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Titre de l'invention
Perfectionnements apportés au dispositif de contrôle de jeu dans une
turbine à gaz.
Arrière-plan de I invention
La présente invention se rapporte au domaine général du
contrôle de jeu entre le sommet d'aubes rotatives et un ensemble à
anneau fixe d'une turbine à gaz.
Une turbine à gaz, par exemple une turbine haute-pression de
turbomachine, comporte typiquement une pluralité d'aubes fixes disposées
en alternance avec une pluralité d'aubes mobiles dans le passage de gaz
chauds issus de la chambre de combustion de la turbomachine. Les aubes
mobiles de la turbine sont entourées sur toute la circonférence de la
turbine par un ensemble à anneau fixe. Cet ensemble à anneau fixe définit
une paroi de la veine d'écoulement des gaz chauds à travers les aubes de
la turbine.
Afin d'augmenter le rendement de la turbine, il est connu de
réduire autant que possible le jeu existant entre le sommet des aubes
mobiles de la turbine et les parties de l'ensemble à anneau fixe qui leur
font face.
Pour y parvenir, des moyens permettant de faire varier le
diamètre de l'ensemble à anneau fixe ont été élaborés. De tels moyens se
présentent généralement sous la forme de conduites annulaires qui
entourent l'ensemble à anneau fixe et qui sont parcourues par de l'air
prélevé sur d'autres parties de la turbomachine. Cet air est injecté sur la
surface externe de l'ensemble à anneau fixe et provoque ainsi des
dilatations ou des contractions thermiques de l'ensemble à anneau fixe qui
sont aptes à faire varier son diamètre. Les dilatations et contractions
thermiques sont commandées selon le régime de fonctionnement de la
turbine par l'intermédiaire d'une vanne qui permet de contrôler le débit et
la température de l'air alimentant les conduites. L'ensemble constitué par
les conduites et la vanne forme ainsi un boîtier de pilotage du jeu en
sommet d'aubes.
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Les boîtiers de pilotage connus jusqu'à présent ne permettent
pas toujours d'obtenir une grande uniformité de température sur toute la
circonférence de l'ensemble à anneau fixe. Un manque d'homogénéité de
température engendre des distorsions de l'ensemble à anneau fixe qui
sont particulièrement préjudiciables au rendement et à la durée de vie de
ia turbine à gaz.
Par ailleurs, dans tes boîtiers de pilotage connus, l'injection d'air
sur la surface externe de l'ensemble à anneau fixe n'est en général pas
optimisée de sorte qu'il est souvent nécessaire de prélever une importante
quantité d'air afin d'assurer le refroidissement de l'ensemble à anneau
fixe. Un prélèvement d'air trop important nuit au rendement de la
turbomachine.
Obiet et résumé de I invention
La présente invention vise donc à pallier de tels inconvénients
en proposant un dispositif de contrôle de jeu qui permet d'optimiser
l'injection d'air afin d'obtenir une meilleure efficacité et homogénéité du
refroidissement de l'ensemble à anneau fixe.
A cet effet, il est prévu un dispositif de contrôle de jeu entre un
sommet d'aubes rotatives et un ensemble à anneau fixe d'une turbine à
gaz, ledit ensemble à anneau fixe comportant un carter annulaire ayant un
axe longitudinal et muni d'au moins deux ailettes annulaires espacées
axialement l'une de l'autre et s'étendant radialement vers l'extérieur du
carter, le dispositif de contrôle de jeu comprenant un boîtier circulaire de
pilotage entourant le carter de l'ensemble à anneau fixe, le boîtier de
pilotage comportant des moyens de circulation d'air formés d'au moins
trois rampes annulaires espacées axialement l'une de l'autre et disposées
de part et d'autre de faces latérales de chacune des ailettes, des moyens
d'alimentation en air pour fournir de l'air aux rampes de circulation d'air,
et des moyens de décharge d'air sur les ailettes pour modifier la
température de l'ensemble à anneau fixe, caractérisé en ce que les
moyens de décharge d'air sont formés, pour chaque rampe de circulation
d'air, par au moins une rangée supérieure de N perçages disposés au
regard de l'une des faces latérales des ailettes et par au moins une rangée
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inférieure de 2N perçages disposés au regard d'un rayon de raccordement
entre les ailettes et le carter de l'ensemble à anneau fixe.
La répartition et le positionnement des perçages de décharge
d'air permet d'optimiser le coefficient d'échange thermique entre les
ailettes et (e flux d'air les traversant. On obtient ainsi une meilleure
efficacité et homogénéité de refroidissement des ailettes, et donc une plus
grande amplitude de déplacement du carter pour piloter le jeu en sommet
des aubes de la turbine.
Lorsque les ailettes se composent d'une ailette amont et d'une
ailette aval et que les rampes se composent d'une rampe amont disposée
en amont de l'ailette amont, d'une rampe aval disposée en aval de l'ailette
aval et d'une rampe centrale disposée entre l'ailette amont et l'ailette aval,
la rampe centrale comporte de préférence au moins deux rangées
supérieures de chacune N perçages disposés au regard de faces latérales
des ailettes amont et aval, et au moins deux rangées inférieures de
chacune 2N perçages disposés au regard de rayons de raccordement
entre les ailettes amont et aval et le carter de l'ensemble à anneau fixe.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les rampes
amont et aval présentent chacune des sections débitantes d'air
sensiblement identiques et la rampe centrale présente une section
débitante d'air qui est sensiblement deux fois plus importante que celle
des rampes amont et aval.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, les
N perçages de chaque rangée supérieure et les 2N perçages de chaque
rangée inférieure présentent des sections débitantes d'air sensiblement
identiques
Selon encore une autre caractéristique avantageuse de
Ifinvention, les N perçages de chaque rangée supérieure et les 2N
perçages de chaque rangée inférieure sont disposés en quinconce.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins
annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout
caractère limitatif. Sur les figures
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- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif
de contrôle de jeu selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue partielle et en perspective des rampes
de circulation d'air du dispositif de contrôle de jeu de la figure 1 ; et
- la figure 3 est une vue en coupe selon III-III de la figure 1.
Description détaillée d'un mode de réalisation
La figure 1 illustre, en coupe longitudinale, une turbine haute-
pression 2 de turbomachine d'axe longitudinal X-X. Toutefois, la présente
invention pourrait également s'appliquer à une turbine basse-pression de
turbomachine ou à tout autre turbine à gaz équipée d'un dispositif de
contrôle de jeu en sommet d'aubes.
La turbine haute-pression 2 se compose notamment d'une
pluralité d'aubes mobiles 4 disposées dans une veine d'écoulement 6 de
gaz chauds issus d'une chambre de combustion (non représentée) de la
turbomachine. Ces aubes mobiles 4 sont disposées en aval d'aubes fixes 8
de la turbine par rapport à la direction d'écoulement 10 des gaz chauds
dans la veine d'écoulement 6.
Les aubes mobiles 4 de la turbine haute-pression 2 sont
entourées par une pluralité de segments d'anneau 12 disposés
circonférentiellement autour de l'axe X-X de la turbine de façon à former
une surface circulaire et continue. Les segments d'anneau 12 sont montés
sur un carter annulaire 14, également d'axe longitudinal X-X, par
l'intermédiaire d'une pluralité d'entretoises 16.
Pour la suite de la description, on désignera l'ensemble formé
des segments d'anneau 12, du carter 14 et des entretoises 16 par
l'expression ~ ensemble à anneau fxe ».
Le carter 14 de l'ensemble à anneau fixe est muni d'au moins
deux ailettes ou bosses annulaires 18, 20 qui sont espacées axialement
l'une de l'autre et qui s'étendent radialement vers l'extérieur du carter 14.
On différenciera ces deux ailettes par rapport à la direction d'écoulement
10 des gaz chauds dans la veine d'écoulement 6 en les désignant par
ailette amont 18 et ailette aval 20. Les ailettes amont 18 et aval 20 ont
pour fonction principale d'agir comme échangeurs de chaleur.
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Les segments d'anneau 12 présentent chacun une surface
interne 12a qui est directement en contact avec les gaz chauds et qui
définit en partie la veine d'écoulement 6 des gaz au travers de la turbine
haute-pression 2.
5 Un jeu radial 22 est laissé entre la surface interne 12a des
segments d'anneau 12 et le sommet 4a des aubes mobiles 4 de la turbine
haute-pression 2 pour permettre la rotation de ces dernières. Afin
d'accroître le rendement de la turbine, il est nécessaire de réduire autant
que possible ce jeu 22.
Afin de réduire le jeu 22 en sommet 4a des aubes mobiles 4, il
est prévu un dispositif de contrôle de jeu 24. I_e dispositif de contrôle de
jeu 24 comprend notamment un boîtier circulaire de pilotage 26 entourant
l'ensemble à anneau fixe, et plus précisément le carter 14.
Selon les régimes de fonctionnement de la turbomachine, le
boîtier de pilotage 26 est destiné à refroidir ou à réchauffer les ailettes
amont 18 et aval 20 du carter 14 par décharge (ou impact) d'air sur
celles-ci. Sous l'effet de cette décharge d'air, le carter 14 se rétracte ou
se
dilate, ce qui diminue ou augmente le diamètre des segments d'anneau
fixe 12 de la turbine afin d'ajuster le jeu 22 en sommet d'aubes.
Le boîtier de pilotage 26 comporte notamment au moins trois
rampes annulaires de circulation d'air 28, 30 et 32 qui entourent le carter
14 de l'ensemble à anneau fixe. Ces rampes sont espacées axialement
l'une de l'autre et sont sensiblement parallèles les unes par rapport aux
autres. Elles sont disposées de part et d'autre de faces latérales de
chacune des ailettes 18, 20 dont elles épousent approximativement la
forme.
Les rampes de circulation d'air 28, 30 et 32 se composent d'une
rampe amont 28 qui est disposée en amont de l'ailette amont 18 (par
rapport à la direction d'écoulement 10 des gaz chauds dans la veine
d'écoulement 6), d'une rampe aval 30 qui est disposée en aval de l'ailette
aval 20 et d'une rampe centrale qui est disposée entre les ailettes amont
18 et aval 20.
Le bo~iier de pilotage 26 comporte également un tube collecteur
d'air (non représenté sur les figures) pour alimenter en air les rampes de
circulation d'air 28, 30 et 32. Ce tube collecteur d'air entoure les rampes
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28, 30 et 32 et les alimente en air par l'intermédiaire de conduites d'air
(non représentées sur les figures).
Selon l'invention, chaque rampe de circulation d'air 28, 30 et 32
du boîtier de pilotage 26 présentent au moins une rangée supérieure de N
perçages 34 disposés au regard de l'une des faces latérales des ailettes
18, 20 et au moins une rangée inférieure de 2N perçages 36 disposés au
regard d'un rayon de raccordement entre les ailettes 18, 20 et le carter 14
de l'ensemble à anneau fixe.
Les perçages 34, 36, qui sont par exemple obtenus par laser,
permettent de décharger l'air circulant dans les rampes 28, 30 et 32 sur
les ailettes 18, 20 afin d'en modifier la température.
Comme illustré sur les figures 1 et 2, la rampe amont 28
comporte, du côté de sa paroi aval 28b, au moins une rangée supérieure
de N perçages 34 disposés au regard de la face latérale amont 18a de
l'ailette amont 18 et au moins une rangée inférieure de 2N perçages 36
disposés au regard d'un rayon de raccordement 18c entre l'ailette amont
18 et le carter 14 de l'ensemble à anneau fixe. Aucun perçage n'est
pratiqué sur la paroi amont 28a de la rampe amont 28.
De même, la rampe aval 30 comporte, du côté de sa paroi
2o amont 30a, au moins une rangée supérieure de N perçages 34 disposés
au regard de la face latérale aval 20b de l'ailette aval 20 et au moins une
rangée inférieure de 2N perçages 36 disposés au regard d'un rayon de
raccordement 20d entre l'ailette aval 20 et le carter 14 de l'ensemble à
anneau fixe. Aucun perçage n'est pratiqué sur la paroi aval 30b de la
rampe aval 30.
De préférence, la rampe centrale 32 comporte au moins deux
rangées supérieures de chacune N perçages 34 disposés au regard des
faces latérales 18b, 20a des ailettes amont 18 et aval 20, et au moins
deux rangées inférieures de chacune 2N perçages 36 disposés au regard
des rayons de raccordement 18d, 20c entre tes ailettes amont 18 et aval
20 et le carter 14 de l'ensemble à anneau fixe.
En effet, du côté de sa paroi amont 32a, la rampe centrale 32
comporte au moins une rangée supérieure de N perçages 34 disposés au
regard de la face latérale aval 18b de l'ailette amont 18 et au moins une
rangée inférieure de 2N perçages 36 disposés au regard d'un rayon de
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raccordement 18d entre l'ailette amont 18 et le carter 14 de l'ensemble à
anneau fixe.
Du côté de sa paroi aval 32b, la rampe centrale 32 comporte au
moins une rangée supérieure de N perçages 34 disposés au regard de la
face latérale amont 20a de l'ailette aval 20 et au moins une rangée
inférieure de 2N perçages 36 disposés au regard d'un rayon de
raccordement 20c entre l'ailette aval 20 et le carter 14 de l'ensemble à
anneau fixe.
En d'autres termes, pour chaque rampe de circulation d'air 28,
30 et 32 du boîtier de pilotage 26, les perçages de décharge d'air 34, 36
sont disposés sur deux rangées, avec deux tiers des perçages sur la
rangée inférieure et le tiers restant sur la rangée supérieure. L'air issu des
2N perçages 36 de chaque rangée inférieure vient « impacter » sur la
zone inférieure des ailettes 18, 20, tandis que l'air déchargé par les N
perçages 34 de chaque rangée supérieure vient impacter sur une zone
médiane des ailettes.
L'échange thermique obtenu avec ailettes est ainsi homogène et
permet une plus grande amplitude de déplacement du carter pour piloter
le jeu en sommet des aubes de la turbine. Des calculs d'influences
thermiques ont permis de montrer qu'une telle configuration permet de
gagner jusqu'à plus de 50°C sur la température moyenne d'une ailette
par
rapport à une configuration à une seule rangée de perçages.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les rampes
amont 28 et aval 30 présentent chacune des sections débitantes d'air
sensiblement identiques et la rampe centrale 32 présente une section
débitante d'air qui est sensiblement deux fois plus importante que celle
des rampes amont 28 et aval 30. En effet, la rampe centrale 32 étant
avantageusement percée sur ses deux côtés, le débit d'air circulant dans
cette rampe doit être le double du débit d'air circulant dans les rampes
amont 28 et aval 30.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, les
N perçages 34 de chaque rangée supérieure et les 2N perçages 36 de
chaque rangée inférieure présentent, pour chaque rampe de circulation
d'air 28, 30 et 32 des sections débitantes d'air sensiblement identiques.
De la sorte, un tiers du débit d'air circulant dans la rampe
centrale 32 est déchargé par chacune des deux rangées inférieures de
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perçages 36 et un sixième du même débit d'air est évacué par chacune
des deux rangées supérieures de perçages 34. De même, deux tiers du
débit d'air circulant dans les rampes amont 28 et aval 30 est déchargé par
les rangées inférieures de perçages 36 de ces rampes et un tiers du même
débit d'air est évacué par fes rangées supérieures de perçages 34 de ces
rampes.
Selon encore une autre caractéristique avantageuse de
l'invention illustrée sur la figure 3, les N perçages 34 de chaque rangée
supérieure et les 2N perçages 36 de chaque rangée inférieure sont
disposés en quinconce pour chaque rampe de circulation d'air.
De plus, pour chaque rampe de circulation d'air 28, 30 et 32, les
perçages 34 de chaque rangée supérieure et les perçages 36 de chaque
rangée inférieure sont de préférence régulièrement espacés tout autour de
l'axe longitudinal X-X du carter 14 de l'ensemble à anneau fixe.
Lorsque les perçages 34, 36 des rangées inférieure et
supérieure présentent chacun une section droite sensiblement circulaire,
l'espacement angulaire entre deux perçages 34 adjacents d'une même
rangée supérieure correspond avantageusement à au moins trois fois le
diamètre des perçages.
Le choix du nombre et du diamètre des perçages 34, 36 de
décharge d'air peut être optimisé par une modélisation se basant sur un
compromis entre une ventilation efficace des ailettes et les contraintes de
fabrication du boitier de pilotage. A titre d'exemple, pour des ailettes
ayant une hauteur radiale de 18 mm, on pourra réaliser 288 perçages
pour chaque rangée supérieure et 576 perçages pour chaque rangée
inférieure (ce qui correspond à une valeur de 288 pour N). Pour cette
configuration, le diamètre de chaque perçage pourra être fixé à 1 mm et
l'espacement entre deux perçages adjacents d'une rangée supérieure
pourra être de 3,8 mm (ce qui correspond à 3,8 fois le diamètre des
perçages).
