[0001] 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.
[0002] 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.
[0003] 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 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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 P1 dans la première
enceinte est supérieure à la pression P2 dans la seconde enceinte, et fermé quand
P1<P2.
[0008] L'invention est avantageuse avec un moteur dont les deux enceintes sont séparées
par une cloison, percée dudit orifice.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] L'élément tubulaire peut avoir été rapporté dans l'orifice ou bien selon une variante
former une seule pièce avec la cloison.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] Cette solution est avantageuse car elle permet d'éviter un écart trop important de
pression entre les enceintes.
[0015] 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.
[0016] On assure ainsi un fonctionnement souple du coulisseau et on réduit les risques de
blocage dans une position ou l'autre.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] 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 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 HP de compresseur, ils entraînent ainsi la soufflante et les roues mobiles du compresseur.
Les gaz sont ensuite évacués dans l'atmosphère.
[0020] 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.
[0021] 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.
[0022] 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.
[0023] 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.
[0024] 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.
[0025] 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 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.
[0026] 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.
[0027] 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 17b1 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.
[0028] 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 21a 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 21c1, pratiquée dans la cloison radialement interne 21c,
un tube 23 et des ouvertures 20a le long de la paroi 20 du canal de transition.
[0029] 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 d1, d'une deuxième partie
cylindrique 31c de diamètre plus grand d2, d2>d1, 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 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 31b. Dans cette position les orifices
33a sont fermés par la paroi évasée.
[0030] Le fonctionnement du dispositif est le suivant.
[0031] 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.
[0032] 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 21a1 de la cloison
21a, pour participer au soufflage de la paroi 20 du canal de transition.
[0033] 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.
[0034] 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.
[0035] 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.
[0036] 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.
[0037] D'autres exemples de réalisation du clapet sont présentés dans les figures suivantes.
[0038] 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.
[0039] 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.
[0040] 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.
[0041] Sur la figure 7, le clapet 430 comprend un coulisseau 433 avec une portion 433c engagée
dans la partie 431a 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.
[0042] 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 ces clapets permet un
fonctionnement sans grippage quelle que soit la phase de fonctionnement du moteur.
1. Moteur à turbine à gaz à double corps comportant un anneau de stator (15) de turbine
HP et une paroi extérieure (20) du canal de transition entre les étages HP et BP,
une première enceinte (19) pour le pilotage de l'anneau de stator, et une seconde
enceinte (21) pour la distribution d'air de soufflage de la paroi extérieure du canal
de transition, caractérisé par le fait que les deux enceintes (19, 21) sont mises en communication par un orifice (21a1) commandé
par un clapet (30) agencé pour être ouvert quand la pression P1 dans la première enceinte
(19) est supérieure à la pression P2 dans la seconde enceinte (21), et fermé quand
P1<P2.
2. Moteur selon la revendication précédente dont les deux enceintes (19, 21) sont séparées
par une cloison (21a), percée dudit orifice (21a1).
3. Moteur selon l'une des revendications 1 et 2 dont le clapet (30) comprend un élément
tubulaire (31) engagé dans l'orifice, avec une partie évasée (31b), un coulisseau
(33) d'obturation, mobile dans l'élément tubulaire (31) entre une position de fermeture
en appui contre la partie évasée (31b) et une position d'ouverture dégagée de la partie
évasée (31b).
4. Moteur selon la revendication précédente dont le clapet (30) comprend un couvercle
ajouré (35) rapporté sur l'élément tubulaire (31) contre lequel le coulisseau (33)
vient en appui en position d'ouverture.
5. Moteur selon l'une des revendications 3 et 4, dont le clapet (30) comprend un élément
tubulaire (31) comportant une partie (31a) avec un diamètre réduit, une partie (31c)
de plus grand diamètre, les deux parties étant raccordées par la partie évasée (31b),
le coulisseau (33) comportant une portion de surface de guidage coopérant avec la
partie (31c) à plus grand diamètre pour le guidage du coulisseau à l'intérieur de
l'élément tubulaire (31).
6. Moteur selon l'une des revendications précédentes dont le clapet (30) comprend un
coulisseau (33) d'obturation avec un orifice (33b) de fuite assurant un débit réduit
entre les deux enceintes (19, 21) en position de fermeture.
7. Moteur selon la revendication 3 ou 4 dont le clapet (430) comprend un élément tubulaire
comportant une partie (431a) avec un diamètre réduit, une partie de plus grand diamètre
(431c), les deux parties étant raccordées par la partie évasée (431b), le coulisseau
(433) comportant une portion (433c) de surface de guidage coopérant avec la partie
(431a) à diamètre réduit pour le guidage du coulisseau à l'intérieur de l'élément
tubulaire.
8. Moteur selon l'une des revendications précédentes dont le clapet (30) comporte un
coulisseau (33) d'obturation avec une pluralité de perçages (33a) répartis annulairement
formant des passages pour le gaz.
9. Moteur selon l'une des revendications 1 à 7 dont le clapet (330) comporte un coulisseau
(333) avec une pluralité d'encoches radiales (333b) ménageant entre elles des passages
pour le gaz.