Brevet FR2629868A1 — publié le 19891013

Cette inventibn concerne un dispositif perfec- tionné pour le contrôle des jeux dans un moteur à turbine à gaz en procédant à un chauffage ou un refroidissement sélec- tifs du rotor du moteur. Les moteurs à turbine à gaz comprennent générale- ment un compresseur de l'air entrant dans le générateur de gaz, une chambre de combustion o le carburateur est mélangé à l'air comprimé, puis brûlé de manière à créer un courant gazeux de haute énergie, et une première turbine qui extrait l'énergie du courant gazeux pour entraîner le compresseur. Dans les moteurs d'avion à réacteur à double flux, une seconde turbine ou turbine à basse pression montée en aval du générateur de gaz extrait davantage d'énergie du courant gazeux pour entraîner une soufflante. La soufflante fournit la poussée principale de propulsion produite par le moteur.. Les composants tournants de la turbine et du com- presseur comportent un certain nombre d'aubes fixées à un disque, qui sont entourées par un anneau fixe de renforce- ment. De manière à maintenir le rendement du moteur, il est souhaitable de conserver à une valeur minimale l'espace ou interstice séparant les extrémités des aubes et l'anneau de - 2 - renforcement. Si le moteur devait fonctionner seulement dans des conditions à l'état constant, l'établissement et le maintien d'un petite interstice constitueraient une opéra- tion pouvant s'effectuer sans grands problèmes. Cependant, le fonctionnement normal des moteurs d'avion à turbine à gaz implique de nombreuses conditions transitoires qui peuvent être à l'origine de changements dans la vitesse et la tempé- rature du rotor. Par exemple, pendant le décollage, la vitesse et la température du rotor sont élevées, ce qui signifie qu'il y a une dilatation radiale élevée des aubes et du disque. D'une façon similaire, lors de la diminution de la vitesse et de la température du rotor, il y a une réduction des dimensions radiales des aubes et du disque. L'anneau fixe de renforcement se dilate ou se contracte éga- lement en réponse aux variations de la température. Il est difficile. d'envisager un système passif dans lequel les aubes et le disque se déplacent radialement au même taux que l'anneau de renforcement de manière à main- tenir entre eux un interstice uniforme. Cela est dû plus particulièrement au fait que le rotor croit de manière élas- tique presque instantanément en réponse aux changements de la vitesse du rotor sans qu'il y ait essentiellement une croissance correspondante de l'anneau de renforcement. En outre, il y a une différence dans le taux de la croissance provoquée thermiquement entre l'anneau de renforcement et le rotor. En général, la croissance thermique des aubes du rotor est en retard sur la croissance élastique, et la croissance thermique de l'anneau de renforcement est en retard sur la croissance thermique des aubes, avec la crois- sance thermique du disque ayant la réponse la plus petite. Dans le passé, on a employé divers systèmes actifs pour contrôler la croissance relative entre l'anneau de ren- forcement et le rotor et par consequent l'interstice, par exemple, en procédant à un chauffage et/ou à un refroidisse- ment sélectifs de l'anneau de renforcement du stator comme - 3 - cela est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 230 436. Une proposition pour contrôler les jeux dans un compresseur en procédant à un chauffage sélectif de son rotor est décrite dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique n 4 576 547. Le système divulgué dans ce brevet représente deux sources d'air comprimé à une pression relativement éle- vée à des températures différentes, l'air étant admis sélec- tivement dans l'alésage du rotor à mi-étage du compresseur. Le contrôle des jeux par refroidissement continu d'un rotor est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 3 647 313. La présente invention a pour objet un dispositif perfectionné pour le contrôle de la température du rotor d'une turbomachine. La présente invention a pour autre objet un dispo- sitif pour le contrôle des jeux dans une turbomachine par chauffage ou refroidissement du rotor qu'elle comporte. La présente invention a aussi pour objet un dispo- sitif simplifié pour procéder au chauffage et au refroidis- sement du rotor d'un moteur à turbine à gaz. La présente invention a encore pour objet un dis- positif perfectionné de contrôle du jeu pour le compresseur d'un moteur à turbine à gaz qui procède au chauffage ou au refroidissement du rotor du compresseur avec une diminution minimum du rendement du cycle du moteur. La présente invention concerne un dispositif pour le contrôle de la température du rotor d'une turbomachine. Le dispositif comprend un moyen pour fournir un fluide de refroidissement au rotor et un moyen pour fournir un fluide de chauffage au rotor et un moyen pour ne contrôler que l'écoulement du fluide de chauffage. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, une vue schématique en coupe d'un moteur -4- à turbine à gaz. Figure 2, une vue schématique en coupe du compres- seur à haute pression du moteur représenté en figure 1 qui illustre un mode de réalisation de la présente invention. Figure 3, une vue schématique en coupe de la tur- bine à haute pression du moteur représenté en figure 1, qui, en même temps que l'illustration de la figure 2, représente un mode de réalisation de la présente invention. La figure 1 représente un moteur à turbine à gaz 10 comportant un générateur de gaz 12 et un système à basse pression 14. Le générateur de gaz 12 comporte un compresseur 16 à haute pression, débit axial, une chambre de combustion 18 et une turbine à haute pression 20, tous ces éléments étant montés en serie en matière d'écoulement. Le compres- seur 16 et la turbine 20 comportent des sections de rotor qui sont connectées par un premier arbre 22, tous ces élé- ments tournant autour de l'axe 24 du moteur. Les sections de rotor ainsi que l'arbre 22 et les autres éléments tournants du générateur de gaz 12 comprennent un rotor 19. Le système à basse pression 14 comporte une souf- flante 26, un surpresseur 28 à écoulement axial et une tur- bine 30 à basse pression. Comme cela apparaît en figure 1, la soufflante 26 et le compresseur 28 sont situés à l'avant du générateur de gaz 12 et la turbine 30 à basse pression est placée à l'arrière du générateur de gaz 12. Les sections à rotor des composants du système à basse pression sont connectées par un second arbre 32 qui tourne autour de l'axe 24 du moteur. L'air entrant dans le générateur de gaz i2 tra- verse d'abord la partie dirigée radialement vers l'intérieur de la soufflante 26 et le surpresseur 28 o il est comprimé, d'o l'augmentation de sa pression et de sa température. L'air est en outre comprimé alors qu'il traverse le compres- seur 16 à haute pression. L'air est alors mélangé au carbu- rant dans la chambre de combustion 18 et brûlé pour former -5- un courant gazeux de haute énergie. Ce courant gazeux se dé- tend dans la turbine 20 à haute pression o l'énergie est extraite pour entraîner le compresseur 16. Davantage d'énergie est extraite par la turbine à basse pression 30 afin d'entraîner la soufflante 26 et le surpresseur 28. Le moteur 10 produit une poussée grâce à l'air de la soufflante qui sort d'une conduite 34 et aux gaz s'échappant de la tuyère 36 du générateur. En liaison maintenant avec la figure 2, le com- presseur à haute pression 16 comporte une multitude de disques 40. Chaque disque 40 supporte une multitude d'aubes 42 de compresseur, espacées circonférentiellement les unes des autres, qui définissent un étage du compresseur. Les divers étages sont connectés ensemble par des éléments 44 et sont reliés ensemble à l'arbre tubulaire 22 par une struc- ture de support conique ou structure avant 46. Ces éléments du rotor 19 définissent un alésage 48 entre l'arbre 22 et les éléments 44. En liaison maintenant avec la figure 3, la turbine à haute pression 20 comporte un disque 80 qui supporte une multitude d'aubes de turbine 82 espacées circonférentielle- ment les unes des autres. Le disque 80 est connecté aux étages du compresseur par un élément 45 et est relié à l'arbre 22 par une structure de support arrière'84. Tous les composants tournants du moteur 10 sont entourés à leurs extrémités radialement extérieures par une structure d'anneau de renforcement fixe. Par exemple, comme représenté en figure 2, le compresseur à haute pression 16 est entouré par l'anneau de renforcement 38. La présente invention est un dispositif permettant de maintenir le jeu désiré entre les aubes tournantes et un anneau de renforcement les entourant en procédant au contrôle de la température des disques qui supportent les aubes. Dans son aspect le plus large, le dispositif comprend un moyen pour fournir au rotor un fluide de refroidissement, - 6 - un moyen pour fournir au rotor un fluide de chauffage, et un moyen pour contrôler seulement l'écoulement du fluide de chauffage. - Dans le mode de réalisation de l'invention repre- senté en figures 2 et 3, le fluide de refroidissement est de l'air fourni par le surpresseur 28. Le moyen pour fournir l'air du surpresseur comprend une fente 50, un collecteur 56, une chambre commune de mélange 58 et des trous 60. La fente 50 constitue une forme préférée d'ouverture par l'intermédiaire de laquelle on obtient l'air de soutirage du surpresseur. La fente 50 est disposée dans la paroi radiale- ment intérieure 52 du trajet annulaire d'écoulement 54 à un endroit situé à l'arrière du surpresseur 28 et à l'avant du compresseur a haute pression 16. L'air du surpresseur ser- vant au refroidissement du rotor 19 est continuellement introduit par l'intermédiaire de la fente 50. L'air est recueilli dans le collecteur 56 (qui est de préférence une structure inférieure à 360 mais, qui pourrait être une structure de 360 dans certains modes de réalisation, ou même peut être une multitude de collecteurs) à partir duquel il entre dans la chambre commune de mélange 58. La chambre 58 se trouve en avant de la structure de support 46 et au côté avant du rotor 19. La chambre 58 est connectée par fluide à l'alésage 48 du rotor par une multitude de trous 60 ménagés dans la structure de support avant 46. Toujours en liaison avec le mode de réalisation des figures 2 et 3, le fluide de chauffage est constitué de l'air du compresseur prélevé à un étage intermédiaire du compresseur 16 à haute pression. En fournissant l'air à par- tir d'un emplacement en aval du premier étage amont 43 du compresseur à haute pression, on obtient de l'air à une tem- pérature plus élevée. Le moyen pour fournir cet air du com- presseur comprend un collecteur 62, un tube 64, une entre- toise 66, la chambre commune de mélange 58 et les trous 60. L'air est recueilli dans un collecteur de soutirage 62 qui - 7 - est disposé dans la direction radiale de l'extérieur par rapport au compresseur 16 à haute pression. Le tube 64, extérieure à la paroi radialement extérieur 53 du trajet d'écoulement 54, relie le collecteur de soutirage 62 à l'entretoise 66, l'entretoise 66 étant placée entre le surpresseur 28 et le compresseur 16 à haute pression. En marche, l'air du compresseur circule à partir du collecteur 62 en passant par le tube 64 et l'entretoise creuse 66 pour entrer dans la chambre commune de mélange 58. Un moyen pour contrôler l'écoulement de l'air du compresseur comprend un moyen logique de contrôle 68 et une soupape 70, la soupape 70 étant disposée à l'intérieur du tube 64. La soupape 70 est placée dans la direction radiale de l'extérieur de l'enveloppe du moteur de manière à facili- ter le montage, le fonctionnement et l'entretien. L'invention comprend en outre un moyen pour limi- ter le débit de l'air se dirigeant vers le rotor. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, un tel moyen de limitation comporte un ou plusieurs orifices fixes sous forme de trous 86 de dosage ménagés dans la structure de support arrière 84. En fonctionnement, l'air du surpresseur est admis dans l'alésage 48 du rotor suivant un trajet d'écoulement 54 passant par la fente 50, le collecteur 56, la chambre de mélange 58 et les trous 60. L'air circule vers l'arrière et sort de l'alésage 48 en passant par les trous de dosage 86. Dans le mode de réalisation décrit, l'air déchargé passe par la cavité 88 de l'alésage de la turbine à basse pression avant d'entrer à nouveau dans le trajet d'écoulement des gaz passant par une fente 90. L'air s'écoule continuellement et il n'y a aucune soupape pour contrôler son débit. La pré- sence de cet écoulement de refroidissement de base a pour effet de minimiser la dilatation thermique du rotor aux conditions de dilatation maximum. L'absence d'une soupape améliore aussi la fiabilité du système et assure que l'air - 8 - entrera dans la cavité de l'alésage pour toutes les condi- tions de fonctionnement du moteur, le maintenant purgé des vapeurs indésirables. De plus, comme l'air est soutiré à l'intérieur du trajet d'écoulement 54, aucune tuyauterie extérieure n'est nécessaire. La seule soupape nécessaire dans la présente invention est la soupape 70 qui ne procède qu'au contrôle de l'écoulement de l'air à haute pression. Lorsque la soupape est fermée, aucun air de. chauffage n'atteint l'alésage 48, seul l'air relativement frais du surpresseur arrivant jusqu'à cet alésage. Alors que la soupape 70 est partielle- ment ouverte et que l'air du compresseur traverse le tube 64, l'air du surpresseur et l'air du compresseur se mélan- gent dans la chambre 58, formant un mélange d'air qui passe par les trous 60 pour atteindre l'alésage 48. Les trous de dosage 86 ménagés dans la structure de support arrière 86 sont dimensionnés de façon que l'écoulement les traversant soit dosé, c'est-à-dire qu'aux conditions données de fonc- tionnement, les dimensions de cet orifice établissent le débit. Cela signifie que la proportion de l'air du surpres- seur dans le mélange d'air est réduite lorsque le débit de l'air du compresseur augmente. En d'autres termes, lorsque le débit de l'air du compresseur augmente, le débit de l'air du surpresseur diminue. Ainsi, le "contrôle" de l'écoulement de l'air du compresseur dans la soupape 70 a un effet sur la quantité de l'air du compresseur atteignant l'alésage 48. Cependant, c'est le dimensionnement des trous 86 qui déter- mine le débit maximum de l'air du surpresseur. Par consé- quent, l'expression "contrôle" telle qu'elle est utilisée ici ne concerne que l'effet direct sur un courant tel que celui qui serait créé sur l'air du compresseur traversant la soupape 70 par la réduction mécanique de la section en coupe du trajet d'écoulement. L'expression ne concerne aucun effet secondaire tel que la diminution du courant d'air du surpresseur entrant dans l'alésage 48 à la suite de - 9 - l'augmentation du débit de l'air du compresseur. Comme on l'a noté, les trous 86 sont dimensionnés de façon que l'écoulement les traversant soit dosé. Une va- riante de moyen pour limiter le débit est possible si les dimensions des trous 86 ménagés dans le support arrière 84 et des trous 60 pratiqués dans le support avant 46 sont ajustés de façon que les trous 60 provoquent le dosage de l'écoulement. Il est également possible de dimensionner les composants du système de façon que l'écoulement soit dose à d'autres endroits, par exemple, à l'anneau 90 entre le disque 80 de la turbine à haute pression et l'arbre 22. Un avantage du mode de réalisation préféré de l'invention est qu'en ayant le point de dosage à l'extrémité arrière de l'alésage 48 du rotor, la pression dans cet alésage aug- mente, d'o l'obtention d'un meilleur transfert de la cha- leur avec les disques 40. On peut employer divers paramètres et logiques de contrôle pour procéder au contrôle du réglage de la soupape 70. Par exemple, les paramètres de contrôle peuvent com- prendre des paramètres sélectionnés pour le fonctionnement du moteur et/ou les conditions de fonctionnement de ce der- nier. Les paramètres de fonctionnement du moteur peuvent comporter la vitesse du générateur de gaz, la vitesse de la soufflante, ou les températures ou pressions à des endroits prédéterminés du moteur. Les conditions de fonctionnement du moteur peuvent comprendre l'altitude, ou la température ou la pression ambiante. Dans un mode de- réalisation préféré, la logique détectera, à titre d'entrée, l'altitude ainsi que la vitesse du générateur de gaz. La soupape sera fermée à une altitude inférieure à 2 400 mètres pour éviter les frot- tements entre les extrémités des aubes et les anneaux de renforcement lors des changements rapides de la vitesse du moteur. Au dessus de 2 400 mètres, la soupape sera modulée de manière à permettre un écoulement plus important aux faibles vitesses du moteur et altitudes plus basses et un - 10 - écoulement plus faible aux vitesses élevées du moteur et aux altitudes plus grandes. La présente invention non seulement a un effet sur le jeu dans le compresseur à haute pression mais également dans la turbine à haute pression et la turbine à basse pres- sion. Dans le mode de réalisation représenté en figure 3, seu5ls les jeux dans les deux étages en aval de la turbine à basse pression seront affectés. Il apparaîtra au technicien que la présente inven- tion n'est pas limitée au mode de réalisation représenté et décrit. On doit comprendre que les dimensions et proportions et relations structurelles indiquées dans les dessins ne le sont qu'à titre d'exemple et que ces illustrations ne doi- vent pas être considérées comme donnant les dimensions ou relations structurelles réelles qu'on utilise dans la pré- sente invention. - 1 1 - REVENDICATIONS 1. Dispositif pour contrôler la température du rotor d'une turbomachine, caractérisé en ce qu'il comprend: un moyen (SQ, 56, 58, 60) pour fournir un fluide de refroidissement au rotor un moyen (62, 64 66, 58, 60) pour fournir un fluide de chauffage au rotor, un moyen (70) pour ne commander que l'écoulement du fluide de chauffage. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le moyen de fourniture du fluide de refroi- dissement et le moyen de fourniture du fluide de chauffage comprennent une chambre commune de mélange (58) à l'extrémité antérieure du rotor-o le fluide de refroidisse- ment et le fluide de chauffage se combinent pour former un mélange de fluides. 3. Dispositif selon la revendication 2, caracté- risé en ce qu'il comprend: un moyen pour limiter l'écoulement du mélange de fluides vers le rotor. 4. Dispositif selon la revendication -3, caracté- risé en ce que le moyen de limitation comprend un orifice fixe (86) que traverse le mélange de fluides. 5. Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que l'orifice fixe est dimensionné de façon que la proportion du fluide de refroidissement dans le mélange soit réduite lorsqu'il y a augmentation de l'écoulement du fluide de chauffage. 6. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la turbomachine comprend des compresseurs à écoulement axial avant et arrière (16, 20), et en ce que le rotor constitue le rotor du compresseur arrière et le fluide de refroidissement comprend de l'air qui est fourni à partir d'un emplacement situé à l'avant du compresseur arrière. - 12 -2629868 7. Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce que les compresseurs définissent un trajet d'écoulement généralement annulaire et en ce que le moyen de fourniture du fluide de refroidissement comporte une ouver- ture sur la paroi radialement intérieure du trajet d'écoulement à l'avant du compresseur arrière. 8. Dispositif selon la revendication 6, caracté- risé en ce que le compresseur arrière à écoulement axial comporte un premier étage amont et en ce que le fluide de chauffage comprend l'air d'un compresseur qui est fourni à partir d'un emplacement situé en arrière du premier étage. 9. Dispositif selon la revendication 8, caracté- risé en ce que: le moyen de fourniture du fluide de chauffage com- porte un tube (64) extérieur à la paroi radialement exté- rieure du trajet d'écoulement, et le moyen de contrôle comporte une soupape (70) disposée à l'intérieur du tube. 10. Dispositif selon la revendication 9, caracté- rise en ce que: le moyen de fourniture du fluide de refroidisse- ment et le moyen de fourniture du fluide de chauffage com- prennent une chambre commune de mélange (58) à l'extrémité avant du rotor, et le moyen de fourniture du fluide de chauffage com- porte une entretoise creuse (66) entre les compresseurs avant et arrière connectant le tube et la chambre de mélange. 11. Dispositif selon la revendication 5, pour le con- trôle de la température du rotor du compresseur arrière dans une turbomachine comprenant: des compresseurs avant et arrière à écoulement axial, le compresseur arrière représen- tant une multitude d'étages, caractérisé en ce que: le moyen fournissant du fluide de refroidissement fournit de l'air à partir d'un emplacement situé à l'avant du - 13 - compresseur arrièere, le moyen fournissant du fluide de chauffage au rotor fournit de l'air comprimé à partir d'un emplacement situé A l'arrière du premier étage de la multitude d'étages du compresseur arrière. 12. Dispositif selon la revendication 11, caracté- risé en ce que les compresseurs définissent un trajet d'écou- lement généralement annulaire et en ce que le moyen de four- niture we l'air ce refroidissement comporte une ouverture sur l]a paroi radia]ement intérieure du trajet d'écoulement à l'avant du compresseur arrière. 13. Dispositif selon la revendication], pour le contrôle ae la température des disques (40) de rotor dans un moteur A turbine A gaz (10) comportant un générateur de gaz (]2) et un système à basse pression, le générateur de gaz comprenant un compresseur a haute pression (lb),- une chambre de combustion (]8) et une turbine A haute pression (20) en relation d'écoulement en série, le compresseur à haute pres- sion et la turbine à haute pression ayant un rotor qui com- ) prend un arbre reliant le compresseur et]a turbine, le rotor ayant au moins un disque de turbine dans la turbine à haute pression et une multitude de disques de compresseur dans le compresseur à haute pression, chacun des disques supportant une multitude d'aubes (42) définissant un étage de compres- seur, le rotor (19) ayant un alésage (48) entre l'arbre (22) et les disques et une structure de support antérieure (46) à l'avant de]'a]ésage pour connecter les disques A l'arbre et une structure de support postérieure (84) à]'arrière de l'alésage pour connecter le disque de turbine à l'arbre, le D système à basse pression comportant une turbine à basse pression (30), une soufflante (26) et un surpresseur (28), la soufflante et le surpresseur étant situés à l'avant du géné- rateur de gaz et étant connectés par un second arbre (32) à ja turbine basse pression, caractérisé en ce que: le moyen fournissant un fluide de refroidissement - 14 - au rotor fournit de l'air à l'alésage (48) du rotor à partir du surpresseur (2e); Je moyen fournissant un fluide de chauffage au rotor fournit de l'air à l'alésage (48) à partir du compresseur à haute pression (l6); et le moyen ne commandant que l'écoulement du fluide ae chauffage commande l'écoulement de l'air du compresseur à haute pression (15). 14. Dispositif selon la revendication 13, caracté- risé en ce que: le moyen de fourniture de l'air du surpresseur et le moyen de fourniture de l'air du compresseur comportent une chambre commune de mélange (58).à l'avant de la struc- ture de support antérieure dans laquelle l'air du surpres- seur et l'air du compresseur se. combinent pour former un mélange d'air, la chambre étant connectée par fluide à l'alésage du rotor par une multitude de trous (60) ménagés dans la structure de support antérieure; et l'élément de support postérieur comporte une mul- titude de trous de dosage (86), les trous étant dimensionnés de manière à réduire la proportion de l'air du surpresseur dans le mélange d'air lorsqu'il y a augmentation de l'écoulement de l'air du compresseur. 15. Dispositif selon la revendication 13, caracté- risé en ce que le moyen de commande comporte une soupape (70) répondant à un paramètre ou une condition de fonction- nement du moteur. 16. Dispositif selon la revendication 14, caracté- risé en ce que le moyen de fourniture de l'air du compres- seur comprend en outre: un collecteur (56) disposé dans la direction radiale de l'extérieur par rapport au compresseur à haute pression pour recueillir l'air du compresseur; un tube (64) connecté au collecteur; une entretoise creuse (66) entre le surpresseur et - '15 -. 2629868 - 15 - le compresseur à. haute pression connectant le tube et la chambre commune de mélange (56). 17. Dispositif selon la revendication 16, caracté- risé en ce que la soupape (70) est disposée dans le tube (64). 18. Dispositif selon la revendication 13, caracté- risé en ce que le moyen de fourniture de l'air du surpres- seur et le moyen de fourniture de l'air du compresseur com- portent une chambre commune de mélange (58) à l'avant de la structure de support antérieure dans laquelle l'air du sur- presseur et l'air du compresseur se combinent pour former un mélange d'air, la chambre étant connectée par fluide à l'alésage du rotor par une multitude de trous de dosage (60) ménagés dans la structure de support antérieure, les trous de dosage étant dimensionnés de manière à réduire la propor- tion de l'air du surpresseur dans le mélange d'air lorsqu'il y a augmentation de l'écoulement de l'air du compresseur.