Brevet FR2516980A1 — publié le 19830527

L'invention concerne des carters pour turbomachines telles que des turbomachines à gaz, et en particulier bien que non exclusivement, des carters de compresseurs de telles machines. Pendant les conditions transitoires du fonctionnement, par exemple au démarrage ou pendant la phase d'arrêt de telles machines, la température du fluide de travail contenu dans la machine varie relativement rapidement Les parties de la machine qui sont en contact direct avec le fluide de travail sont donc chauffées ou refroidies relativement rapidement. Cependant, la réponse thermique des composants qui ne sont pas en contact direct avec le fluide de travail est beaucoup plus lente, et ceci peut poser des problèmes Par exemple dans les compresseurs ou turbines de moteurs à turbine à gaz comprenant un rotor à aubes o les aubes sont montées sur des disques disposés à l'intérieur d'un carter, le carter tend à s'échauffer très rapidement alors que les disques du rotor qui sont plus massifs et qui sont protégés des gaz chauds par les plate- formes des aubes et des éléments d'écartement entre étages s'échauffent moins rapidement La conséquence est que l'intervalle situé entre les pointes des aubes et le carter varie du fait de la dilatation thermique différentielle. Ceci peut endommager les aubes par contact avec le carter, ou bien si l'intervalle devient trop important, provoquer une perte de rendement ou un emballement du moteur. Un objet de la présente invention est de proposer un carter pour turbine ou compresseur de turbomachine o la réponse thermique du carter est conçue pour s'adapter sensi- blement à la réponse thermique de la turbine ou de l'ensemble rotor et compresseur, selon le cas, de manière à contrôler le jeu ou interstice de fonctionnement existant entre le carter et son rotor respectif. On sait comment construire des carters de turbines et de compresseurs sous la forme dé deux carters espacés radiale- ment, et adapter la dilatation du carter interne à celle du rotor en prévoyant des matériaux d'isolation thermique sur la surface interne du carter interne et des sources froides sur le carter interne pour ralentir la réponse thermique du carter. Un carter de compresseur de ce type est décrit dans le brevet britannique 1 501 916 Le carter décrit dans ce brevet comprend un carter interne constitué par des anneaux de stator annu- laires portant les aubes du stator, et le carter externe comprend des anneaux cylindriques ou deux demi-carters reliés le long d'axes longitudinaux et assemblés autour de l'extérieur du carter interne et boulonnés à celui-ci. L'un des problèmes posés par les carters de compresseurs constitués par des segments de carter internes qui sont disposés dans un carter externe est que l'air sous pression S'échappe dans l'espace situé entre les carters interne et externe, depuis les régions de haute pression du compresseur, et tend à revenir vers les étages basse pression du compresseur. Ceci réduit le rendement du compresseur et a un effet nocif sur le cycle thermo-dynamique d'ensemble de la turbomachine. Un objet de la présente inventionest de perfectionner l'étanchéité entre segments internes adjacents et co-axiaux pour réduire au minimum la fuite de l'air dans l'intervalle situé entre les carters interne et externe. L'invention telle qu'elle est revendiquée utilise les forces axiales et le moment de rotation produit sur les segments du carter interne par les charges appliquées par les gaz sur les segments, pour solliciter les segments et les amener en contact avec la surface inclinée de manière que les segments glissent et viennent en contact avec d'autres surfaces pour établir un joint effectif d'étancheité à l'air. La présente invention sera maintenant décrite à titre d'exemple en référence au dessin ci-annexé dans lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur d'avion à turbine à gaz mettant en oeuvre la présente invention la figure 2 représente plus en détail une partie du carter du compresseur haute pression du moteur de la figure 1, constitué selon la présente invention; la figure 3 représente à plus grande échelle une partie du carter de la figure 2. e Si l'on se réfère aux dessins, la figure 1 représente un moteur d'avion ( 10) comprennant un compresseur basse pression ( 11) monté à l'avant et entraîné par une turbine ( 12), un compresseur haute pression ( 13) entraîné par une turbine ( 14), une chambre de combustion ( 15) destinée à engendrer des gaz chauds qui entraînent les turbines ( 12) et ( 14) et une tubulure d'échappement ( 16). Si l'on se réfère aux figures 2 et 3, la partie la plus arrière au moins du compresseur H P ( 13) est logéeà l'intérieur d'un carter cylindrique creux extérieur ( 18) constitué par plusieurs sections cylindriques ( 18 (a) à 18 (e)) assemblées bout à bout le long de l'axe du compresseur Les sections ( 18 (a) à 18 (e)) peuvent être fabriquées individuellement à partir d'une pièce ou d'une série de pièces boulonnées les unes aux autres au moyen d'un joint ou d'une joue qui s'étend en direction de la longueur du compresseur A l'intérieur du carter externe et à une certaine distance de celui-ci est disposé un carter interne ( 19). Le carter interne ( 19) comprend plusieurs sections cylindriques creuses ( 19 (a) à 19 (e)) assemblées bout à bout le long de la longueur du compresseur Chaque section ( 19 (a) à 19 (e)) comprend plusieurs segments ( 20 (a) à 20 (e)) qui sont espacés circonférentiellement de manière à définir un inter- valle qui permet la dilatation et la rétraction circonférentiel- le des segments les uns par rapport aux autres Ces intervalles entre les segments ( 20 (a) à 20 (e)) s'étendent dans la direction longitudinale et sont rendus étanches au moyen d'une bande d'étanchéité longitudinale ( 26) qui chevauche les segments ( 25) de manière à déterminer un joint étanche à l'air efficace. Chacun des segments ( 20 (a) à 20 (e)) comprend au moins deux jeux axialement espacés de dispositifs de fixation com- prenant des organes de positionnement ( 21, 22) (représentés plus en détail sur la figure 3) qui sont disposés dans des moyens de positionnement ( 23, 24) prévus sur le carter externe ( 18) Les segments ( 20 (a)) comprennent un organe de position- nement ( 21) et deux organes de positionnement ( 22) Chaque segment ( 20 (a) à 20 (e)) comprend plusieurs aubes de stator ( 23) montées en porte-àfaux sur la paroi circonférentiellé de chaque segment. Si l'on se réfère en particulier à la figure 3, on verra que le moyen de positionnement ( 24 (a)), sur le carter externe ( 18), comprend un évidement ( 25) à l'extrémité la plus interne en direction radiale d'une joue radiale ( 26) de chaque section ( 18 (a) à 18 (e)) L'évidement ( 25) est défini par deux surfaces, à savoir une surface ( 27) inclinée dans une direction qui s'étend axialement le long du carter externe, et une surface circonférentielle ( 28) s'étendant axialement et définissant une surface d'étanchéité Les joues ( 26) com- prennent également un second moyen de positionnement ( 24 (b) défini par un évidement ( 29) dans lequel est disposé un segment adjacent Le second évidement ( 29) comprend une surface cylindrique ( 30) s'étendant axialement, disposée sur le même rayon que la surface ( 28), et les surfaces ( 28) et( 30) supportent les segments ( 20) sur un rayon fixe quand le compresseur est à l'arrêt La section ( 18 (a)) du carter externe comporte une joue additionnelle ( 26) à mi-chemin de se longueur. Cette joue additionnelle comprend un évidement ( 29) identique aux autres évidements ( 29). Les organes de positionnement ( 21) de chaque segment ( 20 (a) à 20 (e)) comprennent une joue circonférentielle ( 31) dressée en hauteur et faisant saillie en direction du carter externe ( 18), et ils comportent une surface inclinée ( 32) qui est en regard de la surface inclinée ( 27) des évidements ( 25), et une surface circonférentielle ( 33) qui est en contact avec la surface 28. Les organes de positionnement ( 22) des segments ( 20 (a) à 20 (e)) comprennent des joues circonférentielles ( 34) dressées radialement et faisant saillie vers le carter externe ( 18) La joue ( 34) comporte une partie en crochet ( 35) définie par une joue cylindrique, et la partie en crochet ( 35) présente une surface circonférentielle ( 36) en contact avec la surface ( 30). En fonctionnement, les sollicitations de forme gazeuse exercées sur ls segments ( 20 (a) à 20 (e)) par l'air comprimé alors qu'il s'écoule axialement dans le compresseur ( 13) agissent sur les aubes ( 23) du stator et poussent les segments ( 20 (a) à 20 (e)) vers l'avant comme l'indique la flèche (A) (figure 3) Ceci -amène la surface inclinée ( 32) à venir en contact avec la surface inclinée ( 27) et à glisser le long de la pente en forcant les surfaces ( 33) et ( 28) à venir en contact d'étanchéité mutuelle Dans le même temps, les surfaces cylindriques ( 36) et ( 30) permettent aux segments ( 20 (a) à 20 (e)) de glisser axialement par rapport au carter externe. Les sollicitations exercées par les gaz transmettent un moment de rotation aux segments ( 20) dans le sens des aiguilles d'une montre sur la figure 3, représenté par la flèche (Ma) L'effet net du mouvement vers l'avant des segments et de la rotation des segments due au moment de rotation est de solliciter les surfaces ( 33) et ( 36) radialement vers l'intérieur et de déterminer un joint étanche à l'air dans les régions (X) et (Y) pour réduire au minimum la fuite de l'air dans l'intervalle situé entre les carters ( 18,( 19). Les segments ( 20 (a)) comprennent chacun plusieurs rangées d'aubes de stator ( 23), mais les surfaces inclinées déterminent un joint à l'avant de chaque segment ( 20 (a)) et les crochets ( 35) déterminent des joints étanch Essà l'air sur les surfaces ( 30). La présente invention peut être appliquée à des carters les de rotors de turbines Dans ce cas,/sollicitations exercées par les gaz agissent vers l'intérieur et les surfaces inclinées ( 27) et ( 32) sont donc prévues à l'arrière des segments. On comprendra que les organes de positionnement ( 21), ( 22) puissent être prévus sur le carter externe ( 18) et les moyens de positionnement, c'est-à-dire les évidements ( 25), ( 29), sur le carter interne ( 19) En d'autres termes, la disposition représentée sur la figure 3 pourrait être inversée. On comprendra également que bien que les surfaces inclinées ( 17) soient représentées faisant face radialement vers l'intérieur, elles puissent être disposées pour faire face vers l'extérieur, cas dans lequel les surfaces circonféren- tielles ( 28 et ( 30) feraient face vers l'intérieur et con- fronteraient les surfaces inclinées de manière que si les surfaces inclinées glissaient le long de la pente, les surfaces ( 28), ( 33) seraient pressées l'une contre l'autre. Selon une autre modification, les surfaces ( 28) et ( 30) peuvent être non pas cylindriques mais coniques, pour former un évidement divergent Dans ce cas, les surfaces ( 33), ( 36) pourraient être cylindriques, auquel cas elles viendraient en contact avec des surfaces le long d'un contact linéaire, ou conique Cependant, cette disposition n'est pas préférable du fait de la difficulté du positionnement des segments sur un rayon prévisible. Les joues les plus externes ( 37) du carter externe ( 18) constituent des masses thermiques retardatrices contrôlant le taux de la dissipation thermique à partir du carter interne ( 19) et au travers des joues ( 26) et ( 37) Si on le souhaite, le carter externe ( 18) peut être entouré d'un autre carter ou d'un manchon pour définir une chambre autour du carter externe ( 18), au travers duquel l'air peut s'écouler de manière à per- mettre un contrôle plus précis du courant d'air de chauffage ou de refroidissement sur les masses de ralentissement Ainsi, il peut être possible de contrôler les jeux des pointes des aubes du rotor Dans cette disposition qui vient d'être décrite, les carters interne et externe ( 18) , ( 19) forment le carter structurel du rotor du compresseur. En outre, du fait que le carter interne ( 19) est disposé dans des évidements du carter externe, des mouvements en direction radiale du carter interne peuvent être contrôlés plus facilement, et on peut donc obtenir un meilleur contrôle des jeux des pointes des aubes ( 23) du stator et des aubes du rotor. 21 16980 REVENDICATIONS 1. Carter de rotor d'une turbomiachine, comprenant des carters interne et externe espacés radialement, le carter interne comportant un cylindre creux à segments, chaque segment comprenant une ou plusieurs aubes de stator faisant saillie radialement vers l'intérieur, le carter interne étant positionné par rapport au carter externe par un ou plusieurs jeux espacés radialement de dispositifs de fixation, chaque dispositif de fixation comprenant une paire de moyens de positionnement dont l'un est prévu sur le carter externe et l'autre est prévu sur chaque segment du carter interne, caractérisé en ce que l'un des moyens de positionnement ( 24 a) de chaque dispositif de fixation d'un premier des jeux est muni d'une première surface ( 27) inclinée dans une direction s'étendant axialement le long des carters ( 18,19) et une seconde surface ( 28) qui constitue une face d'étanchéité et qui forme un certain angle avec la première surface ( 27), et l'autre moyen de positionnement ( 21) de chaque dispositif de fixation du premier jeu étant muni de troisième et quatrième surfaces ( 32, 33) qui sont face à et viennent en engagement respectivement avec lesdites premièreet seconde surface ( 27, 28), l'un des moyens de positionnement ( 24 b) de chaque dispositif de fixation d'un second des jeux étant muni d'une cinquième surface ( 30) et les autres moyens de positionnement ( 22) de chaque paire du second jeu comprenant une sixième surface ( 36) qui vient en confrontation et en contact avec la cinquième surface ( 30) par rapport à laquelle elle peut se déplacer axialement, ls première ( 27), seconde ( 28), troisième ( 32), quatrième ( 33), cinquième ( 30) et sixième ( 36) surfaces étant toutes positionnées, conformées et disposées les unes par rapport aux autres de manière qu'en utilisation, les sollicitations gazeuses agissant sur les aubes ( 23) entraînent les segments ( 20) en direction axiale et sollicitent de ce fait la troisième surface ( 32) pour qu'elle vienne en contact avec la première surface ( 27) et amènent les segments ( 20) à glisser dans une direction le long de la pente de la première surface ( 27) pour solliciter les quatrième ( 33) et sixième ( 36) surfaces pour qu'elles viennent en contact d'étanchéité, respectivement, avec les seconde ( 28) et cinquième ( 30) surfaces. 2 Carter selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de positionnement ( 21) du premier jeu de dispositifs de fixation est prévu sur une extrémité amont de chaque segment ( 20) et le second jeu de dispositifs de fixation est prévu à une extrémité aval de chaque segment ( 20). 3 Carter selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de positionnement ( 24 a) qui comprend la première et la seconde surfaces ( 27,28) et le moyen de positionnement ( 24 b) qui comprend ladite cinquième surface ( 30) sont prévus sur le carter externe ( 18) et le moyen de positionnement ( 21) qui comprend lesdites troisième et quatrième surfaces ( 33) et le moyen de positionnement ( 22) qui comprend la sixième surface ( 36) sont prévus sur chacun des segments ( 20). 4. Carter selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de positionnement ( 2 Ce) qui comporte les première et seconde surfaces ( 27,28) et le moyen de positionnement ( 24 b) qui comporte la cinquième surface ( 30) sont prévus sur chaque segment ( 20) et le moyen de positionnement ( 21) qui comprend les troisième et quatrième surfaces ( 32, 33) et le moyen de positionnement ( 32) qui comprend la-sixième surface ( 36) sont prévus sur le carter externe ( 18). 5. Carter selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un organe d'étanchéité ( 26) est prévu pour rendre étanche les interstices circonférentiels situés entre segments adjacents ( 20) qui définissent le carter interne. 6. Carter selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de positionnement ( 24 a) qui comprend les première et seconde surfaces ( 27, 28) est muni d'un évidement ( 25) comportant deux surfaces se faisant mutuellement face ( 27, 28) qui définissent les première et 16980 seconde surfaces ( 27, 28). 7. Carter selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde surface ( 28) forme un angle aig f par rapport à la première surface ( 27). 8 Carter selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les seconde et cinquième surfaces ( 28,30) sont des surfaces cylindriques. 9. Carter selon la revendication 8, caractérisé en ce que les seconde et cinquième surfaces ( 28,30) sont des surfaces cylindriques de même rayon. 10. Carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les seconde et cinquième surfaces ( 28,30) sont des surfaces coniques 11. Carter selon la revendication 8, caractérisé en ce que les quatrième et sixième surfaces ( 33,36) sont des surfaces cylindriques qui coopèrent avec les seconde et cinquième surfaces ( 28,30). 12. Carter selon la revendication 10, caractérisé en ce que les quatrième et sixième surfaces ( 33,36) sont des surfaces coniques dont la forme est complémentaire de celle des seconde et sixième surfaces ( 28,30).