Brevet FR2750451A1 — publié le 19980102

DISPOSITIF DE SOUFFLAGE DE GAZ DE RÉGLAGE DE JEUX DANS UNE TURBOMACHINE DESCRIPTION L'invention a pour sujet un dispositif de soufflage de gaz pour régler les jeux à l'intérieur d'une turbomachine. On se préoccupe depuis longtemps de réduire les jeux entre les parties tournantes et fixes des turbomachines, et plus particulièrement entre les bouts des aubes mobiles et les anneaux opposés du stator, surtout dans les turbines, afin d'accroître le rendement de la machine, la poussée qu'elle produit et la réserve au pompage. Les jeux sont variables pendant le fonctionnement de la machine entre le démarrage, les états transitoires et l'état stabilisé, à cause de l'échauffement et des forces centrifuges qui provoquent des déformations thermiques et mécaniques croissantes et différentes entre le stator et le rotor. C'est pourquoi on a déjà conçu des dispositifs dynamiques de réglage des jeux, dont les plus répandus utilisent un courant de gaz, prélevé d'une portion de la machine telle qu'un compresseur, et qui circule derrière les anneaux de stator dont on veut régler le diamètre: le gaz refroidit ou échauffe les anneaux, selon la portion de la machine d'o il provient, et produit des déformations thermiques supplémentaires qui amènent ces anneaux au diamètre souhaité. L'importance de ces déformations peut être réglée avec le débit prélevé de gaz. On peut aussi prévoir des prélèvements de gaz de plusieurs points de la machine, et les canaux correspondants sont successivement ouverts pour obtenir une déformation de la valeur voulue. Les brevets SP 11862 JCI français 2 509 373 et 2 688 539 donnent quelques exemples de ces aménagements. On observe cependant que les déformations thermiques produites ne sont pas toujours uniformes, ce qu'on peut attribuer à un manque d'homogénéité du débit de gaz le long de la circonférence de l'anneau, ou un défaut d'uniformité de sa température s'il provient de plusieurs conduites qui débouchent devant des portions successives de l'anneau. Conformément à l'invention, les gaz de réglage de jeux ne débouchent donc pas directement dans la chambre délimitée par l'anneau en sortant des conduites d'acheminement, mais passent d'abord par un mélangeur. Ce mélangeur est composé d'une pluralité de chambres en succession, ayant des sections droites analogues et séparées par des cloisons sensiblement parallèles, et les cloisons sont percées d'orifices toujours plus nombreux d'une cloison à l'autre vers l'anneau de stator. On réalise ainsi un écoulement en arborescence des gaz d'une chambre à l'autre, si bien qu'ils parviennent avec une grande homogénéité de débit et de température devant l'anneau. Les orifices peuvent consister en de simples perçages opérés à travers des cloisons de séparation des chambres ou en de courtes conduites. Dans les deux cas, il n'existe qu'une perte de charge sensiblement plus faible qu'avec les dispositifs ordinaires de canalisation, qui impliquent en général des perturbations importantes de l'écoulement par de grandes variations de direction ou de vitesse. Les nombres d'orifices peuvent être en progression géométrique d'une cloison à l'autre, par exemple deux fois plus nombreux, et ils sont de préférence répartis en rangées circonférentielles en SP 11862 JCI nombre identique pour toutes les cloisons, de sorte que seul le pas angulaire varie d'une cloison à l'autre. Les chambres peuvent être annulaires et séparées par des cloisons transversales dans la turbomachine et en couronne: elles sont alors en forme de cylindres empilés; ou encore, elles peuvent être sensiblement annulaires mais séparées par des cloisons cylindriques et concentriques: elles sont alors disposées en cylindres concentriques. Ces particularités de l'invention, ainsi que d'autres, vont être maintenant décrites avec leurs avantages à l'aide des figures suivantes, annexées à titre illustratif et non limitatif: - la figure 1 est une coupe longitudinale d'une portion de turbomachine dans laquelle une réalisation de l'invention a été installée, - les figures 2 à 5 sont des coupes de la figure 1 prises suivant les lignes II-II à V-V de cette figure, - la figure 6 représente une autre réalisation, - la figure 7 représente une troisième réalisation, - et la figure 8 représente une quatrième réalisation possible. La portion de turbomachine représentée sur les différentes figures comprend essentiellement un fragment de stator 1 qui comprend, face à deux étages d'aubes mobiles 2, deux anneaux 3 formés d'une peau métallique sensiblement cylindrique et qui porte des segments d'étanchéité 4, situés juste devant les bouts des aubes mobiles 2, par l'intermédiaire d'un anneau de fixation 5. Une chambre 6 ou 106 est ménagée derrière chacun des anneaux 3, et deux murets 7, d'une pièce avec l'anneau 3, la délimitent aussi sur les côtés dans la réalisation de la figure 1. SP 11862 JCI Le mélangeur 8 sujet de l'invention est de forme annulaire, ferme le côté extérieur d'une des chambres 6 et est vissé par ses extrémités longitudinales à deux tôles 9 qui forment des extensions des murets 7. Un anneau de carter extérieur entoure et couvre le mélangeur 8. Il est cependant traversé par quatre conduits 11 d'alimentation de gaz qui aboutissent dans une première chambre 12 du mélangeur 8. Ces conduits 11 sont disposés à angle droit autour de la machine, et un seul est représenté pour cela sur la figure 1. Les écoulements de gaz entrent plus précisément par la paroi externe du mélangeur 8 et ont d'abord une direction centripète en sortant des conduits 11, avant de se redresser dans la première chambre 12 pour prendre une direction axiale. Ils pénètrent ensuite dans une deuxième chambre 14, puis une troisième chambre 15, avant de quitter le mélangeur 8 et de passer dans la première chambre 6 affectée au réglage du diamètre de l'anneau 3. Chacun de ces passages s'effectue par des orifices toujours plus nombreux: alors qu'il y avait quatre conduits 11, on compte huit orifices 16 entre la première chambre 12 et la deuxième chambre 14, seize orifices 17 entre la deuxième chambre 14 et la troisième chambre 15 et trente-deux orifices 18 à la sortie de la troisième chambre 15, comme on le voit bien sur les figures 2 à 5 qui représentent des demi- circonférences du mélangeur 8, le reste étant identique. Les orifices 16, 17, 18 sont respectivement disposés autour de la machine en rangée unique, de sorte que leur pas angulaire est à chaque fois deux fois plus petit. Il en résulte une uniformisation de l'écoulement et un certain brassage des gaz qui SP 11862 JCI contribue à en égaliser à la fois le débit et la température, c'est-à-dire la dilatation thermique produite. Il est utile pour cela que les chambres 12, 14 et 15 du mélangeur 8 et les cloisons 16 et 17 qui les séparent aient une disposition régulière, c'est-à- dire que les chambres aient une section droite à peu près semblable et que les cloisons soient à peu près parallèles, afin de ne pas perturber l'écoulement des gaz, ce qui produirait des pertes de charge et nuirait à l'homogénéité de l'écoulement. Les troisièmes orifices 18 sont situés sur la face interne 19 du mélangeur 8, ce qui oblige les gaz à reprendre un écoulement centripète dans la troisième chambre 15, mais l'uniformisation a alors été réalisée. Les gaz sortent de la chambre 6 dans laquelle ils ont été soufflés en passant par des orifices 20 qui traversent les murets 7, puis ils traversent un espace intermédiaire 21 du stator 1 avant d'entrer dans l'autre des chambres 106 en traversant les orifices 20 de ces murets 7; on remarque que l'un de ces murets 7 est encore muni d'autres orifices 22 qui aboutissent dans la veine 23 de la machine, grâce à quoi l'évacuation de cette seconde chambre 106 est faite et le gaz de réglage de jeu, prélevé auparavant de la veine 23, la retrouve. Le mélangeur 8 peut être formé de deux plaques circulaires de tôle, correspondant sensiblement à des faces extérieure 13 et intérieure 19 des chambres 12, 14 et 15 annulaires et embouties pour se joindre aux extrémités longitudinales et aux cloisons 16 et 17, sauf aux orifices; ces tôles comprennent des bordures d'extrémité 24 par lesquelles elles sont vissées aux tôles 9 solidaires des murets 7. SP 11862 JCI La figure 6 représente un mélangeur 108 sensiblement semblable mais dont la structure, ainsi que celles des pièces avoisinantes, est entièrement formée de capotages démontables. Il en résulte que les conduits d'alimentation, ici désignés par 111, aboutissent au carter extérieur 10 et ne sont pas joints au mélangeur 108. Un premier capotage 113 forme la face extérieure, dirigée vers le carter extérieur 10, du mélangeur 108 et comprend une bordure interne 114 encastrée entre deux brides d'éléments 115 et 116 du stator 101, ces éléments 115 et 116 étant liés respectivement aux anneaux objets du réglage thermique et au carter extérieur 10 pour former une cloison continue. On trouve un autre capotage 119 s'étendant concentriquement au précédent et formant la face intérieure du mélangeur 108 et qui comprend en outre une bordure externe 120 vissée à une nervure 121 du carter extérieur 10. Le volume compris entre carter extérieur 10 et stator 101, qui est occupé par le mélangeur 108, est divisé en deux parties sensiblement concentriques par celui-ci et notamment par les bordures 114 et 120, de sorte que les gaz originaires des conduits 111 aboutissent dans la partie externe de ce volume et ne la quittent qu'en traversant quatre orifices 122 opposés aux conduits 111 et percés à travers le premier capotage 113. Les orifices 122 s'ouvrent dans la première chambre 12 du mélangeur 108, dont la configuration interne est identique à celle du mélangeur 8 et comprend en particulier les trois chambres successives 12, 14 et 15 desquelles les gaz sortent par des orifices en nombre croissant. SP 11862 JCI Les troisièmes orifices 18 aboutissent dans l'autre des parties du volume contenant le mélangeur 108, devant un des murets 7 d'une des chambres 6 d'ajustement thermique. Dans cette conception, la chambre 6 est traversée d'un muret 7 à l'autre par un écoulement rectiligne longitudinal des gaz, et elle n'est pas fermée par le mélangeur 108, mais par une cloison cylindrique 123 d'un troisième capotage 124 vissé à la bordure 120 du premier capotage 113. L'étanchéité entre les murets 7 et la cloison cylindrique 123 est assurée par des joints 125 métalliques toriques à section ouverte, qui possèdent une bonne élasticité même à des températures élevées. Des capotages adjacents peuvent être disposés entre le stator 101 et le carter extérieur 10 pour guider les gaz d'ajustement de jeu vers la seconde chambre 106; leur forme dépend des autres aménagements qu'on y trouve. La seconde chambre 106 peut en particulier être fermée par un capotage 126 analogue à la cloison cylindrique 123 et qui contribue à écraser d'autres joints 125 avec les murets 7. La figure 7 illustre une autre réalisation, qui concerne cette fois plus particulièrement les murets des chambres, désormais désignés par la référence 207: ces nouveaux murets sont évidés d'une gorge 208 annulaire, de sorte qu'ils sont divisés en deux peaux minces 209 et 210 qui se recouvrent. De plus, les orifices, respectivement 211 et 212, qui traversent chacune de ces peaux 209 et 210 ne sont pas en prolongement, ce qui oblige les gaz à un trajet en chicane qui prolonge leur séjour dans la gorge 208 et améliore l'échange de chaleur avec les murets 207 et, indirectement, avec l'anneau 3. Les autres dispositions de l'invention sont inchangées. SP 11862 JCI On notera aussi, dans un ordre d'idée analogue, que les orifices traversant les murets 107 et 207 peuvent être inclinés dans le sens de la circonférence, pour donner à l'écoulement des gaz une composante hélicoïdale qui prolonge leur séjour dans la chambre 6 ou 106 et améliore donc encore l'échange de chaleur. Une dernière réalisation remarquable est représenté à la figure 8. On retrouve un carter extérieur 10 auxquels aboutissent des conduits d'alimentation 111, ainsi qu'un anneau 3 (unique) dans un stator 301 et un mélangeur 308 dans le volume intermédiaire. Ce mélangeur 308 est formé de capotages comme dans la réalisation précédente, mais ici l'écoulement de gaz à travers le mélangeur 308 n'est pas sensiblement axial mais reste globalement centripète. En effet, le mélangeur 308 est formé d'un capotage qu'on pourrait appeler feuilleté, formé de trois couches 309, 310 et 311 successives du carter extérieur 10 au stator 301, couches qui se rejoignent aux extrémités pour isoler deux chambres 312 et 313 que le gaz traverse successivement. Comme précédemment les couches 309, 310 et 311 sont percées d'orifice 324, 325 et 326 deux fois plus nombreux à chacune, c'est-à-dire respectivement au nombre de huit, seize et trente-deux. Les chambres 312 et 313 concentriques ont une forme assez aplatie longitudinalement qui rend utile, pour que l'uniformisation de l'écoulement se produise, un trajet allongé que produit une disposition en chicane des orifices: les orifices 324 et 326 des couches extrêmes 309 et 311 sont situés vers l'aval de la machine, alors que les orifices 325 de la couche intermédiaire 310 sont situées vers l'amont. Le capotage feuilleté est terminé par une première bordure 315, vissée au carter extérieur 10, et par une bordure SP 11862 JCI opposée prenant la forme d'une cornière 316 recevant un joint métallique torique à section ouverte 317 pressé contre une bande circulaire opposée du carter extérieur 10. Cette disposition permet ici encore que l'air originaire des conduits 11 soit contraint à passer par le mélangeur 308 pour atteindre la chambre d'ajustement thermique 6. Dans cette réalisation, on peut considérer que le volume entre le carter extérieur 10 et le stator 301 hors des capotages 309 à 311 forme deux chambres extrêmes 327 et 328 qui appartiennent aussi au mélangeur 308, puisque l'uniformisation de l'écoulement y est aussi produite. On dispose encore des capotages 318 et 319, globalement de direction transversale, pour isoler la chambre 6 délimitée par l'anneau 3; ces capotages 318 et 319 remplacent les murets des solutions précédentes; ils sont vissés par une extrémité au carter extérieur 10 et par l'autre entre les brides de raccordement 320 d'éléments adjacents du stator 301. Ces brides de raccordement 320 laissent en effet une gorge 321 entre elles dans le milieu de laquelle on introduit une lunule 322 d'extrémité du capotage supplémentaire 318 ou 319 respectif, ce qui ne laisse au gaz d'autre possibilité que d'entrer dans la gorge 321 et d'aller jusqu'au fond d'elle avant d'en sortir, en contournant la lunule 322 par un mouvement en épingle à cheveux. L'avantage atteint par cette disposition est ici encore que l'échange de chaleur est facilité, cette fois par une conduction des brides de raccordement 320 à l'anneau 3. SP 11862 JCI REVENDICATIONS 1. Dispositif de soufflage de gaz à l'intérieur d'une turbomachine, s'étendant jusqu'à un anneau de stator, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de chambres (12, 14, 15, 312, 313) en succession ayant des sections droites analogues et délimitées par des cloisons (16, 17, 309, 310, 311) percées d'orifices (11, 16, 17, 18, 111, 324, 325, 326) toujours plus nombreux d'une cloison à l'autre vers l'anneau de stator, les cloisons comprenant des cloisons de séparation entre chambres qui sont sensiblement parallèles entre elles. 2. Dispositif de soufflage de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les nombres d'orifices sont en progression géométrique d'une cloison à l'autre. 3. Dispositif de soufflage de gaz selon la revendication 2, caractérisé en ce que les orifices sont deux fois plus nombreux d'une cloison à l'autre. 4. Dispositif de soufflage de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les chambres (12, 14, 15) sont annulaires et séparées par des cloisons transversales dans la turbomachine et en couronne. 5. Dispositif de soufflage de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les chambres (327, 312, 313, 328) sont sensiblement annulaires et séparées par des cloisons (309, 310, 311) sensiblement cylindriques et concentriques. 6. Dispositif de soufflage de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre d'ajustement thermique (6), délimitée par l'anneau (3), une desdites cloisons et des murets parallèles (7) joints à l'anneau et SP 11862 JCI s'étendant jusqu'à cette cloison, les murets étant percés d'orifices (20) d'évacuation. 7. Dispositif de soufflage de gaz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anneau (3) est joint à des murets (207, 320) percés d'orifices sinueux (208, 211, 212, 321) par lesquels le gaz traverse les murets. 8. Dispositif de soufflage de gaz selon la revendication 7, caractérisé en ce que les murets sont formés de deux peaux parallèles (209, 210, 320) séparées par une gorge (208, 321). 9. Dispositif de soufflage de gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les chambres et les cloisons sont formées de capotages assemblés. 10. Dispositif de soufflage de gaz selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce que des portions (322) des capotages sont engagées dans au moins certaines des gorges (321). SP 11862 JCI