Brevet FR2509373A1 — publié le 19830114

La présente invention concerne un e couronne enveloppante pour moteur à turbine à gaz On a récemment remarqué que le jeu existant entre les poin- tes externes des aubes rrobiles d'un moteur à turbine à gaz et les éléments fixes de leur enveloppe externe avaient une grande influence sur l'efficacité du fonctionnement de l'é- tage d'aubes en question On a donc effectué plusieurs ten- tatives pour maintenir ce jeu aussi réduit que possible Ces tentative: ont entrainé d'importantes modifications de la couronne fixe enveloppante de ces aubes pour permettre de faire varier le diamèt"e intérieur de cette couronne, de façon à ce qu'il corresponde au diamètre extérieur des pointes externes des aubes, soit tel que calculé d'avance pour les conditions données de fonctionnement du moteur, soit mesuré instantanément au moyen d'un dispositif trans- ducteur quelconque Les projets mis au point pour résoudre ce problème ont ten- dance à se répartir selon deux catégories principales, l'une dans laquelle la modification du diamètre de la couronne enveloppante s'effectue par des moyens mécaniques, et l'au- tre dans laquelle cette modification s'effectue par des moyens thermiques Les dispositifs mécaniques agissent ra- pidement mais ont tendance à atteindre un poids élevé et une grande complication, tandis que les dispositifs therrri- ques ont tendance, bien que plus simples, à réagir plus lentement La présente inven ion a pour objet de réalise une couronne enveloppante capable de réagir rapidement au be-oin de va- riation de diamètre r-:ais de construction simple La couronne envelopante -our moteur à turbine gaz selon l'invention co 7:rs end un carter orésewtant une Surface in- te-ne, une raroi annulaire espacée de ladite surface interne et jointe étanchément à elle, à ses extrémités axiales, de façon à définir entre elles une chambre, ladite paroi étant susceptible d'une déformation la rapprochant ou l'éloignant dudit carter en réponse à la différence de pression existant entre ladite chambre et la surface radialement interne de ladite paroi, des organas perm:ettant de faire varier la pression dans ladite chambre, un cercle de segments de cou- ronne enveloppante porté par la paroi et définissant une limite du passage du flux gazeux du moteur, et des organes de support disposés dans ladite paroi et portant ledit cer- cle de segments de couronne, lesdits organes de support cou- vrant une longueur axiale faible par rapport à ladite paroi et s'étendant depuis la zone médiane de cette dernière Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, la forme de la paroi épouse celle de la surface interne du carter de façon à réduire le volume de la chambre La pression à l'intérieur de la chambre pourra être modifiée en y introduisant de l'air à une pression proche de celle -'exerçant sur la surface radialement interne de la paroi, ou inversement à une pression inférieure laissant la paroi se rapprocher du carter en se déformant Les organes de support pourront être disrosés de façon à ménager une certaine liberté de mouvement axial des segments de couronne enveloppante, ces segments étant supportés axia- lement par un élément d'étanchéité interne L'irnvention est décrite ciaprès en détail en se référant à deux exemples préférés, non limitatifs, représentés sur les dessins annexés dans lesquels î la figure I représsnte un turboréacteur équipé d'une cou- ronne felon 2 'invertion; la figure 2 est une coupe axiale, & plus grande échelle, de ladite couronne selon un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 3 est une coupe semblable à celle de la figure 2, montrant un second mode de réalisation de l'invention et la figure 4 est une coupe radiale selon la ligne 4-4-de, la figure 3 La figure 1 représente un turboréacteur comportant une soufflante 10, des compresseurs moyenne-pression 11 et haute-pression 12, une chambre de combustion 13, et des turbines respectivement haute-pression 14, moyenne- pression 15, et basse-pression 16 le fonctionnement de ce turbo- réacteur classique est bien connu et ne sera donc pas dé- crit plus en détail On a constaté que l'importance du jeu entre les éléments fixes et les éléments rotatifs du moteur avaient une in- fluence décisive sur le rendement aérodynamique de ces é- léments C'est surtout le cas pour le jeu entre les pôin- tes externes des aubes mobiles 17 de la turbine haute- pression 14 et la couronne enveloppante fixe 18 leur cor- respondant La présente invention concerne une structure dans laquelle ce jeu peut être maintenu à une valeur faible et la figure 2 représente, en coupe à plus grande échelle, la couronne enveloppante 18 conforme à l'invention La couronne enveloppante 18 est portée en totalité, direc- tement ou indirectement, par le carter 19 du moteur Ce carter 19 est essentiellement cylindrique et constitué, dans l'exemple représenté, par deux parties aboutées l'une à l'autre, réunies par un raccord à brides 20, bien que ce dernier ne fasse pas partie de l'inven-ion La surface in- terne du carter 19 est essentiellement cylindrique et pré- sente un élément avant de montage 21 possédant une rainure annulaire 22 tournée irers l'arrière, et unè,rainure arrière de montage 23 Cette rainure 23 retient une bride annulaire de montage 24 située à l'extrémité externe d'un organe de support 25, de forme générale tronconique, l'intérieur de cette bride définissant une rainure annulaire 26 tournée vers l'avant Une paroi annulaire relativement mince 27 est placée et montée entre les rainures 22 et 26 Les bords avant 28 et arrière 29 des périphéries respectivement avant et arrière de la paroi 27 sont épaissis de façon à se loger étanché- ment dans les rainures 22 et 26 respectives en sorte que la paroi 27 et le carter 19 définissent entre eux une cham- bre 30 hermétiquement close Pour que la paroi 27 puisse fléchir sous les pressions régnant à l'intérieur de la chambre 30, cette paroi est faite d'une matière à faible coefficient, dans ltexemple-présent du titane La chambre 30 est alimentée en fluide sous pression par un conduit 31 et un distributeur-inverseur 32 permettant de mettre le conduit 31 en communication, soit avec une source de fluide à haute pression par un premier conduit d'alimen- tation 33, soit avec une source de fluide à basse pression par un second conduit d'alimentation 34 Dans l'exemple représenté, le fluide à haute pression est emprunté au com- presseur haute-pression 12, tandis que le fluide basse- pression est emprunté au canal de la soufflante du moteur Le distributeur 32 comporte une tige de soupape 35, entrai- née par un poussoir 36, permettant d'ouvrir ou de fermer plus ou moins les passages 37 et 38 Ce poussoir 36 est commandé par un moniteur 39 L'arrivée d'air par le con- duit 31 peut donc se faire à haute pression, à basse pres- sion ou à une pression intermédiaire Le distributeur 32 permet donc de modifier la pression régnant dans la chambre et, en supposant que la pression sur la surface radiale- ment interne de la paroi 27 reste constante, cette modifi- cation de pression rapprochera ou éloignera du carter 19 la paroi 27 La paroi 27 elle-même comporte des organes de montage cons- titués par deux brides annulaires 40 et 41, de section transversale en équerre, définissant des rainures tournées vf rs l'arrière et dans lesquelles s'embottent les extrémi- tés 42 et 43, dirigées horizontalement vers l'avant, des branches, dirigées radialement, d'un segment porteur 44 de section transversale en forme de U Ce segment 44 fait partie d'un ensemble de segments porteurs couvrant chacun une partie de la circonférence et formant ensemble un cer- cle porteur complet, chaque segment étant porté par deux des brides 40 et deux des brides 41 Pour réduire les fuites de fluide gazeux entre les extrémi- tés aboutées des segments 44, ces extrémités comportent des rainures 45 se faisant face, dans lesquelles sont insérés des éléments d'étanchéité, comme décrit dans le brevet bri- tannique 1 081 458 des mêmes titulaires On remarque éga- lement que les branches radiales des segments sont percées d'ouvertures 46 et 47 permettant la libre circulation de l'air de refroidissement et d'étancheisation pénétrant dans cette zone ?ar les conduits 48 qui lui font traverser le carter 19 Ce dispositif de refroidissement et d'étanché- is tion sera décrit plus en détail par la suite Sur leurs surfaces radialement internes, les segments por- teurs 44 comportent des brides de section droite en équerre 49 et 50 semblables aux brides 40 et 41 ?outefois, les rainures délimitées par ces brides et par la surface rrin- cipale interne des segments se font face et reçoivent les parties saillantes correspondantes 51 et 52 de segments in- term L-diaires annulaires 53 ccoléc lees uns aux autres, co-me les précédents, peour former une couronne complète et dort les faces radialement internes définissent la limite extérieure du courant gazeux au voisinage-extérieur des au- bes mobiles 17 de la turbine On remarque l'existence d'un faible jeu entre les faces internes des segments et les pointes des aubes 17, et l'on a constaté que l'import:nce de ce jeu pouvait avoir un effet décisif sur le rendement de la turbine En faisant varier la pression à l'intérieur de la chambre 30 au moyen du distributeur 32, on peut modi- fier la position de la paroi 27, donc la position radiale des divers segments et, par conséquent, l'importance de ce jeu, comme on le décrira plus loin On doit bien veiller à ce que le courant de gaz chauds du moteur ne contourne pas les divers segments et, pour cela, le dispositif doit comporter des joints asurant l'étanché- ité des segments tout en les laissant libres de se déplacer radialement, comme on l'a expliqué plus haut Ce but est atteint au moyen d'une chape essentiellement tronconique 54 partant du-carter 19 imrrédiatement après les conduits 48 et dont l'extrémité libre comporte une rainure annulaire 55 abritant un joint annulaire de face 56, de préférence en graphite, élastiquement appuyé, par des ressorts annulaires 57 contre la face plane 58 formée par les faces amont des segments porteurs 44 Ce joint assure l'étanchéité du c Oté amont de la couronne de segments Les faces aval 59 des segments 44 s'appuient, elles aussi, à un joint annulaire en graphite 60 maintenu rigidement dans une rainure annulaire 61 de l'organe de support 25 Comme on l'a déjà dit, ce support 25 est, lui aussi, tron- conique et son ext 2 émité externe forme la bride 24 mainte- nue dans la rainure 23 A hauteur du joint annulaire 60, le sup-ort 25 s'engage, en 62 et 63, avec le plateau de l'étage d'aubes distributrices 64 situé immédiatement en aval des aubes mobiles 17 Cet engagement étanche complète l'étanchéité de la chambre autour des segments du fait que le support tronconique, s'étendant de la rainure 61 à la bride 24 comporte une ouverture 65 permettant l'écoulement de l'air On voit que le joint annulaire 60 n'assure pas seulement l'étanchéité de la couronne enveloppante mais sert en outre à atténuer les charges axiales qu'elle subit Du fait de la chute de pression dans l'étage d'aubes mobiles 17, il y a une différence de pression entre les parties des segments placées entre les jointe annulaires 56 et 60 tendant à pous- ser l'ensemble vers l'aval Les brides de montage 40 et 41 sont spécialement conçues pour ne pas retenir les segments 44 dans cette direction en sorte qu'il ne s'exerce pas de contraintes de torsion sur la paroi 27 la charge axiale totale sur l'ensemble des segments de la couronne envelop- pante est donc portée par les faces 59 des segments portant sur le joint annulaire 60 qui porte lui-même sur le support tronconique 25, donc sur la bride 23 et sur le carter 19 Le fonctionnement général du dispositif aboutit donc à ce que, conformément à l'importance du jeu, déduit des para- mètres du moteur ou directement mesuré par un appareil transducteur (non représenté), le poussoir 36, commandé par le moniteur 39, actionnera le distributeur 32 pour admettre de l'air à haute pression ou à basse pression dans la cham- bre 30 Dans l'exemple représenté, l'air à haute pression arrivant par le conduit 33 est le même que celui passant par les conduits 48 en sorte que, lorsque le distributeur occupe l'une de ses deux positions, la pression est iden- tique sur les deux faces de la paroi 27 qui, dans ces con- ditions, conserve sa forme normale, non contrainte Lorsque le distributeur 32 est inversé complètement dans sa seconde position, l'air, sous pression relativement é- levée, occupant la chambre 30 s'échappe par le conduit 34 et la pression à l'intérieur de la chambre tombe à une va- leur relativement basse L'air à haute pression agissant sur la surface interne de la paroi 27 la rapproche de la surface interne du carter 19-en déplaçant radialement vers l'extérieur les brides 40 et 41 et en entrainant de ce fait dans le même sens les segments 44 et 53, ce qui augmente le jeu entre les segments de la couronne enveloppante et les pointes des aubes 17 Entre ces deux positions extrêmes, plusieurs positions intermédiaires sont possibles Le distributeur 32 peut donc être actionné, selon le jeu mesuré ou déduit, pour déplacer les segments de façon à maintenir ce jeu à une valeur faible On voit qu'en don- nant au système porteur des segments- 44 une-étendue'axiale faible par rapport à la longueur axiale de la paroi 27, le déplacement des segments peut rester rectiligne et pa- rallèle à la partie médiane, non immobilisée, de la paroi En outre, l'assez grande longueur axiale de cette paroi 27 permet aux segments d'exécuter leur mouvement sans lui im- poser de trop fortes contraintes On voit également que la jonction des segments avec la pa- roi 27 libère cette dernière des charges de flexion éven- tuelles, ce qui permet à cette paroi d'avoir une faible épaisseur et de pouvoir fléchir sous l'influence de la pres- sion Le joint annulaire 60 absorbe la charge axiale s'ex- erçant sur les segments et, conjointement avec l'autre joint annulaire 56 et les joints 45, permet aux segments 44 et à la paroi 27 d'être balayés par de l'air assez froid pour éviter leur échauffement *Au besoin, les segments intermé- diaires 53 pourront être refroidis séparément, par exemple par réfrigération par impact Les figures 3 et 4 de? dessins annexes, représentant un se- cond mode de réalid:aion se l'in Tention, font état de cette possibilité Dans ce second cas, la structure fondamentale du dispositif est la mrme que dans le premier cas en ce que l'espace 70 situé entre le carter 71 et la paroi 72 peut être pressurisé car un conduit d'entrée 73 en vue de provo- quer une déformation prédéterminée de la paroi 72 Mais le mode de suspension des segments de couronne enveloppante 74 à la paroi 72 est différent Dans ce second cas, la paroi 72 porte des segments porteurs au moyen de boulons 76 et d'éléments tubulaires 77 Les boulons 76 tirent les segments porteurs 75 de façon à les amener en contact, par l'intermédiaire d'une parei auxili- aire cylindrique 78, avec les éléments tubulaires 7 7 Cette paroi auxiliaire '78 s'engage dans des rainures annu- laires 79 et 80 mén gées dans la structure fixe du moteur et dans lesquelles des joints annulaires 81 et 82 assurent l'étanchéité entreladite paroi auxiliaire 78 et ladite structure fixe Cette paroi auxiliaire 78 joue un double rôle: d'une part elle crée une enceinte étanche empêchant les gaz chauds de s'écouler sans restriction entre les car- ters du moteur, et 2 'autre part elle procure aux segments un support additionnel dans le sens axial Chaque segment porteur 75 et chaque segment de couronne 74 présente des extrémités crénelées 83 s'intercalant dans les extrémités crénelées correspondantes 84 des segments immé- diatement adjacents en vue de les maintenir en place ?our refroidir les segments de -ouronne 74, des ouvertures sont ménagées d E ans les éléments tubulaires 77 pour per- mettre à l'air réfrigérant de gagner des passages 86 per- cés dan les segments porteurs 75 Cet air passe ensuite par des orifices percés dans des plaques d'impact 87 de fagon à venir frapper la surface externe des segments de co-ronne 74 pour les refroidir L'air réfrigérant arant accompli sa fonction s'écop:e tar des passges 88 pour re- joir dre le courant gazeux principal du roteur On remarquera qu'une nervure centrale 89 divise chaque seg- ment porteur 75 en une section avant et une section arrière et, par conséquent, divise de même l'espace situé à l'inté- rieur de la paroi auxiliaire 77 Chacune des chambres ain- si formées est ventilée, la chambre avant avec de l'air à haute pression par des orifices 90, et la chambre arrière avec de l'air à basse Dressior par des orifices 91 On comprendra aisément que les modes de réalisation de l'in- vention qui viennent d'être décrits sont susceptibles de modifications sans quitter le domaine de l'invention C'est ainsi aue le carter 19 ou 71 et la paroi 27 ou 72 pourront avoir l'un ou l'autre ou tous les deux une forme différente de la forme essentiellement cylindrique repré- sentée, par exemple une forme tronconique D'autre part, les points de montage des segments porteurs oourront être constitués par des pointe d'engagement doubles, axialement espacés, si les conditions de fonctionnement du moteur l'e- xigent On comprendra également que le mode de fonctionnement de la paroi 27 ou 72 -ourra être inverse de celui représenté et décrit, dans lequel l'équilibre des pressions sur les deux faces de la paroi est de nature, soit à la maintenir indéformée, soit à la pousser vers l'extérieur la paroi 27 ou 72 pourra, par exemple, être normalement en contact avec le carter 19 ou 71 et être poussée vers l'intérieur Var l'air à haute pression arrivant dans l'espace 30 ou 70. REVENDICATIONS 1 Couronne enveloppante pour moteur à turbine à gaz, com- prenant un carter ( 19 ou 71) présentant une surface interne; une paroi annulaire ( 27 ou 72) susceptible d'une déformation la rapprochant ou l'éloignant dudit carter en réponse à une différence de pression entre les surfaces radialement externe et interne de ladite paroi des organes ( 35) permettant de faireiarier la pression régnant entre ledit carter et ladite paroi; un cercle de segments de couronne enveloppante ( 44 et 53 ou 75 et 74) porté par ladite paroi et définissant une limite du passage du flux gazeux du moteur; et des organes de support ( 40, 41 ou 76) disposés sur ladite paroi et por- tant ledit cercle de segments de couronne, ladite cou- ronne enveloppante étant caractérisée en ce que la paroi annulaire ( 27 ou 72) est espacée de ladite surface in- terne du carter ( 19 ou 71) et jointe étanchément à elle à ses extrémités axiales ( 28, 29) de façon à définir entre elles une chambre annulaire ( 30 ou 70), lesdits organes de support ( 40, 41 ou 76) recouvrant une longueur axiale faible par rapport à celle de ladite paroi ( 27 ou 72) et s'étendant depuis la zone médiane de ladite paroi. 2 Couronne enveloppante selon la Revendication 1, caracté- risée en ce que la paroi ( 27 ou 72) épouse la forme de la surface interne du carter ( 19 ou 71) de façon que la- dite chambre annulaire ( 30 ou 70) ait un faible volume 3 Couronne enveloppante selon une quelconque des Revendica- tions 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte un dis- tributeur ( 32) permettant à la pression régnant dans la- dite chambre ( 30 ou 70), soit d'être approximativement égale à celle s'exerçant sur la surface radialement interne de ladite paroi ( 27 ou 72), soit d'en être dif- férente, de façon que ladite paroi ( 27 ou 72), en se déformant, se rapproche ou s'éloigne dudit carter ( 19 ou 71). 4 Couronne enveloppante selon une quelconque des Revendi- cations 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que les organes de support ( 40, 41) sont disposés de façon à permettre un déplacement axial des segments ( 44, 53) par rapport à la paroi ( 27) 5 Couronne enveloppante selon la Revendication 4, caracté- risée en ce que le-déplacement axial desdits segments de couronne enveloppante ( 44, 53) est limité par la butée d'une de leurs faces axiales ( 59) contre un joint d'é- tanchéité annulaire ( 60) rigidement maintenu en place 6 Couronne enveloppante selon la Revendication 5, caracté- risée en ce qu'elle comporte un second joint d'étanché- ité annulaire ( 56) établissant un joint-élastique étan- che avec l'autre face axiale ( 58) desdits segments ( 44, 53) 7 Couronne enveloppante selon la Revendication 4, caracté- risée en ce que lesdits organes de support comportent une ou plusieurs brides ( 40, 41) présentant des rainures s'ouvrant axialement et dans lesquelles se logent les extrémités ( 42, 43), dirigées axialement, deedits seg- ments ( 44) - 8 Couronne enveloppante selon la Revendication 7, caracté- risée en ce qu'elle comporte deux ensembles desdites brides ( 40, 41) et extrémités ( 42, 43) axialement espa- cés l'un de l'autre 9 Couronne envelopurante selon une Quelconque des Revendi- cations 1, 2, 3, 4, ô, 6, 7 ou 8, caractérisée en ce qu'elle corrr 2 ote des organes d'étanchéité ( 45 ou 83, 84) entre segments adjacents 10 Couronn? envelonante selon la Revendication 9, caracté- ri,ée en ce qu'elle comporte une pluralité d'anneaux dezdits segments ( 44, 53) em'bo Ités les uns dans les autres 11 Couronne enveloppante selon la Revendication 1, carac- térisée en ce que lesdits organes de support comportent une paroi auxiliaire déformable ( 78) jointe étanchément a la structure statique adjacente ( 79, 80) et appropriée à empacher que les gaz chauds du moteur ne s'échappent dans l'epace dlimité sar le carter du moteur 12 Cou-onne envelopante selon la Revendication 11, carac- térisée en ce que ladite paroi auxiliaire d 6 formable ( 78) est perc Je J'ouvertures peànettant a l'air rlfrigérant, en provenance de la partie extérieure de ladire paroi, de parvenir au-dits segrents ( 75 et 74) 13 Couronne envelov-ante selon la Revendication 12, carac- térisée en ce que lendits soeg-en-ts ( 74) sont refroidis par impact d'air réfrigér nt