Brevet FR2740829A2 — publié le 19970509

FR 2740829 A2 19970509 FR 8311584 A 19830712 DISPOSITIF D'ETANCHEITE D'AUBAGES MOBILES DE TURBOMACHINE AVEC CONTROLE DES JEUX EN TEMPS REEL Le présent certificat d'addition concerne un dispositif d'étanchéité d'aubages mobiles de turbomachine et comporte des perfectionnements à l'invention qui fait l'objet du brevet principal dont la demande a e' été déposée le 31 décembre 1982 sous le numéro 82.22166. Le dispositif conforme à la présente invention est du type comportant, conformément à la demande de brevet principal susmentionnée, une garniture d'étanchéité composée de secteurs liés par une structure de support, à la fois à une structure interne de révolution et à une structure externe de révolution coaxiales, ladite structure de support étant constituée d'un nombre d'éléments transmetteurs de déplacement, répartis périphériquement et tous semblables, sur chacun desquels est fixé un tenon double asservissant en position deux secteurs adjacents de ladite garniture d'étanchéité, ces éléments transmetteurs de déplacement étant articulés chacun d'une façon isostatique - dune part, sur une première articulation, lesdites premières articulations étant régulièrement réparties périphériquement sur ladite structure interne de révo lution qui est rigide, ayant pratiquement les mêmes caractéristiques mécaniques sur toute sa périphérie, coaxiale à la turbomachine dans toutes les conditions de fonctionnement, transitoires comprises, énergiquement ventilée intérieurement et extérieurement par de l'air prélevé à un niveau de la turbomachine situé en amont du dispositif et comportant des accélérateurs d'échange thermique - d'autre part, sur une seconde articulation, lesdites secondes articulations étant régulièrement réparties périphériquement sur ladite structure externe de révo lution qui est rigide, ayant pratiquement les mêmes caractéristiques mécaniques sur toute sa périphérie, d'inertie calorifique plus grande que celle de la susdite structure interne, baignée sur sa surface inté rieure par l'air prélevé au susdit niveau amont de la turbomachine, ladite première articulation et ladite seconde articulation étant pour chaque élément transmetteur de déplacement décalées périphériquement afin d'éviter l'introduction de forces hyperstatiques, la position périphérique desdits tenons doubles sur lesdits éléments transmetteurs de déplacement étant déterminée d'une part, et les coeffi cients de dilatation zen i du métal constituant ladite structure interne et e du métal constituant ladite structure externe étant choisis, d'autre part, de manière à ce qu'au cours d'une manoeuvre de la turbomachine, d'une part, dans une première phase rapide les déplacements radiaux des tenons doubles obtenus au moyen de la réaction de la structure interne par l'intermédiaire des premières articulations aient une valeur égale à la réaction centrifuge du disque et des aubes augmentée de la réaction thermique des aubes et de manière à ce que, d'autre part, dans une seconde phase plus longue les déplacements radiaux des tenons doubles obtenus au moyen de la réaction de la structure externe par l'intermédiaire des secondes articulations aient une valeur égale à la réaction thermique du disque, en outre ladite structure externe étant préférablement constituée conformément à la revendication 9 de la demande de brevet principal susmentionnée par une portion de carter de turbine. Dans la demande de brevet principal rappelée ci-dessus, les éléments transmetteurs de déplacement sont constitués d'éléments profilés en U qui sont articulés en quatre points, deux sur la structure interne et deux sur la structure externe. Il peut résulter, dans cette disposition, par suite d'empilements défavorables de tolérances de fabrication par exemple, des défauts de parallélisme dans les première et seconde articulations, ce qui peut entratner des risques de coincement et des défauts de fonctionnement. Par ailleurs, le prélèvement d'air effectué, selon la demande de brevet principal, à un des derniers étages de compresseur impose des canalisations extérieures qui sont un inconvénient par leur masse et leur encombrement. L'invention vise à éviter ces inconvénients et, dans ce but, le dispositif du type précité selon la présente invention est caractérisé en ce que les éléments transmetteurs de déplacement sont des éléments profilés en T dont la barre verticale du T est tournée radialement vers l'extérieur constituant une chape mâle articulée par un axe sur une chape femelle tournée radialement vers l'intérieur du carter composant une susdite seconde articulation, et dont la barre transversale du T comporte à chacune de ses extrémités une aile tournée radialement vers l'extérieur respectivement à l'amont et à l'aval, chaque aile étant percée d'un trou vis-à-vis d'un trou correspondant alésé dans des raidisseurs respectivement amont et aval d'une virole qui constitue la structure interne, lesdits trous alésés composant avec un boulon qui les traverse une susdite première articulation. Avantageusement, l'air de ventilation est prélevé dans un espace aval extérieur à la chambre de combustion de la turbomachine et après impact sur ladite structure interne puis sur la garniture d'étanchéité s'échappe dans la veine des gaz de la turbomachine à travers ladite garniture d'étanchéité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description ci-après d'un mode de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale partielle d'une turbine comportant le dispositif d'étanchéité et contrôle des jeux en temps réel conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe transversale selon II-II de la figure 1. En se reportant aux figures 1 et 2, la structure externe jouant le rôle d'anneau à long temps de réponse, est constituée par une portion du carter 138. Celui-ci comporte régulièrement réparties sur sa périphérie, des chapes qui dans le mode de réalisation représenté sont des chapes femelles 140. A ces chapes sont articulées, par des axes 144, des chapes mâles 142 d'éléments transmetteurs de déplacement 146 qui ont une forme de T, la barre verticale du T étant tournée vers l'extérieur. Les extrémités de la barre transversale 143 du T comportent vers l'amont (respectivement vers l'aval), des ailes 148 amont (respectivement 150 aval), tournées vers l'extérieur. A l'extrémité la plus éloignée dans le sens périphérique des axes 144, des éléments transmetteurs de déplacement 146, sont percés en regard dans les deux ailes 148 et 150 de la barre transversale du T, des trous 152 (côté amont) et 154 (côté aval) qui sont articulés, par exemple, par des boulons 155, à des trous 153 alésés dans une virole 156 à très court temps de réponse. Cette virole est monolithique et comporte d'une part des éléments raidisseurs à tout le moins en amont 158 et en aval 160, et d'autre part, des accélérateurs d'échange tels que picots, ailettes, mais en tous cas des multitrous tels que représentés schématiquement en 162. La barre verticale du T de ces éléments transmetteurs de déplacement 146, qui se termine par la chape mâle 142, passe bien entendu, avec un jeu réduit, dans des empochements bordés 164 de la virole à court temps de réponse 156. La barre transversale 143 du T comporte enfin des trous calibrés 166. Les éléments transmetteurs de déplacement 146 portent des tenons doubles 168 qui, dans l'exemple représenté, sont sur la médiatrice de l'angle dont le sommet est sur l'axe de la turbomachine et dont les côtés passent par les axes 144 et 155. Bien entendu, comme expliqué dans la demande de brevet de base, leur position peut être optimisée pour assurer un jeu réel en régime continu et transitoire positif mais toujours très faible. Une autre différence importante par rapport aux solutions décrites dans la demande de brevet de base, concerne l'alimentation en air comprimé du dispositif. Au lieu de venir d'un des étages de compresseur (parmi les derniers) par des canalisations extérieures, cet air comprimé est prélevé dans l'espace 200 aval extérieur à la chambre de combustion par des trous 170 régulièrement répartis, perçés dans un flasque radial amont 172 du dispositif qui limite le dispositif de contrôle des jeux et qui est lié au carter 138 par une fixation 174 de type connu. Un flasque radial aval 176, fixé au carter 138 par une fixation 178 de type connu, limite le dispositif de contrôle des jeux vers l'aval. Des joints d'étanchéité 180, 180' entre les ailes externes de la virole 156 et lesdits flasques amont 172 et aval 176, empêchent les fuites de l'air comprimé arrivant dans l'enceinte 179. De cette dernière enceinte, l'air comprimé passe par des trous non représentés d'un premier cache annulaire 181, pour gouverner, par impact, la température de la virole 156. Celle-ci comporte de plus des accélérateurs d'échange, et notamment des multitrous tels que 162 qui lui confèrent un temps de réponse en température (par exemple à 98%) très court, de l'ordre de 5 secondes par exemple. Après avoir traversé, par ces multitrous, la virole 156 et, par les trous 166, les barres transversales des éléments en T 146, l'air traverse un second cache annulaire 182, par des trous non représentés et refroidit ainsi, par impact, les secteurs 184 qui portent la garniture d'étanchéité et d'usure 186 et sont percés de trous 185 par lesquels l'air s'échappe dans la veine des gaz de la turbomachine. On comprend bien que le carter, par son inertie thermique, a un temps de réponse en température relativement long, et qu'on peut ajuster ce temps de réponse (par exemple à 98% de cet écart de température), par des caches tels que 188 et/ou des calorifugeages internes et/ou externes non représentés, tandis qu'au contraire, la virole 146, monolithique et d'assez grande inertie mécanique, grâce à ses ailes 158 et 160, mais de faible inertie thermique, a un temps de réponse par nature assez court qu'on peut également ajuster par les accélérateurs d'échange (notamment les multitrous 162 mais aussi des picots, ailettes, etc... ). L'étanchéité externe du dispositif, et à la fois la libre dilatation longitudinale des éléments des flasques 172 et 176, sont assurés par un moyen connu tel que, par exemple, un système à doigt et fourchette, comme reprsnte' sur la figure 1. Le fonctionnement du dispositif et les méthodes possibles de détermination et d'optimisation, sont exactement les mêmes que dans la demande de brevet principal 82.22166 du 31 décembre 1982. A titre d'illustration, on va maintenant décrire, en se référant notamment à la figure 2, ce qui se passe lors d'une accélération de ralenti stabilisé à plein gaz stabilisé. Pendant une première phase de courte durée, après la manoeuvre de la manette des gaz (un temps caractéristique étant, par exemple, cinq secondes), le moteur arrivera à la vitesse de rotation du plein gaz. La dilatation centrifuge du disque (moyeu et jante) sera effectivement obtenue au bout de cinq secondes. D'autre part, pour des moteurs modernes, les aubes de turbine sont généralement de faible épaisseur et ventilées intérieurement énergiquement. Elles prennent donc, presque dans le même temps, leur température stabilisée et la dilatation thermique des aubes s'ajoute, en tout cas en majeure partie, à la dilatation centrifuge du disque et de l'aube. Mais pendant le même temps, l'air comprimé venant à l'aval dans l'espace 200 compris entre la chambre de combustion proprement dite et le carter extérieur de chambre de combustion passant par les trous 170 dans l'enceinte 179, et par les trous du cache 181, provoquera une élévation de température de la virole 156 à court temps de réponse, donc une dilatation, alors que le carter 138 n'aura subi pratiquement encore aucun échauffement. Les axes 144 restant donc fixes, la dilatation de la virole 156 provoquera donc une augmentation de rayon des axes 155. Les éléments transmetteurs de déplacement tourneront autour de l'axe 144, dans le sens des aiguilles d'une montre (sur la figure 2), et les tenons doubles 168 se déplaceront vers l'extérieur (dans la position représentée des tenons, leur augmentation de rayon est la moitié de l'augmentation de rayon de la virole 156). En ajustant les accélérateurs d'échange d'une part, et le - coefficient oRv de dilatation de la virole (et comme expliqué dans la demande de brevet de base, par un choix convenable de la position relative des tenons, en tenant compte, pour ce choix du rapport de la dilatation des extrémités d'aubes pendant la première phase, à la dilatation totale), on peut assurer que la partie interne de la garniture d'étanchéité 186 "suive" avec une quasi perfection, l'augmentation de rayon des extrémités d'aubes durant cette première phase. Pendant une deuxième phase qui dure souvent de l'ordre de dix minutes, il y a stabilisation thermique de la machine, et notamment, la température du disque (jante et moyeu) monte progressivement ; il y a donc dilatation thermique du disque. Mais, pendant le même temps, le carter 138 notamment, grâce à un ajustage de son inertie thermique, par exemple, par le cache 188, prend lui aussi sa température stabilisée. Les éléments transmetteurs de déplacement 146, tournent alors autour des axes 155 (sur la figure 6, dans le sens contraire des aiguilles d'une montre), entraînant les tenons doubles 168 vers l'extérieur en supplément du mouvement vers l'extérieur qu'ils ont effectué pendant la première phase. E. a.u3tant l'inertie thermique du carter (épaisseur, cache 188, calorifugeage(s) éventuel(s) ) d'une part, et le coefficient de dilatation cZe du carter 138 d'autre part, (et comme expliqué dans la demande de brevet de base et évoqué ci-dessus, par un choix convenable de la position périphérique des tenons), on peut assurer que la partie interne de la garniture d'étanchéité 186 "suive" avec une quasi perfection, l'augmentation de rayon des extrémités d'aubes durant cette deuxième phase de stabilisation thermique, et notamment, qu'au plein gaz stabilisé, le jeu entre extrémité d'aubes et garniture d'étanchéité sera positif, mais très faible. Bien entendu, on ne sortirait pas du cadre de la présente invention en y apportant les modifications à la portée de l'homme du métier, et en particulier les chapes mâles 142 et femelles 140 peuvent être inversées et les articulations des éléments transmetteurs de déplacement en T 146 peuvent être garnies de rotules. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'étanchéité d'aubages mobiles de turbomachine avec contrôle en temps réel des jeux en extrémités d'aubes du type comportant conformément à la revendication 1 de la demande de brevet principal n" 82.22166 du 31 décembre 1982 une garniture d'étanchéité composée de secteurs liés par une structure de support, à la fois à une structure interne de révolution et à une structure externe de révolution coaxiales, ladite structure de support étant constituée d'un nombre d'éléments transmetteurs de déplacement, répartis périphériquement et tous semblables, sur chacun desquels est fixé un tenon double asservissant en position deux secteurs adjacents de ladite garniture d'étanchéité, ces éléments transmetteurs de déplacement étant articulés chacun d'une façon isostatique - d'une part, sur une première articulation, lesdites premières articulations étant régulièrement réparties périphériquement sur ladite structure interne de révo lution qui est rigide, ayant pratiquement les mêmes caractéristiques mécaniques sur toute sa périphérie, coaxiale à la turbomachine dans toutes les conditions de fonctionnement, transitoires comprises, énergiquement ventilée intérieurement et extérieurement par de l'air prélevé à un niveau de la turbomachine situé en amont du dispositif, et comportant des accélérateurs d'échange thermique, - d'autre part, sur une seconde articulation, lesdites secondes articulations étant régulièrement réparties pePiphSLiquement sur ladite structure externe de révo lution qui est rigide, ayant pratiquement les mêmes caractéristiques mécaniques sur toute sa périphérie, d'inertie calorifique plus grande que celle de la susdite structure interne, baignée sur sa surface intérieure par l'air prélevé au susdit niveau amont de la turbomachine, ladite première articulation et ladite seconde articulation étant pour chaque élément transmetteur de déplacement décalées périphériquement afin d'éviter l'introduction de forces hyperstatiques, la position périphérique desdits tenons doubles sur lesdits éléments transmetteurs de déplacement étant déterminée d'une part, et les coefficients de dilatation oCi du métal constituant ladite structure interne et cee du métal constituant ladite structure externe étant choisis, d'autre part, de manière à ce qu'au cours d'une manoeuvre de la turbomachine, d'une part, dans une première phase rapide les déplacements radiaux des tenons doubles obtenus au moyen de la réaction de la structure interne çar l'intermédiaire des premières articulations aient une valeur égale à la réaction centrifuge du disque et des aubes augmentée de la réaction thermique des aubes et de manière à ce que, d'autre part, dans une seconde phase plus longue les déplacements radiaux des tenons doubles obtenus au moyen de la réaction de la structure externe par l'intermédiaire des secondes articulations aient une valeur égale à la réaction thermique du disque, en outre ladite structure externe étant préférablement constituée conformément à la revendication 9 de la demande de brevet principal susmentionnée par une portion de carter de turbine (138), caractérisé en ce que les éléments transmetteurs de déplacement sont des éléments profilés en T (146) dont la barre verticale du T est tournée radialement vers l'extérieur constituant une chape mâle (142) articulée par un axe (144) sur une chape femelle (140) tournée radialement vers l'intérieur du carter (138) composant une susdite seconde articulation, et dont la barre transversale (143) du T comporte à chacune de ses extrémités une aile tournée radialement vers l'extérieur respectivement à l'amont (148) et à l'aval (150), chaque aile étant percée d'un trou (152, 154) vis-à-vis d'un trou correspondant (153) alésé dans des raidisseurs respectivement amont (158) et aval (160) d'une virole (156) qui constitue ladite structure interne, lesdits trous alésés (152, 154, 153) composant avec un boulon (155) qui les traverse une susdite première articulation. 2. Dispositif d'étanchéité selon la revendication 1, caractérisé en ce que la barre transversale (143) des éléments profilés en T (146) transmetteurs de déplacement est située du côté radialement interne de la virole (156) constituant la structure interne, ladite virole (156) comportant des empochements bordés (164) de passage de la barre verticale (142) des éléments en T (146). 3. Dispositif d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'air de ventilation est prélevé dans un espace (200) aval extérieur à la chambre de combustion de la turbomachine par des trous (170) régulièrement répartis et percés dans un flasque radial (172) fixé au carter (138) et limitant le dispositif à l'amont, cet air passe ensuite par les trous d'un premier cache annulaire (181) situé radialement à l'extérieur de la virole (156), fait impact sur ladite virole (156) qui constitue la structure interne, traverse ladite virole (156) par des multitrous (162), traverse les barres transversales (143) des éléments (146) en T par des trous (166) et passe par les trous d'un second cache annulaire (182) situé radialement à l'intérieur par rapport aux éléments en T (146) pour faire impact sur la garniture d'étanchéité (184 et 186) que l'air traverse par des trous (185) avant d'échapper dans la veine des gaz de la turbomachine.