FR2925108A1 - Module de turbomachine muni d'un dispositif d'amelioration des jeux radiaux - Google Patents

Abstract

Le module de turbomachine selon l'invention est muni d'un dispositif d'amélioration des jeux radiaux comportant un premier dispositif de maîtrise de l'inertie thermique du carter interne (21) et de l'anneau amortisseur(5). Le premier dispositif de maîtrise de l'inertie thermique comporte un volume d'isolant thermique logé dans une cavité (81), la cavité (81) étant délimitée en aval par l'anneau amortisseur 5, à l'intérieur par le carter interne (21) et à l'amont par les brides d'attachement (79, 80) et fermée par une première tôle de couverture (70) protégeant l'ensemble d'un flux d'air amont (44). Le dispositif d'amélioration des jeux radiaux comporte en outre un second dispositif de maîtrise de l'inertie thermique monté sur l'anneau amortisseur(5).

Description

Module de turbomachine muni d'un dispositif d'amélioration des jeux radiaux

La présente invention concerne un module de turbomachine comportant un dispositif d'amélioration des jeux radiaux. L'invention s'applique aux turbomachines et notamment aux turboréacteurs d'aéronefs et aux turbopropulseurs.

Une turbomachine est généralement constituée d'un ensemble de trois modules : un module compresseur, un module chambre et un module turbine. Le module compresseur permet de comprimer un flux d'air traversant le compresseur de l'amont vers l'aval de la turbomachine. Le module turbine permet de détendre un flux d'air comprimé traversant la turbine de l'amont vers l'aval de la turbomachine et de transmettre la puissance récupérée par la détente des gaz vers le compresseur. Le module compresseur et le module turbine sont constitués d'un rotor, d'un carter interne et d'un carter externe entourant le carter interne. Le rotor comprend au moins un disque muni d'une pluralité d'aubes réparties circonférentiellement. Des viroles sont placées en vis-à-vis des aubes et sont assemblées pour constituer le carter interne du compresseur. Le carter interne est relié à une virole fixe externe constituant le carter externe par l'intermédiaire d'un ou plusieurs anneaux amortisseurs.

Le sommet d'une aube mobile d'un disque rotor est espacé de la virole du carter interne en vis à vis par un jeu radial. Le jeu radial doit être réduit autant que possible pour améliorer les performances de la turbomachine. Cependant, en fonctionnement et notamment lors du passage entre les différents régimes de fonctionnement de la turbomachine, le jeu radial varie en raison des différences de dilatation thermique entre le rotor et le carter interne d'une part, entre les carters interne et externe d'autre part, et surtout en raison de la différence des vitesses de dilatation des anneaux amortisseurs par rapport aux carters interne et externe. Pour ne pas pénaliser la masse de la turbomachine, les pièces sont 35 conçues pour être les plus légères possibles. Le carter externe est l'élément le plus sollicité mécaniquement dans un module. C'est donc la pièce la plus massive et également celle qui possède l'inertie thermique la plus importante. Viennent ensuite respectivement le carter interne puis l'anneau amortisseur qui possèdent des inerties thermiques plus faibles. Carter interne, externe et anneau amortisseur sont soumis au même environnement, mais compte tenu de leurs inerties thermiques respectives, les dilatations différentielles de ces pièces provoquent des modifications de la position du carter interne par rapport au rotor et une augmentation ou une diminution des jeux radiaux entre les aubes mobiles et le carter interne.

La variation de ces jeux radiaux a pour résultat une diminution des rendements de la turbomachine ainsi qu'une usure des sommets des aubes et de la surface des viroles.

Des dispositifs d'amélioration des jeux radiaux d'une turbomachine sont connus de l'art antérieur, notamment dans les documents US 5 330 321, US 6 035 929 et GB 2 388 407. Cependant, tous ces dispositifs sont des dispositifs actifs de pilotage du jeu, ce qui implique que pour leur fonctionnement, il est nécessaire de prélever une partie du débit d'air entrant dans la turbomachine. Or, ce prélèvement d'air nuit au rendement de la turbomachine puisqu'il se déduit de l'air en sortie du compresseur. Par ailleurs, ces dispositifs nécessitent des aménagements particuliers de la turbomachine par ajout de pièces volumineuses et/ou par ajout de pièces complexes à réaliser industriellement.

Un autre dispositif d'amélioration des jeux radiaux d'une turbomachine est connu du document FR2882573. Il consiste à entourer les brides de liaison des viroles du carter interne par un bouclier thermique en U. Ce dispositif offre l'inconvénient majeur de ne protéger que la zone entourée par la tôle de protection thermique. Par conséquent, pour obtenir un effet optimal, il faut répéter la protection autour de chaque bride de liaison. Par ailleurs, ce dispositif laisse les pièces adjacentes comme le carter intérieur ou l'anneau amortisseur sans protection. Au final, cette solution entraîne une augmentation de masse importante sans offrir de solution satisfaisante pour l'ensemble des pièces..

La présente invention a pour objectif de remédier aux inconvénients décrits ci-dessus et de réaliser un module de turbomachine muni d'un dispositif d'amélioration des jeux radiaux simple à mettre en oeuvre, ne nécessitant pas de modification structurelle importante, ne nécessitant pas de prélever un débit d'air ni d'ajouter des pièces complexes, permettant d'avoir une action locale à proximité des jeux radiaux et permettant de réduire localement les effets indésirables dus à la dilatation trop rapide de l'anneau amortisseur et du carter intérieur par rapport aux aubes de disque rotor en harmonisant les temps de réponse et les amplitudes de déplacement du carter interne par rapport au rotor.

Pour cela, selon l'invention, le module de turbomachine, comportant un carter externe, un carter interne, et au moins un anneau amortisseur reliant lesdits carters, est muni d'un dispositif d'amélioration des jeux radiaux comportant un premier dispositif de maîtrise de l'inertie thermique du carter interne et de l'anneau amortisseur et comportant un volume d'isolant thermique, protégeant d'un flux d'air amont, logé dans une cavité délimitée par le carter interne, une face amont de l'anneau amortisseur et une tôle de couverture reliant le carter interne et l'anneau amortisseur.

Avantageusement, le module de turbomachine comporte un second dispositif de maîtrise de l'inertie thermique monté sur une face interieure de l'anneau amortisseur.

L'invention se rapporte également à une turbomachine comportant un compresseur et/ou une turbine équipé d'un dispositif d'amélioration des jeux radiaux selon l'invention.

L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif et en référence aux figures annexées qui représentent : • La figure 1, une vue en coupe axiale d'un exemple de turbomachine, selon l'art antérieur, • La figure 2, une vue en coupe axiale d'un exemple de compresseur de turbomachine muni d'un premier dispositif de maîtrise de l'inertie thermique selon l'invention, • La figure 3, une vue en coupe axiale d'un exemple compresseur de turbomachine muni de deux dispositifs de maîtrise de l'inertie thermique selon l'invention • La figure 4, un graphique montrant les avantages obtenus par 5 l'utilisation de l'invention par rapport à l'art antérieur

La figure 1 illustre un exemple de turbomachine intégrée dans une nacelle 201 entourant la turbomachine. La turbomachine comporte d'amont en 10 aval une entrée d'air 208, une soufflante 202 comportant une pluralité d'aubes montées sur un premier disque de rotor, un compresseur basse pression 203 comportant au moins un rotor aubagé et un stator, un compresseur haute pression 204 comportant au moins un rotor aubagé et un stator, une 15 chambre de combustion 205, une turbine haute pression, 206 comportant au moins un rotor aubagé et un stator, une turbine basse pression 207 comportant au moins un rotor aubagé et un stator.

L'axe 200 constitue l'axe de rotation de la turbomachine. 20 Dans l'exemple de turbomachine représenté, l'air extérieur entre par l'entrée d'air 208 et traverse les aubes de soufflante 202. En sortie des aubes de soufflante le flux d'air est séparé en deux flux. Un premier flux appelé flux primaire Fp est dirigé vers l'entrée du compresseur basse 25 pression 203 et un deuxième flux appelé flux secondaire Fs dirigé vers l'arrière de la turbomachine. Le compresseur basse pression 203 comprime une première fois le flux d'air primaire Fp puis le dirige vers le compresseur haute pression 204. Ce dernier comprime une deuxième fois le flux primaire Fp avant de l'insuffler dans la chambre de combustion 205. 30 Une partie du flux primaire Fp traversant le compresseur haute pression est prélevé pour les besoins en air de la turbomachine mais également pour les besoins en air comprimé de l'aéronef. Dans la chambre de combustion 205 le flux primaire Fp est porté à très haute température. En sortie de la chambre de combustion 205, le flux 35 d'air chaud est injecté dans la turbine haute pression 206 puis dans la turbine basse pression 207 qui transforment la détente des gaz chauds en énergie mécanique. La puissance récupérée par la turbine haute pression 206 permet d'entraîner le compresseur haute pression 204 par l'intermédiaire d'un premier arbre axial. La turbine basse pression 207 permet d'assurer la rotation du compresseur basse pression 203 et des aubes de soufflante 202 par l'intermédiaire d'un deuxième arbre axial concentrique au premier arbre.

La figure 2 représente une vue en coupe axiale d'un exemple de compresseur selon l'invention. Le compresseur comporte un ensemble rotatif ou rotor 3 comportant une pluralité de disques munis chacun d'une pluralité d'aubes 11 réparties circonférentiellement en périphérie de chaque disque.

Le compresseur comporte également un ensemble fixe ou stator 2 comportant une pluralité de redresseurs fixes 20. Chaque redresseur est constitué d'une pluralité d'aubes fixes 20 fixées par une extrémité inférieure à une virole intérieure annulaire 13 et par une extrémité supérieure à une virole extérieure annulaire 24. Les viroles extérieures 24 sont reliées entre elles par des anneaux abradables 23 comportant un revêtement isolant thermiquement et abradable. Les viroles extérieures 24 des différents redresseurs et les anneaux abradables 23 forment le carter interne 21 du compresseur.

Le stator 2 comporte également un carter externe 22 constitué par un 25 ensemble de viroles annulaires externes 26.

Les sommets des aubes 11 du rotor 3 sont espacés de l'anneau abradable 23 en vis à vis par des jeux radiaux 12.

30 Le carter interne 21 est relié au carter externe 22 par au moins un anneau amortisseur 5. Dans cet exemple, l'anneau amortisseur 5 est constitué d'une épingle annulaire comportant deux extrémités respectivement supérieure 88 et inférieure 89, un bras extérieur annulaire 51, un bras intérieur annulaire 52 et une jambe de renfort 53 cylindrique. Les bras 35 intérieurs 52 et extérieur 51 sont reliés entre eux de façon à former un V ou un U dont la pointe est dirigée vers l'aval du compresseur. Le bras extérieur 51 de l'anneau amortisseur 5 est relié au carter externe par une première bride annulaire 58. Le bras intérieur 52 de l'anneau amortisseur 5 est relié aux viroles externes 24 du carter intérieur par une deuxième bride annulaire 59.

Sur l'exemple de la figure 2, les brides annulaires 58 et 59 sont solidaires respectivement des extrémités supérieure 88 et inférieure 89 de l'anneau amortisseur 5. La bride 59 est en outre solidaire de l'un des anneaux abradables 23 ce qui permet l'attache de l'anneau amortisseur 5 avec le carter interne 21.

A l'amont du carter interne 21 se trouve un jeu axial 43 qui sépare le carter interne 21 de l'amont du compresseur. Ce jeu permet de réaliser le prélèvement d'un flux d'air 44, utilisé pour les besoins en air comprimé de la turbomachine ou de l'aéronef, à partir du flux primaire Fp. Le flux d'air 44 traverse la cavité 45 située entre les carters interne et externe avant de sortir du compresseur par des ouvertures, non représentées, ménagées dans le carter externe 26.

A l'aval du carter interne 21 se trouve un diffuseur 9 dont le rôle est de diriger le flux primaire Fp issu du compresseur vers la chambre de combustion. Le diffuseur 9 est une pièce fixe annulaire constituée par une pluralité d'aubes 94 reliées entre elles par une virole interne de diffuseur 93 et par une virole externe 92 de diffuseur. Le diffuseur 9 est relié au carter extérieur 22 par un bras annulaire 91. Le carter interne 21 est espacé de la virole externe 92 du diffuseur 9 par un jeu axial 42. Le jeu axial 42 permet l'écoulement radial d'un flux d'air 4 prélevé du flux primaire Fp au travers de la cavité 41 située entre le compresseur et le diffuseur. Par ailleurs, l'espace entre le bras intérieur 52 de l'anneau amortisseur et les bras 91 du diffuseur 9 forme une cavité annulaire 43 au travers de laquelle s'écoule le flux d'air 4. Comme pour le flux d'air 44, le flux d'air 4 est un prélèvement nécessaire au fonctionnement de la turbomachine et de l'aéronef.

Conformément à l'invention, le dispositif d'amélioration des jeux radiaux 35 comporte un premier dispositif de maîtrise de l'inertie thermique du carter interne 21 et de l'anneau amortisseur 5. Le premier dispositif de maîtrise de l'inertie thermique comporte une cavité 81 délimitée en aval par l'anneau amortisseur 5, à l'intérieur par le carter interne 21 et à l'amont par les brides d'attachement 79, 80 et fermée par une première tôle de couverture annulaire 70. La première tôle de couverture 70 comporte une extrémité inférieure constituée d'une bride inférieure annulaire 76 reliée à une bride d'attachement 79, 80 d'un anneau abradable 23 et une extrémité supérieure constituée par une patte cylindrique 75 reliée par exemple à la bride cylindrique 58 de l'anneau amortisseur 5. La cavité 81 contient par exemple de l'air mais peut aussi être remplie d'un autre isolant thermique comme de la fibre de verre ou de la laine de silice. La première tôle de couverture 70 comporte une unique ouverture 72 permettant d'équilibrer les pressions entre la cavité 81 et la cavité 45. A titre d'exemple, la première tôle de couverture annulaire 70 a une épaisseur comprise entre 0,3 et 2 mm.

Alternativement, la patte cylindrique 75 peut être reliée à une surface cylindrique complémentaire aménagée sur une des viroles annulaires externes 26, comme représenté sur la figure 3.

Par ailleurs, un anneau plat 77 constitué d'un matériau isolant est inséré entre la bride inférieure annulaire 76 de la première tôle de couverture 70 et la bride d'attachement 79 afin de limiter les échanges thermiques par conduction entre la première tôle de couverture 70 et la bride d'attachement 79. A titre d'exemple, le matériau isolant peut être de la fibre de verre ou un feutre de laine de silice.

La figure 3 représente une vue en coupe axiale d'un exemple de compresseur muni d'un dispositif d'amélioration des jeux radiaux comportant deux dispositifs de maîtrise de l'inertie thermique. Le second dispositif de maîtrise de l'inertie thermique est constitué d'un volume d'isolant thermique 8 en contact avec la face intérieure 57 du bras intérieur 52 de l'anneau amortisseur 5. L'isolant thermique est contenu dans une cavité 7 comprise entre la face intérieure 57 du bras intérieur 52 et une tôle de couverture annulaire 6. La tôle de couverture 6 comporte une extrémité amont 64 et une extrémité aval 65 reliées respectivement à l'extrémité inférieure 89 de l'anneau amortisseur 5 et à la jambe de renfort 53 de l'anneau amortisseur 5. La cavité 7 est remplie d'un volume d'isolant thermique 8 tel que par exemple l'air, la fibre de verre ou de la laine de silice.

L'extrémité aval 65 de la tôle de couverture 6 est constituée d'une patte annulaire venant en appui simple sur la face intérieure 55 de la jambe de renfort 53. La tôle de couverture 6 est ainsi mise en contact avec la jambe de renfort 53. Les dimensions et l'épaisseur de la tôle sont choisies de telle manière que le contact entre les deux pièces soit étanche à l'air par effet ressort. Par exemple en réalisant la patte annulaire de l'extrémité 65 avec un diamètre supérieur au diamètre de la face intérieure 55 de la jambe de renfort 53. La tôle de couverture 6 est munie en outre d'une ouverture 63 qui permet à l'air chaud issu du flux d'air 4 de remplir la cavité 7 et d'équilibrer les pressions entre les cavités 7 et 43. En effet, dans la cavité 7, la pression de l'air varie de 1 à 25 bars, en fonction de la température arnbiante dans le compresseur. Pour éviter la déformation des pièces attenantes à la cavité 7, il est nécessaire de réguler la pression interne de la cavité. L'ouverture 63 est unique. Une seconde ouverture dans la tôle de couverture 6 créerait une circulation d'air entre les deux ouvertures et empêcherait l'air contenu dans la cavité 7 de jouer son rôle d'isolant thermique. Le volume d'isolant thermique 8 est préférentiellement monté sur le bras intérieur 52 car c'est la partie de l'anneau amortisseur 5 la plus exposée au flux d'air 43 et la plus sujette aux variations de température.

Le volume d'isolant thermique 8 contenu dans la cavité 7 permet d'augmenter l'inertie thermique de l'anneau amortisseur 5 en augmentant le temps nécessaire à son changement de température.

Le premier dispositif de maîtrise de l'inertie thermique monté en amont de l'anneau amortisseur 5 et le second dispositif de maîtrise de l'inertie thermique monté sur le bras interne 52 de l'anneau arnortisseur 5 permettent de protéger l'anneau amortisseur du flux d'air amont 44 et du flux d'air aval 4. Ils permettent également de maîtriser l'inertie thermique d'un ensemble de pièces comprenant le carter interne 21 et l'anneau amortisseur 5. L'inertie thermique peut être modifiée en modifiant le volume des cavités 81 et 7 par la modification de la forme des tôles de couverture 70 et 6. L'inertie thermique peut être modifiée également par l'augmentation ou la diminution des surfaces équivalentes des ouvertures 72 et 63.

La figure 4 illustre les avantages de l'invention par rapport à l'art antérieur. Cette figure représente un exemple d'évolution des jeux radiaux 12 en sommet d'une aube 11 en fonction des différents régimes de fonctionnement du compresseur. Le temps, mesuré en unités arbitraires se trouve en abscisse, la valeur du jeu radial 12 en ordonnée. La courbe 601 montre l'évolution du jeu radial 12 dans le cas de l'art antérieur tel que décrit dans le document FR2882573. La courbe 602 montre l'évolution du jeu radial 12 grâce à l'invention. Par exemple, au temps T=50, la superposition des deux courbes montre que le jeu radial diminue de moitié. La figure 4 nous montre que le jeu radial résultant de l'utilisation de l'invention est toujours inférieur au jeu radial résultant de l'art antérieur.

Les différentes possibilités de mise en oeuvre du dispositif selon l'invention permettent d'envisager son application à toute partie de la turbomachine comportant un problème technique similaire. Par exemple un module turbine, haute ou basse pression, comportant un carter externe et un carter interne reliés par une pièce de faible masse en contact avec un flux d'air peut également recevoir un tel dispositif de maîtrise des jeux radiaux.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Module de turbomachine, muni d'un dispositif d'amélioration des jeux radiaux, et comportant un carter externe (22), un carter interne (21), et au moins un anneau amortisseur (5) reliant lesdits carters, caractérisé en ce que le dispositif d'amélioration des jeux radiaux comporte un premier dispositif de maîtrise de l'inertie thermique du carter interne (21) et de l'anneau amortisseur (5) comportant un volume d'isolant thermique logé dans une cavité (81) et protégeant d'un flux d'air (44) amont, la cavité (81) étant délimitée par le carter interne (21), une face amont de l'anneau amortisseur (5) et une tôle de couverture annulaire (70) reliant le carter interne (21) et l'anneau amortisseur (5).

2. Module de turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première tôle de couverture (70) comporte une extrémité supérieure munie d'une patte cylindrique (75) en appui sur une bride cylindrique (58) d'un bras extérieur (51) de l'anneau amortisseur (5).

3. Module de turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première tôle de couverture (70) comporte une extrémité supérieure munie d'une patte cylindrique (75) en appui sur une 25 virole (26) du carter externe (22).

4. Module de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la première tôle de couverture (70) comporte une ouverture (72) unique débouchant dans la cavité (81). 30

5. Module de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la première tôle de couverture thermique (70) comporte une extrémité inférieure munie d'une bride d'attachement annulaire (76) reliée à une bride d'attachement (79, 80) du carter 35 interne (21) par l'intermédiaire d'une couche d'isolant thermique (77). 11

6. Module de turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un second dispositif de maîtrise de l'inertie thermique monté sur une face intérieure (57) de l'anneau amortisseur (5).

7. Module de turbomachine selon la revendication 6, caractérisé en ce que le second dispositif de maîtrise de l'inertie thermique est constitué d'un volume d'isolant thermique (8) emplissant une cavité (7) comprise entre la face intérieure (57) de l'anneau amortisseur (5) et une seconde tôle de couverture (6) montée sur l'anneau amortisseur (5).

8. Module de turbomachine selon la revendication 7, caractérisé en ce que la seconde tôle de couverture (6) comporte une unique ouverture (63) débouchant dans la cavité (7).

9. Utilisation du module de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 8 au niveau du compresseur de la turbomachine.

10. Utilisation du module de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 8 au niveau de la turbine de la turbomachine.

11. Turbomachine comportant un module selon l'une des revendications 9 ou 10.