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WO 01/51771 PCT/FR01/00101
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AGENCEMENT DE RÉGLAGE DE DIAMETRE D'UN STATOR DE
TURBINE A GAZ
DESCRIPTION
Le domaine de cette invention est un
agencement de réglage de diamètre d'un stator de
turbine à gaz.
Certaines turbines à gaz comprennent de nos
jours des dispositifs de réglage du diamètre interne du
stator afin de ramener le jeu existant entre le stator
et des bouts d'aubes mobiles du rotor à une valeur
aussi faible que possible ; une disposition courante
pour assurer ce réglage de diamètre consiste à prélever
une portion des gaz plus frais originaires des
compresseurs et à l'acheminer à travers le stator pour
qu'elle soit soufflée sur des anneaux de pilotage du
stator qui s'étendent devant les aubes du rotor. On
réalise ce qu'on appelle une ventilation du stator,
dont le diamètre est modifié en fonction de la
température et le débit des gaz de ventilation.
Généralement, le prélèvement de gaz est double : une
source dite chaude à débit fixe permet la dilatation du
carter lorsque nécessaire, une autre source dite froide
à débit variable et contrôlé permet de contracter le
carter.
Le trajet des gaz de ventilation de la
source chaude emprunte un volume interne au stator,
entre les anneaux à"ventiler et un carter qui les
entoure. Des entretoises unissant les anneaux au carter
comprennent en particulier des cloisons transversales
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qui séparent le volume du trajet en chambres et à
travers lesquelles il faut donc ménager des
communications pour permettre l'écoulement des gaz de
ventilation. De nombreux exemples de réalisation de ces
communications ont été proposés dans l'art antérieur,
mais on observe qu'une bonne ventilation n'est pas
facile à assurer car elle doit être bien répartie non
seulement entre les anneaux successifs, mais sur la
surface de chacun des anneaux, faute de quoi on observe
des ondulations des anneaux produites par les
différences d'intensité de ventilation et de dilatation
thermique autour de leurs circonférences, et donc des
régions où les fuites de gaz au bout des aubes du rotor
subsisteront. De plus, les ouvertures ménagées à
travers les entretoises ont pour effet de les
affaiblir, avec des conséquences dangereuses sur des
portions de la machine soumises à de fortes
sollicitations mécaniques, puisque des concentrations
de contraintes apparaissent généralement autour de ces
ouvertures.
L'objet de l'invention est donc de proposer
un agencement de stator de turbine à gaz, dont
l'intérieur est compartimenté mais muni d'ouvertures
permettant à du gaz de ventilation d'être soufflé sur
des anneaux du stator soumis à un réglage, où les
ouvertures sont conçues pour produire une grande
régularité de ventilation autour des anneaux sans
affaiblir exagérément les éléments de structure à
travers lesquels elles sont percées.
L'invention concerne ainsi, sous sa forme
-la plus générale, un agencement de réglage de diamètre
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d'un stator de turbine à gaz, le stator comprenant un
carter, des anneaux bordant une veine d'écoulement des
gaz et situés devant des étages respectifs d'aubes
mobiles d'un rotor, les anneaux étant entourés par le
carter et accrochés au carter par des entretoises
circulaires, comprenant chacune une cloison
transversale s'étendant du carter à un des anneaux et
séparant deux chambres, la cloison comprenant un bord
extérieur courbé en crochet d'entretoise et engagé
entre une portion principale du carter et un appendice
respectif courbé en crochet de carter associé audit
crochet d'entretoise, des communications de passage
d'un débit de gaz sous pression existant entre les
chambres, caractérisé en ce qu'une au moins des
communications est réalisée au moyen d'évidements
opérés à travers une jonction de crochets composée d'un
crochet d'entretoise et du crochet de carter qui lui
est associé.
Comme les crochets d'entretoise et de
carter sont des appendices ou des extrémités de ces
structures, ils sont soumis à des contraintes modérées,
de sorte que la création d'ouverture à travers eux ne
produit que des niveaux de contrainte acceptables. De
préférence, la communication entre chambres qu'on
propose ici comprend des encoches longitudinales
creusées à travers chacun des crochets d'entretoise, un
intervalle circulaire situé sous le crochet de carter
respectif et à l'extérieur du crochèt d'entretoise, et
des encoches radiales opérées sur le crochet
d'entretoise entre les encoches longitudinales et
s'ouvrant sur une desdites chambres.
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On peut proposer deux conceptions
principales de ce mode de réalisation : soit les
encoches radiales s'étendent à une profondeur
suffisante pour dépasser du crochet du carter, soit
elles comprennent des portions collectrices suivies par
des perçages ; ce dernier agencement se prête
volontiers à une calibration du débit de ventilation
(d'après la section d'entrée des encoches radiales ou
des perçages) et à une tranquillisation du gaz dans la
chambre en aval de l'écoulement (après le passage par
la partie resserrée des perçages).
D'autres caractères de l'invention seront
décrits à l'aide des figures annexées, qui illustrent
certaines réalisations concrètes de l'invention :
- la figure 1 illustre une entretoise
équipée de l'invention et ses parages
- la figure 2 illustre la présence d'un
second circuit de ventilation, facultatif, avec la même
réalisation d'entretoise de ventilation ;
- la figure 3 illustre les crochets
d'entretoise ;
- et les figures 4, 5, 6, 7, 8 et 9
représentent certaines possibilités pour créer des
perçages complétant ou facilitant la ventilation.
La figure 1 illustre un fragment d'un
stator 1 de turbine à gaz qu'on retrouve avec des
éléments environnants à la figure 2. Le stator 1
comprend un carter 2 à l'extérieur, et qui entoure des
anneaux 3 venant en face d'étages d'aubes mobiles 5
d'un rotor 6 au sein d'une veine 7 d'écoulement des
gaz, et les anneaux 3 alternent avec d'autres anneaux 8
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porteurs d'aubes fixes 9 le long de la veine 7. Les
turbines à gaz comprennent plusieurs anneaux 3 et 8
successifs, mais un seul de chaque espèce est illustré
sur le fragment des figures 1 et 2, l'invention n'étant
5 ici appliquée qu'à un anneau 3.
Des entretoises 10 unissent les anneaux 3
au carter 1. Des jonctions composées généralement de
l'assemblage d'une paire de crochets et qu'on décrira
en détail unissent l'entretoise 10 au stator 1 à
l'avant et à l'arrière, et l'entretoise 10 à l'anneau 3
à l'avant et l'arrière ; elles portent respectivement
les références 11, 12, 13 et 14. On cherche à réduire
le jeu entre l'anneau 3 et les aubes mobiles 5 pendant
le fonctionnement de la turbine à gaz. Des gaz plus
frais originaires d'un compresseur à l'amont de la
turbine à gaz sont soutirés pour être soufflés à
l'extérieur de l'anneau 3, sur la face opposée aux
aubes mobiles 5. Comme l'entretoise 10 comprend une
cloison transversale à l'avant 15, entre les jonctions
11 et 13, une cloison transversale à l'arrière 16,
entre les jonctions 12 et 14, et une cloison
transversale intermédiaire 17 reliant les deux
précédentes et disposées obliquement et sensiblement
entre les jonctions 13 et 12, les gaz de ventilation
passant au sein du carter 2 mais autour des anneaux 3
et 8 passent d'abord par une première chambre 18 à
l'avant de la cloison avant 15, puis par une chambre
intermédiaire 19 entre la cloison avant 15 et la
cloison intermédiaire 17, et enfin par une chambre aval
20 entre la cloison intermédiaire 17 et l'anneau 3.
Cette chambre aval 20 est encore délimitée par la
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cloison arrière 16, et elle est divisée par un
couvercle muni de perçages, ou plus généralement une
boîte 21 composée de plusieurs de ces couvercles, déjà
proposée dans l'art pour aider à l'égalisation de la
ventilation (par exemple dans le brevet des Etats-Unis
5 273 396). La:- cloison arrière 16 est une cloison
externe des chambres de ventilation 18, 19 et 20,
puisque l'écoulement de ventilation s'y arrête et
qu'une autre atmosphère s'étend au-delà.
Les communications permettant de faire
passer les gaz du compresseur par les chambres 18, 19
puis 20 comprennent, conformément à l'invention, des
ouvertures ménagées principalement à travers les
jonctions 11 et 12 au carter 2. La partie de
description que voici gagnera à être lue en se
reportant également à la figure 3.
La jonction 11 est composée d'un bord de la
cloison avant 15, courbé vers l'aval (ou l'arrière)
pour former un crochet d'entretoise 26, et d'un
-appendice associé du carter 2, dont l'extrémité est
courbée vers l'amont (ou l'avant) pour donner un
crochet de carter 27. De façon analogue, les cloisons
arrière et intermédiaire 16 et 17 finissent sur un bord
commun dirigé vers l'arrière, formant un autre crochet
d'entretoise 28, alors qu'un appendice associé du
carter 2 est également recourbé vers l'avant pour
donner un autre crochet de carter 29. Les crochets
d'entretoise 26 et 28 sont insérés entre le carter 2 à
l'extérieur et, respectivement, les crochets de carter
27 et 29 à l'intérieur.
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Le crochet d'entretoise 26 situé à l'avant
n'est pas une structure continue ou intacte, mais il
est creusé d'encoches longitudinales 30 régulièrement
réparties sur sa circonférence et parallèles entre
elles, qui l'entaillent de part en part sur sa face
extérieure et s'étendent donc de la chambre amont 18 à
l'intervalle 31 annulaire compris entre le bout du
crochet d'entretoise 26 et le fond du crochet de carter
27 ; le crochet d'entretoise 26 est aussi entaillé
d'encoches radiales 32, également parallèles entre
elles et régulièrement réparties sur la circonférence
du crochet d'entretoise 26, à mi-distance des entailles
longitudinales 30, et ces entailles radiales 32 ont une
profondeur suffisante pour dépasser du bout du crochet
de carter 27 : les intervalles 31 et 34 ménagés entre
les bouts des crochets d'entretoise 26 et 28 et les
fonds des crochets de carter 27 et 29 gagnent à voir
leurs sections méridiennes augmentées en pratiquant des
feuillures 50 (illustrée à la figure 3) sur les faces
externes des crochets d'entretoise 26 et 28, du côté
des crochets de carter 27 et 29 et en prolongeant les
encoches longitudinales 30 et 33. Les avantages des
feuillures 50 sont multiples : réduction de la surface
de contact entretoise-carter et donc de l'échauffement
du carter par conduction ;- meilleure maîtrise de la
section de passage d'air en circulation
circonférentielle car les dispersions de fabrication
sont plus faibles pour les feuillures 50 que pour les
fonds de gorge des crochéts de carter ; et donc
meilleure maîtrise de la vitesse circonférentielle
d'écoulement de l'air et des coefficients d'échange
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convectif ; plus grande surface d'échange convectif sur
le carter 1 et donc meilleure maîtrise de l'écoulement
de chaleur et de son homogénéité.
Des échanges thermiques sont produits dans
les intervalles 31 et 34. Ils sont réglés par la
surface mouillée par le gaz du carter 1 ; la vitesse
d'écoulement de l'air en direction circonférentielle ;
le nombre des entailles longitudinales 30 et 33, et
donc la longueur des trajets circonférentiels.
Une communication entre les chambres 18 et
19 est ainsi établie, les gaz de ventilation passant
par les encoches longitudinales 30, puis par
l'intervalle 31 où ils se dispersent et enfin par les
encoches radiales 32.
Les encoches 30 et 32, génératrices de
concentrations de contrainte et d'affaiblissement de la
structure, ne sont établies que sur les crochets de la
jonction 11, c'est-à-dire des portions de bord, peu
susceptibles de donner de fortes concentrations de
contraintes. Le mouvement de dispersion de l'écoulement
par l'intervalle 31 contribue à uniformiser le débit de
gaz sur la circonférence de la machine, et donc l'effet
de -la ventilation ; les, changements de direction
auxquels l'écoulement est soumis produisent des pertes
de charge bienvenues pour l'efficacité de la
ventilation ; enfin, les gaz sortent en direction
centripète, vers l'anneau 3.
On aura remarqué que les encoches ne sont
creusées qu'à travers le crochet d'entretoise 26, mais
des résultats convenables seraient très probablement
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obtenus si les encoches radiales avaient été opérées
dans le crochet du carter 27.
Une disposition analogue permet de faire
communiquer les chambres 19 et 20. Le crochet
d'entretoise 28 situé à l'arrière est d'abord creusé
d'encoches longitudinales 33, semblables à celles 30 du
crochet 26, et un intervalle 34 analogue à l'intervalle
31 existe entre le bout du crochet d'entretoise 28 et
le fond du crochet du carter 29 ; les gaz de
ventilation se dispersent dans cet intervalle 34 vers
des encoches radiales 35 opérées entre les encoches
longitudinales 33. Toutefois, elles ne communiquent pas
directement à la chambre aval 20 mais dans des perçages
36, en nombre variable par encoche radiale 35. Les
perçages 36 s'étendent jusqu'à la chambre 20 en
traversant la matière de l'entretoise 10 à la jonction
des cloisons 16 et 17. Cet agencement offre les mêmes
caractéristiques et avantages que celui de l'assemblage
précédent 11, et les perçages 36 sont dirigés
obliquement avec une forte composante centripète qui
dirige bien le gaz de ventilation vers l'anneau 3. les
encoches 33 peuvent encore s'ouvrir sur des feuillures
50 qui les prolongent vers l'intervalle 34. Les gaz
ventilent l'anneau 3 avec une régularité encore accrue
par la boîte 21 avant de se disperser autour de lui par
les fuites de la structure et par les canaux d'émission
51 ménagés dans la peau de l'anneau 3 et donnant dans
la veine 7. L'existence des intervalles 31 et 34 est
garantie par la butée établie par le bout du crochet de
carter 29 situé en arrière contre la cloison arrière
16, et l'anneau 8 situé immédiatement en amont
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maintient cet appui en pesant sur la cloison avant 15 à
l'endroit de la jonction 13 avant extérieure.
L'étanchéité en aval de la jonction 12 est garantie par
un joint 37 logé dans une gorge du crochet 29 et
5 comprimé entre lui et la cloison arrière 16 ; il s'agit
d'un joint dont la section est composée de trois lobes
en prolongement et qu'on appelle donc joint en oméga.
L'étanchéité de ce joint 37 adjacent au
crochet 29 est doublée par l'appui plan 52 du crochet
10 de carter sur la cloison arrière 16, qui forme une
ligne d'étanchéité ininterrompue. Les encoches radiales
35, les perçages 36, 42 et 43 sont conçus de façon à ne
pas rompre cette ligne d'étanchéité en faisant
communiquer l'intervalle 34 à la chambre du joint 37.
Les agencements des figures 8 et 9 sont ainsi possibles
pour obtenir le même résultat : sur la figure 8, les
encoches radiales 53 (au lieu de 35) s'étendent en
lamage sur une portion 54 de la cloison arrière 16 pour
dégager l'accès aux perçages 36 tout en réduisant la
largeur de l'appui plan 52, mais sans l'interrompre ; à
la figure 9, les encoches 55 (au lieu de 35 ou 53) ne
s'étendent que dans la face interne du crochet
d'entretoise 28, devant le crochet de carter 29,
allongeant ainsi le trajet des gaz dans les cavités 34.
D'autres agencements sont aussi possibles. La portion
54 évidée de la cloison arrière 16 facilite l'entrée de
l'air dans les perçages.
La boîte 21 peut être une simple tôle
d'impact et multiperforée. Elle peut être fixée soit
sur l'anneau, soit sur l'entretoise. La boîte 21 est
accrochée à des rebords 38 et 39 de l'anneau 3, de
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façon usuelle dans l'art, à la figure 1 ; la direction
favorable des gaz de ventilation permettrait de
rapprocher la boîte 21 de l'entrée des gaz dans la
chambre 20, en la faisant soutenir par des rebords 40
et 41 de l'entretoise 10 qui seraient situés sur les
cloisons 15 et 16, comme l'illustre la figure 4.
Les perçages 36 représentés étaient de
section constante. Ils pourraient être remplacés par
des perçages divergents dont la section s'accroîtrait
vers la chambre aval 20, tels que le perçage étagé 42,
ou à variation brusque de diamètre, de la figure 5 et
le perçage en trompe 43, ou à variation progressive de
diamètre, de la figure 6 ces perçages 42 et 43
seraient situés comme le perçage 36, mais les
proportions qu'il serait possible de donner aux
diamètres d'entrée et de sortie permettraient d'agir à
la foi sur la calibration du débit de gaz de
ventilation admis (grâce au plus faible diamètre à
l'entrée) et sur l'effet de tranquillisation obtenu à
l'entrée de la chambre 20 (grâce au plus fort diamètre
à la sortie), ce qui s'accompagne d'une meilleure
alimentation de la boîte 21.
L'invention peut aussi être combinée à des
communications plus classiques entre les chambres,
,25 telles que des perçages 44 de la figure 7 opérés de la
chambre 18 à la chambre 20 à travers la matière de
l'entretoise 10 disposée à la jonction des cloisons
transversales 15 et 17 ; l'invention aurait alors pour
conséquence d'atténuer l'effet d'affaiblissement
mécanique produit par les perçages 44, en réduisant
leur nombre requis.
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Terminant sur la figure 2, on voit que le
stator peut être pourvu de nervures externes 45 devant
ou entre lesquelles sont disposées les chambres de
distribution 46 d'un autre réseau de gaz de ventilation
formant une source froide, ces chambres de distribution
46 étant raccordées à. des tuyaux d'alimentation 47
servant à la circulation des gaz. Les chambres de
distribution 46 sont percées d'orifices de soufflage
devant les nervures 45 pour que.le gaz les atteigne.
Souvent en pratique, le deuxième débit de gaz de
ventilation sera soutiré d'une portion du compresseur
située plus en amont que la portion de soutirage du
premier débit, de sorte que le gaz de ce deuxième débit
sera plus frais. Le réglage du diamètre de l'anneau 3
consistera alors en un réglage combiné des deux débits
de ventilation, ce qui donnera une précision
excellente.
