Dispositif d'ajustement des jeux de labyrinthes pour une turbomachine

Abstract

 L'ajustement des jeux au montage puis en fonctionnement d'un joint à labyrinthe (8,18) entre rotor et stator de turbomachine est obtenu par les déplacements radiaux d'une douille (9) solidaire radialement du pivot externe (2) d'une aube de stator (1a) et coopérant avec un bossage (13) du carter (14) au moyen de filetages (12,15), ces déplacements étant commandés en fonctionnement par un signal émis par un calculateur (27) intégrant divers paramètres de la turbomachine et agissant sur un anneau de commande (23) relié par un levier (22) à ladite douille (9), le pivot interne (3) de ladite aube (1a) étant solidaire d'un rail (7) qui porte la couche (8) d'abradable constituant la partie fixe dudit joint. Une méthode d'ajustement des jeux est également décrite.

Description

[0001] La présente invention concerne une turbomachine comportant un dispositif d'ajustement des jeux d'un joint à labyrinthe qui assure l'étanchéité entre un rotor et un stator, ce dispositif permettant également d'obtenir un alignement de la veine principale des gaz. L'invention concerne également une méthode d'application de l'ajustement en temps réel des jeux du joint.

[0002] La recherche de hautes performances pour les turbomachines modernes porte sur différents aspects, entre autres, le rendement et l'obtention d'une poussée maximale. Il en résulte toujours une grande sensibilité des moteurs à l'état thermique ainsi que des problèmes délicats de marge au pompage.

[0003] En vue d'accroître cette marge au pompage et de réduire cette sensibilité, une attention particulière doit être portée à des phénomènes secondaires apparaissant lors du fonctionnement de la machine : défauts d'étanchéité conduisant à rechercher une parfaite maitrise des jeux en fonctionnement entre parties fixes et parties tournantes, recirculations toujours à éviter, défauts d'alignement des éléments de parois de la veine principale de circulation des gaz.

[0004] Ces problèmes sont rencontrés en particulier au pied des aubes mobiles et également, ce sont ceux que vise à résoudre l'invention, entre le diamètre interne d'un étage de stator et la partie tournante de rotor correspondante c'est-à-dire au niveau du joint à labyrinthe placé à cet endroit où se rencontrent également des problèmes de désalignement de veine entre les bords des aubes mobiles et les éléments de stator constituant la paroi interne de la veine.

[0005] De manière habituelle, le joint à labyrinthe utilisé se compose de deux parties : des léchettes ou dents portées par un disque du rotor et un anneau d'étanchéité. Cet anneau d'étanchéité est solidaire radialement du côté interne des aubes constituant un étage de stator et porte une couche dite "abradable" susceptible de coopérer avec les léchettes et de s'user à leur contact pour assurer dans tous les cas de fonctionnement l'étanchéité sans risquer d'interférence dommageable.

[0006] Des dispositifs ont été utilisés pour ajuster le jeu entre un anneau d'étanchéité et le rotor, en réponse aux conditions de fonctionnement du moteur. C'est ainsi, par exemple, que FR-A-2 395 403 décrit un tel dispositif de support d'anneau de turbine dans lequel la position radiale des segments constituant l'anneau est ajusté au moyen d'un mécanisme comportant un axe-support monté sur excentrique et entrainé en rotation par une couronne dentée qui se déplace selon les variations des paramètres de fonctionnement du moteur. Ce dispositif appliqué à un anneau de stator fixe ne peut pas toutefois être utilisé pour des aubes de stator qui nécessitent par ailleurs en fonctionnement un réglage du calage pour varier l'incli­naison des aubes, par exemple au moyen d'un pivot tourillonnant. La complexité du dispositif comportant l'utilisation d'un excentrique peut entrainer des inconvénients.

[0007] L'invention vise à éviter les inconvénients des solutions connues et permet de résoudre les problèmes précédemment évoqués.

[0008] La turbomachine selon l'invention comportant un dispositif d'ajustement des jeux d'un joint à labyrinthe dont la partie fixe est portée par l'anneau radialement interne d'un étage de stator constitué d'aubes munies chacune d'un pivot à chaque extrémité coopérant l'un avec ledit anneau interne et l'autre du côté radialement externe avec un carter est caractérisée en ce que des premiers moyens solidarisent ledit pivot interne et l'anneau interne et des seconds moyens solidarisent ledit pivot externe et une douille et en que que ladite douille coopère avec un bossage du carter au moyen de filetages et est solidaire d'un levier de commande.

[0009] Avantageusement, ledit levier de commande est relié à un anneau de commande et de synchronisation associé à un calculateur qui intègre les divers paramètres de fonctionnement de la turbomachine.

[0010] La méthode d'ajustement en temps réel des jeux d'un joint de stator à labyrinthe selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comporte les étapes suivantes :

a) acquisition continue au niveau dudit calculateur des paramètres thermodynamiques de fonctionnement de la turbomachine,

b) calcul de la température de masse du rotor et du stator,

c) calcul des déplacements cumulés d'origine mécanique et d'origine thermique du rotor et du stator,

d) comparaison du jeu résultant à un jeu objectif,

e) calcul du déplacement de l'anneau de commande par rapport à une position à froid, d'après la valeur obtenue à l'étape d),

f) émission d'un signal de déplacement de l'anneau de commande correspondant à la valeur obtenue en e),

g) répétition des étapes a) à f) toutes les secondes,

h) en cas de panne du calculateur à l'une des étapes précédentes, substitution d'une commande pour le déplacement de l'anneau de commande sur une position fixe déterminée.

[0011] L'invention sera mieux comprise ainsi que d'autres caractéristiques et avantages à l'aide de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure unique représente une demi-vue partielle en coupe longitudinale passant par son axe de rotation d'une turbomachine comportant un dispositif d'ajustement des jeux d'un joint à labyrinthe, conforme à l'invention.

[0012] Un étage de stator 1 de turbomachine est représenté sur la figure unique. Il est constitué d'aubes 1a dont la pale porte à chaque extrémité, d'une part un pivot radialement externe 2 et d'autre part, un pivot radialement interne 3. Les pivots internes 3 d'aubes sont logés par l'intermédiaire de douilles 4 du genre auto-lubrifiantes dans des empreintes semi-cylindriques de deux demi-anneaux 5 et 6, constitué chacun de segments. Du côté radialement interne, les demi-anneaux 5 et 6 sont réunis par un rail circulaire 7 constitué de deux segments. Sur la face interne du rail 7 est disposée une couche 8 d'un matériau d'usure et d'étanchéité, dit "abradable". Un circlips ou tout autre moyen équivalent solidarise radialement chaque pivot interne 3 et les anneaux 5 et 6. Les pivots externes d'aubes sont logés dans des douilles 9 auxquelles il sont solidarisés radialement. Chaque douille 9 comporte à son extrémité radialement externe un plateau circulaire 10 dont la périphérie porte une collerette 11 en direction de l'axe de la machine. La face interne de ladite collerette 11 porte un filetage 12. Les douilles 9 sont montées dans des bossages 13 disposés périphériquement, au droite des aubes, à l'extérieur d'un carter 14. Le filetage 12 de la douille 9 coopère avec un filetage 15 du bossage 13.

[0013] L'étage de stator 1 est inséré entre deux étages de rotor constitués chacun respectivement d'aubes mobiles 1b et 1c portées par des disques 16 et 17. Le disque 17 porte également la partie tournante du joint coopérant avec la couche 8 abradable et constituée de léchettes ou dents 18. Chaque demi-anneau 5 et 6 présente respectivement un rebord latéral 19 et 20 à sa partie radialement externe. Ces rebords 19 et 20 coopèrent avec les bords de plates-­formes des aubes de rotor correspondantes 1b et 1c de manière à établir une continuité aérodynamique de la paroi interne de veine des gaz.

[0014] Les plateaux circulaires 10 des douilles 9 portent chacun une rangée circulaire de perçages taraudés 21 pour la fixation sur la douille 9 d'un levier de commande 22. L'autre extrémité des leviers 22 est articulée sur un anneau de commande et de synchronisation 23. Selon l'exemple représenté sur la figure unique et d'une manière connue en soi, un dispositif de commande du calage variable des aubes 1a de l'étage de stator 1 peut être adjoint. Dans ce cas, l'extrémité du pivot externe 2, au delà de la douille 9, comporte un filetage sur lequel s'adapte une extrémité d'un levier de commande 24 et un écrou de fixation 25. Le levier 24 est relié à un anneau de commande 26.

[0015] Le dispositif qui vient d'être décrit permet d'assurer un réglage du jeu du joint de labyrinthe à froid à la valeur désirée sans être tributaire des diverses tolérances de fabrication et en réalisant un choix optimisé. En effet, lors du montage de l'ensemble, avant de fixer la position du levier de commande 22 sur la douille 9, par une simple rotation, un déplacement radial est obtenu qui permet d'ajuster le jeu j entre les pointes des léchettes 18 et la surface coopérante de la couche abradable 8 à la valeur désirée, au niveau du joint à labyrinthe.

[0016] Après avoir décrit un mode de réalisation de l'invention dans sa structure, on va maintenant décrire un exemple d'application à un stator de turbomachine et le fonctionnement du dispositif conforme à l'invention correspondant à une méthode d'ajustement en temps réel des jeux d'un joint de stator à labyrinthe.

[0017] Au dispositif qui vient d'être décrit est adjoint un calculateur 27 susceptible d'élaborer un signal de sortie qui par une liaison avec l'anneau de commande 23 est susceptible de provoquer tout déplacement dudit anneau.

[0018] A un instant donné, le calculateur 27 est relié à différents capteurs qui sont par ailleurs utilisés pour les contrôles et les commandes de la turbomachine en fonctionnement et placés aux endroits adéquats. On effectue ainsi une acquisition continue des paramètres thermodynamiques de fonctionnement de la turbomachine et qui sont représentatifs de son état thermique. Ces paramètres comportent en particulier le régime ou vitesse de rotation, les température et pression à différents niveaux de la machine, en particulier à l'entrée et à la sortie du compresseur. En fonction de programmes pré­établis, le calculateur 27 réalise différents calculs et en particulier :
- le calcul de la température de masse du rotor et du stator concernés,
- le calcul des déplacements radiaux du rotor et du stator en cumulant les déplacements selon leur origine mécanique ou thermique,
- la comparaison du jeu résultant à un jeu objectif,
- le calcul du déplacement de l'anneau de commande 23 par rapport à une position établie à froid.

[0019] Ledit signal de sortie dudit calculateur 27 est ainsi élaboré et agit sur l'anneau de commande 23.

[0020] Le calculateur 27 répète les différentes opérations décrites ci-dessus toutes les secondes et on obtient ainsi l'ajustement en temps réel des jeux du joint de stator et les déplacements correspondants de l'anneau interne de stator permettant d'obtenir à chaque instant un alignement correct des éléments de paroi interne de la veine de circulation des gaz.

[0021] En cas de panne du calculateur, une commande est prévue pour un ajustement automatique du jeu au niveau du joint à labyrinthe à une valeur fixée à l'avance.

Revendications

1. - Turbomachine comportant un dispositif d'ajustement des jeux d'un joint à labyrinthe dont la partie fixe (8) est portée par l'anneau (5,6 et 7) radialement interne d'un étage de stator constitué d'aubes (1a) munies chacune d'un pivot (2,3) à chaque extrémité coopérant l'un avec ledit anneau interne (5,6 et 7) et l'autre du côté radialement externe avec un carter (14) caractérisée en ce que des premiers moyens solidarisent ledit pivot interne (3) et l'anneau interne et des seconds moyens solidarisent ledit pivot externe (2) et une douille (9) et en ce que ladite douille (9) coopère avec un bossage (13) du carter (14) au moyen de filetages (12,15) et est solidaire d'un levier de commande (22).

2. - Turbomachine selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit levier de commande (22) est relié à un anneau (23) de commande et de synchronisation associé à un calculateur (27) qui intègre les divers paramètres de fonctionnement de la turbomachine de telle sorte que les déplacements dudit anneau de commande (23) sont commandés en temps réel à partir d'un signal transmis par ledit calculateur (27).

3. - Turbomachine selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que ladite douille (9) comporte à son extrémité radialement externe un plateau circulaire (10) sur lequel est fixé ledit levier de commande (22) et dont la périphérie porte une collerette (11) dont la face interne porte ledit filetage (12) coopérant avec le filetage externe (15) du bossage (13) du carter (14).

4. - Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que ledit anneau interne (5,6) porte des rebords latéraux (19,20) respectivement amont et aval qui délimitent la frontière interne de la veine des gaz, l'alignement de veine étant obtenu par les déplacements radiaux de ces rebords (19,20) qui résultent des déplacements de ladite douille (9).

5. - Turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que ledit pivot (2) radialement externe de l'aube (19) de stator est solidaire d'un autre levier de commande (24) relié à un autre anneau (26) de commande du calage variable des aubes (1a).

6. - Méthode d'ajustement en temps réel des jeux d'un joint de stator à labyrinthe applicable à une tubomachine en fonctionnement conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce qu'elle comporte les étapes suivantes :

a) acquisition continue au niveau dudit calculateur (27) des paramètres thermodynamiques de fonctionnement de la turbomachine,

b) calcul de la température de masse du rotor et du stator,

c) calcul des déplacements cumulés d'origine mécanique et d'origine thermique du rotor et du stator,

d) comparaison du jeu (j) résultant à un jeu objectif,

e) calcul du déplacement de l'anneau de commande (23) par rapport à une position à froid d'après la valeur obtenue à l'étape d),

f) émission d'un signal de déplacement de l'anneau de commande (23) correspondant à la valeur obtenue à l'étape e),

g) répétition des étapes a) à f) toutes les secondes,

h) en cas de panne du calculateur (27) à l'une des étapes précédentes, substitution d'une commande pour le déplacement de l'anneau de commande (23) sur une position fixe déterminée.

7. - Méthode d'ajustement des jeux d'un joint de stator à labyrinthe selon la revendication 6 caractérisée en ce que les paramètres thermodynamiques pris en compte à l'étape a) comportent le régime, la température et la pression à l'entrée et à la sortie du compresseur de la turbomachine.

Dessins