Brevet FR2515733A1 — publié le 19830506

Procédé et système pour le contrôle actif des espaces libres d'une turbine à_a:z. La présente invention concerne des turbines à gaz et, plus spécifiquement, le contrôle actif des espaces libres compris entre les éléments d'étanchéité opposés des assemblages de rotor et de stator. De façon bien connue dans l'industrie des turbines à gaz, le rendement d'une turbine de ce type est proportionnel aux fuites des gaz du milieu de tra- vail entre les éléments d'étanchéité opposés des as- semblages de rotor et de stator Des techniques et des concepts destinés à réduire ces espaces libres font continuellement l'objet d'études et de mises au point. Une catégorie de techniques sont celles relati- ves au "contrôle actif des espaces libres", techniques selon lesquelles les espaces libres sont réglés en fonc- tion des conditions opératoires de la turbine L'ob- jectif à atteindre est d'établir des espaces libres mi- nima dans des conditions opératoires stables, mais en maintenant toujours, lors d'un fonctionnement dans des conditions transitoires, un espace libre suffisant pour empêcher une interférence destructrice entre des élé- nents tournant l'un par rapport à l'autre Des exem- ples de concepts et de structures permettant de con- trôler localement les espaces libres ménagés entre les têtes des aubes mobiles sont donnés dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique No 3 039 737 au nom de Kolthoff, intitulé "Device for Controlling Clearance Between Rotor and Shroud of a Turbine"; 3 966 354 au nom de Patterson, intitulé "Thermal Actuated Valve for Clearance Control"; 3 975 901 aux noms de Hollinger et al., intitulé "Device for Regulating Turbine Blade Tip Clearance"; et 4 213 296 au nom de Schwarz, intitulé "Seal Clearance Control System for a Gas Turbine" Dans certaines formes de réalisation, on utilise de l'air relativement chaud pour déplacer les joints d'étanchéi- té à l'écart des têtes des aubes mobiles et, dans d'au- tres formes de réalisation, on utilise de l'air relati- vement froid pour déplacer les joints d'étanchéité vers les têtes des aubes mobiles Les concepts sont parfois combinés dans la même structure. Dans les turbines à gaz de fabrication récen- te utilisées dans l'aviation commerciale, par exemple, le modèle "JT 9 D7 R 4 " fabriqué par "Pratt & Whitney Aircraft, Division of United Technologies Corporation", sont incorporés des systèmes de contrôle d'espaces li- bres agissant sur un grand segment de la turbine en vue de faire correspondre étroitement la dilatation thermi- que des éléments du stator avec celle des éléments du rotor Principalement, de l'air de refroidissement ou de chauffage est projeté sur l'extérieur du carter de la turbine à l'emplacement du segment à contrôler On observe alors la contraction ou la dilatation souhai- tée Des exemples des concepts utilisés dans les sys- tèmes de type externe sont donnés dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique No 4 069 662 aux noms de Redinger et al, intitulé "Clearance Control for Gas Turbine Engine"; 4 019 320 aux noms de Redinger et al, intitulé "External Gas Turbine Engine Cooling for Clearance Control"; et 4 279 123 aux noms de Griffin et al, in- titulé "External Gas Turbine Engine Cooling for Clearance Control". Des techniques d'avant-garde adoptées actuel- lement pour effectuer un refroidissement segmentaire consiste en une importante distribution d'air de refroi- dissement à l'intérieur du carter Cet air de refroi- dissement s'écoule le long de la surface intérieure de la turbine entre le parcours d'écoulement du milieu de travail et le carter de la turbine. Ces concepts sont illustrés à titre d'exemple dans les brevets des EtatsUnis d'Amérique No 3 957 391 au nom de Vollinger, intitulé "Turbine Cooling"; 3.975 112 aux noms de Brown et al, intitulé "Apparatus for Sealing Gas Turbine Flow Path; 4 005 946 aux noms de Brown et al, intitulé "Method and Apparatus for Controlling Stator Thermal Growth"; et 4 242 042 au nom de Schwarz, intitulé "Temperature Control of Engine Case for Clearance Control". En dépit de l'efficacité de ces systèmes de la technique antérieure, les hommes de science et les ingénieurs travaillant dans l'industrie des turbines à gaz recherchent toujours des systèmes perfectionnés basés sur une utilisation judicieuse d'air de refroidis- sement/chauffage. Suivant la présente invention, on fait varier le débit et la température de l'air utilisé dans un système de contrôle actif d'espace libre pour modifier la température du carter de la turbine, par une distri- bution de proportions modulatrices d'air sous une pres- sion et à une température relativement basses et d'air sous une pression et à une température relativement éle- vées en réponse aux conditions opératoires de la turbi- ne. Suivant une forme de réalisation élaborée de l'invention, l'air destiné à modifier la température d'un carter peut s'écouler vers un ou plusieurs espaces annulaires circonscrivant les carters à contrôler et desquels il pénètre ensuite à l'intérieur de ces der- niers pour refroidir les éléments situés à proximité du parcours d'écoulement défini dans la turbine. Une caractéristique principale de la présente invention réside dans l'utilisation d'air provenant de deux sources pour modifier la température du carter de la turbine L'air sous une pression et à une tempéra- -2515733 ture relativement basses provenant du compresseur-est mélangé avec de l'air sous une pression et à une tem- pérature relativement élevées distribué par une ou plusieurs soupapes de modulation Ces soupapes sont à même de faire varier les proportions de l'air prove- nant de chaque source afin d'effectuer le refroidisse- ment du carter à des températures et des débits diffé- rents. Dans une forme de réalisation détaillée, un bandage circonscrit chaque carter de turbine à contrô- ler en en étant espacé L'air destiné à modifier-la température du carter peut s'écouler vers l'espace ain- si défini, après quoi il passe à travers des ouvertures pratiquées dans le carter et pénètre à l'intérieur de 1 S la turbiné afin de refroidir les éléments adjacents au parcours d'écoulement de cette dernière. Un avantage principal de la présente invention réside dans l'utilisation judicieuse de l'air destiné à modifier la température du carter en vue de contrôler le diamètre de ce dernier Les espaces libres internes présents aux joints d'étanchéité entre les structures de rotor et de stator sont réduits au minimum en adap- tant le diamètre du carter en fonction de la dilatation escomptée du rotor dans diverses conditions opératoires de la turbine Sous un autre aspect, l'air de refroidis- sement de la turbine qui est utilisé pour protéger les éléments de cette dernière adjacents au parcours d'écou- lement, est dévié en cours de route dans le but de modi- fier préalablement la température du carter de la tur- bine L'utilisation séquentielle de l'air du compres- seur pour ces fonctions auxiliaires, ainsi que le con- trôle des espaces libres réels donnent lieu à un meil- leur rendement de la turbine. Les caractéristiques et avantages précités de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-après du meilleur mode de mise en oeuvre de l'invention, en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en élévation latérale simplifiée d'une turbine à gaz, avec des parties éla- guées en coupe transversale; la figure 2 est une vue en élévation latérale simplifiée d'une partie de la turbine, cette vue illus- trant le trajet double de l'air destiné à modifier la température du carter de la turbine; la figure 3 est une vue simplifiée d'une par- tie de la section de turbine proprement dite, cette vue illustrant la distribution de l'air de refroidis- sement à l'intérieur de la turbine; et la figure 4 est un diagramme "ponctuel" illustrant la dilatation thermique relative entre le rotor et le stator de cette turbine. La figure 1 illustre, par une coupe transver- sale partielle, une turbine à gaz du type-utilisé dans l'aviation, capable de mettre en oeuvre les concepts de la présente invention Cette turbine comprend prin- cipalement une section de compression à basse pression , une section de compression à haute pression 12, une section de combustion 14, une section de turbine à haute pression 16 et une section de turbine à basse pression 18 La turbine illustrée est du type à rotor double comportant un premier arbre 20 réunissant un as- semblage de rotor de turbine supérieur 22 à un asseni- blage de rotor de compresseur supérieur 24 et un second arbre 26 réunissant un assemblage de rotor de turbine inférieur 28 à un assemblage de rotor de compresseur inférieur 30. Les assemblages de rotors respectifs sont loges dans un carter de compresseur inférieur 32, un carter de compresseur supérieur 34, un carter de turbine supé- rieur 36 et un carter de turbine inférieur 38 Des rangées d'aubes mobiles (représentées par les aubes individuelles 40) s'étendent vers l'extérieur en di- rection des carters de la turbine Des rangées d'au- bes fixes (représentées par les aubes individuelles 42) sont supportées par les carters de la turbine, à partir desquels elles s'étendent vers l'intérieur en une disposition interdigitée par rapport aux aubes mo- biles 40 Un parcours d'écoulement 44 pour les gaz du milieu de travail s'étend axialement à travers la turbine entre les rangées d'aubes mobiles et les ran- gées d'aubes fixes. Les rangées d'aubes mobiles 40 sont circons- crites par des joints d'étanchéité à l'air extérieur essentiellement cylindriques 46 Les positions de ces joints par rapport aux têtes des aubes mobiles dépendent dans une large mesure du diamètre du carter de turbine qui les supporte, ainsi que de la tempéra- ture des aubes mobiles En particulier, dans la sec- tion de turbine, les positions relatives que l'on ap- pelle "espace libre", peuvent varier fortement dans l'intervalle opératoire de la turbine, étant donné que les aubes mobiles et le carter sont soumis à des condi- tions thermiques ambiantes différentes La courbe A de la figure 4 représente la position radiale des tê- tes des aubes mobiles à un endroit déterminé de la sec- tion de turbine en fonction-des conditions opératoires de la turbine La courbe B de la figure 4 représente la position radiale du joint d'étanchéité à l'air exté- rieur à l'endroit correspondant de la turbine en fonc- tion des conditions opératoires de cette dernière. L'intervalle X entre les deux courbes illustre l'espace libre auquel on doit s'attendre entre les deux éléments tournant l'un par rapport à l'autre qui font partie d'une turbine ne mettant pas en application les concepts du contrôle actif des espaces libres tels qu'ils se- ront décrits ci-après. La vue en élévation latérale simplifiée de la figure 2 illustre un appareil réalisé selon les con- cepts de la présente invention Un premier collecteur 48 est en communication d'écoulement de gaz avec le com- presseur à un étage à pression et température relative- ment basses Un second collecteur 50 est en communica- tion d'écoulement de gaz avec le compresseur à un étage à pression et température relativement élevées situé, par exemple, en aval de l'étage de compression final. Une conduite à basse pression 52 relie le collecteur 48 à une soupape de modulation et de mélange 54; une con- duite à haute pression 56 relie le collecteur 50 à la soupape 54. La soupape de modulation et de mélange 54 est à même de recevoir la double source d'air provenant du compresseur et de moduler l'écoulement de chacune de ces sources d'air en vue d'engendrer un effluent ayant une température> une pression et un débit désirés. Dans certaines formes de réalisation, la soupape peut être subsidiairement capable d'engendrer deux effluents ayant chacun des températures, des pressions et des dé- bits individualisés L'effluent partant de la soupape s'écoule vers la section de turbine proprement dite en passant par une ou plusieurs conduites 58 Dans la structure illustrée, une seconde soupape de modulation et de mélange montée sur le côté opposé de la turbine est à même de décharger l'effluent, via une seconde conduite 60, vers un point de la turbine situé en aval. La première conduite illustrée 58 assure la décharge vers la section de turbine à haute pression 16, tandis que la seconde conduite illustrée 60 assure la décharge vers la section de turbine à basse pression 18. La figure 3 qui est une coupe transversale de la turbine, illustre la distribution de l'effluent de- puis les soupapes de modulation et de mélange jusqu'à la section de turbine à haute pression 16 via la première conduite 58 et, via la seconde conduite 60, jusqu'à la section de turbine à basse pression 18 Dans la sec- tion de turbine à basse pression, le carter 38 est cons- titué d'une structure à paroi double comprenant un car- ter intérieur 62 et un carter extérieur ou bandage 64. L'effluent provenant de la soupape de modulation et de mélange peut s'écouler vers un espace 66 compris entre le carter intérieur et le bandage dans le but de modi- fier la température du carter en fonction des conditions opératoires de la turbine De cet espace, l'air de mo- dification de température peut passer par des ouvertu- res 68 pratiquées dans le carter intérieur, pour péné- trer à l'intérieur de la turbine en vue d'assurer un refroidissement ultérieur des éléments moteurs de la turbine. Au cours du fonctionnement de la turbine, les gaz du milieu de travail sont comprimés, à l'intérieur de la section de compression, à des rapports de pres- sion de l'ordre de trente à un ( 30:1), après quoi ils sont brûlés avec le carburant dans la section de combus- tion L'effluent chaud quittant la section de combus- tion subit une expansion à travers la section de turbi- ne afin d'engendrer la force motrice requise pour en- traîner le compresseur Les pressions engendrées en travers de la section de compression d'une turbine spé- cifique s'élèvent, à chacun des étages successifs, de la pression atmosphérique jusqu'à une valeur de l'ordre de 31 bars dans les conditions de décollage au niveau de la mer De manière correspondante, les températures régnant en travers de la section de compression s'élè- vent, à chacun des étages successifs, de la température ambiante jusqu'à une valeur de l'ordre de 6200 C dans les conditions de décollage au niveau de la mer Les températures correspondantes atteintes à l'admission de la section de turbine sont de l'ordre de 13700 C. Des variations radicales survenant dans les températu- res de la turbine au cours du cycle opératoire de cette dernière rendent indispensable un contrôle des espaces libres créés entre les structures rotatives et fixes sous l'influence d'environnements différents. Selon les concepts de la présente invention, on recourt à un chauffage et un refroidissement du car- ter en conformité avec le cycle opératoire de la turbi- ne en vue d'établir une correspondance étroite entre la dilatation du rotor et celle des joints d'étanchéité supportés par le carter L'air de modification de tem- pérature du carter est utilisé pour assurer ce chauffa- ge et ce refroidissement Cet air de modification est constitué de proportions variables d'air de chauffage et d'air de refroidissement acheminés du compresseur de la turbine au segment de carter à refroidir Le ta- bleau ci-après illustre des caractéristiques représenta- tives de l'air modificateur de température de carter produit comme effluent à partir d'une soupape de modula- tion et de mélange telle que celle décrite ici Les données relatives aux pressions, aux températures et aux débits sont représentatives d'une turbine de la classe développant une poussée de 18 000 kp au régime de ralen- ti, lors d'un décollage au niveau de la mer et en régime de croisière Ces données concernent un système du type en deux parties comprenant une première soupape de modu- lation alimentée par une source d'air double pour le contrôle de décharge et de température du carter de la section de turbine à haute pression, ainsi qu'une secon- de soupape de modulation alimentée par une source d'air double pour le contrôle de décharge et de température du carter de la section de turbine à basse pression. 2 515733 SECTION DE TURBINE A HAUTE PRESSION Régime de ralenti Décol- lage au niveau de la mer Régime de croisiè- re Pression Température Débit Pression Température Débit Pression Température Débit Source à basses pres- sion et tem- pérature 1,86 bar 143 C 0,0 kg/sec 9,37 bars 382 C 0,045 kg/sec 4,48 bars 304 C 0,070 kg/sec Source à pression et température élevées 4,2 bars 221 C 0,027 kg/sec 29,9 bars 599 C 0,099 kg/sec 13,58 bars 482 C 0,0 kg/sec Air de modifi- cation de tempé- rature de la sec- tion de turbine à haute pression 1,72 bar 221 C 0,027 kg/sec 8,96 bars 521 C 0,145 kg/sec 4,13 bars 304 C 0,070 kg/sec SECTION DE TURBINE A BASSE PRESSION Source à basses pres- sion et tem- pérature Source à pression et température élevées Air de modifi- cation de tempé- rature de la sec- tion de turbine à haute pression Régime de ralenti Pression Température Débit Décol- lage au niveau de la mer Régime de croisiè- re Pression Température Débit Pression Température Débit ,17 bars 304 C 0,29 kg/sec 2,27 bars 216 C 0,254 kg/sec 29,7 bars 599 C 0,238 kg/sec 13,58 bars *482 C 0,0 kg/sec 4,27 bars 438 C 0,529 kg/sec 1,93 bar 216 C 0,254 kg/sec 1,37 bar 104 C 0,0 kg/sec 4,2 bars 221 C 0,0 kg/sec O -0- -0- La ou chacune des soupapes de modulation peut être contrôlée en réponse aux conditions opératoires de la turbine en vue d'engendrer les effluents décrits ci-dessus Les soupapes de modulation sont contrôlées en réponse aux conditions opératoires de la turbine. On sélectionne, pour le contrôle, des paramètres repré- sentatifs des conditions opératoires de la turbine, par exemple, la température du carter, la vitesse du rotor, les taux de pression de la turbine, le nombre de Mach en altitude, la température de la turbine et la tempé- rature des gaz d'échappement En ce qui concerne la turbine représentative décrite ci-dessus, on a sélec- tionné, pour le contrôle, les paramètres suivants v la vitesse de rotation de l'arbre en tours/minute, l'al- titude et le nombre de Mach en vol. Vitesse du Vitesse du Altitude Nombre rotor infé rotor supé de Mach rieur riçur en vol Régime de 1 115 tours/ 10 063 tours/ O m 0,0 ralenti minute minute au sol Décollage au 3 923 tours/ 14 045 tours/ O m 0,0 niveau de la minute minute mer Régime de 3 902 tours/ 13 178 tours/ 10 668 m 0,80 croisière minute minute En se référant à nouveau au diagramme "ponctuel" de la figure 4, la courbe C représente la position ra- diale du joint d'étanchéité à l'air extérieur à mesure de sa variation dans l'intervalle opératoire de la tur- bine suite à la modification du carter support conformé- ment aux concepts de la présente invention et en fonc- tion des paramètres détectés, en l'occurrence, le nombre de tours/minute de l'arbre, l'altitude et le nombre de Mach en vol L'intervalle Y représente l'espace libre -2515733 relatif pouvant être atteint entre les têtes des aubes mobiles et le joint d'étanchéité à l'air extérieur cor- respondant L'espace libre est non seulement forte- ment réduit comparativement à celui obtenu dans des S conditions non contrôlées, mais, en ce qui concerne le contour, il correspond également étroitement à la posi- tion radiale des têtes des aubes L'espace libre mini - mum nécessaire pour éviter des interférences destruc- trices est assuré. Bien que l'invention ait été décrite en se référant à une forme de réalisation de turbine particu- lière, il est entendu qu'elle n'y est nullement limitée et que diverses modifications peuvent y être apportées sans se départir de l'esprit et du cadre de son nou- veau concept. 13 - REVENDICATIONS 1 Procédé en vue de contrôler l'espace libre compris entre les éléments d'étanchéité opposés de l'assemblage de rotor et de l'assemblage de stator d'une turbine à gaz, ca- ractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à: acheminer de l'air sous pression et à température re- lativement basses du compresseur ( 12) de la turbine à une soupape de modulation et de mélange ( 54); acheminer de l'air sous pression et à température re- lativement élevées du compresseur ( 12) de la turbine à cet- te soupape de modulation et de mélange ( 54); mélanger l'air sous pression et à température relati- vement basses avec l'air sous pression et à température re- lativement élevées à la soupape de modulation ( 54) dans des proportions dépendant fonctionneilement des conditions opé- ratoires de la turbine; et acheminer ce mélange d'air à la section de turbine proprement dite ( 16) et contre le carter ( 36) de cette der- nière en vue de faire varier thermiquement le diamètre de ce carter et assurer ainsi un contr 1 ôle des espaces libres compris entre les assemblages de rotor et de stator. 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les proportions d'air sous pression et à température relativement basses et d'air sous pression et à teyérature re 1 ativnent élevées sont sélectionnées pour produire un mélange d'air ayant une température, une pression et un débit désirés en vue d'une utilisation judicieuse dans la modification ther- mique du diamètre du carter ( 36) de turbine sous l'action de la soupape de modulation ( 54). 3 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également les étapes qui consistent Aà acheminer de l'air sous pression et à température re- lativement basses du compresseur ( 12) de la turbine à une seconde soupape de modulation et de mélange; acheminer de l'air sous pression et à température re- lativement élevées du compresseur ( 12) de la turbine à cette seconde soupape de modulation et de mélangeî mélanger l'air sous pression et à température relati- vement basses avec l'air sous pression et à température re- 14 - lativement élevées à la seconde soupape de modulation dans des proportions dépendant fonctionnellement des conditions opératoires de la turbine; et acheminer ce mélange d'air produit à la seconde sou- pape de modulation vers la section de turbine ( 18) à un en- droit situé en aval par rapport à celui auquel est acheminé le mélange d'air produit à la première soupape de modula- tion, et contre le carter ( 38) à cet endroit situé en aval en vue de faire varier thermiquement le diamètre du carter à cet endroit. 4 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange d'air acheminé à la turbine ( 16) lors d' un décollage au niveau de la mer comprend à la fois des pro- portions de l'air sous basse pression et à basse températu- re, ainsi que de l'air sous haute pression et à température élevée, tandis que le mélange d'air fourni en régime de croisière comprend uniquement la partie de l'air du compres- seur ( 12) qui est sous basse pression et à basse températu- re. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les proportions d'air sous bas- se pression et à basse température, ainsi que d'air sous pression et à température élevées acheminées et mélangées à la soupape de modulation ( 54) varient en réponse à un ou plusieurs paramètres choisis parmi le groupe comprenant la vitesse du rotor inférieur, la vitesse du rotor supérieur, l'altitude et le nombre de Mach en vol. 6 Turbine à gaz du type comportant des sections de compression et de turbine ( 12,16) constituées d'un assembla- ge de rotor circonscrit par un assemblage de stator, et com- prenant un moyen destiné à faire varier le diamètre du car- ter ( 36) de la turbine en vue de contrôler l'espace libre compris entre les assemblages de rotor et de stator, carac- térisée par le perfectionnement comprenant: une soupape de modulation et de mélange d'air ( 54) apte à recevoir de l'air sous pression et à température re- lativement basses, ainsi que de l'air sous pression et à température relativement élevées provenant du compresseur ( 12), avant de mélanger cet air dans des proportions dépen- - dant fonctionnellement des conditions opératoires de la tur- bine et de décharger ensuite le mélange obtenu; un collecteur ( 48) prévu au compresseur ( 12) pour re- cueillir l'air sous pression et à température relativement basses; une conduite ( 52) réunissant ce collecteur à la sou- pape de modulation ( 54); un collecteur ( 50) prévu au compresseur ( 12) pour re- cueillir l'air sous pression et à température relativement élevées; une conduite ( 56) réunissant ce collecteur à la soupa- pe de modulation ( 54); et une conduite ( 58) destinée à acheminer, au carter ( 36) de la turbine ( 16), le mélange d'air déchargé de la soupape de modulation ( 54). 7 Turbine à gaz suivant la revendication 6, caracté- risée en ce que le carter ( 38) de cette turbine ( 18) est une structure à paroi double comportant un carter intérieur ( 62) et un bandage ( 64) espacé de ce dernier, la conduite ( 58) destinée à acheminer le mélange d'air étant à même de déchar- ger ce mélange dans l'espace ( 66) compris entre le carter intérieur ( 62) et le bandage ( 64) en vue de modifier la température du carter ( 38) de la turbine ( 18). 8 Turbine à gaz suivant la revendication 7, caracté- risée en ce que le carter intérieur ( 62) comporte plusieurs ouvertures ( 68) grâce auxquelles l'air déchargé dans l'es- pace ( 66) compris entre ce carter intérieur ( 62) et le ban- dage ( 64), peut s'écouler ensuite à-l'intérieur du carter ( 38) de la turbine ( 18) en vue de refroidir les éléments de cette dernière.