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" Perfectionnements apportés à le construc- tion des stators pour des turbines, com- presseurs et machines analogues ".
La présente invention est relative à la construction des stators pour turbines, compresseurs et machines analogues et elle a pour but, surtout, de réaliser un passage pour le fluide actif dans la par- tie, constituant le stator, de ces machines et par le- quel on simplifie le problème de maintien du jeu effec- tif à une valeur raisonnablement réduite entre une pa- roi de ce passage et un organe qui doit être 1-ogé avec un certain jeu. dans celui-ci, malgré que ces pièces soient susceptibles de se dilater et de se contracter par suite des variations de température.
L'invention concerne plus particulièrement et présente un intérêt tout particulier pour des machines dans lesquelles se produisent des variations importantes
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de la température eu, elle convient donc, spécialement, à des turbines à combustion interne et fonctionnent à des températures choisies, par exemple des turbines axiales à gaz telles qu'utilisées pour des installations motrices des engins d'aviation, pour lesquelles le problème du maintien d'un jeu réduit entre le passage pour le fluide actif et les organes mobiles dans celui- ci présente un intérêt très élevé.
Le problème e été étudié avant tout en ce qui concerne le jeu qui existe, dans les turbines de ce genre, entre les bouts ou som- mets des aubes de rotor de la turbine et leur anneau ou bandage de stator et l'invention sera décrite ci- après comme étantappliquée à ce ces particulier sens préjudice pour la généralité de la portée de se pro- tact ion. Pour les turbines du genre en question le sta- tor a une masse moindre que celle du rotor et s'échauf- fe donc plus rapidement et il en résulte que le die- mètre du stetor et, par conséquent, le jeuexistant aux sommets des aubes de rotor augmente lors de la mise en marche etque le rendement diminue jusqu'à ce que le rotor soit devenu assez chaud.
Dans le ces d'une tur- bine à gaz cette difficultéé ne peut pas être écartée par un réchauffage préalable comme avec les turbines vapeur. Au contraire, la nature même de le machine im- plique qu'un accroissement rapide de la température est inévitable. Par contre, quand on arrête la turbine, le stator refroidit plus rapidement que le rotor car il est exposé plus favorablement pour pouvoir refroidir et il a une masse plus réduite et il en résulte que, si l'on n'a pas adopté de prime abord un jeu suffisent, le
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stator se contracte autour des aubes en produisant des dégâts sérieux.
Ces difficultés deviennent d'autant plus grandes que le diamètre du rotor augmente et que la longueur ou la longueur relative des aubes diminue car dans ce cas le rapport entre le jeu au sommet de l'aube et la hauteur de celle-ci peut atteindre une valeur prohibitive du point de vue du rendement de travail.
Un autre but de l'invention est de rendre les aubages du stator tels que l'ensemble de l'aubage, ou les aubes individuelles ou plusieurs aubes puissent être démontés ou remis en place d'une manière simple et aisée. Elle a également pour but de réaliser un stator qui convienne très bien aux desiderata des machines à étages multiples en ce sens que le stator ,peut être monté, d'une seule pièce, au cours de l'assemblage d' une machine complète.
Conformément à l'invention et pour desmachi- nes du genre en question, plus spécialement une turbine à combustion interne qui doit fonctionner à des tempé- ratures élevées, comportant un passage pour le fluide actif dans le stator et dans lequel se trouve un élé- ment qui doit avoir du jeu dans ce passage, ledit pas- sage et l'élément devant subir des dilatations et con- tractions thermiques dans le sens radial, une des pa- rois, délimitant ledit passage, est constituée par un bandage comprenant des joints de dilatation propres à agir dans le sens périphérique pour permettre la dilata- tion et la contraction thermiques de la matière du ban- dage sans qu'il en résulte une variation correspondante de son rayon,
ledit bandage étant supporté par rapport
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à l'ensebble du passage par des moyens propres à faire varier le rayon du. bandage indépendamment de la cerec- téristique de dilatation et de contraction de ce der- nier afin que, à tout moment, ledit rayon dépende de l'étet des its moyens de support et non pes de la tempé- rature du bendege.
Suivant une eutre disposition, feisent l'ob- jet de l'invention, on constitue le bandage, délimitant un passage dens lequel est logé un élément, ce passage et cet élément -'-tent susceptibles de subir une dilata- tion et une contraction différentielles, par une peroi interne à température élevée et montée sur un support à température basse et constitué sous forme d'un ensemble rigide, isolé dudit passage par le paroi interne, for- ment écran, et travaillat dans une zone de températures inférieures à celles de cette paroi, le montage de le paroi interne sur son support étant tel que le rayon de cette peroi soit déterminé per l'état dudit support.
Plus spécifiquement et plus spécialement quand il s'agit d'une turbine à combustion interne fonction- nent à une température élevée, pour laquelle on -fait comporter à l'ensemble du stator eu moins un bandage pour les aubes de rotor et eu moins une paroi interne à tempéature .élevée et exposée à le température du cou- rent gazeux actif tout en comprenant des joints de di- latation agissant dens le sens périphérique de manière que le ilatetion them@ique de la matière, constituent le ou les bandages susdits, puisse se faire sens Que leur diamètre soit modifié et un support extérieur, à température basse et constitué sous 1'orme d'un ensemble
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rigide,
qui est refroidi de manière à travailler dans une zone de températures inférieures à celles du ban- dage, ce dernier étant fixé audit support rigide de me- nière que son diamètre soit déterminé par celui-ci.
Il est à noter que, pour cette disposition, le diamètre de la paroi interne à température élevée subit seulement lesmêmes variations que celui d'il sup- port ou de l'enveloppe à basse température, de sorte que le diamètre de la paroi interne peut être maintenu donstant à une valeur déterminée par les limites des variations de température envisagées pour l'enveloppe et il devient possible, en adoptant un jeu, pour le bout d'une aube froide, qui est calculé seulement en se basant sur la dilatation estimée du rotor, d'écarter le danger que le bandage, en'se contractent, puisse venir en con- tact avec les aubes, quand il se refroidit.
Il se peut, toutefois, que dans certains cas le jeu soit encore su- périeur à une valeur acceptable, quand la turbine est mise en marche à froid, pour la raison que le rotor s' échauffe d'une manière relativement lente. Pour écarter cette difficulté et conformément à une autre caracté- roistique de l'invention, on refroidit également le ro- tor de manière que le jeu au bout des aubes et lors de la mise en marche corresponde, autant que possible, à celui existant pendant la marche normale.
Suivant d'autres s partic ularit és de l'invention, qui peuvent être utilisées séparément ou en combinai- son, on constitue l'enveloppe ou support extérieur, à basse température, du stator par plusieurs pièces annu- laires reliées entre-elles dans le sens axial (ces piè- ces pouvant être continues dans le sens périphérique ou
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constituéesen plusieurs segments); on utilise cespiè- ces annulaires, reliées exielement entre-elles, de l' enveloppe ou du support extérieur, par suite de leur juxtaposition pour loger les embases des aubes du sta- tor dens des rainures ménagées dans l'ensemble de ces pièces annule ires;
on constitue le paroi interne à tem- pérature élevée du stator (dens le ces d'une turbine étages multiples) par plusieurs ensembles de pièces an- nulaires; on établit entre le paroi interne à haute température et l'enveloppe à basse température ou entre leurs pièces annulaires constitutives, des liaisons à emboîtements Mutuels par lesquelles le paroi interne est rendue rigidement solidaire de ladite enveloppe.
Pour obtenir le différence désirée dans le relation thermique entre le paroi interne et l'envelop- pe, l'invention envisage, en outre, de refroidir cette dernière. A cet effet et conformément à l'invention, on monte le paroi interne ou bandage sur l'enveloppe de manière qu'un intervalle radial subsiste entre-elles, des moyens étant prévus pour faire circuler un fluide refroidisseur dens le cavité ainsi formée.
De préférence, on a recours pour fournir du fluide réfrigérant au rotor de le turbine à des conduits et guides reliés à une source d'air comprimé et propre à amener cet eir à une ou plusieurs surfaces de ce rotor et à le conduire le long de celles-ci, l'agence Tient préféré étant tel qu'une mince couche d' air, rapidement remplacée, passe sur la surface à re- froidir. Les conditions peuvent aisément être satis- faites si, conformément à une autre particularité de l'invent ion, on loge le co rps du rotor, tout au moins
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un côté de celui-ci, dans une chambre, ayant des sor- ties pour le courant gazeux refroidisseur et reliée à une source d'air comprimé telle qu'une pression soit maintenue, dans cette chambre,
qui est plus élevée que celle du courant gazeux actif, afin qu'il se produise un remplacement continuel de l'air refroidisseur en con- tact avec le rotor.
D'autres caractéristiques et particularités, plus détaillées, apparaîtront au cours de la descrip- tion, donnée ci-dessous et à titre d'exemple, d'un mode de réalisation de l'invention, appliqué à une installa- tion motrice à turbine à gaz et pour un avion, cette turbine étant à deux étages et à écou lement axial.
Les figs. lA et 1B montrent, en coupe axiale, une partie de cette installation pour faire ressortir la relation existent entre elle et la turbine.
La fig. 2 montre, à plus grande échelle et en coupe axiale, une partie de la turbine faisant partie de cette installation.
La fig. 3 montre, en coupe détaillée, le ban- dage intérieur et à haute température.
L'installation motrice, montrée sur la fig. 1 et à laquelle est appliqué l'objet de l'invention, com- prend une turbine axiale à étages multiples, un compres- seur 1, à décharge centrifuge et dont on a seulement montré les étages finaux, ce compresseur fournissant de l'air sous pression à une boîte à air ou de combus- tion annulaire 2, délimitée par des parois interne 3 et externe 4 établies symétriquement autour d'un arbre 5 à l'aide duquel le compresseur 1 est entraîné par une
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turbine, désignée d'une manière générele per 6. L'inté- rieur de le chambre 7, délimitée par le paroi interne 3 de la boîte à air 2, est maintenu sous pression per de l'air comprimé fourni, à trevers un refroidisseur 8 et un conduit 9, depuis le boîte à, eir 2.
Cette dernière contient, régulièrement réparties le long de sa péri- phérie, des chambres de combustion avec des gicleurs ou brûleurs 10 dirigée vers des tubes de flemme 11 qui déchargent les gaz actifs dans la tuyère d'entrée 12 de le turbine. Il est µ, noter. que les sorties des tubes de flamme 11 sont epleties périphérquement pour former des segments ennuis ires et constituer ainsi uns sortie annulaire, pretiquement continue, vers le turbine.
L'invention est appliquée, de préférence, à 'une turbine qui comporte, comme montré, un passae pour le fluide actif et qui va en s'élargissant vers l'avel.
De plus, l'ensemble de le tuyère et de l'aubgge de le turbine est, de préférence, constitué à. l'aide de plu- sieurs éléments annulaires dont le diamètre varie d'une manière approporise etqui sont en contacten se sup- portant mutuellement pour former, par leur ensemble, le peroi interne à température élevée et l'enveloppe ex- térieure, faisant l'objet de l'invention. Ces éléments sont montés en étant engegés depuis l'extrémité le plus grande du pessege et à mesure çue la montage pro- gresse de telle sorte que clzeque élément, qui est mis en pièce, maintient celui qui le précède.
D'une manière plus détaillée, l'ensemble, formé par le tuyère de la turbine et par l'eubage du stator, est constitué comme suit et comme montré plus spécialement sur le fig. 2.
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Le premier élément de l'enveloppe rigide, qui forme également le paroi e.xtérie ure de la tuyère annu- laire de le turbine, est celui désigné par 13 et présen- te le diamètre le plus réduit, cet anneau 13 étant fixé au bâti de la machine par des boulons et comprenant une flasque 14 orientée radialement vers l'intérieur et vers l'extérieur à son extrémité avant alors que son bord ar- rière est muni- d'une gorge interne et une flasque 15, orientée radialement vers l'extérieur, pour pouvoir y fixer le deuxième élément annulaire de l'enveloppe.
L'aubage de la tuyère annulaire du stator comprend des aubes individuelles 16 munies d'une plaque 17 à leur embase, cette plaque ayant la forme d'un rectangle ou d'un losange. Sur le fa'ce de la plaque 17, opposée à celle où se trouve l'aube proprement dite, est montée une nervure ou clavette 18 qui est logée dans une rai- nure axiale correspondante, ménagée dans l'anneau 13 et l'extrémité arrière de cette nervure porte uhe dent 19 propre à venir s'engager dans la gorge interne de l'anneau 13. Chaque aube est engagée depuis l'arrière jusqu'à ce que 'le bord avant de sa plaque soit adjacent à la flasque 14 susdite de l'anneau 13 et que sa dent 19 soit engagée dans son logement. La nervure ou clavette 18 se trouve alors dans la rainure complémentéire de l'anneau 13.
On pose ensuite le deuxième élément annu- laire 20 contre l'anneau 13 à l'aide d'une flasque 21 dont le bord interne bute contre les extrémités arrière des dents 18 des aubes 16 ce qui maintient celles-ci dans leur gorge. La flasque est prolongée vers l'avant en 22,
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à se partie externe, pour former un par lequel le bord extérieur de le flesque 15 de l'anneau 31 est main- tenu et pour venir également en conact avec le pertic elle extérieure de 'Le flasque 14 sur laquelle/est fixéa par des boulons.
Ces deux flasques, de pair acec le premier anneau 13, délimitent une chambre à eir annulaire 83 dans laquelle de l'air réfrigérent est edmis, depuis le refroidisseur 8 à. l'aide d'un raccord 24 jusque dans l'entrée 25 de la chembre 23. Celle-ci comporte des sor- ties vers les intervalles compris entre les nervures ou clavettes 18 des aubes. Ce deuxième anneau 30, de l'en- veloppe, e une forme tronconique et son extrémité er- rière comporte une flasque 26, orientée radielement vers l'extérieur etdans laquelle est ménagée une reinu- re périphérique continue.
On introduit ensuite dens le deuxième anneau 20, de l'enveloppe, le premier élément ou bandage in- térieur à haute température. Cet élément est formé ¯par une pièce annulaire et tronconique; constituée per plu- sieurs sections ou segments 27 reliés entre-eux par des bandes 28 (fig.
3) de manière à former un anneau dis- continu, ces bandes pénétrant librement, par leurs bords opposés, dans des rainures ménagées dans les bords axiaux des éléments 27, un jeu 29 étant prévu, dans le sens périphérique, afin que ces bandes 28 puissent agir comme des joints de dilatation. Les bords avent (de plus petit diamètre) des segments 27 sont supportésen étant emboîtés dans les bords arrière des pleques 17 des aubes, déjà mises en pièce, à l'aide d'un épaulement 27e Le bandage, constitué per l'anneau obtenu l'aide des sections 27, est écarté de l'anneau extérieur 20, de
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l'enveloppe, pour délimiter avec celui-fi une chembre d'air 30 dont une entrée 31 se trouve eu dessus de l'é- paulement 27a,
le bord arrière dudit bandage portant une flasque radiale 32, de hauteur réduite et orientée vers l'extérieur, dans laquelle sont ménagés des orifi- ces 33. La flasque radiale 32 comporte Également un re- bord périphérique, orienté vers l'avant, qui est logé dans une rainure périphérique correspondante, ménagée dans le deuxième anneau 20 de l'enveloppe pour pouvoir supporter, à l'aide de l'épaulemetn 28, , le bandage 27 dans une position radiale fixe par rapport à l'anneau 20.
Le troisième anneau 35, de l'enveloppe 'et à réservé à l'étage/basse température, a, dans son ensem- ble, une forme tronconique et comporte, légèrement en retrait par rapport à son bord avant, une flasqu.e ra- diale 37, orientée vers l'extérieur et qui, de pair avec les flasques 36 et 26, délimitent une chambre annulaire, de section transversale généralement rectangulaire et dans laquelle sont logées les embases 38 d'une série d'aubes 39 du stator. Les embases 38 sont égale- ment retenues par leur emboîtement sur une nervure axia- le prévue sur la flasque 36. Cette nervure délimite, de pair avec l'anneau 35, une chambre à air 41 servant au refroidissement. Les aubes 38, elles-mêmes, présen- tent des encoches formant des passages pour l'air froid, comme Indiqué en 42 et en traits interrompus.
Le bord arrière du troisième anneau 35 de l' enveloppe porte une flasque radiale 43 avec rainure circulaire, analogue à celle prévue au bord arrière de l'anneau 20, cette rainure servant de logement à un
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rebord 44, orienté vers l'avant et prévu au bord er- rière d'un deuxième bandage intérieur à haute tempéra- turs 45, qui est analogue au bandage 27 et est supporté de manière à pouvoir être supporté par l'emboîtement de son bord Event dans les embases 38 des aubes.
Comme pour le premier bandage, on a prévu, un espace refroidis- seur 46 entre: le deuxième bandage 45 et le troisième anneau 35 de l'enveloppe, cet espace comprenant un ori- fice d'entrée 47, per lequel l'air entre depuis des pas- sages ménagés dans les embases --la des aubes,et un ori- fice de sortie 48?
Le face arrière du deuxième bandage 45 est fixée à un prolongement 49, qui est constitué comme le bandage 45 en ce sens qu'il est forme par des sections discontinues dans le sens périphérique et reliées entre- elles per des joints de dilatation. Ce prolongement 49 forme une chemise pour le paroi 50 du conduit d'échap- pement, cette paroi étant fixée, par des boulons, à le flasque 43 du troisième anneau de l'enveloppe.
Les subes de stator 16, de le tuyère nnulai- re, tout en étant supportées à leurs extrémités externes (embases) par le premier anneau 13 de l'envelopp, sont maintenues, à leurs extrémités internes (bouts) par un anneau intérieur complexe comprenant deux bagues 51 et 52, de section angulaire et fixées par des boulons à la paroi interne 3 de la boite à air 2, ces bagues por- tant des rebords 53 et 54 qui forment des appuis entre lesquels est engagé, avec un jeu radial pour permettre la dilatation, un tenon 55 établi au bout de chacune des aubes 16, ces tenons agissant à la fois pour maintenir
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les aubes et pour réagir contre la poussée des gaz sur ces aubes.
Les bouts des aubes 16 comportent également des flasques 56 qui prennent appui les unes sur les au- tres dans le sens périphérique pour former un fond, vir- tuellement continu, pour le passage de le tuyère tout en délimitant, sous elles, une chambre 57 pour de l'air refroidisseur qui peut être admis par l'intervalle 58 existant entre la structure de la boite à air et le bord avant des flasques 56 tout en étant prélevé sur le courant d'air principal, provenant de la botte à air.
Cet air refroidisseur est déchargé en 59 vers un inter- valle étroit existant entre le rotor et le bord arrière de l'anneau 51 de la tuyère.
Il est à noter que lesbandages intérieurs 27 et 45, à haute température peuvent,. à cause de leurs joints de dilatation et agissant dans le sens périphé- rique, 'conserver un diamètre cohstant melgré les varia- tions de la température. De plus, en étant rendus soli- daires des anneaux extérieurs 13, 20, 35, à. basse tem- pérature, leur diamètre effectif est déterminé, à.
tout moment, par le diamètre de ces anneaux extérieurs, Fi- nalement, en faisant circuler l'air refroidisseur de- entre puis la chambre 23 par les cavités existante les banda- ges et les anneaux de l'enveloppe, les variations de température de ces derniers et les variations de leur diamètre qui en résultent et qui correspondent donc à celles des bandages, peuvent être maintenues entre des limites très étroites, ce qui permet de prévoir un jeu plus faible entre les bouts des aubes de rotor et les bandages quand ils sont froids.
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Ce jeu. peut être réduit davantage en refroi- dissent le rotor de le turbine 6, lequel comporte, à cet effet, des éléments avant 60 et arrière 51. espèces dans le sens radial. L'élémentavant60 comprend un moyeu. creux 62 à l'aide duquel il est fixé directement sur l'arbre 5, qui est également creux, alors que l'élément arrière 61 est monté sur un prolongement creux 63, vers l'arrière, duditmoyeu 62 alors que dans son propre moyeu sont ménagés des passages axiaux 64 qui communi- quent avec l'intérieur du prolongement creux 63 et avec l'arbre creux5 ainsi qu'avec un intervalle subsistant entre les deux rotors 60 et 61 etavec des passades ra- dieux,
existent entre le face arrière du rotor 61 et un écrou 65 à l'aide duquel ce rotor est maintenu sur le- ditprolongement 63. Les éléments espacés 30, 61 du rc- tor sont renforcés par un disque annulaire 66 dont le bord interne 37 est renforcé pour venir en contact avec les faces internes de nervures annale ires 68 prévues sur les faces en reperd des rotors 80 et61, ces nervures {tant percées en 69.
Au bord extérieur, le disque 66 comporte une jante 70 qui remplit l'intervalle axial compris entre les montures des aubes sur les jentes des rotors 60 et 61 en forment ainsi une partie du fonu du passage annulaire pour le fluide actifalors que, sous cette jante 70, le disque 66 porte des nervures suun- laires 71 portent des crabots d'entraînement qui sont engagés entre des crabots complémentaires prévus sur des nervures 72 formées sur les faces correspondantes des rotors GO et 51. De l'air peut traverser les crabots vers les chambres 73, qui se trouvent à côté des embeses des aubes des deux rotors, ayant de passer à travers et
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sous ces embases.
Pour empêcher les tensions internes dans le disque 66 par suite d'une dilatation non-uni- forme de se jante 70, qui est chauffée en étant exposée auxgaz actifs chauds alors que la masse principale du disque reste relativement froide, on ménage dans la pé- rphérie du disque 66 des courtes fentes radiales (non visibles sur les dessins) qui sont constituées, pour em- pécher que l'air refroidisseur puisse s'écouler direc- tement depuis les chambres 73 vers le courant de gaz actif au lieu de passer à travers ou sous les embases des aubes, de manière telle que, pendant la marche nor- male de la machine, elles soient fermées µ leurs extré- mités radiales extérieures.
Ceci'peut être obtenu en constituant ces fentes par des traits de scie étroits et dont les bords sont rabattus, jusqu'à fermer les fen- tes, par un martelage préalable à l'usinage final de la jante 70. Les bords affaiblis ainsi obtenus sont écrasés lors de la première dilatation de sorte oue ces fentes, bien qu'elles soient ouvertes quand le disque 66 est froid, sont fermées à la température de fonctionnement normal. Il est désirable, pour maintenir un écoulement équilibré de l'air au delà des embases des aubes, dans les rotos 60 et 61, d'empêcher le passage de cet air d' une chambre 73 vers l'autre.
Ceci est obtenu en établis- sant des moyens obturateurs appropriés, tels que des chevilles filetées, dans lesparties internes radiales de ces fentes et en bouchent les trous perforés qui, se- lon la pratique courante, constituent les extrémités in- ternes radiales desdites fentes. Une disposition analogue, pour tenir compte d'une dilatation différentielle des
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rotors 80 et 31, n'est pas nécessaire à cause du mode de montage edopté pour les embases de leurs aubes.
La face avant du rotor 60 est protêts per un écran 74, servent eu guidage de l'air et qui est monté sur une partie fixe du pallier 75 de l'arbre 5 en déli- mitant une chambre étroite qui s'étend le long 'le la plus grande partiedu rotor 60. Un éeran analogue 76 est formé par une partie de la structure pour l'éckap- pement et eu voisinage de la face arrière du rotor 61.
Il est rappelé que la chambre 7, délimitée par la peroi internede le boîteair, est maintenue sous pression. Les parties fixes du palier 75 de l'ar- bre ont des joints 77, étanches à l'air, pour l'arbre 5 qui permettent les fuites d'air vers le boîte du pelicr et ensuite par le palier lui-même et par un passate 78 vers une chambre 79 entourant le moyeu du rotor 60.
Il y a donc un écoulement permanent d'air comprimé vers l'extérieur entre le face du rotor 80 et le guide 74 pour l'air, cette pression étant maintenue plus élevée que celle du fluide actif dans le turbine de sorte que l'air s'écoule dans le turbine entre le tuyère annulaire et le premier rotor 60. De plus, l'arbre 5 est alésé de manière à pouvoir recevoir de l'air comprimé depuis le chambre 7 et cet air s'échappe par les sorties 80 vers les passades 64 ménagés dans le moyeu du rotor '1 et ensuite entre les faces internes des deux rotos et le long de le face arrière du rotor 61 pour se mélanger, en fin de compte, au fluide actif comme expliqué.
De cette manière on peut diminuer notablement la dilatation et le contraction de l'ensemble du rotor
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de la turbine, de sorte que, à son tour, on peut réduire le jeu à prévoir aux bouts des aubes comparativement à celui qui doit être adoptépour un rotor non-refroidi.
De plus, en adoptent en outre la construction compensée pour le stator, telle que décrite plus haut, on obtient un rendement particulièrement élevé du point de vue des pertes dues aux fuites par les bouts ou sommets des aubes.