Procédé d'ajustement en temps réel du jeu radial entre un rotor et un stator de turbomachine

Abstract

 Le dispositif de commande d'une vanne (16,22) de réglage du débit d'air de ventilation assurant l'ajustement du jeu radial entre un rotor et un stator de turbomachine est actionné en temps réel par le signal de sortie (S₁, S₂) d'un calculateur électronique (30) qui est élaboré à partir de la comparaison entre, d'une part, un jeu j1 objectif dont la valeur est introduite en mémoire pour des conditions de fonctionnement déterminées de la turboma­chine en fonction de ses paramètres thermodynamiques et des caractéristiques géométriques et aérothermiques des pièces et, d'autre part, un jeu j2 calculé à chaque instant à partir des données recueillies et après calcul des températures et des dilatations correspondantes.

Description

[0001] L'invention concerne un dispositif d'ajustement en temps réel du jeu radial entre un rotor et un stator de turbomachine. Elle concerne également un procédé de mise en oeuvre dudit ajustement de jeu au cours du fonctionnement de la turbomachine.

[0002] La recherche de l'amélioration des performances des turbomachines a conduit les motoristes à rechercher une optimisation des jeux radiaux entre rotor et stator de turbomachine. En effet, le maintien, dans toutes les conditions de fonctionnement, d'un jeu minimal mais suffisant entre rotor et stator a des répercussions directes sur le rendement de la turbomachine et pour l'obtention d'une poussée maximale ainsi que sur les conditions d'apparition de phénomènes de pompage.

[0003] Pour obtenir l'ajustement du jeu, diverses solutions ont été essayées. Entre autres, plusieurs d'entre elles ont en commun la mise en place et l'utilisation de systèmes de ventilation qui, selon les phases de fonctionnement de la turbomachine, envoient des courants d'air, soit de refroidissement, soit de réchauffage sur diverses parties fixes ou tournantes constituant le stator et le rotor associés, telles que, les aubes, les disques, les carters, les anneaux de stator de turbine par exemple. Suivant le résultat recherché, des prélèvements d'air sont effectués à divers étages du compresseur ou dans l'enceinte de chambre de combustion, par exemple. Les circuits d'acheminement de l'air sont généralement équipés de vannes de réglage dont la commande permet d'obtenir une modulation des débits et éventuellement des réglages de température au moyen de mélanges réalisés à partir de sources différentes, par example.

[0004] De nombreux exemples témoignent de ces recherches. On peut ainsi citer FR-A-2 496 753, FR-A-2 464 371, FR-A-2 431 609, FR-A-2 360 750, FR-A-2 360 749 dans lesquels la commande d'organes de réglage de débit d'air tels que distributeurs ou vannes est asservie à un paramètre de fonctionnement de la turbomachine à partir de la mesure par capteur d'une grandeur telle qu'une température, une vitesse de rotation ou directement une mesure du jeu à un instant donné. Dans certains cas, une régulation hydromécanique commande l'ouverture des vannes de réglage du débit d'air à partir de lois d'ouverture préétablies et programmées à l'avance.

[0005] Ces solutions antérieures toutefois, dans certaines applications particulières sur turbomachines visées par l'invention qui demandent une adaptation plus fine en temps réel, ne sont pas globalement, ni totalement satisfaisantes. En effet, les prélèvements d'air peuvent avoir une influence néfaste sur le rendement global de la turbomachine et ainsi l'invention vise à obtenir une optimisation des jeux radiaux dans des conditions stabilisées de fonctionnement qui tienne compte de cette influence du débit d'air prélevé sur les performances. De même, dans certaines conditions transitoires de fonctionnement de la turbomachine, une régulation asservie seulement à un ou plusieurs paramètres de fonctionnement de la turbomachine n'est pas suffisante pour éviter soit l'apparition de jeux radiaux trop élevés susceptibles par exemple de provoquer des phénomènes de trous de poussée dans des phases d'accélération, soit des contacts accidentels entre partie fixe de stator et partie tournante de rotor engendrant des frottements et des dégradations, par exemple, au niveau d'éléments abradables. L'invention évite ces inconvénients en prenant en compte les inerties des dilatations ou contractions d'origine thermique ou mécanique qui sont différentes pour les éléments mécaniques en présence et en faisant intervenir dans ladite régulation de pilotage des jeux radiaux un calcul en temps réel de ces inerties, notamment thermiques et, en particulier, l'invention prévoit d'opérer les commandes d'ouverture ou fermeture des vannes de réglage de débit d'air en les déclenchant par anticipation, en fonction de ces calculs. En outre, l'invention prévoit encore des réserves par anticipation correspondant à des conditions particulières résultant de certaines phases de fonctionnement de la turbomachine. C'est le cas notamment dans une phase de décélération où, par exemple, différentes interventions du pilote sont possibles, agissant sur les commandes notamment pour obtenir une réaccélération brusque.

[0006] Le dispositif d'ajustement en temps réel du jeu radial entre rotor et stator est caractérisé en ce qu'une vanne de réglage de débit insérée dans le circuit de ventilation est commandée par un dispositif actionné par le signal de sortie d'un calculateur électronique qui est le résultat d'une comparaison entre :
- d'une part, un jeu j1 objectif correspondant à un instant T aux conditions d'utilisation et de fonctionnement de la turbomachine audit instant T et dont la valeur a été introduite en mémoire dudit calculateur à partir d'un modèle quantifié de la turbomachine comportant, en fonction des paramètres thermodynamiques de la turbomachine et des caractéristiques géométriques des pièces, les caractéristiques aérothermiques et mécaniques des éléments de stator et de rotor entre lesquels l'ajustement du jeu est recherché,
- et, d'autre part, un jeu j2 calculé en fonctionnement audit instant T par ledit calculateur à partir des données fournies et après calcul des températures et des dilatations cumulées d'origine thermique et mécanique desdits éléments de stator et de rotor considérés.

[0007] Avantageusement, avant l'émission du signal de sortie actionnant la vanne, des limites d'utilisation sont imposées, notamment les températures maximales acceptables pour le stator et les températures maximales ainsi que le gradient maximal des températures acceptables pour le rotor.

[0008] Avantageusement, ledit signal de sortie peut également être modifié à partir d'une détermination de l'effet sur la consommation spécifique de la turbomachine des variations induites des jeux entre rotor et stator, des débits d'air prélevés, des désalignements de veine entre élément de rotor et élément de stator, des pertes aérodynamiques occasionnées par les prélèvements.

[0009] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention en référence aux dessins ou tableaux annexés sur lesquels :

- la figure 1 repésente une vue schématique en demi-coupe axiale d'une turbomachine munie d'un dispositif d'ajustement en temps réel du jeu radial en rotor et stator conforme à l'invention ;

- la figure 2 représente un détail agrandi de la figure 1 montrant le réglage d'un débit d'air de refroidissement du carter de turbine ;

- la figure 3 représente dans une vue analogue aux figures 1 et 2 un circuit de ventilation du rotor de turbine associé au dispositif conforme à l'invention ;

- la figure 4 indique les étapes d'élaboration d'un signal de commande de vanne par un calculateur électronique en vue de l'ajustement du jeu.

[0010] On a représenté à la figure 1 pour illustrer un mode de réalisation de l'invention un moteur du genre turbosoufflante dont seule la partie centrale a été représentée et comporte un ensemble 1 de compression à haute pression, une section 2 de combustion et un ensemble 3 de turbine comprenant une turbine 4 à haute pression et une turbine 5 à basse pression. Ces éléments entrent dans un ensemble primaire de propulsion qui est entouré par un ensemble secondaire associé à une soufflante située en amont et non représentée au dessin et comportant un canal 6 de circulation d'un flux secondaire limité par une enveloppe extérieure 7 et par une enveloppe intérieure 8 qui constitue également l'enveloppe externe de l'ensemble primaire. L'ensemble 1 de compression est entouré du côté aval, défini par rapport au sens normal de circulation des gaz dans la turbosoufflante, c'est à dire du côté des hautes pressions par une enveloppe externe 9, ménageant ainsi entre ladite enveloppe 9 et le carter de compresseur 10 une enceinte 11. Des passages tels que 12 sont ménagés dans le carter de compresseur 10, en aval d'un étage déterminé de compression, par exemple environ aux deux tiers de longueur axiale de l'ensemble de compression 1 à partir de l'entrée. A partir de l'enceinte 11 et associés également à des passages 13 ménagés dans l'enveloppe 9, sont placées des canalisations telles que 14, à l'intérieur de l'enveloppe externe 8 de l'ensemble primaire de propulsion. La canalisation 14 est raccordée à une seconde canalisation 15 munie d'une vanne 16 de régulation de débit. La canalisation 14 achemine de l'air prélevé à travers l'enceinte 11 dans l'ensemtle de compression 1 et la canalisation 15 achemine de l'air prélevé au moyen d'une bouche de prélèvement d'air 17 dans le canal 6 de circulation du flux secondaire, à travers son enveloppe intérieure 8.

[0011] Comme représenté, plus en détails sur la figure 2, l'air acheminé par les canalisations 14 et 15 à travers la vanne 16 pénètre dans un collecteur d'air 18 qui alimente par exemple des rampes 19 de distribution d'air placées autour du carter de turbine 20 et qui envoient sur la surface dudit carter 20 appartenant au stator de turbine des jets d'air à travers des perçages ou multiperforations en vue du refroidissement par impact dudit stator de turbine. Les éléments qui viennent d'être décrits constituent ainsi un circuit de ventilation du stator de turbine et dans l'exemple représenté aux figures 1 et 2, il s'agit de la turbine 5 basse pression de la turbosoufflante.

[0012] De manière similaire, comme représenté à la figure 3, un second prélèvement d'air est effectué au niveau de l'ensemble de compression 1 partiellement représenté à la figure 3. Une canalisation 21 dans laquelle est insérée une vanne 22 de réglage du débit achemine ainsi l'air prélevé à travers un passage 23 ménagé dans le carter de compresseur 10 vers une enceinte 24 ménagée à l'intérieur du carter de turbine. De même, à partir de l'enceinte 25 de l'ensemble de combustion 2 partiellement représenté à la figure 3, située entre la chambre de combustion 26 et son enveloppe externe 27, une canalisation 28 achemine l'air à l'intérieur de ladite enceinte 24 de carter de turbine. A partir de ladite enceinte 24, l'air est distribué au rotor de la turbine basse pression 5. Dans l'exemple de réalisation partiellement représenté à la figure 3, à partir de l'enceinte 24, l'air traverse des passages 29 du stator de la turbine basse pression 5 et de là circule d'un étage à l'autre du rotor, assurant sa ventilation.

[0013] Les différentes vannes de réglage de débit, telles que 16 et 22, insérées dans les canalisations qui acheminent l'air du circuit de ventilation aussi bien vers le stator que vers le rotor de la turbine basse pression 5 peuvent être de tout type connu, comme les vannes déjà utilisées dans des applications similaires notamment pour des circuits de ventilation de turbomachine et chaque vanne est associé à un dispositif de commande, également d'un genre connu, réglant une ouverture de passage au moyen d'un déplacement. Selon l'invention et de manière remarquable, chaque dispositif de commande d'une vanne de réglage de débit dans le circuit de ventilation est relié à un calculateur électronique symbolisé en 30. Plus particulièrement, ledit dispositif de commande de vanne est actionné par un signal de sortie respectivement S₁ pour la vanne 16, S₂ pour la vanne 22 qui sont émis par ledit calculateur 30. Les résultats remarquables de l'invention consistent à obtenir dans toutes les conditions de fonctionnement de la turbomachine, aussi bien stabilisées que transitoires un réglage optimisé du débit d'air à travers les vannes, telles que 16, 22 du circuit de ventilation. Ce réglage permet notamment d'ajuster en temps réel, à chaque instant et dans toutes ces conditions de fonctionnement, le jeu radial entre le rotor et le stator de la turbine basse pression 5, dans le mode de réalisation qui vient d'être décrit, à une valeur optimisée. Pour obtenir ce résultat, le signal de sortie, S₁ ou S₂, du calculateur électronique 30 actionnant le dispositif de commande des vannes de réglage de débit d'air 16 ou 22 est élaboré de la manière ci-après décrite.

[0014] Des données quantifiées constituant un modèle de la turbomachine sont introduites dans le calculateur 30. Ces données correspondent aux caractéristiques thermiques et dynamiques de la machine et comportent :
- les paramètres thermodynamiques et en particulier, les régimes de rotation, les températures des gaz, les formules analytiques des températures des prélèvements d'air ;
- les caractéristiques géométriques des éléments mécaniques telles que les rayons des pièces, les jeux obtenus à froid par construction, les caractéristiques des matières utilisées telles que les coefficients de dilatation thermique d'une part et mécanique, d'autre part ainsi que les temps de réponse correspondants.

[0015] Les données comportent également les limites d'utilisation imposées telles que :
- les températures maximales admissibles au niveau du stator,
- les températures maximales ainsi que le gradient thermique maximal admissibles au niveau du rotor.

[0016] Différentes optimisations sont de plus introduites en tenant compte particulièrement de l'effet sur la consommation spécifique de divers facteurs et de leurs corrélations :
- jeux radiaux entre rotor et stator,
- consommations d'air prélevés par les circuits de ventilation,
- pertes aérodynamiques occasionnées par les prélèvements,
- facteurs de désalignements de veine.

[0017] A un instant T du fonctionnement de la turbomachine, le calculateur 30 obtient ainsi une valeur j1 du jeu radial, objectif à obtenir entre rotor et stator en un point déterminé, à partir des données introduites représentant le modéle de la turbomachine. On notera que ce point peut être situé en bout d'aube mobile de rotor, le jeu étant pris entre l'extrémité de l'aube et la surface coopérante d'une garniture abradable placée à l'intérieur de l'anneau de stator correspondant. Ce point peut encore être situé au niveau de l'intervalle d'un joint à labyrinthe, entre extrémités de léchettes et surface d'abradable ou encore à l'extrémité inférieure d'aubes fixes de stator. Un exemple de réalisation a été décrit pour l'application à une turbine basse pression mais, bien entendu, l'invention s'applique de la même manière à l'ajustement de tout jeu radial entre rotor et stator de turbomachine, au niveau d'un compresseur ou d'une turbine.

[0018] A l'instant T, le calculateur 30 calcule également, à partir des valeurs mesurées des paramètres thermodynamiques de la turbomachine (températures et régimes de rotation), les tempéràtures des éléments de de rotor et de stator ainsi que l'état de dilatation de ces éléments, intégrant à la fois les dilatations d'origine thermique et celles d'origine mécanique. Ces calculs tiennent également compte de l'état thermique de la turbomachine et de l'évolution des paramètres correspondant à des conditions particulières de fonctionnement telles que phases stabilisées ou transitoires, accélérations ou décélérations, démarrages à froid ou à chaud. A partir de ces calculs, le calculateur 30 détermine enfin le jeu radial j2 obtenu en fonctionnement.

[0019] Le calculateur 30 établit alors la comparaison entre le jeu j2 en fonctionnement à l'instant T et le jeu objectif j1.

[0020] Selon la différence entre j2 et j1 obtenue, le signal de sortie élaboré est émis, actionnant le dispositif de commande des vannes de réglage de débit de manière à annuler cette différence et une nouvelle opération en temps réel est déclenchée à l'instant T +ΔT.

[0021] Après la comparaison entre le jeu calculé j2 et le jeu objectif j1, un élément de correction peut également intervenir dans l'élaboration du signal de sortie. En particulier, une vérification de simulation est faite par le calculateur 30 que les jeux radiaux à imposer permettent la succession rapide d'une phase de réaccélération, en particulier lorsque la turbomachine se trouve dans une phase de décélération progressive et qui peut être déclenchée, par exemple, par l'intervention du pilote. Cette simulation permet une anticipation tenant des temps de réponse des différents éléments mécaniques de stator et de rotor en présence.

[0022] En outre, une liaison peut également être prévue entre le calculateur 30 et l'ensemble de régulation proprement dit de la turbomachine, symbolisé en 31 sur les figures. En effet, dans certaines phases de fonctionnement de la turbomachine, en particulier dans des conditions transitoires, par exemple en accélération, afin de respecter le jeu objectif et particulièrement l'optimisation par rapport à différentes limitations, un signal imposant également une limitation, un temps d'accélération par exemple, peut être envoyé par le calculateur 30 à l'ensemble de régulation 31. Le schéma de la figure 4 résume l'intervention du calculateur 30 pour l'ajustement du jeu radial entre rotor et stator et symbolise à l'instant T ;
- en 100a, les données fournies au calculateur 30,
- en 100b, la détermination de l'état thermique de la turbomachine,
- en 101, le calcul des températures du rotor et du stator,
- en 102, le calcul des dilatations thermiques et mécaniques,
- en 103, le calcul du jeu radial en fonctionnement,
- en 104, la comparaison entre le jeu radial calculé en 103 et le jeu objectif correspondant disponible en mémoire du calculateur 30,
- en 105 un résultat d'égalité obtenu,
- en 106, un résultat d'inégalité obtenu,
- en 106a, une optimisation en termes de rendement, performances, consommation spécifique,
- en 106b, l'action sur les vannes de réglage de débit,
- en 107, une vérification par anticipation d'évolution comportant en particulier une hypothèse de réaccélération rapide,
- en 107a, une action éventuelle sur les vannes de réglage de débit selon le résultat obtenu en 107,
- en 108, le bouclage des opérations pour un nouvel ajustement en temps réel du jeu radial entre rotor et stator à l'instant T +ΔT,
- en 109, une action éventuelle sur l'ensemble de régulation 31 de la turbomachine.

Revendications

1. - Dispositif d'ajustement en temps réel du jeu radial entre un rotor et un stator d'une turbomachine qui comporte un circuit de ventilation comprenant au moins un prélèvement d'air, au moins une vanne de réglage de débit insérée dans ledit circuit et au moins un dispositif de distribution assurant le refroidissement et/ou le chauffage d'au moins une zone déterminée de rotor et/ou de stator caractérisé en ce que la (ou les) dite(s) vanne(s) (16,22) est (sont) commandée(s) par un dispositif actionné par le signal de sortie (S₁,S₂) d'un calculateur électronique (30) qui est le résultat d'une comparaison entre :
- d'une part, un jeu j1 objectif correspondant à un instant T aux conditions d'utilisation et de fonctionnement de la turbomachine audit instant T et dont la valeur a été introduite en mémoire dudit calculateur à partir d'un modèle quantifié de la turbomachine comportant, en fonction des paramètres thermodynamiques de la turbomachine et des caractéristiques géométriques des pièces, les caractéristiques aérothermiques et mécaniques des éléments de stator et de rotor entre lesquels l'ajustement du jeu est recherché,
- et, d'autre part, un jeu j2 calculé en fonctionnement audit instant T par ledit calculateur à partir des données fournies et après calcul des températures et des dilatations cumulées d'origine thermique et mécanique desdits éléments de stator et de rotor considérés.

2. - Dispositif d'ajustement en temps réel du jeu radial entre un rotor et un stator de turbomachine dans lequel le calculateur électronique (30) est relié à l'ensemble de régulation principal (31) et émet un signal imposant des limitations dans certaines phases de fonctionnement de la turbomachine.

3. - Dispositif d'ajustement en temps réel du jeu radial entre un rotor et un stator de turbomachine, selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'élaboration du signal de sortie (S₁, S₂) par le calculateur (30) tient compte des températures maximales acceptables par le stator et des températures maximales ainsi que du gradient thermique maximal acceptables par le rotor.

4. - Dispositif d'ajustement en temps réel du jeu radial entre un rotor et un stator de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel le calculateur (30) introduit une correction du jeu à partir d'une optimisation en fonction de l'effet sur la consommation spécifique de la turbomachine des facteurs déterminés comprenant notamment les jeux radiaux entre rotor et stator, les consommations d'air prélevés par les circuits de ventilation, les pertes aérodynamiques occasionnés par les prélèvements, les facteurs de désalignement de veine.

Dessins