Carter de turbomachine associé à un dispositif pour ajuster le jeu entre rotor et stator

Abstract

 Un carter de turbomachine comporte une enveloppe extérieure (2) et une enveloppe intérieure (1) constituée de deux demi-viroles (la, 1b) déformables comportant deux rangées de chapes (1i, 1j) dans lesquelles s'articulent à une extrémité des biellettes radiales (3) s'articulant à une autre extrémité dans deux rangées d'oreilles (2a, 2b) disposées sur la face interne de l'enveloppe extérieure (2).
Un système de broches (6a, 6b) et de bagues excentriques (6c, 6d) assure l'articulation des biellettes (3).

Description

[0001] L'invention concerne un carter de turbomachine associé à un dispositif permettant d'ajuster de façon automatique en fonctionnement, le jeu entre les extrémités d'aubes mobiles d'un rotor de turbomachine et la surface correspondante d'un stator ou partie fixe de turbomachine, comprenant ledit carter.

[0002] Les compresseurs des turbomachines modernes comprennent un rotor s'étendant axialement et un stator circonscrit au rotor.

[0003] Les taux de compression y sont élevés et les températures dans leurs derniers étages peuvent atteindre 600 à 700°C Il est nécessaire de contrôler les jeux existant entre les couronnes d'aubes et les enveloppes de stator afin que ces jeux restent constants et aussi faibles que possible, quelles que soient les conditions de fonctionnement de la machine.

[0004] L'étanchéité entre l'extrémité des pales des aubes et le carter du rotor ou l'enceinte du stator est assurée par des bandes de friction comportant généralement un matériau d'usure dit "abradable". Ce matériau permet l'adaptation du joint dans les limites des tolérances mécaniques ou des dilatations thermiques. Il est donc de la plus grande importance de pouvoir maîtriser les dilatations thermiques, en particulier dans le sens radial , afin que les jeux entre le rotor et le stator soient maintenus à une valeur la plus faible possible, et permettre ainsi de limiter au minimum les pertes dues à l'écoulement inverse de l'air entre les extrémités des aubes rotoriques et leur enveloppe.

[0005] Les aubes ainsi que les disques de rotor sont en général constitués dans un matériau résistant aux hautes températures et de faible coefficient de dilatation thermiques ; en revanche, les aubes de stator sont en général encastrées à une extrémité, dans des logements prévus sur l'enveloppe du compresseur, laquelle est généralement constituée en acier, matériau dont le coefficient de dilatation thermique est élevé.

[0006] On a donc cherché à contrôler la dilatation de l'enveloppe de manière à minimiser les jeux entre rotor et stator.

[0007] C'est ainsi que FR.A.2 535 795 décrit un dispositif de suspension d'aubes dans un carter de compresseur caractérisé par un carter comportant une enveloppe intérieure et une enveloppe extérieure. L'enveloppe intérieure est formée d'un ensemble de secteurs cylindriques portant des rainures radiales dans lesquelles sont maintenus des supports de bandes de friction et des secteurs d'aubes de stator. L'enveloppe extérieure est refroidie par des rampes de ventilation et coopère par un système de pattes et de broches avec les dilatations de l'enveloppe intérieure. Les secteurs ont une forme de parallélogramme et portent deux pattes amont et deux pattes arrière susceptibles de recevoir une broche de fixation de manière qu'une broche sur deux traverse les pattes de deux secteurs consécutifs.

[0008] Ce dispositif a pour but de permettre le contrôle des jeux entre stator et rotor d'un compresseur axial.

[0009] FR.A. 2 482 661 décrit un système de pilotage des jeux d'un compres-seur caractérisé par une double enveloppe. L'enveloppe intérieure est constituée de secteurs portant les aubes de stator et les bandes de friction des joints d'étanchéité rotor / stator. Les segments sont maintenus a distance de l'enveloppe extérieure annulaire par des brides radiales rigides. Pour compenser les variations des jeux entre les extrémités des pales du rotor et les bandes de friction, l'enveloppe extérieure est ventilée par des jets d'air issus de rampes entourant l'enveloppe extérieure, rampes alimentées par de l'air prélevé au compresseur.

[0010] De tels systèmes apportent une amélioration au fonctionnement des compresseurs des turbomachines, et en particulier en régime stabilisé ; Ils ont toutefois pour défaut de présenter des fuites importantes au niveau des nombreuses fentes existant entre les secteurs de l'enveloppe interne. Ces fuites contrebalancent une grande partie, sinon la totalité, des avantages que l'on retire de l'amélioration du contrôle des jeux en bout des pales.

[0011] L'invention vise et permet d'obtenir une diminution notable de ces fuites sans pour autant sacrifier la maîtrise des jeux en bout des pales.

[0012] Elle est caractérisée en ce que l'enveloppe intérieure est constituée de deux demi-viroles déformables comportant sur leur face externe deux brides annulaires assurant l'étanchéité avec les carters situées en amont et en aval, et deux rangées de chapes dans lesquelles s'articulent les moyens de liaison par l'une de leurs extrémités et en ce que l'enveloppe extérieure comporte sur sa face interne deux rangées d'oreilles sur lesquelles s'articulent les moyens de liaison par leur autre extrémité.

[0013] Les explications et figures données à titre d'exemple permettront de comprendre comment l'invention peut être mise en oeuvre.

- La figure 1 représente une demi-coupe axiale d'une section de compresseur selon une forme de réalisation de l'invention.

- La figure 2 est une vue selon une coupe II-II de la figure 1.

- La figure 1 représente une demi-coupe axiale d'une section de compresseur ou d'un compresseur axial plus particulièrement destiné à équiper une turbomachine.

[0014] Selon l'exemple représenté, les quatre derniers étages de compression sont disposés dans un canal tronconique annulaire dont la section la plus large reçoit le flux d'air à comprimer.

[0015] Le carter du compresseur comporte deux enveloppes :

une enveloppe intérieure 1 et une enveloppe extérieure 2.

[0016] L'enveloppe intérieure 1 est fixée sur l'enveloppe extérieure 2 par l'intermédiaire de biellette radiales 3; elle porte les aubes statoriques 11 et entre les couronnes d'aubes, des bandes de friction 12, réalisées en un matériau d'usure, dit "abradable", et sur lesquelles les extrémités de pales des aubes rotoriques sont susceptibles de frotter.

[0017] Les aubes statoriques 11 portent à leur extrémité la plus proche de l'axe, des moyens (non représentés) assurant l'étanchéité avec le rotor.

[0018] L'enveloppe intérieure 1 est constituée de deux demi-viroles identiques la et lb.

[0019] Chaque demi-virole est limitée en amont et en aval par une bride radiale respectivement lc et ld. Ces brides coopèrent respectivement avec des brides 42a du carter basse pression 4 à l'amont et 51a du carter de diffuseur 5 à l'aval. Les brides 42a et 51a comportent une gorge annulaire respectivement 42b et 51b qui reçoivent un joint respectivement 42c et 51c, assurant l'étanchéité de la veine de circulation des gaz.

[0020] La face externe de chaque demi-virole la lb comporte deux rangées de chapes respectivement li et lj régulièrement espacées périphériquement et sur lesquelles viennent s'articuler les pieds des biellettes 3 par l'intermédiaire de broches 6.

[0021] L'enveloppe extérieure 2 est constituée d'une virole cylindrique comportant sur sa face interne deux rangées d'oreilles respectivement 2a et 2b, régulièrement espacées et dont le nombre est égal à celui des chapes li et lj de l'enveloppe intérieure.

[0022] Les chapes li, lj et les oreilles 2a, 2b, sont disposés de telle sorte que l'on trouve dans un même plan passant par l'axe de la machine : une chape li, une chape lj, une oreille 2a, et une oreille 2b.

[0023] Ainsi, les chapes d'une même paire li, lj peuvent être traversées par une même broche 6a. De même, les oreilles d'une même paire 2a, 2b peuvent être traversées par une même broche 6b.

[0024] L'enveloppe extérieure 2 comporte sur sa face externe, au droit des rangées d'oreilles 2a, 2b une bride amont 2c et une bride aval 2d comportant des perçages respectivement 2e et 2f.

[0025] Ces brides sont fixées par des boulons 2e, 2f respectivement à la bride aval 4a du carter de compresseur basse pression 4 et à la bride amont 5a du carter de diffuseur 5.

[0026] Le carter de compresseur basse pression 4 est un carter double peau, 41 et 42.

[0027] La peau externe 41 comporte, outre la bride 4a une bride interne 4b qui verrouille axialement les broches d'articulation 6b.

[0028] La peau interne 42 comporte une bride 42a qui vient faire appui par son joint d'étanchéité 42c sur la bride lc de la demi-virole interne.

[0029] Elle comporte également une rangée de perçages 43 disposés entre les aubes du stator par où s'effectuent les prélèvement d'air destinés à l'alimentation des rampes de réchauffage 7a, 7b, 7c et 7d de l'enveloppe extérieure 2.

[0030] Les têtes des biellettes 3 sont articulées sur les oreilles 2a-2b par l'intermédiaire des broches 6b.

[0031] Les perçages ménagés dans les têtes ou les pieds des bielles, dans les chapes li, lj ou dans les oreilles 2a 2b, peuvent recevoir des douilles excentrées respectivement 6c et 6d, afin de faciliter le montage des broches et compenser les défauts d'alignements des perçages en cas d'empilage hors tolérance des défauts de fabrication.

[0032] Les deux biellettes 31, 32 situées de part et d'autre de la position 12 heures de la demi-virole la (voir figure 2) et de part et d'autre de la position 6 heures de la demi-virole lb sont plus grandes que les autres et orientées sur des directions convergentes : cette disposition constitue pour chaque demi-virole un point fixe à partir luquel se développent les dilatations périphériques.

[0033] Les deux biellettes convergentes, sur chaque demi virole, peuvent être remplacées par un système de butées mécaniques non représentées au dessin, jouant le même rôle que les biellettes.

[0034] Le fonctionnement de la structure mécanique qui vient d'être décrite s'établit de la façon développée ci-après.

[0035] Le carter de compresseur selon l'invention se présente sous la forme de deux enveloppes cylindriques concentriques 1 et 2 liées l'une à l'autre par des biellettes radiales 3 articulées à leurs deux extrémités ; l'enveloppe intérieure 1 est constituée de deux demi-viroles la et lb liées par leurs bords latéraux respectifs formant des plans de joints coulissants mais étanches.

[0036] Dans les conditions d'adaptation, par exemple en croisière, les deux enveloppes cylindriques 1 et 2 se dilatent d'une valeur radiale égale qui est une fonction de leurs diamètres et de leurs coefficients de dilatation respectif. Les biellettes de liaison 3 se dilatent elles- mêmes de la même valeur.

[0037] La dilatation radiale des enveloppes 1 et 2 et des biellettes 3 a été calculée de façon à ce qu'en régime stabilisé elle égale la somme des dilatations d'origine thermiques ou centrifuge affectant les aubes et les disques de compresseur. Les jeux entre les extrémités des aubes de rotor et les bandes de friction sont ainsi maintenus à leur valeur optimale sans qu'il soit nécessaire de maintenir le débit de réchauffage de l'enveloppe extérieure 2 dans les rampes 7a à 7d.

[0038] L'enveloppe intérieure 1 s'est dilatée sous l'influence d'une part de la température de la veine et d'autre part sous l'influence des forces de traction exercées par l'enveloppe extérieure 2 par l'intermédiaire des biellettes 3 ; mais, à l'équilibre, les dilatations des deux enveloppes 1 et 2 sont égales, les biellettes 3 ne sont soumises à aucun effort de traction, les jeux sont conservés à leur valeur optimale sans qu'il soit nécessaire de maintenir le rechauffage de l'enveloppe extérieure 2 ;

[0039] On obtient ainsi une amélioration notable du rendement de la machine d'une part, par une réduction des pertes aérodynamiques aux extrémités des pales et d'autre part par une réduction des prélèvements au compresseur d'où il résulte une amélioration de la consommation spécifique.

[0040] Le contrôle des jeux dans les conditions transitoires s'obtient de la manière ci-après décrite.

[0041] En condition d'accélération (décollage par exemple) on prélève de l'air à 300° C, à l' amont du compresseur HP et l'on dirige cet air dans les rampes 7a à 7d, d'où il est injecté sur toute la périphérie de l'enveloppe extérieure 2.

[0042] Celle-ci se dilate plus rapidement et exerce sur l'enveloppe intérieure 1, par l'intermédiaire des bielles 3 autant d'efforts de traction qui agissent comme autant de vérins et accélèrent la dilatation de l'enveloppe intérieure 1.

[0043] En fait, en raison de la présence de deux butées mécaniques ou de deux biellettes convergentes 31-32, situées à 12 heures sur la demi-virole la et à 6 heures sur la demi virole lb les dilatations des demi-viroles ne sont pas homogènes et croisent au fur et à mesure qu'on s'éloigne de ces butées ;

[0044] Cette hétérogénéité des dilatations entraîne deux sortes de défauts :

- ouverture des plans de joint

- déformation en polygone des demi-viroles du fait qu'elles présentent entre les chapes des zones de moindre résistance.

[0045] L'enveloppe intérieure 1 prend la forme d'un polygone circonscrit au cercle parfait initial.

[0046] Il faut noter toutefois que ces déformations sont extrêmement réduites du fait que l'amplitude des dilatations est faible (de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre) et que par conséquent les contraintes olygocycliques auxquelles sont soumises les enveloppes sont négligeables.

[0047] En condition de décélération, il suffit de rétablir partiellement l'alimentation des rampes 7a à 7d pour que l'enveloppe extérieure 2 suive avec un certain retard la rétraction rapide du rotor. L'augmentation du jeu qui en résulte n'affecte le rendement que d'une manière négligeable mais surtout, elle constitue une réserve de sécurité contre la destruction de l'abradable en cas d'une ré-accélération brutale.

Revendications

1- Carter de turbomachine associé à un dispositif pour ajuster le jeu entre rotor et stator par action thermo- mécanique de l'enveloppe du stator, comportant une enveloppe extérieure (2) constituée d'une virole cylindrique et une enveloppe intérieure (1) sur laquelle sont fixées les aubes de stator, ladite enveloppe intérieure (1) comportant des moyens de liaison (3) avec l'enveloppe extérieure (2), des moyens de ventilation (7) étant d'autre part prévus autour de l'enveloppe extérieure (2) pour en assurer le contrôle thermique, caractérisé en ce que l'enveloppe intérieure (1) est constituée de deux demi-viroles (la - lb), déformables comportant sur leur face externe deux brides annulaires (lc - ld) assurant l'étanchéité avec les carters situés en amont (4) et en aval (5), et deux rangées de chapes (li - lj) dans lesquelles s'articulent les moyens de liaison (3) par l'une de leurs extrémités et en ce que l'enveloppe extérieure constituée d'une virole cylindrique (2) comporte sur sa face interne deux rangées d'oreilles (2a - 2b) sur lesquelles s'articulent les moyens de liaison (3) par leur autre extrémité.

2- Carter de turbomachine selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de liaison (3) entre l'enveloppe intérieure (1) et l'enveloppe extérieure (2) sont constituées par des biellettes radiales (3) articulées, d'une part, sur les chapes (li, lj) et d'autre part, sur les oreilles internes (2a, 2b) de l'enveloppe extérieure (2).

3 - Carter de turbomachine selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les biellettes de liaison (3) sont articulées sur les chapes (li, lj) et sur les oreilles (2a, 2b) par l'intermédiaire de broches (6a, 6b) et de bagues excentriques (6c, 6d).

4 - Carter de turbomachine selon l'une quelquonque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les couples de biellettes (31 - 32) disposées aux positions 12 heures de la première demi-virole (la) et 6 heures de la seconde demi-virole (lb) sont orientées selon des directions convergentes.

5 - Carter de turbomachine associé à un dispositif pour ajuster le jeu entre rotor et stator selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de ventilation sont en partie constitués par des orifices (43) ménagés entre les aubes de redresseur d'un étage du compresseur haute-pression, orifices (43) communiquant avec une enceinte ménagée entre les deux enveloppes (41 - 42) du compresseur et de là vers au moins une rampe torique (7a, 7b, 7c, 7d) disposée autour de l'enveloppe extérieure.

Dessins