Brevet FR2692627A1 — publié le 19931224

ENSEMBLE DE CARTERS DE COMPRESSEUR, INSTALLATION DE PRELEVEMENT D'AIR POUR CEUX-CI ET PROCEDE DE REGULATION DE LA DISTORSION DE CET ENSEMBLE DE CARTERS La présente invention concerne les moteurs à tur- bine à gaz et, plus particulièrement, les carters de compresseur pour les turbomoteurs d'avions. Un turbomoteur d'avion classique comprend un com- presseur pour pressuriser l'air qui est ensuite mélangé au combustible et allumé dans la partie chambre de com- bustion, les gaz de combustion qui en résultent servant à alimenter la turbine Le compresseur et la turbine sont entourés de carters à travers lesquels l'air est soit extrait soit distribué En général, une partie de cet air est extraite du compresseur en tant qu'air pré- levé et est utilisée pour refroidir des composants du moteur comme les turbines, les ailettes, les paliers ou les engrenages, ainsi que pour alimenter la cabine pres- surisée de l'avion. Dans un compresseur classique, un carter interne ou trajet d'écoulement est concentrique à un carter externe et supporte les aubes de stator Le carter interne entoure également les ailettes de rotor du compresseur. L'air prélevé, extrait du compresseur, est classiquement canalisé à travers le carter interne, rassemblé dans une chambre de tranquillisation formée entre les carters interne et externe, et sort par des canalisations dans le carter extérieur du compresseur. Un dispositif de la technique antérieure qui sert à extraire, c'est-àdire prélever, de l'air, comprend le fait de munir le carter interne d'orifices ou fentes de prélèvement qui canalisent une partie de l'air du com- presseur vers la chambre de tranquillisation L'air pré- levé circule ensuite à la circonférence de la chambre de tranquillisation jusque vers la canalisation de sortie la plus proche dans le carter extérieur par laquelle il sort du compresseur Un problème avec ce procédé d'extraction est que, comme l'air s'écoule des fentes d'amenée dans le carter interne vers les canalisations de sortie dans le carter externe, la vitesse de l'air augmente De ce fait, la capacité de transfert thermique de l'air prélevé, laquelle est directement proportion- nelle à sa vitesse, est relativement faible en un point médian situé entre deux canalisations de sortie et rela- tivement élevée au niveau des canalisations de sortie. Comme l'air prélevé chauffe le carter externe, la partie de carter externe adjacente aux canalisations de sortie va se dilater plus rapidement que la partie de carter située entre les canalisations de sortie et cet échauffement irrégulier provoque une distorsion du car- ter extérieur qui perd de sa rotondité Comme le carter interne est supporté par le carter externe, le carter interne perd également de sa rotondité Cette distorsion est indésirable puisque le carter interne entoure les ailettes de rotor et qu'un jeu plus important entre les bouts d'ailettes et le carter interne résulte en une diminution de l'efficacité du compresseur. La demanderesse a précédemment conçu un ensemble de canalisation de l'air servant à prélever de l'air d'un compresseur pour réduire la distorsion thermique de la circonférence des carters L'ensemble de canalisation d'air inclut une pluralité de cloisons disposées dans la chambre de tranquillisation et espacées radialement vers 1 rintérieur du carter externe Chaque cloison comprend une ouverture intermédiaire communiquant avec l'une des canalisations de sortie, et des extrémités opposées par- tant de l'ouverture intermédiaire suivant la circonfé- rence Les cloisons fournissent un écran pour l'écoule- ment entre les carters interne et externe autour de cha- que canalisation de sortie et canalisent l'air à travers l'ouverture intermédiaire jusque vers la canalisation de sortie associée. Bien que cette disposition réduise la distorsion thermique suivant la circonférence des carters de com- presseur, cet ensemble augmente la complexité et les coûts de fabrication du compresseur, tout en ajoutant du poids au compresseur Par conséquent, un besoin existe pour un appareil servant à réduire la distorsion thermi- que suivant la circonférence des carters de compresseur sans ajouter de complexité, coût ni poids supplémentaire au compresseur. La présente invention est un ensemble de carters de compresseur qui diminue le gradient de température sui- vant la circonférence du carter associé à l'extraction de l'air prélevé du compresseur d'un moteur à turbine à gaz, réduisant de ce fait la distorsion du carter. L'ensemble de carters inclut un carter interne avec une pluralité d'orifices d'amenée ayant des superficies inférieures à celles des structures de la technique antérieure Ces orifices d'amenée ayant des superficies plus faibles donnent à l'air prélevé une vitesse radiale orientée vers l'extérieur lorsqu'il pénètre dans la chambre de tranquillisation entre les carters interne et externe La vitesse radiale orientée vers l'extérieur de l'air est supérieure à la vitesse tangentielle de l'air, ce qui amène l'air prélevé à frapper sur la paroi du carter externe Ce choc de 1 'air prélevé résulte en un échauffement plus uniforme du carter externe qui diminue de ce fait le gradient de température suivant la circon- férence du carter externe, ce qui minimise la distorsion du carter. Dans le mode de réalisation préféré, l'invention concerne la sortie du disque de stator de l'étage 7 d'un turbomoteur d'avion Les diamètres internes des disques supports adjacents sont augmentés et une plaque formant cloison cylindrique est introduite entre les disques supports et le carter interne du compresseur La plaque formant cloison inclut une pluralité de tubes à air s 'étendant radialement qui communiquent avec les orifi- ces d'amenée de petite superficie Dans le mode de réa- lisation préféré, on trouve vingt-huit paires d'orifices d'amenée et de tubes à air, contrairement aux concep- tions de carter de la technique antérieure qui n'avaient pas plus de huit orifices d'amenée et aucun tube à air. L'augmentation du nombre d'orifices d'amenée, la diminu- tion de la superficie des orifices d'amenée et l'utili- sation des tubes à air diminuent l'amplitude des gra- dients de température le long du carter extérieur. Par conséquent, un objet de la présente invention est de proposer un ensemble de carters pour un moteur à turbine à gaz qui minimise la distorsion du carter exté- rieur du compresseur, un ensemble de carters qui diminue le gradient de température suivant la circonférence associé à l'extraction de l'air prélevé, un ensemble de carters qui achemine l'air prélevé dans une chambre de tranquillisation du carter à une vitesse radiale supé- rieure à la vitesse tangentielle de l'air prélevé lors- qu'il se déplace vers le conduit de sortie et en sort, un ensemble de carters qui élimine la nécessité d'avoir des cloisons pour canaliser l'air prélevé, et un ensem- ble de carters qui soit relativement peu coûteux et facile à fabriquer. Ces objectifs de la présente invention, ainsi que d'autres, seront mieux compris si l'on se réfère à la description détaillée suivante, prise en conjonction avec les dessins annexés, dans lesquels: la Figure 1 est une vue de dessus, schématique, en coupe, d'un exemple de compresseur pour moteur à turbine à gaz incorporant la présente invention pour l'extrac- tion de l'air prélevé; la Figure 2 est une vue schématique en coupe trans- versale du compresseur prise le long de la ligne 3-3 de la Figure 1, qui montre une pluralité d'orifices d'ame- née de petite superficie placés dans le carter interne; et la Figure 3 est une vue en coupe agrandie de la Figure 2, qui montre le choc de l'air prélevé sur le carter externe. Comme on le voit sur la Figure 1, un compresseur à écoulement axial, globalement désigné par 10, d'un moteur à turbine à gaz comprend de 5 à 10 étages de com- presseur avec des rangées annulaires d'ailettes de rotor R 5, R 6, R 7, R 8, R 9, R 10 montées sur un arbre 13 et mises en rotation par la partie turbine (non représentée) du moteur Un carter interne 14, cylindrique, inclut des rangées annulaires d'aubes de stator 55, 56, 57, 58, 59 qui font saillie radialement vers l'intérieur en direc- tion de l'axe 16 du moteur et intercalées entre les ran- gées d'ailettes R 5, R 6, R 7, R 8, R 9, R 10 Le carter interne 14 comprend une paroi interne 17 et une paroi externe 18 définissant entre elles une chambre de tran- quillisation 19 du carter interne. Le carter interne 14 est disposé radialement vers l'intérieur par rapport à un carter externe 20 cylindri- que et est supporté par des disques 21, 22 qui s'éten- dent radialement et sont espacés axialement ainsi que par un cône arrière 23 du compresseur Le carter interne 14 est coaxial au carter externe 20 autour de l'axe 16 du moteur et forme une chambre de tranquillisation 24 du compresseur, annulaire, dans laquelle s'étendent les disques 21, 22. Pendant le fonctionnement du compresseur 10, l'écoulement d'air 26 s'écoule axialement vers l'aval à travers les différentes rangées d'ailettes R 5, R 6, R 7, R 8, R 9, R 10 et d'aubes 55, 56, 57, 58, 59 et est de ce fait comprimé La paroi interne 17 du carter interne 14 est espacée radialement, vers l'extérieur, des bouts des ailettes R 5-Rl O pour définir des jeux C en bout d'ailet- tes qui sont rendus aussi petits que possible afin d'empêcher la fuite de l'air 26 de compresseur qui dimi- nuerait l'efficacité du compresseur 10. On prélève l'air 26 du compresseur à l'étage 7 (en arrière des aubes de stator 57) en le faisant d'abord passer de la rangée d'ailettes de rotor R 7 et d'aubes de stator 57 à travers une pluralité d'orifices de prélève- ment 27, espacés suivant la circonférence, dans la paroi interne 17 du carter interne 14 pour aller dans la cham- bre de tranquillisation 19 du carter interne Dans le mode de réalisation préféré, il existe quatre-vingt dix- neuf orifices de prélèvement 27 situés dans la paroi interne 17 du carter interne L'air prélevé 31 est entraîné dans la chambre de tranquillisation 24 du com- presseur à une vitesse élevée par une pluralité d'orifi- ces de prélèvement 28, de petite superficie, espacés suivant la circonférence, situées dans la paroi externe 18 du carter interne 14 Dans le mode de réalisation préféré, il existe vingt-huit orifices de prélèvement 28 dans la paroi externe 18. Les parois interne et externe 17, 18 du carter interne 14 sont séparées et supportées par une pluralité de parois latérales 12 a, 12 b, 12 c, 12 d, 12 e et 12 f réparties sur la circonférence. Placé radialement vers l'extérieur par rapport à chaque orifice de prélèvement 28 se trouve à tube à air 32 pour canaliser l'air prélevé 31 dans la chambre de tranquillisation 24 du compresseur en direction du carter externe 20 Au-dessus de la surface supérieure de chaque tube à air 32 se trouve une plaque formant cloi- son 34 cylindrique qui communique avec les disques 21, 22 La plaque formant cloison 34 relie les disques 21, 22 avec le tube à air 32 et, associée au cône arrière 23 du compresseur, supporte les carters interne et externe 14, 20. L'air prélevé 31 est recueilli dans la chambre de tranquillisation 24 du compresseur et canalisé radiale- ment vers l'extérieur à travers le carter externe 20 et sort par un conduit de sortie 36 On utilise au moins deux conduits de sortie répartis à la circonférence pour chaque étage, avec trois ou quatre comme on le voit sur la Figure 2, ou plus si on le souhaite. Les orifices de prélèvement 28 de la présente invention ont une superficie faible si bien qu'une plu- ralité d'orifices de prélèvement sont incorporés dans la paroi externe 18 du carter interne 14 On peut faire varier le nombre exact d'orifices de prélèvement de petite superficie dans la mesure o la superficie est suffisamment faible pour que les orifices puissent don- ner à l'air prélevé une vitesse radiale qui est supé- rieure à la vitesse tangentielle de l'air prélevé lors- qu'il pénètre dans la chambre de tranquillisation 24 du compresseur. Comme on le voit sur la Figure 3, l'air prélevé 31 traverse la chambre de tranquillisation 24 et vient frapper sur la surface interne 30 du carter externe 20, rebondissant en fait de la surface interne du carter externe et se déplaçant en continu à l'intérieur de la chambre de tranquillisation jusqu'à ce qu'il sorte par le conduit de sortie 36 Cet effet de rebondissement de l'air prélevé 31 à l'intérieur de la chambre de tran- quillisation 24 du compresseur permet à l'air prélevé de réguler uniformément le transfert de chaleur sur la cir- conférence créé dans l'air prélevé lorsqu'il se déplace suivant la circonférence à travers la chambre de tran- quillisation Comme la capacité de transfert thermique de l'air prélevé est répartie de façon régulière dans toute la chambre de tranquillisation, le gradient de température suivant la circonférence est suffisamment diminué pour éviter une distorsion du carter externe Le gradient de température est diminué par un facteur de % par rapport aux conceptions de carter de la techni- que antérieure. En raison de cette diminution de la distorsion thermique suivant la circonférence du carter externe 20, la distorsion thermique correspondante suivant la cir- conférence du carter interne 14 est également réduite. La variation suivant la circonférence du jeu C en bout d'ailette est empêchée, ce qui diminue les pertes d'efficacité du compresseur 10 dues aux fuites de l'air 26 du compresseur. Les problèmes de jeu en bout d'ailettes étaient particulièrement importants le long du carter interne 14 au niveau des étages de rotor R 7 et R 10 Ces emplace- ments sont davantage susceptibles de distorsions parce qu'ils se trouvent là o le cône arrière 23 de compres- seur relie les carters de compresseur et là o le sup- port 21 était précédemment relié aux carters de compres- seur La présente conception du carter de compresseur conserve le jeu en bout d'ailettes de toutes les ailet- tes de rotor par diminution du gradient de température du carter 20. Le carter interne 14 est également refroidi par l'air prélevé 38 qui pénètre dans la chambre de tran- quillisation 40 de la turbine basse pression à travers un orifice de prélèvement 42 se trouvant situé dans le carter interne immédiatement en avant de l'étage 5, entre le carter interne 14 et le carter externe 20 La plaque formant cloison 34 s'étend vers l'avant dans l'étage 6 et dévie une partie de l'air prélevé 38 a vers le haut, en direction de l'embouchure de sortie 46 anti- givre, pour être utilisée lorsque la fonction anti-givre est nécessaire, et dévie une partie de l'air prélevé 38 b vers le bas en direction du tube à air 32. Une autre partie de l'air prélevé 38 d, déviée vers le bas, continue entre les tubes à air 32 et jusque dans la chambre de tranquillisation 40 de la turbine basse pression, dans les étages 8, 9 et 10 Finalement, l'air prélevé 38 sort de la chambre 40 de tranquillisation de la turbine basse pression par un conduit de sortie 56 de la turbine basse pression. Bien que le procédé précédent d'extraction d'air prélevé soit particulièrement utile dans les étages com- presseur d'un moteur à turbine à gaz pour recueillir de l'air prélevé et l'envoyer à travers les conduits de sortie dans le carter externe, l'invention peut égale- ment être utilisée dans des étages de turbine pour répartir l'air prélevé qui y est canalisé Les turbines traditionnelles incluent classiquement un collecteur de distribution, très semblable à la chambre de tranquilli- sation 24 du compresseur représentée sur la Figure 1, qui entoure les ailettes de rotor et les aubes de stator de celles-ci Des conduits d'entrée semblables à ceux représentés à la Figure 1 sont également prévus pour canaliser l'air prélevé jusque dans le collecteur de distribution Comme dans le compresseur, la vitesse de l'air prélevé canalisé dans la turbine est plus élevée lorsqu'il traverse les conduits d'entrée et diminue entre les conduits d'entrée Il peut en résulter égale- ment une distorsion thermique semblable suivant la cir- conférence du carter de turbine Par conséquent, si on incorpore une pluralité d'orifices de prélèvement de petite superficie dans le carter interne de la turbine, l'air prélevé va avoir une vitesse relativement élevée lorsqu'il pénétrera dans le collecteur de distribution et va frapper sur le carter externe, maîtrisant de ce fait le gradient de température suivant la circonférence et minimisant la distorsion du carter extérieur de tur- bine. La description précédente a été présentée en se référant à un mode de réalisation préféré de l'invention illustré dans les dessins L'homme du métier appréciera que des modifications et variantes peuvent y être appor- tées dans le cadre de la présente invention. 2692627 - il REVENDICATIONS 1 Ensemble de carters pour diminuer le gradient de température de l'air prélevé dans un moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il comprend: un carter ( 20) externe, annulaire, avec au moins un conduit de sortie, un carter ( 14) interne, annulaire, disposé coaxia- lement à l'intérieur du carter externe en en étant espacé pour définir une chambre de tranquillisationú 24) un moyen ( 21, 22, 23) pour supporter les carters interne et externe et définir une chambre de tranquilli- sation entre les carters, et un moyen ( 27, 28) pour donner une vitesse radiale à l'air prélevé qui soit supérieure à la vitesse tangen- ó 31) tielle de l'air préleve qui pénètre dans la chambre de tranquillisation, l'air prélevé frappant de ce fait sur le carter externe en diminuant suffisamment le gradient de température suivant la circonférence qui se forme au niveau du carter externe suffisamment pour empêcher la distorsion de l'ensemble de carters lorsque l'air pré- levé sort par le conduit de sortie. 2 Ensemble de carters selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen pour donner une vitesse radiale à l'air prélevé comprend une pluralité d'orifi- ces ( 2 Z) de prélèvement de superficie relativement fai- ble situés dans le carter interne. 3 Ensemble de carters selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend vingt-huit ouvertures( 28) de prélèvement situés dans le carter interne. 4 Ensemble de carters selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un tube à air ( 32) situé dans la chambre de tranquillisation au-dessus ( 2 B) de chaque orifice de prélèvement pour diriger l'air pré- ( 3 n U leve en direction du carter externe. 5 Ensemble de carters selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen pour supporter les càr- ters interne et externe est constitué par des disques ( 21, 22) radiaux qui partent du carter externe en direc- tion du carter interne. 6 Ensemble de carters selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen de support des carters comprend en outre une plaque formant cloison située au- dessus des tubes à air pour venir en contact avec les disques radiaux. 7 Ensemble de carters selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyen de support des carters comprend en outre un cône ( 23) arrière de compresseur qui s'étend du carter externe au carter interne. 8 Ensemble de carters selon la revendication 7, caractérisé en ce que les orifices de prélèvement sont situés à l'intérieur d'un étage de compresseur. 9 Ensemble de carters selon la revendication 4, caractérisé en ce que les orifices de prélèvement sont situés à l'intérieur d'un étage de turbine. 10 Installation d'air prélevé destinée à un moteur à turbine à gaz, caractérisée en ce qu'elle comprend un carter externe, annulaire, avec au moins un con- duit de sortie 13 r,56), un carter interne, annulaire, disposé coaxialement au carter externe en en étant espacé radialement vers l'intérieur,) des disques radiaux qui partent du carter externe en direction du carter interne et définissent une cham- bre de tranquillisatione 24), un cône arrière de compresseur qui s'étend du car- ter externe au carter interne pour supporter les car- ters, et Y) une pluralité d'orifices de prélèvement de petite superficie situés dans le carter interne pour donner à l'air prélevé une vitesse radiale qui est supérieure à la vitesse tangentielle de l'air prélevé pénétrant dans la chambre de tranquillisation, l'air prélevé ayant une vitesse élevée frappant de ce fait sur le carter externe et empêchant la distorsion du carter externe grâce à une diminution du-gradient de température suivant la circon- férence qui se forme au niveau du carter externe lorsque l'air prélevé sort par le conduit de sortie. 11 Installation d'air prélevé selon la revendica- tion 10, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre ( 34) une plaque formant cloison située au-dessus des tubes à air pour venir en contact avec les disques radiaux. 12 Installation d'air prélevé selon la revendica- tion 11, caractérisée en ce qu'elle comprend vingt-huit orifices de prélèvement dans le carter interne. 13 Installation d'air prélevé selon la revendica- tion 12, caractérisée en ce au'elle comprend en outre un tube à ai} situé à l'intérieur de la chambre de tran- quillisation, au-dessus de chaque orifice de prélève- ment, pour diriger l'air prélevé en direction du carter externe. 14 Installation d'air prélevé selon la revendica- tion 13, caractérisée en ce que l'installation est située dans un étage de compresseur. Procédé pour réguler la distorsion de carter d'un moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: comprimer de l'air à travers une Dluralité d'ailet- R 5,-Rio) ( 557-59)- tes de rotor et d'aubes de stator, prélever une partie de l'air comprimé par une plu- ralité d'orifices de prélèvement de petite superficie situés dans un carter interneú 44), donner à l'air prélevé une vitesse radiale supé- rieure à la vitesse tangentielle de l'air prélevé lors- que l'air prélevé pénètre dans une chambre de tranquil- lisation( 24), o faire frapper l'air prélevé sur un carter exterine C 2 o) pour répartir de façon uniforme la capacité de transfert thermique de l'air prélevé, et faire sortir l'air prélevé par un conduit de sor- tie( 36) - 16 Procédé pour réguler la distorsion de carter selon la revendication 15, caractérisé en ce que le pro- cédé est destiné à un carter de compresseur. 17 Procédé pour réguler la distorsion de carter selon la revendication 15, caractérisé en ce que le pro- cédé est destiné à un carter de turbine.