PROCEDE ET DISPOSITIF DE REGLAGE DE JEUX ENTRE UN ROTOR ET UN STATOR CONCENTRIQUE D'UNE TURBOMACHINE D'AERONEF
DESCRIPTION
L'invention concerne un procédé, ainsi qu'un dispositif de réglage de jeux entre un rotor et un stator concentrique d'une turbomachine d'aéronef.
L'optimisation des jeux radiaux existant entre le rotor et le stator des turbomachines est nécessaire pour améliorer leur rendement. Les jeux sont régis par les déformations mécaniques du rotor quand celui-ci tourne, ainsi que par les dilatations thermiques du rotor et du stator. Ces déformations sont différentes aux divers régimes de la machine, et des dilatations thermiques différentielles existent d'ailleurs souvent entre le rotor et le stator, dans des états transitoires ou stabilisés.
Des dispositifs de réglage actif des jeux consistent à souffler un gaz à température différente sur une partie du stator de la machine dont la déformation doit être modifiée. Dans les dispositifs habituels, on procède en soutirant une portion du débit d'air passant par la veine d'écoulement des gaz, à un endroit des compresseurs où l'air est encore relativement frais mais déjà comprimé, et on lui fait parcourir un circuit à l'intérieur du stator pour lui faire impacter le stator avoisinant la veine à l'endroit des turbines, qui subissent les échauffements les plus importants. L'air soufflé étant plus frais que les turbines, il contracte le stator et le rapproche du rotor.
Un tel système de réduction des jeux par l'impact d'air frais sur le stator constitue le dispositif connu LPTACC, dont des réalisations sont décrites par exemple dans les documents FR 3 002 971 A, FR 3 002 972 A et FR 3 010 729 A.
La recherche de performances accrues pousse à perfectionner ces dispositifs de ventilation connus. Un nouveau procédé et un nouveau dispositif de réglage des jeux ont été cherchés et forment le sujet de l'invention.
Ils sont fondés sur une ventilation du rotor, cette ventilation supplémentaire étant réglable, avec l'intention d'obtenir un échauffement (ou un rafraîchissement moindre) du rotor par rapport aux conceptions connues, avec l'effet
d'une dilatation thermique relative du rotor et d'une réduction supplémentaire des jeux entre lui et le stator, dans certaines circonstances du fonctionnement de l'aéronef.
Des ventilations des rotors d'aéronefs sont en effet connues afin de créer ce qu'on appelle un débit de purge hors du rotor à l'endroit des turbines, où des orifices dits de purge font communiquer la veine d'écoulement des gaz et l'intérieur du rotor, et d'éviter des fuites des gaz chauds de la veine d'écoulement à l'intérieur du rotor, tout en rafraîchissant les fonds d'alvéoles des disques porteurs des aubes mobiles du rotor.
Le document US 2005/0050901 Al décrit une turbomachine où de l'air de ventilation frais, originaire de l'extérieur, est soufflé dans une cavité du rotor à une température variable, après avoir traversé divers équipements comme un bouilleur ou un échangeur de chaleur, ou les avoir contournés par des vannes. La turbomachine décrite dans ce document n'est toutefois pas relative à l'aéronautique.
L'invention est fondée sur la constatation que, dans certains régimes de la machine comme les régimes de croisière à vitesse de rotation modérée de la machine et de l'aéronef, les températures dans la veine au voisinage de la turbine réduisent le besoin d'un débit de purge important et les besoins de refroidissement au niveau des disques sont moindres que dans d'autres états, correspondant à des pleins régimes, comme le décollage. Il est alors conforme à l'invention d'adapter le dispositif de purge et de diminuer le soufflage d'air dans la cavité du rotor afin, pour ces régimes de croisière, de modérer leur rafraîchissement induit par le gaz soufflé en augmentant la température de ce gaz, ce qui a pour conséquence une augmentation de la température, une dilatation du rotor, et une diminution des jeux avec le stator. Le débit de purge hors des cavités du rotor subsiste, puisqu'il est choisi, dans les dispositifs connus, où la ventilation n'est pas réglable, pour être maintenu dans toutes les conditions de fonctionnement de la machine et qu'il est donc surabondant pendant la croisière. La diminution du débit n'est toutefois pas recherchée pour elle-même mais seulement parce qu'elle s'accompagne, pour les régimes de croisière où elle est appliquée, d'un rafraîchissement moindre du rotor et de la réduction des jeux. Une plus grande réduction des jeux est en effet envisageable, et obtenu avec l'invention, pour les régimes de croisière, où les conditions de
fonctionnement sont connues et stabilisées, alors que les irrégularités d'échauffement et les dilatations thermiques différentielles sont importantes à plein régime, qui correspond aussi souvent à des états transitoires. Les caractéristiques de la machine, en ce qui concerne les échauffements et les jeux, étant plus difficiles à évaluer et changeant rapidement, il est approprié de maintenir un débit de ventilation élevé à l'intérieur du rotor, pour garantir aussi bien un rafraîchissement suffisant de celui-ci que le maintien de jeux acceptables.
Il est à noter que la ventilation modulée du rotor qu'on propose avec l'invention, combinée à la ventilation connue du stator qu'on maintiendra probablement, permettra de régler plus finement la répartition des jeux tout au long de la turbine, puisqu'il sera alors plus facile de concevoir la machine en fonction de cet objectif, en choisissant les régions de ventilation privilégiées et éventuellement différentes, aussi bien sur le rotor que le stator.
Un aspect de l'invention est un procédé de réglage de jeux entre un rotor et un stator d'une turbomachine, le rotor étant entouré par le stator et séparé de lui par une veine annulaire d'écoulement de gaz, au moins un compresseur, une chambre de combustion et au moins une turbine se succédant le long de la veine, la turbomachine comprenant un circuit de ventilation de la turbine comprenant un conduit, parcouru par un débit de gaz, dont une extrémité débouche dans la veine à l'endroit du compresseur, et dont une extrémité opposée débouche dans une cavité du rotor à l'endroit de la turbine, la cavité débouchant dans la veine par des orifices de purge traversant une structure du rotor séparant la cavité de la veine, caractérisé en ce qu'il consiste à ajuster le débit de gaz parcourant le conduit et entrant dans la cavité en réglant un état de fermeture partielle d'une vanne disposée sur le conduit, le débit de gaz étant notamment ajusté en étant diminué pour des états de croisière par rapport à d'autres états, notamment un état de décollage, de l'aéronef, l'ajustement du débit de gaz en état de fermeture partielle de la vanne permettant d'augmenter le diamètre de la structure du rotor de manière à réduire les jeux avec le stator.
La ventilation réduite s'accompagne, comme on l'a vu, d'une élévation de température du rotor, responsable d'une diminution, souhaitée, des jeux avec le stator.
Il est possible de renforcer cet effet en ajustant aussi la température du gaz parcourant le conduit avant même qu'il ne parvienne à la cavité du rotor.
Si une ventilation du stator par un second débit de gaz parcourant le circuit de ventilation est aussi pratiquée, ce second débit de gaz sera généralement plus frais que le débit de gaz mentionné jusqu'ici, grâce à des dispositions favorables du circuit de ventilation faisant passer ce premier débit de gaz par des portions plus chaudes de la machine, même si les deux débits proviennent d'un même point de soutirage, normalement à l'endroit des compresseurs.
Un autre aspect de l'invention est un dispositif de réglage de jeux entre un rotor et un stator d'une turbomachine d'un aéronef, le rotor étant entouré par le stator et séparé de lui par une veine annulaire d'écoulement de gaz, au moins un compresseur, une chambre de combustion et au moins une turbine se succédant le long de la veine, la turbomachine comprenant un circuit de ventilation de la turbine comprenant un conduit dont une extrémité débouche dans la veine à l'endroit du compresseur, et dont une extrémité opposée débouche dans une cavité du rotor à l'endroit de la turbine, la cavité débouchant dans la veine par des portions de ventilation s'étendant dans des orifices de purge traversant une structure du rotor séparant la cavité de la veine, caractérisé en ce que le conduit est muni d'une vanne de fermeture partielle et réglable du conduit, et d'un moyen de commande de la vanne d'après des états de l'aéronef, dont un état de croisière et un état de décollage (ou, plus généralement, un état de plein régime, ou encore de régime plus élevé que le régime de croisière).
La commande de la vanne permet de fermer partiellement le conduit et de diminuer le débit d'air frais qui passe et donc le rafraîchissement du rotor, d'autant plus que l'air, alors soufflé à vitesse moindre, s'échauffe davantage par convection dans son trajet vers la cavité du rotor.
Cela est particulièrement manifeste dans les configurations fréquentes où le conduit comprend une portion amont s'étendant dans le stator, autour de la veine,
puis une portion s'étendant dans des bras du stator qui traversent radialement la veine en aval de la chambre de combustion, et que les gaz brûlants originaires de la chambre de combustion voisine contournent, dans lesquels l'air s'échauffe fortement.
La disposition caractéristique de l'invention est indépendante du nombre de conduits utilisés, puisque le conduit mentionné jusqu'à présent est généralement ramifié en conduits parallèles répartis autour du stator afin d'uniformiser la distribution de l'air sur la circonférence. La vanne envisagée dans l'invention peut alors consister en une vanne unique disposée sur un conduit unique à l'entrée du circuit, avant un distributeur de ramifications ; elle peut aussi être présente sur chacun des conduits parallèles résultant de cette ramification.
Dans des modes de régulation susceptibles d'exercer des réglages plus importants, le conduit comprend une bifurcation entre une branche principale portant la vanne et une branche de dérivation. Il est alors possible de faire varier la répartition des débits passant par la branche principale et la branche de dérivation, voire d'obtenir une commutation presque complète du débit entre ces deux branches. Or si ces branches ont des dispositions judicieusement choisies, réchauffement de l'air soufflé peut être beaucoup plus important dans l'une que dans l'autre : la modification de l'échange de chaleur entre l'air de soufflage dans la cavité du rotor et le rotor lui-même, inexploitée auparavant et produite par une modification du débit de soufflage dans les réalisations de l'invention exposées jusqu'ici, peut alors être renforcée par une modification de la température atteinte par ce gaz dans la cavité du rotor.
C'est ainsi que la branche de dérivation peut être plus longue que la branche principale : la longueur offerte à réchauffement de l'air est plus importante.
Avantageusement, la branche de dérivation peut comprendre des portions successives s'étendant dans les bras du stator mentionnés plus haut, et parcourues en sens opposés le long de ces bras dans leur trajet vers la cavité du rotor, puisque réchauffement est surtout présent dans ces bras.
Ces aspects, caractéristiques et avantages de l'invention, ainsi que d'autres, seront maintenant décrits au moyen des figures suivantes, qui représentent deux réalisations importantes mais purement illustratives de l'invention :
- les figures 1 et 2 illustrent une turbomachine habituelle équipée d'un dispositif de soufflage, en coupe longitudinale puis en coupe transversale à l'endroit de bras radiaux qui traversent la veine (ligne ll-ll à la figure 1) ;
- la figure 3, une turbomachine dérivée de la précédente et équipée de l'invention ;
- et les figures 4 et 5, une autre réalisation de l'invention en coupe longitudinale, puis transversale.
Une turbomachine comprend un rotor 1, un stator 2 entourant le rotor 1, et une veine 3 annulaire d'écoulement des gaz s'étendant entre eux. On trouve successivement, vers l'aval de la veine 3, au moins un compresseur de l'air pénétrant dans la veine 3 (normalement un compresseur à basse pression 4 un compresseur à haute pression 5), une chambre de combustion 6, et au moins une turbine (normalement une turbine à haute pression 7 et une turbine à basse pression 8) dans laquelle les gaz de combustion se détendent progressivement en entraînant le rotor 1.
Une cavité de rotor 9 s'étend à l'endroit de la turbine à basse pression 8.
Elle est entourée par la structure 10 du rotor de la turbine à basse pression 8, et encore délimitée par des structures fixes et donc solidaires du stator 2, notamment à l'extrémité aval 11 de la turbomachine. Des orifices de purge 12, circulaires, s'étendent forcément entre la structure 10 mobile et les structures fixes, et font communiquer la cavité de rotor 9 avec la veine 3. C'est pourquoi il est habituel de soutirer de l'air originaire des compresseurs, et par exemple du compresseur à haute pression 5, à partir d'un orifice de prélèvement 13 établi sur la paroi du stator 2, pour le souffler dans la cavité du rotor 9 après lui avoir fait parcourir un circuit 14, seulement esquissé ici mais composé de tubes raccordés entre eux. Le circuit 14 comprend une portion amont 15 à l'intérieur des cavités du stator 2, autour de la veine 3, puis une portion 16 qui passe dans un bras radial 17 traversant la veine 3 en aval de la chambre de combustion 6, avant de souffler de l'air devant le rotor 1 et de lui faire rejoindre la cavité du rotor 9, à travers des injecteurs 18 traversant une paroi 19 délimitant cette cavité. La figure 2 montre que le circuit 14 est généralement ramifié, soit complètement à partir d'une pluralité d'orifices de prélèvement 13, soit en aval d'un orifice de prélèvement 13 unique, et qu'il comprend
alors une pluralité de tubes d'alimentation parallèles 20 (quatre dans le cas représenté) menant devant les bras radiaux 17, puis se ramifiant chacun en tubes de distribution 21 (douze au total dans l'exemple représenté) traversant les bras radiaux 17 et aboutissant chacun devant un des injecteurs 18. L'air du circuit 14 sert encore à refroidir des disques 28, porteurs d'aubes mobiles 29 de la turbine à basse pression 8, et saillant dans la cavité de rotor 9.
Une réalisation de l'invention est décrite à la figure 3. Le dispositif des figures 1 et 2 est complété par une vanne 22 sur le circuit 14, par exemple sur la portion amont 15, et plus précisément sur chacun des tubes d'alimentation 20. Dans cette réalisation particulière, il y a donc quatre vannes 22 semblables entre elles et commandées de la même façon par un dispositif 23 en fonction de divers paramètres d'état de la turbomachine (vitesse de rotation, température atteinte, historique du fonctionnement, etc.). En variante, si un circuit 14 à origine unique était utilisé, il pourrait être bon de placer une vanne 22 unique entre le point de prélèvement 13 et le distributeur ramifié menant aux conduits d'alimentation 20.
La vanne 22 est complètement ouverte dans les circonstances où une purge importante et un refroidissement des disques important sont nécessaires, comme aux régimes de décollage. Dans d'autres circonstances, notamment aux régimes de croisière, à un fonctionnement modéré de la turbomachine, il est prévu de fermer partiellement la vanne 22 pour diminuer le débit passant par le circuit 14. Il se produit un échauffement de la structure 10 de rotor 1 par rapport à un soufflage avec la vanne 22 complètement ouverte, d'abord parce que le débit d'air frais soufflé est réduit, et ensuite parce que cet air a plus de facilité à s'échauffer dans le circuit 14, notamment en passant par les bras radiaux 17. La structure 10 acquiert donc un rayon plus important, ce qui réduit les jeux avec le stator.
Dans le mode de réalisation modifié des figures 4 et 5, on ajoute au circuit 14, rencontré jusqu'à présent et comprenant encore une vanne 22 commandée par le dispositif 23, une branche de dérivation 24 aboutissants également aux injecteurs 18 en passant à travers les bras radiaux 17. Le départ de la branche de dérivation 24 est à une bifurcation 25 en amont de la vanne 22. Ici encore, cette disposition est répétée pour
toutes les portions ramifiées du circuit 14, comme les tubes d'alimentation 20, si elles existent.
La branche de dérivation 24 peut prendre l'aspect d'une canalisation s'allongeant en méandres 26 à l'intérieur des bras radiaux 17, ce qui est schématisé à la figure 4 et représenté plus en détail à la figure 5.
On retrouve les quatre tubes d'alimentation 20 et les douze tubes de ramification 21, traversant autant de bras radiaux 17, de la réalisation précédente. A ces équipements s'ajoutent quatre tubes d'alimentation secondaires 27, parallèles aux tubes d'alimentation 20 et appartenant à la branche de dérivation 24, et qui se prolongent chacun en un premier segment de tube 28 traversant un premier bras radial (tel que 17a), un tronçon de raccordement interne 29, un deuxième segment de tube 30 traversant un deuxième bras radial (17b) voisin du précédent 17a (parcouru vers l'extérieur par l'air, alors que le premier segment 28 l'était vers l'intérieur), un tronçon de raccordement externe 31, et un troisième segment de tube 32 traversant un troisième bras radial 17c voisin du précédent 17b, et menant devant l'injecteur 18 correspondant. Les segments de tube 28, 30 et 32 sont voisins des tubes de ramification 21 dans les bras radiaux 17 et composent les méandres 26 avec les tronçons de raccordement 29 et 31. L'air les empruntant est donc chauffé dans trois bras radiaux (17a, 17b et 17c) au lieu d'un seul.
Les portions du circuit sur lesquelles les vannes 22 sont installées correspondent à une branche principale du circuit 14 par laquelle l'essentiel du débit de soufflage passe quand les vannes 22 sont ouvertes. En effet, des trous de calibration non représentés limitent le débit passant par la branche de dérivation 24. Quand toutefois on ferme les vannes 22 pour la même raison que précédemment de diminuer le débit de soufflage, celui-ci est déporté sur la branche de dérivation 24, et sa valeur diminue, même si les vannes 22 sont complètement fermées, ce qui est envisageable dans ce mode de réalisation.
Le même effet de dilatation de la structure 10 est alors obtenu grâce à cette diminution de valeur du débit ; il est même renforcé par réchauffement plus important réalisé dans les méandres 26, puisque l'air demeure plus longtemps dans cette partie la plus chaude du circuit 14 grâce à l'allongement qu'ils procurent. Cette variante
de réalisation est donc susceptible de donner de meilleurs résultats que la précédente, tout en étant plus compliquée.
Dans toutes les réalisations de l'invention, le circuit de ventilation du rotor peut coopérer avec un circuit de ventilation du stator qui est distinct de lui ou forme une autre branche d'un même circuit de ventilation : on a représenté à la figure 4 un tel circuit 33 de ventilation du stator 2, qui comprend un conduit partant du même orifice de prélèvement 13 et qui aboutit contre le stator 2 par des ramifications 34. La ventilation conjointe du rotor 1 et du stator 2 permet non seulement de réduire les jeux de la turbine à basse pression 8, mais de répartir plus finement et au mieux cette réduction de jeux le long de ladite turbine 8.