Brevet FR2641033A1 — publié le 19900629

Cette invention a trait au contrôle des tolérances dans les turbomachines et s'applique en particulier au contrôle du jeu entre les extrémités d'une série annulaire d'aubes mobiles profilées de rotor et le carter qui traditionnellement les entoure. Il est bien connu qu'un des facteurs critiques gouvernant le rendement d'une turbine - et particulièrement la turbine d'un moteur à turbine à gaz à écoulement axial - est rimportance du jeu entre les extrémités extérieures radiales des aubes mobiles de rotor de la turbine et la surface radialement intérieure du carter qui les entoure. Si le jeu est trop grand, il peut se produire une fuite des gaz de la turbine entre les extrémités des aubes mobiles de la turbine et le carter, entramînant à son tour une diminution du rendement de la turbine. Il est bien sûr possible de construire une turbine de telle sorte que le jeu est très faible. Toutefois, les modifications thermiques qui se produisent inévitablement pendant le fonctionnement du moteur à turbine à gaz aboutit à la variation du jeu. Si le jeu est trop petit, il y a un réel danger que les extrémités des aubes mobiles de la turbine n'entrent en contact avec le carter. Plusieurs tentatives ont été faites par le passé pour contrôler la tolérance des extrémités d'aubes mobiles de turbine en envoyant de l'air chaud ou froid sur la surface externe du carter de la turbine afin de contrôler sa température et ainsi sa dilatation thermique. Par exemple, dans le brevet britannique GB I 248 198, est décrit un système de contrôle de la tolérance des extrémités des aubes mobiles de turbine dans lequel le jeu entre les extrémités des aubes mobiles de turbine et le carter les entourant est mesuré, la valeur mesurée qui en résulte étant utilisée pour contrôler un dispositif qui envoie de l'air chaud ou froid sur le carter. La température réelle de l'air est choisie de sorte que le carter se dilate ou se contracte thermiquement dans une proportion telle que la tolérance des extrémités est maintenue à une valeur prédéterminée. De façon similaire, dans le brevet britannique GB I 561 115, est décrit un système de contrôle de la tolérance dans lequel de l'air froid est envoyé sur le carter de la turbine afin de réduire le taux de dilatation thermique du carter. La quantité d'air de refroidissement envoyé réellement sur le carter est contrôlée d'après un paramètre de fonctionnement du moteur. Bien que de telles méthodes de contrôle de la tolérance des extrémités des aubes mobiles de turbine peuvent être efficaces, il est parfois difficile d'assurer que la dilatation et la contraction thermiques du carter de la turbine sont suffisamment importantes pour donner une tolérance optimale des extrémités des aubes mobiles de turbine dans la plupart des conditions de fonctionnement du moteur. La présente invention a pour but de fournir des moyens pour contrôler la tolérance des extrémités des aubes mobiles de turbine avec lesquels une tolérance optimale peut être obtenue dans la plupart des conditions de fonctionnement du moteur. 2 2641033 Conformément à la présente invention, un système de contrôle des tolérances dans les turbomachines comprend un carter qui, en fonctionnement, entoure les extrémités radialement extérieures d'une série annulaire d'aubes mobiles profilées de rotor, s'étendant radialement et disposées coaxialement à une certaine distance radiale les unes des autres, plusieurs segments de carénage qui collaborent pour définir un carénage annulaire interposé entre les extrémités desdites aubes mobiles profilées de rotor et ledit carter, chacun desdits segments de carénage ayant des bouts amont et aval et une partie médiane par rapport à l'écoulement de fluide au travers dudit carter en fonctionnement, la partie médiane de chacun desdits segments de carénage étant montée sur ledit carter d'une manière telle qu'un degré limité de mouvement pivotant de chacun desdits segments de carénage par rapport audit carter est autorisé afin de modifier le jeu entre les bouts axiaux de chacun desdits segments de carénage et lesdites extrémités des aubes mobiles profilées de rotor, des moyens étant prévus pour permettre ledit mouvement pivotant. L'invention va à présent être décrite au moyen d'exemples en faisant référence aux dessins en annexe sur lesquels: - la figure I est une vue de côté en coupe de la moitié supérieure d'un moteur à turbine à gaz à soufflante carénée qui comprend un système de contrôle des tolérances conformément à la présente invention, - la figure 2 est une vue de côté en coupe à une échelle grossie d'une partie de la turbine basses pressions du moteur à turbine à gaz à soufflante carénée montré sur la figure 1. Elle illustre le système de contrôle des tolérances conformément à la présente invention, - la figure 3 est une vue semblable à celle montrée par la figure 2 illustrant une autre forme de système de contrôle des tolérances conformément à la présente invention. Selon la figure 1, un moteur à turbine à gaz à soufflante carénée portant la référence générale 10 comprend, en série dans le sens de l'écoulement axial, une admission 1 d'air, une soufflante 12, un compresseur 13 moyennes pressions, un compresseur 14 hautes pressions, un dispositif de combustion 15, une turbine 16 hautes pressions, une turbine 17 moyennes pressions, une turbine 18 basses pressions et une tuyère 19 d'échappement. Le moteur 10 fonctionne de façon traditionnelle tandis que l'air admis par l'admission 11 d'air est comprimé par la soufflante 12. L'écoulement d'air s'échappant de la soufflante 12 est divisé en une partie qui sert à fournir la poussée de propulsion et le reste est envoyé à l'intérieur du compresseur 13 moyennes pressions. Là. l'air est comprimé encore plus avant d'être délivré au compresseur 14 hautes pressions o une compression encore plus poussée à lieu. L'air 3 2641033 comprimé est ensuite envoyé au sein du dispositif de combustion 15 o il est mélangé à du carburant et o le mélange est brûlé. Les produits chauds de combustion qui en résultent se dilatent ensuite au travers des turbines 16, 17, 18 hautes, moyennes et basses pressions qui entraînent respectivement les compresseurs 14 et 13 hautes et moyennes pressions ainsi que la soufflante 12, avant d'être évacués par la tuyère 19 afinm de fournir un complément de poussée propulsive. Une partie de la turbine 18 basses pressions peut être vue plus clairement si référence est faite à la figure 2. La turbine 18 basses pressions comprend un carter 20 qui renferme trois séries annulaires d'aubes mobiles profilées de rotor, seulement une 21 de ces séries pouvant être vue sur la figure 2. La série 21 d'aubes mobiles de rotor se trouve, dans la direction axiale, prise en sandwich entre deux séries annulaires 22 et 23 de pales fixes profilées de stator comme cela est habituel dans les turbines à écoulement axial. Chacune des séries annulaires de pales fixes profilées de stator 22 et 23 est solidaire, au niveau de son extrémité radialement extérieure, respectivement des parties 24 et 25 de carter. Cependant, l'homme de l'art comprendra qu'une telle structure intégrée n'est pas essentielle pour la présente invention. Les parties 24 et 25 de carter sont munies respectivement de brides 26 et 27 afin de faciliter leur montage à l'aide de moyens appropriés (non représentés) en vue de définir ainsi une partie du carter 20 de la turbine basses pressions. Les brides 26 et 27 se trouvent radialement à l'extérieur, tout près de la série 21 d'aubes mobiles de rotor. la bride 27 dans la partie 25 du carter aval est munie, à son extrémité radialement extérieure, d'une gorge 28 annulaire, s'étendant axialement. La gorge 28 reçoit et sert d'appui à un bras 29 d'un élément de support 30 dont la section est en S. L'autre bras 31, qui est sensiblement parallèle au bras 29, est fixé à un segment 32 de carénage. Il y a plusieurs éléments de support 30 et plusieurs segments 32 de carénage montés sur le carter 20 si bien que les segments 32 de carénage collaborent pour définir un carénage annulaire qui entoure les pointes radialement extérieures des extrémités 33 des aubes mobiles profilées de la série 21. Chaque segment 32 de carénage présente une forme en escalier dans la direction axiale de façon à définir trois surfaces 34, 35 et 36 tournées radialement vers l'intérieur. Sur chacune d'elles se trouve une bande 37 d'un matériau pouvant s'user par frottement et qui s'étend circonférentiellement. Les bandes 37 susceptibles d'usure font face à des nervures 38 s'étendant radialement et circonférentiellement et qui se trouvent sur des plateformnes 39, une plateforme 39 étant prévue sur chaque extrémité 33 d'aubes mobiles. Les nervures 38 et les bandes 37 susceptibles d'usure collaborent ensemble pour définir trois étanchéités séparées les unes des autres axialement, qui ont 4 2641033 pour rôle d'empêcher les fuites des gaz chauds de combustion s'échappant entre les extrémités 33 des aubes mobiles de rotor et le carter 20 de la turbine. Le bout amont 40 de chaque segment 32 de carénage présente une section en forme sensiblement de C qui se loge dans un évidement 41 annulaire de forme complémentaire défini entre la série annulaire de pales fixes 22 profilées de stator et la partie 24 de carter. Cela permet de maintenir radialement les bouts amont 40 des segments 32 de carénage par rapport au carter 20 de la turbine. Les bouts aval 42 des segments de carénage ne sont pas maintenus de la sorte. Au lieu de cela, ils sont libres de sorte qu'un mouvement radial relatif entre chaque bout aval 42 de segment de carénage et le carter 20 de la turbine est possible. Pendant le fonctionnement du moteur, des gaz chauds de combustion s'échappant passent au travers de la turbine 18 basses pressions et entraînent inévitablement une élévation de la température des différents composants qui constituent cette turbine 18. Il s'ensuit la dilatation thermique de ces composants et cela entraîne à son tour une augmentation du jeu entre les nervures 38 d'étanchéité des aubes mobiles de turbine et les bandes 37 susceptibles d'usure. Cela occasionne un surcroît de fuites de gaz de turbine par dessus les extrémités 33 des aubes mobiles et par conséquent une baisse du rendement de la turbine. Afin de contrecarrer cette augmentation de la tolérance de l'extrémité des aubes mobiles de turbine, de l'air de refroidissement est envoyé sur les brides 26 et 27 du carter en passant par deux collecteurs 43 annulaires pourvus d'ouvertures et qui se trouvent à proximité immédiate des brides 26 et 27. L'air est détourné depuis le compresseur 14 hautes pressions du moteur jusque dans les collecteurs 43 par des moyens traditionnels. Le refroidissement localisé du carter 20 de la turbine dans la zone des brides 26 et 27 entraîne une contraction thermique localisée de la même manière du carter 20. Comme les segments 32 de carénage sont montés sur le carter 20 dans la zone des brides 26 et 27 au moyen d'éléments 30 de support, il s'ensuit alors un mouvement radialement vers l'intérieur des segments 32 de carénage qui réduit les jeux entre les nervures 38 d'étanchéité et les bandes 37 susceptibles d'usure, améliorant ainsi l'étanchéité au gaz ainsi obtenue. Toutefois, on remarquera que la partie du carter 20 qui offre un appui radial au bout amont 40 des segments de carénage n'est pas refroidi et, par conséquent, ne se contracte pas de la même façon que les brides 26 et 27 refroidies du carter. Ainsi, tandis que les parties centrales des segments 32 de carénage se déplacent radialement vers l'intérieur par suite de la contraction localisée du carter 20, il n'en est rien des bouts amonts 40 des segments 32 de carénage. Comme les bouts aval 42 des segments 32 de carénage sont libres, il s'ensuit un pivotement de chaque segment 32 de carénage autour de son montage au carter 20 par l'intermédiaire 2641033 de l'élément 30 de support, pivotement facilité par la flexion de l'élément 30 de support. Ce mouvement de pivotement entraîne une augmentation du jeu entre les nervures 38 d'étanchéité amont et les bandes 37 susceptibles d'usure ainsi qu'une diminution du jeu entre les nervures 38 d'étanchéité aval et les bandes 37 susceptibles S d'usure. Or, dans les étanchéités à plusieurs étages, c'est le dernier étage qui donne reffet d'étanchéité le plus grand. Aussi ce pivotement des segments 32 de carénage aboutit-il à une augmentation globale de l'efficacité de l'étanchéité entre les extrémités 33 d'aubes mobiles de rotor et les segments 32 de carénage. Le débit d'air de refroidissement peut être modulé afin de garantir le degré désiré de refroidissement et, par suite, de contraction thermique du carter 20. Bien que, dans la version de la présente invention décrite ci-dessus, l'air de refroidissement soit envoyé sur le carter 20 au moyen de deux collecteurs 43, l'homme de l'art comprendra que d'autres moyens peuvent être employés dans ce but s'il le désire. A vrai dire, dans certains cas, l'air qui s'écoule en fonctionnement autour du carter 20 pourrait être suffisant pour fournir le degré nécessaire de refroidissement. Sur la figure 3 est montrée une partie de la turbine 18 basses pressions qui est semblable à celle montrée sur la figure 2. C'est ainsi que les éléments qui sont communs aux deux parties de la turbine reçoivent des chiffres de référence identiques, un a suivant le chiffre sur la figure 3. La différence principale entre les turbines 18 basses pressions montrées sur les figures 2 et 3 réside dans la façon dont les bouts amont 40 et 40a des segments 32 et 32a de carénage sont maintenus. En effet, tandis que les bouts amont 40 des segments 32 de carénage sont maintenus radialement par rapport au carter 20 de la turbine, il n'en est rien des bouts amont 40a des segments 32a de carénage. Chacun des bouts amont 40a des segments 32a de carénage est logé dans une encoche 44 circonférentielle, s'étendant axialement et ménagée dans un anneau 45 fait dans un métal dont le coefficient de dilatation thermique est élevé par rapport à celui du carter g L'anneau 45 est disposé à la surface radialement intérieure du carter 20a par l'intermédiaire d'un montage 46 à clavettes transversales traditionnel. Le montage 46 à clavettes transversales empêche la rotation de l'anneau 45 par rapport au carter 20a, mais l'autorise à se dilater et se contracter thermiquement indépendamment du carter 209. Ainsi, bien que les segments 32a de carénage puissent pivoter de la même manière que les segments 32 de carénage, l'importance de ce mouvement de pivotement est gouvernée par la position radiale de l'anneau 45 par rapport au carter 20a de la turbine. Dans un cas typique dans lequel la turbine 18 fonctionne normalement avec des gaz chauds de combustion s'échappant et s'écoulant par dessus les aubes mobiles 21 et 6 264 1 033 l-s pales fixes 22 et 23, l'anneau 45 à forte dilatation thermique se dilate uiermiquement dans une proportion plus importante que le carter 20a de la turbine. Cela a pour effet d'accentuer le mouvement de pivotement des segments 32a_'de carénage si bien qu'il s'ensuit une plus grande diminution du jeu entre les nervures 38 d'étanchéité aval et les bandes 37 susceptibles d'usure. Si une telle diminution accrue n'est pas souhaitable ou pas nécessaire, il peut être cependant encore souhaitable de prévoir l'anneau 45 à forte dilatation thermique. En effet l'homme de l'art comprendra que, pour un degré donné de pivotement des segments 32a de carénage, il est nécessaire de moins refroidir les brides 26 et 27 du carter lorsqu'il y a l'anneau 45 que lorsqu'il est absent. Afin de favoriser l'échauffement de l'anneau 45, des trous 47 peuvent être ménagés dans les plateformes 48 extérieures des pales fixes 22a de stator de sorte que les gaz chauds de combustion s'échappant s'écoulent directement sur l'anneau 45. C'est ainsi que, dans les deux formes de réalisation de la présente invention qui sont décrites ci-dessus, on obtient une plus grande variation de la tolérance des extrémités des aubes mobiles de rotor que celle résultant de l'emploi d'un simple système de refroidissement extérieur du carter de la turbine. Bien que la présente invention ait été décrite en faisant référence à une turbine basses pressions dans laquelle un refroidissement permanent du carter a lieu, l'homme de l':rt comprendra que d'autres parties de la turbine pourraient avoir recours à la presente invention et que l'écoulement d'air de refroidissement pourrait être modulé en fonction d'un paramète approprié de fonctionnement du moteur. 7 264 1 033 Rcvendications: 1.- Système de contrôle des tolérances dans les turbomachines comprenant un carter qui entoure en fonctionnement les extrémités radialement extérieures d'une série annulaire d'aubes mobiles profilées de rotor s'étendant radialement et étant disposées coaxialement à une certaine distance radiale les unes des autres, plusieurs segments de carénage qui collaborent pour définir un carénage annulaire interposé entre les extrémités desdites aubes mobiles profilées de rotor et ledit carter, chacun desdits segments de carénage ayant des bouts amont et aval et une partie médiane par rapport à l'écoulement de fluide en fonctionnement au travers dudit carter, caractérisé en ce que la partie médiane de chacun desdits segments (32) de carénage est montée sur ledit carter (20) de telle sorte qu'un degré limité de mouvement pivotant de chacun desdits segments (32) de carénage par rapport audit carter (20) est autorisé afin de modifier les jeux entre les bouts axiaux de chacun desdits segments (32) de carénage et lesdites extrémités (33) des aubes mobiles (21) profilées de rotor, des moyens étant prévus pour permettre ledit mouvement pivotant. 2.- Système de contrôle des tolérances dans les turbomachines selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun desdits segments (32) de carénage est maintenu radialement à son bout amont (40), des moyens (43) étant prévus pour refroidir en fonctionnement ledit carter (20) dans la zone du montage pivotant desdits segments (32) de carénage de façon à amener ledit carter (20) à se contracter thermiquement localement par rapport audit bout amont (40) maintenu desdits segments (32) de carénage et à créer ainsi ledit mouvement pivotant desdits segments (32) de carénage. 3.- Système de contrôle des tolérances dans les turbomachines selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacun desdits segments (32) de carénage est fixé à son bout amont (40) audit carter (20) de sorte qu'un mouvement relatif radial dudit bout amont (40) des segments de carénage par rapport audit carter (20) est empêché. 4.- Système de contrôle des tolérances dans les turbomachines selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacun desdits segments (32) de carénage est fixé à son bout amont à un anneau (45) qui est disposé coaxialement à l'intérieur dudit carter (20), ledit anneau (45) ayant un coefficient de dilatation thermique qui est supérieur à celui dudit carter (20), ledit anneau (45) étant disposé de façon qu'il puisse se dilater et se contracter thermiquement indépendamment dudit carter (20) . 5.- Système de contrôle des tolérances dans les turbomachines selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit anneau (45) est maintenu à une certaine 8 2641033 distance dudit carter (20) par un montage (46) à clavettes transversales qui autorise la dilatation et la contraction thermiques dudit anneau (45) indépendamment dudit carter (20). 6.- Système de contrôle des tolérances dans les turbomachines selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que des moyens (47) sont prévus pour envoyer un flux de fluide chaud sur ledit anneau (45) de façon à favoriser la dilatation thermique dudit anneau (45). 7.- Système de contrôle des tolérances dans les turbomachines selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites parties médianes de chacun desdits segments (32) de carénage sont montées sur ledit carter (20) au moyen d'un élément (30) de support qui est suffisamment flexible pour permettre ledit mouvement limité de pivotement. 8.- Système de contrôle des tolérances dans les turbomachines selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacune desdites aubes mobiles (21) profilées de rotor est munie d'une plateforme (39) à son extrémité radialement extérieure, chacune desdites plateformes (39) étant munie à sa surface radialement extérieure de nervures (38) qui s'étendent à la fois radialement et circonférentiellement de façon à collaborer avec lesdits segments (32) de carénage et à définir des étanchéités aux fluides. 9.- Système de contrôle des tolérances dans les turbomachines selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit carter (20) comporte des brides (26, 27) dans la zone de montage desdits segments (32) de carénage, lesdits moyens (43) prévus pour refroidir en fonctionnement ledit carter (20) étant adaptés à envoyer le fluide de refroidissement sur lesdites brides (26, 27). 10.- Moteur à turbine à gaz avec un système de contrôle des tolérances pour les turbomachines selon l'une quelconque des revendications précédentes.