Brevet FR2671134A1 — publié le 19920703

La présente invention concerne un distributeur, ré- gulateur d'écoulement de fluide, spécialement mais non exclusivement approprié au circuit d'air réfri- gérant d'un moteur à turbine à gaz Il existe plusieurs cas d'application nécessitant un distributeur de construction simple et de faible poids pouvant être actionné par les pressions de fluide régnant dans le circuit dont le distributeur fait partie L'un de ces cas d'application est ce lui du circuit d'air réfrigérant d'un moteur à tur- bine à gaz On a constaté depuis quelque temps que l'efficacité d'un tel circuit pouvait être améliorée s'il était possible de moduler l'écoulement d'air réfrigérant de façon qu'il soit important aux condi- tions de poussée maximale telles qu'au décollage d'un aéronef, et faible aux conditions de poussée moins forte telles qu'en vitesse de croisière Ce but peut être atteint économiquement à l'aide d'un distributeur tel que défini ci-dessus La présente invention concerne un tel distributeur dont l'élément obturateur est constitué par une ron- delle Belleville La rondelle Belleville est cons- tituée par une rondelle annulaire de section tron- conique en matière élastique Elle s'emploie nor- malement comme rondelle élastique, son avantage principal provenant de ce que, sous l'effet d'une compression axiale, la rondelle tourne au lieu de ployer, la résistance élastique à la charge appli- quée étant produite par des contraintes circulaires dans la rondelle et non par une flexion du métal Les rondelles Belleville peuvent donc s'écarter as- sez fortement de leur longueur axiale normale sans que leur durée de service soit abrégée par des flexions du métal -Appliquée à- l'invention, la ron- delle a d'autres avantages, décrits par la suite Le distributeur d'écoulement de fluide selon la pré- sente invention comprend un conduit annulaire dont une des parois comporte un orifice annulaire de sor- tie ou d'entrée, et une rondelle Belleville s'appuy- ant étanchément à la paroi du conduit à l'opposé de l'orifice et pouvant se déplacer, sous l'action des pressions de fluide locales, depuis une première po- sition dans laquelle elle établit une étanchéité entre ladite paroi et un bord de l'orifice, et une seconde position dans laquelle elle établit une é- tanchéité entre ladite paroi et le second bord dudit orifice La rondelle Belleville sera utilisée de préférence en état de fonctionnement négatif (défini ci-après) de façon à obtenir un effet de fermeture brusque L'une des faces de la rondelle pourra constituer une des parois d'une chambre étanche dont la pression pourra être réglée de façon à commander l'action du distributeur Dans un mode de réalisation de l'invention, le con- duit n'aura qu'une extrémité béante, en sorte que la rondelle jouera le rôle d'un élément d'obturation du courant franchissant le conduit et l'orifice Ce mode de réalisation présente une utilité parti- culière pour le circuit d'air réfrigérant d'un mo- teur à turbine à gaz dans lequel le conduit pourra être l'un de deux conduits fournissant ensemble un débit maximal d'air réfrigérant pour les conditions appropriées de fonctionnement du moteur, ledit con- duit étant obturé dans les conditions de fonction- nement du moteur o l'air réfrigérant ne passera que par le second conduit annulaire L'invention est décrite ci-après en détail en se référant à deux exemples préférés, non limitatifs, de réalisation représentés sur les dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue axiale, en coupe longitu- dinale partielle, d'un turboréacteur équipé d'un distributeur selon l'invention; la figure 2 est une coupe axiale, à plus grande échelle, de la turbine du turboréacteur de la figure 1, montrant le distributeur; et 1 îaigure 3 est une coupe semblable à celle de la figure 2 montrant un second mode de réalisation de l'invention La figure 1 représente un turboréacteur à trois arbres et soufflante avant, mais l'invention peut s'appliquer à d'autres types de moteurs et meme à d'autres engins que des moteurs Le turboréacteur représenté comporte une soufflante , un compresseur moyenne pression 11, un compres- seur haute pression 12, un dispositif de combustion 13 et des turbines, respectivement haute pression 1 l, moyenne pression 15, et basse pression 16, tous ces composants se suivant dans le sens d'écoulement des gaz Le turboréacteur fonctionne de la façon clas- sique et ne sera pas décrit plus en détail La turbine haute pression 1 il comprend une roue de turbine 17 portant un étage d'aubes mobiles 18, en- traînées par les gaz chauds provenant du dispositif de combustion 13 qu'une couronne d'aubes de guidage 19 dirige sur elles Les aubes mobiles étant expo- sées au courant de gaz très chauds provenant des aubes de guidage 19, elles doivent être réfrigérées, ce qui se fait en faisant passer l'air réfrigérant dans une série de passages de refroidissement ména- gés à l'intérieur de la partie aérodynamiquement profilée des aubes et pouvant comporter également des dispositifs de refroidissement laminaire Ces passages 20 sont indiqués schématiquement par des traits interrompus L'air réfrigérant destiné au refroidissement des aubes est prélevé sur le courant d'air principal provenant d'un des compresseurs Normalement, cet air est soutiré en un point voisin de l'extrémité haute pression du compresseur haute pression 12 pour qu'il ait une pression suffisamment élevée pour pou- voir parcourir les passages, Les cavités et les ori- fices de la partie profilée des aubes L'emploi d'air ainsi soutiré représente une perte de rende- ment et la quantité d'air soutiré est donc réduite au minimum indispensable au degré de refroidisse- ment nécessaire, mais il faut faire en sorte pour que le courant d'air réfrigérant soit à la mesure de la température la plus élevée des gaz frappant les aubes 18, ce qui a lieu normalement lorsque le moteur, au décollage par exemple, donne sa puis- sance maximale Dans les autres cas, par exemple dans les conditions de croisière, le courant d'air réfrigérant sera normalement trop fort et entra ne- ra une dégradation inutile du rendement Dans le moteur représenté, le distributeur selon la présente invention sert à moduler le courant d'air réfrigérant entre une valeur élevée, lorsque la pous- sée du moteur est réglée à une puissance élevée, et une valeur faible, lorsque cette poussée est réglée à une puissance faible La figure 2 montre que l'air réfrigérant, originairement soutiré du compresseur haute pression 12, pénètre dans une chambre d'accu- mulation 21 délimitée par la Partie aval interne 22 de la chambre de combustion 13 et une paroi tron- conique 23 faisant partie de la structure porteuse des aubes de guidage 19 De la chambre d'accumulation 21 partent deux passages d'écoulement de l'air réfrigérant, les orifices 24 conduisant à un passage externe 25 et les orifices 26 menant à un conduit annulaire interne 27 Le passage 24 est toujours ouvert et dirige l'air réfrigérant, par les aubes de mise en tourbillonnement 28, sur les pieds des aubes mobiles 18 à l'endroit o elles sont portées par la roue de turbine 17 Les ouvertures ménagées à cet endroit dans les aubes permettent à l'air réfrigérant d'accéder aux passages 20 Dans les conditions représentées =- iur le dessin, le conduit annulaire 27 est obturé, à son extrémité aval, par une rondelle Belleville 29 retenue dans une rai- nure 30 creusée dans une paroi 31 et s'appliquant é- tanchément à une face amont 32 d'une ouverture 33 formée dans la paroi externe 34 du conduit 27 Cette paroi externe 34 s'étend au delà de l'ouverture 33 et forme, avec la paroi in erne du passage 26, un pasage annulaire 35 se terminant par une seconde série d'aubes de mise en tourbillonnement 36 Il est évident que, si la rondelle Belleville 29 peut etre déplacée de sa position représentée à la positi- on indiquée en points et traits, et vice versa, elle pourra, selon le cas, interdire ou permettre l'écou- lement d'air dans le passage 35 Lorsque l'air cir- cule dans le passage 35, il franchit les aubes de tourbillonnement 36 et rejoint le courant d'air des autres aubes de tourbillonnement 28 pour pénétrer dans les passages 20 des aubes et refroidir ces der- nières La rondelle Belleville 29 agit donc comme un distributeur faisant varier le débit d'air réfri- gérant entre un niveau élevé, lorsque les deux pas- sages 20 et 35 sont ouverts, et un niveau bas lorsque le passage 35 est obturé par la rondelle (condition représentée) Pour permettre à la rondelle Belleville d'agir ainsi, sa résistance mécanique est soigneusement prédétermi- née et une série d'ouvertures 37 est ménagée dans la paroi 31 pour assurer que la face, située vers la droite, de la rondelle est toujours soumise à la pres- sion d'air au voisinage de la surface de la roue de turbine 17 En d'autres termes, la différence de pression sur les deux faces de la rondelle équivaudra à la chute de pression dans les aubes de tourbillon- nement 28 (dans le cas représenté) ou 28 et 36 dans l'autre cas Cette chute de pression dépendra, entre autres, des conditions de marche du moteur, la chute étant plus forte pour une poussée élevée, et moins forte pour une poussée faible On pourra donc faire en sorte que la différence de pression entre les deux faces de la rondelle soit suffisante pour la déplacer, comme requis, pour moduler à volonté le courant d'air réfrigérant Si donc l'on suppose que le moteur fonctionnait ini- tialement à une puissance faible, comme dans des conditions de croisière, pour laquelle le distribu- teur occupait la position représentée et le débit d'air réfrigérant était faible, si l'on augmente la poussée produite par le moteur la différence de pres- sion à la rondelle Belleville augmentera et l'amènera à sa position indiquée en points et traits, et le courant d'air réfrigérant augmentera donc comme il se doit Si l'on réduit maintenant à nouveau la poussée, la pression à la rondelle Belleville diminuera et l'é- lasticité de cette rondelle la ramènera à sa posi- tion représentée sur le dessin, dans laquelle elle obture la sortie du conduit 27 et fait décroitre le courant d'air réfrigérant La rondelle 29 produit donc la modification néces- saire du courant d'air réfrigérant mais il peut y avoir risque qu'elle se mette à battre (ou à puiser) en une position intermédiaire entre sa position ouverte et sa position fermée du úait que la pression s'exerçant sur elle tombera évidemment dès qu'elle quittera son siège Pour obvier à cette difficulté on aura donc recours aux caractéristiques de fonc- tionnement négatif de la rondelle Belleville Pour comprendre une telle caractéristique, considé- rons la situation d'une telle rondelle qui, partant de sa condition de repos, est comprimée jusqu'à ce qu'elle atteigne son épaisseur hors-tout minimale et que sa section transversale soit située dans un seul et même plan On sait que la charge requise pour modifier la condition de la rondelle lorsqu'elle est dans sa condition d'épaisseur minimale est nulle, et qu'il doit y avoir un point auquel la charge de com- pression doit être maximale, la charge requise de- vant décroître entre ce point et la condition d'é- paisseur minimale Dans cette région, la charge dé- croit lorsque la compression augmente, ce qui signi- fie que la rondelle agit comme un ressort à facteur négatif Si la rondelle 29 est disposée de façon à fonction- ner dans cette condition de fonctionnement négatif au cours de son déplacement entre sa position en traits pleins et sa position en points et traits, le risque de pulsion précité peut être éliminé En effet, dès que le distributeur quitte l'une de ses deux positions de repos, la charge requise pour la poursuite du mouvement diminue, et la poursuite de ce mouvement accentuera la diminution de la char- ge En pratique, ceci donnera un distributeur à action brusque et, dès que la pression s'exerçant sur lui atteindra l'une ou l'autre des deux valeurs de commutation, il passera brusquement à l'autre position de repos Le distributeur qui vient d'être décrit est donc très simple et capable de fonctionner de façon satis- faisante tant que les deux conditions de fonctionne- ment du moteur nécessitant les deux régimes de réfri- gération correspondent à des poussées suffisamment différentes Mais il peut y avoir des cas o les conditions de décollage et de croisière ne diffèrent pas suffisamment l'une de l'autre dans des conditions ambiantes différentes pour que le distributeur sim- ple qui vient d'être décrit puisse s'inverser dans les conditions désirées En conséquence, la figure 3 montre une version modi- fiée du distributeur, pouvant être actionnée positi- vement depuis un point éloigné, si nécessaire, donc manuellement ou au moyen d'un système de commande obéissant à des règles plus compliquées que celles du dispositif simple précédemment décrit Dans cette version modifiée, l'espace 38, entre la rondelle Bel- leville 39 et la paroi 40, est obturé par un soufflet souple 41 joint étanchément à la rondelle et à ladite paroi Un tube 42 est raccordé à l'orifice 43 de la paroi et permet de déterminer, au moyen d'un régula- teur 44, la pression régnant dans l'enceinte 38 Le fonctionnement de principe de la rondelle 39 en tant que soupape est absolument identique à celui du précédent mode de réalisation en ce que sa position est déterminée par la différence de pression entre ses deux faces Mais, du fait que la pression s'ex- erçant sur sa face aval peut être déterminée par le régulateur, la position de larondelle peut être com- mandée positivement et, par conséquent, l'importance du débit d'air réfrigérant peut être réglée en fonc- tion des variables du moteur Bien que légèrement plus compliqué que le précédent, ce distributeur reste assez simple et peut également faire usage de la partie de fonctionnement négatif de la gamme de travail de la rondelle Belleville pour donner un déclenchement brusque On comprendra facilement que, bien que le distribu- teur selon l'invention ait été décrit dans son ap- plication à la commande du débit d'air réfrigérant d'un moteur à turbine à gaz, son champ d'application possible est beaucoup plus vaste et pourra, en fait, s'étendre à beaucoup de cas nécessitant un distribu- teur annulaire Il sera facile de s'écarter de la conception fondamentale représentée, par exemple en inversant le sens d'écoulement dans le distributeur et en plaçant l'orifice annulaire à l'intérieur ou même sur une face extrême du conduit annulaire REVENDICATIONS 1 Distributeur d'écoulement de fluide comprenant un conduit annulaire dont une des parois comporte un orifice annulaire de sortie ou d'entrée, et un organe obturateur s'appuyant étanchèment à la pa- roi du conduit à l'opposé de l'orifice et pouvant se déplacer, sous l'action de la pression de flu- ide locale, entre une première position dans la- quelle il établit une étanchéité entre ladite pa- roi et un-bord annulaire de l'orifice, et une se- conde position dans laquelle il établit une étan- chéité entre ladite paroi et le second bord annu- laire dudit orifice, caractérisé en ce que ledit organe obturateur comprend une rondelle Bellevil- le ( 29, 39) - 2 Distributeur d'écoulement de fluide selon la-Re- vendication 1, caractérisé en ce que le mouvement de la rondelle Belleville se produit, la rondelle étant dans sa condition de fonctionnement négatif 3 Distributeur d'écoulement de fluide selon une quelconque des Revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le conduit ( 27) n'a qu'une extrémité ouverte ( 26) de sorte que la rondelle agit comme élément obturateur d'écoulement dans le conduit ( 26) et l'orifice( 33) 4 Distributeur d'écoulement de fluide selon la Re- vendication 3, caractérisé en ce que ledit con duit ( 27) est l'un d'une pluralité de conduits ( 27, 25) fournissant ensemble le débit maximal d'air réfrigérant à destination d'une région ( 20) d'un moteur à turbine à gaz Distributeur d'écoulement de fluide selon la Re- vendication 4, caractérisé en ce que ladite ron- delle ( 29) est disposée de façon à s'ouvrir lors des grandes puissances de fonctionnement du moteur et à se fermer lors des faibles puissances de fonctionnement dudit Cnoueur 6 Distributeur d'écoulement de fluide selon une quelconque des Revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que lesdits conduits ( 27, 25) sont des con- duits annulaires concentriques emboîtés l'un dans l'autre et se terminant par des organes de mise en tourbillonnement ( 28, 36) fournissant l'air réfrigérant à un composant rotatif 7 Distributeur d'écoulement de fluide selon la Re- vendication 1, caractérisé en ce qu'une face de ladite rondelle ( 39) constitue une paroi d'une chambre étanche ( 38) dont labression y régnant peut être réglée en vue de commander l'action du distributeur