FR2630779A1 - Procede pour maintenir un jeu a l'endroit des bouts des ailettes dans un turbomoteur - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé pour maintenir les performances à long terme, en matière de rendement, entre des remplacements périodiques consécutifs d'un joint d'étanchéité dans un turbomoteur 10. Ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à établir, pour la pluralité de moteurs, un taux d'altération moyen du jeu entre les bouts des ailettes et le joint d'étanchéité annulaire, à sélectionner au moins un niveau de fonctionnement cumulatif du moteur intermédiaire entre deux remplacements périodiques consécutifs du joint d'étanchéité et à déterminer, pour le niveau sélectionné, une variation incrémentale moyenne, par rapport au débit de gaz de base, exigée pour rétablir le jeu altéré et à modifier, d'une valeur égale à la variation incrémentale moyenne, le débit de gaz de base du moteur.
Description
1' La présente invention concerne un procédé pour maintenir un jeu à
l'endroit des bouts des ailettes dans un turbomoteur. L'un des facteurs principaux contribuant à la détérioration de la consommation spécifique de carburant dans des turbomoteurs d'avions est l'augmentation progressive du jeu entre les bouts des ailettes du rotor et l'anneau d'étanchéité fixe les entourant. Ainsi que le comprendront ies spécialistes de cette technique, l'accroissement du jeu entre les parties tournante et fixe augmente la fuite du fluide de travail du moteur à travers les étages individuels du rotor dans les sections du compresseur ou de la turbine. Une telle fuite réduit le rendement global du moteur et elle conduit à une augmentation de la consommation spécifique totale de
carburant.
Cette augmentation est directement liée à l'utilisation cumulative d'un moteur depuis l'installation et/ou le remplacement le plus récent de l'anneau d'étanchéité. Le jeu à l'endroit des bouts des ailettes et par conséquent la fuite à travers le joint d'étanchéité sont minimaux immédiatement après l'installation et ils s'altèrent au fur et à mesure que le moteur est soumis à des périodes de fonctionnement étendues et/ou à des cycles d'utilisation répétés. Eventuellement l'altération du jeu à l'endroit des bouts des ailettes peut atteindre un niveau suffisant pour entraîner un remplacement, économiquement coûteux, des composants usés, une perte de
temps et une main d'oeuvre onéreuse.
Des procédés pour améliorer à la fois la durée de vie et l'efficacité de joints d'étanchéité pour les bouts des ailettes ont été étudiés depuis longtemps par les concepteurs des moteurs. Un procédé efficace, appelé "commande active du jeu", reconnaît qu'une source principale de l'usure du joint d'étanchéité est la dilatation thermique différentielle du rotor et du carter environnant du moteur qui supporte le joint d'étanchéité annulaire. Une commande active du jeu, telle que décrite dans le brevet US-4 069 662, utilise un fluide modulé d'air de refroidissement dérivé à partir du courant d'air en dérivation sur le moteur et s'échappant..à l'endroit du carter de la turbine haute pression afin de rétracter ce carter par rapport aux bouts des ailettes de la turbine haute pression dans les conditions de régime permanent et de croisière à haute altitude. En fournissant un tel flux modulé d'air de refroidissement dans des conditions de - fonctionnement prédéterminées du moteur, la commande active du jeu permet au moteur de fonctionner avec un jeu minimal à l'endroit du joint d'étanchéité dans la plus grande partie de son cycle de fonctionnement, tout en réduisant ou éliminant l'interférence ou l'abrasion entre l'anneau d'étanchéité et les bouts des ailettes qui peut se produire pendant des conditions transitoires telles que le décollage, la coupure des gaz etc... Bien que ceci constitue un progrès important en ce qui concerne l'efficacité du joint d'étanchéité et le rendement d'un turbomoteur en fonctionnement, de tels moteurs équipés d'une commande active du jeu sont cependant encore soumis à une altération du jeu à l'endroit des bouts des ailettes, altération qui est liée à une utilisation cumulative du moteur. Il est connu d'essayer de mesurer le jeu effectif à l'endroit des bouts des ailettes dans un moteur - en fonctionnement dans le but de modifier un tel jeu soit par des moyens mécaniques soit par des moyens thermiques. Cependant de tels procédés de mesure ne se sont pas révélés aussi précis et fiables que cela est exigé dans un environnement d'un avion en service. Ce qui est exigé est un procédé pour maintenir ou rétablir un jeu optimal à l'endroit des bouts des ailettes dans un turbomoteur d'avion entre des opérations de
remplacement programmées du joint d'étanchéité.
Par conséquent un but de la présente invention est de fournir un procédé pour rétablir, dans un turbomoteur, le jeu,
précédemment altéré, à l'endroit des bouts des ailettes.
Un autre but de l'invention est de fournir un procédé de rétablissement du jeu qui peut être mis en oeuvre entre des opérations périodiques programmées de remplacement des bouts
des ailettes et/ou des joints d'étanchéité annulaires.
Un autre but de l'invention est de fournir un procédé de rétablissement du jeu qui peut être mis en oeuvre pendant une période de service programmée d'un turbomoteur en vol et qui n'exige pas une mesure très précise du jeu effectivement présent à l'endroit des bouts des ailettes dans un moteur particulier. Un autre but de l'invention est de fournir un procédé, basé sur le niveau cumulatif de l'utilisation du moteur, qui peut être appliqué à un moteur particulier et qui répond uniquement au niveau de l'utilisation cumulative du moteur
pour ce moteur particulier.
La présente invention a donc pour objet un procédé pour contrebalancer l'altération du jeu entre les bouts des ailettes tournantes et les organes d'étanchéité annulaires les entourant- dans un turbomoteur. Ce procédé établit une variation incrémentale dans le système de commande active du jeu du moteur après un intervalle d'utilisation prédéterminé du moteur entre les révisions programmées. Les intervalles d'incrémentation et d'utilisation sont prédéterminés à partir d'une expérience antérieure avec une pluralité de moteurs de même configuration, en permettant d'effectuer l'adaptation à un moteur particulier en se basant uniquement sur les heures
ou les cycles accumulés du fonctionnement du moteur.
Plus particulièrement le procédé est applicable à un turbomoteur dans lequel un flux de gaz, indépendant du fluide de travail du moteur, est fourni à l'endroit d'une partie de la structure du moteur dans le but d'influer sur le jeu entre les bouts des ailettes rotatives et le joint d'étanchéité annulaire les entourant. La température de l'air fourni est notablement différente de la température d'équilibre de la partie du moteur et le débit du gaz est modulé en fonction des conditions de fonctionnement effectives du moteur. Le gaz fourni chauffe ou refroidit ainsi la partie du moteur afin de provoquer une dilatation ou une contraction thermique de la structure, ainsi que cela est exigé pour maintenir un jeu optimal à l'endroit des bouts des ailettes dans toute la plage
de fonctionnement du moteur.
Le procédé suivant la présente invention permet de réduire l'altération globale du jeu à l'endroit des bouts des ailettes qui résulte une période de fonctionnement étendue du moteur après une installation ou un remplacement du joint d'étanchéité, et ce en modifiant d'une manière incrémentale le débit de gaz de base lorsqu'est atteint un niveau prédéterminé d'utilisation cumulative du moteur. Le niveau d'utilisation et la valeur du réglage incrémental du débit du gaz sont prédéterminés en établissant des lois de variation du jeu à l'endroit des bouts desailettes en fonction de l'utilisation cumulative du moteur et du débit de gaz pour une pluralité de moteurs similaires. Une fois que ces lois ont été établies, un moteur particulier est rétabli avec le jeu du joint d'étanchéité qui existait immédiatement après la révision précédente, et ce en augmentant ou en diminuant le débit de gaz de base d'une manière suffisante pour rétracter ou dilater la structure appropriée du moteur d'une quantité équivalente à
la valeur prévue de l'altération du jeu du joint d'étanchéité.
Plus particulièrement dans le cas d'un système de commande active du jeu pour un turbomoteur dans lequel un flux modulé d'air relativement froid, fourni par une soufflante ou en dérivation, est dirigé de manière à venir frapper l'extérieur du carter de la turbine haute pression, afin de réduire le diamètre de ce carter, au moins pendant les conditions de croisière à haute altitude, la présente invention fournit un procédé pour maintenir les jeux à l'endroit des bouts des ailettes en fonctionnement en augmentant d'une manière incrémentale le débit d'air de base venant frapper le carter au moins une fois entre deux remplacements programmés du joint d'étanchéité. Le flux de base augmenté réduit le jeu altéré du joint d'étanchéité en provoquant une rétraction additionnelle du carter de la turbine, ce qui entraîne pratiquement un rétablissement du rendement de la turbine au niveau existant après le plus
récent remplacement du joint d'étanchéité.
La présente invention assure un rétablissement du jeu du joint d'étanchéité et du rendement du moteur sans avoir à effectuer, en l'air, des mesures compliquées et des analyses du moteur individuelles. En ajustant le flux de gaz de base dans chaque moteur au moment d'une ou plusieurs périodes intermédiaires, correspondant de préférence à un autre entretien programmé du moteur, le procédé suivant la présente invention permet d'obtenir le rétablissement désiré rapidement et aisément avec un minimum d'analyses individuelles ainsi
qu'un minimum de coût associé et de risque d'erreur.
On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs," diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue en élévation schématique d'un turboréacteur à double flux typique comportant une commande
active de jeu.
La figure 2 est un diagramme illustrant une comparaison de la variation de consommation spécifique de carburant en fonction de l'utilisation cumulative d'un moteur, respectivement entre une disposition d'un moteur connu antérieurement et un moteur utilisant le procédé de
rétablissement du jeu suivant l'invention.
La figure 3A illustre la variation du débit-de gaz de, base et de la plage du flux modulé entre des installations du
joint d'étanchéité, suivant l'invention.
La figure.3B montre l'influence du débit du gaz de refroidissement sur le diamètre interne du carter d'une
turbine haute pression.
La figure 4 représente un moyen pour obtenir un débit
de gaz incrémenté.
La figure 5 représente une variante d'un moyen pour
obtenir des débits incrémentés suivant la présente invention.
Si on se réfère à la figure 1, on voit qu'un turboréacteur 10 est pourvu d'un système 12 de commande active du jeu, lequel comporte une canalisation 14 pour transporter un flux de gaz relativement froid, tel que de l'air en dérivation ou de la soufflante 16, à travers une vanne modulatrice 18, pour le faire passer dans un ou plusieurs collecteurs de décharge 20 disposés circonférentiellement autour de la section 22 de la turbine haute pression du moteur. L'air froid 16 déchargé à partir des collecteurs 20 vient frapper le carter de turbine 22 en provoquant une rétraction radiale de ce carter de turbine, en fonction du débit du gaz relativement froid, ce qui entraîne par conséquent une réduction du jeu à 1'endroit des bouts des
ailettes dans le moteur 10.
Ainsi qu'il a été exposé précédemment, le débit du gaz froid 16 est modulé par un système de commande 24 répondant à des paramètres de fonctionnement effectifs du moteur, tels que le niveau de puissance, la pression barométrique, l'altitude etc. Comme il a été décrit précédemment, une commande active du jeu, telle qu'illustrée sur la figure 1, intervient, pendant un fonctionnement du moteur dans des conditions de croisière à haute altitude, pour provoquer une rétraction du carter de la turbine de telle façon que le jeu entre les bouts des ailettes de la turbine rotative et le joint d'étanchéité annulaire les entourant, monté dans le carter, soit réduit à un minimum en pratique. La vanne modulatrice réduit le flux d'air de refroidissement pendant le fonctionnement transitoire du moteur, en permettant au carter d'atteindre une température d'équilibre plus élevée qui entraîne un élargissement du jeu entre les bouts des ailettes et le joint d'étanchéité annulaire, afin d'éviter une interférence et une usure prématurée du joint d'étanchéité pendant un tel fonctionnement transitoire. Il est connu qu'un tel élargissement des joints d'étanchéité entraîne des pénalités du point de vue de la consommation spécifique de carburant mais ceci est toutefois acceptable à la fois à cause de la portion relativement courte du cycle de fonctionnement du moteur qui est concernée par un tel fonctionnement transitoire, et de la réduction notable de
l'usure prématurée du joint d'étanchéité..que l'on obtient.
Les moteurs équipés d'une commande active du jeu n'en subissent pas moins une altération progressive du joint d'étanchéité au fur et à mesure que l'utilisation du moteur se prolonge. La figure 2 est un diagramme illustrant la variation de la consommation spécifique de carburant C en fonction de l'utilisation cumulative du moteur U. Le point 26 sur ce diagramme représente la consommation spécifique de carburant au banc d'essai telle qu'elle a été établie pour un moteur individuel avant son expédition du lieu de fabrication à l'utilisateur. Le point 28 représente la consommation spécifique de carburant de base, pour 'le moteur installé, laquelle est légèrement augmentée par rapport à la valeur 26 relevée sur le banc d'essai. Au fur et à mesure que la" durée d'utilisation du moteur augmente, là consommation spécifique de carburant va en augmentant suivant la courbe 30 en atteignant éventuellement un point 32 qui justifie une révision du moteur et un remplacement du joint d'étanchéité, ce qui se traduit par un retour à un niveau 34 de consommation spécifique de carburant qui est approximativement égal au
niveau 28 du moteur nouvellement installé.
Dans le cadre de cet exposé, une "révision du joint d'étanchéité du moteur" est définie comme étant une réparation ou un remplacement des bouts des ailettes et/ou des joints d'étanchéité annulaires, ce qui se traduit effectivement par une nouvelie combinaison d'éléments d'étanchement dans le turbomoteur. L'expression "utilisation cumulative du moteur" doit être considérée présentement comme définissant un paramètre d'usure du moteur répondant à une ou plusieurs valeurs liées au fonctionnement, telles que le nombre d'heures totales cumulées des périodes de fonctionnement du moteur, et/ou les cycles totaux de vol du moteur à partir de la dernière révision. Parmi ces valeurs le nombre des cycles de vol dont chacun comporte des périodes de fonctionnement au ralenti sur piste, de décollage, d'ascension, de croisière, de ralenti en vol et de roulage, par exemple, est préféré comme étant le plus lié au taux d'altération du jeu d'étanchéité à
l'endroit des bouts des ailettes.
Comme on peut le remarquer d'après la courbe de consommation spécifique de carburant 30 de la figure 2, l'altération du jeu du joint d'étanchéité et l'accroissement corrélatif de la consommation spécifique de carburant du moteur, entre deux, remplacements du joint d'étanchéité, peuvent entraîner une pénalité appréciable du point de vue consommation de carburant et coût pour l'utilisateur du moteur. Un remplacement plus fréquent du joint d'étanchéité se traduit en partie par une pénalité liée à la consommation de carburant et en partie par une pénalité liée au coût de la
main d'oeuvre.
Le procédé suivant la présente invention permet de reconnaître l'altération progressive 30 à la fois de la consommation spécifique de carburant du moteur et du jeu à l'endroit des bouts des ailettes et de corriger cette ' altération en augmentant le flux de base du gaz 16 relativement froid, au moins une fois entre deux révisions successives du joint d'étanchéité. La figure 3A montreé la plage de variation 36a du débit Q du gaz entre le débit maximal 38a en vol de croisière et le débit de base 40a dans
le cas d'un moteur neuf ou d'un moteur nouvellement révisé.
Après une période notable d'utilisation cumulative du moteur U, au cours de laquelle le jeu à l'endroit des bouts des ailettes et la consommation spécifique de carburant ont été altérés, le possédé suivant l'invention augmente le débit de base jusqu'à la valeur représentée par le point 40b en augmentant la plage de variation 36b de la même quantité, dans
toute la gamme des conditions de fonctionnement du moteur.
Suivant le type de moteur particulier, l'altération du jeu et d'autres facteurs, le débit de base peut être incrémenté de nouveau pour être porté à la valeur représentée par le point 40c, afin de réduire encore une fois le jeu entre les bouts des ailettes et le joint d'étanchéité annulaire, dans toute la plage de fonctionnement du moteur. Les incréments 42a,42b sont obtenus à partir de mesures d'essai de la rétraction radiale 23 du carter de turbine 22 en réponse à une variation du débit massique 17 du gaz de refroidissement, comme il est représenté par la courbe 19 de la figure 3B. En faisant la moyenne du taux d'altération mesuré du jeu du joint d'étanchéité dans une pluralité de moteurs similaires, pour une famille ou un type particulier de moteur, il est possible d'établir une loi de variations incrémentales de correction du débit de base du gaz à des intervalles correspondants d'une
utilisation cumulative du moteur.
L'effet de tels réglages incrémentaux du débit de gaz 11 - de base ressort de la courbe en dents de scie 44 de la figure 2 qui représente la variation de la consommation spécifique de carburant pour un moteur utilisant un procédé de rétablissement du jeu suivant la présente invention, entre des révisions successives du joint d'étanchéité. Pour un moteur particulier ayant atteint une utilisation cumulative du moteur représentée par le point 46, le procédé suivant l'invention produit une variation incrémentale 42a du débit de base qui provoque un refroidissement additionnel du carter de turbine 22 dans toute la plage de fonctionnement du moteur, ce qui améliore ainsi à la fois le jeu du joint d'étanchéité et la consommation spécifique de carburant totale, comme il est représenté sur la figure 2. Un incrément additionnel 42b du débit de base peut être fourni lorsque le niveau d'utilisation cumulative 48 est atteint, afin de réduire additionnellement le jeu du joint d'étanchéité dans toute la plage de fonctionnement du moteur et de rétablir de nouveau la consommation spécifique de carburant pratiquement au niveau de
base 28.
Il doit être clair pour l'homme de l'art que l'économie de consommation de combustible qui résulte de l'utilisation du procédé suivant l'invention, est représentée par la portion de la figure 2 se trouvant entre les courbes 30 et 44. Cette zone représente la réduction de la consommation spécifique de carburant entre un moteur suivant la technique antérieure, dans lequel le jeu à l'endroit des bouts des ailettes s'altère en permanence entre deux révisions du joint d'étanchéité, et un- moteur suivant l'invention dans lequel l'altération du jeu à l'endroit des bouts des ailettes est compensé au moins une fois en incrémentant le débit de l'air de refroidissement de
l'extérieur de la turbine.
Une telle incrémentation de l'air de refroidissement n'est pas sans limite. La dérivation d'une portion de l'air de soufflante ou d'un autre gaz relativement froid à partir du moteur entraîne une pénalité pour le cycle qui augmente avec un accroissement de la dérivation du gaz. Cette pénalité qui est due à la dérivation, est naturellement faible par rapport aux avantages du point de vue rendement qui résultent de' l'utilisation de la commande active de jeu. Cependant la dérivation de plus en plus de gaz froid pour le refroidissement du carter de turbine entraîne une réduction des avantages globaux du système. Ainsi, bien que le procédé suivant l'invention permette de rétablir le jeu à l'endroit des bouts des ailettes et la consommation spécifique de carburant après une révision, il ne supprime pas la nécessité
d'un entretien périodique du joint d'étanchéité du moteur.
La variation incrémentale du débit de gaz de base peut être réalisée par divers moyens tels que ceux illustrés sur les figures 4 et 5. Le moyen représenté sur la figure 4 comprend un orifice calibré 52 dans la canalisation 14. A un ou plusieurs intervalles de service intermédiaires entre deux révisions du joint d'étanchéité, l'orifice 46 peut être remplacé par un orifice calibré normalisé de dimensions différentes qui provoque une augmentation du débit de gaz de base ainsi que cela a été établi pour la famille ou le type particulier de moteur. La simplicité du moyen à orifice calibré apparaît clairement puisqu'il s'agit d'un composant
monté à l'extérieur du moteur et en dehors du flux de travail.
La figure 5 illustre l'utilisation de la vanne 18 de modulation du flux de gaz qui existe déjà, en prévoyant un dispositif d'entrée programmé 58 dans lequel la durée de l'utilisation cumulative du moteur fait varier le point de
consigne 50 appliqué à l'appareil 24 de commande de la vanne.
Le système de commande du moteur peut incrémenter lui-même le débit de gaz de base en se basant sur l'utilisation cumulative du moteur, sans qu'il soit nécessaire de changer mécaniquement
des orifices ou des organes similaires.
Le nombre d'ajustements intermédiaires effectués sur le débit de gaz de base peut varier en fonction du coût économique de telles variations incrémentales ainsi que du taux d'altération des joints d'étanchéité se trouvant à l'endroit des bouts des ailettes. Dans le cas d'un moteur présentant une altération du jeu de joint d'étanchéité de 0,25mm après 4000 cycles du moteur, une modification intermédiaire après 20Q0 cycles du moteur produirait un rétablissement de 0,13mm et réduirait la pénalité en ce qui concerne la consommation spécifique de carburant accumulée, résultant d'une telle altération, allant jusqu'à 35% entre
deux périodes de révision consécutives.
14-
Claims (5)
1.- Procédé pour maintenir les performances à long terme, en matière de rendement, entre des remplacements périodiques consécutifs d'un joint d'étanchéité dans un turbomoteur (10) particulier d'une pluralité de turbomoteurs sensiblement similaires, comportant chacun un système de commande active du jeu (12), pour réduire sélectivement le jeu entre une pluralité de bouts d'ailettes rotatives et un joint d'étanchéité annulaire les entourant, comportant des moyens (14,16,18,20), disposés à proximité immédiate d'une portion (22) de la structure du moteur, pour fournir un flux de gaz modulé, ce flux de gaz ayant une température sensiblement différente de celle de la portion (22) du moteur, des moyens (24), répondant aux conditions de fonctionnement effectives du moteur, en modulant le débit du gaz fourni par rapport à un débit de base, ce débit de base étant établi lors de chaque remplacement du joint d'étanchéité, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à établir, pour la pluralité de moteurs, un taux d'altération moyen du jeu entre les bouts des ailettes et le joint d'étanchéité annulaire, ce taux d'altération étant déterminé en fonction de l'utilisation cumulative du moteur depuis la révision la plus récente, à sélectionner au moins un niveau de fonctionnement cumulatif du moteur intermédiaire entre deux remplacements périodiques consécutifs du joint d'étanchéité et à déterminer, pour le niveau sélectionné, une variation incrémentale moyenne, par rapport au débit de gaz de base, exigée pour rétablir le jeu altéré entre les bouts des ailettes et le joint d'étanchéité - annulaire, le jeu rétabli n'étant pas inférieur au jeu non altéré qui est obtenu immédiatement après le remplacement du joint d'étanchéité, et à modifier, d'une valeur égale à la variation incrémentale moyenne, le débit de gaz de base du moteur particulier considéré lorsque ce moteur particulier atteint le niveau sélectionné d'utilisation cumulative du moteur.
2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le niveau d'utilisation cumulative du moteur dans la pluralité de turbomoteurs est déterminé en fonction du nombre de cycles de fonctionnement du moteur depuis le remplacement
le plus récent du joint d'étanchéité.
3.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la portion (22) de la structure du moteur est un carter annulaire du moteur et le gaz modulé est relativement froid par rapport au carter du moteur et en ce que l'étape de modification du débit de gaz de base comporte une étape consistant à augmenter le débit de gaz de base du moteur
relativement froid.
4.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à coordonner l'étape de modification du débit de gaz de base de manière qu'elle coïncide avec une opération d'entretien intermédiaire
programmée du moteur.
5.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'étape consistant à déterminer la variation incrémentale moyenne du débit de gaz de base comprend l'étape consistant à déterminer la variation dimensionnelle de la portion (22) de la structure du moteur répondant à des variations de débit de gaz et à sélectionner la variation incrémentale appropriée du débit de gaz de manière à modifier la structure du moteur, du point de vue dimentionnel, d'une quantité sensiblement égale à l'altération moyenne du jeu correspondant au niveau sélectionné d'utilisation cumulative du moteur.
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