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CARTER DE STATOR DE TURBOMACHINE
DESCRIPTION
I1 sera ici traité d'un carter de stator de
turbomachine.
Outre une peau extérieure constituant
l'enveloppe du stator, une telle pièce comprend des
pièces de support, généralement courbées en crochets,
pour soutenir des anneaux porteurs d'étages d'aubes
fïxes. Ces crochets prolongent la structure du carter
jusque près de la veine des gaz et sont donc soumis à
des échauffements beaucoup plus importants que
l'enveloppe. La situation défavorable des crochets
oblige à prendre des précautions particulières pour les
protéger des échauffements, au prix d'une grande
complication de la structure de la machine à cet
endroit et sans qu'un succès complet soit obtenu, les
crochets pouvant tout de même exiger des rêparations
précoces.
L'invention est relative à un carter
amélioré, à la fois moins coûteux, plus facile à
construire, plus durable, à la structure plutôt
simplifiée et qui demande moins de protection contre la
chaleur.
Sous sa forme la plus générale, il s'agit
d'un carter de stator comprenant une enveloppe et des
pièces de support d'anneaux sur une face interne de
l'enveloppe, les pièces de support étant distinctes de
l'enveloppe, unies à l'enveloppe par des moyens
d'assemblage et ne s'étendant que sur des secteurs de
cercle, caractérisé en ce que les piêces de support
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comprennent des crochets munis des rainures opposées de
soutien d'au moins deux des anneaux, les anneaux étant
composés d'anneaux d'étanchéité alternant avec des
anneaux de stator porteurs d'aubes fixes, les anneaux
de stator étant unis aux pièces de support par des
portions s'étendant sur leur côté extérieur
radialement. Il ressort de cette définition que le
carter à structure continue est délaissé et que les
pièces de support deviennent rapportées à l'enveloppe.
Les avantages de cette construction peuvent
être discernés comme suite . les pièces de support des
anneaux, étant rapportées sur le carter, peuvent être
fabriquées séparément à moindres frais, remplacées à
volonté et faites d'un autre matériau que le carter ;
certaines de ces pièces au moins (qu'on appelle les
crochets) soutiennent à la fois un anneau de statôr et
un anneau d'étanchéité adjacent, permettant ainsi
l'accrochage direct de tous les anneaux au carter, ce
qui améliore la précision et la stabilité du montage ;
enfin, l'accrochage des anneaux de stator par des
portions radialement extérieures permet de reculer les
crochets de la veine des gai et donc de réduire leur
échauffement et celui qu'ils communiquent au carter.
Le document GB 2 115 487 A décrit un
dispositif aux pièces de support rapportées sur un
carter, mais ces pièces ne soutiennent que les anneaux
d'étanchéité . les anneaux de stator sont imbriqués
dans les anneaux d'étanchéité et soutenus par eux ; ce
montage présente le désavantage d'être peu rigide en
l'absence de support des anneaux de stator (soumis à
des charges aérodynamiques importantes) par le carter
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et plus sujet aux dilatations thermiques puisque les
pièces de support, de même que les anneaux d'étanchéité
qui soutiennent les anneaux de stator, s'étendent
jusqu'à la veine de gaz ou près d'elle.
L'invention sera décrite plus abondamment
en liaison aux figures ci-dessous . la figure 1
illustre une conception de l'art antérieur, les figures
2 et 3 représentent deux modes de réalisation possibles
de l'invention, et la figure 4 est une vue en
perspective du premier de ces modes.
Le stator d'un genre connu de la figure 1
est muni d'un carter 1 composé d'une enveloppe 2
extérieure et de crochets dont on peut trouver
essentiellement deux genres . des crochets plats 3 et
des crochets à talon 4 alternant le long de l'axe de la
machine. Tous les crochets 3 et 4 sont circulairés et
raccordés à l'enveloppe 2 par une aile 5 sans
discontinuité de structure. Ils portent des anneaux de
stator 6 et des anneaux d'étanchéité 7 alternant qui
forment ensemble une doublure du carter en l'isolant
d'une veine 8 d'écoulement des gaz de la machine. Ces
anneaux 6 et 7 sont composés de secteurs d'anneau
juxtaposés et joints par des languettes d'étanchéité
logées dans des rainures en regard des secteurs
adjacents.
Les anneaux de stator 6 portent des aubes
fixes et comprennent une plaque de base 10 munie de
crochets 11 et 12 â l'âvant et à l'arrière du côté
extérieur. Les anneaux d'étanchéité 7 portent des
garnitures 13 de matiêre abradable s'étendant devant
les extrémités d'aubes mobiles 14 et comprennent une
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plaque de base 15 finissant à l'avant en un crochet
extérieur 16 et un crochet intérieur 17. Ces crochets
16 et 17 sont disposés de façon à encadrer le talon 18
des crochets 4 tout en retenant les crochets arrière 12
des anneaux de stator 6 sur lesdits crochets 4. Les
plaques de base 15 des anneaux d'étanchéité 7
s'appuient à l'arrière sur les crochets simples 3, et
cet assemblage est encadré par la plaque de base 10 et
les crochets antérieurs 11 des anneaux de stator 6.
L'assemblage ainsi obtenu est rigide mais
compliqué ; il permet de couvrir les crochets 3 et 4
par les extrémités des anneaux 6 et 7, sans les exposer
directement à la température élevée des gaz de la veine
8. Mais cette protection n'est pas suffisante, d'autant
moins que des fuites de gaz chauds vers le carter 1
restent. possibles malgré les joints d'étanchéité qu'on
peut prévoir, notamment entre les secteurs angulaires
des anneaux 6 et 7 . on doit en pratique rafraîchir le
carter 1 par un écoulement d'air frais de ventilation
soutiré d'une autre partie de la machine et qui est
soufflé dans les chambres délimitêes par l'enveloppe 2,
les crochets 3 et 4 et les anneaux 6 et 7.
Le carter 21 de la f figure 2 comprend comme
précédemment une enveloppe 22 extérieure et des
crochets 23 et 24 de genres différents alternant le
long de la machine et qui servent encore à soutenir des
anneaux de stator 26 et d'êtanchéité 27 alternant eux
aussi ; mais les crochets 23 et 24 présentent les
particularités (on se reporte aussi à la figure 4) de
ne s'étendre que sur des secteurs de cercle, mais
d'êtré répartis en rangées circulaires, et de
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comprendre chacun des tenons 28 traversant des
mortaises 29 respectives de l'enveloppe 22. La fixation
des crochets 23 et 24 à l'enveloppe 22 est faite par
frettage, soudage ou boulonnage.
5 Comme l'enveloppe 22 et les crochets 23 et
24 sont des pièces séparées, il devient possible de les
construire en matières différentes . les crochets 23 et
24 seront ainsi en alliages résistant bien à
l'échauffement (et éventuellement différents selon
l'emplacement du crochet considéré et la température
environnante), ce qui était exclu auparavant ; et
l'envelôppe 22 sera en un alliage plus ordinaire, moins
coûteux et plus facile à façonner. I1 est à noter que
la facilité de fabrication plus grande offerte par les
fabrications séparées de l'enveloppe 22 et des crochets
23 et 24 est une autre source d'économie..
Si les crochets 23 sont des crochets
simples analogues aux crochets 3, les crochets 24 sont
différents des crochets à talon 4 et comprennent ici
une paire de rainures 30 et 31 celui des opposées ; le
concept des anneaux de stator 26 est analogue aux
anneaux 6 précédents, ainsi que celui des anneaux
d'étanchéité 27. Les crochets 24 qui remplacent les
crochets 4 sont désormais exposés aux gaz de la veine
8, mais cela n'est pas dommageable maintenant qu'on a
la faculté de les construire en un matêriau
suffisamment résistant à la chaleur, tel que le M509
(KC24NWTZ) pour une température supérieure à 900°C ou
le RENE77 (NK15CADT) pour une température inférieure.
On remarquera aussi que dans cette
conception, les anneaux d'étanchéité 27 sont en retrait
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par rapport aux anneaux de stator 26, c'est-à-dire
qu'ils ne les prolongent pas mais sont proches de
l'enveloppe extérieure 22 . ils ne servent plus à
délimiter le pourtour de la veine d'écoulement des gaz
et portent simplement une couche de matière abradable
35 qui forme un joint d'étanchéité avec des crêtes
circulaires fléchettes) 36 disposées à l'extérieur
d'anneaux périphériques 37 qui entourent les aubes
mobiles 14. Les anneaux périphériques 37 prolongent les
anneaux de stator 26, et ce sont donc eux qui
délimitent vraiment la veine d'écoulement des gaz, de
façon avantageuse puisque sa section varie de façon
beaucoup plus continue que dans la conception de la
figure 1. Cet effet peut être attribué à la
dénivellation radiale existant entre les rainures 30 et
31 des crochets 24. Une bonne continuité de la veine
était aussi réalisée dans la conception où les anneaux
de stator et d'étanchéité étaient imbriqûés es uns
dans les autres, mais le montage était plus compliqué
et les aubes mobiles étaient dêpourvues d'un anneau
périphérique qui contribue beaucoup à leur cohésion.
L'enveloppe extérieure 22 peut être
protégée par une doublure comprenant une peau interne
33 et un calorifugeage 34 entre la peau interne 33 et
l' enveloppe 22 . La peau interne 33 et le calorifugeage
34 peuvent être facilement installés en y opérant des
évidements permettant aux crochets 23 et 24 de les
traverser. Comme les crochets 23 et 24 ne forment pas
des cercles continus, la peau interne 33 et le
calorifugeage 34 restent d'un seul tenant et peuvent
donc être installés facilement et maintenus sans
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précautions particulières même si la peau interne 33
est une feuille métallique assez souple . on peut par
exemple l'appuyer sur les anneaux d'étanchéité 27.
Le calorifugeage 34 offre une protection
passive contre la chaleur qui ne contribue nullement à
rafraîchir les crochets 23 et 24, contrairement à un
système de ventilation ; mais des crochets en matière
plus réfractaire n'ont souvent plus besoin d'être
rafraîchis, alors que le calorifugeage 34 peut être
aisément modelé êtroitement autour des crochets 23 et
24, ce qui supprime les fuites de gaz chauds vers
l'enveloppe 22 ; il offre l'avantage supplémentaire de
s'étendre, comme la peau interne 33, devant les
jonctions des secteurs des anneaux 26 et 27 et de
suppléer aux joints d'étanchéité installës là et dont
on pourra donc désormais se passer . les secteurs des
anneaux 26 et 27 seront alors juxtaposés avec des jeux,
leurs bords étant simples, dépourvus de rainures ou
d'autres moyens de logement de joints intermédiaires,
et les fuites des gaz de la veine seront tolérées
jusqu'à la peau interne 33.
On aura compris que le calorifugeage 34 est
un moyen préféré de protection de l'enveloppe 22 ; il
n'est pas incompatible avec un refraîchissement réduit
des crochets 23 et 24 (par un système dont on parlera
plus loin), mais on pourra revenir â une ventilation
active s'il est insuffisant . la peau interne 33
subsistera pour arrêter les fuites de gaz chauds et
canaliser l'air de ventilation dans l'intervalle
désormais vide entre elle et l'enveloppe 22.
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La conception du carter 39 de la figure 3
diffère sensiblement de la précédente en ce que les
crochets de deux genres sont remplacés par des crochets
40 d'un genre unique dont chacun comprend une extrémité
élargie en queue d'aronde ou en té pour soutenir un
anneau de stator 41 respectif qui est muni sur son côté
extérieur de deux crochets 42 et 43 tournés l'un vers
l'autre et qui s'engagent sur les élargissements de
l'extrémité des crochets 40. Cela implique que les
crochets 40 et les anneaux de stator 41 sont situés aux
mêmes coupes transversales de la machine et que chaque
anneau de stator 41 est soutenu par une seule rangée de
crochets 40 ; cette solution comporte deux fois moins
de crochets que les précédentes, et les anneaux
d'étanchéité 7 et 27 sont remplacés par des anneaux
d'étanchéité 44 plus larges, aux plaques de bâse 45
dépourvues de crochets et dont les extrémités pénètrent
dans des rainures 46 des crochets 40. Comme dans le
mode de réalisation précédent, les crochets 40 sont
munis de paires de tenons 47 traversant des mortaises
48 correspondantes d'une enveloppe 49 extérieure du
carter 39. On peut encore installer une peau interne 50
munie d'un calorifugeage 51 pour isoler l'enveloppe 49.
Une fonction à satisfaire très souvent dans.
les turbomachines est un pilotage de jeux radiaux afin
d'améliorer le rendement de la machine à de certains
régimes. On y parvient, comme dans des conceptions
connues, par des dispositifs de soufflage d'air qui
consistent en des rampes annulaires perforées 52
entourant le carter 39, et disposées au mieux devant
ses parties les plus massives, ici formées par les
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rangées de crochets 40. Les rampes 52 sont alimentées
par un distributeur 53 qui se divise vers chacune
d'elles, et l'air de soufflage sort des rampes 52 à
travers des perçages 54 orientés vers les tenons 47 des
crochets 40. Le rafraîchissement plus ou moins
énergique opéré sur le carter 39 permet d'ajuster sa
température et sa dilatation correspondante, et donc
les jeux entre les bouts des aubes et les dispositifs
d'étanchéité comprenant notamment les anneaux 44. Une
tôle 55 entourant le carter 39 peut être ajoutée pour
canaliser l'air de soufflage vers un exutoire ; si elle
couvre complètement les rampes 52, l'aspect du
dispositif est amélioré.
Ce dispositif, conçu avant tout pour
piloter des jeux, présente la faculté d'être aussi
utilisable pour ventiler directement des crochets 40
grâce au soufflage sur les tenons 47, ainsi que
l'enveloppe 49 en glissant sur elle ; dans ce mode de
réalisation particulier, il ne nécessite qu'un nombre
réduit de rampes 52 grâce à la diminution du nombre des
rangées de crochets. Un dispositif analogue pourrait
équiper la réalisation de la figure 2.
