EP2078822B1

EP2078822B1 - Moteur à turbine à gaz avec clapet de mise en communication de deux enceintes

Info

Publication number: EP2078822B1
Application number: EP09150354A
Authority: EP
Inventors: Aurélien René-Pierre Massot; Jean-Pierre Pabion; Sébastien Jean Laurent Prestel; Jean-Luc Soupizon
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2029-01-09
Also published as: RU2490475C2; CA2649399C; US20090180867A1; EP2078822A1; US8221061B2; JP2009168022A; RU2009100674A; FR2926327B1; JP5210891B2; FR2926327A1; CA2649399A1

Description

La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz et vise un moyen commandant la circulation d'air entre deux enceintes à l'intérieur du moteur, la pression relative entre les deux enceintes variant en fonction du régime de fonctionnement.
Un moteur à turbine à gaz comprend au moins trois parties : un compresseur d'air, une chambre de combustion et une turbine, le compresseur alimentant la chambre de combustion qui produit des gaz chauds mettant en mouvement la turbine. La turbine est reliée au compresseur par un arbre par lequel elle entraîne ce dernier. Le moteur peut comprendre plusieurs corps chacun avec un rotor formé d'un compresseur, d'une turbine et d'un arbre les reliant mécaniquement. Les moteurs dans le domaine aéronautique sont généralement à double ou triple corps. Ils comprennent donc au moins un corps rotatif fonctionnant avec un fluide moteur dit basse pression, BP, et un corps rotatif fonctionnant avec un fluide moteur dit haute pression, HP, les deux corps étant mécaniquement indépendants l'un de l'autre et tournant à des vitesses différentes.
La recherche d'un rendement toujours plus élevé conduit à développer pour un même moteur des turbines basse pression dont le rayon moyen augmente notamment par rapport à celui de la turbine haute pression, dans le but de réduire la charge aérodynamique. Il s'ensuit la nécessité de prévoir un conduit de transition entre les étages de la turbine haute pression et l'entrée de la turbine basse pression, de géométrie adaptée. Ce conduit de transition reste relativement court en raison de l'application aéronautique du moteur. Un tel conduit impose au gaz qui le parcourt une déviation importante sur une courte distance, il présente donc de fortes pentes et une diffusion importante. Afin de conserver une qualité d'écoulement satisfaisante dans le col de cygne formé par le canal de transition, éviter l'épaississement voire le décollement de la couche limite, des moyens de soufflage d'air le long de la paroi extérieure de la veine sont prévus dans ce cas. Le présent déposant a développé une solution en relation avec ce problème. Elle est décrite dans la demande de brevet FR 0654139 du présent déposant. Une enceinte de distribution de fluide de soufflage est ménagée entre la paroi extérieure du canal de transition et un élément du carter de turbine. L'enceinte communique par un orifice d'alimentation en fluide avec une zone de prélèvement en amont du canal de transition. Ce prélèvement est effectué de préférence au niveau du compresseur de telle façon que l'air injecté forme un film de protection thermique de la paroi.
Par ailleurs, en amont de ce canal de transition, la veine annulaire de gaz moteur est délimitée extérieurement par un anneau de stator. Le jeu entre le sommet des aubes de la turbine HP et la face interne de cet anneau est maintenu, pendant toutes les phases de fonctionnement du moteur, aussi faible que possible car l'efficacité de la turbine en dépend. L'ensemble stator et rotor HP étant soumis en fonctionnement à des déplacements axiaux et radiaux relatifs différents, il s'ensuit une variation du jeu qu'il convient de maîtriser. On emploie dans ce but de l'air prélevé en amont du moteur, au niveau du compresseur, pour ventiler le support de l'anneau de stator et piloter sa dilation en fonction du régime. L'air circulant dans l'enceinte de ventilation est ensuite évacué dans la veine. Cela est en soi connu. Il est à noter que le pilotage implique une circulation d'air de ventilation non continue. On réduit et on interrompt ce flux d'air, notamment lorsque le régime est stabilisé.
Lorsque le moteur comprend à la fois un tel moyen de pilotage de la dilatation de l'anneau de stator de turbine avec un flux d'air de ventilation, circulant dans une enceinte de ventilation, et une enceinte de distribution d'air de soufflage immédiatement aval, ménagée autour de la paroi du canal de transition, il serait souhaitable d'utiliser cet air de ventilation comme au moins une partie de l'air de soufflage de la paroi extérieure de la veine dans le canal de transition. Toutefois en fonctionnement, la pression différentielle entre ladite enceinte de ventilation et l'enceinte de distribution d'air de soufflage est susceptible d'évoluer. Ainsi lorsque la circulation l'air de ventilation est interrompue ou réduite, la pression dans l'enceinte de ventilation devient inférieure à celle de l'enceinte de distribution. Si une communication entre les deux enceintes existait, un reflux parasite de gaz depuis l'enceinte de distribution, perturbant le pilotage du jeu entre l'anneau de stator et le sommet des aubes de turbine, serait créé.
Le présent déposant s'est fixé comme objectifs de :

Récupérer l'air de ventilation du support de l'anneau de stator de la turbine HP ;
Assurer que l'air de ventilation contribue au soufflage de la paroi extérieure du canal de transition en évitant les reflux d'air depuis l'enceinte de distribution de l'air de soufflage.

Conformément à l'invention, on parvient à réaliser ces objectifs avec un moteur à turbine à gaz à double corps comportant un anneau de stator de turbine HP et une paroi extérieure du canal de transition entre les étages HP et BP, une première enceinte pour le pilotage de l'anneau de stator, et une seconde enceinte pour la distribution d'air de soufflage de la paroi extérieure du canal de transition, caractérisé par le fait que les deux enceintes sont mises en communication par un orifice dont l'ouverture est commandée par un clapet agencé pour être ouvert quand la pression P1 dans la première enceinte est supérieure à la pression P2 dans la seconde enceinte, et fermé quand P1<P2.
L'invention est avantageuse avec un moteur dont les deux enceintes sont séparées par une cloison, percée dudit orifice.
US 2005/0042080 , au nom de la demanderesse décrit un moyen de pilotage d'un anneau de turbine par la circulation d'air dans un circuit constitué d'une chambre alimentant des bandes perforées et d'un retour de fluide après impact de la paroi supportant l'anneau. Le retour d'air comprend une enceinte amont recueillant l'air de la bande amont, et une enceinte aval recueillant l'air des bandes aval. Après impact, l'air passe dans l'espace radial ménagé entre la chambre et les bandes pour être recueilli dans les enceintes respectives. On voit en particulier l'introduction de l'air dans l'enceinte aval.
L'air passe ensuite de l'enceinte aval dans le canal de turbine au travers d'un orifice et d'un tube. On ne retrouve pas dans ce mode de réalisation de moyen susceptible d'obturer le passage vers l'enceinte aval.
Selon un mode de réalisation préféré, le clapet comprend un élément tubulaire engagé dans l'orifice, avec une partie évasée, un coulisseau d'obturation mobile dans l'élément tubulaire entre une position de fermeture en appui contre la partie évasée et une position d'ouverture dégagée de la portion évasée.
Cette solution présente, en raison des différences des surfaces sur lesquelles s'exercent les pressions P1 et P2, l'avantage supplémentaire d'assurer une ouverture du clapet lorsqu'il y a un écart significatif de pression entre les deux enceintes, et par suite un fonctionnement stable du dispositif.
L'élément tubulaire peut avoir été rapporté dans l'orifice ou bien selon une variante former une seule pièce avec la cloison.
Conformément à une autre caractéristique, le clapet comprend un couvercle ajouré, rapporté sur l'élément tubulaire, contre lequel le coulisseau vient en appui en position d'ouverture.
Conformément à une autre caractéristique, le clapet comprend un coulisseau d'obturation avec un orifice de fuite assurant un débit réduit de gaz entre l'enceinte de distribution et l'enceinte de ventilation, en position de fermeture.
Cette solution est avantageuse car elle permet d'éviter un écart trop important de pression entre les enceintes.
Conformément à une autre caractéristique, le clapet comprend un élément tubulaire comportant une partie avec un diamètre réduit, une partie de plus grand diamètre, les deux parties étant raccordées par la partie évasée, le coulisseau comportant une portion de surface de guidage coopérant avec la partie à plus grand diamètre pour le guidage du coulisseau à l'intérieur de l'élément tubulaire.
On assure ainsi un fonctionnement souple du coulisseau et on réduit les risques de blocage dans une position ou l'autre.
Selon une variante, le clapet comprend un élément tubulaire comportant une partie avec un diamètre réduit, une partie de plus grand diamètre, les deux parties étant raccordées par la partie évasée, le coulisseau comportant une portion de surface de guidage coopérant avec la partie à diamètre réduit pour le guidage du coulisseau à l'intérieur de l'élément tubulaire.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit de différents modes de réalisation non limitatifs de l'invention en référence aux dessins annexés :

La figure 1 montre un moteur schématiquement un moteur en coupe axiale ;
La figure 2 représente la partie du carter du moteur dans la zone de la turbine HP et du canal de transition agencée selon l'invention ;
La figure 3 représente, en coupe axiale, le clapet de l'invention ;
Les figures 4 à 7 représentent, vues en coupe axiale des variantes de clapet selon l'invention.

Sur la figure 1, on a représenté de manière schématique un exemple de turbomachine sous la forme d'un turboréacteur à double flux et à double corps. Une soufflante 2, à l'avant, alimente le moteur en air. L'air comprimé par la soufflante est partagé en deux flux concentriques. Le flux secondaire est évacué directement dans l'atmosphère sans autre apport d'énergie et fournit une part essentielle de la poussée motrice. Le flux primaire est guidé à travers plusieurs étages de compression vers la chambre de combustion 5 où il est mélangé au carburant et brûlé. La compression est effectuée successivement par un compresseur de gavage solidaire en rotation du rotor de soufflante et faisant partie du rotor BP, puis par un compresseur HP. Les gaz chauds de la chambre de combustion alimentent les différents étages de turbine, la turbine HP 6 et la turbine BP 8. Les rotors BP et HP de turbine sont solidaires respectivement des rotors BP et HP de compresseur, ils entraînent ainsi la soufflante et les roues mobiles du compresseur. Les gaz sont ensuite évacués dans l'atmosphère.
La turbine HP est à un seul étage tandis que, pour la turbine BP, la détente est fractionnée entre plusieurs étages montés sur un même rotor. Un canal de transition est ménagé entre les deux sections HP et BP, plus précisément entre le rotor de la turbine HP et le distributeur d'entrée de la turbine BP. En raison de la détente des gaz, le volume augmente et le diamètre moyen de la veine aussi. Toutefois cette augmentation reste compatible avec les conditions d'écoulement non perturbé.
Dans le cadre des études pour augmenter le rendement de turbine basse pression, le profil du canal aérodynamique est optimisé. Parmi ces optimisations on retient l'augmentation de la pente en entrée de turbine basse pression dans le canal de transition qui permet un accroissement rapide du rayon moyen de la turbine basse pression. De plus cette augmentation de section en entrée de distributeur basse pression générée par une plus forte diffusion dans le canal, engendre une augmentation de performances sur le premier étage avec une meilleure accélération dans le distributeur.
Toutefois, une forte pente en entrée de turbine basse pression crée des risques de décollements de la couche limite le long de la paroi extérieure du flux principal issu de la turbine haute pression. Ces décollements altèrent fortement la performance de la turbine BP.
Une solution consiste à injecter un flux de gaz significatif à la sortie de la turbine haute pression au niveau de la paroi. Cette injection d'air est communément appelée soufflage.
La figure 2 représente une partie du carter d'un moteur à turbine à gaz au niveau de la turbine HP et de l'entrée du canal de transition en aval de cette dernière.
Le rotor de la turbine HP, dont on voit l'aube 14, est mobile en rotation à l'intérieur d'un espace annulaire défini extérieurement par un anneau de stator 15 formant un moyen d'étanchéité. En aval de la turbine, la veine de gaz moteur est délimitée extérieurement par la paroi 20. Cette paroi est formée de plateformes en secteurs d'anneau s'étendant axialement entre l'anneau de stator de turbine 15 et le distributeur du premier étage de la turbine BP non visible sur la figure.
L'anneau de stator 15 est lui-même formé de secteurs montés dans une pièce annulaire 16, intermédiaire. Les secteurs de l'anneau 15 sont retenus ici par des liaisons à languette et rainure du côté amont et par des pinces en aval. La pièce intermédiaire 16 est montée dans un élément de carter 17 interne logé à l'intérieur du carter extérieur 11.
Le carter interne 17 comporte deux nervures radiales 17a et 17b, disposées annulairement dans deux plans transversaux passant par le rotor de la turbine HP. Une tôle 12 annulaire recouvre les nervures 17a et 17b et s'appuie par un rebord radial 12r contre la face interne du carter extérieur 11. Une enceinte de ventilation 19 est ainsi ménagée entre la tôle 12 et le carter interne 17. Les nervures 17a et 17b sont percées d'orifices 17a1 et 17b1 axiaux permettant la circulation de gaz entre la zone en amont des nervures et la zone en aval des nervures. La ventilation est assurée par un flux gazeux F provenant d'un passage approprié ménagé en amont de l'enceinte de ventilation 19.
En aval d'une bride radiale 17c du carter interne 17, une enceinte 21 de distribution d'air de soufflage est formée par une tôle qui est conformée de façon à présenter une cloison amont 21a sensiblement radiale, une cloison 21b aval, orientée également globalement radialement, une cloison radialement intérieure 21c et une cloison radialement extérieure 21d. Un joint 22 d'étanchéité en lamelle est placé entre la bride radiale 17c du carter interne 17 et la cloison 21a. L'enceinte 21 communique avec l'enceinte 19 par un orifice 21a1 équipé d'un clapet 30. L'enceinte 21 communique avec la veine de gaz par une ouverture 21c1, pratiquée dans la cloison radialement interne 21c, un tube 23 et des ouvertures 20a le long de la paroi 20 du canal de transition.
Le clapet 30 est représenté plus en détail sur la figure 3. Il comprend une partie tubulaire 31, un coulisseau 33 et un couvercle ajouré 35. La partie tubulaire 31 est formée d'une première partie cylindrique 31a de diamètre d1, d'une deuxième partie cylindrique 31c de diamètre plus grand d2, d2>d1, et d'une partie évasée 31b, reliant les deux cylindres 31a et 31c. Le coulisseau est logé dans la partie à grand diamètre 31c avec une face conformée pour venir recouvrir la partie évasée. Le coulisseau 33 est percé d'orifices 33a disposés annulairement et d'un orifice central 33b. Le grand diamètre du coulisseau correspond au diamètre interne de la partie cylindrique 31c. Le couvercle 35 monté sur cette partie forme butée axiale pour le coulisseau. Il est ouvert dans sa partie centrale en 35a en face des orifices 33a. Le coulisseau peut prendre une position ouverte, en appui contre le couvercle, auquel cas les orifices 33a sont dégagées. Le coulisseau 33 peut prendre une position de fermeture ou d'obturation lorsqu 'il est en appui contre la partie évasée 31b. Dans cette position les orifices 33a sont fermés par la paroi évasée.
Le fonctionnement du dispositif est le suivant.
Afin d'assurer une dilation contrôlée du carter interne 17, et donc d'assurer la maîtrise du jeu en sommet d'aubes de la turbine avec l'anneau de stator 15, de l'air F provenant du compresseur est amené dans l'enceinte 19 et balaye les nervures. Il permet donc la dilatation de l'anneau de stator 15 de la turbine HP. De cette manière on contrôle le jeu en contrôlant le débit et la source d'air selon les différentes phases de fonctionnement du moteur.
On utilise au mieux ce flux d'air, après qu'il a balayé les nervures, en l'envoyant dans l'enceinte 21 située immédiatement en aval, par l'orifice 21a1 de la cloison 21a, pour participer au soufflage de la paroi 20 du canal de transition.
Une telle circulation entre l'enceinte de ventilation 19 et l'enceinte de distribution de l'air de soufflage, ne pose pas de problème tant que la pression P1 dans l'enceinte 19 est supérieure à celle P2 de l'enceinte 21.
Lorsque, dans certaines phases de fonctionnement du moteur, on est amené à couper ou réduire l'alimentation en air de ventilation de l'enceinte 19, il se produirait, si l'on n'y portait attention, une circulation d'air ou de gaz entre l'enceinte 21 et l'enceinte 19 qui irait à l'encontre du pilotage du jeu.
La fonction du clapet est donc d'isoler l'enceinte 19 de l'enceinte 21 quand la pression P1 est inférieure à P2. Le clapet 30 est en outre configuré avantageusement, avec une différence entre les surfaces d'application des pressions P1 et P2 de telle façon qu'il ne passe de la position fermée, c'est-à-dire coulisseau en appui contre la partie évasée avec obturation, à la position ouverte que lorsque la pression P1 est suffisamment supérieure à P2 pour assurer un fonctionnement stable.
Lorsque le clapet est en position fermée, la solution de la figure 3 comprend une ouverture centrale 33b qui permet une circulation limitée de l'enceinte 21 vers l'enceinte 19 et assure la pressurisation de cette dernière. Selon une variante, le clapet ne comporte pas d'orifice central. Il a dans ce cas une seule fonction anti-retour.
D'autres exemples de réalisation du clapet sont présentés dans les figures suivantes.
La figure 4 montre une variante de clapet 130 avec un couvercle 135 pourvu de saillies 135b axiales autour de l'ouverture centrale 135a. Ces saillies permettent de limiter la surface d'appui du coulisseau. Les autres éléments du clapet ne sont pas changés par rapport à celui de la figure 3.
Sur la figure 5, le clapet 230 diffère des précédents par le coulisseau 233 qui est de diamètre plus faible que le diamètre de la partie cylindrique de grand diamètre. Il se déplace librement à l'intérieur de cette dernière. Le couvercle 235 présente des saillies 235b comme dans le cas précédent. L'air circule autour du coulisseau et à travers le perçage central 233b puis contourne les saillies axiales 235b et passe par l'ouverture centrale 235a du couvercle 235.
Sur la figure 6, le clapet 330 comprend un coulisseau 333 pourvu d'encoches 333b à sa périphérie ménageant des passages pour l'air. Le clapet est par ailleurs semblable aux précédents.
Sur la figure 7, le clapet 430 comprend un coulisseau 433 avec une portion 433c engagée dans la partie 431a de faible diamètre de l'élément tubulaire 431. Cette partie 433c comprend des passages 433c1 pour l'air. Le coulisseau est également guidé à l'intérieur de la partie à plus grand diamètre 431c et comprend des ouvertures 433a pour le passage de l'air. Ces ouvertures 433a sont à la périphérie de manière à être obturées par la partie évasée 431b quand le coulisseau est en appui contre celle-ci. Ces ouvertures peuvent être obtenues par des encoches comme cela est représenté sur la figure 7 ou bien être obtenues par perçage.
Le fonctionnement de ces variantes de clapet est le même que pour le clapet 30 de la figure 3 auquel ils peuvent se substituer. La géométrie de ces clapets permet un fonctionnement sans grippage quelle que soit la phase de fonctionnement du moteur.

Claims

Moteur à turbine à gaz à double corps comportant un anneau de stator (15) de turbine HP et une paroi extérieure (20) du canal de transition entre les étages HP et BP, une première enceinte (19) pour le pilotage de l'anneau de stator, et une seconde enceinte (21) pour la distribution d'air de soufflage de la paroi extérieure du canal de transition, caractérisé par le fait que les deux enceintes (19, 21) sont mises en communication par un orifice (21a1) commandé par un clapet (30) agencé pour être ouvert quand la pression P1 dans la première enceinte (19) est supérieure à la pression P2 dans la seconde enceinte (21), et fermé quand P1<P2.
Moteur selon la revendication précédente dont les deux enceintes (19, 21) sont séparées par une cloison (21a), percée dudit orifice (21a1).
Moteur selon l'une des revendications 1 et 2 dont le clapet (30) comprend un élément tubulaire (31) engagé dans l'orifice, avec une partie évasée (31b), un coulisseau (33) d'obturation, mobile dans l'élément tubulaire (31) entre une position de fermeture en appui contre la partie évasée (31b) et une position d'ouverture dégagée de la partie évasée (31 b).
Moteur selon la revendication précédente dont le clapet (30) comprend un couvercle ajouré (35) rapporté sur l'élément tubulaire (31) contre lequel le coulisseau (33) vient en appui en position d'ouverture.
Moteur selon l'une des revendications 3 et 4, dont le clapet (30) comprend un élément tubulaire (31) comportant une partie (31a) avec un diamètre réduit, une partie (31c) de plus grand diamètre, les deux parties étant raccordées par la partie évasée (31b), le coulisseau (33) comportant une portion de surface de guidage coopérant avec la partie (31c) à plus grand diamètre pour le guidage du coulisseau à l'intérieur de l'élément tubulaire (31).
Moteur selon l'une des revendications précédentes dont le clapet (30) comprend un coulisseau (33) d'obturation avec un orifice (33b) de fuite assurant un débit réduit entre les deux enceintes (19, 21) en position de fermeture.
Moteur selon la revendication 3 ou 4 dont le clapet (430) comprend un élément tubulaire comportant une partie (431a) avec un diamètre réduit, une partie de plus grand diamètre (431c), les deux parties étant raccordées par la partie évasée (431b), le coulisseau (433) comportant une portion (433c) de surface de guidage coopérant avec la partie (431a) à diamètre réduit pour le guidage du coulisseau à l'intérieur de l'élément tubulaire.
Moteur selon l'une des revendications précédentes dont le clapet (30) comporte un coulisseau (33) d'obturation avec une pluralité de perçages (33a) répartis annulairement formant des passages pour le gaz.
Moteur selon l'une des revendications 1 à 7 dont le clapet (330) comporte un coulisseau (333) avec une pluralité d'encoches radiales (333b) ménageant entre elles des passages pour le gaz.