Brevet FR2623243A1 — publié le 19890519

"Couronne directrice pour une turbine à gaz avec un anneau interne, un anneau externe dont l'un est dispo- sé séparément et susceptible d'être déplacé séparé- ment" L'invention concerne une couronne directrice pour une turbine à gaz, avec un anneau interne, un an- neau externe concentrique et des aubes directrices ré- parties sur la périphérie entre ces deux anneaux, ces aubes étant fixées sur l'un des deux anneaux. Les couronnes directrices sont nécessaires dans les compresseurs et les turbines de turbines à gaz pour assurer une alimentation opti- male des aubes mobiles par le fluide de fonctionne- ment. Notamment, la couronne directrice du premier étage de turbine qui est disposée dans le sens de l'é- coulement, directement derrière la chambre de combus- - tion, est soumise à des sollicitations thermiques éle- vées du fait de la température élevée et de la pres- sion élevée. En conséquence, cette couronne directrice doit être constituée de matériaux résistant de façon appropriée à la température (céramique) ou bien être maintenue à une température plus basse au moyen de fluides de refroidissement (air). De telles couronnes directrices sont, soit réalisées de façon complètement intégrale (d'une seule pièce), ou bien assemblées à partir d'aubes indivi- duelles, ou des groupes de deux ou trois aubes. Tandis que le dernier procédé, à côté de coupe de réalisa- tion élevée, s'accompagne de pertes considérables de la circulation d'air de refroidissement dûes à des fuites, ces inconvénients peuvent être en principe évités dans le cas d'une réalisation complètement in- tégrale de la couronne directrice. Toutefois, des cou- ronnes directrices de ce type présentent d'autres in- convénients. C'est ainsi que du fait des gradients ra- diaux et tangentiels élevés de température, ces cou- ronnes sont soumises à une sollicitation de fatigue thermique élevée. En outre, des difficultés intervien- nent lors de la réalisation de petits perçages d'air de refroidissement, et lors du revêtement avec des couches de protection contre la corrosion par les gaz chauds et avec des couches insonorisantes. L'invention a pour but de créer une couronne directrice pour une turbine à gaz, qui bénéficie des avantages d'un mode de construction complètement inté- gral, (réalisation économique et faibles pertes) tout en évitant les inconvénients de ce mode de construc- tion, notamment la fatigue thermique élevée. Ce but est atteint, conformément à l'inven- tion, en ce que l'autre anneau est disposé séparément et est susceptible d'être déplacé axialement, tandis qu'au moyen d'un dispositif extenseur prenant appui sur le carter externe du propulseur ou bien sur le carter interne du propulseur, un effort axial est exercé sur un des deux anneaux, grâce à quoi l'anneau disposé séparément est pressé contre les pointes chan- freinées axialement des aubes directrices., L'avantage essentiel de l'invention réside en ce que les aubes directrices de la couronne direc- trice peuvent se dilater de façon correspondante à l'évolution radiale de la température, et les con- traintes intervenant jusqu'ici du fait de dilatations thermiques différentes des aubes et de l'anneau inter- ne ou externe, sont évitées. Les aubes directrices peuvent se dilater radialement sans contrainte, auquel cas, grâce à un déplacement axial approprié de l'an- neau disposé séparément, il s'effectue-une compensa- tion cinématique, c'est-à-dire que le contact entre les deux parties constitutives reste assure. En outre, les aubes directrices peuvent être réalisées sous la forme d'une partie constitutive in- tégrale de l'anneau dont elles sont solidaires, auquel cas, en dehors d'une fabrication simple, une réalisa- tion exempte de fuites est rendue possible. Selon d'autres formes de réalisation de l'invention, les aubes directrices peuvent être soli- daires de l'anneau externe ou bien de l'anneau inter- ne. Ce choix doit être dicté par les données de cons- truction du canal d'écoulement ou bien de la chambre de combustion. Il est en outre possible de prévoir le dispositif extenseur de façon que l'anneau disposé sé- parément soit poussé contre les aubes fixes, ou bien, qu'inversement, l'anneau disposé séparément soit soli- daire du carter, tandis que l'anneau muni des aubes directrices est appliqué sous pression. Selon une forme de réalisation préférée, l'anneau externe est disposé de façon séparée. Ceci est surtout avantageux dans de petites turbines à gaz comportant des chambres de combustion réversibles, car, dans ce cas, l'anneau externe a un contour coni- que plus marqué que l'anneau interne. Si l'anneau in- terne, pour des raisons de construction devait avoir un tracé de contour conique plus marqué que l'anneau externe, la forme de réalisation avec un anneau inter- ne séparé est alors possible en variante. De préférence, les emplacements de contact entre les extrémités libres des aubes directrices et l'anneau séparé sont prévus au voisinage des arêtes antérieures des aubes directrices, car du fait de l'é - paisseur plus importante des aubes à cet endroit, on obtient des surfaces de contact et de pression plus importantes. Il est prévu, en outre, dans une autre forme de réalisation de l'invention, un intervalle radial étroit entre les aubes directrices et l'anneau libre, au voisinage des arêtes postérieures des aubes. De ce fait, la dilatation radiale conditionnée par la tempé- rature des aubes directrices est assurée, de sorte qu'en fonctionnement, tout contact est évité à cet em- placement ou bien seuls des efforts de contact réduits interviennent. De préférence, pour réduire les pertes aéro- dynamiques, l'intervalle est ventilé par des perçages à partir de l'espace se situant radialement à l'exté- rieur de l'anneau externe. En variante ou bien en sup- plément, une partie de l'air de refroidissement de la grille directrice peut être soufflée à cet endroit. Grâce à une réalisation appropriée des ex- trémités des aubes, dans la zone de l'intervalle, l'inversion de l'écoulement aux extrémités des aubes est avantageusement réduite. Selon une autre forme de réalisation avanta- geuse de l'invention, pour empêcher la corrosion par frottement aux emplacements de contact, des couches de protection contre l'usure sont déposées sur les extré- mités des aubes et/ou sur l'anneau séparé. L'invention va être maintenant exposée plus en détail ci-après à l'aide des dessins ci-joints, dans lesquels: - la figure i est une coupe axiale partielle d'une turbine à gaz avec une chambre de combustion ré- versible annulaire et un étage de turbine constitué d'une couronne directrice et d'une roue mobile, - la figure 2 est une coupe transversale d'une partie de l'anneau externe, - la figure 3 est une coupe axiale d'une va- riante de réalisation de la couronne directrice.. La figure 1 montre une aube directrice 1, qui est disposée radialement entre un anneau interne 2 et un anneau externe 4. Cette aube directrice 1 est dans ce cas, solidaire de l'anneau interne 2, cet an- neau interne 2 étant, à son tour, fixé sur le carter interne 12 de la turbine à gaz. L'anneau externe séparé 4 est relié au car- ter 8 du propulseur, par l'intermédiaire d'un disposi- tif extenseur 5 revêtant la forme d'un ressort de pression, de sorte qu'une possibilité de déplacement axial de l'anneau externe 4 est assurée. Par l'inter- médiaire de dispositifs de guidage 18, un guidage axial de l'anneau externe 4 dans le carter 8 du pro- pulseur est obtenu, évitant notamment une rotation en direction périphérique. Il est prévu un joint d'étan- chéité périphérique 9 pour empêcher une pénétration dans l'espace 19 de gaz en provenance du canal d'écou- lement. Au cours du fonctionnement, le gaz de fonc- tionnement comprimé et échauffé s'écoule de la chambre de combustion 20 dans la direction désignée par 21 et il sollicite les aubes directrices i réparties sur la périphérie de l'anneau interne 2. Dans ce cas, l'écou- lement des gaz est dévié en direction périphérique pour obtenir une alimentation, autant que possible exempte de pertes, des aubes rotatives de turbines 3 placées à la suite. En aval, d'autres aubes directri- ces et d'autres aubes mobiles, non représentées des étages suivants de la turbine, sont sollicitées par le courant de gaz. L'aube directrice 1 représentée n'est pas en contact avec l'anneau externe séparé 4 tout le long de l'arête de l'aube, mais seulement dans une zone par- tielle antérieure 6. Dans cette zone, l'aube directri- ce 1 est chanfreinée, et l'anneau externe 4 placé en face a une forme conique pour assurer un effort d'ap- plication axial entre ces deux parties constitutives. Sur la partie postérieure de l'arête de l'aube direc- trice, il est prévu un intervalle radial 7 qui permet une dilatation thermique radiale de l'aube 1. Cet in- tervalle radial 7 est relié à l'espace 19 dans des perçages 22, de sorte que de l'air peut sortir et qu'ainsi les pertes aérodynamiques dans l'intervalle radial 7 sont réduites. Sur la figure 2 on peut voir une zone par- tielle de l'anneau externe séparé 4 en coupe transver- sale. Deux des aubes directrices 1 réparties sur la périphérie sont placées en face de l'anneau externe 4 radialement à l'intérieur, cet anneau présentant une épaisseur de paroi plus importante dans les zones 10 aux emplacements de contact 6 avec les aubes directri- ces 1. Dans les zones intermédiaires 11, il est prévu une épaisseur de paroi plus réduite, grâce à quoi on peut obtenir un comportement plus élastique de l'en- semble de l'anneau externe 4 que dans le cas d'une épaisseur de paroi uniforme. Dans la forme de réalisation de l'invention représentée sur la figure 3, l'anneau externe séparé 4 est disposé à poste fixe sur le carter 8 du propul- seur. L'anneau interne 2 relié aux aubes directrices 1 est, par contre, monté sur le carter interne 12 du propulseur, en étant susceptible de se déplacer axia- lement. Il est alors prévu un dispositif extenseur 14 qui engendre l'effort d'application entre l'aube di- rectrice 1 et l'anneau externe séparé 4 en l'emplace- ment de contact 6. Un dispositif de guidage 17 entre le carter interne 12 du propulseur et l'anneau interne 2 assure une mobilité axiale précise de l'anneau in- terne 2. Un joint d'étanchéité 16 empêche que les gaz de combustion agressifs pénètrent à partir du canal d'écoulement dans l'espace 15. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, au voisinage des arêtes postérieures des aubes, un intervalle radial étroit est prévu entre les aubes directrices et l'anneau libre. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, l'intervalle radial est ventilé à partir de l'espace au moyen de perçages dans l'anneau disposé séparément. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, des dispositifs sont prévus pour souffler dans l'intervalle radial une partie de l'air de refroidis- sement des aubes directrices. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, l'anneau disposé séparément présente une épais- seur de paroi plus importante dans les zones des em- placements de contact. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, les aubes directrices, l'anneau interne, et/ou l'anneau externe sont constitués par des matériaux cé- ramique ou métallique. R E V E N D I C A T IONS 1.- Couronne directrice pour une turbine à gaz, avec un anneau interne (12), un anneau externe concentrique (4), et des aubes directrices (1) répar- ties sur la périphérie entre ces deux anneaux, ces au- bes étant fixées sur l'un des deux anneaux (2, 4), couronne directrice caractérisée en ce que l'autre an- neau (4, 2) est disposé séparément et est susceptible d'être déplacé axialement, tandis qu'au moyen d'un dispositif extenseur (5, 14) prenant appui sur le car- ter externe (8) du propulseur ou bien sur le carter interne (12) du propulseur, un effort axial est exercé sur un des deux anneaux, grâce à quoi l'anneau disposé séparément est pressé contre les pointes chanfreinées axialement des aubes directrices (1). 2.- Couronne directrice selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que les aubes directrices (1) sont solidaires de l'anneau interne (2) tandis que le dispositif extenseur (5) est prévu entre l'anneau externe (4) et le carter (8) de la turbine. 3.- Couronne directrice selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que les aubes directrices (1) sont solidaires de l'anneau interne (2) tandis que le dispositif extenseur (14) est prévu entre l'anneau interne (2) et le carter interne (12) du propulseur. 4.- Couronne directrice selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que les aubes directrices (1) sont solidaires de l'anneau externe (4). 5.- Couronne directrice selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les emplacements de contact (6) entre les extrémités libres des aubes directrices (1) et l'anneau disposé séparément (2, 4) sont prévus au voisinage de l'arête antérieure des aubes directrices (1). 6.- Couronne directrice selon la revendica- tion 5, caractérisée en ce qu'au voisinage des arêtes postérieures des aubes, un intervalle radial étroit (7) est prévu entre les aubes directrices (1) et l'an- neau libre (2 ou bien 4). 7.- Couronne directrice selon la revendica- tion 6, caractérisée en ce que l'intervalle radial (7) est ventilé à partir de l'espace (19) au moyen de per- çages (22) dans l'anneau disposé séparément (2, 4). 8.- Couronne directrice selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que des dispositifs sont prévus pour souffler dans l'in- tervalle radial (7) une partie de l'air de refroidis- sement des aubes directrices. 9.- Couronne directrice selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'anneau (4, 8) relié au dispositif extenseur (5, 14) comporte un dispositif de guidage (17, 18) qui empêche une rotation dans la direction périphérique. 10.- Couronne directrice selon l'une quel- conque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les surfaces de contact (6) entre les aubes direc- trices (1) et l'anneau disposé séparément (2, 4) sont munies de couches'de protection contre l'usure. 11.- Couronne directrice selon l'une quel- conque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que l'anneau disposé séparément (2, 4) présente une épaisseur de paroi plus importante dans les zones (10) des emplacements de contact (6). 12.- Couronne directrice selon l'une quel- conque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que les aubes directrices (1), l'anneau interne (2), et/ou l'anneau externe (4) sont constitués par des ma- tériaux céramique ou métallique.