EP1288444A1 - Attachement des éléments de stator dans le carter d'une turbomachine - Google Patents

Attachement des éléments de stator dans le carter d'une turbomachine Download PDF

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EP1288444A1
EP1288444A1 EP20020292127 EP02292127A EP1288444A1 EP 1288444 A1 EP1288444 A1 EP 1288444A1 EP 20020292127 EP20020292127 EP 20020292127 EP 02292127 A EP02292127 A EP 02292127A EP 1288444 A1 EP1288444 A1 EP 1288444A1
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EP
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hooks
rings
stator
casing
envelope
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EP1288444B1 (fr
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François Crozet
Daniel Didier
Christian Ducrocq
Sébastien Imbourg
Laurent Palmisano
Jean-Marc Rongvaux
André Verbrugge
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Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA Moteurs SA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/20—Actively adjusting tip-clearance
    • F01D11/24—Actively adjusting tip-clearance by selectively cooling-heating stator or rotor components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/08—Cooling; Heating; Heat-insulation
    • F01D25/14—Casings modified therefor
    • F01D25/145—Thermally insulated casings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/246—Fastening of diaphragms or stator-rings

Definitions

  • such a room includes hooks to support floor-bearing rings of fixed vanes.
  • These hooks extend the structure of the casing close to the gas vein and so are subject to much higher temperatures than the envelope.
  • the unfavorable situation of square brackets obliges to take special precautions for protect from overheating, at the cost of a great complication of the structure of the machine to this place and without complete success being achieved, hooks can still require repairs early.
  • the invention relates to a housing improved, both less expensive, easier to build, more sustainable, to the structure rather simplified and which requires less protection against heat.
  • stator housing comprising an envelope and stator ring hooks on an inner face of the envelope, characterized in that the hooks are separate from the envelope, joined to the envelope by means of assembly and extend only to circle sectors. It follows from this definition that the continuous structure casing is abandoned and the hooks become pieces that are brought back to the envelope.
  • the hooks are of a single genus and with enlarged ends; they each support a stator ring carrying vanes fixed, and are divided into circular rows in number identical to said carrier stator rings fixed vanes; they can then understand ring ends housing grooves alternating with the stator rings fixed blade carriers.
  • FIG. 1 illustrates a conception of the prior art
  • the figures 2 and 3 represent two possible embodiments of the invention
  • the stator of a known kind of Figure 1 has a casing 1 consisting of an envelope 2 and hooks that can be found essentially two kinds: flat hooks 3 and hooks with heel 4 alternating along the axis of the machine. All hooks 3 and 4 are circular and connected to the casing 2 by a wing 5 without structural discontinuity. They wear rings of stator 6 and sealing rings 7 alternating which together form a lining of the housing by isolating it a vein 8 gas flow of the machine. These rings 6 and 7 are composed of ring areas juxtaposed and joined by sealing tabs housed in grooves next to the sectors adjacent.
  • the stator rings 6 carry vanes fixed and comprise a base plate 10 provided with hooks 11 and 12 on the front and back side outside.
  • the sealing rings 7 carry seals 13 of abradable material extending in front of the ends of moving blades 14 and comprise a base plates 15 ending at the front in a hook 16 and an inner hook 17. These hooks 16 and 17 are arranged to frame the heel 18 hooks 4 while retaining the rear hooks 12 stator rings 6 on said hooks 4.
  • the base plates 15 sealing rings 7 lean back on the single hooks 3, and this assembly is framed by the base plate 10 and the front hooks 11 of the stator rings 6.
  • the assembly thus obtained is rigid but complicated ; it allows to cover hooks 3 and 4 by the ends of the rings 6 and 7, without exposing them directly at the high temperature of the vein gases 8. But this protection is not enough, all the more less than hot gas leaks to the casing 1 remain possible despite the seals can provide, in particular between the angular sectors rings 6 and 7: we must in practice refresh the casing 1 by a fresh air flow of ventilation taken from another part of the machine and that is blown into the rooms delimited by the envelope 2, the hooks 3 and 4 and the rings 6 and 7.
  • the casing 21 of FIG. previously an outer envelope 22 and brackets 23 and 24 of different kinds alternating the along the machine and which still serve to support stator rings 26 and sealing 27 alternating them as well ; but square brackets 23 and 24 show the particularities (reference is also made to Figure 4) of only extend over sectors of the circle, but to be divided into circular rows, and to understand each of the tenons 28 crossing respective mortises 29 of the envelope 22.
  • the fixation boxes 23 and 24 to the envelope 22 is made by shrinking, welding or bolting.
  • hooks 23 and 24 will be well resistant alloys well to warming up (and possibly different depending on the location of the hook considered and the temperature surrounding), which was excluded before; and the envelope 22 will be in a more ordinary alloy, less expensive and easier to shape. It is to highlight that the greater ease of manufacture offered by the separate fabrications of the envelope 22 and hooks 23 and 24 is another source of economy.
  • hooks 24 may be different or not heel hooks 4 and include a pair of grooves 30 and 31 opposite; the concept of the stator rings 26 is similar to the previous 6 rings, as well as for sealing rings 27.
  • the hooks 24 which replace hooks 4 are now exposed to the gases of the vein 8, but this is not harmful now that we have the ability to build them out of a material sufficiently heat resistant, such as the M509 (KC24NWTZ) for a temperature above 900 ° C or the RENE77 (NK15CADT) for a lower temperature.
  • the outer shell 22 can be protected by a lining comprising an inner skin 33 and a heat insulation 34 between the inner skin 33 and the envelope 22.
  • the inner skin 33 and the thermal insulation 34 can be easily installed by operating recesses allowing the hooks 23 and 24 of the to cross. Since hooks 23 and 24 do not form continuous circles, the inner skin 33 and the heat insulation 34 remain in one piece and can so be easily installed and maintained without special precautions even if the inner skin 33 is a fairly flexible metal sheet: you can example press it on the sealing rings 27.
  • Insulation 34 offers protection passive against the heat that does not contribute to refresh hooks 23 and 24, unlike a ventilation system ; but some hooks more refractory often do not need to be refreshed, while heat insulation 34 can be easily modeled closely around hooks 23 and 24, which eliminates hot gas leaks to the envelope 22; it offers the added benefit of extend, like the inner skin 33, in front of junctions of the sectors of rings 26 and 27 and replace the seals installed there and whose we can now do without: the sectors of rings 26 and 27 will then be juxtaposed with games, their edges being simple, devoid of grooves or other means for accommodating intermediate joints, and vein gas leaks will be tolerated up to the inner skin 33.
  • heat insulation 34 is a preferred means of protecting the envelope 22; he is not incompatible with a reduced refra ⁇ ch ordinance hooks 23 and 24 (by a system that will be discussed further), but we can go back to a breakdown active if insufficient: the inner skin 33 subsist to stop hot gas leaks and channel the ventilation air in the meantime now empty between it and the envelope 22.
  • the housing design 39 of FIG. differs substantially from the previous one in that the brackets of two kinds are replaced by brackets 40 of a single genus each of which includes an end widened dovetail or tee to support a respective stator ring 41 which is provided on its side outside of two hooks 42 and 43 turned one towards the other and who commit to the enlargements of the end of the brackets 40.
  • hooks 40 and the stator rings 41 are located at same cross-sections of the machine and that each stator ring 41 is supported by a single row of hooks 40; this solution has two times less of hooks than the previous ones, and the rings 7 and 27 are replaced by rings 44 wider, with 45 base plates without hooks and whose ends are either placed on the hooks 42 and 43 of the stator rings 41, or enter grooves 46 hooks 40.
  • the hooks 40 are provided with pairs of pins 47 crossing mortises 48 corresponding to a outer casing 49 of the casing 39. It is still possible install an internal skin 50 provided with a thermal insulation 51 to isolate the envelope 49.
  • a function to satisfy very often in the turbomachines is a radial game piloting so to improve the efficiency of the machine to some regimes.
  • air blowing devices which consist of perforated annular ramps 52 surrounding the housing 39, and disposed at best in front of its most massive parts, here formed by the rows of hooks 40.
  • Ramps 52 are powered by a distributor 53 which divides towards each of them, and the air blowing out ramps 52 to through holes 54 oriented towards the pins 47 of the hooks 40. Cooling more or less energetic operation on the casing 39 makes it possible to adjust its temperature and its corresponding dilatation, and therefore the games between the tips of the blades and the devices sealing including rings 44.
  • a sheet 55 surrounding the housing 39 can be added to channel the blowing air to an outlet; if she completely covers the ramps 52, the appearance of the device is improved.
  • This device designed primarily for piloting games, presents the ability to be as can be used to ventilate hooks directly 40 thanks to the blowing on the pins 47, as well as envelope 49 slipping on it; in this mode of particular achievement, it only requires a number reduced by 52 because of the decrease in the number of rows of hooks.
  • a similar device could equip the embodiment of Figure 2.

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Abstract

Un carter (39) comprend une enveloppe extérieure (49) munie de crochets (40) de support d'anneaux de stator (41) et d'étanchéité (44) ; les crochets (40) sont discontinus angulairement et joints à l'enveloppe (49) par des assemblages à tenon et mortaise (47, 48). Une seule rangée de crochets (40) peut être prévue par anneau de stator (41). Les crochets et l'enveloppe peuvent ainsi être construits en matières différentes, celle des crochets résistant bien à l'échauffement et l'autre se prêtant mieux à l'usinage et au façonnage. La ventilation, le pilotage des jeux et la protection thermique sont facilités. <IMAGE>

Description

Il sera ici traité d'un carter de stator de turbomachine.
Outre une peau extérieure constituant l'enveloppe du stator, une telle pièce comprend des crochets pour soutenir des anneaux porteurs d'étages d'aubes fixes. Ces crochets prolongent la structure du carter jusque près de la veine des gaz et sont donc soumis à des échauffements beaucoup plus importants que l'enveloppe. La situation défavorable des crochets oblige à prendre des précautions particulières pour les protéger des échauffements, au prix d'une grande complication de la structure de la machine à cet endroit et sans qu'un succès complet soit obtenu, les crochets pouvant tout de même exiger des réparations précoces.
L'invention est relative à un carter amélioré, à la fois moins coûteux, plus facile à construire, plus durable, à la structure plutôt simplifiée et qui demande moins de protection contre la chaleur.
Sous sa forme la plus générale, il s'agit d'un carter de stator comprenant une enveloppe et des crochets d'anneaux de stator sur une face interne de l'enveloppe, caractérisé en ce que les crochets sont distincts de l'enveloppe, unis à l'enveloppe par des moyens d'assemblage et ne s'étendent que sur des secteurs de cercle. Il ressort de cette définition que le carter à structure continue est délaissé et que les crochets deviennent des pièces qu'on rapporte à l'enveloppe.
Plusieurs caractéristiques supplémentaires de l'invention, qui sortent de cette définition générale mais présentent un grand intérêt, seront exposées et détaillées plus loin, mais il faut déjà faire remarquer que dans une réalisation particulièrement originale, les crochets sont d'un genre unique et aux extrémités élargies ; ils soutiennent chacun un anneau de stator porteur d'aubes fixes, et sont répartis en rangées circulaires en nombre identique auxdits anneaux de stator porteurs d'aubes fixes ; ils peuvent alors comprendre des rainures de logement d'extrémités d'anneaux d'étanchéité alternant avec les anneaux de stator porteurs d'aubes fixes.
L'invention sera décrite plus abondamment en liaison aux figures ci-dessous : la figure 1 illustre une conception de l'art antérieur, les figures 2 et 3 représentent deux modes de réalisation possibles de l'invention, et la figure 4 est une vue en perspective du premier de ces modes.
Le stator d'un genre connu de la figure 1 est muni d'un carter 1 composé d'une enveloppe 2 extérieure et de crochets dont on peut trouver essentiellement deux genres : des crochets plats 3 et des crochets à talon 4 alternant le long de l'axe de la machine. Tous les crochets 3 et 4 sont circulaires et raccordés à l'enveloppe 2 par une aile 5 sans discontinuité de structure. Ils portent des anneaux de stator 6 et des anneaux d'étanchéité 7 alternant qui forment ensemble une doublure du carter en l'isolant d'une veine 8 d'écoulement des gaz de la machine. Ces anneaux 6 et 7 sont composés de secteurs d'anneau juxtaposés et joints par des languettes d'étanchéité logées dans des rainures en regard des secteurs adjacents.
Les anneaux de stator 6 portent des aubes fixes et comprennent une plaque de base 10 munie de crochets 11 et 12 à l'avant et à l'arrière du côté extérieur. Les anneaux d'étanchéité 7 portent des garnitures 13 de matière abradable s'étendant devant les extrémités d'aubes mobiles 14 et comprennent une plaques de base 15 finissant à l'avant en un crochet extérieur 16 et un crochet intérieur 17. Ces crochets 16 et 17 sont disposés de façon à encadrer le talon 18 des crochets 4 tout en retenant les crochets arrière 12 des anneaux de stator 6 sur lesdits crochets 4. Les plaques de base 15 des anneaux d'étanchéité 7 s'appuient à l'arrière sur les crochets simples 3, et cet assemblage est encadré par la plaque de base 10 et les crochets antérieurs 11 des anneaux de stator 6.
L'assemblage ainsi obtenu est rigide mais compliqué ; il permet de couvrir les crochets 3 et 4 par les extrémités des anneaux 6 et 7, sans les exposer directement à la température élevée des gaz de la veine 8. Mais cette protection n'est pas suffisante, d'autant moins que des fuites de gaz chauds vers le carter 1 restent possibles malgré les joints d'étanchéité qu'on peut prévoir, notamment entre les secteurs angulaires des anneaux 6 et 7 : on doit en pratique rafraíchir le carter 1 par un écoulement d'air frais de ventilation soutiré d'une autre partie de la machine et qui est soufflé dans les chambres délimitées par l'enveloppe 2, les crochets 3 et 4 et les anneaux 6 et 7.
Le carter 21 de la figure 2 comprend comme précédemment une enveloppe 22 extérieure et des crochets 23 et 24 de genres différents alternant le long de la machine et qui servent encore à soutenir des anneaux de stator 26 et d'étanchéité 27 alternant eux aussi ; mais les crochets 23 et 24 présentent les particularités (on se reporte aussi à la figure 4) de ne s'étendre que sur des secteurs de cercle, mais d'être répartis en rangées circulaires, et de comprendre chacun des tenons 28 traversant des mortaises 29 respectives de l'enveloppe 22. La fixation des corchets 23 et 24 à l'enveloppe 22 est faite par frettage, soudage ou boulonnage.
Comme l'enveloppe 22 et les crochets 23 et 24 sont des pièces séparées, il devient possible de les construire en matières différentes : les crochets 23 et 24 seront ainsi en alliages résistant bien à l'échauffement (et éventuellement différents selon l'emplacement du crochet considéré et la température environnante), ce qui était exclu auparavant ; et l'enveloppe 22 sera en un alliage plus ordinaire, moins coûteux et plus facile à façonner. Il est à noter que la facilité de fabrication plus grande offerte par les fabrications séparées de l'enveloppe 22 et des crochets 23 et 24 est une autre source d'économie.
Si les crochets 23 sont des crochets simples analogues aux crochets 3, les crochets 24 peuvent être différents ou non des crochets à talon 4 et comprennent une paire de rainures 30 et 31 opposées ; le concept des anneaux de stator 26 est analogue aux anneaux 6 précédents, ainsi que pour les anneaux d'étanchéité 27. Les crochets 24 qui remplacent les crochets 4 sont désormais exposés aux gaz de la veine 8, mais cela n'est pas dommageable maintenant qu'on a la faculté de les construire en un matériau suffisamment résistant à la chaleur, tel que le M509 (KC24NWTZ) pour une température supérieure à 900°C ou le RENE77 (NK15CADT) pour une température inférieure.
L'enveloppe extérieure 22 peut être protégée par une doublure comprenant une peau interne 33 et un calorifugeage 34 entre la peau interne 33 et l'enveloppe 22. La peau interne 33 et le calorifugeage 34 peuvent être facilement installés en y opérant des évidements permettant aux crochets 23 et 24 de les traverser. Comme les crochets 23 et 24 ne forment pas des cercles continus, la peau interne 33 et le calorifugeage 34 restent d'un seul tenant et peuvent donc être installés facilement et maintenus sans précautions particulières même si la peau interne 33 est une feuille métallique assez souple : on peut par exemple l'appuyer sur les anneaux d'étanchéité 27.
Le calorifugeage 34 offre une protection passive contre la chaleur qui ne contribue nullement à rafraíchir les crochets 23 et 24, contrairement à un système de ventilation ; mais des crochets en matière plus réfractaire n'ont souvent plus besoin d'être rafraíchis, alors que le calorifugeage 34 peut être aisément modelé étroitement autour des crochets 23 et 24, ce qui supprime les fuites de gaz chauds vers l'enveloppe 22 ; il offre l'avantage supplémentaire de s'étendre, comme la peau interne 33, devant les jonctions des secteurs des anneaux 26 et 27 et de suppléer aux joints d'étanchéité installés là et dont on pourra donc désormais se passer : les secteurs des anneaux 26 et 27 seront alors juxtaposés avec des jeux, leurs bords étant simples, dépourvus de rainures ou d'autres moyens de logement de joints intermédiaires, et les fuites des gaz de la veine seront tolérées jusqu'à la peau interne 33.
On aura compris que le calorifugeage 34 est un moyen préféré de protection de l'enveloppe 22 ; il n'est pas incompatible avec un refraíchissement réduit des crochets 23 et 24 (par un système dont on parlera plus loin), mais on pourra revenir à une ventilation active s'il est insuffisant : la peau interne 33 subsistera pour arrêter les fuites de gaz chauds et canaliser l'air de ventilation dans l'intervalle désormais vide entre elle et l'enveloppe 22.
La conception du carter 39 de la figure 3 diffère sensiblement de la précédente en ce que les crochets de deux genres sont remplacés par des crochets 40 d'un genre unique dont chacun comprend une extrémité élargie en queue d'aronde ou en té pour soutenir un anneau de stator 41 respectif qui est muni sur son côté extérieur de deux crochets 42 et 43 tournés l'un vers l'autre et qui s'engagent sur les élargissements de l'extrémité des crochets 40. Cela implique que les crochets 40 et les anneaux de stator 41 sont situés aux mêmes coupes transversales de la machine et que chaque anneau de stator 41 est soutenu par une seule rangée de crochets 40 ; cette solution comporte deux fois moins de crochets que les précédentes, et les anneaux d'étanchéité 7 et 27 sont remplacés par des anneaux d'étanchéité 44 plus larges, aux plaques de base 45 dépourvues de crochets et dont les extrémités sont soit posées sur les crochets 42 et 43 des anneaux de stator 41, soit pénètrent dans des rainures 46 des crochets 40. Comme dans le mode de réalisation précédent, les crochets 40 sont munis de paires de tenons 47 traversant des mortaises 48 correspondantes d'une enveloppe 49 extérieure du carter 39. On peut encore installer une peau interne 50 munie d'un calorifugeage 51 pour isoler l'enveloppe 49.
Une fonction à satisfaire très souvent dans les turbomachines est un pilotage de jeux radiaux afin d'améliorer le rendement de la machine à de certains régimes. On y parvient, comme dans des conceptions connues, par des dispositifs de soufflage d'air qui consistent en des rampes annulaires perforées 52 entourant le carter 39, et disposées au mieux devant ses parties les plus massives, ici formées par les rangées de crochets 40. Les rampes 52 sont alimentées par un distributeur 53 qui se divise vers chacune d'elles, et l'air de soufflage sort des rampes 52 à travers des perçages 54 orientés vers les tenons 47 des crochets 40. Le rafraíchissement plus ou moins énergique opéré sur le carter 39 permet d'ajuster sa température et sa dilatation correspondante, et donc les jeux entre les bouts des aubes et les dispositifs d'étanchéité comprenant notamment les anneaux 44. Une tôle 55 entourant le carter 39 peut être ajoutée pour canaliser l'air de soufflage vers un exutoire ; si elle couvre complètement les rampes 52, l'aspect du dispositif est amélioré.
Ce dispositif, conçu avant tout pour piloter des jeux, présente la faculté d'être aussi utilisable pour ventiler directement des crochets 40 grâce au soufflage sur les tenons 47, ainsi que l'enveloppe 49 en glissant sur elle ; dans ce mode de réalisation particulier, il ne nécessite qu'un nombre réduit de rampes 52 grâce à la diminution du nombre des rangées de crochets. Un dispositif analogue pourrait équiper la réalisation de la figure 2.

Claims (8)

  1. Carter (21, 39) de stator comprenant une enveloppe (22, 41) et des crochets d'anneaux (26, 27, 41, 44) sur une face interne de l'enveloppe, les crochets (23, 24, 40) étant distincts de l'enveloppe, unis à l'enveloppe par des moyens d'assemblage et ne s'étendant que sur des secteurs de cercle, caractérisé en ce que les crochets sont munis de rainures opposées (30, 31) de soutien d'au moins deux des anneaux, les anneaux étant composés d'anneaux d'étanchéité alternant avec des anneaux de stator porteurs d'aubes fixes, les anneaux de stator étant unis aux crochets par des portions s'étendant sur leur côté extérieur.
  2. Carter de stator selon la revendication 1, caractérisé en ce que les anneaux sont assemblés à certains des crochets (24) de manière à laisser partiellement exposés lesdits crochets, une des rainures soutenant un des anneaux d'étanchéité et l'autre des rainures soutenant un des anneaux de stator.
  3. Carter de stator selon la revendication 1, caractérisé en ce que les crochets (40) sont d'un genre unique à extrémités élargies, soutiennent chaucun un anneau de stator (41) porteur d'aubes fixes, et sont répartis en rangées circulaires en nombre identique auxdits anneaux de stator porteurs d'aubes fixes, les anneaux d'étanchéité ayant des extrémités qui soit sont posées sur des portions des anneaux de stator soutenus par les crochets, soit engagées dans les rainures des crochets.
  4. Carter de stator selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'assemblage comprennent un ou plusieurs tenons pour chaque crochet et des mortaises (48) opérées dans l'enveloppe et occupées par les tenons (47).
  5. Carter de stator selon la revendication 4, caractérisé en ce que les tenons traversent l'enveloppe et qu'un système de soufflage d'air par des rampes circulaires (52) entoure l'enveloppe, les rampes (52) étant perforées (53) devant les tenons (47).
  6. Carter de stator selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les crochets et l'enveloppe sont en matières différentes.
  7. Carter de stator selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une peau (33) interne à l'enveloppe, séparée d'elle par un intervalle et formée d'une feuille continue mais traversée par les crochets à des endroits où elle est percée.
  8. Carter selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'un corps de calorifugeage (34) emplit l'intervalle.
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