FR2491138A1 - Procede pour controler le jeu radial entre les ailettes et le stator dans un moteur a turbine a gaz et moteur a turbine a gaz avec dispositif pour la mise en oeuvre du procede - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF ET UN PROCEDE POUR FOURNIR DE L'AIR DE REFROIDISSEMENT DE LA SECTION DE COMPRESSION VERS LA SECTION A TURBINE D'UN MOTEUR A TURBINE A GAZ A COURANT AXIAL. UN FLUIDE DE REFROIDISSEMENT INTERNE DE LA REGION DE DECHARGE 52 DU COMPRESSEUR ARRIERE 18 EST UTILISE POUR MODULER LE COURANT D'UN SECOND FLUIDE DIRIGE CONTRE L'EXTERIEUR DU CARTER EXTERNE 24 POUR CONTROLER LE JEU ENTRE UNE SERIE D'AILETTES 26 DE ROTOR ET UNE SANGLE REFROIDISSABLE 64 DU STATOR ESPACE RADIALEMENT VERS L'EXTERIEUR DES AILETTES. UNE SOUPAPE 32 POUR MODULER LE COURANT DU SECOND FLUIDE A AU MOINS UN RESSORT THERMOSTATIQUE BIMETALLIQUE POUR PRODUIRE EN REPONSE A UNE VARIATION DE LA TEMPERATURE DU FLUIDE DECHARGE PAR LE COMPRESSEUR ARRIERE UN DEPLACEMENT D'UNE TETE DE SOUPAPE POUR CONTROLER LE DEBIT DU SECOND FLUIDE. DE CETTE FACON ON MINIMISE L'EFFET DE VARIATIONS NON PROGRAMMEES DE LA TEMPERATURE DES FLUIDES DE REFROIDISSEMENT SUR LE JEU RADIAL DANS LA SECTION A TURBINE.

Description

L'invention concerne les machines rotatives à courant axial et elle se

rapporte en particulier à un dispositif

et un procédé pour contrôler le jeu radial entre les élé-

ments rotatifs et les éléments stationnaires dans la sec-

tion de la turbine d'un tel moteur.

Les machines rotatives à courant axial, tels que les moteurs à turbine à gaz, ont normalement une section de compression, une section de combustion et une section à turbine. Lors du fonctionnement de la machine rotative, les gaz du milieu de travail s'écoulent à travers ces sections du moteur. Les gaz sont comprimés dans la section de compression, brûlés avec du carburant dans la section

de combustion et peuvent s'étendre dans la section à turb -

ine. Un ensemble de rotor s'étend axialement à travers la section à turbine. L'ensemble du rotor reçoit de l'énergie des gaz du milieu de travail par plusieurs ensembles d'étages de rotor. Chaque ensemble d'un étage de rotor comporte un disque et plusieurs ailettes de rotor s'étendant vers l'extérieur du disque à travers le trajet d'écoulement du milieu de travail. Une structure de stator entoure la structure du rotor. La structure du stator comporte souvent une sangle, formée par exemple par plusieurs moyens d'étanchéité externes, qui entoure les ailettes du rotor. Cette sangle est espacée de l'ensemble du rotor pour accommoder des différences de croissance transitoire entre

l'ensemble de l'étage du rotor et la structure du stator.

Cependant, ce jeu permet aux gaz du milieu de travail de s'écouler autour des sommets des aubes du rotor au lieu

de s'écouler par le trajet d'écoulement du milieu de tra-

vail entre les ailettes du rotor. Cette fuite du milieu

de travail au-dessus des sommets des aubes limite le rende-

ment possible de l'étage et la performance du moteur.

Dans les moteurs modernes, le jeu entre les ailettes du rotor et le moyen d'étanchéité externe est réduit par le refroidissement d'une partie du carter du moteur. En outre, un milieu de refroidissement, tel que de l'air pressurisé par un étage de compression disposé en amont de la section

à turbine, et normalement employé pour refroidir les élé-

ments internes du moteur, tel que le disque, le moyen

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-2- d'étanchéité externe et les ailettes du rotor qui sont situées dans le courant à haute température des gaz du milieu de travail afin d'augmenter leur durée de vie. Ce milieu de refroidissement interne affecte aussi le jeu

radial entre les ailettes du rotor et le moyen d'étan-

chéité externe. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique 4 069 662 et 4 019 320 concernent des moteurs à turbine à gaz dans lesquels le diamètre de la structure de stator entourant le rotor est réduit par refroidissement d'une partie du carter. Selon le brevet des Etats-Unis d'Amértie 4 069 662 de l'air de refroidissement d'un étage du compresseur est conduit à l'extérieur du moteur et soufflé contre le côté externe de la structure externe du stator pour refroidir la structure du stator pour la contracter vers l'intérieur afin de maintenir le jeu à une certaine valeur minimale prédéterminée pendant une parte du cycle

de fonctionnement du moteur.

Beaucoup d'avions à réaction modernes sont construits pour servir comme navette effectuant des vols à durée relativement courte en comparaison aux avions utilisés sur les routes transocéaniques. La figure 9 représente le jeu en fonction du temps pendant un cycle de vol d'une navette. Lors d'un tel vol de navette l'avion met un tiers de la durée de vol pour le décollage et la montée vers l'altitude, un tiers pour le vol en croisière et le dernier tiers de la durée de vol pour la descente et l'atterrissage. Il est désirable de prévoir un contrôle

du jeu entre la structure rotative et la structure station-

naire sur une grande partie du cycle de vol pour obtenir une performance maximale du moteur. En outre, il est désirable de tenir automatiquement compte des variations du jeu qui résultent des changements de la température ambiante et de la détérioration des éléments du moteur pour assurer que les jeux pour accommoder ces variations

ne soient pas excessivement grands.

Selon la présente invention, la température d'un fluide déchargé par le compresseur arrière, ce -fluide étant acheminé vers l'arrière dans un moteur à turbine à gaz pour refroidir une partie d'un ensemble d'étage de Of rotor et une sangle entourant cet ensemble et située à l'intérieur d'un carter externe, est utilisée pour régler le courant de l'air de refroidissement soufflé contre l'extérieur du carter externe pour le réglage du jeu afin de tenir compte de l'effet du changement de la température de l'air ambiant et de la détérioration des éléments de construction du moteur sur le jeu radial entre les sommets

des ailettes du rotor et la sangle entourant ces ailettes.

Selon un mode de réalisation de la présente invention,

une soupape pour contrôler le courant de l'air de refroi-

dissement externe est directement sensible à la température du fluide employé pour refroidir l'ensemble du rotor et

la sangle entourant ce rotor.

Une caractéristique principale de la présente inven-

tion est la région de décharge du compresseur arrière.

Cette région fournit un premier fluide employé pour

régler le jeu radial entre les sommets d'une série d'ailet-

tes de rotor et une sangle du stator entourant ces ailet-

tes. Une autre caractéristique est un carter externe situé à l'extérieur de cette sangle et de l'ensemble du rotor, carter qui est refroidit par un second fluide soufflé contre l'extérieur du carter externe. Le débit du second fluide est choisit en fonction de la température du premier fluide. Une soupape pour moduler le débit du second fluide comporte plusieurs ressorts thermostatiques bimétalliques

sensibles à la température du premier fluide.

Un avantage principal de la présente invention est l'augmentation du rendement qui résulte du maintient d'un jeu approprié entre les sommets d'une série d'ailettes

du rotor et la sangle entourant ces ailettes. Un jeu prédé-

terminé qui n'est pratiquement pas affecté par des varia-

tions de la température ambiante résulte de la modulation du courant d'air de refroidissement soufflé contre le carier externe avec la température du fluide déchargé par le compresseur arrière à cause de la relation entre le jeu radial dans la turbine et la température du fluide dans la région de décharge du compresseur arrière. Selon un mode de réalisation la sûreté de fonctionnement et la simplicité mécanique résultent de l'utilisation d'une soupape ayant des -4- éléments bimétalliques pour moduler.le débit, ces éléments bimétalliques étant sensibles à la température du premier fluide. L'invention sera maintenant décrite en plus grand détail en référence aux dessins annexés, sur lesquels: La figure 1 est une vue de côte en élévation d'un moteur à turbine à gaz, le carter externe étant arraché

en partie pour montrer une partie de la section du ventila-

teur et de la section du compresseur du moteur.

La figure 2 est une représentation en coupe de certaines parties du compressseur arrière, de la section

de combustion et de la section à turbine du moteur.

La figure 3 est une représentation agrandie de la

soupape de la figure 2.

La figure 4 est une représentation agrandie d'un ressort thermostatique bimétaIlique dans sa position de montage sous température ambiante et sous température

élevée (lignes interrompues) pendant le fonctionnement.

La figure 5 est une représentation en coupe trans-

versale correspondant à une partie de la figure 2 et

représentant un autre mode de réalisation de l'invention.

La figure 6 est une vue de côté semblable à la figure l mais représentant encore un autre mode de réalisation

de l'invention.

La figure 7 est une représentation schématique d'une

partie de la section à turbine du moteur.

La figure 8 est une représentation graphique du jeu

radial normalisé Cr en fonction de la température normali-

sée dans la région de décharge du compresseur.

La figure 9 est une représentation graphique du jeu radial normalisé Cr pendant différentes périodes de vol d'un avion propulsé par le moteur à turbine à gaz selon la

présente invention.

La figure 10 est une représentation graphique du débit W2 du second fluide de refroidissement en fonction de la température normalisée du premier fluide qui s'écoule de la

région de décharge du compresseur arrière.

Un moteur à turbine à gaz selon la présente invention est représenté sur la figure 1. Les sections principales -5- du moteur sont la section de compression 10, la section de combustion 12 et la section à turbine 14. La section de compression a une section à ventilateur 16 et au moins un compresseur, tel que représenté par le compresseur arrière 18 (voir figure2), dont seulement une partie est représentée. Un trajet d'écoulement annulaire 20 pour le fluide du milieu de travail, tel que le gaz du milieu de travail, s'étend axialement à travers le moteur. Une structure de stator 22 entoure le trajet d'écoulement du milieu de travail. La structure du stator comporte un

carter externe 24. Un ensemble de rotor disposé à l'in-

térieur du carter externe comporte une série d'ailettes

de rotor, telle que représentée par la seule ailette 26.

L'ensemble du rotor s'étend axialement à travers le moteur et il a un axe de rotation A. Chaque ailette de la rangée d'ailettes s'étend vers l'extérieur à travers le trajet

d'écoulement et jusqu'à proximité du carter externe.

Un premier fluide f1 est déchargé du compresseur arrière 18. Un second fluide f2 a une source d'alimentation,

telle que la section du ventilateur 16. Un troisième flui-

de f3 est déchargé de la section de combustion 12. L'orî-

gine de chacun de ces fluides est le courant du gaz du milieu de travail s'écoulant dans le trajet d'écoulement 20. La température du second fluide est plus haute que la température du premier fluide. La température du troisième fluide est plus haute que celle du second fluide. Le

troisième fluide inclue des produits de combustion.

Un dispositif pour souffler le second fluide contre l'ex-

térieur du carter externe 24, tel que les tubes 28,entoure le carter externe. Un dispositif pour diriger le second

fluide, tel que la conduite 30 pour l'air de refroidisse-

ment, s'étend entre ces tubes et la section du ventilateur.

Un dispositif pour moduler le courant de l'air de

refroidissement, tel que la soupape 32 située dans la con-

duite 30, agit en réponse à la température du fluide déchargé par le compresseur arrière. Un dispositif pour arrêter le courant de l'air de refroidissement, tel que la soupape 34 disposée dans la conduite 30 est prévu et fonctionne en réponse à l'altitude. Un moyen de commande -6- 36 ayant un commutateur barométrique 38 contrôlé par un baromètre 40 est prévu pour arrêter le courant de l'air de

refroidissement au-dessous d'une altitude prédéterminée.

La figure 2 représente une partie du compresseur arrière 18, une partie de la section de combustion 12 et une partie de la section à turbine 14. Le compresseur arrière a une aube de décharge 44 et une aube de diffusion 46. Une paroi interne annulaire 48 et le carter externe 24 disposé en aval de l'aube de décharge délimintent une cavité

annulaire 50. La région de décharge 52 du compresseur arriè-

re s'étend vers l'arrière dans cette cavité annulaire. Les gaz du milieu de travail ont une température Td entre l'aube de décharge et l'aube de diffusion. La région de

décharge est définie comme étant la région en aval de l'au-

be de décharge o la température Tcd des gaz du milieu de travail peut différer de 2% de Td (OC). Les gaz dans cette

région sont désignés par "premier fluide".

La section de combustible 12 est disposée-dans la

cavité annulaire 50 située à l'arrière du compresseur arriè-

re. La section de combustion comporte une chambre de combus-

tion annulaire 54 et plusieurs injecteurs de carburant, tel que représenté par le seul injecteur 56. Les injecteurs

sont en communication avec une source de carburant (non-

représentée).La chambre de combustion annulaire et la paroi annulaire interne 48 forment un moyen, tel que le trajet d'écoulement interne 58, pour diriger une partie des gaz du milieu de travail de-la région de décharge du compresseur arrière vers la section à turbine. La chambre de combustion annulaire et le carter externe forment un moyen, tel que le trajet d'écoulement externe 60, pour diriger une partie des

gaz du milieu de travail de la région de décharge du compres-

seur arrière vers la section à turbine. Le troisième fluide (produits de combustion) est déchargé de la chambre de combustion dans la section à turbine le long du trajet

d'écoulement annulaire 20.

La section à turbine 14 comporte un ensemble d'un

étage de rotor refroidissable 62 et une sangle refroidissa-

ble 64 attachée au carter externe. L'ensemble de l'étage du rotor refroidissable est en communication par le trajet -7- d'écoulement interne 58 avec la région de décharge 52 du compresseur arrière. La sangle refrddissable est espacée radialement du carter externe laissant une cavité 66 entre ces éléments. La cavité 66 est en communication par le trajet d'écoulement externe 60 avec la région de décharge 52 du compresseur arrière. L'ensemble de l'étage de rotor refroidissable est formé par un disque refroidissable 68 et une série d'ailettes de rotor refroidissables26. Les îO ailettes du rotor s'étendent du disque vers l'extérieur à travers le trajet d'écoulement du milieu de travail jusqu'à proximité de la sangle refrddissable 60. La sangle refroidissable entoure les sommets des ailettes du rotor et elle est espacée du sommet de ces ailettes par un jeu

radial Cr.

La figure 3 est une représentation agrandie en coupe transversale de la soupape 32 pour moduler le courant du premier fluide. La soupape a une cage 70. La cage a une première chambre 72 en communication avec la région de décharge 52 du compresseur arrière et aussi en communication avec la cavité 66. La cage a une seconde chambre 74 en

communication avec la source du second fluide par la soupa-

pe 'buvert/fermé"34. Une paroi 76 sépare la première chambre

de la seconde chambre. La cage a une sortie 78 de la secon-

de chambre qui est en communication avec l'intérieur de la seconde chambre et aussi en communication avec l'extérieur

de la seconde chambre. La sortie a une section d'écoule-

ment Af. Un siège conique 80 s'étend circonférentiellement autour de la sortie. Un moyen pour changer par mouvement la section d'écoulement de la sortie, tel que la tête de soupape 82, est situé dans la seconde chambre. La tête de soupape a une face conique 84 formée pour correspondre géométriquement au siège conique. Plusieurs ressorts thermostatiques bimétalliques 86 sont disposés dans la première chambre. Un moyen pour relier les ressorts au moyen pour changer la section d'écoulement, tel que la tige de soupape 88, s'étend dans les deux chambres. La paroi est munie d'un trou 90 qui sert comme moyen de guidage pour la tige de soupape. La tige de soupape a une preidère extrémité 92 située dans la première chambre -8-

et une seconde extrémité 84 située dans la seconde chambre.

La seconde extrémité est attachée à la tête de soupape.

Une butée 96 est fixée à la première extrémité de la tige de soupape. Un moyen, tel qu'un ressort 98, est prévu pour forcer la tête de soupape vers le siège de soupape. Le ressort 98 est situé entre la tête de soupape et la paroi 76. Le ressort 98 a une constante de rappel choisie de façon à exercer une force beaucoup plus petite que la force exercée par les ressorts thermostatiques bimétalliques. Chacun des ressorts thermostatiques bimétalliques, tels que les ressorts initialement coniques (ressorts BFULEVILLE) a un trou 100. Les ressorts bimétalliques sontempilés en série et sont disposés dans la première chambre entre la buté et la paroi de sorte que la tige de soupape passe par le

centre de chacun de ces ressorts.

La figure 4 est une représentation agrandie d'un de ces

ressorts thermostatiques bimétalliques. Chacun de ces res-

sorts bimétalliques initialement coniques auie épaisseur ts.

Chaque ressort est formé par un premier ressort initialement conique ayant un premier coefficient d'expansion thermique et une épaisseur t1 inférieure-à l'épaisseur ts. Le premier ressort a un côté concave 102 et un côté convexe 104. Le second ressort initialement conique a un second coefficient d'expansion thermique. Le second coefficient d'expansion thermique n'est pas égal au premier coefficient d'expansion

thermique et il est inférieur au premier coefficient d'expan-

sion thermique. Le second ressort a un côté concave 106 et un côté convexe 108. Le second ressort a une épaisseur t2 inférieure à l'épaisseur t5 (t2 <ts). Le second ressort et le premier ressort sont empilés en parallèle avec le côté concave du second ressort tourné vers le côté convexe du premier ressort et ces deux ressorts sont reliés ensemble

par un procédé approprié, par exemple par brasage. L'épais-

seur du premier ressort tl, l'épaisseur du second ressort t2 et, le cas échéant, l'épaisseur de la matière utilisée

pour joindre les deux ressorts, sont égales à ts, c'est-à-

dire à l'épaisseur du ressort thermostatique bimétallique.

Les lignes interrompues représentent le ressort dans la -9- position déformée. Il est donc clair que la hauteur h du

ressort est inversement proportionnelle à la température.

Les ressorts thermostatiques bimétalliques peuvent être situés directement dans la région de décharge 52 du compres- seur arrière 18. Une telle construction est représentée sur la figure 5 comme mode de réalisation modifié de la structure selon la figure 1. Dans une telle construction, une partie du carter 24 peut limiter la seconde chambre 74. En ce qui

concerne le fonctionnement de la soupape, la région de déchar-

ge est équivalente à la première chambre 72.

Sur la figure 6 on a représenté encore une autre modifi-

cation du mode de réalisation de la figure 1 qui utilise un capteur à distance, tel qu'un thermocouple 112, pour mesurer la température dans la région de décharge du compresseur arrière. Un ordinateur 114 est relié électriquement au capteXW

112 et aussi à un commutateur barométrique 116. Le commuta-

teur barométrique, est en communication avec un baromètre.

Le commuttateur barométrique relie, lorsqu'il est fermé, l'ordinateur à un moyen de commande 120. Ce moyen de commande est aussi en communication avec une source de carburant 112 et une pompe 124 pour pressuriser le carburant par le moyen de contrôle de l'alimentation en carburant 126. La pression

du carburant permet au moyen de commande de moduler la soupa-

pe 128.

La figure 7 est une vue schématique représentant le mode de refroidissement de l'ensemble de l'étage du rotor 62, de la sangle refroidissable 64 et du carter externe 24. La

soupape 34 est placée dans la position fermée pour inter-

rompre le courant du second fluide. Les gaz chauds du milieu de travail avant une température Tf3 sont déchargés de la chambre de combustion 64 et s'écoulent, tel qu'indiqué, le long du trajet d'écoulement annulaire 20. Le premier fluide, qui est de l'air de refroidissement ayant une température Tcd de la région de décharge 52 du compresseur arrière 18, s'écoule, tel qu'indiqué, autour et à travers l'ensemble de

l'étage du rotor refroidissable 52 et à travers la cavité 66.

Une relation essentiellement linéaire entre la température Tcd du premier fluide et le jeu Crdrns la section à turbine 14 résulte de l'utilisation de ce mode de refroidissement

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La figure 8 est une représentation graphique de cette rela-

tion et représente le jeu Cr en fonction de la température

du premier fluide pendant le cycle de fonctionnement du mo-

teur divisée par la température maximale de ce premier flui- de (Cr = f (Tcd/Tcdmax) La température du premier fluide contrôle le courant du second fluide soufflé contre le carter externe. La figure 9 est une représeniation graphique du jeu actuel Cr (courbe C) entre les sommets de la série des

ailettes 26 du rotor et la sangle 64 dans la section à tur-

bine 14 en fonction du temps lors d'un cycle de vol typique de 80 minutes à partir d'un décollage au niveau de la mer (SLTO) jusqu'à l'atterrissage. Le jeu C est normalisé en r divisant le jeu Cr par le jeu initial Ci. La figure 9 et

le tableau I représentent les positions de puissance normale-

ment employées pendant le cycle de vol. La soupape 34 est fermée audessous d'une altitude de 1500 mètres et elle est

ouverte lorsque l'altitude excède 1500 mètres.

TABLEAU I

Périodei Temps Soupape Position de Pression Température Minutes puissance Altitude 1i 0-4 Fermée décollage au niveau 4<1500M 21 C de la mer

_ _ _ _ _- - -! -__ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ -_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ -

2 5 Ouverte montée 1500M 5MC (commencement) I; 7 Ouverte -_-__ _ montée 2 10 Ouverte mie6250M -25 C 2-3 20 Ouverte montée (fin) 10675M -54 C croisière (commencement 3 30 Ouverte Croisière (milieu) 10675M -540C

-! - - - - -t - - _ _-

3-4 40 Ouverte Crosière (fin) 10675M 54 C I+ ' sDescente(commencement) 4 Ouverte Descente (milieu) 6250M 25_ _ _ 4 (50.Ouverte Descente <milieu) 6250M I - 25 C

* - I __, _ _ I _-_-_-_

Fermée i Descente (fin) ApDroche (commencement) 1500M

-21 C

Co U>4

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La température des gaz du milieu de travail dans la

section à turbine 14 est la plus basse pendant le fonction-

nement à vide et la plus haute lors d'un décollage au ni-

veau de la mer (SLTO). En conséquence, la figure 9 montre que le jeu Cr diminue lorsque la température des gaz du

milieu de travail dans la section à turbine augmente.

Lors du vol d'un avion propulsé par un moteur à turbine à gaz, la position de puissance du moteur est placée initialement à un niveau élevé pour le décollage au niveau

de la mer (période 1, désignée ci-après par Pl). La posi-

tion de puissance est réduite lorsque l'avion continue dans son cycle de vol du décollage au niveau de la mer, à la montée maximale (P2), par la montée vers 100% croisière (P3) et ensuite elle est diminuée continuement dela croisière maximale jusqu'à la descente (P4). A la fin de la descente (P4-5) la position de puissance est augmentée au-dessus de la puissance pour le fonctionnement à vide lorsque l'avion est placé en vol d'attente au-dessus de l'aéroport. Après le manoeuvrage, la position de puissance est réduite davantage

et l'avion atterrit.

A la plus haute position de puissance (décollage au ni-

veau de la mer) une grande partie de l'air déchargé du compresseur arrière 18 est dirigée dans la chambre de combustion annulaire 54, tel que représenté sur la figure 2. Lorsque l'air s'écoule dans la chambre de combustion, du carburant est injecté par les injecteurs 56 et il est brûlé avec l'air dans la chambre de combustion pour former les gaz chauds du milieu de travail. Les gaz sont déchargés dans la section à turbine 14. Les gaz chauds du milieu de

travail entraînent l'ensemble du rotor provoquant une ro-

tation à haute vitesse du disque 68 du rotor et des rangées

des ailettes 26 du rotor.

Tel que représenté sur la figure 7 et la figure 9, la haute vitesse de rotation et la chaleur des gaz du milieu de travail affectent le jeu radical Cr entre les ailettes 26 et la sangle 64 entourant les ailettes. La grande vitesse de rotation provoque une extension rapide vers l'extérieur d'une distance Lr du disque et des ailettes. La distance Lr est égale à la croissance due à la rotation Dr du

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disque 68 et à la croissance due à la rotation Br de l'ailette (Lr=Dr+Br). En outre, les ailettes du rotor sont en contact intime avec les gaz chauds du milieu de travail et croissent rapidement vers l'extérieur d'une distance B" à cause de l'expansion thermique. Tel que représenté sur la figure 7 et la figure 9, le sommet de chaque ailette du rotor se déplace rapidement vers la sangle entourant les

ailettes en réponse à la croissance mécanique et thermique.

Le jeu radial initial Ci entre les sommets des aubes du

rotor et la sangle entourant les ailettes permet la crois-

sance rapide du disque et des ailettes sans qu'un contact destructif ait lieu entre les ailettes et la sangle. Le jeu radial initial Ci (Cr=Ci) diminue jusqu'à une valeur faible Ca1 (Cr=Caî). Le jeu Ca1 est couramment désigné par "jeu

du premier point de pincement".

Le carter externe 24 est aussi affecté par les gaz

chauds du milieu de travail. Le carter externe est relati-

vement éloigné des gaz du milieu de travail en comparaison aux ailettes 26 du rotor et il est refroidi par une partie de l'air de refroidissement (premier fluide) acheminée dans

les cavités 66 entre la sangle 64 et le carter externe.

Le carter externe répond thermiquement moins rapide que les ailettes mais plus rapide que le disque 68 du rotor qui est baigné dans l'air de refroidissement et refroidi à l'intérieur par l'air de refroidissement. Lorsque le carter externe est chauffé et atteint une position quasi constante, il s'étend vers l'extérieur portant la sangle à un plus grand diamètre en la déplaçant d'une distance C" ce qui augmente le jeu radial Cr entre les sommets des ailettes du rotor et la sangle entourant les ailettes. Le disque absorbe de la chaleur des gaz du milieu de travail pendant le décollage au niveau de la mer et la montée. Le disque s'étend vers l'extérieur d'une distance D,,< jusqu'à ce qu'il atteint une condition quasi constante. Cette croissance thermique du disque cause un rapprochement encore plus près des sommets des ailettes du rotor à la sangle, diminuant ainsi le jeu jusqu'à une seconde faible valeur Ca2. Le second jeu radial Ca2 est couramment désigné par

"jeu du second point de pincement".

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Lors du décollage au niveau de la mer (SLTO) et la montée, le premier fluide (air de refroidissement) de la région de décharge 52 du compresseur arrière 18 s'écoule à tout instant par la première chambre 72 de la soupape. Les dispositifs thermostatiques bimétalliques de la soupape causent un déplacement en réponse à la température de ce

fluide. La pile des ressorts 86 initialement coniques dispo-

sés dans la première chambre détecte la température du premier fluide et traduit cette température en une longueur de la pile et en conséquence en un déplacement. Lorsque la température du premier fluide diminue, par exemple lorsque le moteur rencontre des températures ambiantes plus faibles, ou lorsque la performance du compresseur se détériore, ou encore lorsque la position de puissance du moteur est réduite, la longueur de la pile augmente ce qui est dû à la construction du ressort initialement-conique. Les ressorts exercent une force contre la butée 96. La force est transmise par la tige de soupape 88 à la tête de soupape 82 et surmon-h

la précharge appliquée par le ressort 98 à la tête de soupape.

La tête de soupape s'éloigne de son siège 80 d'une distance qui est directement proportionnelle à la variation absolue

de la température du premier fluide.

Au moment o l'avion a atteint une altitude prédétermi-

née, par exemple 1500 mètres, la croissance transitoire associée au décollage au niveau de la mer (SLTO) et le commencement de la montée a été accommodée. Le commutateur barométrique 38 ferme pour placer la soupape à solénoïde 34 dans une position pour faire communiquer le second fluide, tel que l'air du ventilateur, avec l'intérieur de la seconde chambre 74 de la soupape 32. De cette façon, de l'air du ventilateur est acheminé par les tubes externes 38 et soufflé

contre le carter externe 24 du moteur pour le contracter.

La contraction du carter ramène la sangle entourant les ailettes vers l'intérieur diminuant ainsi le jeu radial Cr entre les sommets des ailettes 26 du rotor et la sangle. Les ressorts 86 initialement coniques, la force du ressort 98 et la relation géométrique entre la tête de soupape 82 et le siège de soupape 80 dans la première chambre sont - choisis pDour assurer que l'air soufflé contre le carter pour

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contrôler sa position assure que le jeu radial C r suit un

programme prédéterminé.

Tel que représenté sur la figure 9, le jeu Cr diminue jusqu'à une valeur minimale lors de la montée et augmente

pendant la croisière et la descente pour accommoder des dimi-

nuations transitoires du jeu qui résultent d'augmentations

soudaines de la position de puissance. Une telle augmenta-

tion de la position de puissance peut avoir lieu lorsque

l'avion effectue un manoeuvre soudain.

La figure 8 est une représentation graphique de la rela-

tion entre la température normalisée du premier fluide (Tcd/ Tcdmax) et le jeu radial Cr entre les ailettes 26 et la

sangle 64 entourant les ailettes dans l'absence d'un re-

froidissement du carter externe de la section de la turbine

14(<wf2 =0). Tel que représenté sur la figure 8, le refroi-

dissement du disque 68, de l'ailette 26 et des surfaces internes du carter externe 24 par le premier fluide de la région de décharge du compresseur, fournit une structure interne dont le jeu radial Cr change considérablement et

de façon linéaire avec la température de décharge du com-

presseur pendant la partie du cycle cde vol o de l'air de refroidissement est normalement soufflé contre l'extérieur du carter externe. Tel que représenté sur la figure 9 et décrit ci-avant, cette partie d'un cycle de vol typique commence après approximativement 5 minutes de vol en une altitude prédéterminée de 1500 mètres et continue pendant

la montée, la croisière, et la descente jusqu'à 1500 mètres.

Si l'on prévoit dans la turbine un jeu radial qui change

de façon essentiellement linéaire par rapport à la tempé-

rature de décharge du compresseur, la température de déchar-

ge du compresseur est un paramètre acceptable pour contrôler le courant de l'air de refroidissement soufflé contre le carter externe. L'utilisation de ce paramètre particulier

fournit plusieurs avantages.

Premièrement, la modulation du courant du second fluide

soufflé contre le carter externe en fonction de la temoé-

rature du premier fluide fournit un système de refroidisse-

ment qui tient compte de l'effet que des variations de la température ambiante (courbe Ct', Ct ont sur le jeu Cr

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parce que chaque variation de la température ambiante est reflétée par une variation de la température de l'air de décharge du compresseur. Cette variation de température affecte considérablement le jeu entre les structures à l'intérieur du carter externe qui sont refroidies par le premier fluide. Ces structures sont le disque du rotor, les ailettes du rotor, la sangle et le côté intérieur du carter externe. La variation de la température de décharge du compresseur est signifiante pour ces structures internes à cause des coefficients de transfert de chaleur élevés

associés au système de l'air de refroidissement interne.

La variation en température du premier fluide a aussi un impact signifiant sur les températures des ailettes du rotor qui sont baignées dans les gaz chauds du milieu de travail entrant dans la turbine. Pour les ailettes du rotor

la température à l'entrée de la turbine (0C) est approxima-

tivement un multiple constant de la température Tcd de la région de décharge du compresseur pendant la partie du cycle de vol o l'air de refroidissement du ventilateur (second

fluide) est normalement soufflé contre le carter externe.

En outre, une variation de la température de l'air du ventilateur Tf (second fluide) n'a pas un effet signifiant sur le jeu Cr en comparaison à l'effet de la température du

premier fluide (Tf2 = Tcd) sur le jeu Cr. L'air de refroi-

dissement soufflé contre le carter externe a un coefficient moyen de transfert de chaleur faible en comparaison au coefficient de transfert de chaleur du système d'air de refroidissement interne. Normalement ces différences peuvent être de l'ordre d'un facteur de 8. L'effet sur le jeu radial de l'air soufflé contre-le carter-externe est principalement une fonction du débit de l'air de refroidissement. Ce débit est proportionel à la section d'écoulement de la sortie de la

seconde chambre.

Deuxièmement, ce système de refroidissement tient

compte de l'effet de la détérioration des éléments de con-

struction du moteur,

tel que la détérioration du com-

presseur (courbe CI'') sur le jeu radial Cr. La détérioralion du compresseur cause une diminution de la température de

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décharge du compresseur. Cette diminution de la température

a un effet qui est analogue à la diminution de la tempéra-

elle

ture ambiante et/est accommodée par le système de refroidis-

sement de la même façon qu'une variation de la température ambiante. En conséquence, en contrôlant le débit 4f2 du

second fluide (air externe) soufflé contre le carter exter-

ne avec la température Tf1 du premier fluide (air de décharge du compresseur) et en utilisant le premier fluide pour refroidir les éléments internes, une structure de turbine est fournie dont le jeu radial Cr est déterminé en fonction de la température de décharge du compresseur

et est relativement insensible aux variations de températu-

re résultant de la détérioration des éléments de construc-

tion et des variations de la température ambiante.

La soupape 132 de la figure 5 fonctionne de façon semblable à la soupape selon les figures 1 à 3. La seule différence est l'absence d'une seconde chambre attachée

à la soupape.

La région de décharge 52 du compresseur arrière 18, du point de vue du fonctionnement, est équivalente à la seconde chambre de la soupape 32. Le fonctionnement des

deux soupapes est le même.

Selon la modification représentée sur la figure 6, la température dans la région de décharge 52 du compresseur arrière 18 est détectée par le moyen de détection de la température, c'est-à-dire le thermocouple 112. Un signal électrique est envoyé vers l'ordinateur 114. L'ordinateur fournit un signal proportionnel à la quantité de l'air de

refroidissement nécessaire pour obtenir le jeu désiré.

Le baromètre 118 ferme le commutateur barométrique 116 en réponse à la pression de l'altitude. Lorsque le commutateur barométrique 116 est fermé, le signal de l'ordinateur passe

vers le moyen de commande 120. Ce moyen de commande posi-

tionne la soupape pour régler le courant de l'air de refroidissement. La force dont le moyen de commande a besoin pour positionner la soupape peut être fournit par le carburant qui s'écoule de la pompe à carburant vers les injecteurs de carburant 56 situés dans les chambres

de combustion.

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La figurel3 est une représentation graphique du débit du second fluide (air externe du ventilateur) en fonction de la température du premier fluide. Parce que le jeu radial Cr devient plus grand lorsque la température de décharge du compresseur diminue, le courant de l'air du ventilateur est augmenté à un débit plus élevée. Lorsque le courant wf2 est modulé, la première dérivée partielle du débit wf2du

second fluide par rapport à la température du fluide dé-

chargé par le compresseur arrière (CWf2/ bTcd) est négative à une première température T1 et a une valeur wf2' l- A une seconde température T2 plus élevée que Tl, la première dérivée partielle du débit du second fluide par rapport à la température du fluide déchargée par le compresseur arrière a une seconde valeur Wf' 2,2 qui est négative. Tel que l'on peut le voir sur la représentation graphique du débit en fonction de la température, la valeur absolue de 'wf1 l est plus grande que la valeur absolue de wf2,2

( Wf2',1>1wf2 ',21) -

Bien que l'invention ait été décrit ci-avant en réfé-

rence à plusieurs modes de réalisation, il est évident aux techniciens que beaucoup de variations ou de changements peuvent y être apportés sans pour cela sortir du cadre de l'invention.

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Claims (10)

REVENDICATIONS:

1. Procédé pour contrôler le jeu radial entre les

sommets d'une série d'ailettes (26) de rotor d'un en-

semble de rotor (62) et une sangle (64) entourant les ailettes dans une section à turbine (14) d'un moteur à turbine à gaz, comportant une section de compression (10) avec un compresseur arrière (18) qui décharge un premier fluide, et avec un carter externe (24) de la section à turbine disposé à l'extérieur des ailettes du rotor et de la sangle entourant ces ailettes et ayant une source d'un second fluide pour refroidir l'extérieur de carter externe, caractérisé par les étapes suivantes: refroidissement de la sangle (64) située à l'intérieur du carter externe (24) par le fluide déchargé du compresseur arrière (18), refroidissement de l'ensemble du rotor (62) situé à l'intérieur du carter externe par le fluide déchargé par le compresseur arrière, refroidissement de l'extérieur du carter externe par le second fluide, détection de la température du fluide déchargé par le compresseur arrière, et modulation du courant du second fluide de sorte que le débit du second fluide soit une fonction de la température du fluide déchargé du compresseur arrière et change in'%erséinent par rapport à cette température, l'étape de moduler le courant du second fluide tenant compte de l'effet des variations de la température de l'air ambiant et de la détérioration des éléments de construction sur le jeu radial entre les ailettes du rotor et la sangle du stator située à l'intérieur du carter externe.

2. Procédé pour contrôler le jeu radial selon la 3L revendication 1, caractérisé en ce que le moteur à turbine à jaz a un trajet d'écoulement s'étendant entre la région de décharge (52) du compresseur arrière (18) et la sangle (64) de la section à turbine (12), et en ce que l'on

détecte la température dudit fluide déchargé par le com-

presseur arrière en un endroit situé dans le trajet

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d'écoulement.

3. Procédé pour contrôler le jeu radial selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur à turbine à gaz a une conduite située à l'extérieur du carter externe (24), en communication avec la sangle (64) entourant les ailettes (20) et en communication avec la région de décharge (52) du compresseur arrière (18), et en ce que l'étape de refroidir la sangle située à l'intérieur du carter externe prévoit d'acheminer par cette conduite du fluide déchargé par le compresseur

arrière vers l'arrière.

4. Procédé pour contrôler le jeu radial selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de moduler le débit du second f luid en fonction de la température prévoit de moduler le débit de sorte que la première dérivée partielle du débit du second fluide par rapport à la température du fluide déchargé par le compresseur arrière (18) à une première température T1 est négative et a une valeur w'f2,1 et à une seconde température T2 plus grande que T1 (T1> T2) à une seconde valeur W' f22 qui est négative, et o la valeur absolue de w' f2, est plus grande que la valeur absolue de w' f2,2 (I f2,11> J Wf,2,21)

5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 dans un moteur à turbine à gaz à courant axial comportant une section de compression

(12) et une section à turbine (14), la secon de compres-

sion ayant un compresseur arrière (18) et une région

de décharge (52)à l'aval du compresseur, un premier-

fluide passant par cette région, la section à turbine ayant un carter externe refroidissable (24), une partie d'un ensemble à rotor refroidissable (62) située à l'intérieur du carter externe, une sangle refroidissable (64) située à l'intérieur du carter externe at entourant les sommets des ailettes (26) du rotor de la turbine, cette sangle étant espacée des sommets des ailettes pour prévoir un jeu radial entre la sangle et les sommets des ailettes, et un moyen pour souffler un second fluid contre le côté

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extérieur du carter externe pour régler le jeu radial entre les sommets des ailettes du rotor et la sangle, le moteur ayant en outre un moyen pour moduler le courant du i second fluide, caractérisé par un moyen pour acheminer une partie du premier fluide de la région de décharge (52)

du compresseur arrière (18) vers l'ensemble du rotor re-

froidissable (62), par un moyen pour acheminer une partie du premier fluide de la région de décharge du compresseur arrière vers la sangle refroidissable (64), et par un moyen pour moduler le courant du second fluide, ce moyen étant construit pour répondre à la température du premier fluide déchargé par le compresseur arrière pour tenir compte de l'influence des changements de la température l) de l'air ambiant et de la détérioration des éléments de construction sur le jeu radial entre les sommets des ailettes (26) du rotor (62) et la sangle refroidissable

disposée à l'intérieur du carter externe (24).

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen pour moduler le courant du second

fluide est formé pour répondre directement à la tempéra-

ture par la traduction de la température en un déplacement

à l'aide d'un dispositif thermostatique bimétallique.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé

en ce que le dispositif thermostatique bimétallique compor-

te une cage (70) ayant une première chambre (72) en communi-

cation avec la région de décharge (52) du compresseur

arrière (l8) et en communication avec la sangle refroi-

dissable (64), une second chambre (74) en communication avec la source du second fluide, une sortie(78) de la seconde chambre en communication avec la seconde chambre et avec le moyen pour souffler de l'air de refroidissement sur le côté extérieur du carter externe (24), cette sortie

ayant une section d'écoulement, le dispositif thermo-

3e statique bimétallique ayant en outre un moyen disposé dans le seconde chambre pour varier par mouvement la section d'écoulement de la sortie, plusieurs ressorts bimétalliques (86) empilés et disposés dans la première chambre et

ayant une longueur axiale qui est une fonction de la tem-

pérature, et un élément reliant les ressorts bimétalliques

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situés dans la première chambre au moyen pour changer la section d'écoulement, l'arrangement étant tel qu'une variation de la température du premier fluide provoque une variation de la longueur des ressorts bimétalliques et un mouvement prédéterminé du moyen pour changer la section d'écoulement de la sortie pour pouvoir régler la débit de

l'air de refroidissement.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque ressort thermostatique bimétallique (86) est un ressort bimétallique initialement conique ayant une épaisseur t5, et ayant un trou central (100), chaque ressort thermostatique bimétallique étant formé par un premier ressort initialement conique ayant un premier coefficient

d'expansion thermique et une épaisseur t1 qui est infé-

rieure à l'épaisseur ts, et un second ressort initialement conique ayant un second coefficient d'expansion thermique qui n'est pas égal au premier coefficient d'expansion

tnermique et une épaisseur t2 qui est inférieure à l'épais-

seur ti, le second ressort étant empilé en parallèle avec le premier ressort de srote que le côté concave (102) du premier ressort soit tourné vers le côté convexe (108) du second ressort et est relié à celui-ci, et en ce que les ressorts thermostatiques bimétalliques sont empilés

en série.

9. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le second coefficient d'expansion thermique du second ressort est plus grand que le premier coefficient de

l'expansion thermique du premier ressort.

10. Dispositif selon une des revendication 7, 8 ou 9, caractérisé en ce que moyen disposé dans la seconde chambre (74) pour varier la section d'écoulement de la sortie (78) comporte une tête de soupape (82) ayant une face conique (84) correspondant exactement à un siège (80) à surface conique formée autour de la sortie (78) de la seconde

chambre, en ce que l'élément reliant les ressorts bimétal-

liques (86) situés dans-la première chambre (72) au moyen pour varier la section d'écoulement de la sortie est formé par une tige de soupape (88) s'étendant par un trou (90) pratiqué dans une paroi (70) située entre la première et

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la seconde chambre, cette tige de soupape ayant une première extrémité située dans la première chambre (72) et une seconde extrémité située dans la seconde chambre (74) et portant la tête de soupape (82), une butée (96) étant attaché à la première extrémité de la tige de soupape, en ce que les ressorts bimétalliques sont disposés entre ladite paroi (76) et la butée (96), la tige de soupape passant par le trou central (100) de chacun de ces ressorts, et en ce qu'un moyen pour exercer uneprécharge est disposé dans la seconde chambre entre la tête de soupape (82) et ladite paroi (76) afin de forcer la tête de soupape contre

le siège de la soupape.