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Moteur à turbine à gaz avec clapet de mise en communication de deux
enceintes
La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz et
vise un moyen commandant la circulation d'air entre deux enceintes à
l'intérieur du moteur, la pression relative entre les deux enceintes variant
en fonction du régime de fonctionnement.
Un moteur à turbine à gaz comprend au moins trois parties : un
compresseur d'air, une chambre de combustion et une turbine, le
compresseur alimentant la chambre de combustion qui produit des gaz
chauds mettant en mouvement la turbine. La turbine est reliée au
compresseur par un arbre par lequel elle entraîne ce dernier. Le moteur peut
comprendre plusieurs corps chacun avec un rotor formé d'un compresseur,
d'une turbine et d'un arbre les reliant mécaniquement. Les moteurs dans le
domaine aéronautique sont généralement à double ou triple corps. Ils
comprennent donc au moins un corps rotatif fonctionnant avec un fluide
moteur dit basse pression, BP, et un corps rotatif fonctionnant avec un
fluide moteur dit haute pression, HP, les deux corps étant mécaniquement
indépendants l'un de l'autre et tournant à des vitesses différentes.
La recherche d'un rendement toujours plus élevé conduit à développer pour
un même moteur des turbines basse pression dont le rayon moyen
augmente notamment par rapport à celui de la turbine haute pression, dans
le but de réduire la charge aérodynamique. Il s'ensuit la nécessité de
prévoir un conduit de transition entre les étages de la turbine haute pression
et l'entrée de la turbine basse pression, de géométrie adaptée. Ce conduit de
transition reste relativement court en raison de l'application aéronautique
du moteur. Un tel conduit impose au gaz qui le parcourt une déviation
importante sur une courte distance, il présente donc de fortes pentes et une
diffusion importante. Afin de conserver une qualité d'écoulement
satisfaisante dans le col de cygne formé par le canal de transition, éviter
l'épaississement voire le décollement de la couche limite, des moyens de
soufflage d'air le long de la paroi extérieure de la veine sont prévus dans ce
cas. Le présent déposant a développé une solution en relation avec ce
problème. Elle est décrite dans la demande de brevet FR 0654139 du
présent déposant. Une enceinte de distribution de fluide de soufflage est
ménagée entre la paroi extérieure du canal de transition et un élément du
carter de turbine. L'enceinte communique par un orifice d'alimentation en
fluide avec une zone de prélèvement en amont du canal de transition. Ce
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prélèvement est effectué de préférence au niveau du compresseur de telle
façon que l'air injecté forme un film de protection thermique de la paroi.
Par ailleurs, en amont de ce canal de transition, la veine annulaire de gaz
moteur est délimitée extérieurement par un anneau de stator. Le jeu entre le
sommet des aubes de la turbine HP et la face interne de cet anneau est
maintenu, pendant toutes les phases de fonctionnement du moteur, aussi
faible que possible car l'efficacité de la turbine en dépend. L'ensemble
stator et rotor HP étant soumis en fonctionnement à des déplacements
axiaux et radiaux relatifs différents, il s'ensuit une variation du jeu qu'il
convient de maîtriser. On emploie dans ce but de l'air prélevé en amont du
moteur, au niveau du compresseur, pour ventiler le support de l'anneau de
stator et piloter sa dilation en fonction du régime. L'air circulant dans
l'enceinte de ventilation est ensuite évacué dans la veine. Cela est en soi
connu. Il est à noter que le pilotage implique une circulation d'air de
ventilation non continue. On réduit et on interrompt ce flux d'air,
notamment lorsque le régime est stabilisé.
Lorsque le moteur comprend à la fois un tel moyen de pilotage de la
dilatation de l'anneau de stator de turbine avec un flux d'air de ventilation,
circulant dans une enceinte de ventilation, et une enceinte de distribution
d'air de soufflage immédiatement aval, ménagée autour de la paroi du
canal de transition, il serait souhaitable d'utiliser cet air de ventilation
comme au moins une partie de l'air de soufflage de la paroi extérieure de la
veine dans le canal de transition. Toutefois en fonctionnement, la pression
différentielle entre ladite enceinte de ventilation et l'enceinte de
distribution d'air de soufflage est susceptible d'évoluer. Ainsi lorsque la
circulation l'air de ventilation est interrompue ou réduite, la pression dans
l'enceinte de ventilation devient inférieure à celle de l'enceinte de
distribution. Si une communication entre les deux enceintes existait, un
reflux parasite de gaz depuis l'enceinte de distribution, perturbant le
pilotage du jeu entre l'anneau de stator et le sommet des aubes de turbine,
serait créé.
Le présent déposant s'est fixé comme objectifs de
Récupérer l'air de ventilation du support de l'anneau de stator de la
turbine HP ;
Assurer que l'air de ventilation contribue au soufflage de la paroi
extérieure du canal de transition en évitant les reflux d'air depuis
l'enceinte
de distribution de l'air de soufflage.
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Conformément à l'invention, on parvient à réaliser ces objectifs avec un
moteur à turbine à gaz à double corps comportant un anneau de stator de
turbine HP et une paroi extérieure du canal de transition entre les étages HP
et BP, une première enceinte pour le pilotage de l'anneau de stator, et une
seconde enceinte pour la distribution d'air de soufflage de la paroi
extérieure du canal de transition, caractérisé par le fait que les deux
enceintes sont mises en communication par un orifice dont l'ouverture est
commandée par un clapet agencé pour être ouvert quand la pression P 1
dans la première enceinte est supérieure à la pression P2 dans la seconde
enceinte, et fermé quand P 1<P2.
L'invention est avantageuse avec un moteur dont les deux enceintes sont
séparées par une cloison, percée dudit orifice.
Selon un mode de réalisation préféré, le clapet comprend un élément
tubulaire engagé dans l'orifice, avec une partie évasée, un coulisseau
d'obturation mobile dans l'élément tubulaire entre une position de
fermeture en appui contre la partie évasée et une position d'ouverture
dégagée de la portion évasée.
Cette solution présente, en raison des différences des surfaces sur lesquelles
s'exercent les pressions P1 et P2, l'avantage supplémentaire d'assurer une
ouverture du clapet lorsqu'il y a un écart significatif de pression entre les
deux enceintes, et par suite un fonctionnement stable du dispositif.
L'élément tubulaire peut avoir été rapporté dans l'orifice ou bien selon une
variante former une seule pièce avec la cloison.
Conformément à une autre caractéristique, le clapet comprend un couvercle
ajouré, rapporté sur l'élément tubulaire, contre lequel le coulisseau vient en
appui en position d'ouverture.
Conformément à une autre caractéristique, le clapet comprend un
coulisseau d'obturation avec un orifice de fuite assurant un débit réduit de
gaz entre l'enceinte de distribution et l'enceinte de ventilation, en position
de fermeture.
Cette solution est avantageuse car elle permet d'éviter un écart trop
important de pression entre les enceintes.
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Conformément à une autre caractéristique, le clapet comprend un élément
tubulaire comportant une partie avec un diamètre réduit, une partie de plus
grand diamètre, les deux parties étant raccordées par la partie évasée, le
coulisseau comportant une portion de surface de guidage coopérant avec la
partie à plus grand diamètre pour le guidage du coulisseau à l'intérieur de
l'élément tubulaire.
On assure ainsi un fonctionnement souple du coulisseau et on réduit les
risques de blocage dans une position ou l'autre.
Selon une variante, le clapet comprend un élément tubulaire comportant
une partie avec un diamètre réduit, une partie de plus grand diamètre, les
deux parties étant raccordées par la partie évasée, le coulisseau comportant
une portion de surface de guidage coopérant avec la partie à diamètre réduit
pour le guidage du coulisseau à l'intérieur de l'élément tubulaire.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit
de différents modes de réalisation non limitatifs de l'invention en référence
aux dessins annexés :
La figure 1 montre un moteur schématiquement un moteur en coupe
axiale ;
La figure 2 représente la partie du carter du moteur dans la zone de la
turbine HP et du canal de transition agencée selon l'invention ;
La figure 3 représente, en coupe axiale, le clapet de l'invention ;
Les figures 4 à 7 représentent, vues en coupe axiale des variantes de
clapet selon l'invention.
Sur la figure 1, on a représenté de manière schématique un exemple de
turbomachine sous la forme d'un turboréacteur à double flux et à double
corps. Une soufflante 2, à l'avant, alimente le moteur en air. L'air comprimé
par la soufflante est partagé en deux flux concentriques. Le flux secondaire
est évacué directement dans l'atmosphère sans autre apport d'énergie et
fournit une part essentielle de la poussée motrice. Le flux primaire est
guidé à travers plusieurs étages de compression vers la chambre de
combustion 5 où il est mélangé au carburant et brûlé. La compression est
effectuée successivement par un compresseur de gavage solidaire en
rotation du rotor de soufflante et faisant partie du rotor BP, puis par un
compresseur HP. Les gaz chauds de la chambre de combustion alimentent
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les différents étages de turbine, la turbine HP 6 et la turbine BP 8. Les
rotors BP et HP de turbine sont solidaires respectivement des rotors BP et
1-II' de compresseur, ils entraînent ainsi la soufflante et les roues mobiles
du
compresseur. Les gaz sont ensuite évacués dans l'atmosphère.
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La turbine HP est à un seul étage tandis que, pour la turbine BP, la détente
est fractionnée entre plusieurs étages montés sur un même rotor. Un canal
de transition est ménagé entre les deux sections HP et BP, plus précisément
entre le rotor de la turbine HP et le distributeur d'entrée de la turbine BP.
En raison de la détente des gaz, le volume augmente et le diamètre moyen
de la veine aussi. Toutefois cette augmentation reste compatible avec les
conditions d'écoulement non perturbé.
Dans le cadre des études pour augmenter le rendement de turbine basse
pression, le profil du canal aérodynamique est optimisé. Parmi ces
optimisations on retient l'augmentation de la pente en entrée de turbine
basse pression dans le canal de transition qui permet un accroissement
rapide du rayon moyen de la turbine basse pression. De plus cette
augmentation de section en entrée de distributeur basse pression générée
par une plus forte diffusion dans le canal, engendre une augmentation de
performances sur le premier étage avec une meilleure accélération dans le
distributeur.
Toutefois, une forte pente en entrée de turbine basse pression crée des
risques de décollements de la couche limite le long de la paroi extérieure du
flux principal issu de la turbine haute pression. Ces décollements altèrent
fortement la performance de la turbine BP.
Une solution consiste à injecter un flux de gaz significatif à la sortie de la
turbine haute pression au niveau de la paroi. Cette injection d'air est
communément appelée soufflage.
La figure 2 représente une partie du carter d'un moteur à turbine à gaz au
niveau de la turbine HP et de l'entrée du canal de transition en aval de cette
dernière.
Le rotor de la turbine HP, dont on voit l'aube 14, est mobile en rotation à
l'intérieur d'un espace annulaire défini extérieurement par un anneau de
stator 15 formant un moyen d'étanchéité. En aval de la turbine, la veine de
gaz moteur est délimitée extérieurement par la paroi 20. Cette paroi est
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formée de plateformes en secteurs d'anneau s'étendant axialement entre
l'anneau de stator de turbine 15 et le distributeur du premier étage de la
turbine BP non visible sur la figure.
L'anneau de stator 15 est lui-même formé de secteurs montés dans une
pièce annulaire 16, intermédiaire. Les secteurs de l'anneau 15 sont retenus
ici par des liaisons à languette et rainure du côté amont et par des pinces en
aval. La pièce intermédiaire 16 est montée dans un élément de carter 17
interne logé à l'intérieur du carter extérieur 11.
Le carter interne 17 comporte deux nervures radiales 17a et 17b, disposées
annulairement dans deux plans transversaux passant par le rotor de la
turbine HP. Une tôle 12 annulaire recouvre les nervures 17a et 17b et
s'appuie par un rebord radial 12r contre la face interne du carter extérieur
11. Une enceinte de ventilation 19 est ainsi ménagée entre la tôle 12 et le
carter interne 17. Les nervures 17a et 17b sont percées d'orifices 17a1 et
17b l axiaux permettant la circulation de gaz entre la zone en amont des
nervures et la zone en aval des nervures. La ventilation est assurée par un
flux gazeux F provenant d'un passage approprié ménagé en amont de
l'enceinte de ventilation 19.
En aval d'une bride radiale 17c du carter interne 17, une enceinte 21 de
distribution d'air de soufflage est formée par une tôle qui est conformée de
façon à présenter une cloison amont 21 a sensiblement radiale, une cloison
21b aval, orientée également globalement radialement, une cloison
radialement intérieure 21c et une cloison radialement extérieure 21d. Un
joint 22 d'étanchéité en lamelle est placé entre la bride radiale 17c du
carter
interne 17 et la cloison 21a. L'enceinte 21 communique avec l'enceinte 19
par un orifice 21a1 équipé d'un clapet 30. L'enceinte 21 communique avec
la veine de gaz par une ouverture 21 c 1, pratiquée dans la cloison
radialement interne 21 c, un tube 23 et des ouvertures 20a le long de la paroi
20 du canal de transition.
Le clapet 30 est représenté plus en détail sur la figure 3. Il comprend une
partie tubulaire 31, un coulisseau 33 et un couvercle ajouré 35. La partie
tubulaire 31 est formée d'une première partie cylindrique 31a de diamètre
dl, d'une deuxième partie cylindrique 31c de diamètre plus grand d2,
d2>dl, et d'une partie évasée 31b, reliant les deux cylindres 31a et 31c. Le
coulisseau est logé dans la partie à grand diamètre 31c avec une face
conformée pour venir recouvrir la partie évasée. Le coulisseau 33 est percé
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d'orifices 33a disposés annulairement et d'un orifice central 33b. Le grand
diamètre du coulisseau correspond au diamètre interne de la partie
cylindrique 31c. Le couvercle 35 monté sur cette partie forme butée axiale
pour le coulisseau. Il est ouvert dans sa partie centrale en 35a en face des
orifices 33a. Le coulisseau peut prendre une position ouverte, en appui
contre le couvercle, auquel cas les orifices 33a sont dégagées. Le
coulisseau 33 peut prendre une position de fermeture ou d'obturation
lorsqu `il est en appui contre la partie évasée 31 b. Dans cette position les
orifices 33a sont fermés par la paroi évasée.
Le fonctionnement du dispositif est le suivant.
Afin d'assurer une dilation contrôlée du carter interne 17, et donc d'assurer
la maîtrise du jeu en sommet d'aubes de la turbine avec l'anneau de stator
15, de l'air F provenant du compresseur est amené dans l'enceinte 19 et
balaye les nervures. Il permet donc la dilatation de l'anneau de stator 15 de
la turbine HP. De cette manière on contrôle le jeu en contrôlant le débit et
la source d'air selon les différentes phases de fonctionnement du moteur.
On utilise au mieux ce flux d'air, après qu'il a balayé les nervures, en
l'envoyant dans l'enceinte 21 située immédiatement en aval, par l'orifice
21 a 1 de la cloison 21 a, pour participer au soufflage de la paroi 20 du
canal
de transition.
Une telle circulation entre l'enceinte de ventilation 19 et l'enceinte de
distribution de l'air de soufflage, ne pose pas de problème tant que la
pression P1 dans l'enceinte 19 est supérieure à celle P2 de l'enceinte 21.
Lorsque, dans certaines phases de fonctionnement du moteur, on est amené
à couper ou réduire l'alimentation en air de ventilation de l'enceinte 19, il
se produirait, si l'on n'y portait attention, une circulation d'air ou de gaz
entre l'enceinte 21 et l'enceinte 19 qui irait à l'encontre du pilotage du
jeu.
La fonction du clapet est donc d'isoler l'enceinte 19 de l'enceinte 21 quand
la pression P1 est inférieure à P2. Le clapet 30 est en outre configuré
avantageusement, avec une différence entre les surfaces d'application des
pressions P1 et P2 de telle façon qu'il ne passe de la position fermée, c'est-
à-dire coulisseau en appui contre la partie évasée avec obturation, à la
position ouverte que lorsque la pression P1 est suffisamment supérieure à
P2 pour assurer un fonctionnement stable.
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Lorsque le clapet est en position fermée, la solution de la figure 3
comprend une ouverture centrale 33b qui permet une circulation limitée de
l'enceinte 21 vers l'enceinte 19 et assure la pressurisation de cette
dernière.
Selon une variante, le clapet ne comporte pas d'orifice central. Il a dans ce
cas une seule fonction anti-retour.
D'autres exemples de réalisation du clapet sont présentés dans les figures
suivantes.
La figure 4 montre une variante de clapet 130 avec un couvercle 135
pourvu de saillies 135b axiales autour de l'ouverture centrale 135a. Ces
saillies permettent de limiter la surface d'appui du coulisseau. Les autres
éléments du clapet ne sont pas changés par rapport à celui de la figure 3.
Sur la figure 5, le clapet 230 diffère des précédents par le coulisseau 233
qui est de diamètre plus faible que le diamètre de la partie cylindrique de
grand diamètre. Il se déplace librement à l'intérieur de cette dernière. Le
couvercle 235 présente des saillies 235b comme dans le cas précédent.
L'air circule autour du coulisseau et à travers le perçage central 233b puis
contourne les saillies axiales 235b et passe par l'ouverture centrale 235a du
couvercle 235.
Sur la figure 6, le clapet 330 comprend un coulisseau 333 pourvu
d'encoches 333b à sa périphérie ménageant des passages pour l'air. Le
clapet est par ailleurs semblable aux précédents.
Sur la figure 7, le clapet 430 comprend un coulisseau 433 avec une portion
433c engagée dans la partie 431 a de faible diamètre de l'élément tubulaire
431. Cette partie 433c comprend des passages 433c1 pour l'air. Le
coulisseau est également guidé à l'intérieur de la partie à plus grand
diamètre 431c et comprend des ouvertures 433a pour le passage de l'air.
Ces ouvertures 433a sont à la périphérie de manière à être obturées par la
partie évasée 431b quand le coulisseau est en appui contre celle-ci. Ces
ouvertures peuvent être obtenues par des encoches comme cela est
représenté sur la figure 7 ou bien être obtenues par perçage.
Le fonctionnement de ces variantes de clapet est le même que pour le
clapet 30 de la figure 3 auquel ils peuvent se substituer. La géométrie de
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ces clapets permet un fonctionnement sans grippage quelle que soit la
phase de fonctionnement du moteur.
