FR2943093A1

FR2943093A1 - Dispositif de reglage de la position radiale et/ou axiale d'une virole de stator de turbomachine

Info

Publication number: FR2943093A1
Application number: FR0951622A
Authority: FR
Inventors: Laurent Behaghel; Eric Bil; Antoine Brunet; Eddy Fontanel; Benjamin Pegouet
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2010-09-17
Anticipated expiration: 2029-03-16
Also published as: FR2943093B1

Abstract

La présente invention concerne un stator de compresseur ou de turbine de turbomachine comprenant : - un carter (1) externe, - une virole (3) interne ayant une face interne destinée à délimiter une veine d'écoulement d'un flux gazeux, - au moins un bras de liaison (8) reliant le carter (1) à la virole (3), et - des moyens de chauffage (9, 9', 9"). Le bras de liaison (8) est muni des moyens de chauffage (9, 9', 9") et sont aptes à être commandés de manière à régler la position radiale et/ou axiale de la virole (3). L'invention concerne également un compresseur, axial ou radial, ou une turbine basse pression équipé d'un tel stator.

Description

Titre de l'invention Dispositif de réglage de la position radiale et/ou axiale d'une virole de stator de turbomachine. Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général du contrôle de jeu entre le sommet d'aubes rotatives et un stator dans un compresseur axial, un compresseur radial ou une turbine basse pression. L'invention se destine à tout type de turbomachine, terrestre ou aéronautique, et plus particulièrement aux turboréacteurs d'avion ou aux moteurs d'hélicoptères. Le stator d'un compresseur ou d'une turbine basse pression comprend généralement un carter externe et une virole raccordée au carter par l'intermédiaire d'au moins un bras de liaison. La face interne de la virole délimite une veine d'écoulement de flux d'air ou de gaz et est située en regard d'un ensemble d'aubes mobiles portées par un rotor. Le rendement des compresseurs, qu'ils soient de type axial ou centrifuge (ou radial), ou d'une turbine basse pression, est fortement dépendant du jeu existant entre le sommet des aubes mobiles et la virole. Plus le jeu est faible en fonctionnement, plus la performance du compresseur ou de la turbine basse pression est élevée. Or, ce jeu est éminemment variable en fonction des conditions d'environnement thermique mais également en fonction de la vitesse de rotation des aubes mobiles, ce qui rend très difficile une optimisation dimensionnelle de la virole permettant d'avoir un jeu en sommet d'aubes le plus faible possible pour tous les régimes de fonctionnement de la turbomachine. A l'heure actuelle, une géométrie optimale du stator pour le régime de fonctionnement le plus courant est habituellement déterminée par modélisation du comportement du stator et du rotor. En outre, la virole du stator est munie du côté interne d'un revêtement abradable dans lequel peuvent pénétrer les sommets des aubes mobiles. Cette méthode d'optimisation du jeu en sommets des aubes mobiles ne permet pas de s'adapter à toutes les conditions d'environnement et de fonctionnement et nécessite par ailleurs des calculs parfois très longs.

Dans le cas d'une turbine, il est connu de procéder à un pilotage actif du jeu en sommet d'aubes par refroidissement du stator par balayage par de l'air. Toutefois, ce pilotage du jeu nécessite un prélèvement et un vannage d'air venant du compresseur. On connaît également le document EP 1777373 qui divulgue un pilotage du jeu en sommets d'aubes mobiles d'une turbine par chauffage électrique du stator. Ce pilotage est prévu lors d'une phase de régime ralenti, afin d'éviter un contact trop fort des sommets des aubes mobiles avec la virole du stator suite à une accélération. Ce chauffage n'est donc prévu que pour une phase de fonctionnement spécifique et, tel que réalisé, n'est pas adapté pour un réglage efficace et optimisé du jeu dans diverses conditions de fonctionnement de la turbomachine. Objet et résumé de l'invention La présente invention entend remédier aux inconvénients des systèmes de l'art antérieur en proposant un stator de compresseur ou de 15 turbine basse pression de turbomachine comprenant : - un carter externe, - une virole ayant une face interne destinée à délimiter une veine d'écoulement d'un flux gazeux, - au moins un bras de liaison reliant le carter à la virole, et 20 - des moyens de chauffage, caractérisé en ce que le bras de liaison est muni des moyens de chauffage aptes à être commandés de manière à régler la position radiale et/ou axiale de la virole. Ainsi, en plaçant judicieusement des moyens de chauffage 25 commandés sur le bras de liaison, présentant une faible section par rapport à sa longueur, on peut facilement ajuster sa longueur afin de pouvoir régler de façon optimum le jeu existant entre la virole du stator et les sommets d'aubes mobiles portées par un rotor en regard du stator. D'autres particularités du stator de compresseur ou de turbine 30 basse pression de turbomachine sont indiquées ci-après. Les moyens de chauffage peuvent comporter au moins une résistance électrique. Avantageusement, les moyens de chauffage sont placés du côté du bras de liaison le moins exposé en fonctionnement à une circulation 35 d'air.

Les moyens de chauffage peuvent comporter au moins deux résistances électriques disposées symétriquement par rapport à un plan médian longitudinal du bras de liaison. Avantageusement alors, chacune des deux résistances est apte 5 à être commandée indépendamment de l'autre. De préférence, les moyens de chauffage sont isolés thermiquement de l'atmosphère ambiante. Selon une possibilité, l'isolation thermique est assurée par un revêtement couvrant fixé sur le bras de liaison. 10 La présente invention se rapporte également à un compresseur, radial ou axial, ou à une turbine basse pression, comprenant un rotor portant une pluralité d'aubes mobiles et un stator, tel que défini ci-dessus situé, comprenant une virole formant un couvercle en regard du rotor. Avantageusement, le compresseur ou la turbine basse pression 15 comprend un détecteur de jeu entre les sommets d'aubes mobiles et la virole et un circuit de régulation pour commander les moyens de chauffage afin de maintenir ledit jeu sensiblement à une valeur prédéterminée. La présente invention se rapporte aussi à une turbomachine 20 comprenant un compresseur ou une turbine basse pression tel que défini ci-dessus. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs 25 modes préférés de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - La figure 1 est une vue en coupe schématique d'un compresseur de type radial ; - La figure 2 est une vue en coupe agrandie de la zone II visible 30 sur la figure 1 ; - La figure 3 est une demi-vue en coupe schématique d'un compresseur de type axial. Description détaillée d'un mode de réalisation La description s'intéresse essentiellement à décrire l'objet de 35 l'invention, à savoir en particulier les moyens de chauffage, dans un stator d'un compresseur ou d'une turbine basse pression de turbomachine, étant entendu que, outre ce qui est propre à l'invention, tous les éléments de la turbomachine sont des éléments classiques et non modifiés dans le cadre de la présente invention. Par souci de simplification et de clarté, on désigne indifféremment par flux gazeux le flux d'air circulant dans le cas d'un compresseur et les gaz chauds, issus de la combustion, circulant dans le cas d'une turbine basse pression. Par ailleurs, les termes radial et axial sont utilisés par référence à l'axe de la turbomachine. Les figures 1 et 2 illustrent un mode de réalisation de l'invention dans le cas d'un compresseur radial de turbomachine. Le stator d'un compresseur radial, tel que représenté sur la figure 1, comprend classiquement un carter 1, formant une enveloppe externe et logeant les autres parties du stator et du rotor 2 du compresseur. Le stator comprend une virole 3 formant un couvercle disposé à proximité immédiate du rotor 2 et délimitant une veine d'écoulement du flux gazeux. La virole 3 présente une face interne 4' en regard du rotor 2 et une face externe 4" en regard du carter 1. Le rotor 2 comprend classiquement une roue centrifuge, également dénommée rouet, munie d'une pluralité d'aubes 7. Le flux gazeux pénètre axialement dans le rotor 2, entre les aubes 7 du rotor 2 et la virole 3, et s'écoule sensiblement radialement en sortie du rotor 2. Le flux gazeux comprimé par le rotor 2 est redressé par un ou plusieurs diffuseur(s) 5 pour son transport vers d'autres parties de la turbomachine. La virole 3 est reliée au carter 1 par l'intermédiaire d'un bras de liaison 8. Le bras de liaison 8 consiste classiquement en une pièce de forme conique reliant de façon continue la virole 3 au carter 1. Conformément à l'invention, le bras de liaison 8 est muni de moyens de chauffage 9 qui peuvent être commandés pour régler la position de la virole 3 par variation dimensionnelle du bras afin de régler le jeu j entre la virole 3 et le sommet des aubes 7 du rotor. Sur les figures 1 et 2, on a représenté un mode d'exécution dans lequel les moyens de chauffage 9 comportent deux résistances électriques 9', 9" disposées sur deux côtés opposés du bras symétriquement par rapport à un plan longitudinal médian XX' du bras. La résistance électrique 9', 9" pourra, de façon connue, être formée par une nappe en un matériau à haute résistivité électrique ou par un bobinage électrique résistif. Les résistances 9' et 9" sont alimentées en courant électrique sous la commande d'un circuit de commande 40 relié aux résistances 9' et 9" par un câblage électrique. On notera que chaque résistance 9', 9" peut être formée d'une pluralité d'éléments résistifs alimentés en commun ou séparément. L'utilisation de deux résistances électriques 9', 9" situées symétriquement de part et d'autre du plan médian XX' permet de faire en sorte qu'au moins sur la portion longitudinale du bras de liaison 8 où sont situées les deux résistances électriques 9', 9", la température du bras de liaison 8 est sensiblement uniforme dans sa section. Bien entendu, un résultat similaire peut être obtenu avec une seule résistance électrique disposée dans la partie médiane du bras de liaison 8. Cela permet d'agir sur la longueur du bras de liaison 8, donc sur la position de son extrémité raccordée à la virole 3 dans une direction 12 parallèle à la direction longitudinale du bras 8. Lorsque, comme dans l'exemple illustré, le bras de liaison 8 se raccorde à la virole 3 au niveau de sa partie centrale coudée 6 de la virole 3 et s'étend sensiblement perpendiculairement à cette partie centrale 6. On peut agir sur le jeu j sur toute la longueur entre l'entrée et la sortie du compresseur. On notera que le déplacement de la virole 3 selon la direction 12 est une combinaison d'un déplacement radial et d'un déplacement axial. Lorsque les deux résistances électriques 9', 9" commandées indépendamment pour pouvoir être chauffées à des températures différentes l'une de l'autre ou lorsqu'il n'y a qu'une résistance électrique 9' ou 9" disposée d'un côté ou de l'autre du bras de liaison 8, on peut chauffer le bras de liaison 8 de façon non homogène dans sa section. Dans ce cas, si cela est utile pour le réglage du jeu j, il est possible d'imposer une déformation au bras de liaison 8 telle qu'il se torde ou fléchisse latéralement, suivant l'une des directions 10 ou 11, outre une variation de longueur selon la direction 12. Le déplacement latéral du bras de liaison 8, selon l'une des directions 10 ou 11, peut en effet être souhaitable afin de régler de façon indépendante le jeu radial du premier tiers (en entrée du compresseur radial) de l'abscisse curviligne des aubages et le jeu axial du dernier tiers (en sortie du compresseur radial).

Le circuit de commande 40 peut commander le chauffage du bras de liaison 8 pour régler le jeu j en fonction du régime de fonctionnement de la turbomachine. Dans ce cas, le circuit de commande 40 est piloté par l'unité de régulation (non représentée) de la turbomachine, ou ECU ( Engine Control Unit ). Le circuit de commande 40 peut en variante être relié à un capteur 41 fournissant une information représentative du jeu j. Le capteur 41 est placé sur ou dans la virole 3. Il peut être de type capacitif ou magnétique. Le circuit de commande 40 pilote alors le chauffage du bras de liaison 8 pour conserver le jeu j sensiblement égal à une valeur de consigne. Dans les deux cas, le circuit de commande 40 peut être distinct de l'unité de régulation de la turbomachine, ou être intégré à celle-ci. Par ailleurs, afin en particulier d'éviter une perte calorifique par convexion ou radiation dans l'environnement des bras de liaison 8, les moyens de chauffage 9 peuvent être associés à des moyens d'isolation 13. Ces moyens d'isolation 13 peuvent être sous la forme d'une plaque ou d'un revêtement thermiquement isolant fixé, par exemple par collage ou liaison mécanique, sur la ou les face(s) du bras à l'emplacement où la ou chaque résistance électrique 9', 9" est présente. La figure 3 illustre un mode de réalisation de l'invention dans le cadre d'un compresseur axial de turbomachine. Sur cette figure, trois étages de compression 15, 16, 17 sont visibles. Chaque étage de compression 15, 16, 17 comprend un ensemble d'aubes non rotatives 18 portées par le stator 20 du compresseur et un ensemble d'aubes mobiles 19 portées par le rotor 30 du compresseur. Les aubes mobiles 19 de chaque ensemble sont reliées à un disque respectif 35 du rotor 30 par encastrement de leurs pieds 19a. Le stator 20 comprend un carter externe 21 et une virole 23 reliée au carter 21 par un bras de liaison annulaire 28. Les aubes 18 sont portées par la virole 23. La face interne de la virole 23 délimite la veine d'écoulement de flux gazeux dans le compresseur, veine dont la sortie est décroissante dans le sens d'écoulement du flux gazeux, la virole 23 ayant une forme générale sensiblement conique.

Conformément à l'invention, le bras de liaison 28 est muni de moyens de chauffage 29 aptes à être commandés pour régler le jeu j entre la virole 23 et les sommets des aubes mobiles 19 par variation dimensionnelle du bras 28. Dans l'exemple illustré, le bras de liaison 28 a une forme coudée et présente une section en L ou V et se raccorde à la virole 23 par une partie interne 28a qui est inclinée par rapport à la direction radiale en formant un angle a de préférence inférieur à 30° par rapport à la direction axiale. Les moyens de chauffage 29 sont montés de préférence sur la partie 28a du bras de liaison 28. Dans le mode de réalisation ici envisagé, les moyens de chauffage 29 sont formés par au moins une résistance électrique 29 similaire aux résistances 9' et 9" du mode de réalisation des figures 1 et 2. Comme dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, l'alimentation de la résistance 29 est commandée par un circuit de commande 40 en fonction du régime de la turbomachine ou d'une information représentative du jeu j fournie par un capteur 41. Du fait de la géométrie du bras de liaison 28, le déplacement de la virole 23 pour régler le jeu j entre la virole 23 et les sommets d'aubes 19 est essentiellement un déplacement axial (direction 26) avec une faible composante radiale (direction 27). On pourra utiliser une résistance électrique 29 placée sur un côté du bras de liaison 28 ou au sein de celui-ci. Dans le cas d'une résistance électrique située sur un côté du bras de liaison 28, des moyens d'isolation 25 similaires aux moyens d'isolation 13 du mode de réalisation des figures 1 et 2 sont avantageusement prévus pour isoler thermiquement la résistance de l'atmosphère environnante. En outre, dans le cas où les moyens de chauffage sont situés sur un seul côté du bras de liaison 28, ce côté est de préférence celui présentant le moins d'interaction avec l'atmosphère ambiante, c'est-à-dire le moins exposé à une circulation d'air en fonctionnement. On pourra prévoir, en variante du mode de réalisation représenté sur la figure 3, que le bras de liaison 28 s'étend sensiblement radialement. Dans ce cas, le déplacement de la virole 23, grâce aux moyens de chauffage 29 placés sur le bras de liaison 28, est radial, ou essentiellement radial, selon la direction 27.

Bien entendu, dans le mode de réalisation de la figure 3, on pourra prévoir une pluralité de résistances pour constituer les moyens de chauffage 29. A l'instar du mode de réalisation des figures 1 et 2, ces résistances pourront être placées de façon symétrique de part et d'autre du bras de liaison 28 afin d'assurer un chauffage sensiblement uniforme et/ou pour augmenter l'effet de dilatation thermique. On pourra également envisager un chauffage asymétrique du bras de liaison 28 comme décrit en relation avec le mode de réalisation des figures 1 et 2. Des modes de réalisation de l'invention ont été décrits en relation avec une application à des compresseurs de turbomachine. L'invention est toutefois applicable à une turbine basse pression de turbomachine avec par exemple un arrangement similaire à celui de la figure 3. De préférence, lorsque les moyens de chauffage sont placés sur un seul côté du bras de liaison, on veillera à ce que ce côté est celui qui, en fonctionnement, est le moins exposé à une circulation d'air, en l'espèce normalement un côté tourné vers l'intérieur.

Claims

REVENDICATIONS1. Stator (1 ou 21, 8 ou 28, 3 ou 23) de compresseur ou de 5 turbine basse pression de turbomachine comprenant : - un carter (1, 12) externe, - une virole (3, 23) ayant une face interne destinée à délimiter une veine d'écoulement d'un flux gazeux, - au moins un bras de liaison (8, 28) reliant le carter (1, 21) à la virole (3, 10 23), - des moyens de chauffage (9, 9', 9", 29), caractérisé en ce que le bras de liaison (8, 28) est muni des moyens de chauffage (9, 9', 9", 29) aptes à être commandés de manière à régler la position radiale et/ou axiale de la virole (3, 23). 15
2. Stator selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (9, 9', 9", 29) comportent au moins une résistance électrique.
3. Stator selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (9, 9', 9", 29) sont placés du côté du bras de liaison 20 (8, 28) le moins exposé en fonctionnement à une circulation d'air.
4. Stator selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (9, 9', 9", 29) comportent au moins deux résistances électriques (9', 9") disposées symétriquement par rapport à un plan médian longitudinal (XX') du bras 25 de liaison (8, 28).
5. Stator selon revendication 4, caractérisé en ce que chacune des deux résistances (9', 9") est apte à être commandée indépendamment de l'autre.
6. Stator selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (9, 9', 9", 29) sont isolés thermiquement de l'atmosphère ambiante.
7. Stator selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'isolation thermique est assurée par un revêtement couvrant (13, 25) fixé sur le bras de liaison (8 ou 28). 35
8. Compresseur radial, comprenant un rotor (2) portant une pluralité d'aubes mobiles (7) et un stator (1, 3, 8), selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une virole formant un couvercle (3) en regard du rotor (2).
9. Compresseur axial, comprenant un rotor (30) portant une pluralité d'aubes mobiles (19) et un stator (20), selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, entourant le rotor (30).
10. Turbine basse pression, comprenant un rotor portant une pluralité d'aubes mobiles et un stator selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, entourant le rotor.
11. Compresseur ou turbine basse pression selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur de jeu (41) entre les sommets d'aubes mobiles (7, 19) et la virole (3, 23) et un circuit de régulation (40) pour commander les moyens de chauffage (9, 9', 9", 29) afin de maintenir le jeu (j) sensiblement à une valeur prédéterminée.
12. Turbomachine comprenant un compresseur ou une turbine basse pression selon l'une quelconque des revendications 8 à 11.