Brevet FR2582051A1 — publié le 19861121

1i d'extrémité, entre les extrémités d'aubes tournantes et la structure fixe qui les entoure, dans des machines à aubes à 6coulement de fluide. Dans les turbomachines, et plus particulièrement dans leurs turbines, les aubes de rotor ont dans le passé été munies a leurs extrémités de carénage dont les surfaces internes forment la limite radialement extérieure du passage de gaz, au travers des aubes. La fuite du fluide de service du passage de gaz est ainsi limitée à la fuite aux extrémités axiales des carénages et aux bords en contact des carenages, et ces fuites peuvent être supprimées plus efficacement que les fuites aux extrémités d'une aube sans carénage. Ceci améliore l'efficacité de l'aubage mais augmente également le poids, les contraintes et le coût de fabrication des aubes. Etant donné la fuite d'extrémité plus grande pour un jeu donné dans une turbine non carénée que dans une turbine à aube carénée, il est encore plus nécessaire que le jeu soit faible aux conditions de fonctionnement importantes. Les variations de jeu résultent de la différence entre les dilatations de l'enveloppe et du rotor, ces deux dilatations 6tant importantes en comparaison des jeux nécessaires, et des variations relativement importantes du jeu pouvant par conséquent être produites par des variations faibles de température à différentes conditions de fonctionnement. Il peut en résulter des jetx trop importants dans certaines conditions si un frottement dît être évité dans d'autres conditions (en particulier transitoires). Un frottement occasionnel peut être acceptable dans le cas d'aubes carénées à joints en lame de co teau mais cela est dangereux avec des aubes non carénées dans lesquelles un frottement sur tout le profil d'extrémité d'aube peut se produire. Ainsi, bien que pour une efficacité égale le jeu de fonctionnement d'une aube non carénée doive être plus faible que pour une aube carénée, en pratique, en l'absence de toute forme de régulation, il doit être plus important pour permettre les con- ditions transitoires. Si des aubes non carénées avec leurs avantages de contrainte centrifuge plus faible, de section plus robuste pour le nmême poids et de coût inférieur doivent être utiliséoe sans perte d'efficacité, y' la régulation du jeu d'extr6mité nécessaire doit être plus sûre et 2 2582051 plus précise que ce qui peut être obtenu en se fiant à des températures et A des dilatations estimées dans le rotor et l'enveloppe. Le but de la présente invention est de fournir un système de régulation du jeu d'extrémité pour un rotor à aube d'une de machine A écoulement/fluide qui maintient le jeu d'extrémité dans une plage prédéterminée dans la plupart des conditions de fonctionnement de la machine. La machine A aubesà A écoulement de fluide selon la présente invention comporte une structure fixe, un rotor A aubesayant à sa périphérie une rangée circonférentielle d'aubes espacées radialement A leurs extrémités de la structure fixe pour former un jeu, et un mécanisme de régulation de jeu comprenant un élément d'enveloppe formant une partie de la structure fixe, élément duquel les extrémités des aubes sont espacées pour définir le jeu, des moyens puur faire varier la température de l'élément d'enveloppe pour provoquer une contraction ou une dilatation thermique, et des moyens sensibles A une variation de la dimension du jeu pour contrôler la variation de la température de l'élément d'enveloppe pour permettre A ladite dilatation ou contraction d'avoir lieu dans une direction telle qu'elle maintient la dimension du jeu dans une plage prédéterminée. La température de l'élément d'enveloppe peut être modifiée par tous moyens appripriés mais elle est de préférence modifiée en amenant un fluide de service A différentes températures à partir d'autres parties de la machine A des passages formés dans l'élément d'enveloppe. Ces moyens de variation de température conviennent particulièrement lorsque la machine est une turbo- machine d'avion. Dans une forme préférée de réalisation de l'invention l'élément d'enveloppe comporte un anneau de carénage entourant et radialement espacé des extrémités des aubes pour définir le jeu, cet anneau étant relié au reste de l'élément d'enveloppe pour se déplacer avec lui lorsque l'élément d'enveloppe se dilate ou se contracte. L'élément d'enveloppe peut être d'une seule pièce avec une enveloppe entourant l'anneau de carénage, ou peut lui-même être un anneau relativement massif ayant une vitesse de dilatation thermique nettement plus faible que l'anneau de carénage et monté de façon mobile pour permettre sa dilatation à l'intérieur 3. 2582051 d'une enveloppe. Une forme préférée de moyens de régulation comprend un certain nombre de tubes au travers desquels le fluide de Service est rejeté après son passage dans l'éléAment dbnveoppe, la vitesse i d'écou]ement de fluide dans les tubes étant déterminée en plaçant les extrémités des tubes a proximité d'une surface de contrôle portée par le rotor pour former un jeu de contrôle pour le fluide. Ies tubes peuvent traverser et être supportés par les aubes d'une rangée d'aubes de stator adjacente, qui à leur tour sont supportées dans ia structure fixe. Ainsi toute dilatation ou contraction de l'élément d'enveloppe par rapport aux extrémités des aubes de rotor provoque un accroissement ou une diminution correspondant du jeu entre les tubes et la surface de contrôle. La variation qui en résulte dans l'écoulement dans les tubes contrôle l'écoulement du fluide de refroidissement et de chauffage dans les passages de l'élément d'enveloppe. L'invention sera maintenant décrite plus en détail à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'une turbomachine dont l'enveloppe de turbine a été enlevée pour montrer la zone du moteur à laquelle l'invention est appliquée, la figure 2 est une vue agrandie de la zone de turbine du moteur montrant schématiquement les détails de la structure nécessitée par l'utilisation de l'invention, la figure 3 est une vue encore agrandie des passages pour les écoulements de fluide de chauffage et de refroidissement dans une machine réelle, et la figur.- 4 est une coupe similaire à celle de la figure 3 mais prise d'un autre point autour du moteur et montrant une coupe générale de l'enveloppe. La figure I montre une turbomachine comprenant un compresseur 1, un équipement de combustion 2, des turbines 3 et une tuyère de propulsion 4, en série. Une partie de l'enveloppe du moteur est levée pour montrer un étage d'une des turbines auxquelles l 'invention a été appliquée. Une partie de l'air comprimé par le compresseur passe dans un conduit de dérivation 6 qui est formé entre les enve]oppcs intérieure et extérieurc 7 et 8 respectivement, et cou- t-circrite équipeme:t de combustion. et les turbines. 4o La figure 2 montre le ro >r de turb:n? et sa strlcture 4 2582051 associée tiius e, détai]. Le rotoi- de turbine est forme d'une ranlgJe annulaire d'aubes 10 montée sur un disque de rotor 12 par tous moyens conventionnje]s nn représerntés en détail. Autour des extrémités des aubes se trouve un carénage.4 fixe et segmenté, qui est espacé radialement des extrémités des aubes pour définir un jeu 16. Le carénage forme une partie d'un élément 15 de l'enveloppe intérieure du moteur qui est une structure fixe, et c'est le jeu 16 que l'on souhaite contrôler. En amont du rotor de turbine se trouve une rangée annulaire d'aubes de guidage 20 qui dirige les gaz d'échappement de équipement de combustion 2 sur les aubes de rotor 10, et en aval du rotor se trouve i'ne autre rangée annulaire d'aubes de stator 22 qui reçoivent des gaz chauds des aubes de rotor 10 et les dirigent sur l'étage suivant l'aubage de rotor (non représenté). Toute la structure décrite ci-dessus est montée dans l'enveloppe intérieure du moteur 7. Le conduit de dérivation 6 est situé du côté radialement extérieur de l'enveloppe 7. Lors de toute modification des conditions de fonctionnement du moteur, la température du fluide de service en contact avec les différentes parties de la turbine varient et provoquent des variations dans la température de l'enveloppe 7 du disque de rotor 12 et des aubes de rotor 10. Ces variations ne sont cependant pas égales étant donné la différence des masses des parties respectives et les différences des températures du fluide de service en contact avec ces parties. Il en résulte des dilatations thermiques différentielles entre la structure tournante et la structure fixe qui, avec la dilatation centrifuge du rotor, modifient le jeu entre l'extrémité des aubes et le carénage, et affectent l'efficacité du moteur. La figure 2 montre schématiquement un mécanisme de régulation pour maintenir le jeu 16 dans une plage prédéterminée. Le carénage 14 qui a une section relativement fine est supporté aux deux extrémités à partir des carénages radialement extérieurs 24 et 26 des aubes de stator amont et aval 20 et 22 au moyen de tenons 29 et 32 respectivement. Le carénage est également directe- ment relié à l'élément d'enveloppe 15 par des ergots 28 et est de plus relié à l'élément d'enveloppe par des tenons supplémentaires sur le carénage extérieur le l'aube de stator 22. Le tenon 30 coopère avec une gorge annulaire 34 dans l'élément d'enveloppe O pour former un" l]iison avec l'élément d'enveloppe, et le tenon 32 2582051 coopère avec un évidement 36 sur la surface radialement intérieure du carénage. L'extrémité radialement intérieure de l'aube 22 porte une structure fixe 38 au moyen de griffes 40 et de rebords 42 qui permettent une liberté de mouvement radiale de l'aube dans la structure 38. On constate par conséquent que, lorsque l'élément d'enveloppe se dilate ou se contracte, le carénage 14 est déplacé radiale- ment vers l'extérieur ou vers l'intérieur avec l'élément d'enveloppe et modifie le jeu 16. i0 Afin de contrôler la dimension du jeu 16, un mécanisme de régulation montré sous forme schématique à la figure 2 est prévu. Ce mécanisme comprend un tube 44 auquel est amené de l'air chaud à haute pression prélevé sur un étage haute pression du compresseur par l'intermédiaire d'une chambre de tranquillisation 46. Le tube traverse l'aube de stator 22 et en ressort à son extrémité radialement intérieure. L'extrémité ouverte du tube est disposée à une faible distance d'un rebord 48 s'étendant axialement du disque de rotor 12. Le jeu 49 entre le rebord 48 et l'extrémité ouverte du tube est tel qu'il provoque une limitation de l'écoulement d'air du tube. Les dilatations différentielles de l'élément d'enveloppe et du rotor qui provoquent des modifications dans le jeu 16 provoquent desmodifications proportionnelles dans le jeu 49. Ces modifications sont égales à celles du jeu 16 si les dilatations des aubes de rotor 10 et des aubes de stator 22 sont égales. En pratique ces dilatations sont pratiquement égales étant donné que les aubes de rotor et de stator sont refroidies pour fonctionner sensiblement à la même température et leurs dilatations sont faibltsu étant donné que leurs longueurs sont faibles par rapport au diamètre total de la turbine. Un écoulement relativement froid est également relié à la chambre de tranquillisation 46 par des passages 50 dans l'élément d'enveloppe 15. Les pressions des deux écoulements d'air sont agencées pour que, lorsque le jeu 16 est à sa valeur convenable, il n'y ait pas d'écoulement dans le passage 50 et que l'air chaud provenant de la chambre de t-anquillisation 46 s'écoule totalement du tube par le jeu 49. Lorsqu'il se produit dans la température une modification suffisante pour modifier]a température 16, le jeu 49 entre le tube 44 et le rebord 48 est modifié proportionnellement. Si le jeu 49 augmente l'écoulement de 6 2582051 gaz chaud qui est limité par des orifices (non représentés) est insuffisant pour maintenir la même pression dans la chambre de tranquillisation 46 et un gaz relativement froid s'écoule par les passages 50 au travers de la chambre de tranquillisation 46 et dans le tube 44, refroidissant ainsi l'enveloppe et provoquant sa contraction, et r6duit le jeu 16. De même, si les jeux diminuent, l'écoulement de gaz chaud par le jeu 49 est encore limité et l'6coulement de gaz chaud constant dans la chambre de tranquil- lisation 46 s'échappera en partie par les passages 50 chauffant - ainsi l'élément d'enveloppe et provuquant sa dilatation et l'augmentation du jeu. Les figures 3 et 4 montrent le détail de l'invention appliqu6e à une enveloppe de moteur réelle et, dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour représenter les parties de la structure qui sont montrées sur les deux figures. L'amenée de gaz chaud à la chambre de tranquillisation 46 es prélev6e sur un étage du compresseur haute pression et est dirigée autour de l'équipement de combustion 2 par des passages 60 dans des tubes 62 à partir desquels ils s'écoulent par unes6rie d'orifices 64 pour reontrer le carénage 14 et refroidir le carénage. L'écoule- ment passe ensuite autour de l'extérieur des tubes 62 dans une chambre 66 à partir de laquelle une partie de l'écoulement p6nètre dans des tubes de transfert 68 dans l'élément d'enveloppe 15, à partir desquels il atteint la chambre de tranquillisation 46 et pa conséquent le tube 44. Les tubes de transfert 68 sont dispos6s dans des passages form6s dans l'enveloppe 7, mais sont espacés de l'élé6ment d'enveloppe pour éviter son chauffage. Les extr6mit6s amont des tubes 68 forment également un orifice fixe 69 qui règle l'écouleme dans les tubes. L'air frais-ou relativement frais est prélevé sur un 6tage basse pression du compresseur et est transforé dans l'espace annulaire 72 dans l'élément d'enveloppe (voir figure 4) par ]'intermédiaire de tubes 74 dans le conduit de d6rivation. Les passages 50 s'étendent entre l'espace 70 et la chambre de tranquil lisation 76 et à partir de la chambre de tranquillisation 76 vers la chambre de tranquillisation 46. On constate que le gaz chaud est encore chauffé en ren- contrant le carénage chaud 14,. tandis que le gaz relativement froi est encore refroidi par son 6coulement dans les tubes 74 dans le 7 2582051 passage de dérivation, de sorte qu'une différence de te:ip6r;tuIe significative peut être créée pour provoquer un chauffage ou un refroidissement relativement rapid- de l 'élément d'enveloppe 13 si cela est nécessaire. On a constaté qu'une différence de température entre l'air de chauffage et de refroidissement d'erinxiron 325 C était convenable. Etant donné que l'élément d'enveloppe 15 devra en principe être capable de se rechauffer rapidement pour se dilater et s'éloigner d'une aube de turbine en dilatation, mais non pas de -O se refroidir rapidement afin de réduire la possibilité de Frottement entre les aubes et le carénage dans les conditions transitoires, la température de fonctionnement en régime permanent e l'élément dc'enveloppe doit être rapprochée de la température de l'air de refroidissement. De cette façon la différence de température entre l'élément d'enveloppe et l'air de chauffage est importante et la différence de température entre l'élément d'enveloppe et l'air de refroidissement est plus faible donnant ainsi un chauffage rapide et un refroidissement plus long de l'élément de chauffage. Des températures spécifiques dans un moteur montrentqu'une température d'enveloppe de 7600K est convenable avec une température d'air de refroidissement à 100C en dessous de cette température et une température d'air de chauffage d'environ 250C au-dessus de cette température. Il a été constaté que l'utilisation de la présente invention peut permettre au jeu 16 d'être maintenu aux environs de 0,3 mm sans pénalité importante dans l'utilisation de l'air prélevé sur le compresseur, de sorte qu'une augmentation d'ensemble de l'efficacité du moteur peut être obtenue. L'avantage particulier de l'invention est obtenu lorsqu'elle est utilisée avec une aube de turbine non carénée, mais bien entendu elle peut être appliquée à une aube de turbine carénée pour améliorer également l'efficacité de l'aubage de turbine carénée. Dans un tel cas l'extrémité du tube de contrôle 44 peut être disposée à ploximité du carénage d'aube à la place d'un rebord sur le disque et ceci réduit toute fail'le différence entre la dimeision du jeu à contrôler et la dimension qui forme la limitation 49. Bien entendu de nombreuses modifications à l'agencement ci-dessus peuvent être prévues tout en employant les caractéristiques qui sont celles -3e]'invention. Par exemple la position à laquelle 8 2582051 le jeu de contrôle 49 est dispose' n'est pas critique, et tout emplacement convenable o la modification du jeu 49 peut être proportionnelle au jeu d'extrémité 16 peut suffire. Les amenées d'air comprimé utilisées dans les formes de réalisation décrites sont montrées sur uneturbomachine uniquement à titre d'exemple. D'autres moyens pour chauffer les parties fixes peuvent être utilisés, en particulier sur des machines autres que des turbomachines. De plus la forme de réalisation décrite utilise deux amenées d'air à des températures différentes, bien qu'il soit:ossible de réaliser une régulation suffisante tout en utilispnt seulement une amenée d'air dont la quantité est modifiée sur un domaine plus large par les moyens de contr8le pour modifier le chauffage ou le refroidissement. Sur des installations fixes à turbine à gaz ou sur d'autres machines fixes des amenées de fluide extérieur peuvent être utilisées. 9 2582051 REVENDICATIONS 1.- Machine à auboe écoulement de fluide comprenant une structure fixe et un rotor à aubsayant à sa périphérie une rangée circonférentielle d'aubes espac6es radialement à leurs extrémités de la structure pour former un jeu, caractérisée en ce qu'il est prévu un mécanisme de régulation de jeu comprenant un élément d'enveloppe formant une partie de la structure fixe, élément duquel les extrémités des aubes sont espacées pour former le jeu, des moyens pour modifier la température de l'élément d'enveloppe pour provoquer une dilatation ou une contraction thermique de cette enveloppe, et des moyens sensibles à une modification de la dimension du jeu pour contrôler la variation de température de l'élément d'enveloppe pour permettre à ladite dilatation ou contraction d'avoir lieu dans une direction telle qu'elle maintient la dimension du jeu dans une plage pr-détérminée. 2.- Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément d'enveloppe comprend un anneau de carénage entourant et espacé de l'extrémité des aubes de rotor et qui est relié au reste de l'élément d'enveloppe pour se déplacer avec lui lorsque l'élément d'enveloppe se dilate ou se contracte. l 'une 3.- Machine selon/quelconque des revendications 1 ou 2 :ractériséc en ce que les moyens pour faire varier la température de l'élément d'enveloppe comprennent au moins une amenée de fluide qui traverse des passages dans l'élément d'enveloppe. !4.- Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'amenée de fluide est prélevée sur le fluide de service utilisé dans la machine. 5.- Machine selon la revendication 4 et formant une turbo- machine comprenant un compresseur, caractérisé'en ce que deux amenées 3 d'air comprimé sont prélevéeFa des températures et pressions différentes sur le compresseur de la machine. 6.- Machine selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'amenée d'air a la température la plus haute est agencée pour refroidir l'anneau de carénage avant de pénétrer dans les passages 'e l'élément d'enveloppe. 7.- -nchine selon l'une quelconque des revendiu--i[ons 5 et 6 et formant uneturbomach'ine à double flux, caractériséce ce que 1 'amenée d'air a terimpérature la plus basse est disposée le long du passage de dcrivation -'e la machine et est refroidi ce pl- 1 'air 2582051 de dérivation avant de pénétrer dans les passages de l'élément d'enveloppe. 8.- Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que le rotor porte une surface de contrôle et en ce que l'écoule- ment du fluide de service traversant l'élément d'enveloppe est éjecté par un passage formé dans la structure fixe adjacente reliée à l'élément d'enveloppe, la sortie du passage étant dispos, à proxi:iité de la surface de contrôle pour former un jeu de con, trôle au travers duquel ledit fluide s'écoule, la surface de contrôle et ladite structure fixe étant agencées de sorte que toute modification du jeu entre les extrémités des aubes et l'air de carénage provoque une modification proportionnelle du jeu de contrôle. 9.- Machine selon la revendication 8, caractérisée en ce que le passage est formé par un tube qui relie le jeu de contrôle à une chambre de tranquillisation dans l'élément d'enveloppe, les deux amenées de fluide arrivant dans la chambre de tranquillisati l'une de ces amenées atteignant la chambre de tranquillisation pa l'intermédiaire du passage dans l'élément d'enveloppe. 10.- Machine selon la revendication 7, caractérisée en ce que le tube traverseune aube d'un stator adjacent au rotor.