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Dispositif de tôles isolantes sur carter pour amélioration du jeu en sommet
d'aube.
La présente invention concerne le domaine des turbomachines et vise un
moyen pour contrôler le jeu existant entre le sommet des aubes mobiles de
turbine et le carter.
Un moteur à turbine à gaz comprend classiquement un compresseur, en un
ou plusieurs étages, une chambre de combustion et un ou plusieurs étages de
turbine. Le compresseur, relié à la turbine, alimente en air la chambre de
combustion et les gaz chauds produits sont dirigés sur la turbine pour en
extraire
l'énergie. Les rotors de compresseur et de turbine sont pourvus d'aubages à
leur
périphérie se déplaçant perpendiculairement à l'axe moteur à l'intérieur de
pièces
annulaires statoriques formant anneaux d'étanchéité avec lesquels ils ménagent
un jeu de fonctionnement. Ce jeu doit être suffisant pour qu'aucun frottement
ne
vienne freiner la rotation des pièces mobiles mais il doit être contrôlé pour
éviter
qu'une quantité importante de fluide ne soit détournée des surfaces actives
des
aubages. Afin d'assurer un rendement aussi élevé que possible il est donc
important de maîtriser ce jeu.
La présente invention concerne le jeu de fonctionnement d'un rotor de
turbine et plus particulièrement du rotor disposé immédiatement en aval de la
chambre de combustion. Dans un moteur à corps multiples, c'est-à-dire
comportant deux ou plusieurs arbres indépendants, généralement au plus trois,
il
s'agit du corps haute pression.
Les jeux radiaux en sommet d'aubes sont la conséquence des différents
déplacements thermomécaniques radiaux entre les rotors et les stators. On a
représenté sur la figure 1 la demi coupe axiale d'un moteur 1 à turbine à gaz,
vu
au niveau de la turbine haute pression. Le rotor de turbine 3 comprend un
disque
31, pourvu d'aubes 33 réparties sur sa jante, et monté transversalement sur un
arbre central. Le rotor est disposé en aval d'un étage de distributeurs fixes
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communiquant avec la chambre de combustion 7 dont on voit ici le fond
seulement. Le carter 9 est composé de plusieurs viroles assemblées par des
brides. On distingue le carter de chambre de combustion 91 et le carter de
turbine
haute pression 96. Les deux carters sont retenus par un assemblage à brides
95.
Le carter supporte les éléments de la chambre de combustion, les distributeurs
amont 5 et aval 15 ainsi qu'un support 11 d'anneau d'étanchéité 13.
Le jeu radial entre le sommet des aubes 33 et l'anneau d'étanchéité 11 est
ainsi la résultante de plusieurs types de déplacements :
- déplacements thermiques résultant de la dilation des matériaux en
fonction des variations de température,
- déplacements mécaniques résultant des variations de forces centrifuges
appliquées sur les pièces tournantes, ainsi que des variations de pressions.
Les disques, les aubes et les éléments de stator sont soumis à des
déplacements à la fois mécaniques et thermiques
Pendant les différentes phases de fonctionnement du moteur, en raison de
ces déplacements qui ne vont pas toujours dans le même sens, le jeu radial
n'est
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donc pas constant. En particulier le rotor et le stator n'ont pas les mêmes
amplitudes de déplacement ni le même temps de réponse thermique.
On voit sur la figure 2 une représentation de l'évolution du déplacement
du rotor R et du stator S respectivement en fonction de la variation du régime
moteur dans le temps. Ainsi on voit que la consommation de jeu transitoire A
est
supérieure à celle B obtenue après stabilisation thermique. Par consommation
de
jeu, on entend la mesure du déplacement du rotor moins celle du déplacement du
stator.
Il est connu d'employer des dispositifs de pilotage de jeu comprenant des
moyens de ventilation de manière à contrôler la dilatation thermique des
éléments le composant. L'air de ventilation est prélevé au compresseur en un
ou
deux endroits avec un contrôle du débit. On introduit un tel dispositif de
pilotage
de jeu pour réduire autant que possible le jeu en sommet d'aubes de la turbine
haute pression et augmenter la performance du moteur. Il est généralement géré
par le Boîtier de régulation électronique à pleine autorité que l'on désigne
le plus
souvent par le terme FADEC qui est l'acronyme de Full Authority Digital
Electronic Control. Ce moyen pilote la température et le débit d'air envoyé
sur
l'élément de stator concerné de façon à agir sur le déplacement thermique de
ce
dernier.
Pour certains moteurs, on cherche à s'affranchir de ces moyens de pilotage
actif de jeu. Le jeu en sommet d'aube dans ce cas est réglé de telle façon que
l'usure maximale des aubes pendant la vie du moteur ne dépasse pas les
capacités
de la machine. Cette usure maximale est déterminée en fonction de la
consommation de jeu maximale vue pendant la vie du moteur et qui est fondée
sur les déplacements du stator et du rotor. Cette consommation maximale est en
général observée lors de cycles que l'on désigne dans le domaine par les
termes :
ré-accélération critique. Un tel cycle consiste à partir d'un régime de
fonctionnement plein gaz stabilisé, à réduire le régime jusqu'au ralenti en un
faible laps de temps puis à commander une ré-accélération jusqu'au plein gaz
en
un faible laps de temps également.
Pendant ce cycle, la consommation de jeu est importante pour les raisons
suivantes :
- le rotor étant stabilisé au plein gaz, les déplacements dus à la dilation
thermique du disque sont lents lorsqu'on commande la variation rapide de
régime
de fonctionnement vers le ralenti en raison de la masse importante de celui-ci
et
du long temps de réponse thermique qui en résulte.
- les éléments de stator, qui étaient stabilisés eux aussi au régime plein
gaz, ayant une masse plus faible ont une réponse thermique plus rapide.
Lorsqu'on ré-accélère sans délai vers le régime de fonctionnement plein
gaz, le rotor n'est pas encore stabilisé thermiquement au ralenti en raison de
son
temps de réponse thermique long. Par contre le stator a déjà atteint les
conditions
de fonctionnement au ralenti. Il s'ensuit qu'à ce moment, il y eu consommation
de jeu et le jeu de sommet d'aube est faible.
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En raison de l'accélération le disque subit un déplacement centrifuge
entraînant
une surconsommation de jeu instantanée. Cette surconsommation se traduit par
une usure des pièces car le sommet des aubes vient au contact de l'anneau
d' étanchéité.
On constate donc que plus la réponse thermique du carter est rapide par
rapport à celle du rotor, plus la consommation de jeu, et donc l'usure en
sommet
d'aubes au cours d'une ré-accélération est importante.
Un premier objectif de l'invention est de trouver une solution à ce
problème.
Un autre objectif est de trouver une solution qui n'implique pas de
transformation importante de la structure existante et qui soit peu onéreuse à
mettre en uvre.
Conformément à l'invention le stator de turbine de moteur à turbine à gaz
comprenant un carter de turbine, un anneau d'étanchéité de turbine et un
support
d'anneau d'étanchéité reliant l'anneau d'étanchéité au carter, est caractérisé
par
le fait que le support est pourvu d'un élément formant écran thermique disposé
du côté de la turbine.
La solution a donc consisté à augmenter le temps de réponse thermique du
stator par le moyen d'un écran thermique qui retarde l'influence de la
température des gaz chaud de la veine issue de la chambre de combustion. Cette
solution est particulièrement avantageuse car elle s'est révélée efficace. En
outre
elle peut être mise en uvre par des moyens relativement simples.
Ainsi conformément à une autre caractéristique, l'élément formant écran
thermique comprend une tôle ménageant un espace avec la surface du support.
De préférence, l'espace forme une cavité morte, non balayée par des gaz.
Conformément à un autre mode de réalisation l'espace contient une matière
isolante thermiquement.
L'invention s'applique plus particulièrement à un stator dont le support
comprend d'un côté une bride radiale de fixation au carter de turbine et de
l'autre
côté un moyen pour la fixation des éléments de l'anneau d'étanchéité. Le
support
forme avantageusement un voile de forme globalement tronconique et le moyen
pour la fixation des éléments de l'anneau d'étanchéité comprend deux brides
radiales enserrant les éléments de l'anneau d'étanchéité.
Selon un mode de réalisation particulier, l'élément formant écran
thermique comprend une première tôle fixée entre les deux brides radiales. Il
comprend aussi une deuxième tôle disposée axialement entre le moyen pour la
fixation des éléments de l'anneau d'étanchéité et la bride radiale de fixation
du
support au carter.
Selon un aspect, l'invention se rapporte à un stator de turbine d'un moteur
à turbine à gaz comprenant : un carter de turbine, un anneau d'étanchéité de
turbine, et un support d'anneau d'étanchéité reliant l'anneau d'étanchéité au
carter.
Dans le stator : le support d'anneau d'étanchéité est muni d'un écran
thermique
disposé sur le côté turbine dudit carter de support d'anneau ; ledit écran
thermique
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est positionné et configuré pour commander une réponse thermique dudit support
d'anneau de façon à contrôler le jeu entre ledit anneau d'étanchéité de
turbine et
des aubes de turbine configurées pour tourner à l'intérieur dudit anneau
d'étanchéité de turbine ; ledit support d'anneau d'étanchéité comprend un
bride
radiale d'un seul côté, ledit support d'anneau étant fixé sur le carter de
turbine par
l'intermédiaire de ladite bride radiale ; et ledit support d'anneau
d'étanchéité est
exempt de tout dispositif de réglage du jeu destiné à régler ledit jeu entre
ledit
anneau de turbine et lesdites aubes de turbine.
Selon un autre aspect, l'invention se rapporte à un turbomoteur
comprenant un stator de turbine selon l'invention et tel que décrit ci-dessus,
les
aubes de turbine étant configurées pour tourner à l'intérieur du stator.
Le turbomoteur selon l'invention peut comprendre, en outre, des aubes de
guidage de tuyère fixées à l'anneau d'étanchéité via une bride radiale
intermédiaire de l'anneau d'étanchéité, lesdites aubes de guidage de tuyère
étant
situées en amont des aubes de turbine, et dans lequel l'écran thermique
comprend
une tôle de métal située en amont radialement entre l'anneau d'étanchéité et
les
aubes de guidage de tuyère.
De plus, dans le turbomoteur selon l'invention, l'écran thermique
comprend en outre une tôle de métal située en aval radialement entre l'anneau
d'étanchéité et les aubes de turbine, lesdites tôles de métal amont et aval
étant
séparées par ladite bride radiale intermédiaire.
L'invention va maintenant être décrite en référence à mode de réalisation
non limitatif sur la base des dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 montre en demi coupe axiale un exemple d'une partie de
moteur à turbine à gaz située au niveau de la turbine haute immédiatement en
aval de la chambre de combustion ;
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La figure 2 montre le déplacement D respectivement du sommet de aubes
de rotor et des éléments de stator formant le jeu de fonctionnement ;
La figure 3 montre plus en détail et agrandie la partie du carter de turbine
pourvue d'un élément formant écran thermique.
La figure 3 montre de façon agrandie le détail du montage de l'anneau
d'étanchéité 13 dans le carter 9 et incorporant la solution de l'invention. Le
support d'anneau 11 selon l'exemple est constitué d'un voile métallique, telle
qu'une virole annulaire, de forme sensiblement tronconique de même axe que le
moteur. Le support est ici formé d'une seule pièce mais il peut aussi être
constitué de plusieurs secteurs d'anneau liés entre eux pour former un
ensemble
annulaire. Le support 11 comprend des brides radiales 1 la et 1 lb pour la
fixation
des éléments 13 formant l'anneau d'étanchéité de la turbine haute pression ou
HP. La fixation selon cet exemple est de type à rainure et languette. Pour la
fixation amont, vers la chambre de combustion. Le dos des éléments 13 est
conformé de façon à ménager une rainure 13a d'ouverture axiale qui coopère
avec un retour axial 11b1 de la bride radiale 1 lb. La fixation aval des
éléments
13 est assurée aussi par une rainure 13b dont la branche externe est en appui
contre un retour axial 1 lai de la bride 11 a et est maintenu en position par
des
pinces 17.
Les aubages 5 du distributeur amont sont fixés par des boulons à la bride
radiale 1 1 b.
Le support 11 est lui-même monté sur le carter de turbine 93 par
l'intermédiaire d'une bride transversale, radiale 11c. Cette bride est insérée
dans
l'assemblage à brides 95 qui relie les différents éléments du carter 9. Le
support
11 n'est soumis à aucun pilotage actif de jeu et ne comprend aucun moyen de
ventilation à cet effet.
Conformément à l'invention on a disposé un écran thermique sur la face
interne du support 11. C'est-à-dire la face tournée vers la veine de gaz
moteur.
L'écran thermique est avantageusement constitué d'une première tôle posée
parallèlement au voile du support 11 entre les deux brides radiales 11 a et 1
lb.
Cette tôle est rendue solidaire par soudage, brasage, vissage ou tout autre
moyen
de fixation au support. La tôle 21 est distante du voile 11 de façon à ménager
une
cavité 21A. Cette cavité est de préférence morte, c'est-à-dire que les gaz
qu'elle
contient ne circulent pas. Elle est par exemple fermée. La couche gazeuse
forme
ainsi une masse isolante thermiquement. Cependant, cette cavité peut le cas
échéant contenir une autre matière isolante thermiquement. Une seconde tôle
est
disposée de la même façon, en amont de la bride 11 b, sur la face interne du
voile
11 à distance de celle-ci. Elle est soudée, brasée, vissée ou autre au voile
et
ménage une cavité morte 22A avec le voile 11. La masse gazeuse contenue dans
cette cavité morte forme aussi une couche isolante thermiquement.
Le support 11 est métallique ainsi que les tôles 21 et 22. En
fonctionnement en régime stabilisé le jeu entre le sommet des aubes 33 et
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l'anneau 13 est fixe et de valeur déterminée. Ce jeu résulte d'un équilibre
entre
les déformations d'origine mécanique et thermique auxquelles les pièces
mobiles
et fixes sont soumises. Pendant un régime transitoire cet équilibre est
perturbé.
En particulier dans le cas d'une ré-accélération critique, comme présentée
plus
5 haut, lors de la phase de réduction rapide de régime la température des
gaz dans
la veine motrice chute. En raison de l'écran thermique, la réponse à la baisse
de
température du support est ralentie par rapport à celle du montage de l'art
antérieur. Si bien que lors de la ré-accélération dans le bref laps de temps
qui
suit, le déplacement radial du rotor résultant de l'augmentation des efforts
centrifuges ne vient pas interférer avec les éléments de l'anneau
d'étanchéité.
Aucun contact ne se produit entre les sommets des aubes et les éléments des
anneaux d'étanchéité. On n'observe aucune usure ni des léchettes en sommet des
aubes ni des surfaces abradables des éléments.
Les résultats d'essai ont montré que la solution était efficace et que le
rendement de la machine était amélioré par voie de conséquence. En outre fixer
des tôles n'est pas particulièrement onéreux. Globalement la solution est
efficace
et économique.
