Brevet FR2681640A1 — publié le 19930326

TURBOMACHINE A AUBES DE STATOR A CALAGE VARIABLE DESCRIPTION La présente invention concerne une turbomachine dont le stator porte au moins un étage circonférentiel d'aubes pivotant et acquérant ainsi un calage variable. On connait des compresseurs et des turbines dont Les étages d'aubes fixes, liées au stator, sont susceptibles de pivoter autour d'un axe radial, ce qui modifie les caractéristiques d'écoulement du flux des gaz comprimés et améliore ainsi Le rendement de la machine à certains régimes du rotor en évitant des pompages Si on considère que le stator constitue une première structure annulaire, une seconde structure annulaire est ajoutée et déplacée axialement sur la première, à laquelle elle est maintenue concentrique par des moyens de guidage appropriés; elle est articulée à l'extrémité libre de leviers portés par les aubes, qui pivotent par le bascu Lement des leviers Les moyens de liaison de la seconde structure annulaire aux leviers peuvent être simplement des manches radiaux portés par les leviers aux extrémités libres et des gorges de la seconde structure annulaire o les manches pénètrent. De telles conceptions sont exposées dans des documents antérieurs parmi lesquels on peut mentionner le brevet français/i 230 393 Toutes les réalisations connues des inventeurs utilisent des moyens de transmission mécanique pour commander le mouvement axial entre Les deux structures annulaires, en particulier des leviers articulés, des bielles, des pignons ou des systèmes à vis et écrou, qui présentent certains inconvénients Eltes sont tout d'abord souvent encombrantes et lourdes Ensuite, elles ne sont pas toujours sûres à cause des risques de grippage dus aux frottements et à L'usure aux assemblages entre Les pièces, surtout dans des machines portées à de hautes températures, car le graissage est difficile et des dilatations thermiques importantes nuisent à une bonne précision d'ajustement des pièces Enfin, il est difficile d'exercer un effort régulier sur toute la circonférence de la seconde structure annulaire, ce qui accroit les risques de coincement de la structure annulaire mobile. Ces inconvénients sont évités en recourant à l'invention, qui consiste, dans une turbomachine du genre indiqué plus haut, à disposer une gorge circonférentielle limitée par au moins un rebord sur une des structures annulaires, et une arête circonférentielle sur l'autre des structures; l'arête est engagée dans la gorge, la divisant ainsi en deux parties à volumes variables; des éléments sont disposés sur l'arête et les rebords pour délimiter dans au moins une des parties une chambre étanche vis-à- vis de l'extérieur; on utilise comme dispositif de commande de la seconde structure annulaire des moyens pour modifier une quantité de gaz emplissant la chambre étanche ou les chambres étanches L'agencement sera fréquemment symétrique avec deux rebords et deux chambres dont chacune sera commandée par un dispositif de commande indépendant. La disposition La plus simple, qui garantit en principe une force régulièrement répartie sur la seconde structure annulaire, comporte des chambres qui s'étendent sur toute la circonférence de la machine. Cependant, l'invention peut comporter des chambres qui ne s'étendent que sur une partie de la circonférence de la seconde structure annulaire ou qui sont morcelées sur plusieurs parties de cette circonférence. Les éléments pour délimiter les chambres étanches peuvent prendre des formes diverses Ce peuvent être, parmi d'autres, des joints logés sur les rebords et sur l'arête et frottant sur l'autre structure annulaire, ou des soufflets s'étendant entre les rebords et l'arête, ou des pistons coulissant de manière étanche dans les rebords et pressent l'arête, les chambres étant formées dans les rebords. On va maintenant procéder à un commentaire plus détaillé de quelques réalisations de l'invention à l'aide des figures suivantes, annexées à titre illustratif et non limitatif: la figure 1 est une vue générale des parties d'une turbomachine qui environnent la partie de La machine o l'invention est disposée; les figures 2 à 4 illustrent une première forme de l'invention; les figures 5 et 6 illustrent une deuxième forme de l'invention; et les figures 7 et 8 illustrent une troisième forme de l'invention. On commence par examiner la figure 1, qui représente sous forme de coupe longitudinale une partie de turbomachine o on distingue un stator 1 et un rotor 2 concentriques, celui-ci étant entouré par celui-là. Le rotor 2 porte des aubes mobiles 3 qui Lui sont rigidement reliées et tournent donc autour de son axe X de rotation Les aubes mobiles 3 sont responsables de la compression des gaz s'écoulant dans une veine annulaire 4 qui correspond à l'intervalle entre le rotor 2 et le stator 1, et elles sont disposées obliquement de manière à repousser les gaz vers l'extrémité de sortie de la veine annulaire 4, à la droite de la figure 1 Le stator 1 porte quant à lui des aubes pivotantes 5 qui s'étendent également dans la veine annulaire 4 Toutes les aubes 3 et 5 sont réparties en étages o elles sont disposées suivant des circonférences de la machine, et les étages d'aubes mobiles 3 alternent avec les étages d'aubes pivotantes en direction longitudinale. Les aubes pivotantes 5 sont des aubes de redressement de l'écoulement des gaz et s'étendent en principe sensiblement longitudinalement, mais il apparait que de légers ajustements de leur orientation ou de leur calage conduisent à un meilleur rendement de la machine à certains régimes de rotation du rotor 2 et notamment aux bas régimes C'est pourquoi leur extrémité 6 enfoncée dans le stator 1 est, dans ce genre de conception, composée d'un tourillon 7 d'axe radial Y et qui tourne dans un palier 8 du stator 1, d'un levier 9 d'orientation oblique, à la fois radiale et circonférentielle, qui aboutit à une portion du tourillon 7 qui sort du palier 8 à l'extérieur de la veine annulaire 4, et d'une poignée 10 radiale à l'extrémité libre du levier 9 Il suffit de peser sur les poignées 10 en direction longitudinale pour tourner les aubes pivotantes 5. On se reporte maintenant aux figures 2, 3 et 4 pour détailler une réalisation conforme à l'invention; la figure 2 est en fait un agrandissement de la figure 1, la figure 3 illustre un détail de la figure 2 et la figure 4 est une vue radiale du dispositif. Le stator 1 comporte, outre une carcasse 11 en forme d'enveloppe continue de révolution qui délimite la veine annulaire 4 et porte les paliers 8, quatre ponts ou arceaux 12 boulonnés à leurs extrémités 13 et 14 à la carcasse 11 et qui s'étendent hors de celle-ci, en direction longitudinale entre leurs J extrémités 13 et 14 Les arceaux 12, dont un seul est représenté, se composent essentiellement de deux entretoises d'extrémités 15 et 16 et d'une portion centrale 17 qui les relie et s'étend à quelque distance des poignées 10 et à l'extérieur d'elles, car les entretoises d'extrémités 15 et 16 s'étendent radialement vers l'extérieur à partir des extrémités 13 et 14 La portion centrale 17 comporte un bombement central qui ménage un logement 18 orienté vers l'intérieur. Le stator 1 comporte encore un premier anneau 19 engagé dans les logements 18 et fixe; la liaison rigide peut être assurée par un boulonnage aux portions centrales 17 ou par des cales qui éliminent les jeux dans les logements 18 Comme les arceaux 12 sont équidistants sur la circonférence du stator 1, ils soutiennent parfaitement le premier anneau 19 Enfin, le stator 1 comporte un second anneau 20, concentrique au précédent, et qui est mobile en translation dans le sens longitudinal Il comporte une face externe plane 21 qui glisse devant deux portées internes de glissement 22 du premier anneau 19 Une arête circonférentielle 23 est érigée sur la face externe plane 21 et coulisse dans une gorge circonférentielle du premier anneau 19, qui est limitée longitudinalement par des faces 34 planes, en forme de couronne, appartenant à deux rebords circonférentiels 24 Les portées internes de glissement 22 constituent la limite radiale interne des rebords circonférentiels 24 Le volume de la gorge est divisé par l'arête circonférentielle 23 en deux chambres 25 et 26 dont les volumes varient selon le déplacement du second anneau Ces déplacements sont en fait commandés par deux dispositifs de mise sous pression 27 qui sont chacun associés à une chambre 25 ou 26 respective, mais dont un seul est représenté complètement car ils sont absolument identiques Chacun d'eux comporte une source de gaz sous pression 28, une vanne proportionnelle 29 et une conduite 30 reliant, en collaboration avec un perçage 57 ménagé dans le rebord circonférentiel 24, la chambre 25 ou 26 soit à la source de gaz 28 soit à une buse de fuite 31 La vanne proportionnelle 29 est actionnée en fonction du régime de rotation du rotor 2; elle permet d'insuffler du gaz dans la chambre 25 ou 26 ou au contraire de vider le gaz qui la remplit. Comme les deux vannes proportionnelles 29 sont actionnées indépendamment par un moyen de commande électronique 32 unique, il est possible de faire varier à volonté la pression dans les chambres 25 et 26 et donc de déplacer l'arête circonférentielle 23 et le second anneau 20 jusqu'à l'égalisation des pressions. Le réglage de la quantité de gaz remplissant chaque chambre 25 et 26 est assuré par la durée ou l'importance de l'ouverture des vannes proportionnelles 29 Le moyen de commande électronique 32 peut être aidé par des manomètres qui mesurent la pression dans les chambres 25 ou 26 ou dans les conduites 30, ainsi que par un capteur de déplacement qui mesure la position du second anneau 20 à chaque instant Ces moyens bien connus ne sont pas illustrés Il est bien sûr nécessaire que les chambres 25 et 26 soient étanches, ce qui est obtenu par un joint circonférentiel 33 situé sur l'arête circonférentielle 23 et frottant sur le fond de la gorge du premier anneau 19, et par d'autres joints circonférentiels 35 disposés sur les portées internes de glissement 22 qui s'étendent des deux côtés de la gorge et frottant sur la face interne plane 21. Les chambres 25 et 26 sont donc, dans cette réalisation, presque entièrement comprises entre l'arête circonférentielle 31 et les faces planes 34. Le second anneau 20 est muni sur son côté intérieur de trois rainures 36 circonférentiel Les dont chacune reçoit les poignées 10 d'un étage d'aubes pivotantes 5 La réalisation décrite comporte trois étages d'aubes pivotantes 5, mais ce nombre peut être différent, et le stator 1 peut encore comporter un nombre quelconque d'étages d'aubes fixes sans que le principe de l'invention soit altéré Il est avantageux que les poignées 10 soient, conformément à la représentation de la figure 3, noyées dans des patins 37 en élastomère qui sont enfoncés fermement dans les rainures 36, car les erreurs d'ajustement produites notamment par les erreurs d'alignement des paliers 8 et les dilatations thermiques différentes sont alors absorbées sans création de fortes contraintes par les patins 37, que les mouvements de rotation des poignées provoqués par les déplacements du second anneau 20 ne sauraient par ailleurs endommager car ils sont petits en pratique Les rainures 36 ont ici une section trapézoldale s'amincissant vers le fond et reçoivent des patins 37 de même section afin que leur mise en place et leur coincement soient faciles Les poignées sont limitées par deux collerettes 38 et 39 entre lesquelles les patins 37 sont retenus, et les rainures 36 s'élargissent au fond selon un renfoncement 40 assez spacieux pour que les collerettes internes 39 ne butent pas Les patins 37 empêchent aussi la rotation libre du second anneau 20 autour de l'axe X. Les portées internes de glissement 22 et la face externe plane 21 sont séparées d'un petit jeu. Comme on le voit sur La figure 4, le centrage des deux anneaux est assuré par des patins de roulement 41 qui sont situés longitudinalement de part et d'autre du Logement 18 et qui s'appuient sur la face externe plane 21 par des aiguilles de roulement 42 Les patins de roulement 41 peuvent être fixés aux arceaux 12 par une suspension classique à ressort permettant de régler leur position radiale et l'effort qu'ils exercent. La deuxième forme de l'invention qui sera décrite ici apparaît sur les figures 5 et 6 analogues aux figures 2 et 4; seuls les éléments qui lui sont particuliers feront l'objet des commentaires, les autres étant analogues ou identiques à ceux de la première forme et repérés par les mêmes références. Aucune étanchéité n'est réalisée directement entre les deux anneaux, qui sont ici désignés par la référence 119 pour le premier anneau et par la référence 120 pour le second anneau Les chambres 125 et 126 sont maintenant essentiellement limitées par des soufflets 50 et 51 annulaires, formés chacun d'une enveloppe externe 52 et d'une enveloppe interne 53 concentriques Une couronne 54 reliant pour chaque soufflet 50 et 51 les enveloppes 52 et 53 à leur extrémité appuie sur une face latérale respective de l'arête circonférentielle 31 Des entretoises 55 en forme de couronne et munies de trous 56 sont disposées dans les soufflets 50 et 51 pour les raidir en maintenant l'écartement et le parallélisme des enveloppes 52 et 53 L'alimentation en gaz est produite par des perçages 57 qui traversent les rebords circonférentiels 24 du premier anneau 119 et débouchent dans les soufflets 50 et 51 à l'opposé des couronnes 54 Les perçages 57 sont en nombre suffisant pour assurer une uniformisation rapide des pressions dans les chambres 125 et 126, et les conduites des dispositifs de mise sous pression 27 sont divisées en conséquence Les enveloppes 52 et 53 sont soudées sur tout leur pourtour opposé aux couronnes 54 aux faces planes 34 des rebords circonférentiels 24. Dans la troisième forme de réalisation, exposée aux figures 7 et 8 analogues aux figures 5 et 6, les chambres 225 et 226 sont encloses dans le premier anneau 219 et plus précisément dans ses rebords circonférentiels 24 Elles sont ouvertes vers l'arête circonférentielle 231 du second anneau 220 par des perçages 58 cylindriques traversant leur paroi intérieure, dans lesquels coulissent des pistons 59 dont les têtes appuient sur l'arête circonférentielle 231, comme les couronnes 54 de la réalisation précédente, et lui transmettent les forces produites par les pressions des gaz insufflés comme dans la réalisation précédente par des perçages 57 qui traversent leur paroi extérieure. Les pistons 59 sont évidés afin qu'ils soient allégés Il est par ailleurs intéressant de noter que le premier anneau 219 est ici construit sous forme d'une structure annulaire discontinue composée de huit boîtiers 60 semblables, comportant chacun une chambre 225 ou 226, un perçage 57 d'alimentation, un piston 59 et une bride 61; les boîtiers 60 sont assemblés par paires et symétriquement par des boulons 62 en juxtaposant leurs brides 61, et les paires de bottiers sont attachées aux arceaux 212 par d'autres boulons 63 L'arête circonférentielle 231 est également discontinue et composée de quatre segments d'arc venant en face des pistons 59 Les chambres 225 ou 226 situées d'un même côté sont évidemment toutes reliées à un dispositif de mise sous pression commun, si bien qu'on peut toujours considérer qu'il n'y a que deux chambres, mais qui sont morcelées. On remarque que les portions 237 de coincement des poignées 10 dans le second anneau 20 ont une section rectangulaire qui offre les mêmes avantages que la section trapézoidale à l'exception de la facilité d'insertion dans les rainures 36. 1 O Les formes de réalisation qui ont été décrites ne sont pas exclusives d'autres, qui peuvent par exemple être créées en combinant ou regroupant différemment certains de leurs éLéments constitutifs. Ainsi, la disposition unitaire ou morcelée des chambres n'est pas obligatoirement Liée aux modes de réalisation décrits Il faut encore remarquer que la pression pourrait n'être insufflée que d'un côté et équilibrée par un dispositif tel qu'un assemblage de ressorts repoussant l'anneau mobile, de sorte qu'une seule chambre serait requise Une telle solution présente néanmoins l'inconvénient de ne pas supprimer avec certitude les risques d'une mauvaise répartition circonférentielle des efforts inhérents aux dispositifs déjà connus et susceptibles de les coincer ou du moins de nuire à leur bon fonctionnement. L'invention peut être greffée sur divers genres de turbomachines et notamment sur des turbocompresseurs de moteurs d'avions o les premiers étages d'aubes à l'entrée du stator sont ainsi pivotants. il REVENDICATIONS 1 Turbomachine comprenant une première structure annulaire ( 1, 11, 19, 119, 219) portant au moins un étage circonférentiel d'aubes ( 5) pivotant autour d'un axe radial (Y) et munies d'un levier de commande de pivotement ( 9), une seconde structure annulaire ( 20, 120, 220) munie de moyens d'engagement ( 36) des leviers ( 9), des dispositifs ( 41) de mise en concentricité des deux structures annulaires suivant un axe (X) et un dispositif de commande ( 27) pour déplacer mutuellement les deux structures annulaires en direction de l'axe (X), caractérisée en ce qu'une des structures comporte une gorge circonférentielle limitée par au moins un rebord circonférentiel ( 24), et l'autre des structures comporte une arête circonférentielle disposée dans la gorge et divisant la gorge en deux parties à volumes variables, en ce qu'elle comporte des éléments ( 33, 35, 50, 51, 59) disposés sur l'arête et les rebords pour délimiter dans au moins une des parties une chambre ( 25, 125, 225, 26, 126, 226) étanche vis-à-vis de l'extérieur, et en ce que le dispositif de commande ( 27) comprend des moyens pour modifier une quantité de gaz emplissant au moins une des chambres étanches. 2 Turbomachine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'engagement des leviers consistent en des manches radiaux ( 10) sur les leviers ( 9) et des rainures ( 36) circonférentielles sur la seconde structure annulaire. 3 Turbomachine suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte deux chambres étanches et reliées chacune à un dispositif de commande indépendant. 4 Turbomachine suivant l'une quelconque des " revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les chambres s'étendent sur toute une circonférence. Turbomachine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisee en ce que les éléments délimitant les chambres sont des joints ( 33, ) logés sur les rebords ( 24) et sur l'arête ( 31) et frottant sur l'autre structure annulaire. 6 Turbomachine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les éléments délimitant les chambres consistent en des soufflets ( 50, 51) s'étendant entre les rebords ( 24) et l'arête ( 31). 7 Turbomachine suivant les revendications 4 et 6, caractérisée en ce que chaque chambre comporte un soufflet annulaire. 8 Turbomachine suivant l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce que les soufflets contiennent des parois ajourées circonférentielles de raidissage. 9 Turbomachine suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les éléments délimitant les chambres consistent en des pistons ( 59) coulissant de manière étanche dans les rebords ( 24) et pressant l'arête ( 231), les chambres ( 225, 226) étant encloses dans les rebords.