Brevet FR2747736A1 — publié le 19971024

La présente invention se rapporte aux moteurs à turbine à gaz et plus particulièrement, aux moteurs comportant un rotor de tur- bine du type non enveloppé. Il est bien connu que, pour permettre à une turbine du type non enveloppé de fonctionner avec un bon rendement, le jeu entre les bouts des ailettes de turbine et la structure d'anneau d'enveloppe adjacente doit être maintenu dans des limites rigou- reusement définies. Les difficultés que présente le maintien de tels jeux sont bien connues depuis de nombreuses années et le problème s'est en fait aggravé avec l'augmentation à la fois de la taille et de la température de fonctionnement des moteurs à turbine à gaz. L'un des principaux facteurs qui doit être pris en considé- ration lors de la conception d'un agencement satisfaisant réside dans l'adaptation des diamètres respectifs du carter et de la turbine aux diverses températures et vitesses rencontrées durant le cycle de fonctionnement du moteur. Il faut également tenir compte de la différence des coefficients de dilatation des matériaux mis en oeuvre conjointement avec les contraintes différentes imposées à ceux-ci ainsi que leurs différentes vitesses de réponse thermique. Il est aussi à considérer que, en plus de viser à maintenir le jeu radial le plus petit possible entre les éléments respectifs, la conception doit être à même d'éliminer l'apparition de toute interférence entre les différents composants durant les différents cycles de fonctionnement auxquels le moteur est soumis. De nombreuses conceptions différentes ont été développees dans le passé pour écarter les problèmes mentionnés ci-dessus. Dans un grand nombre de conceptions, la structure de l'anneau d'enveloppe a été rendue mobile radialement en vue de maintenir le jeu des bouts d'ailettes de turbine. Un tel déplacement peut être engendré par des moyens mécaniques, électriques ou pneumatiques, conçus pour fonctionner en réponse à des capteurs disposés pour surveiller et relever le jeu des bouts d'ailettes de turbine. Des systèmes d'un type différent ont été également imaginés dans lesquels la structure de l'anneau d'enveloppe est commandée en conformité avec l'expansion et la contraction thermique d'un anneau de commande. Tous les dispositifs que l'on vient de mentionner souffrent cependant d'inconvénients: ils se sont révélés soit être instables, soit présenter une réponse insuffisamment rapide. Par ailleurs, ils n'ont pas été en mesure de maintenir un jeu adéquat entre tous les éléments du rotor de turbine, c'est-à-dire que l'anneau d'enveloppe n'est pas resté circulaire. La présente invention a pour but de créer un dispositif de commande du jeu radial au bout des ailettes d'une turbine à gaz qui élimine sensiblement les problèmes mentionnés précédemment. Selon la présente invention, un dispositif de commande du jeu radial entre les bouts des ailettes d'un rotor de moteur à turbine à gaz et une pluralité de segments d'enveloppe associés, comprend un anneau de commande creux comportant, situés dans son intérieur creux, une pluralité de segments creux qui sont conçus pour être alimentés avec un courant de fluide, un chemin conduc- teur de la chaleur entre la pluralité de segments creux et l'anneau de commande permettant au fluide de commander la température de l'anneau, le fluide servant à commander le diamètre de l'anneau de commande par variation de sa température, de sorte que le déplacement radial de l'anneau de commande creux et des segments d'enveloppe associés peut être maintenu sensible- ment égal à celui des bouts des ailettes durant au moins une partie du cycle du moteur. Une pluralité de capteurs, qui relèvent le jeu des bouts d'ailettes peuvent être prévus au voisinage des segments d'enve- loppe, et les capteurs sont conçus pour indiquer les variations dudit jeu de telle manière que le débit du fluide dans les segments creux puisse être ajusté à l'aide d'une vanne ou d'un moyen analogue pour déplacer l'anneau de commande et les segments d'enveloppe associés. En variante, le débit du fluide dans les segments creux peut être modifié en conformité avec le mouvement du volet de commande des gaz du moteur ou avec d'autres paramètres du moteur. Le fluide fourni à l'anneau de commande peut comprendre une certaine quantité d'air en provenance de la section de compression à haute pression du moteur. De preférence, chacun de la pluralité de segments creux est perforé de manière que le fluide frappe la paroi intérieure de l'anneau de commande creux afin d'ajuster la température de celui-ci. En outre, chacun de la pluralité des segments creux est pourvu de deux entrées de fluide, chaque groupe d'entrées de fluide adjacentes dans des segments adjacents étant conçu pour être alimenté en fluide à partir d'une source d'alimentation commune. Chaque source d'alimentation commune est pourvue d'une vanne ou d'un moyen analogue tel que le débit de fluide puisse être commandé en fonction du jeu des bouts d'ailettes relevé au voisinage des segments creux qui sont alimentés par la source d'alimentation. De préférence, le rotor à ailettes comprend un rotor de turbine à haute pression de moteur à turbine à gaz. En vue d'une meilleure compréhension de l'objet de l'invention, une forme d'exécution de celle-ci va maintenant être plus particu- lièrement décrite, à titre d'exemple seulement et en référence aux dessins d'accompagnement, dans lesquels: - La Figure i représente une vue latérale schématique d'un moteur à turbine à gaz mettant en oeuvre un dispositif selon la présente invention, lequel est indiqué dans cette figure d'une manière schématique. - La Figure 2 représente une vue en coupe transversale plus détaillée prise suivant la ligne 2-2 de la Figure 3. - La Figure 3 représente une vue schématique encore agrandie, prise suivant la direction de la flèche A de la Figure 1. Suivant la Figure 1 des dessins, un moteur à turbine à gaz, désigné dans son ensemble par la référence 10, comprend en série dans la direction d'écoulement, une soufflante 12, un compresseur à moyenne pression 13, un compresseur à haute pression 14, un équipement de combustion 15, une turbine à haute pression 16, une turbine à moyenne pression 17 et une turbine à basse pression 18, le moteur se terminant par une tuyère de sortie 19. Le système rotatif à basse pression, le système rotatif à moyenne pression et le système rotatif à haute pression sont respectivement montés chacun sur les arbres principaux du moteur à basse, moyenne et haute pression 20, 21, 22, chacun d'eux tournant dans des paliers supports. Un dispositif selon la présente invention est indiqué schématiquement en 23, en une position située radialement à l'extérieur de la turbine à haute pression 16. Le dispositif indiqué schématiquement à la Figure 1 est représenté en détail à la Figure 2. Il comprend un anneau de commande creux 24 qui est relié, au moyen d'un élément 25 relati- vement flexible s'étendant axialement, à la partie 26 du carter principal du moteur. On observera que l'usage d'un tel mode de montage assure que l'anneau de commande 24 est relativement non affecté soit par un déplacement, soit par un changement de température de la partie 26 du carter, étant en partie mécaniquement isolé de celui-ci. La portion radialement la plus interne de l'anneau de commande porte les segments porteurs d'enveloppe qui servent à porter les segments d'enveloppe dont l'un est représenté en 27. Les segments d'enveloppe 27 sont disposés au voisinage des bouts des ailettes de turbine, l'un d'entre eux étant représenté en 28, et définissent un jeu d'étanchéité dans l'intervalle. Les segments porteurs d'enveloppe, dont l'un deux est représenté en 27a, servent à isoler l'anneau de commande 24 des gaz de turbine chauds. L'anneau de commande et la structure associée sont baignés par un courant continu d'air relativement froid issu de la section de compression du moteur. A l'intérieur de l'anneau de commande creux 24 est disposée une pluralité de segments creux, dont l'un est représenté en 29. Les segments 29 sont dimensionnés de manière à définir un intervalle entre leur propre surface extérieure et la surface de l'intérieur creux de l'anneau de commande 24. Les segments 29 sont positionnés à l'intérieur de l'anneau de commande creux 24 au moyen de saillies 31, 32 etc... formées sur leur face extérieure. La Figure 3 des dessins montre d'autres détails des segments creux, etc.. .; toutefois, pour des raisons de clarté, l'anneau de commande 24 a été omis de cette figure. Deux tubes d'alimentation en fluide 33 sont disposés de manière à communiquer avec chacun des segments creux. Les tubes de chaque paire de ces tubes d'alimentation en fluide sont agencés pour être en communication avec une source d'alimentation commune en fluide 34 dont chacune est alimentée en air sous haute pression à partir de la section de compression à haute pression 14 du moteur. Le débit de chaque source d'alimentation en fluide 34 peut être ajusté individuellement par une vanne ou un moyen analogue non visible sur les dessins. Entre les extrémités adjacentes de chaque paire de segments creux 29 contigus sont prévus des capteurs 35 qui passent à travers des ouvertures pratiquées dans l'anneau de commande 24. Les capteurs sont agencés pour relever le jeu d'étanchéité entre les ailettes de turbine 28 et les segments d'enveloppe 27 adjacents. Les capteurs 35 peuvent comprendre des dispositifs électriques, optiques ou pneumatiques, conçus pour délivrer un signal électrique lorsqu'apparait une variation de la valeur du jeu des bouts d'ailettes. Les signaux électriques peuvent donc être utilisés pour ajuster la vanne commandant le débit de fluide dans les éléments 34, de telle manière que les débits puissent être modifiés en conformité avec les différentes conditions de jeu des ailettes afin de faire varier les dimensions de l'anneau de commande 24 et par suite de déplacer les segments d'enveloppe 27. En variante, le débit de fluide dans l'anneau de commande 24 peut être modifié à l'aide de moyens de commande conçus pour réagir en conformité avec les réglages du volet des gaz du moteur; Cependant, il est considéré qu'il peut être nécessaire aussi de prévoir les capteurs 35 de jeu de bouts d'ailettes afin d'assurer un jeu adéquat dans toutes les conditions de fonctionnement. Ainsi qu'il a été précédemment indiqué, durant le cycle de fonctionnement d'un moteur à turbine à gaz, les composants de celui-ci sont soumis à des variations à la fois de température et de contrainte mécanique, ces deux types de variations modifiant le jeu entre les ailettes de turbine 28 et les segments d'enveloppe 27 adjacents. Cependant, il apparait que, par une commande précise du degré d'expansion ou de contraction auquel l'anneau de commande 24 est soumis, il est possible de maintenir ledit jeu dans des limites raisonnables durant les périodes critiques du cycle du moteur. Le moteur est évidemment conçu de manière que les jeux des bouts d'ailettes soient à leur valeur minimale lorsqu'il est en régime de croisière. Cependant, il est important aussi que le moteur tourne avec un rendement aussi bon que possible, en particulier durant les périodes de "décollage" et de "montée". Lors des périodes de "démarrage" et les périodes "d'inactivité au sol" subséquentes, les ailettes de turbine s'allongent en raison à la fois de la dilatation thermique et de la force centrifuge, et cela tend à réduire les jeux radiaux entre les bouts d'ailettes 28 et les segments d'enveloppe 27; Cependant, il peut être tenu compte d'une manière simple d'une telle réduction du jeu dans la conception du moteur par un dimensionnement approprié des parties en relation et par une sélection de matériaux compatibles, étant donné qu'il est relativement sans importance qu'il y ait des jeux assez grands lorsque le moteur est froid et stationnaire. Diverses variations du diamètre des ailettes de turbine apparaissent également durant d'autres phases du fonctionnement du moteur, tel que durant l'accélération jusqu'à la puissance de "décollage", l'accélération entre la période de "croisière" et la période de "montée" et, à l'atterrissage, entre la période d' "approche" et la période d' "inversion de poussée". Durant ces phases, les segments d'enveloppe 27 et le carter du moteur subissent une certaine expansion due aux effets thermiques et à la pression. Cependant, cette expansion n'apparait pas comme étant suffisante pour maintenir un jeu adéquat aux bouts des ailettes en l'absence du dispositif annulaire de commande. Une harmonisation des taux de croissance respectifs des segments d'enveloppe 27 de la turbine et des ailettes 28 de la turbine, de manière à maintenir un jeu acceptable durant les périodes de "décollage" et de "montée" du cycle du moteur est réalisée.en harmonisant le taux d'expansion de l'anneau de commande 24 et celui de la structure du disque et des ailettes du rotor de la turbine. Une telle harmonisation est réalisée en fournissant de l'air pressurisé relativement chaud issu du compresseur à haute pression 14 via les sources d'alimentation 34 de manière que cet air passe dans les segments creux 29 et à travers les perforations 36 pour frapper la paroi interne de l'anneau de commande creux 24, en sortede le faire s'expanser sensiblement au même taux que la turbine 28 et son disque associé, etc...; le jeu aux bouts des ailettes demeure par conséquent sensiblement constant en vertu du fait que les segments d'enveloppe 27 se déplacent en conformité avec l'anneau de commande 34. Lorsque le moteur prend finalement son régime de croisière, le débit d'air à travers les conduits 33 peut être notablement réduit et il est considéré que certaines sources d'alimentation 34 peuvent être complètement fermées. On observera que, durant le fonctionnement du moteur, chaque capteur de jeu 35 relève constamment le jeu des bouts des ailettes dans son voisinage immédiat et, au moyen d'un système de commande non représenté sur les dessins, requiert un constant ajustement du débit de fluide à travers les conduits 33 pour maintenir sensiblement constant le jeu précité. En faisant varier les débits de fluide à travers les différentes paires de conduits 33, il est ainsi possible de déplacer une portion de l'anneau de commande 24. Cela peut présenter des avantages particuliers du fait que, dans certaines conditions de fonctionnement, de légères excentricités de la turbine par rapport au carter ou une ovalisation peuvent apparaître. Evidemment, ce problème est sensiblement écarté par l'usage du dispositif selon la présente invention. On observera que cet exposé ne donne pas de description complète ni des systèmes de commande nécessaires, ni des capteurs de jeu; Cependant, de tels dispositifs sont aisément disponibles, et leur réalisation ne dépasse d'ailleurs pas les possibilités de l'homme de l'art. 9 2747736 Revendications: 1.- Dispositif de commande du jeu radial entre les bouts des ailettes (28) d'un rotor de moteur à turbine à gaz (10) et une pluralité de segments d'enveloppe associés (27), comprenant un anneau de commande creux (24) comportant, situés dans son intérieur creux, une pluralité de segments creux (29) qui sont conçus pour être alimentés avec un courant de fluide, un chemin conducteur (30) de la chaleur entre la pluralité de segments creux (29) et l'anneau de commande (24) permettant au fluide de commander la température de l'anneau, le fluide servant à commander le diamètre de l'anneau de commande par variation de sa température, de sorte que le déplacement radial de l'anneau de commande creux (24) et ses segments d'enveloppe associés (27) peut être maintenu sensiblement égal à celui des bouts des ailettes (28) durant au moins une partie du cycle du moteur. 2.Dispositif selon la revendication 1, dans lequel une pluralité de capteurs (35), qui relèvent le jeu des bouts d'ailettes (28), sont prévus au voisinage des segments d'enveloppe (28), et les capteurs (35) sont conçus pour indiquer les variations dudit jeu de telle manière que le débit de fluide dans les segments creux (29) puisse être ajusté à l'aide d'une vanne ou d'un moyen analogue pour déplacer l'anneau de commande et les segments d'enveloppe associés. 3.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le débit de fluide dans les segments creux (29) est modifié en conformité avec le mouvement du volet de commande des gaz du moteur ou avec d'autres paramètres du moteur. 4.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le fluide fourni à l'anneau de commande (24) comprend une certaine quantité d'air en provenance de la section de compression à haute pression du moteur (14). .10 2747736 5.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la pluralité de segments creux (29) sont perforés (36) de manière que le fluide frappe la paroi intérieure de l'anneau de commande creux (24) afin d'ajuster la température de celui-ci. 6.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chacun de la pluralité de segments creux (29) est pourvu de deux entrées de fluide (33), chaque groupe d'entrées de fluide adjacentes dans des segments adjacents étant conçu pour être alimenté en fluide à partir d'une source d'alimentation commune (34). 7.- Dispositif selon la revendication 6, dans lequel chaque source d'alimentation commune (34) est pourvue d'une vanne ou d'un moyen analogue tel que le débit de fluide puisse être commandé en fonction du jeu des bouts d'ailettes (28) relevé au voisinage des segments creux (24) qui sont alimentés par la source d'alimentation commune (34). 8.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le rotor à ailettes comprend un rotor de turbine à haute pression de moteur à turbine à gaz.