Brevet FR2568938A1 — publié le 19860214

L'invention concerne de manière générale les aubes mobiles de stator pour moteur à turbine à gaz et, particu- lièrement les aubes mobiles segmentées de stator de turbine. - Les moteurs à turbines à gaz comportent générale- ment un compresseur pour comprimer l'air traversant le mo- teur, une chambre de combustion dans laquelle le combustible est mélangé avec l'air comprimé et enflammé pour former un courant gazeux d'énergie élevée, et une turbine qui comprend un rotor pour entraîner le compresseur. La turbine comporte un certain nombre d'aubes fixes reliées au rotor et situées à l'arrière de la chambre de combustion et à l'intérieur du trajet d'écoulement des gaz de manière à extraire l'énergie utile de l'écoulement gazeux. Pour optimiser la quantité d'énergie extraite, une grille d'aubes mobiles est classi- quement interposée entre la chambre de combustion et les aubes fixes de turbine pour faire tourner le courant de gaz. En imprimant une composante de vitesse tangentielle à l'écoulement, on peut atteindre des vitesses d'aubes de tur- bine plus élevées. Une grille d'aubes mobiles classique comprend plu- sieurs profils aérodynamiques répartis circulairement, mon- tés radialement entre des viroles ou frettes intérieure et extérieure. Dans le passé, on a utilisé deux types de gril- les d'aubes mobiles, à savoir une grille unique d'aubes dans laquelle les frettes intérieures et extérieures sont conti- -2 - nues sans pratiquement aucune interruption, et celles dans lesquelles les frettes sont segmentées et comportent un ou plusieurs profils aérodynamiques par élément. Les aubes mobiles de stator avec les frettes seg- mentées présentent un jeu entre les éléments adjacents. Ce jeu permet une dilatation thermique différentielle des élé- ments empêchant ainsi leur flambage. Cependant, le jeu per- met aussi aux gaz chauds provenant du trajet d'écoulement de fuir ou permet à l'air de refroidissement à pression plus élevée sur le côté arrière de la frette de s'échapper dans le trajet d'écoulement. De plus, la fente interrompt le pas- sage continu entre des aubes adjacentes, réduisant ainsi les performances aérodynamiques de la grille d'aubes, particu- lièrement dans les zones d'écoulement à vitesse élevée clas- siques des turbines d'entraînement de compresseur. La présente invention a pour buts de réaliser: - un nouvel élément perfectionné d'aube mobile de stator pour un moteur à turbine à gaz; - un nouvel élément d'aube mobile de stator com- portant une surface de frette à trajet d'écoulement amélioré; - un nouvel élément d'aube mobile de stator com- portant un refroidissement de frette amélioré par rapport à ceux connus antérieurement; - un nouvel élément d'aube mobile de stator dont les pertes de rendement attribuables aux fuites d'air de refroidissement sont plus faibles. L'élément d'aube de stator selon un mode de réali- sation de la présente invention comporte un profil aérodyna- mique avec des segments de frette circulaires extérieur et intérieur. Le profil aérodynamique comprend un côté de re- foulement et un c6té d'aspiration et des extrémités radiale- ment intérieure et radialement extérieure. Les segments cir- culaires de frette sont d'un seul tenant avec les extrémités extérieure et intérieure respectivement, et s'étendent à partir du côté d'aspiration du profil aérodynamique. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: - Figure 1, une vue schématique d'un moteur à tur- bine à gaz comportant la présente invention; - Figure 2, une vue en perspective d'éléments d'aube mobile de stator selon un mode de réalisation de la présente invention; - Figure 3, une vue en perspective d'un élément d'aube mobile de stator selon un nouveau mode de réalisation de la présente invention. La figure 1, représente un moteur à turbine à gaz avec une soufflante 12, un compresseur 14, une chambre de combustion 16, une turbine haute pression 18, et une turbine basse pression 20. Le stator de turbine 22 est placé entre la chambre de combustion 16 et la turbine de haute pression 18. Le stator 22 comporte une série de profils aérodynami- ques répartis circulairement qui impriment une composante tangentielle à l'écoulement de gaz provenant de la chambre de combustion 16 pour augmenter la vitesse d'aube fixe de la turbine 18. La figure 2 représente de manière plus détaillée une partie du stator 22 selon un mode de réalisation de la présente invention. Le stator 22 comprend une série d'élé- ments d'aube mobile placés circulairement 24. Chaque élément 24 comprend un profil aérodynamique 26 avec un côté de re- foulement 28 et un c6té d'aspiration 30. De plus, chaque profil 26 a une extrémité radialement extérieure 32 et une extrémité radialement intérieure 34. L'élément d'aube de stator 24 comprend en outre un segment circulaire de frette extérieur 36 et un segment circulaire de frette intérieur 38. Dans un mode de réalisation recommandé, les seg- ments de frette intérieur et extérieur 36 et 38, peuvent être formés d'un seul tenant avec les extrémités extérieure 32 et intérieure 34 du profil aérodynamique respectivement. Cependant, les segments 36 et 38 peuvent être fixés d'une -4- 2568938 -4- autre manière aux extrémités 32 et 34 respectivement, soit par brasage, liaison par diffusion, ou tout autre moyen de fixation permanent. Chaque segment de frette 36 et 38 s'étend à partir du côté d'aspiration 30 du profil aérodyna- mique 26. Chacun de segments de frette 36 et 38 comprend un évidement 40 dans le sens axial à l'extrémité du segment qui est la plus éloignée du profil 26. Chaque profil 26 de la même manière comporte un évidement 42 qui suit le contour du profil aérodynamique 26 et qui est de manière générale ali- gné avec l'évidement 40 d'un élément 24 d'aube de stator adjacent. Lorsqu'ils sont placés ainsi, une fente 43 est délimitée par l'intersection de chaque segment de frette avec le c6té de refoulement du profil adjacent. Cette fente représente un trajet de fuite entre le trajet d'écoulement intérieur 44 et chaque espace 46 radialement extérieur au trajet d'écoulement 44. De manière à réduire les fuites qui y ont lieu, des moyens d'étanchéité appropriés le long de cette fente peuvent être utilisés. Par exemple, on peut uti- liser une cale qui s'ajuste avec les évidements 40 et 42. En fonctionnement, les gaz chauds s'écouleront par le trajet intérieur 44 du stator 22. Le côté arrière des segments de frette extérieur 36 et intérieur 38 peut être refroidi en fournissant de l'air de refroidissement à pres- sion élevée dans chaque espace 46. Cet air de refroidisse- ment devra être à une pression supérieure à celle du gaz dans le trajet d'écoulement 44 et par conséquent tendra à s'échapper dans le trajet d'écoulement 44 par les fentes 43 représentées. Puisque le côté de refoulement 28 est à une pression supérieure à celle du côté d'aspiration 30, placer la fente dans la zone de pression la plus élevée diminuera l'importance des fuites dans le trajet d'écoulement 44. Dans la mesure o ces fuites ont lieu, l'air de refroidissement aura tendance à s'écouler à travers les surfaces intérieures des segments de frette 36 et 38, comme représenté par la - 5 -68938 flèche 52, réalisant ainsi le refroidissement de ces surfa- ces. Ainsi, les fuites sont diminuées et, dans la mesure o elles existent, sont utilisées pour refroidir de manière effective les frettes. On remarquera que, puisque la région la plus proche du côté de refoulement 28 est à la pression la plus élevée, les gaz dans le trajet d'écoulement 44 dans cette région auront la vitesse la plus faible. En conséquen- ce, l'air de fuite qui pénètre dans le trajet d'écoulement 44 à cet endroit, créera les pertes aérodynamiques les plus faibles possibles. Dans les stators de turbine segmentés de l'art antérieur, la fente tend à interrompre l'écoulement continu des gaz entre les aubes. Ceci a lieu parce que la fente ne suit pas la zone d'écoulement et en conséquence traverse la zone. Puisque la zone d'écoulement tend à suivre le contour de l'aube au voisinage du côté de refoulement, la fente 43 a une tendance réduite à créer des perturbations d'écoulement. La figure 3 représente un autre mode de réalisa- tion de la présente invention. L'élément d'aube mobile de stator représenté sur cette figure comprend une série de profils aérodynamiques répartis circulairement. Par exemple, le mode de réalisation représenté montre un premier profil 26a et un deuxième profil 26b. Les profils sont placés de sorte que le côté d'aspiration 30 du profil 26a fait face au second profil 26b. En outre, chacun des profils de l'élément 24 est aligné de sorte que son côté d'aspiration regarde dans la même direction circulaire comme représenté par la flèche 50. Les segments de frette extérieur et intérieur 36 et 38 s'étendent à partir du côté d'aspiration 30 du premier profil 26a comme représenté. - En fonctionnement, l'élément 24 représenté figure 3 fonctionnera d'une manière semblable à celui représenté figure 2. A nouveau, la position de la fente sur le côté de refoulement diminue l'importance des fuites dans le trajet d'écoulement 44. Cependant, l'effet de refroidissement sur -6- 2?68938 -6 ' les segements de frettes 36 et 38 à partir des fuites d'air de refroidissement qui y ont lieu ne se prolongeront pas sur la surface des éléments de frette 36 et 38 entre les profils 26a et 26b. Il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisa- tion spécifiques décrits et représentés ici. Pas plus que l'invention n'est limitée aux stators de turbine. Elle peut s'appliquer également aux rotors et stators utilisés dans les turbomachines. On remarquera aussi que les dimensions et les re- lations proportionnelles et structurelles représentées dans les dessins ne sont données i-ci qu'à titre d'exemple seule- ment et que ces représentations ne doivent pas être considé- rées comme les dimensions réelles ou proportionnelles utili- sées pour l'élément d'aube de stator de la présente inven- tion. -7- 2568938 - 7 - REVENDICATIONS 1. Elément d'aube de stator caractérisé en ce qu'il comprend: - un profil aérodynamique (26) ayant un côté de refoulement (28) et un côté d'aspiration (30) et des extré- mités radialement extérieure (32) et radialement intérieure (34); et, - des segments de frette circulaires extérieur (36) et intérieur (38) d'un seul tenant avec les extrémités extérieure (32) et intérieure (34) respectivement et s'éten- dant à partir du c6té d'aspiration (30). 2. Dans un moteur à turbine à gaz, des premier et deuxième éléments (24) d'aubes de stator placés circulaire- ment, chaque élément étant caractérisé en ce qu'il comprend: - un profil aérodynamique (26) ayant un côté de refoulement (28), et un côté d'aspiration (30) et des extré- mités radialement extérieure (32) et intérieure (34); et, - des segments de frette circulaires extérieur (36) et intérieur- (38) d'un seul tenant avec les extrémités extérieure (32) et intérieure (34) respectivement et s'éten- dant à partir du côté d'aspiration (30); - dans lequel les éléments (24) peuvent être joints le long de lignes extérieure et intérieure délimitées par l'intersection des segments de frette respectifs de la première aube avec le c6té de refoulement (28) du profil aérodynamique (24) de la deuxième aube. 3. Un élément d'aube de stator caractérisé en ce qu'il comporte: - une série de profils aérodynamiques (26) répar- tis circulairement, commençant par un premier profil (26a), chaque profil ayant des extrémités radialement extérieure (32) et 'radialement intérieure (34), un côté de refoulement (28) et un côté d'aspiration (30), - dans lequel le côté d'aspiration (30) du premier 3S profil (26a) fait face aux autres profils et le côté d'aspi- -8- 5 268938 - 8 - ration de chacun des profils regarde dans une première di- rection circulaire (50); et, - des segments de frette circulaires extérieur (36) et intérieur (38) d'un seul tenant avec les extrémités extérieure (32) et intérieure (34) respectivement et s'éten- dant à partir du côté d'aspiration (30) du premier profil.