Agencement et procédé de réglage de diamètre d'anneau de stator

Abstract

 Agencement de réglage du diamètre d'un anneau (5) de turbomachine situé en face d'aubes mobiles (4) de rotor, et lié à un élément de carter (7). Ce dernier est creusé d'une cavité (16) communiquant à des chambres (21 et 23) autour de la veine (31) d'écoulement des gaz. Un léger courant d'air traverse la cavité (16), et il est suffisamment modéré pour que se développe une convection thermique qui uniformise la température de l'élément de carter (7) et de l'anneau (5) et donc le diamètre de celui-ci.

Description

[0001] L'invention concerne un agencement et un procédé de réglage de diamètre d'anneau de stator afin de réduire le jeu avec les extrémités d'aubes de rotor que cet anneau entoure ; elle s'applique donc aux turbomachines et a d'abord été conçue pour une turbine à haute pression d'une turbine en deux étages, sans que cette application soit exclusive.

[0002] La difficulté d'obtenir un jeu constant entre les rotors et les anneaux de stator qui les entourent pendant le fonctionnement du moteur est due aux dilatations et contractions mécaniques variables sous l'effet des variations de vitesse et de l'échauffement différentiel entre les éléments, à cause notamment de la différence des inerties thermiques. On est donc contraint d'accepter des jeux plus importants à certains régimes de fonctionnement, ce qui implique une perte de rendement.

[0003] Pour réduire ces jeux, il a déjà été proposé d'envoyer de l'air à une température variable sur le carter de turbine afin de favoriser la dilatation ou la contraction du carter soutenant l'anneau de stator. L'air est prélevé au compresseur et son débit est réglé en réponse à un paramètre du moteur indiquant par exemple la température ou la vitesse. Cet air pénètre ensuite dans ces conduits communément appelés « colliers à douche » disposés coaxialement autour du carter de turbine, puis s'en échappe par de multiples orifices et vient toucher le carter par des points d'impact. Mais on observe un défaut d'homogénéité du réglage à cause de ce caractère discontinu, concentré en quelques points, de la projection d'air, et des défauts sont aussi constatés dans certaines phases du vol, où il n'y a pas d'impact. C'est donc l'objet essentiel de l'invention que de proposer un agencement de réglage de jeu entre stator et rotor de ce genre tout en atténuant ou évitant cette ovalisation du carter de stator, en favorisant l'homogénéisation thermique de celui-ci.

[0004] L'agencement de réglage conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un élément de carter évidé et occupé par une cavité communiquant par des conduits à des chambres situées en amont et en aval de l'anneau et qui entourent une veine de circulation de gaz délimitée par l'anneau. Cet élément de carter est lié à l'anneau et situé entre l'anneau qui fait face au rotor et le dispositif environnant de soufflage de gaz.

[0005] Comme les chambres sont relativement isolées de la veine, elles ne sont parcourues que par de faibles courants et le gaz qui les emplit est à peu près stagnant devant les endroits où débouchent les conduits menant aux chambres , si bien que les écoulements à l'intérieur de la cavité sont essentiellement convectifs et favorisent ainsi l'homogénéisation de la température de l'élément de carter dans les meilleures conditions.

[0006] Le procédé correspondant de réglage de diamètre d'un anneau de stator lié à un pourtour interne d'élément de carter consiste, tout en soufflant du gaz sur un pourtour externe de cet élément comme auparavant, à produire un écoulement de gaz essentiellement convectif à travers l'élément de carter, à l'écart de l'anneau de stator et entre les pourtours externe et interne.

[0007] L'invention va maintenant être décrite à l'aide des figures suivantes, annexées à titre illustratif et non limitatif :

• la figure 1 est une vue générale de l'agencement et des pièces environnantes de la turbomachine,
• la figure 2 représente plus précisément les parties caractéristiques de l'invention,
• la figure 3 est une coupe de l'anneau de carter à travers la cavité,
• la figure 4 illustre un autre mode de réalisation de l'invention,
• et la figure 5 est une variante de cet autre mode de réalisation.

[0008] La figure 1 représente une partie de turbine à haute pression à un étage amont 1 et un étage aval 2. Chacun des étages 1 et 2 comprend, à partir d'un rotor 3 et vers l'extérieur, un groupe d'aubes mobiles 4 liées au rotor 3, une frette 5 entourant les aubes mobiles 4, dont elle est séparée par un petit jeu 6, un élément de carter 7 auquel la frette 5 est fixée par des ajustements 8 et 9 circulaires sur ses flancs amont et aval, et le distributeur de soufflage 10, appelé collier à douche comme on l'a déjà mentionné, et qui consiste en un tube circulaire traversé d'orifices 11 s'ouvrant vers l'élément de carter 7 à peu de distance de lui. Le distributeur de soufflage 10 est alimenté en air par un conduit non représenté menant au compresseur. Quant aux ajustements 8 et 9, ils consistent en des emboîtement de béquets circulaires 12 et 13 de la frette 5 de l'élément de carter 7 entre eux ou entre les lèvres d'un joint circulaire à section en U 14. Toutes ces dispositions déjà connues ne sont rappelées que pour mémoire et ne font donc pas l'objet d'une description détaillée. La frette 5 constitue donc l'anneau de stator dont il faut régler le diamètre pour optimiser la largeur du jeu 6.

[0009] L'élément essentiel de l'invention, mieux visible sur la figure 2, est situé sur une partie externe 15 de l'élément de carter 7, qui est creusé d'une cavité 16 divisée en deux moitiés, une gorge amont 17 et une gorge aval 18, par une cloison 19 transversale, plane et circulaire. Des conduits amont 20 menant à une chambre amont 21 débouchent dans la gorge amont 17, et de même des conduits aval 22 menant à une chambre aval 23 débouchent dans la gorge aval 18. Les chambres amont 21 et aval 23 sont situées autour des distributeurs aubagés 33 et 34 précédant chacun des étages d'aubes mobiles 4. Des anneaux d'aubes 35 et 36 destinés à soutenir les aubes des distributeurs 33 et 34 isolent les chambres 21 et 23 de la veine 31 de circulation des gaz dans laquelle les aubes fixes et mobiles s'étendent, de sorte que l'air qui occupe les chambres 21 et 23 est peu agité et reste même à peu près stagnant dans leurs fonds, où les conduits 20 et 22 débouchent. On remarque à ce sujet un capotage 40 qui isole un fond de chambre 41 du reste de la chambre 21 et dans lequel les conduits amont 20 débouchent. Le courant d'air pouvant parcourir la chambre 21 longe le capotage 40 et ne peut le traverser que par des perçages 42 perpendiculaires à son écoulement pour pénétrer dans le fond de chambre 41 L'écoulement vers l'aval à travers la cavité 16 et les conduits 20 et 22 est donc de faible débit, ce qui favorise les mouvements de convection et les échanges thermiques obtenus par ce moyen, notamment dans la cavité 16. La température de l'élément de carter 7 tend ainsi à s'égaliser sans qu'un prélèvement important d'air soit produit.

[0010] L'écoulement est encore ralenti par la position excentrée de jours 24 perçant la cloison 19 pour faire communiquer les gorges 17 et 18. Ces jours 24 sont en forme de lunules décalées axialement et radialement des conduits 20 et 22 : alors que ceux-ci débouchent au fond des gorges 17 et 18, les jours 24 sont opérés contre leur bord, près du distributeur 10, dont elles ne sont séparées que par une frette 25 intégrée à l'élément de carter 7 et servant à fermer la cavité 16 une fois celle-ci creusée. L'air parcourt la gorge amont 17 vers l'extérieur et rebrousse chemin dans la gorge aval 18 en traversant la cavité 16. La figure 3 montre aussi que les jours 24 s'étendent, en direction angulaire dans la cavité 16, à mi-chemin de paires des conduits amont 20 ou aval 22, ce qui produit un brassage de l'air dans la cavité 16. Toutes ces dispositions accroissent encore la convection.

[0011] De l'air provenant de la chambre amont 21 peut aussi être prélevé et dirigé directement vers la frette 5 d'anneau de turbine pour régler le diamètre de celle-ci directement.

[0012] On remarque aussi qu'un autre écoulement de la chambre amont 21 existe à travers l'élément de carter 7 de l'étage amont 1 de turbine, le long d'un canal 28 s'ouvrant sur une chambre 29 fermée par la frette 5. Un distributeur 30 en forme de plaque ajourée divise et égalise le flux d'air devant la surface interne de la frette 5. Il s'agit en vérité d'un système connu utilisé concurremment à l'invention et qui n'est rappelé ici que pour mieux distinguer cette dernière. En particulier, un débit relativement important de gaz est directement soufflé sur la frette 5.

[0013] Une autre réalisation importante est illustrée à la figure 4. Le circuit à convection est ici placé plus près de l'anneau de stator 5 et est dédoublé en deux éléments dont chacun est situé dans une nervure annulaire 43 ou 44 de liaison d'un carter extérieur 45 à une entretoise 46 porteuse de l'anneau de stator 5. Les nervures 43 et 44 sont munies de béquets 47 engagés sous des bordures de retenue 48 de l'entretoise 46 pour constituer cette liaison, et on retrouve un béquet 49 sur l'entretoise 46, qui est engagé sous une bordure 50 de l'anneau de stator 5 ; toutes ces bordures 48 et 50 sont retenues dans des gorges circulaires dessinées par les béquets 47 et 49. Enfin, un cavalier 51 relie entre elles deux brides circulaires 52 et 53 de l'entretoise 30 et de l'anneau de stator 5 pour interdire à celui-ci un déplacement axial.

[0014] Les deux éléments du circuit à convection comprennent ici aussi une cavité 16 divisée en deux gorges circulaires parallèles 17 et 18 par une cloison 19. Mais, contrairement à la réalisation précédente, les conduits de communication de gorges à l'extérieur s'étendent autour des cavités 16, et les jours (54 ici) percés à travers les cloisons 19 sont situés à leurs circonférences intérieures pour être décalés radialement des conduits, comme dans la réalisation précédente. Ils peuvent aussi être décalés angulairement de ces conduits. Les conduits amont 55 de la cavité 16 dans la nervure 43 débouchent dans une chambre collectrice circulaire 56 sensiblement fermée par un capotage 57 et qui communique à des conduits d'alimentation en gaz 65 par autant de perçages 58. Les conduits aval 59 de cette même cavité 16 débouchent dans une chambre intermédiaire 60 dans laquelle débouchent encore les conduits amont 61 de l'autre cavité 16, située dans la nervure 14 ; les conduits aval 62 de cette autre cavité 16 débouchent dans une autre chambre 66. Un capotage déflecteur 67 est disposé dans la chambre 56, devant le débouché des conduits d'alimentation en gaz 65, pour infléchir l'écoulement de celui-ci et lui faire prendre progressivement une direction angulaire. Un conduit amont 55 est abrité de l'entrée des gaz par le capotage déflecteur 67 et se retrouve donc dans un fond de la chambre 56 où le gaz est à peu près stagnant. Un avantage de cette réalisation est lié à la présence des cavités 16 dans des nervures 13 et 14 épaisses et rigides par rapport aux éléments environnants et proches de l'anneau de stator 5. Cette circonstance permet de régler avec précision et rapidité le jeu 6 entre les aubes 4 et l'anneau de stator 5. Le gaz soufflé par les orifices 58 et circulant le long de la chambre collectrice circulaire 56 assure par cela même la mise de l'anneau de stator 5 au diamètre moyen souhaité,et la circulation par convection du gaz à travers les cavités 16 assure l'uniformisation du diamètre sur la circonférence. De plus, les cavités 16, creusées dans des nervures 13 et 14 nécessaires par ailleurs pour soutenir l'anneau de stator 5, ne nécesessitent pas d'ajouter un élément particulier dans la machine. Une autre économie provient de l'unité du circuit de convection pour les deux cavités 16.

[0015] La figure 5 montre enfin l'application de ce système à une réalisation dépourvue de l'entretoise 30 : les éléments de fixation 49 à 53 définis plus haut unissent alors directement l'anneau de stator 5 aux nervures 13 et 14. Toutes les autres dispositions de la figure 4 sont inchangées.

Revendications

1. Agencement de réglage de diamètre d'un anneau de stator (5) au moyen d'un dispositif environnant (10,56,65) de soufflage de gaz, caractérisé en ce qu'il comprend, lié à l'anneau (5) et situé entre l'anneau et le dispositif de soufflage de gaz (10,56, 65), un élément de carter (7,43,44,45) évidé et occupé par une cavité (16) communiquant par des conduits (20, 22,55,59,61,62) à des chambres (21,23,56,60,663) en amont et en aval de l'anneau qui entourent une veine de circulation de gaz délimitée par l'anneau,et qui sont occupées par du gaz à peu près stagnant devant les conduits (20,22,55,61,62), la cavité (16) et les conduits (20,22,55,59,61,62) s'étendant à l'écart de l'anneau de stator.

2. Agencement de réglage de diamètre d'anneau de stator suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité est divisée par une cloison (19) ajourée une moitié amont (17) dans laquelle débouchent les conduits (20,55,61) communiquant à la chambre amont (21,56,60) et une moitié aval (18) dans laquelle débouchent les conduits (22,59,62) communiquant à la chambre aval (23,60,66).

3. Agencement de réglage de diamètre d'anneau de stator suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la cloison (19) est pourvue de jours (24,54) décalés radialement des conduits.

4. Agencement de réglage de diamètre d'anneau de stator suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la cloison est pourvue de jours (24,54) décalés angulairement des conduits.

5. Agencement de réglage de diamètre d'anneau de stator suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une des chambres (21) appartient à un circuit de soufflage de gaz sur l'anneau de stator (5).

6. Agencement de réglage de diamètre d'anneau de stator suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une des chambres (56) appartient au dispositif environnant de soufflage de gaz.

7. Agencement de réglage de diamètre d'anneau de stator suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la cavité est disposée sur une nervure (13,14) de soutien de l'anneau de stator.

8. Agencement de réglage de diamètre d'anneau de stator suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend deux cavités disposées dans deux nervures (13,14) parallèles de soutien de l'anneau de stator, les cavités (16) communiquant entre elles par des conduits (59,61) et une chambre intermédiaire (60).

9. Agencement de réglage de diamètre d'anneau de stator suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une des chambres (21,56) est siège d'un écoulement de gaz et en ce qu'un capotage (40,67) situé dans ladite chambre y délimite un fond de chambre (41) sensiblement dépourvu d'écoulement dans lequel débouchent les conduits (20,55) de la cavité communiquant à ladite chambre.

10. Procédé de réglage de diamètre d'un anneau de stator (5) lié à un pourtour interne d'un élément de carter (7), consistant à souffler du gaz sur un pourtour externe de l'élément de carter, caractérisé en ce qu'il consiste à produire un écoulement de gaz essentiellement convectif à travers l'élément de carter, à l'écart de l'anneau de stator et entre les pourtours interne et externe.

Dessins