[0001] L'invention a pour sujet un dispositif de soufflage de gaz pour régler les jeux à
l'intérieur d'une turbomachine.
[0002] On se préoccupe depuis longtemps de réduire les jeux entre les parties tournantes
et fixes des turbomachines, et plus particulièrement entre les bouts des aubes mobiles
et les anneaux opposés du stator, surtout dans les turbines, afin d'accroître le rendement
de la machine, la poussée qu'elle produit et la réserve au pompage.
[0003] Les jeux sont variables pendant le fonctionnement de la machine entre le démarrage,
les états transitoires et l'état stabilisé, à cause de l'échauffement et des forces
centrifuges qui provoquent des déformations thermiques et mécaniques croissantes et
différentes entre le stator et le rotor. C'est pourquoi on a déjà conçu des dispositifs
dynamiques de réglage des jeux, dont les plus répandus utilisent un courant de gaz,
prélevé d'une portion de la machine telle qu'un compresseur, et qui circule derrière
les anneaux de stator dont on veut régler le diamètre : le gaz refroidit ou échauffe
les anneaux, selon la portion de la machine d'où il provient, et produit des déformations
thermiques supplémentaires qui amènent ces anneaux au diamètre souhaité. L'importance
de ces déformations peut être réglée avec le débit prélevé de gaz. On peut aussi prévoir
des prélèvements de gaz de plusieurs points de la machine, et les canaux correspondants
sont successivement ouverts pour obtenir une déformation de la valeur voulue. Les
brevets français 2 509 373 et 2 688 539 donnent quelques exemples de ces aménagements.
[0004] On observe cependant que les déformations thermiques produites ne sont pas toujours
uniformes, ce qu'on peut attribuer à un manque d'homogénéité du débit de gaz le long
de la circonférence de l'anneau, ou un défaut d'uniformité de sa température s'il
provient de plusieurs conduites qui débouchent devant des portions successives de
l'anneau. Conformément à l'invention, les gaz de réglage de jeux ne débouchent donc
pas directement dans la chambre délimitée par l'anneau en sortant des conduites d'acheminement,
mais passent d'abord par un mélangeur.
[0005] Ce mélangeur est composé d'une pluralité de chambres en succession, ayant des sections
droites analogues et séparées par des cloisons sensiblement parallèles, et les cloisons
sont percées d'orifices toujours plus nombreux d'une cloison à l'autre vers l'anneau
de stator. On réalise ainsi un écoulement en arborescence des gaz d'une chambre à
l'autre, si bien qu'ils parviennent avec une grande homogénéité de débit et de température
devant l'anneau.
[0006] Les orifices peuvent consister en de simples perçages opérés à travers des cloisons
de séparation des chambres ou en de courtes conduites. Dans les deux cas, il n'existe
qu'une perte de charge sensiblement plus faible qu'avec les dispositifs ordinaires
de canalisation, qui impliquent en général des perturbations importantes de l'écoulement
par de grandes variations de direction ou de vitesse.
[0007] Les nombres d'orifices peuvent être en progression géométrique d'une cloison à l'autre,
par exemple deux fois plus nombreux, et ils sont de préférence répartis en rangées
circonférentielles en nombre identique pour toutes les cloisons, de sorte que seul
le pas angulaire varie d'une cloison à l'autre.
[0008] Les chambres peuvent être annulaires et séparées par des cloisons transversales dans
la turbomachine et en couronne : elles sont alors en forme de cylindres empilés ;
ou encore, elles peuvent être sensiblement annulaires mais séparées par des cloisons
cylindriques et concentriques : elles sont alors disposées en cylindres concentriques.
[0009] Les orifices entre chambres peuvent être remplacés par des conduits de liaison si
les chambres ne sont pas contiguës. Cette conception s'applique en particulier à des
dispositifs allongés où les chambres font face à des portions différentes à ventiler
de l'anneau et sont percées d'orifices de soufflage vers ces portions. L'intérêt de
disposer des conduits toujours plus nombreux entre des paires de chambres successives
en direction de l'écoulement du gaz de ventilation subsiste, mais la réalisation idoine
de l'invention peut être mise en oeuvre de façon un peu différente des réalisations
précédemment exposées. Il n'est ainsi plus nécessaire que les chambres aient la même
section droite si le gaz fuit peu à peu par les orifices qui les percent : il est
au contraire favorable que leurs sections droites décroissent d'une chambre à l'autre
pour maintenir une vitesse et une pression à peu près constantes. Mais il convient
toujours que les chambres aient une même étendue, c'est-à-dire une même extension
angulaire dans le cas normal de chambres annulaires ou en portion d'anneau.
[0010] Ces explications étant données, on peut résumer de telles réalisations de l'invention
comme étant des dispositifs de soufflage de gaz à l'intérieur d'une turbomachine s'étendant
autour d'au moins un anneau de stator, caractérisés en ce qu'ils comprennent une pluralité
de chambres disposées parallèlement en succession, ayant des étendues analogues, des
sections droites décroissantes, et reliées par des conduits toujours plus nombreux
d'une chambre à l'autre dans une direction d'écoulement de gaz, les chambres étant
percées d'orifices donnant sur l'anneau de stator.
[0011] Ces particularités de l'invention, ainsi que d'autres, vont être maintenant décrites
avec leurs avantages à l'aide des figures suivantes, annexées à titre illustratif
et non limitatif :
- la figure 1 est une coupe longitudinale d'une portion de turbomachine dans laquelle
une réalisation de l'invention a été installée,
- les figures 2 à 5 sont des coupes de la figure 1 prises suivant les lignes II-II à
V-V de cette figure,
- la figure 6 représente une autre réalisation,
- la figure 7 représente une troisième réalisation,
- la figure 8 représente une quatrième réalisation possible,
- la figure 9 représente une cinquième réalisation possible,
- la figure 10 est une vue développée sur un demi-tour du dispositif mélangeur de cette
réalisation,
- la figure 11 est une coupe transversale du dispositif mélangeur,
- les figures 12 et 13 sont des coupes de deux canalisations de jonction de chambre.
[0012] La portion de turbomachine représentée sur les différentes figures comprend essentiellement
un fragment de stator 1 qui comprend, face à deux étages d'aubes mobiles 2, deux anneaux
3 formés d'une peau métallique sensiblement cylindrique et qui porte des segments
d'étanchéité 4, situés juste devant les bouts des aubes mobiles 2, par l'intermédiaire
d'un anneau de fixation 5. Une chambre 6 ou 106 est ménagée derrière chacun des anneaux
3, et deux murets 7, d'une pièce avec l'anneau 3, la délimitent aussi sur les côtés
dans la réalisation de la figure 1.
[0013] Le mélangeur 8 sujet de l'invention est de forme annulaire, ferme le côté extérieur
d'une des chambres 6 et est vissé par ses extrémités longitudinales à deux tôles 9
qui forment des extensions des murets 7. Un anneau de carter extérieur 10 entoure
et couvre le mélangeur 8. Il est cependant traversé par quatre conduits 11 d'alimentation
de gaz qui aboutissent dans une première chambre 12 du mélangeur 8. Ces conduits 11
sont disposés à angle droit autour de la machine, et un seul est représenté pour cela
sur la figure 1.
[0014] Les écoulements de gaz entrent plus précisément par la paroi externe du mélangeur
8 et ont d'abord une direction centripète en sortant des conduits 11, avant de se
redresser dans la première chambre 12 pour prendre une direction axiale. Ils pénètrent
ensuite dans une deuxième chambre 14, puis une troisième chambre 15, avant de quitter
le mélangeur 8 et de passer dans la première chambre 6 affectée au réglage du diamètre
de l'anneau 3.
[0015] Chacun de ces passages s'effectue par des orifices toujours plus nombreux : alors
qu'il y avait quatre conduits 11, on compte huit orifices 16 entre la première chambre
12 et la deuxième chambre 14, seize orifices 17 entre la deuxième chambre 14 et la
troisième chambre 15 et trente-deux orifices 18 à la sortie de la troisième chambre
15, comme on le voit bien sur les figures 2 à 5 qui représentent des demi-circonférences
du mélangeur 8, le reste étant identique.
[0016] Les orifices 16, 17, 18 sont respectivement disposés autour de la machine en rangée
unique, de sorte que leur pas angulaire est à chaque fois deux fois plus petit. Il
en résulte une uniformisation de l'écoulement et un certain brassage des gaz qui contribue
à en égaliser à la fois le débit et la température, c'est-à-dire la dilatation thermique
produite.
[0017] Il est utile pour cela que les chambres 12, 14 et 15 du mélangeur 8 et les cloisons
16 et 17 qui les séparent aient une disposition régulière, c'est-à-dire que les chambres
aient une section droite à peu près semblable et que les cloisons soient à peu près
parallèles, afin de ne pas perturber l'écoulement des gaz, ce qui produirait des pertes
de charge et nuirait à l'homogénéité de l'écoulement. Les troisièmes orifices 18 sont
situés sur la face interne 19 du mélangeur 8, ce qui oblige les gaz à reprendre un
écoulement centripète dans la troisième chambre 15, mais l'uniformisation a alors
été réalisée. Les gaz sortent de la chambre 6 dans laquelle ils ont été soufflés en
passant par des orifices 20 qui traversent les murets 7, puis ils traversent un espace
intermédiaire 21 du stator 1 avant d'entrer dans l'autre des chambres 106 en traversant
les orifices 20 de ces murets 7 ; on remarque que l'un de ces murets 7 est encore
muni d'autres orifices 22 qui aboutissent dans la veine 23 de la machine, grâce à
quoi l'évacuation de cette seconde chambre 106 est faite et le gaz de réglage de jeu,
prélevé auparavant de la veine 23, la retrouve.
[0018] Le mélangeur 8 peut être formé de deux plaques circulaires de tôle, correspondant
sensiblement à des faces extérieure 13 et intérieure 19 des chambres 12, 14 et 15
annulaires et embouties pour se joindre aux extrémités longitudinales et aux cloisons
16 et 17, sauf aux orifices ; ces tôles comprennent des bordures d'extrémité 24 par
lesquelles elles sont vissées aux tôles 9 solidaires des murets 7.
[0019] La figure 6 représente un mélangeur 108 sensiblement semblable mais dont la structure,
ainsi que celles des pièces avoisinantes, est entièrement formée de capotages démontables.
[0020] Il en résulte que les conduits d'alimentation, ici désignés par 111, aboutissent
au carter extérieur 10 et ne sont pas joints au mélangeur 108.
[0021] Un premier capotage 113 forme la face extérieure, dirigée vers le carter extérieur
10, du mélangeur 108 et comprend une bordure interne 114 encastrée entre deux brides
d'éléments 115 et 116 du stator 101, ces éléments 115 et 116 étant liés respectivement
aux anneaux objets du réglage thermique et au carter extérieur 10 pour former une
cloison continue. On trouve un autre capotage 119 s'étendant concentriquement au précédent
et formant la face intérieure du mélangeur 108 et qui comprend en outre une bordure
externe 120 vissée à une nervure 121 du carter extérieur 10.
[0022] Le volume compris entre carter extérieur 10 et stator 101, qui est occupé par le
mélangeur 108, est divisé en deux parties sensiblement concentriques par celui-ci
et notamment par les bordures 114 et 120, de sorte que les gaz originaires des conduits
111 aboutissent dans la partie externe de ce volume et ne la quittent qu'en traversant
quatre orifices 122 opposés aux conduits 111 et percés à travers le premier capotage
113. Les orifices 122 s'ouvrent dans la première chambre 12 du mélangeur 108, dont
la configuration interne est identique à celle du mélangeur 8 et comprend en particulier
les trois chambres successives 12, 14 et 15 desquelles les gaz sortent par des orifices
en nombre croissant.
[0023] Les troisièmes orifices 18 aboutissent dans l'autre des parties du volume contenant
le mélangeur 108, devant un des murets 7 d'une des chambres 6 d'ajustement thermique.
Dans cette conception, la chambre 6 est traversée d'un muret 7 à l'autre par un écoulement
rectiligne longitudinal des gaz, et elle n'est pas fermée par le mélangeur 108, mais
par une cloison cylindrique 123 d'un troisième capotage 124 vissé à la bordure 120
du premier capotage 113. L'étanchéité entre les murets 7 et la cloison cylindrique
123 est assurée par des joints 125 métalliques toriques à section ouverte, qui possèdent
une bonne élasticité même à des températures élevées.
[0024] Des capotages adjacents peuvent être disposés entre le stator 101 et le carter extérieur
10 pour guider les gaz d'ajustement de jeu vers la seconde chambre 106 ; leur forme
dépend des autres aménagements qu'on y trouve. La seconde chambre 106 peut en particulier
être fermée par un capotage 126 analogue à la cloison cylindrique 123 et qui contribue
à écraser d'autres joints 125 avec les murets 7.
[0025] La figure 7 illustre une autre réalisation, qui concerne cette fois plus particulièrement
les murets des chambres, désormais désignés par la référence 207 : ces nouveaux murets
sont évidés d'une gorge 208 annulaire, de sorte qu'ils sont divisés en deux peaux
minces 209 et 210 qui se recouvrent. De plus, les orifices, respectivement 211 et
212, qui traversent chacune de ces peaux 209 et 210 ne sont pas en prolongement, ce
qui oblige les gaz à un trajet en chicane qui prolonge leur séjour dans la gorge 208
et améliore l'échange de chaleur avec les murets 207 et, indirectement, avec l'anneau
3. Les autres dispositions de l'invention sont inchangées.
[0026] On notera aussi, dans un ordre d'idée analogue, que les orifices traversant les murets
107 et 207 peuvent être inclinés dans le sens de la circonférence, pour donner à l'écoulement
des gaz une composante hélicoïdale qui prolonge leur séjour dans la chambre 6 ou 106
et améliore donc encore l'échange de chaleur.
[0027] Une autre réalisation remarquable est représenté à la figure 8. On retrouve un carter
extérieur 10 auxquels aboutissent des conduits d'alimentation 111, ainsi qu'un anneau
3 (unique) dans un stator 301 et un mélangeur 308 dans le volume intermédiaire. Ce
mélangeur 308 est formé de capotages comme dans la réalisation précédente, mais ici
l'écoulement de gaz à travers le mélangeur 308 n'est pas sensiblement axial mais reste
globalement centripète. En effet, le mélangeur 308 est formé d'un capotage qu'on pourrait
appeler feuilleté, formé de trois couches 309, 310 et 311 successives du carter extérieur
10 au stator 301, couches qui se rejoignent aux extrémités pour isoler deux chambres
312 et 313 que le gaz traverse successivement. Comme précédemment les couches 309,
310 et 311 sont percées d'orifice 324, 325 et 326 deux fois plus nombreux à chacune,
c'est-à-dire respectivement au nombre de huit, seize et trente-deux. Les chambres
312 et 313 concentriques ont une forme assez aplatie longitudinalement qui rend utile,
pour que l'uniformisation de l'écoulement se produise, un trajet allongé que produit
une disposition en chicane des orifices : les orifices 324 et 326 des couches extrêmes
309 et 311 sont situés vers l'aval de la machine, alors que les orifices 325 de la
couche intermédiaire 310 sont situées vers l'amont. Le capotage feuilleté est terminé
par une première bordure 315, vissée au carter extérieur 10, et par une bordure opposée
prenant la forme d'une cornière 316 recevant un joint métallique torique à section
ouverte 317 pressé contre une bande circulaire opposée du carter extérieur 10. Cette
disposition permet ici encore que l'air originaire des conduits 11 soit contraint
à passer par le mélangeur 308 pour atteindre la chambre d'ajustement thermique 6.
Dans cette réalisation, on peut considérer que le volume entre le carter extérieur
10 et le stator 301 hors des capotages 309 à 311 forme deux chambres extrêmes 327
et 328 qui appartiennent aussi au mélangeur 308, puisque l'uniformisation de l'écoulement
y est aussi produite.
[0028] On dispose encore des capotages 318 et 319, globalement de direction transversale,
pour isoler la chambre 6 délimitée par l'anneau 3 ; ces capotages 318 et 319 remplacent
les murets des solutions précédentes ; ils sont vissés par une extrémité au carter
extérieur 10 et par l'autre entre les brides de raccordement 320 d'éléments adjacents
du stator 301. Ces brides de raccordement 320 laissent en effet une gorge 321 entre
elles dans le milieu de laquelle on introduit une lunule 322 d'extrémité du capotage
supplémentaire 318 ou 319 respectif, ce qui ne laisse au gaz d'autre possibilité que
d'entrer dans la gorge 321 et d'aller jusqu'au fond d'elle avant d'en sortir, en contournant
la lunule 322 par un mouvement en épingle à cheveux. L'avantage atteint par cette
disposition est ici encore que l'échange de chaleur est facilité, cette fois par une
conduction des brides de raccordement 320 à l'anneau 3.
[0029] La dernière variante exposée ici concerne un dispositif mélangeur dont les chambres
sont munies d'orifices de fuite qui ne communiquent pas à une autre des chambres.
Cette conception est utile pour des dispositifs mélangeurs de plus grande longueur
que les précédents et dont chacune des chambres est affectée au refroidissement d'une
zone distincte de la machine. Une telle conception est représentée sur les figures
9 à 13, où le dispositif mélangeur 400 se présente sous forme d'un anneau entourant
une turbine à basse pression 401 dont il faut refroidir le stator 402. Le dispositif
mélangeur 400 est composé de deux tôles 403 et 404 embouties et unies l'une à l'autre
ensuite de façon à enclore des chambres 405, 406, 407 et 408 circulaires successives
et de section polygonale. Ces chambres sont toutes percées d'orifices 409 sur leur
face radialement interne, qui leur permettent de souffler du gaz de ventilation sur
des nervures 410 érigées sur le stator 402, qui leur font face. Le dispositif mélangeur
400 est alimenté en gaz par un conduit d'alimentation 411 au moins : comme le montage
du dispositif mélangeur est plus facile si celui-ci est construit en deux parties
semi-circulaires, on utilisera deux conduits d'alimentation au total si ces parties
semi-circulaires restent disjointes quand la machine est montée, et soit deux conduits
d'alimentation soit un seul si ces parties sont assemblées entre elles par des brides
de jonction de façon que les chambres 405 à 408 s'étendent sur un tour complet. La
construction à parties disjointes est plus simple mais moins bonne car une partie
de la machine est insuffisamment refroidie aux jonctions entre les boîtiers des dispositifs
de soufflage 400, et des irrégularités de ventilation et donc de déformation du stator
402 peuvent apparaître d'une moitié à l'autre du dispositif 400.
[0030] Quoi qu'il en soit, la figure 10 montre que le principe des réalisations précédentes
est conservé : s'il existe un seul conduit d'alimentation 411 qui joint la première
chambre 405, on trouve deux conduits 412 joignant les chambres 405 et 406 et quatre
conduits 413 joignant les chambres 406 aux chambres 407 et 408, les conduits 413 étant
percés d'orifices latéraux 414 en traversant la troisième chambre 407. Cette conception
de raccordement s'applique à une moitié circulaire du dispositif de soufflage 400
et est répétée pour l'autre moitié ; d'autres sont possibles, avec des nombres de
chambres et de tuyaux de connexion différents, selon l'extension angulaire des chambres.
[0031] La figure 11 montre le dispositif mélangeur 400 isolé. On voit que les chambres 405
à 408 ont des sections décroissantes, ce qui se justifie par le débit de gaz toujours
plus faible qui les atteint et les parcourt ; les figures 12 et 13 montrent que les
conduits 412 sont beaucoup plus larges que les conduits 413 à cause de leur plus petit
nombre et du plus gros débit qui y passe.
[0032] Les conduits 412 et 413 jouent parfaitement le rôle des orifices faisant communiquer
les chambres des autres réalisations et ne sont nécessaires qu'en raison de l'écartement
des chambres dans cette réalisation.
[0033] La figure 10 représente des cloisons 414 et 415 qui divisent respectivement les deux
dernières chambres 407 et 408 en compartiments dans chacun desquels débouche un seul
des conduits 413. Cette disposition favorise encore l'égalisation des débits et du
soufflage de ventilation pour chacune des chambres. Enfin, la figure 11 montre une
des brides 416 de jonction à l'autre moitié semi-circulaire du dispositif mélangeur
400.
1. Dispositif de soufflage de gaz à l'intérieur d'une turbomachine, s'étendant jusqu'à
un anneau de stator, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de chambres (12,
14, 15, 312, 313) en succession ayant des sections droites analogues et délimitées
par des cloisons (16, 17, 309, 310, 311) percées d'orifices (11, 16, 17, 18, 111,
324, 325, 326) toujours plus nombreux d'une cloison à l'autre vers l'anneau de stator,
les cloisons comprenant des cloisons de séparation entre chambres qui sont sensiblement
parallèles entre elles.
2. Dispositif de soufflage de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les
nombres d'orifices sont en progression géométrique d'une cloison à l'autre.
3. Dispositif de soufflage de gaz selon la revendication 2, caractérisé en ce que les
orifices sont deux fois plus nombreux d'une cloison à l'autre.
4. Dispositif de soufflage de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les
chambres (12, 14, 15) sont annulaires et séparées par des cloisons transversales dans
la turbomachine et en couronne.
5. Dispositif de soufflage de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que les
chambres (327, 312, 313, 328) sont sensiblement annulaires et séparées par des cloisons
(309, 310, 311) sensiblement cylindriques et concentriques.
6. Dispositif de soufflage de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend
une chambre d'ajustement thermique (6), délimitée par l'anneau (3), une desdites cloisons
et des murets parallèles (7) joints à l'anneau et s'étendant jusqu'à cette cloison,
les murets étant percés d'orifices (20) d'évacuation.
7. Dispositif de soufflage de gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anneau
(3) est joint à des murets (207, 320) percés d'orifices sinueux (208, 211, 212, 321)
par lesquels le gaz traverse les murets.
8. Dispositif de soufflage de gaz selon la revendication 7, caractérisé en ce que les
murets sont formés de deux peaux parallèles (209, 210, 320) séparées par une gorge
(208, 321).
9. Dispositif de soufflage de gaz selon la revendication 8, caractérisé en ce que les
chambres et les cloisons sont formées de capotages assemblés.
10. Dispositif de soufflage de gaz selon la revendication 9, caractérisé en ce que des
portions (322) des capotages sont engagées dans au moins certaines des gorges (321).
11. Dispositif de soufflage de gaz à l'intérieur d'une turbomachine s'étendant autour
d'au moins un anneau de stator, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de
chambres (405, 406, 407) disposées parallèlement en succession, ayant des étendues
analogues, des sections droites décroissantes, et reliées par des conduits (412, 413)
toujours plus nombreux d'une chambre à l'autre dans une direction d'écoulement du
gaz, les chambres étant percées d'orifices (409) donnant sur l'anneau de stator.
12. Dispositif de soufflage slr 11, caractérisé en ce que les nombres de conduits sont
en progression géométrique d'une liaison de chambre à une autre.
13. Dispositif de soufflage selon la revendication 12, caractérisé en ce que les conduits
sont deux fois plus nombreux d'une liaison de chambres à une autre.
14. Dispositif de soufflage selon la revendication 11, caractérisé en ce que les chambres
sont cloisonnées en zones dans chacune desquelles débouche un des conduits menant
à une chambre précédente selon la direction d'écoulement du gaz.