FR2648864A1 - Procede de commande thermique du jeu radial a l'endroit des bouts des ailettes d'un turbomoteur - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de commande du jeu entre les bouts d'ailettes et une couronne les entourant, dans le cas d'une pluralité de conditions de fonctionnement en régime permanent, à charge partielle, pour un turbomoteur comportant un dispositif de commande active du jeu. Ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à déterminer l'apparition d'un changement par palier du niveau de puissance du moteur, à réduire le flux d'air de refroidissement en direction du carter du moteur, en réponse à l'apparition ainsi déterminée du changement par palier de la puissance, et à rétablir le flux programmé d'air de refroidissement vers le carter du carter du moteur après l'écoulement d'un laps de temps prédéterminé.
Description
La présente invention concerne un procédé pour commander le jeu entre les
bouts d'ailettes et une couronne
fixe les entourant dans un turbomoteur ou appareil similaire.
La commande du jeu radial entre les bouts d'ailettes rotatives et la couronne périphérique, les entourant dans les turbomoteurs à flux axial, est une technique connue pour améliorer le rendement du moteur. En réduisant le jeu entre les bouts des ailettes et la couronne, les concepteurs de ces moteurs peuvent réduire la quantité de fluide de travail de la turbine qui s'écoule en dérivation par rapport aux ailettes, ce qui augmente par conséquent la puissance de sortie disponible du moteur pour une alimentation en
carburant donnée ou une autre entrée du moteur.
L'expression "commande active du jeu" concerne les dispositifs de commande du jeu dans lesquels une quantité d'air de refroidissement est utilisée par le dispositif de commande du jeu afin de régler la température de certaines structures du moteur et de commander ainsi le jeu entre les bouts des ailettes et la couronne lequel résulte de la dilatation ou de la contraction thermique de la structure refroidie. Une caractéristique de tels dispositifs de commande active du jeu est que le flux d'air de refroidissement peut être commuté ou modulé en fonction de divers paramètres du moteur, de l'aéronef ou de l'environnement, de manière à produire une réduction du jeu entre les bouts des ailettes et la couronne pendant les parties de la plage de variation de la puissance de fonctionnement du moteur dans lesquelles une telle commande
du jeu est la plus avantageuse.
Une réduction du jeu entre les bouts des ailettes et la couronne doit être obtenue judicieusement. Par exemple un refroidissement excessif du carter de la turbine supportant la couronne, tel que cette couronne vienne interférer avec les bouts des ailettes rotatives, se traduit par une usure prématurée de la couronne ou une abrasion et des dommages causés aux bouts des ailettes. Il est donc important que la réduction du jeu entre les bouts des ailettes et la couronne qui est obtenue par de tels dispositifs de commande du jeu, soit conçue de manière à éviter l'apparition d'une interférence entre les bouts des ailettes et la couronne, interférence qui peut provoquer finalement une détérioration du rendement fonctionnement du moteur dans son ensemble ou, ce qui est pire, des dommages causés aux composants internes
du moteur.
Par conséquent un but de la présente invention est de fournir un procédé de commande du jeu radial, entre les bouts d'une pluralité d'ailettes et une couronne les entourant disposés dans un turbomoteur ou un appareil similaire. La présente invention fournit un procédé pour réduire au minimum le jeu entre les bouts d'ailettes et une couronne fixe les entourant pendant le fonctionnement du moteur en régime permanent, à puissance partielle, en réduisant le défaut de concordance de la réponse thermique transitoire entre la couronne fixe portée par le carter externe du moteur et dont la réponse est lente, et les ailettes rotatives à réponse rapide. Ce défaut de concordance apparaît au cours de la période de temps qui fait immédiatement suite à un changement par palier de la puissance du moteur lequel s'accompagne d'un accroissement de la pression, de la température et de la vitesse du rotor dans la section de turbine du moteur. La présente invention est basée en partie sur la reconnaissance du fait que, à la suite d'un accroissement par palier de la puissance du moteur, les bouts des ailettes dans la section de turbine se déplacent initialement dans le sens radial, vers l'extérieur, par suite de la vitesse angulaire et de la température accrues, plus rapidement qu'une couronne les entourant supportée par le carter. La présente invention prévoit un accroissement de la température du carter, pendant la période transitoire faisant suite à un changement de puissance par palier, soit en réduisant temporairement soit en supprimant tout écoulement d'air de refroidissement externe du carter dans le cas d'un type de moteur comportant un tel refroidissement pour une commande du jeu, soit en produisant un flux d'air externe relativement chaud en direction du carter, afin d'accroître sa température, soit ces deux moyens ensemble. Le carter du moteur, chauffé par suite de la réduction du refroidissement et/ou par l'air chaud, se dilate thermiquement et radialement plus rapidement que les moteurs connus antérieurement disposant d'un flux d'air de refroidissement continu, ceci réduisant par conséquent le défaut de concordance transitoire entre les dilatations des bouts des ailettes et de la
couronne.
Le procédé suivant la présente invention offre l'avantage qu'il permet d'éviter toute interférence radiale entre les bouts des ailettes et la couronne à la suite d'un changement de puissance du moteur et une réduction du jeu additionnel qui doit être prévu à certains niveaux de puissance du moteur, en vue de l'anticipation d'un
accroissement potentiel par palier de la puissance du moteur.
Ce dernier avantage est le plus évident dans le cas de moteurs ayant un flux d'air de refroidissement modulé, programmé en fonction du niveau de puissance du moteur de manière à rendre optimal le jeu entre les bouts d'ailettes et une couronne fixe les entourant dans un turbomoteur ou appareil similaire, pendant le fonctionnement du moteur en
régime permanent dans une plage de fonctionnement.
On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure la est un diagramme représentant la variation du jeu radial en fonction de la puissance effective du moteur dans le cas du régime permanent et de conditions transitoires. La figure lb est un diagramme montrant l'enveloppe de la variation transitoire du jeu qui résulte d'une réponse
thermique accrue du carter du moteur.
La figure lc est un diagramme montrant la variation du jeu dans le cas d'un moteur dont le flux d'air de
refroidissement commandant le jeu a été coupé.
La figure 2 est un diagramme illustrant le déplacement radial des bouts d'ailettes et de la couronne les entourant pendant un accroissement par palier de la puissance du moteur, à la fois dans le cas du procédé suivant la
présente invention et de la technique antérieure.
L'utilisation d'air de refroidissement pour commander le jeu radial entre une pluralité de bouts d'ailettes rotatives et une couronne les entourant, dans un turbomoteur, est bien connu. Un tel flux d'air de refroidissement est habituellement déchargé sur le carter externe du moteur qui supporte la couronne, dans le but de rétracter thermiquement le carter et la couronne, en réduisant ainsi le jeu opérationnel au moins pendant le fonctionnement du moteur en régime de croisière. Il est également prévu, ainsi qu'il est décrit dans la demande de brevet parallèle déposée ce même jour et ayant pour titre "Procédé de commande du jeu radial à l'endroit des bouts des ailettes d'un turbomoteur" de programmer le flux d'air de refroidissement en réponse au niveau de la puissance effective du moteur de manière à
obtenir un jeu radial en excès pendant un fonctionnement en-
dessous du niveau de puissance maximale dans la plage de variation de la puissance normale du moteur. La dimension de ce jeu radial en excès est déterminée de manière à pouvoir encaisser le défaut de concordance thermique attendu, dans le sens radial, entre les vitesses de dilatation des bouts des ailettes et de la couronne les entourant, à la suite d'une
variation par palier de la puissance du moteur.
Le procédé suivant la présente invention apporte une amélioration par rapport au procédé décrit dans la demande de brevet précitée, en ce qu'il prévoit une augmentation de la réponse thermique du carter du moteur à une variation par
palier de la puissance du moteur ainsi qu'il sera décrit ci-
dessous. La figure la représente une courbe schématique de variation du jeu radial 8 en fonction du niveau de la puissance effective du moteur, ainsi qu'il est représenté par la vitesse N2 du rotor haute pression. La variation du jeu en régime permanent est représentée par la courbe en trait plein 10 qui indique l'obtention du jeu radial minimal Ain' pour le fonctionnement en régime permanent du moteur, avec le niveau de puissance maximal 12, à l'intérieur de la plage 14 de variation de la puissance normale du moteur. Ainsi qu'il est noté dans la demande de brevet parallèle, la courbe 10 est obtenue en programmant d'une manière appropriée le flux d'air de refroidissement en direction du carter du moteur en fonction de la puissance du moteur ou du paramètre équivalent que constitue la vitesse N2 du rotor haute pression, de manière à laisser un jeu radial en excès 16, en plus du jeu minimal requis amin, pendant le fonctionnement en régime permanent du moteur, à des niveaux de puissance inférieurs au
niveau maximal 12 de la puissance normale.
Le jeu en excès 16 est déterminé de manière à encaisser le défaut de concordance transitoire des dilatations thermiques, entre les bouts des ailettes et la couronne, défaut qui se traduit par la courbe en trait mixte 18 représentant l'enveloppe de la réponse transitoire du jeu entre les bouts d'ailettes et la couronne à la suite d'une variation par palier de la puissance du moteur, par exemple du niveau de puissance normale minimal 20 jusqu'au niveau de puissance maximal 12. Le jeu S tel que représenté par la courbe de l'enveloppe transitoire 18, diminue pendant la période faisant suite au changement de puissance par palier et il atteint éventuellement la valeur ' min lorsque la vitesse du moteur augmente de 20 à 12. La cause de ce défaut de concordance est la différence des vitesses de réponse thermique du carter du moteur et des ailettes car les ailettes répondent rapidement à un accroissement de la température, de la pression et de la vitesse du rotor en se déplaçant radialement vers l'extérieur à plus grande vitesse que le carter et la couronne environnants. Comme la pression; la température et le refroidissement extérieur du carter augmentent, ce carter atteint éventuellement la température de fonctionnement en régime permanent pour le nouveau niveau de puissance maximal 12, en rétablissant ainsi le jeu entre les bouts d'ailettes et la couronne au niveau du régime
permanent représenté par la courbe 10.
La présente invention permet d'augmenter la réponse thermique du carter et de la couronne en réduisant ou en éliminant le flux d'air de refroidissement en réponse, par exemple, à un changement par palier de la puissance du moteur, à partir d'un niveau de puissance réduit jusqu'à un
niveau de puissance plus élevé, dans la plage normale 14.
Cette réduction est fonction de la position de la manette de réglage de la puissance du moteur (non représentée), en anticipant ainsi sur le niveau final de puissance du moteur demandé par l'opérateur du moteur et en modifiant corrélativement, d'une manière active, le flux de l'air de
refroidissement en direction du carter externe du moteur.
L'effet d'une telle modification peut se voir sur la figure la à partir de la courbe en trait mixte plus élevée 22 qui représente un défaut de concordance entre les dilatations thermiques notablement réduit et par conséquent un écart transitoire plus petit du jeu entre les bouts d'ailettes et
la couronne.
L'avantage procuré par l'augmentation de la réponse thermique du carter apparaît sur la figure lb sur laquelle une nouvelle courbe de régime permanent 24 a été prévue afin de refléter l'enveloppe du défaut de concordance thermiques réduit telle que représentée par la courbe transitoire en 2e48864 trait mixte 22. La courbe 24 de régime permanent permet d'encaisser ainsi le défaut de concordance transitoire réduit entre les dilatations thermique des bouts des ailettes et de la couronne, dans le procédé de commande active du jeu suivant la présente invention, en procurant un avantage additionnel par suite de la réduction du jeu radial en excès 26 exigé pendant le fonctionnement du moteur à des niveaux de
puissance plus bas dans la plage de fonctionnement normal 14.
Ainsi qu'il a été exposé ci-dessus, une réponse thermique accrue du carter peut être obtenue en réduisant le flux d'air de refroidissement en direction du carter du moteur, en supprimant ce flux au moins pendant la période de réponse transitoire faisant suite à un changement par palier de la puissance du moteur ou bien encore, dans une autre variante du procédé suivant l'invention, en lui substituant un flux d'air relativement chaud, en provenance du compresseur du moteur ou d'une autre source quelconque dans l'aéronef, afin d'accroître momentanément la température du carter à la suite d'un tel accroissement par palier de la puissance. Il convient de noter qu'une telle réduction, suppression ou substitution d'air chaud est prévue par le procédé suivant la présente invention uniquement pendant la période de réponse transitoire faisant suite à la variation par palier de la puissance du moteur. L'opération de commande normale du jeu est rétablie après l'écoulement d'une période de temps prédéterminée, de manière à ramener le dispositif de commande du jeu à une condition de fonctionnement efficace en
régime permanent.
La figure 2 est un diagramme représentant schématiquement la variation du rayon interne de la couronne et celle du rayon externe des bouts des ailettes rotatives en fonction du temps, à la suite d'un changement par palier de la puissance du moteur, à partir d'un premier niveau de
puissance jusqu'à un second niveau de puissance supérieur.
Sur la figure 2 le rayon des bouts des ailettes rT et celui de la couronne rS sont portés sur l'axe vertical. Jusqu'à l'instant tl, les- rayons rsî et rTl sont séparés par un jeu de régime permanent $Ss1. A l'instant t1 est amorcé à un changement par palier du niveau de puissance du moteur, ce qui se traduit par une dilatation radiale rapide des bouts des ailettes ainsi qu'il est représenté par la courbe 28. La couronne, telle que représentée par rS2, se dilate également, suivant la courbe 30, mais une vitesse réduite dans le cas du procédé de commande du jeu faisant l'objet de la demande de brevet parallèle précitée. Approximativement à l'instant tl 5 le jeu minimal O min est atteint, ainsi qu'il est représenté par l'intervalle 32 entre les courbes 28 et 30. L'instant t2 représente la fin de la réponse thermique transitoire du moteur, la couronne et les bouts des ailettes présentant entre eux un jeu radial en régime permanent égal à SSS2 Suivant la présente invention, la réduction ou la suppression du refroidissant du carter externe, à l'instant o une augmentation de la puissance est demandée, modifie la réponse thermique et par conséquent la dilatation radiale du
carter, ainsi qu'il est représenté par rS2 sur la figure 2.
Les courbes 34 et 36 représentent schématiquement la réponse thermique accrue du carter du moteur et de la couronne qu'il supporte, obtenue par la présente invention. La courbe 34 représente la réponse de la couronne à une suppression temporaire du flux d'air de refroidissement, tandis que la courbe 36 représente la dilatation radiale additionnelle obtenue en substituant un flux d'air chaud, ce qui augmente additionnellement la dilatation radiale pendant la période
transitoire critique entre les instants t1 et t2.
L'augmentation de la zone de pincement ou du jeu radial minimal SMin 32 qui résulte du procédé de commande active du jeu suivant la présente invention, permet une réduction du jeu SSSl, en régime permanent, entre les bouts des ailettes et la couronne, ce qui améliore le rendement global du moteur
pendant un fonctionnement à puissance partielle ou réduite.
Le procédé suivant la présente invention peut être additionnellement étendu de manière à pouvoir être choisi par le pilote d'un aéronef pendant des périodes de fonctionnement exceptionnelles de cet aéronef, par exemple pendant
l'utilisation de l'aéronef pour l'entraînement des pilotes.
Un tel entraînement des pilotes peut comprendre une opération simulée dans des conditions d'urgence dans lesquelles il peut être demandé au moteur de fonctionner en dehors de la plage de puissance normale 14. La figure lc illustre un exemple d'un tel fonctionnement exceptionnel dans lequel il peut être demandé au moteur d'atteindre un niveau de puissance maximal 38, supérieur au niveau de puissance maximal normal 12 et se trouvant en dehors de la plage normale 14. Pendant de telles séances d'entraînement, le flux d'air de refroidissement en direction du moteur peut être reprogrammé de manière à obtenir un jeu en régime permanent, tel que représenté par la courbe 40 qui se trouve au-dessus de la courbe normale 10, ce qui permet alors des accroissements par palier de la puissance, par exemple à partir du niveau de puissance minimal 20 jusqu'au niveau maximal, ainsi qu'il est représenté par la courbe transitoire en trait mixte 42, ou bien à partir du niveau de puissance normale maximale 12 jusqu'au niveau de puissance maximal d'urgence 38, ainsi
qu'il est représenté par la courbe en trait mixte 44.
Comme de tels exercices du pilote ne sont pas effectués fréquemment, le coût à court terme en ce qui concerne le rendement du moteur, résultant de la réduction ou de la suppression de l'air de refroidissement du carter externe, a moins d'importance que la nécessité d'éviter des dommages ou une interférence radiale entre les bouts des ailettes et la couronne, lorsqu'il est demandé au moteur de fournir une puissance à des niveaux se trouvant en dehors de
la plage normalement prévue 14.
La présente invention convient ainsi particulièrement bien pour répondre à des variations par palier de la puissance du moteur ainsi qu'à des conditions de fonctionnement du moteur inhabituelles anticipées,en réduisant ou en supprimant, au moins temporairement, un flux d'air de refroidissement. Une autre caractéristique du procédé de commande active du jeu suivant la présente invention est de substituer un flux d'air chaud en direction du carter du moteur, pendant de telles périodes transitoires, afin d'accroître additionnellement la réponse thermique du moteur.
Claims (2)
1.- Procédé de commande du jeu entre les bouts d'ailettes et une couronne les entourant, dans le cas d'une pluralité de conditions de fonctionnement en régime permanent, à charge partielle, pour un turbomoteur comportant un dispositif de commande active du jeu fournissant un flux programmé d'air de refroidissement en direction d'un carter du moteur supportant radialement la couronne par rapport aux bouts des ailettes rotatives, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à déterminer l'apparition d'un changement par palier du niveau de puissance du moteur, à réduire le flux d'air de refroidissement en direction du carter du moteur, en réponse à l'apparition ainsi déterminée du changement par palier de la puissance, et à rétablir le flux programmé d'air de refroidissement vers le carter du carter du moteur après l'écoulement d'un laps de temps prédéterminé.
2.- Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à fournir un flux d'air chaud en direction du carter du moteur en réponse à l'apparition d'un changement par palier du niveau de
puissance du moteur.
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