Brevet FR2589520A1 — publié le 19870507

L'invention concerne un carter de turbomachine muni d'un accumulateur de chaleur. On connaît par FR-A 2 548 733 et FR A 2 540 560 des dispositifs d'étanchéité d'aubages de turbomachine visant à adapter les jeux entre rotor et stator aux conditions de fonctionnement de la turbomachine, en particulier aux régimes transitoires. Ce résultat est obtenu par le contrôle des dilatations de viroles concentriques à inerties calorifiques différentielles, au moyen d'une circulation d'air prélevé dans la veine des gaz de la turbomachine. Ces dispositifs siils sont efficaces peuvent dans certains cas être de réalisation mécanique relativement complexe ou entraîner une consommation d'air prélevé préjudiciable au rendement. L'invention a pour but, comme d'autres dispositifs connus rappelés ci-dessus, d'adapter en fonctionnement les variations diamétrales du stator, dues en particulier aux dilatations d'origine thermique, à celles du rotor de turbomachine de manière a ce que dans toutes les conditions et en particulier transitoires, en cas d'accélération, de décélération ou de réaccélération, un jeu réduit déterminé soit toujours respecté entre les extrémités d'aubes de rotor et la partie coopérante du stator sans qu a aucun moment ce jeu ne devienne excessif avec les pertes de rendement qui en résultent ou au contraire ne s'annule avec les risques conséquents d'interférences mécaniques préjudiciables entre partie tournante et partie fixe.L'invention vise à atteindre ces objectifs sans encourir les inconvénients des dispositifs connus, tels une complexité mécanique de réalisation coûteuse ou présentant de nombreux aléas de fabrication et de tenue en service ou encore une consommation d'air prélevé préjudiciable au rendement et qui risque d'équilibrer un gain réalisé par une perte au moins équivalente. Une condition posée est également de minimiser un accroissement de masse qui est toujours pénalisant dans les applications envisagées sur matériel aéronautique. Le carter de turbomachine selon l'invention répond à ces objectifs en ce qu'une masse thermique est placée dans certains espaces ménagés entre les enveloppes externe et interne du carter, cette masse constituant un accumulateur de chaleur de telle sorte que, en particulier dans les conditions transitoires de fonctionnement de la turbomachine, lorsque le diamètre intérieur de 17 enveloppe interne du carter a tendance à croitre rapidement sous l'effet des dilatations d'origine thermique du carter, ladite masse thermique absorbe de l'énergie thermique et, au contraire, lorsque le diamètre intérieur de l'enveloppe interne de carter a tendance à diminuer rapidement sous l'effet des rétractions par refroidissement du carter, ladite masse thermique restitue aux éléments de carter avec lesquels elle est en contact son énergie thermique, ce qui permet d'obtenir une compensation des différences de dilatation entre rotor et stator et une maîtrise des jeux en fonctionnement entre rotor et stator de turbomachine. Avantageusement, la matière de ladite masse thermique a un rapport chaleur massique/conductibilite thermique, qui est un coefficient caractérisant les échanges thermiques, plus élevé que celui de la matière dudit carter, ainsi qu'une masse volumique nettement inférieure à la matière du carter. Avantageusement, la masse thermique peut être disposée en secteurs dans un espace annulaire ménagé entre les enveloppes externe et interne du carter et elle peut être formée de blocs alvéolés. Un accroissement de l'effet recherché peut être obtenu en prévoyant une circulation d'air chaud au contact de la masse thermique à partir d'un prélèvement effectué en aval. L'invention sera mieux comprise ainsi que des avantages complémentaires par la description d'un mode de réalisation, en référence au dessin annexé dans lequel la figure 1 unique représente une coupe longitudinale d'une partie de turbomachine représentant une vue partielle schématique d'un mode de réalisation du carter de turbomachine conforme à l'invention. Selon ce mode de réalisation, la figure 1 montre partiellement un carter 1 de turbomachine composé d'une enveloppe externe 2 dont la continuité entre différentes parties est assurée au moyen de brides radialement externes telles que 3 et d'une enveloppe interne 4 radialement espacée de l'enveloppe externe 2 en direction de l'axe longitudinal de la turbomachine. Les enveloppes externe et interne sont reliées par des brides coopérantes telles que 5 et 6 ou par une pièce séparée 7 formant brides 7a externe et 7b interne. L'enveloppe interne 4 forme également le support des aubages fixes de la turbomachine tels que 8 et son diamètre intérieur 9 éventuellement doublée d'une garni ture 10 d'usure et d'étanchéité coopère avec les extrémités des aubes mobiles du rotor t forme la frontière aérodynamique du canal interne Il de la seine de circulation des gaz de la turbomachine. Ce mode de construction du carter 1 de turbomachine conforme à l'invention ménage des espaces 12 en caisson entre l'enveloppe externe 2 et l'enveloppe interne 4 de carter. Dans ces espaces 12 soit introduits des pièces de forme constituant une masse thermique 13. Afin de faciliter la fabrication et le montage, cette masse thermique 13 peut par exemple être constituée de secteurs sous forme de blocs. Les caractéristiques métallurgiques de la matière constituant cette masse thermique 13 sont différentes de celles de la matière constituant le carter 1. En particulier, une-masse volumique significativement inférieure est choisie pour la masse thermique 13, ce qui constitue un avantage eu égard aux impératifs de limitation de masse imposées en particulier dans les applications aéronautiques. De plus, le rapport chaleur massique/conductibilité thermique de la matière de la masse thermique 13 a une valeur au moins double de celle de la matière du carter 1. Ce rapport est un coefficient qui caractérise les échanges thermiques réalisés et en particulier la dissipation de la chaleur emmagasinée dans un matériau est d'autant plus lente que ce rapport est élevé. C'est ainsi par exemple que pour un carter de type acier, la masse thermique utilisée est un alliage à base de titane et en particulier un carter en acier de type NC15 Fe a une masse volumique d'environ 8 Kg/dm3 et un rapport de chaleur massique/conductibilité thermique de 544/22,2524,5 et la masse thermique utilisée en alliage de titane de type TA6 Zr 4 DE a une masse volumique d'environ 4 Kg/dm3 et un rapport de chaleur massique/conductibilité thermique de 780/13 = 60. En outre, la masse thermique 13 peut également présenter des alvéoles 14 qui favorisent l'"emmagasinage" puis la restitution de l'énergie thermique par la masse thermique. Au lieu de blocs alvéolés, tout autre agglomérat peut être utilisé. En fonction de la température environnante, selon les applications, une masse thermique en alliage d'aluminium peut être utilisée. Enfin les échanges thermiques lors de la montée en température peuvent encore être favorisés, comme cela est représenté à la figure 1, en prévoyant un circuit d'amenée d'air chaud à partir d'un prélèvement dans la veine effectué en aval, à la sortie 15 de l'étage statorique, par un passage 16 ménagé dans la bride 7 de carter vers une cavité 17 par laquelle l'air chaud entre en contact avec la masse thermique 13 et favorise l'accumulation de chaleur. La description schématique qui va suivre du mode de fonctionnement du dispositif objet du mode de réalisation de l'invention qui vient d'être décrit permettra de mieux comprendre ses avantages dans l'application qui en est faite aux turbomachines, étant entendu que l'invention est applicable à toute machine constituée d'un rotor et d'un stator et dans laquelle la maîtrise des jeux en fonctionnement entre rotor et stator est importante et bénéfique. Dans la construction des turbomachines un jeu réduit aux extrémités d'aubes entre rotor et stator est un facteur important de bonnes performances (rendement, consommation spécifique etc...). Ce jeu réduit est par conséquent visé lors des calculs de dimensionnement et de construction de la machine ainsi que par les soins apportés à la fabrication précise des éléments pour qu'il soit obtenu dans les conditions normales de fonctionnement de la machine. Cependant, pendant certaines phases transitoires, en particulier d'accélération, de décélération ou de réaccélération, un mode habituel de construction basé sur des conditions en régime stabilisé amène des différences de dilatation, soit d'origine mécanique (dilatation centrifuge des parties tournantes), soit d'origine thermique. Le dispositif selon l'invention permet de compenser les différences de dilatation entre rotor et stator pendant les phases transitoires. En effet, au cours d'une accélération jusqu'au plein gaz, la masse thermique 13 disposée dans l'espace ménagé entre les enveloppes interne 4 et externe 2 du cartER 1 de la turbomachine absorbe une partie de l'énergie thermique disponible au niveau du carter. En outre, par les caractéristiques déterminées des matières choisies, cet effet est décalé dans le temps et donne l'adéquation exacte recherchée entre rotor et stator jusqu'à l'obtention des conditions de fonctionnement en régime stabilisé. De même, à partir d'un régime maximal stabilisé, au cours d'une décélération, l'effet recherché de la masse thermique 13 est de retarder la rétraction de l'enveloppe de stator afin d'éviter toute interférence entre cette enveloppe et les extrémités d'aubes de rotor. Il est connu d'adjoindre à l'enveloppe interne 4 de carter une garniture d'usure et d'étanchéité 10 dont le contact mécanique éventuel avec des extrémités d'aubes de rotor n'entraîne pas de dommage redhibitoire. Mais pour obtenir une maitrise améliorée des jeux, comme le permet l'invention, il est important d'éviter tout contact intempestif qui serait à l'origine de jeux augmentés et en conséquence de pertes de rendement et de performances lors des phases ultérieures de fonctionnement de la machine. Grâce å l'invention en effet, lors de la décélération, la masse thermique 13 restitue au carter 1 l'énergie thermique "emmagasinée" lors des phases précédentes de fonctionnement et par le choix des caractéristiques physiques, avec un temps de réponse plus grand par rapport au refroidissement/rétraction du carter 1 et suffisamment décalé pour obtenir à nouveau l'adéquation entre rotor et stator jusqu'au retour à des conditions de ralenti stabilisé. De cette manière, le jeu réduit recherche entre rotor et stator est obtenu dans toutes les conditions de fonctionnement de la turbomachine, en particulier durant les phases transitoires de changement de régime de rotation. REVENDICATIONS 1 - Carter de turbomachine du genre comportant une enveloppe externe (2) et une enveloppe interne (4) radialement espacée de l'enveloppe externe (2), servant de support aux étages d'aubes fixes (8) et constituant le stator de la turbomachine, le diamètre intérieur de ladite enveloppe interne (4) étant en outre situé au droit des extrémités d'aubes mobiles du rotor de la turbomachine caractérisé en ce que une masse thermique (13) est placée dans certains espaces (12) ménagés entre lesdites enveloppes externe (2) et interne (4), cette masse thermique constituant un accumulateur de chaleur de telle sorte que, en particulier dans les conditions transitoires de fonctionnement de la turbomachine, lorsque le diametre intérieur de l'enveloppe interne (4) de carter a tendance à croître sous l'effet des dilatations d'origine thermique du carter, ladite masse thermique absorbe de l'énergie thermique et, au contraire, lorsque le diamètre intérieur de l'enveloppe interne (4) du carter a tendance à diminuer rapidement sous l'effet des rétractions par refroidissement du carter, ladite masse thermique restitue aux éléments (2, 4) de carter avec lesquels elle est en contact, son énergie thermique, ce qui permet d'obtenir une compensation des différences de dilatations entre rotor et stator et une maîtrise des jeux en fonctionnement entre rotor et stator de turbomachine. 2 - Carter de turbomachine selon la revendication 1 caractérisé en ce que la masse thermique (13) utilisée comme accumulateur de chaleur est constituée d'une matière ayant un rapport chaleur massique/conductibilité thermique plus élevé que celui de la matière dudit carter (1). 3 - Carter de turbomachine selon la revendication 2 caractérisé en ce que la matière de la masse thermique (13) placée dans le carter (1) a une masse volumique nettement inférieure à la matière du carter (1). 4 - Carter de turbomachine selon la revendication 3 caractérisé en ce que dans un carter (1) de type acier, une masse thermique (13) à base de titane est utilisée. 5 - Carter de turbomachine selon la revendication 3 caractérisée en ce que dans un carter (1) du type acier, une masse thermique (13) à base d'aluminium est utilisée. 6 - Carter de turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la masse thermique (13) placée dans le carter est formée de secteurs. 7 - Carter de turbomachine selon la revendication 5 caractérisé en ce que la masse thermique (13) est formée de blocs alvéolés. 8 - Carter de turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que un prélèvement d'air effectué en aval (15) par rapport à la masse thermique (13) circule au contact de ladite masse thermique (13) placée dans le carter (1).