de la température de substances telles que l'eau, l'am- moniac, le mercure, le potassium, le sodium, le lithium, et le plomb, sont telles qu'une variation de 12C ou 22C seulement de leur température produit une très grande modification de leur pression de vapeur. En conséquence les différences de température survenant sur la longueur d'un conduit thermique contenant l'une de ces substances sous forme vaporisée condensable sont si faibles qu'el- les rendent le conduit thermique isotherme. En pratique la conductibilité thermique efficace d'un conduit ther- mique peut être jusqu'à 500 fois celle d'une barre de cuivre pleine de même masse. Les principes r'gissant les conduits thermiques sont exposés plus en détail dans l'article intitulé "Structures de très grande con- ductance thermique" de MM. Grover, Cotter et Erickson publié dans le "Journal of Applied Physics" Volume 35- 1990, en juin 1964. Les parois intérieures du conduit thermique 25 sont re- couvertes d'un treillis d'acier inoxydable 27 constitu- ant l'organe capillaire du conduit thermique, mais il est évident que d'autres matériaux capillaires pourront être utilisés, tels que le verre poreux, un métal po- reux ou un corps céramique poreux Pour que le conduit thermique 25 joue son rôle de dis- positif d'égalisation des températures, il est vide d'air et contient une petite quantité de sodium comme vapeur condensable, mais d'autres produits pourront être utilisés à cette fin selon la gamme de tempéra- tures prévue pour le fonctionnement du conduitthermique. Les flasques 26, saillant radialement vers l'intérieur, de l'organe annulaire 24 comportent chacun un second flasque 28 saillant axialement l'un vers l'autre de façon à servir de supports à une pluralité de plaques métalliques placées bout-à-bout et formant ensemble une surface annulaire 30 faisant radialement face vers l'in- térieur de la turbine et étant contiguë aux pointes 22 des aubes mobiles 18 mais espacée d'elles. Les plaques 29 comportent des rainures 31 o se logeront les flas- ques axiaux 28. Les plaques 29 et l'organe annulaire 24 définissent donc ensemble une chambre annulaire 32. Dans certains cas, il pourra y avoir avantage à uti- liser des plaques 29 faites de matière céramique et non de métal pour réduire la quantité de chaleur transmise au conduit thermique 25 par le courant de gaz chaud traversant la turbine 13 pendant son fonctionnement. La chambre annulaire 32 renferme un élément annulaire creux 33, de section transversale générale rectangu- laire, alimenté en air réfrigérant amené du compresseur 11 du moteur 10 par un conduit d'alimentation 34. La surface radialement externe de cet élément 33 est per- cée d'uncertain nombre d'orifices 35 disposés de façon à diriger l'air réfrigérant sur la surface intérieure de l'organe annulaire 24. Cet air réfrigérant quitte la chambre annulaire 32 par des passages 36 ménagés au voisinage immédiat du bord amont de l'organe annulaire 24 et par des passages 37 ménagés dans les plaques 29 L'air réfrigérant sortant de l'élément 33 produit donc un refroidissement par impact de l'organe annulaire 24 à l'intérieur de la chambre annulaire 32 et un refroi- dissement laminaire du bord amont de cet organe annu- laire 24 et de la surface 30, tournée vers l'intérieur du moteur, définie par les plaques 29. On remarquera qu'en vue de faciliter le refroidissement laminaire du bord amont de l'organe annulaire 24, cer- taines parties des aubes distributrices 17, proches de ce dernier, sont échancrées, comme indiqué en 38. Un odomètre 39 traverse l'organe annulaire 24 et les plaques 29 et vient s'arrêter à ras de la surface in- terne 30. Cet odomètre 39, qui peut être de n'importe quel type approprié, est capable de mesurer le jeu ra- dial séparant ladite surface interne 30 des pointes des aubes mobiles 18 et d'émettre un signal électrique pro- portionnel à ce jeu. Le signal de sortie de l'odomètre 59 est adressé à une unité.de commande 40 laquelle émet à son tour un signal électrique actionnant un distribu- teur 41 inséré dans le conduit d'alimentation d'air ré- frigérant 34. L'unité de commande 40 est réglée de façon à ne permet- tre au distributeur 41 de ne lailser passer que la quan- tité d'air réfrigérant nécessaire pour maintenir la tem- pérature de l'organe annulaire 24 à une valeur compa- tible avec une gamme optimale prédéterminée de jeux en- tre les pointes des aubes mobiles 18 et la surface in- terne 30. Si donc ce jeu dépasse le maximum prédéter- miné, le débit d'air réfrigérant dirigé sur l'organe annulaire 24 augmente jusqu'à ce que ce dernier se-con- tracte par action thermique jusqu'à ce que le jeu re- vienne à une valeur située dans ladite gamme optimale prédéterminée. L'organe annulaire 24 constituant un conduit thermique , il présente des avantages certains sur un organe semblable qui ne constituerait pas un tel conduit. C'est ainsi que, comme les conduits thermiques possèdent des conductibilités thermiques extrêmement élevées, ils ne sont pas sujets à des points chauds localisés et la déformation qui résulterait des gradients de température engendrés par ces points chauds s'en trouve éliminée. En d'autres termes, l'organe annulaire 24 reste essen- tiellement annulaire dans toutes les diverses condi- tions de fonctionnement de la turbine et assure ainsi la persistance d'un jeu circonférentiel précis'sur toute la surface interne 30. Un autre avantage décou- lant de la conductibilité thermique très élevée de l'organe annulaire 24 est qu'elle simplifie le système de refroidissement. du conduit thermique 25 car il suf- fira de ne refroidir que quelques zones de ce dernier pour en réduire efficacement sa température générale sans y engendrer de gradients de température indésira- bles. Au cours de certaines périodes de temps du fonctionne- ment de la turbine 13, la température des gaz la tra- -versant augmente très rapidement. Comme la masse de chacune des aubes mobiles 18 est relativement faible, ces aubes subiront une dilatation thermique également rapide dans cesconditions-et entraîneront un risque d'entrée en contact deLeurs pointes avec la surface annulaire faisant face vers l'intérieur 30. Mais il est possible d'éliminer la probabilité d'un tel inci- dent en assurant que, lorsque ces conditions prédomi- nent, l'arrivée d'air réfrigérant à la chambre annu- laire 32 par le conduit d'alimentation 34 sera provi- soirement interrompue. Ceci entraînera, par contre- coup, la suppression du refroidissement laminaire du bord amont de l'organe annulaire 24, ce bord amont, qui fait partie du conduit thermique 25, étant alors directement exposé au courant de gaz chauds traversant la turbine 13. La conductibilité thermique élevée du conduit thermique 25 assure son échauffement rapide par-le courant de gaz chauds et par conséquent sa di- latation thermique rapide sans déformation, d'o le maintien du jeu entre les pointes des aubes 18 et la- dite surface annulaire interne 30. Comme il n'y a, dans cette situation, aucun écoulement d'air réfrigé- rant par les paEsages 36 et 37, une partie des gaz chauds traversant la turbine 13 gagneront la chambre annulaire par ces passages. Mais cette circonstance est bénéfique car elle garantit au conduit thermique 25 une vitesse d'échauffement encore plus grande, donc une dilatation thermique encore plus rapide. Il existe d'autres moyens d'éviter le contact entre les pointes d'aubes mobiles 18 et la surface annulaire in- terne 30 dans certaines conditions de fonctionnement de la turbine. Le jeu qui les sépare pourrait, par exem- ple, être établi, en donnant aux composants concernés les dimensions voulues, de façon à être plus grand que sa valeur optimale lorsque les aubes mobiles 18 risquent de se dilater, sous l'influence de la chaleur, plus ra- pidement que le conduit thermique 25. La figure 4 montre une autre mode de réalisation de la présente invention. Une couronne d'aubes mobiles 42, pouvant être montée dans une turbine semblable à la turbine 13 de la figure 1 est entourée d'un bandage annulaire 43. Le rapport entre les pointes des aubes mobiles 42 et le bandage annulaire 43 est semblable à celui de la figure 3 en ce que ces deux éléments sont séparés par un faible jeu radial. Mais, dans ce second exemple, le bandage annulaire 43 n'est constitué que par un conduit thermique annulaire 44. Le bandage an- nulaire 43 définit donc une chambre étanche, vide d'air, contenant une faible quantité de sodium et dont les parois intérieures sont recouvertes d'un treillis à action capillaire 46 en acier inoxydable Un conduit d'alimentation en air réfrigérant 47 compor- tant un distributeur de commande 48 est placé de façon à diriger l'air réfrigérant sur le bandage annulaire 43 et le dispositif comporte un odomètre approprié 49 pour mesurer le jeu entre-les pointes des aubes 42 et ce ban- dage annulaire 43. Ces éléments correspondent au con- duit d'alimentation 34, au distributeur 41, et à l'odomètre 39 de la figure 3 et sont commandés par 249675. une unité de commande 50 fonctionnant de la même façon que l'unité de commande 40 de la figure 3. Le dispositif selon la figure 4 fonctionne donc de fa- çon identique à celui de la figure 3 pour maintenir le jeu entre les pointes des aubes mobiles 42 et le ban- dage annulaire dans des limites prédéterminées Bien que les deux modes de réalisation de l'invention qui viennent d'être décrits comportent des conduits thermiques principalement actionnés thermiquement par de l'air réfrigérant, il sera peut-être souhaitable, dans certaines circonstances, de les actionner par des gaz chauds additionnels à ceux fournis par le courant de gaz chauds traversant la turbine 13. Les conduits d'alimentation en air réfrigérant 34 et 47 des deux exemples décrits pourraient, par exemple, être rempla- cés par des conduits d'alimentation appropriés à four- nir, soit de l'air chaud, soit de l'air froid, soit un mélange des deux, aux conduits thermiques correspon- dants. L'air froid pourrait provenir du compresseur 11 du moteur, et l'air chaud de n'importe quelle source adéquate telle que l'extrémité aval du compresseur 11, de l'appareillage de combustion 12, ou d'un point ap- proprié de la turbine 13. Il pourra arriver que le diamètre des conduits thermi- ques annulaires de,. deux exemples décrits soit tel, que leur rendement en sera diminué du fait de problèmes posés par le fonctionnement efficace de leurs éléments capillaires. Dans ce cas, le bandage annulaire pourra être constitué par une pluralité de conduits thermiques segmentaires dont la réunion formera une couronne. REVENDICATIONS 1. Turbine pour moteur à turbine à gaz, comprenant une couronne d'aubes profilées mobiles'; un bandage annulaire approprié à définir une surface annulaire faisant radialement face vers l'intérieur du moteur (dite "surface interne"), la majeure partie de ce bandage annulaire étant constituée par au moins un conduit thermique, ce bandage annulaire étant monté coaxialement auxdit.-es aubes mobiles et radialement extérieurement à elles de façon que les pointes des- dites aubes mobiles et ladite surface interne soient contiguës les unes à l'autre mais espacées les unes de l'autre de façon à ménager entre elles un jeu ra- dial, ladite turbine (13) étant caractérisée en ce qu'elle comporte:un odomètre (39) dont le signal de sortie est proportionnel audit jeu entre les pointes (22)des aubes (18) et ladite surface interne (30); un organe (34) approprié à diriger un fluide régula- teur de température sur ledit conduit thermique au moins unique (25); un organe (41) approprié à ré- gler le débit dudit fluide régulateur de température sur ledit conduit thermique au moins unique-(25) ledit organe régulateur de débit (41) et ledit odo- mètre (39) étant couplés par un organe de commande (40) approprié à commander ledit organe régulateur de débit (41) en réponse au signal de sortie dudit odomètre (39) de façon à diriger une quantité suffi- sante dudit fluide régulateur de température sur le- dit conduit thermique au moins unique (25) afin d'en commander la dilatation ou la contraction thermiques de façon que ledit jeu radial entre ladite surface interne (30) et lesdites pointes d'aube (22)-, mesuré par ledit odomètre (39), se maintienne dans une gamme de valeurs prédéterminée 2. Turbine selon la Revendication 1, caractérisée en ce que le fluide régulateur de température est l'air. 3. Turbine selon la Revendication 1, caractérisée en ce que le bandage annulaire (23) est conformé de façon à définir intérieurement une chambre annulaire (32) au moins partiellement délimitée par ledit conduit thermique au moins unique (25), et en ce que ledit organe (33) approprié à diriger le fluide régulateur de température sur ledit conduit thermique au moins unique (25) est logé, au moins en partie, à l'inté- rieur de ladite chambre annulaire (32) et conformé de façon à diriger une partie au moins de ce fluide régulateur de température sur celles des zones dudit conduit au moine unique (25) qui délimitent au moins partiellement ladite chambre annulaire (32). 4. Turbine selon la Revendication 3, caractérisée en ce que le fluide régulateur de température est de l'air réfrigérant. 5. Turbine selon la Revendication 4, caractérisée en ce que ladite surface interne (30) communique avec la- dite chambre annulaire (32) intérieure au bandage annulaire (23) par une pluralité de passages (37) disposés de façon à diriger l'air réfrigérant de ladite chambre annulaire (32) à ladite surface in- terne (30) pour assurer le refroidissement laminaire de cette dernière 1 6 6. Turbine selon la Revendication 5, caractérisée en ce que le bandage annulaire (23) est pourvu de passages supplémentaires (36) faisant communiquer ladite cham- bre annulaire (32) avec d'autres zones du bandage que ladite surface interne (30), exposées au courant gazeux traversant la turbine (13) pendant son fonc- tionnement, ces passages (36) étant disposés de fa- çon à assurer le refroidissement laminaire de ces zones 7. Turbine selon une quelconque des Revendications 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisée en ce que la majeure partie du bandage annulaire (23) constituée par au moins un conduit thermique (25) est annulaire et de section transversale de forme générale en U, de façon à don- ner deux flasques (26) s'étendant radialement vers l'intérieur, ces deux flasques (26) étant reliées par des organes (29) appropriés à définir ladite- surface interne (30) de façon que ladite majeure partie du bandage annulaire (23) et lesdits organes (29) appropriés à définir ladite surface interne (30) définissent ensemble ladite chambre annulaire (32) 8. Turbine selon une quelconque des Revendications 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caractérisée en ce que ladite surface interne (30) comporte une pluralité de plaques (29) disposées bout-à-bout 9. Turbine selon la Revendication 8, caractérisée en ce que lesdites plaques (29) sont en matière métallique ou en matière céramique.