Brevet FR2556772A1 — publié le 19850621

_- d- L'invention concerne d'une manière générale les moteurs à turbine et plus particulièrement les moyens de support des aubes fixes de turbine à calage variable sur ces moteurs. Les moteurs à turbine à gaz comportent générale- ment une chambre de combustion pour engendrer un écoulement de gaz. Des aubes de turbine reliées à un rotor sont situées à l'arrière de la chambre de combustion et à l'intérieur du trajet d'écoulement des gaz de manière à en extraire l'éner- gie utile. De manière à optimiser la quantité d'énergie extraite, une grille d'aubes est placée de manière classique entre la chambre de combustion et les aubes mobiles de tur- bine pour faire tourner le courant gazeux. En donnant à l'écoulement une composante circulaire, on peut atteindre des vitesses d'aube de turbine plus élevées. Dans de nombreux moteurs à turbine à gaz, il est souhaitable de faire tourner les aubes pour régler le débit de gaz entre lesdites aubes. Par exemple, dans les applica- tions pour moteurs d'avion, les demandes en puissance peu- vent être différentes suivant les conditions de vol. Par conséquent, on peut avantageusement utiliser une rangée d'aubes de turbine à calage variable. Cependant, pour être totalement efficace, toute grille d'aubes de turbine à ca- lage variable doit être montée de manière à minimiser les fuites de gaz à partir du trajet d'écoulement et autour du -2- profil de pale. Dans un moteur classique contenant une chambre de combustion annulaire, une enveloppe annulaire avec des parois intérieure et extérieure d'enveloppe entourent la chambre de combustion. L'enveloppe définit un trajet d'écou- lement entre la chambre de combustion et l'enveloppe pour faire circuler l'air de manière à refroidir les parois de la chambre de combustion. L'enveloppe s'étend au-delà de l'ex- trémité arrière de la chambre de combustion et fournit -la structure à laquelle on doit fixer la grille d'aubes. Par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 663 118 décrit un tel montage. Le problème qui se présente lors de l'utilisation de parois d'enveloppe extérieure et intérieure comme support est que ces dernières présentent un différentiel de vitesse de dilation thermique dû au fait que la paroi d'enveloppe intérieure est plus chaude de 200 ou 300 C que la paroi d'enveloppe extérieure. Ainsi, la paroi intérieure présente un déplacement axial plus important du fait de la dilatation thermique que la paroi extérieure. Ceci peut solliciter les joints créant ainsi des trajets d'écoulement de fuite de gaz. En outre, les aubes de turbine peuvent gripper sur le carter les entourant dans la mesure ou leurs axes ne sont plus ou sont mal alignés. Une variante au montage de la grille d'aubes sur les parois d'enveloppe intérieure et extérieure est un mon- tage sur seulement la paroi extérieure dans un agencement en porte-à-faux. On réalisera un joint flottant à proximité du pied d'aube pour empêcher les fuites. Le problème de cette solution est qu'elle nécessite une structure beaucoup trop importante pour s'opposer à la contrainte de flexion induite sur les aubes par l'écoulement gazeux. De plus, du fait du différentiel de température décrit ci-dessus, on doit réa- liser un jeu radial plus grand que la normale pour assurer le non grippage dans tous les cas. Ces jeux sont réglés par - 3 - des joints flottants qui ont la possibilité de laisser fuir des quantités de gaz relativement importantes. La présente invention a pour buts de: - réaliser un support perfectionné pour une grille d'aubes à calage variable; - réaliser un moyen nouveau-et perfectionné pour empêcher des fuites de gaz autour d'une grille d'aubes à calage variable de turbine; - réaliser un moyen nouveau et perfectionné pour empêcher le grippage d'une grille d'aubes à calage variable de turbine; - réaliser un moyen nouveau et perfectionné de fixation d'une grille d'aubes à calage variable à une cham- bre de combustion. Selon un mode-de réalisation, la présente inven- tion comprend des moyens de fixation axiaux pour fixer une grille d'aubes à calage variable de turbine à une chambre de combustion dans un moteur à turbine à gaz. La grille est située à l'arrière de la chambre de combustion qui comporte des parois de chambre de combustion intérieure et exté- rieure. Les moyens de fixation axiale ont une configuration telle que pratiquement toute la charge axiale sur la grille est transmise aux parois de la chambre de combustion. La description qui va suivre se réfère aux figures annxées qui représentent respectivement: figure 1, une vue en coupe d'une chambre de com- bustion et d'une grille d'aubes à calage variable fixée sur la chambre de combustion suivant un mode de réalisation de la présente invention; figure 2, une vue en coupe agrandie de la grille d'aube à calage variable représentée en figure 1; figure 3, une vue prise le long de la ligne 3-3 de la figure 2. La figure 1 représente une vue d'une chambre de combustion annulaire 10 et d'une roue de turbine 12 dans un -4- moteur à turbine à gaz selon un mode de réalisation de l'in- vention. Une grille 14 d'aubesde turbine à calage variable est située à l'arrière de la chambre de combustion 10 et à l'avant de la roue de turbine 12. En fonctionnement, l'air et le combustible sont brûlés à l'intérieur de la chambre de combustion 10 pour engendrer un courant gazeux à grande vitesse 16. On fait tourner le courant gazeux 16 pour donner à sa direction une composante tangentielle à mesure qu'il passe dans la grille d'aubes 14. Le courant gazeux 16 per- cute ensuite la roue de turbine 12 qui en extrait l'énergie par rotation en réaction à la force de l'écoulement. La chambre de combustion 10 comporte des parois de chambre de combustion intérieure 18 et extérieure 20. Comme représenté, les parois 18 et 20 ont une épaisseur unique; cependant, dans le cadre de la présente invention, on peut avoir des parois ayant plusieurs épaisseurs. Par exemple, on utilise fréquemment différentes configurations de chemise à l'intérieur des parois de support créant ainsi une chambre de combustion à double paroi. Une série d'étriers 24 est située à l'extrémité avant 22 de la chambre de combustion 10. On peut les relier à l'élément de chassis 26 au moyen d'axes 28. Chaque axe 28 peut être adapté pour s'assembler avec un étrier 24 de sorte qu'un contact axial vers l'avant et un jeu circulaire entre l'axe 28 et l'étrier 24 ait lieu. Ceci permet de transmettre les charges axiales dans les parois de chambre de combustion 18 et 20 à l'enveloppe 30, tout en empêchant la transmission des charges périphériques. Pour des facilités d'installation chaque axe 28 s'étend au-delà de la paroi extérieure d'enve- loppe 34. La chambre de combustion 10 est donc ainsi sup- portée en ce qui concerne les charges axiales. On peut réa- liser de nombreuses variantes de support axial vers l'avant pour la chambre de combustion 10 et elles seront évidentes pour l'homme de l'art. Il est clair que la présente inven- tion n'est pas limitée au mode de réalisation particulier décrit et représenté ci-dessus. La chambre de combustion annulaire 10 est entourée par une enveloppe annulaire 30. L'enveloppe 30 comporte des parois d'enveloppes intérieure 32 et extérieure 34. Ces parois 32 et 34 limitent la chambre de combustion 10 et forment entre elles un canal d'écoulement de refroidissement intérieur 36 et un canal d'écoulement de refroidissement extérieur 38. Une bride extérieure 40 est reliée à l'extrémité arrière de la paroi de chambre de combustion extérieure 20. Selon la configuration représentée figure 1, la bride 40 s'étend radialement vers l'extérieur à partir de la paroi 20. De la même manière, une bride intérieure 42 est à l'ex- trémité arrière de la paroi de chambre de combustion inté- rieure 18. Comme représentée, la bride intérieure 42 s'étend radialement vers l'intérieur à partir de la paroi 18. Pendant le fonctionnement du moteur, les parois de chambre de combustion extérieure 20 et intérieure 18 sont soumises à des températures élevées provoquées par la cha- leur générée à l'intérieur de la chambre de combustion 10. De manière à refroidir les parois 18 et 20, on envoie de l'air 44 par les canaux d'écoulement 36 et 38. Une partie de cet air peut aussi passer par des ouvertures dans les parois 18 et 20 pour réaliser un refroidissement supplémentaire. A cause de l'effet du rayonnement et de la température qui l'entoure, la paroi d'enveloppe intérieure 32 tend à avoir une température plus élevée de plusieurs centaines de degrés que la paroi d'enveloppe extérieure 34. Par comparaison, tandis que les parois de chambre de combustion 18 et 20 sont plus chaudes que les parois d'enveloppes 32 et 34, les parois de chambre de combustion 18 et 20 sont généralement maintenues à la même température. Les différentes températures des parois d'enve- loppe 32 et 34 signifient qu'elles se dilateront et se ré- tracteront à des vitesses différentes. Ce différentiel pose -6- un problème particulier dans le sens axial 46 lorsqu'une grille d'aube à calage variable est fixée auxdites parois. A l'inverse, le différentiel dilatation contraction n'est pas significatif dans le sens circulaire parce que les éléments annulaires se dilatent généralement circulairement le long d'une ligne radiale, maintenant ainsi leur orientation lors- qu'ils sont chauffés. La grille d'aubes à calage variable 14 comporte une série d'aubes 48. La grille d'aubes 14 est supportée par un support 50. Le support 50 comporte un moyen de fixation axiale pour fixer la grille d'aubes 14 aux parois de chambre de combustion 18 et 20 de manière que pratiquement toute la charge axiale sur la grille 14 due à l'écoulement gazeux 16 soit transmise aux parois de chambre de combustion 18 et 20. De plus, le support 50 comporte des moyens de contraintes périphériques pour transmettre les charges périphériques de la grille 14 à l'enveloppe 30. On a représenté figure 2 de manière détaillée le support 50 avec la fixation axiale et le moyen de contrainte périphérique. La figure 2 représente un mode de réalisation particulier de la présente invention comportant une aube 48 avec un support interne 52 et un support externe 54. L'aube 48 a une embase inférieure 56 et une embase extérieure 58. L'embase extérieure 58 comporte une mortaise 60 à son extré- mité radialement extérieure qui est adaptée pour recevoir le tenon 62 qui est relié au bras de manoeuvre 64. Un mouvement de rotation du bras 64 fait ainsi tourner l'aube 48. En reliant tous les bras 64 à un anneau commun (non repré- senté), on peut manoeuvrer en même temps la totalité des aubes de la grille 14. Le moyen de fixation axial, selon le mode de réa- lisation de la figure 2, comporte les brides extérieure et intérieure 40 et 42, des structures de support extérieure et intérieure 66 et 68 et des moyens de fixation 70 et 72. La -7- structure de support extérieure 66 comporte une ouverture circulaire dans le sens radial la traversant qui s'adapte à l'embase extérieure 58 de l'aube 48. De la même manière, la structure de support intérieure 68 comporte une ouverture circulaire dans le sens radial qui la traverse et qui s'em- boîte avec l'embase interne 56 de l'aube 48. L'aube 48 est libre de tourner dans ces ouvertures, mais est positionnées à la fois axialement et circulairement à l'intérieur des- dites ouvertueres. De nombreuses configurations de struc- tures de supports 66 et 68 sont possibles. Selon un mode de réalisation, la structure interne 68 peut être un anneau continu tandis que la structure extérieure 66 peut être segmentée pour en faciliter l'assemblage. La structure te support extérieure 66 est reliée à la bride extérieure 40 par le moyen de fixation 70 repré- senté figure 2 sous forme de boulons. De la même manière, la structure de support intérieure 68 est reliée à la bride intérieure 42 par le moyen de fixation 72 représenté sous la forme de boulons. A partir de la description ci-dessus, il est évi- dent que la charge axiale sur la grille d'aubes 14 sera transmise par les structure de support 66 et 68 dans les parois de chamore de combustion 20 et 18. Pour s'assurer que pratiquement toute la charge axiale sur la grille 14 est transmise, différentes autres caractéristiques de l'inven- tion sont décrites ci-dessous. On a disposé coaxialement autour du tenon 62 un manchon 82. Un palier 84 permet au tenon 62 de tourner librement à l'intérieur du manchon 8Z. Une fente circulaire 8; dans le manchon 82 reçoit la paroi d'enveloppe extérieure 14. On réalise un jeu 88 de sorte que la paroi 34 est libre de se déplacer axialement à l'inté- rieur de la fente 90 lorsqu'elle se dilate ou se contracte thermiquement. Par conséquent, la charge axiale sur l'aube 48 ne sera pas transmise à la paroi d'enveloppe 34. De manière à peu près analogue, les charges axiales ne seront -8- pas transmises au bras de manoeuvre 64. On peut atteindre ceci en réalisant un agencement coulissant goupille-étrier dans lequel le bras 64 est relié à l'anneau de manoeuvre commun (non représenté). S Le support circulaire de la grille d'aubes 14 est réalisé par le moyen de contrainte circulaire 75. Le moyen de contrainte 75 comporte un anneau 74 fixé à la structure de support extérieure 66 et une série de pattes extérieures 76 s'étendant vers l'extérieur à partir de l'anneau 74. Le moyen de contrainte 75 comporte en outre une série d'étriers 78 s'étendant vers l'intérieur à partir de la paroi d'enve- loppe extérieure 34. Comme représenté dans la vue axiale de la figure 3, chaque étrier 78 reçoit une patte 76. L'étrier 78 est adapté pour fournir une contrainte dans le sens cir- culaire 80, mais permet le déplacement axial de la paroi d'enveloppe extérieure 34 par rapport aux pattes extérieures 76. Le moyen de contrainte circulaire 75 pour la structure de support interne 68 comporte une série de pattes internes 90 s'étendant radialement vers l'intérieur à partir de la structure de support interne 68 et une série de fentes axiales 92 dans la paroi d'enveloppe intérieure 32. Chaque fente 92 est adaptée pour recevoir l'une des pattes 90. Ainsi, comme avec l'étrier 78, la fente axiale 92 réalise une contrainte circulaire tout en permettant le déplacement axial de la paroi d'enveloppe intérieure 32 par rapport à la patte intérieure 90. Il peut être souhaitable de munir la structure de support interne 68 d'une bride en forme d'é- trier 91 et de la placer autour de la fente 92 pour fournir une contrainte circulaire supplémentaire. Pour empêcher toute fuite d'air qui pourrait passer par la fente 92, on réalise des joints 94 et 96. Par exemple, les joints 94 peuvent être des joints de type "W" entre une bride intérieure 98 de la structure de support intérieure 68 et une bride extérieure 100 de la paroi in- -9- térieure 32. Le joint 96 peut être un joint rotatif classi- que. Toute fuite au-delà du joint en "W" 94 est confronté au joint rotatif 96. Ainsi, le joint 96 ajoute-t-il une redon- dance au joint 94. Comme décrit ci-dessus, la grille d'aubes 14 est supportée à la fois axialement et circulairement. Le posi- tionnement radial ou concentricité est réalisé par l'épaule- ment annulaire 104 de la structure de support intérieure 68 qui repose sur la lèvre annulaire 102 de la bride 100. L'é- paulement 104 est coaxial avec la lèvre 102 et réalise un contact radial avec elle. Cependant, l'épaulement 104 est libre de se déplacer axialement par rapport à la paroi in- térieure d'enveloppe 32. Avec un tel positionnement radial, on peut maintenir la concentricité entre la grille d'aubes 14 et la roue de turbine 12. Il apparaîtra de manière évidente à l'homme de l'art que la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier décrit ici. Plutôt, il s'applique également à n'importe quelle chambre de combustion et grille d'aubes avec les moyens de montage adaptés pour transmettre les charges axiales de la grille sur les parois de la cham- bre de combustion. On admettra également que les dimensions, les proportions et les relations structurelles représentés sur les dessins le sont uniquement à titre d'exemples et ne doivent pas être prises pour les dimensions, proportions ou relations structurelles réelles utilisées pour le support d'aubes à calage variable de turbine. - 10 - REVENDICATIONS 1. Moteur à turbine à gaz comportant une chambre de combustion annulaire (10) avec des parois de chambre de combustion intérieure et extérieure (18,20) et une grille d'aube à calage variable (14) située à l'arrière de la cham- bre de combustion, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de fixation axiale (40, 42, 66j 68, 70, 72) pour fixer la grille aux parois de la chambre de combustion de manière à ce que pratiquement toute la charge axiale sur la grille soit transmise dans les parois de chambre de combus- tion. 2.Dans un moteur à turbine à gaz comportant une chambre de combustion annulaire (10) avec des parois de chambre de combustion intérieure et extérieure (18, 20), une enveloppe annulaire (30) avec des parois d'enveloppe inté- rieure et extérieure (32, 34) limitant la chambre de combus- tion et une grille d'aubes (48) située à l'arrière de la chambre de combustion, des moyens de support (50) pour sup- porter la grille d'aubes à calage variable (14) caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de fixation axiale (40, 42, 66, 68, 70, 72) pour fixer la grille aux parois de la cham- bre de combustion de manière à ce que pratiquement toute la charge axiale sur la grille soit transmise dans les parois de chambre de combustion. 3. Moyen de support, selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de contrainte circulaire (75) pour transmettre pratiquement toute la charge périphérique agissant sur la grille à l'en- veloppe (30). 4. Moyen de support selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fixation axiale comporte: - une bride extérieure (40) reliée à la paroi de chambre de combustion extérieure (20); - une bride intérieure (42) reliée à la paroi de chambre de combustion intérieure (18); - 11 - - des structures de support intérieure et exté- rieure (66 et 68) pour placer chacune des aubes, chaque aube étant rotative dans les structures de support; et - des moyens de fixation (70, 72) pour relier les structures intérieure et intérieure respectivement aux brides extérieure et intérieure permettant ainsi la trans- mission de pratiquement toute la charge axiale agissant sur la grille dans les structures de support, les brides et les parois de chambre de combustion. 5. Moyen de support selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de contrainte circulaire (75) comporte une série de pattes extérieures (76) s'étendant vers l'extérieur à partir de la structure extérieure (66); et une série d'étriers (78) s'étendant vers l'intérieur à partir de la paroi d'enveloppe extérieure (34) adaptée pour fournir une contrainte circulaire et permettre le déplace- ment axial de la paroi d'enveloppe extérieure (34) par rap- port à la patte extérieure. 6. Moyen de support selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen de contrainte circulaire (75) comporte une série de pattes intérieures (90) s'étendant vers l'intérieur à partir de la structure de support inté- rieure (68); et une série de fentes axiales (92) dans la paroi d'enveloppe intérieure (32), chacune adaptée pour recevoir l'une des pattes intérieure (90) réalisant ainsi une contrainte circulaire et permettant le déplacement axial de la paroi d'enveloppe intérieure par rapport aux pattes intérieures (90). 7. Dans un moteur à turbine à gaz comportant une chambre de combustion annulaire avec des parois de chambre de combustion intérieure et extérieure (18, 20), une enve- loppe annulaire (30) avec des parois d'enveloppes intérieure et extérieure (32, 34) limitant la chambre de combustion, une grille (14) d'aubes à calage variables avec une série d'aubes situées vers l'arrière de la chambre de combustion et une roue de turbine (12) située à l'arrière de la grille, - 12 - des moyens de support (50) pour supporter cette grille d'aubes à calage variable (14) caractérisé en ce qu'ils comprennent: des moyens de fixation axiale (40, 42, 66, 68, , 72) pour fixer cette grille (14) aux parois de chambre de combustion de sorte que pratiquement toute la charge axiale sur la grille (14) soit transmise dans les parois de chambre de combustion; et des moyens de mise en position radiale pour maintenir la concentricité entre la grille d'aubes (14) et la roue de turbine (12). - 8. Moyen de support selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de positionnement radial comportent: un épaulement annulaire 104 relié à la grille (14) et une lèvre annulaire (102) reliée à la paroi d'enve- loppe intérieure (32), l'épaulement (104) étant coaxial avec la lèvre (102). 9. Moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre de combustion annulaire (10) avec des parois de chambre de combustion intérieure et extérieure (18 et 20) et une grille (14) d'aubes à calage variable située à l'arrière de la chambre de combustion, la grille (14) étant fixée aux parois de la chambre de combustion de sorte que pratiquement toute la charge axiale sur la grille est transmise aux parois de la chambre de combustion. 10. Moteur à turbine à gaz caractérisé en ce qu'il comprend: une chambre de combustion annulaire (10) avec des parois de chambre de combustion intérieure et extérieure (18,20), une enveloppe annulaire (30) avec des parois d'en- veloppe intérieure et extérieure (32,34) limitant la chambre de combustion; et une grille d'aubes à calage variable (14) située à l'arrière de la chambre de combustion, la grille d'aubes étant fixée aux parois de la chambre de combustion de sorte que pratiquement toute la charge axiale sur la grille est transmise dans les parois de chambre de combus- tion; et en ce que la grille (14) est maintenue par les parois d'enveloppe (32 et 34) de sorte que pratiquement toute la charge périphérique sur la grille est transmise à l'enveloppe (30).