Brevet FR2595759A1 — publié le 19870918

La présente invention concerne les machines à turbine à gaz chauds et, plus particulièrement, un moyen-perfectionne formant bouclier associé à une roue de turbine dans de telles machines. Les machines à turbine à gaz chauds ont trouvé une large application comme moteurs de propulsion à réaction, par exemple comme turbines à gaz d'avion, et comme groupes générateurs d'énergie électrique. Les turbines à gaz chauds utilisent la combustion d'un mélange approprié d'air/carbu10 rant dans une chambre de combustion agissant en source des gaz chauds. Ces gaz chauds sont alors dirigés depuis la chambre de combustion pour qu'ils traversent des aubes de turbine montées suivant une rangée circulaire sur la périphérie du disque de la roue de la turbine. Ces aubes extraient l'énergie des gaz chauds les traversant et en transforment une partie en mouvement de rotation de la roue de la turbine. La roue de la turbine comprenant le disque muni d'une rangée d'aubes sur sa périphérie est généralement montée au centre de l'enveloppe du moteur, et les gaz chauds 20 sont canalisés à partir de la chambre de combustion pour traverser les aubes généralement au moyen d'une chambre ou conduite annulaire appropriée qui est située à un endroit contigu à la rangée périphérique des aubes fixées à la périphérie du disque de la turbine. La conduite annulaire - 2 - 2595759 dirige la majeure partie des gaz de combustion vers la zone annulaire définie par la rangée d'aubes sur le disque de la turbine de sorte qu'ils sont amenés à circuler entre les aubes de la rangée montée sur le disque. Il est important, à 5 des fins d'extraction de l'énergie, que les gaz chauds traversent les aubes de la turbine et ne soient pas dirigés contre la face du disque de cette turbine. Dans ce dernier cas, un élément annulaire en forme de bouclier circulaire est monté concentriquement à l'enveloppe de la machine autour de 10 la roue de la turbine. On peut décrire cet élément annulaire comme constituant un élément cylindrique ou périphérique de courte longueur avec une surface en forme d'arc qui se monte très étroitement sur les sommets des aubes du disque de la turbine. L'utilisation d'un élément formant bouclierqui se 15 monte très près de la périphérie ou sommet des aubes de la roue permet d'obtenir un joint aux gaz satisfaisant de sorte que la majeure partie des gaz chauds passent entre les aubes pour donner une extraction suffisante de l'énergie, et très peu d'énergie est perdue par passage sur la périphérie des 20 aubes. Dans des tentatives antérieures pour maîtriser avec précision le jeu entre l'anneau du bouclier et les aubes du disque de la turbine dans une certaine plage de conditions de fonctionnement, et afin de maintenir un jeu minimum aux 25 températures de fonctionnement, on a construit les anneaux pour qu'ils soient réglables (voir, par exemple, l'anneau coulissant 18 décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 4 330 239), ou bien utilisé un bouclier assemblé avec une partie de paroi pouvant dévier comme cela est décrit dans le 30 brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 147 147. Cependant, il est généralement fâcheux et peu satisfaisant de monter des structures complexes de réglage dans cet environnement constitué de gaz corrosifs, à haute température, et les types de moyens de règlage sont des plus limités. Il est important pour obtenir un fonctionnement ex- - 3 trêmement efficace du moteur à turbine à gaz que la zone, ou espace, de jeu entre les sommets extérieurs des aubes de la turbine et le bouclier environnant soit maintenu à une valeur minimum, en particulier pendant le fonctionnement normal du moteur à haute temperature. Comme on l'a décrit, l'anneau formant bouclier, qui est généralement un élément métallique, est en contact direct avec les gaz de combustion chauds et se dilate et se contracte conformément à la température des gaz. Des tempé10 ratures très élevées au droit de l'anneau formant bouclier sont à l'origine de plusieurs problèmes de conception des turbines à gaz chauds. Il est souhaitable que l'anneau se maintienne à une distance minimale entre lui-même et les sommets extérieurs des aubes de la turbine de manière à 15 réduire au minimum les gaz chauds passant sur la périphérie des aubes plutôt qu'entre celles-ci. Alors que le bouclier doit présenter un espacement minimum par' rapport aux aubes de la turbine, il ne doit pas venir en contact avec les aubes tournantes, car la perte de métal provoquée par le frottement 20 se traduira par une diminution importante des performances. Dans certains moteurs à turbine à gaz chauds, les gaz en contact avec le bouclier peuvent en porter la température à une valeur extrêmement élevée. Il en résulte qu'on a constaté que les anneaux formant bouclier se déforment ou 25 gauchissent dans la direction radiale de l'intérieur au point que l'espace formé par le jeu esttrès modifié et que l'anneau peut venir en contact dommageable avec les aubes tournantes de la turbine. Selon la présente invention, un anneau formant bouclier 30 présente certaines caractéristiques prédéterminées de déformation inverse. La déformation qu'on rencontre généralement dans un moteur à turbine à gaz chauds aux températures usuelles de fonctionnement du moteur est un cambrage dans la direction radiale de l'intérieur de la section en forme d'arc 35 de l'anneau ou périphérie vers les aubes du disque de la - 4 - 2595759 turbine. Cette déformation peut provoquer un contact à l'origine d'endommagements entre l'anneau et les aubes de la turbine ou une variation néfaste du jeu de fonctionnement ou espace d'étanchéité entre l'anneau et les aubes de la 5 turbine. Par conséquent, on emploie un anneau formant bouclier qui présente une courbure inverse prédéterminée, et l'anneau peut alors se déformer de la manière usuelle jusqu'à la courbure inverse prédéterminée, tout en maintenant le jeu de fonctionnement des aubes, afin d'obtenir une étanchéité 10 effective. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, une vue en coupe partielle d'un moteur à turbine à gaz chauds, illustrant une roue de turbine avec le 15 bouclier perfectionné qui lui est associé, la figure 2 est une vue partielle en coupe d'un segment en forme d'arc d'un anneau formant bouclier qui présente la courbure prédéterminée selon la présente invention. En liaison maintenant avec la figure 1, on a illustré 20 une vue en coupe partielle du quart d'un moteur 10 à turbine à gaz. Dans le moteur 10, on a représenté, à titre d'exemple, une chambre de combustion 11. Pour des moteurs d'avion, on emploie typiquement une seule chambre de combustion de forme annulaire. Cependant, pour les moteurs du type à régime dur, 25 on utilise généralement une multitude de chambres de combustion 11 dans chaque moteur 10. Dans un cas de cette sorte, on monte quatorze chambres de combustion 11 dans une rangée circulaire ou annulaire autour de l'axe 12 du moteur 10 et l'axe d'une ou de plusieurs roues de turbine 13, 13' et 13". 30 Chaque roue 13, 13' et 13" comprend un rotor ou disque 14, 14' et 14" (non représenté) avec un ensemble d'aubes espacées 15, 15' et 15" (non représentées) monté sur sa périphérie. La chambre de combustion 11 représente l'extrémité antérieure du moteur 10 et les gaz de combustion en 35 provenant traversent d'abord les aubes 15 de la roue de - 5- -.2595759 turbine 13, puis les aubes 15' et 15" des roues 13' et 13" jusqu'à une conduite d'échappement appropriée (non représentée). Les gaz de combustion provenant des chambres de combustion entrent dans un conduit annulaire appropriée, ou 5 chambre, qui les canalise directement vers la zone annulaire définie par les rangées d'aubes 15, 15' et 15" des roues de turbine 13, 13' et 13". Comme cela est illustré en figure 1, une ou plusieurs roues de turbine 13, 13' et 13" sont montées concentrique10 ment, en étant espacées axialement les unes des autres, dans l'enveloppe 16 du moteur 10. La roue de turbine 13 contiguë à la chambre de combustion 11 est appelée roue de turbine ou rotor du premier étage. Entre la chambre de combustion 11 et les roues de turbine 13, 13' et 13", une chambre annulaire ou 15 passage 17 est défini par une paroi intérieure 18 et une paroi extérieure 19. Le passage annulaire 17 dirige les gaz chauds sortant de la chambre de combustion 11 dans les rangées d'aubes 15, 15' et 15" et définit un canal croissant volumétriquement à travers chaque rangée d'aubes 15, 15' et 20 15" de chaque roue 13, 13' et 13", et ensuite jusqu'à un échappement approprié (non représenté). Comme les roues individuelles confèrent un certain mouvement circulaire ou latéral au courant de gaz chauds, des aubes ou ajutages de guidage appropriés 20, 21 et 22 sont prévus dans le passage 25 annulaire 17 en un endroit contigu à chaque roue de manière à rediriger les gaz chauds pour qu'ils aient un impact directionnel optimum sur les aubes. La chambre annulaire 17 augmente progressivement de dimensions dans la direction de l'arrière de manière à tenir compte de la dilatation des gaz 30 chauds la traversant. La rangée circulaire d'aubes 15 du rotor 13 s'étend radialement dans la chambre annulaire 17, c'est-à- dire dans le courant de gaz chauds et les aubes 15 du premier étage ont leurs extrémités extérieures en forme d'arc 23, qui sont étroitement adjacentes à la surface intérieure 35 d'un anneau 24 formant bouclier situé dans la paroi 19 de l'enveloppe 16. Les gaz chauds sortant de la chambre de -6 combustion 11 sont dirigés au moyen du passage annulaire ou chambre 17 vers la zone annulaire définie par les rangées d'aubes 15, 15' et 15" des disques de roue 14, 14' et 14". Il est important que la partie la plus grande possible du 5 courant de gaz chauds soit dirigée entre les aubes de la turbine de façon qu'il y ait une extraction optimum d'énergie à partir des gaz chauds afin de conférer une énergie rotatoire aux roues de la turbine. Une partie des gaz chauds traversant la chambre annulaire 17 peut s'échapper en passant 10 entre les aubes 15 sous l'effet d'un écoulement s'effectuant dans la direction radiale de l'intérieur en suivant la surface des disques des roues, et des joints d'air appropriés 25 sont utilisés entre un disque 13 de rotor et une surface contigue de l'enveloppe 16. Ces joints 25 empêchent que les 15 gaz chauds ne passent de la chambre annulaire 17 vers les disques 14, 14' et 14" en suivant un trajet dirigé radialement vers l'intérieur, et par conséquent la majeure partie des gaz chauds présents dans la chambre annulaire 17 est dirigée entre les aubes 15. Une partie des gaz chauds 20 contourne également les aubes 15 au droit de l'espace ou zone 26 formé par le jeu entre les extrémités 23 des aubes et l'enveloppe 16. La zone de jeu 26 joue un rôle très important. L'espace 26 entre les extrémités 23 des aubes et l'enveloppe 16 doit être maintenue le plus faible possible, 25 en particulier pendant le fonctionnement du moteur de manière à éviter que les gaz chauds ne contournent les aubes de la turbine. En même temps, la zone de jeu 26 et la structure contiguë du moteur sont soumises à des températures extrêmement élevées, à une dilatation maximum des pièces métalli30 ques, et à l'érosion par les gaz chauds. Si un rotor ou une enveloppe se déformaient considérablement, les aubes 15 d'un disque de rotor 14 qui est soumis à une rotation de plusieurs milliers de tours/minute, pourraient venir frotter contre l'enveloppe 16, d'o des conséquences fâcheuses pour les 35 performances du moteur 10. Par conséquent, il est de pratique - 7 courante d'installer diverses sortes d'anneaux formant bouclier dans l'enveloppe 16, en particulier au niveau de la turbine du premier étage, dans le but d'assurer un jeu minimum et d'obtenir un joint effectif aux gaz pour les 5 diverses températures et conditions de fonctionnement du moteur. Un anneau formant bouclier selon la pratique de la présente invention est illustré par l'anneau 24 en figure 1. De nouveau en liaison avec la figure 1, l'anneau 24 formant bouclier est un élément annulaire en bande qui est 10 monté dans l'enveloppe 16 concentriquement autour de la roue 13, de façon que sa surface intérieure chevauche étroitement les extrémités 23 des aubes 15 de la turbine pour définir le jeu étroit 26. Dans la vue en coupe illustrée en figure 1, l'anneau 24 apparait comme une poutre simple reposant sur 15 deux supports espacés en forme de lèvre, 27 et 28, dans l'enveloppe 16. Dans l'agencement illustré en figure 1, qui est exagéré pour rendre la figure plus claire, on a trouvé qu'avec les températures extrêmes qu'on rencontre pendant le fonctionne20 ment, un anneau 24 formant bouclier a tendance à gauchir ou se déformer d'une manière prédéterminée à la turbine du premier étage. Il y a un différentiel de température élevé à travers l'anneau formant bouclier entre le bord avant, bord en regard de la chambre de combustion 11, et le bord arrière 25 ou bord opposé qui contribue à la déformation. La "structure en poutre" de l'anneau formant bouclier, expression utilisée-ici seulement à des fins de description, a tendance à flèchir ou à se courber radialement dans la direction de l'intérieur à partir de ses supports 27 et 28 30 (dans la direction opposée à la courbe exagérée de la figure 1) vers les aubes 15. Un tel gauchissement ou déformation provoque des problèmes de circulation des gaz car le trajet aérodynamique du courant dans cette zone doit être aussi cylindrique que possible. Une plus grande déformation ou 35 courbure pourrait également déboucher sur la venue en contact - 8 de l'anneau avec les aubes mobiles 15. La déviation remarquée semble suivre une courbe régulière suivant l'axe longitudinal de l'anneau 24 entre le bord avant et le bord arrière, et dans la direction radiale de 5 l'intérieur à partir de ses supports 27 et 28, vers les extrémités périphériques plates 23 des aubes 15. On a maintenant découvert que le problème du gauchissement ou de la déviation de l'anneau formant bouclier venant d'être décrit peut être résolu sans mécanismes de réglage ou 10 processus complexes de compensation de la dilation ou déformation. On a trouvé avantageux de réaliser un anneau continu formant bouclier avec une multitude de segments en forme d'arc, qui, après montage dans l'enveloppe d'un moteur en les 15 mettant côte à côte, forment cet anneau continu. La figure 2 est une vue en coupe d'un segment 29 en forme d'arc d'un anneau tel que l'anneau 24 de la figure 1, qui incorpore la pratique de la présente invention. Pour rendre la figure plus claire, on n'a pas représenté la 20 courbure du segment 29. Comme illustré en figure 2, le segment 29 d'anneau, dans une vue en coupe, comprend un élément en forme de U, ou de canal, ayant une paroi inférieure 30 et des parois verticlales espacées 31 et 32 présentant des faces opposées dans le sens axial 33 et 34. 25 Dans chaque face 33 et 34 est ménagée une rainure définie, pénétrant axialement, 35 et 36. Les rainures 35 et 36 s'étendent circonférentiellement sur la totalité de la circonférence de l'anneau au droit du rayon de la rainure par rapport à l'axe 12. Ces rainures font partie d'une connexion 30 par languette et rainure et se montent dans des languettes ou supports 27 et 28 de l'enveloppe 16 pour maintenir l'anneau 24 dans la position illustrée. A la paroi arrière ou aval 31 du segment 29 de l'anneau formant bouclier, se trouve une surface chanfreinée 37 s'étendant vers le haut qui forme un 35 rebord. Cette surface 37 est taillée en pointe de sorte -9 qu'elle se monte régulièrement dans la paroi effilée correspondante 19 de la chambre annulaire 17 pour créer une surface aérodynamique lisse pour la circulation des gaz chauds. De nouveau en liaison avec la figure 2, et selon la 5 pratique de la présente invention, le segment 29 de l'anneau comporte une surface concave qu'on peut décrire comme présentant une courbure opposée avec un cintrage D de la paroi inférieure 30 mesuré entre l'horizontale et le point de déviation le plus grand se trouvant à mi-distance entre 10 l'extrémité avant, au droit de la paroi 32, et l'extrémité arrière, au droit de la paroi 31. Cette courbure opposée sous forme d'arc est représentée plus clairement, avec une certaine exagération, dans l'anneau 24 de la figure 1. Le taux ou degré du cintrage D en figure 2 est sensiblement 15 identique à celui qu'on rencontre dans les anneaux de l'art antérieur. Cependant, le cintrage D en figure 2 est de sens opposé à celui qu'on remarque dans les anneaux de l'art antérieur, et le cintrage D est conféré ici dans une direction inverse au titre d'une partie de son processus de 20 fabrication. Dans un exemple de problème sur lequel la présente invention est axée, on a trouvé que le cintrage D était égal à environ 0,76 mm. Ce cintrage est une courbure qu'on rencontre dans la paroi inférieure 30 de l'anneau 24, et peut être décrit comme ayant, par exemple, un rayon 25 sphérique. Cependant, d'autres courbes de déformation sont possibles et la présente invention n'est pas limitée à une forme particulière de déformation. En liaison avec la figure 2, la courbure de cintrage a un rayon dans le sens latéral qui suit la courbe de l'anneau et la périphérie de la roue de 30 la turbine à aubes. Elle a également un rayon s'étendant entre l'axe du moteur et l'anneau et allant dans la direction de l'avant et la direction de l'arrière. Une telle courbure avec deux rayons est parfois appelée surface en cuvette. Par conséquent, si la surface 30 est incurvée de 0,76 mm dans une 35 direction opposée, alors, après l'effet des hautes températures, la déformation attendue ou usuelle de 0,76 mm doit - 10 amener la paroi inférieure 30 à une position neutre ou position nominale. La courbure inverse ou surface concave de l'anneau 24 permet à ce dernier de se déformer aux températures élevées 5 au point noté dans les anneaux de l'art antérieur, sans changement important du jeu nominal d'origine entre l'anneau 24 et les aubes 15 de la turbine et sans risques de contact par frottement entre les aubes et l'anneau. En même temps, un jeu minimum souhaitable de fonctionnement se trouve maintenu, 10 ce qui élimine la pratique de l'art antérieur consistant à établir un jeu excessif à l'origine en prévision de la déformation par dilatation aux températures élevées, avec comme résultante un jeu plus petit. La paroi 30, comme illustré, présente une surface concave qui forme une voûte 15 sur les aubes 15 entre leur extrémité avant et leur extrémité arrière. - 11 REVENDICATIONS 1. Anneau formant bouclier pour moteur à turbine à gaz chauds comportant une enveloppe (16), une roue de turbine (13) montée -concentriquement dans l'enveloppe, la roue 5 comportant une rangée circonférentielle d'aubes profilées (15...) autour de sa circonférence, une chambre de combustion (11) dans l'enveloppe destinée à fournir des gaz chauds à la roue de la turbine, (a) les aubes ayant leurs extrémités antérieures en 10 regard de la chambre de combustion et des extrémités postérieures opposées, (b) l'anneau formant bouclier (24) comportant un élément annulaire en bande placé concentriquement autour de la roue de la turbine en étant étroitement contigu aux aubes, 15 l'élément en bande ayant une surface concave formant une voûte au-dessus des aubes entre leur extrémité antérieure et leur extrémité postérieure. 2. Anneau selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une multitude de segments (29) séparés et 20 finis en forme d'arc, montés bout à bout pour former un cercle continu autour de la roue de la turbine. 3. Anneau formant bouclier pour moteur à turbine à gaz comportant une enveloppe (16), une roue (13) de turbine montée concentriquement dans l'enveloppe et une chambre de 25 combustion (11) pour fournir des gaz chauds à la roue de la turbine, (a) l'enveloppe présentant une paroi (19) effilée radialement le long de laquelle les gaz chauds s'écoulent, (b) l'anneau (24) étant fixé dans l'enveloppe concen30 triquement autour de la roue de la turbine, (c) l'anneau, dans une vue en coupe, comprenant un élément ayant la forme générale d'un U ou d'un canal, présentant une paroi inférieure (30) et une paire de parois verticales opposées (31, 32) avec des faces (33,34) dirigées 35 dans des directions opposées, - 122595759 - 12 (d) l'élément en forme de canal ayant une configuration annulaire avec les parois latérales dirigées radialement vers l'extérieur et verticales par rapport à la paroi inférieure, et (e) la paroi inférieure formant une courbe ou cuvette dirigée radialement vers]l'extérieur entre les parois latérales. 4. Anneau selon la revendication 3, caractérisé en ce que la courbe a une profondeur maximum d'environ 0,76mm lorsqu'elle est mesurée à partir d'un plan horizontal en contact avec la paroi inférieure (30). 5. Anneau selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque face opposée (33, 34) de chaque paroi latérale (31, 32) définit une rainure (35, 36) pénétrant axialement, 15 et une saillie en languette (27, 28) dans l'enveloppe (19) du moteur à turbine à gaz chauds, saillie se montant dans la rainure (35, 36) pour fixer l'anneau à l'enveloppe. 6. Anneau selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'une des parois latérales (31, 32) comporte un élément 20 de surface en forme d'arc (37) s'étendant axialement et taillé en pointe vers le haut, destiné à se monter sur la paroi effilée radialement (19) et à épouser la forme de cette paroi dans l'enveloppe le long duquel les gaz chauds s'écoulent. 7. Segment d'anneau formant bouclier pour turbine à gaz, ce segment (29), dans une vue en coupe, comprenant un élément ayant la forme générale d'un U ou d'un canal avec une paroi inférieure (30) et une paire de parois verticales opposées (31, 32) ayant des faces (33, 34) dirigées dans des 30 directions opposées, l'élément en forme de canal ayant une configuration annulaire avec les parois latérales dirigées radialement vers l'extérieur et verticales par rapport à la paroi inférieure. 8. Segment selon la revendication 7, caractérisé en ce 35 que la paroi inférieure (30) forme une courbe ou cuvette - 13 - 2595759 dirigée radialement vers l'extérieur entre les parois latérales. 9. Segment selon la revendication 8, caractérisé en ce que la courbe ou cuvette a une forme sphérique.