Brevet FR2522067A1 — publié le 19830826

La présente invention concerne un moteur à tur- bine à gaz et en particulier un moteur ayant un compres- s.eur avec des performances améliorées pendant les pério- des de fonctionnement transitoire du moteur. Un problème courant existant dans les turboma- chines telles que, par exemple, les compresseurs de tur- bine à gaz, est celui des réponses thermiques transitoi- res pendant les périodes de fonctionnement du moteur, connues sous le nom d'accélération rapide" et de "coupure rapide" Pendant ces périodes de fonctionnement transi- toire du moteur, de grandes variations rapides radiales ont lieu à la fois dans les composants du stator et du rotor. Pour empêcher toute interférence entre le stator et le rotor du compresseur pendant ces variations rapides tran- sitoires, on réalise des jeux entre le stator et les aubes du rotor Ces jeux dans les compresseurs classiques sont beaucoup trop grands à la fois pendant le fonctionnement transitoire et le fonctionnement non transitoire, agis- sant ainsi de manière défavorable sur le rendement du compresseur et la marge de décrochage Plus particulière- ment la paroi de l'enveloppe extérieure d'un stator de compresseur d'un moteur à turbine à gaz classique est une paroi métallique relativement mince, et elle répond rapi- dement aux changements de température pendant les pério- des de performances transitoires du moteur telles que "l'accélération rapide" (manette pleins gaz) ou la "coupure rapide" (réduction des gaz). En conséquence la présente invention a pour buts: d'améliorer les performances d'un moteur à turbine à gaz en réduisant le jeu pendant le fonctionne- ment transitoire; d'améliorer les performances d'un moteur à turbine à gaz en isolant la structure supportant la charge de frettage externe d'un carter de compresseur des effets excessifs de l'échauffement et du refroidissement pendant le fonctionnement transitoire; d'introduire une inertie thermique dans la paroi extérieure du carter pour réduire un gradient ther- mique la traversant; d'optimiser les jeux entre le carter du sta- tor et le rotor pour améliorer le rendement du moteur et les marges de décrochage du compresseur; de retarder la réponse thermique de la paroi extérieure pour obtenir une meilleure adaptation stator- rotor pour avoir un jeu optimum; de réaliser un carter de turbomachine pour entourer un rotor dans laquelle une paroi intérieure est fixée et isolée du carter pour régler les jeux radiaux entre le rotor et la paroi intérieure pour réaliser un jeu prédéterminé pendant le fonctionnement de la turbo- machine; d'améliorer les performances d'une turbine à gaz en coupant les trajets de charge de pression et de température à partir de la paroi intérieure vers la paroi extérieure supportant la charge. Dans une forme de l'invention, on réalise un carter de turbomachine pour entourer un rotor Le carter comporte une paroi extérieure structurelle On fixe une paroi intérieure non structurelle sur la paroi extérieure et on l'isole thermiquement pour régler un jeu radial entre le rotor et la paroi intérieure et ainsi réaliser un jeu prédéterminé pendant le fonctionnement de la turbo- machine. La description qui va suivre se réfère aux figu- res annexées qui représentent, respectivement: figure 1, une vue en coupe d'une partie d'un compresseur prise suivant unê direction axiale et montrant une réalisation de la présente invention; figure 2, une vue en coupe d'un rail de sup- port d'un étage de compresseur en relation avec la paroi extérieure du carter; figure 3, une vue en plan d'une section du rail de support; figure 3 A, une vue en coupe faite suivant la ligne 3 A-3 A; figure 4, une vue isométrique d'un bloc de fixation du rail de support; figure 5, un graphique comparant le jeu tran- sitoire dans un étage de compresseur avec le jeu transi- toire obtenu dans le même étage par une réalisation de la présente invention; figure 6, une vue d'une autre réalisation de la présente invention prise de la même manière qu'à la figure 1. En liaison maintenant avec la figure 1, on a représenté une vue en coupe d'une partie d'un compresseur d'un moteur à turbine à gaz Le compresseur 10 est constitué par un tambour de rotor cylindrique s'étendant axialement (non représenté), placé radialement à l'inté- rieur et espacé d'une paroi de carter 25 relativement mince pour former un passage annulaire d'écoulement du gaz (non représenté) La paroi de carter 25 comporte une moitié supérieure et une moitié inférieure (non représen- tée) qui sont assemblées par des brides et des boulons (non représentés) Une série d'aubes mobiles étagées 12, 14, 16 est fixée sur ce tambour de rotor, radialement vers l'extérieur, et s'étend à travers le passage d'écou- lement du gaz Le tambour et les aubes mobiles de rotor 12, 14, 16 sont entraînés en rotation par un arbre d'en- traînement (non représenté) dans le but de comprimer l'écoulement de gaz à l'intérieur du passage du gaz. On place directement en vis à vis par rapport aux aubes mobiles de rotor 12, 14, 16 le rail de support et les blocs de fixation d'extrémité de rail de support 24, 26, 28 qui sont attachés fixement à la paroi de carter 25 par des boulons filetés 30, 32, 34 respectivement. Les bouts d'aubes mobiles de rotor 12, 14, 16 sont espa- cés des blocs de fixation 24, 26, 28 d'une distance d On interpose des cales 31, 33, 35 entre la paroi de carter et les blocs de fixation 24, 26, 28 pour maintenir un espacement correct entre la paroi de carter 25 et les blocs de fixation 24, 26, 28 On a représenté ces blocs de fixation 24, 26, 28 de manière plus détaillée dans la vue isométrique de la figure 4 o l'on peut clairement voir les encoches latérales 40, 41 respectivement formées entre les épaulements 42, 43 et les côtés inclinés 44, 45. On réalise un gradin 87 sur le bloc de fixation 24 dont le but sera expliqué dans un paragraphe ultérieur En liaison à nouveau avec la figure 1, les aubes fixes de stator 18, 20, 22 comprennent des plates-formes de mon- tage respectives 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 Les plates- formes de montage 50, 52, 54, 56, 58, 60, 62 sont réali- sées de manière à s'ajuster respectivement dans les enco- ches 40, 41, 47, 49, 51, 53, 55 grâce à quoi les aubes fixes de stator 18, 20, 22 sont fixées à la paroi de carter 25 Immédiatement au-dessus des plates-formes de montage 52, 54, 56, 58, 60, 62, des aubes de stator et d'une surface intérieure de la paroi de carter 25 on trouve les espaces 64, 66, 68 dans lesquels on peut insé- rer une isolation 27, 29, 31 On notera que l'aube fixe 22, qui est une aube de diffuseur a une taille supérieure à celle des aubes de stator 18, 20 L'aube de diffuseur est située à l'extrémité arrière du carter et est la dernière aube du compresseur On réalise l'encoche 55 d'ajustement avec la plate-forme 62 dans une bague 95 placée en sand- wich entre la bride de carter 25 a et une bride structu- relle 97 On maintient la bague 95 entre les brides 25 a et 97 par un ensemble boulon et écrou 98. Le compresseur 10 comprend un ou plusieurs éta- ges constitués chacun d'un étage de rotor à multiples aubes et d'un étage fixe de stator à multiples aubes fixes et un compresseur axial comporte normalement plu- sieurs étages A l'intérieur de chaque étage, l'écoule- ment d'air est accéléré et décéléré avec pour résultat une élévation de pression Pour maintenir la vitesse axiale de l'air pendant que la pression augmente, l'aire de la section droite de l'écoulement diminue graduelle- ment, à chaque étage de compresseur, de l'extrémité basse pression à l'extrémité haute pression Le résultat final en bout de compresseur est un accroissement substantiel non seulement de la pression de l'air, mais aussi de la température. En liaison maintenant avec la figure 2 qui est une vue en coupe radiale d'un exemple de rail de support tel qu'utilisé dans l'invention, on a représenté le sec- teur de rail de support 70 (voir figures 3, 3 A) fixé à la paroi de carter 25 au moyen d'un trou fileté pour le boulon de fixation 74 pratiqué dans le bloc de maintien 73 Le secteur de rail de support 70, qui est fabriqué en Inconel 718, un alliage à base de nickel bien connu a une tolérance élevée à la chaleur et aussi un coeffi- cient élevé de dilatation thermique On réalise des blocs de maintien supplémentaires 72, 76 le long du rail 70 pour qu'ils soient en liaison avec une surface intérieure radiale 80 de la paroi de carter 25 Les extrémités 82, 84 du secteur de rail 70 sont formées avec un gradin res- pectif 83, 85 qui est adapté pour s'ajuster respective- ment dans les gradins 87, 89 formés sur les blocs de fixa- tion d'extrémité de rail de support 24, 24 a On remarquera que l'on a réalisé des jeux 92, 94 aux extrémités 82, 84 par rapport aux blocs de fixation d'extrémité de rail de support 24, 24 a pour permettre une dilatation circulaire du secteur de rail 70 En d'autres termes, pendant l'accé- lération rapide lorsque la température du moteur augmente, le secteur de rail 70 en Inconel se déplacera circulaire- ment-par augmentation de sa longueur qui sera absorbée dans les jeux 92, 94 En outre le rail en Inconel sera maintenu radialement en raison de la position des blocs de maintien 72, 76 contre la paroi de carter 25 En effet on a retardé la réponse thermique de la paroi de carter 25 après application de la chaleur en raison des propriétés de retardement du secteur de rail interne 70. On réalise onze cavités d'allègement 71 sur la longueur du secteur de rail 70 pour atteindre un poids minimum On réalise un espace supplémentaire au-dessus des cavités d'allègement 71 pour permettre de placer une iso- lation, par exemple du type couverture, entre la paroi extérieure de carter 25 et le secteur de rail 70 On utilise cette isolation tant pour protéger thermiquement les parois extérieures de carter que pour isoler thermi- quement les rails de support des parois extérieures de carter On remarquera qu'il n'a été étudié ici qu'un seul secteur de rail 70 alors que dans la pratique réelle on utilisera un nombre suffisant de secteurs de rail pour couvrir deux sections de carter couvrant 1800 de circon- férence chacune. De préférence, l'isolation 91 comprend un iso- lant du type laine de verre enfermé dans une feuille en acier inoxydable pour en permettre le maniement et l'ins- tallation Par exemple, on peut utiliser un isolant du type laine de verre disponible dans le commerce sous le nom de KAO-WOOL de Babcock and Wilcox, Co Si on le souhaite, le matériau isolant peut être sous forme de poudre telle que celle disponible dans le commerce sous le nom de MIN-K de JohnsManville Company On peut aussi utiliser, à la place de l'isolation du type couverture représentée, un revêtement formant barrière thermique pulvérisé à la flamme tel que le nickel, chrome, aluminium/ bentonite (Ni Cr AL-Bentonite) de METCO, Inc On peut aussi utiliser une céramique telle que l'oxyde d'yttrium-oxyde de zirconium pour isoler thermiquement la paroi extérieure de carter. Selon une réalisation de la présente invention, la paroi extérieure de carter en acier 25 telle que représentée figure 2 est une paroi structurelle c'est-à- dire qu'elle supporte une charge de frettage, tandis que la paroi intérieure de carter en Inconel 70, qui est fixée à la paroi extérieure de carter, est une paroi non-structurelle En raison de la relative minceur de la paroi extérieure de carter en acier 25, l'utilisation de carter à paroi unique a provoqué des réponses thermiques rapides aux changements de température de l'air surtout pendant les périodes de fonctionnement transitoire du moteur, par exemple, lors de l'accélération rapide ou de la coupure rapide Pendant l'accélération rapide la paroi de carter 25 répond à une augmentation de la température de l'air par une dilatation radiale plus rapide que la réponse thermique du rotor En conséquence le jeu radial "d" entre le carter de stator et les bouts d'aubes mobiles de rotor s'accroit substantiellement, le moteur à turbine devenant ainsi inefficace On peut observer ce phénomène en se reportant à la courbe en trait discontinu de la figure 5 qui est un graphique concernant un étage de com- presseur classique et représente le jeu transitoire moyen entre un bout d'aube mobile de rotor et le carter de stator pendant une période de fonctionnement du moteur. Une bosse de la courbe en trait discontinu représente les jeux du rotor qui résultent d'une accélération rapide. Un creux dans la même courbe juste avant la formation de la bosse est dû à l'accroissement des dimensions du rotor par rapport au carter de stator sous l'effet de contrain- tes, croissance qui est reliée à une caractéristique d'élasticité du métal. Pendant la coupure rapide, la paroi de carter aura tendance, de manière classique, à se contracter thermiquement plus rapidement que le rotor En même temps, il y a aussi une diminution initiale rapide des dimen- sions du rotor à cause du facteur d'élasticité Ces con- sidérations feront que le jeu augmentera après qu'un régime stabilisé de décollage a été atteint et provoque- ront un creux dans la courbe en trait discontinu autour du point indiquant le début de la coupure rapide. On peut se rendre compte à partir de la courbe en trait discontinu (art antérieur) de la figure 5 qu'il y a, par rapport au régime stabilisé de roulement au sol, une grande variation du jeu dans le compresseur pendant le fonctionnement du moteur, ce qui ne conduit pas à des performances optimum de ce dernier La courbe en trait plein représente les variations du jeu du compresseur selon l'une des réalisations de l'invention examinées ici. On peut se rendre compte aisément que les variations extrêmes du jeu pendant les périodes de fonctionnement transitoire ont été pratiquement éliminées avec pour résul- tat un fonctionnement amélioré du moteur De plus la pré- sence de matériau d'isolation réduit les jeux de manière souhaitable pendant les opérations en régime stabilisé par exemple en croisière et en roulement au sol. En liaison maintenant avec la figure 6, on a représenté une autre réalisation de la présente invention dans laquelle on a réalisé un agencement différent près de l'extrémité arrière du compresseur au voisinage de l'aube fixe de stator 101 et des aubes mobiles de rotor 102, 103 Le changement près de l'extrémité arrière du compresseur est constitué par l'utilisation d'une chemise d'un seul tenant 113 ayant deux bandes de frottement 100, 104, de même que deux rails de support 105, 106 Deux encoches 114, 115 placées en vis à vis sont situées dans les rails de support 105, 106 et sont agencées pour s'ajus- ter avec les plates-formes de montage respectives 107, 108 pour maintenir en position l'aube de stator 101 La che- mise d'un seul tenant 113 comprend deux cavités 109, 110 pour y placer une isolation 111, 112 Ainsi que décrit précédemment, la chemise d'un seul tenant 113 est un élément non structurel qui est fixé à une paroi extérieure de carter structurelle 25 c'est-à-dire qui supporte une charge de frettage La chemise d'un seul tenant 113, con- jointement avec l'isolation 111, 112, est conçue pour isoler thermiquement la paroi extérieure de carter 25 pendant les modes de fonctionnement transitoire pour réduire au minimum le défaut d'alignement radial entre la paroi extérieure de carter et le rotor. L'agencement de paroi intérieure non structu- relle de cette invention accroît la réponse thermique de la paroi extérieure de carter 25 réduisant ainsi le défaut d'alignement radial La constante de temps thermi- que est le temps nécessaire à la paroi de carter 25 pour atteindre une température égale à 66 % de la température de chauffage qui lui est appliquée L'utilisation, dans l'art antérieur de carters à paroi mince conduisait à une petite constante de temps c'est-à-dire que la paroi de carter atteignait relativement rapidement une température égale à 66 % de la chaleur appliquée Cet échauffement rapide provoquait des déviations radiales telles qu'un défaut d'alignement radial du fait de la dilatation ou de la contraction thermique de la paroi de carter exami- née précédemment. Dans la présente invention pendant les accéléra- tions rapides et les coupures rapides, les jeux d'extré- mité suivant la circonférence dans la paroi intérieure en secteurs du carter se forment et s'ouvrent librement. Cela coupe les trajets de charge, à la fois de la pres- sion et de la température, de la paroi intérieure vers la paroi extérieure de carter La coupure de ces trajets de charge améliore les caractéristiques de contrainte et de déformation de la paroi extérieure de carter tout en permettant le réglage des jeux radiaux entre les bouts d'aube de rotor et la paroi intérieure. Bien que l'on ait décrit la présente invention en relation avec un compresseur, on peut l'appliquer à d'autres types de turbomachines, telles que, par exemple, des turbines haute et basse pression On remarquera aussi que l'on peut utiliser différentes formes d'isolation pour obtenir les caractéristiques souhaitées de fonctionnement du moteur Par exemple, on peut utiliser des revêtements formant barrière thermique ou d'autres types d'isolation. REVENDICATIONS 1 Carter de turbomachine entourant un rotor, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) une paroi extérieure structurelle ( 25); et (b) une paroi intérieure non structurelle ( 24, ) fixée à la paroi extérieure ( 25) et isolée thermique- ment de cette dernière pour régler un jeu radial entre le rotor et la paroi intérieure ( 24, 70) et réaliser un jeu prédéterminé pendant le fonctionnement de la turbo- machine. 2 Carter de turbomachine selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la paroi intérieure ( 24, 70) comprend au moins deux rails de support ( 70) de plate- forme de montage d'aube fixés de manière amovible à la paroi extérieure ( 25), et ayant au moins une plate-forme de montage d'aube ( 52, 54) placée en appui entre eux et espacée de la paroi extérieure. 3 Carter de turbomachine selon la revendica- tion 1, caractérisé e ce que la paroi intérieure ( 24, 70) comporte au moins un rail de support ( 70) de plate-forme de montage d'aube fixé de manière amovible à la paroi extérieure ( 25) et ayant au moins uneplateforme de montage d'aube ( 50) placée en butée et espacée de la paroi extérieure. 4 Carter de turbomachine selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que l'espace ( 64, 66, 68) entre la paroi extérieure ( 25) et la plate-forme d'aube contient un matériau d'isolation thermique ( 27, 29, 31) ayant une valeur de résistance thermique de valeur prédéter- minée. Carter de turbomachine selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que le matériau d'isolation thermique est constitué par des isolations du type couverture. 6 Carter de turbomachine selon la revendication 5, 2.522067 caractérisé en ce que le matériau d'isolation thermique du type couverture comporte de la laine de verre. 7 Carter de turbomachine selon la revendica- tion 5, caractérisé en ce que le matériau d'isolation thermique du type couverture comporte une poudre. 8 Carter de turbomachine selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que le matériau d'isolation thermique comporte un revêtement de type intégral de Ni Cr AL-Bentonite. 9 Carter de turbomachine selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que le matériau d'isolation thermique comporte une céramique d'oxyde d'yttrium- oxyde de zirconium. Carter de turbomachine entourant un rotor, caractérisé en ce qu'il comporte: (a) une paroi extérieure structurelle ( 25), cette paroi extérieure ( 25) ayant un jeu relativement fai- ble à température élevée, et un coefficient de dilatation thermique relativement faible; (b) une paroi intérieure ( 24, 70) non structu- relle fixée à la paroi extérieure ( 25), cette paroi inté- rieure ( 24, 70) ayant un coefficient de dilatation ther- mique relativement élevé et un jeu relativement impor- tant à température élevée; et (c) la paroi intérieure ( 24, 70) étant isolée thermiquement de la paroi extérieure ( 25) pour régler un jeu radial entre le rotor et la paroi intérieure ( 24, 70) pendant le fonctionnement de la turbomachine. 11 Carter de turbomachine selon la revendica- tion 10, caractérisé en ce que la paroi intérieure ( 24, 70) comporte une série de secteurs ( 70) avec les secteurs adjacents qui sont sépàrés par des jeux d'extrémité circulaires ( 92,94). 12 Carter de turbomachine pour entourer un rotor, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour régler radialement les jeux entre un carter de stator et des bouts d'aube de rotor de la turbomachine de manière à maintenir des jeux uniformes pendant les périodes de fonctionnement transitoire; ces moyens comprenant une paroi intérieure ( 24, 70) en secteurs non structurelle reliée et isolée thermiquement du carter; de telle sorte que pendant les périodes de fonctionnement transitoire de la turbomachine, la dilatation de la paroi intérieure ( 24, 70) a lieu initialement dans une direction circu- laire, après quoi le carter et la paroi intérieure ( 24, 70) se dilatent radialement de manière régulière et en ce que le rotor de la turbomachine se dilate radialement en même temps que les deux parois de carter ( 25, 24, 70). 13 Méthode de réglage de jeux radiaux entre un carter de stator cylindrique et un rotor de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle consiste à: (a) réaliser une paroi intérieure non structu- relle ( 24, 70) en appui contre et radialement espacée du carter de stator; (b) réduire l'amplitude de la réponse thermique du carter résultant d'un changement de température de la paroi intérieure ( 24, 70); (c) retardant ainsi, pour une durée prédétermi- née, la réponse thermique du carter. 14 Méthode de réglage de jeux radiaux selon la revendication 13, caractérisée en ce que l'étape (a) consiste à fixer de manière amovible deux rails de sup- port ( 70) de plate-forme de montage d'aube au carter de stator, ces rails de support ( 70) de plate-forme de mon- tage ayant au moins une plate-forme de montage d'aube placée en appui entre eux et espacée du carter de stator. Méthode de réglage de jeux radiaux selon la revendication 13, caractérisée en ce que l'étape (b) consiste à placer un matériau d'isolation thermique ayant une résistance thermique de valeur prédéterminée dans l'espace intermédiaire ( 64, 66, 68) entre le carter de stator et la plate-forme de montage d'aube. 16 Méthode de réglage de jeux radiaux selon la revendication 15, caractérisée en ce que l'étape (b) consiste à placer une isolation du type couverture dans l'espace intermédiaire ( 64, 66, 68) entre le carter de stator et la plate-formeede montage d'aube. 17 Méthode de réglage de jeux radiaux selon la revendication 15, caractérisée en ce que l'étape (b) consiste à déposer un revêtement formant barrière thermi- que pulvérisé à la flamme dans l'espace intermédiaire ( 64, 66, 68) entre le carter de stator et la plate-forme de montage d'aube.