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CA 02209297 1997-06-23
DISPOSITIF DE SOUFFLAGE DE GA~ DE REGLAGE 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'où 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
plusleurs points de la machine, et les canaux
correspondants sont successivement ouverts pour obtenir
une déformation de la valeur voulue. Les brevets
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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.
~e 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'oriflces 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
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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 i ou encore, elles peuvent être
sensiblement annulaires mais séparées par des cloisons
cylindriques et concentriques : elles sont alors
disposées en cylindres concentriques.
Les orifices entre chambres peuvent être
remplacés par des conduits de liaison si les chambres
ne sont pas contiguës. Cette conception s'applique en
particulier à des dispositifs allongés où les chambres
font face à des portions différentes à ventiler de
l'anneau et sont percées d'orifices de soufflage vers
ces portions. L'intérêt de disposer des conduits
toujours plus nombreux entre des paires de chambres
successives en direction de l'écoulement du gaz de
ventilation subsiste, mais la réalisation idoine de
l'invention peut être mise en oeuvre de facon un peu
différente des réalisations précédemment exposées. Il
n'est ainsi plus nécessaire que les chambres aient la
même section droite si le gaz fuit peu à peu par les
orifices qui les percent : il est au contraire
favorable que leurs sections droites décroissent d'une
chambre à l'autre pour maintenir une vitesse et une
pression à peu près constantes. Mais il convient
toujours que les chambres aient une même étendue,
c'est-à-dire une même extension angulaire dans le cas
normal de chambres annulaires ou en portion d'anneau.
Ces explications étant données, on peut
résumer de telles réalisations de l'invention comme
étant des dispositifs de soufflage de gaz à l'intérieur
d'une turbomachine s'étendant autour d'au moins un
anneau de stator, caractérisés en ce qu'ils comprennent
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une pluralité de chambres disposées parallèlement en
succession, ayant des étendues analogues, des sections
droites décroissantes, et reliées par des conduits
toujours plus nombreux d'une chambre à l'autre dans une
direction d'écoulement de gazj les chambres étant
percées d'orifices donnant sur l'anneau de stator.
Ces particularités de l'invention, ainsi
que d'autres, vont etre 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,
- la figure 8 représente une quatrième réalisation
possible,
- la figure 9 représente une cinquième réalisation
possible,
- la figure 10 est une vue développée sur un demi-tour
du dispositif mélangeur de cette réalisation,
- la figure 11 est une coupe transversale du dispositif
mélangeur,
- les figures 12 et 13 sont des coupes de deux
canalisations de jonction de chambre.
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
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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.
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
10 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.
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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
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'uniformi.sation 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 105 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 lS annulaires et embouties pour se joindxe
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aux extrémités longitudinales et aux cloisons 16 et 17,
sauf aux orifices ; ces toles comprennent des bordures
d'extrémité 24 par lesquelles elles sont vissées aux
toles 9 solidaires des murets 7.
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
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,
mélangeur 8 et comprend en particulier les trois
chambres successives 12, 14 et 15 desquelles les gaz
sortent par des orifices en nombre croissant.
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. ~e
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,
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indirectement, avec l'anneau 3. Les autres dispositions
de l'invention sont inchangées.
On notera aussi, dans un ordre d'idée
anâlogue, 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 autre 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. F.n 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 précéde~ent les
couches 309, 310 et 311 sont percées d'crifice 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 30g 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
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capotage feuilleté est terminé par une première bordure
315, vissée au carter extérieur 10, et par une bordure
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
charnbre 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.
La dernière variante exposée ici conce ne
un dispositif mélangeur dont les chambres sont munies
d'orifices de fuite ~ui ne communiquent pas à une autre
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des chambres. Cette conception est utile pour des
dispositifs mélangeurs de plus grande longueur que les
précédents et dont chacune des chambres est affectée au
refroidissement d'une zone distincte de la machine. Une
telle conception est représentée sur les figures 9 à
13, où le dispositif mélangeur 400 se présente sous
forme d'un anneau entourant une turbine à basse
pression 401 dont il faut refroidir le stator 402. Le
dispositif mélangeur 400 est composé de deux tôles 403
et 404 embouties et unies l'une à l'autre ensuite de
façon à enclore des chambres 405, 406, 407 et 408
circulaires successives et de section polygonale. Ces
chambres sont toutes percées d'orifices 409 sur leur
face radialement interne, qui leur permettent de
souffler du gaz de ventilation sur des nervures 410
érigées sur le stator 402, qui leur font face. Le
dispositif mélangeur 400 est alimenté en gaz par un
conduit d'alimentation 411 au moins : comme le montage
du dispositif mélangeur est plus facile si celui-ci est
construit en deux parties semi-circulaires, on
utilisera deux conduits d'alimentation au total si ces
parties semi-circulaires restent disjointes quand la
machine est montée, et soit deux conduits
d'alimentation soit un seul si ces parties sont
assemblées entre elles par des brides de jonction de
facon que les chambres 405 à 408 s'étendent sur un tour
complet. La construction à parties disjointes est plus
simple mais moins bonne car une partie de la machine
est insuffisamment refroidie aux jonctions entre les
boîtiers des dispositifs de soufflage 400, et des
irrégularités de ventilation et donc de déformation du
stator 402 peuvent apparaître d'une moitié à l'autre du
dispositif 400.
Quoi qu'il en soit, la figure 10 montre que
le principe des réalisations précédentes est conservé :
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s'il existe un seul conduit d'alimentation 411 qui
joint la première chambre 405, on trouve deux conduits
412 joignant les chambres 405 et 406 et quatre conduits
413 joignant les chambres 406 aux chambres 407 et 408,
5 les conduits 413 étant percés d'orifices latéraux 414
en traversant la troisième chambre 407. Cette
conception de raccordement s'applique à une moitié
circulaire du dispositif de soufflage 400 et est
répétée pour l'autre moitié ; d'autres sont possibles,
avec des nombres de chambres et de tuyaux de connexion
différents, selon l'extension angulaire des chambres.
La figure 11 montre le dispositif mélangeur
400 isolé. On voit que les chambres 405 à 408 ont des
sections décroissantes, ce qui se justifie par le débit
de gaz toujours plus faible qui les atteint et les
parcourt ; les figures 12 et 13 montrent que les
conduits 412 sont beaucoup plus larges que lec conduits
413 à cause de leur plus petit nombre et du plus gros
débit qui y passe.
Les conduits 412 et 413 jouent parfaitement
le rôle des orifices faisant communiquer les chambres
des autres réalisations et ne sont nécessaires qu'en
raison de l'écartement des chambres dans cette
réalisation.
La figure 10 représente des cloisons 414 et
415 qui divisent respectivement les deux dernières
chambres 407 et 408 en compartiments dans chacun
desquels débouche un seul des conduits 413. Cette
disposition favorise encore l'égalisation des débits et
du soufflage de ventilation pour chacune des chambres.
Enfin, la figure 11 montre une des brides 416 de
jonction à l'autre moitié semi-circulaire du dispositif
mélangeur 400.
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