FR2895766A1

FR2895766A1 - Perfectionnements a un systeme de commande du jeu en bout d'ailette

Info

Publication number: FR2895766A1
Application number: FR9814935A
Authority: FR
Inventors: Julian Glyn Balsdon; Sean Alan Walters
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1997-12-03
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 2007-07-06
Also published as: DE19854835B4; GB9725623D0; GB2432888B; GB2432888A; US7938621B1; DE19854835A1; GB9822733D0

Abstract

Système de commande par pression du jeu en bout d'ailette pour une structure de chemise frettée d'un étage tournant de turbine à gaz comprenant un volume de chambre annulaire formé entre un ensemble annulaire d'une pluralité de chemises sur la circonférence intérieure de la chambre et une enveloppe de forme générale cylindrique sur le côté radialement extérieur, et en fonctionnement, un courant de gaz chaud se trouvant radialement à l'intérieur des chemises. Chacune des chemises comprend une section de boîtier creux avec des parois amont et aval, des parois radialement intérieure et extérieure et des parois latérales, les parois aval et radialement intérieure et extérieure étant fermées, la parois amont ayant une ouverture d'entrée d'air, et au moins l'une des parois latérales ayant au moins une ouverture de sortie. L'ouverture d'entrée est en communication avec une source d'air à haute pression, cette pression étant supérieure à celle du courant de gaz chaud.

Description

La présente invention a pour objet des perfectionnements à un système de

commande du jeu en bout d'ailette pour un étage tournant d'un moteur à turbine à gaz. En particulier, l'invention concerne des perfectionnements à un système de commande du jeu en bout d'ailette pour un étage tournant d'un moteur à turbine à gaz, qui est actionné par la pression du fluide dans un système de refroidissement interne à air, associé avec l'étage. Notre demande de brevet publiée GB 2 169 962 A décrit un système de commande du jeu en bout d'ailette, qui utilise une pression de fluide. Dans ce système, une pièce à diaphragme mobile supporte des segments d'une chemise frettée d'un étage tournant de compresseur. Derrière la pièce à diaphragme se trouve une chambre. Une tuyauterie relie la chambre à une vanne qui, alternativement, raccorde la chambre à une source de pression de fluide, ou décharge la chambre vers une zone à basse pression. Ainsi, le déplacement du diaphragme, en commandant la pression dans la chambre, déplace les segments de la chemise de virole. Cependant, cette tuyauterie supplémentaire et le diaphragme augmentent le poids, et ils nécessitent d'autres organes qui ont leurs propres risques de pannes. Dans notre demande de brevet GB 2 313 414, on décrit un système de commande de jeu en bout d'ailette "à deux butées", actionné par une pression d'air différentielle. Un tel système de commande possède une disposition annulaire des segments mobiles de la chemise frettée, qui constitue la circonférence intérieure d'une chambre de pression annulaire entourant les ailettes d'un étage tournant. Pour obtenir le jeu minimal, de l'air à haute pression est injecté dans la chambre, à partir d'une source telle qu'un compresseur à haute pression, à travers de petits piquages ou orifices calibrés, de telle sorte que les segments de la chemise sont poussés vers leurs butées de jeu minimal. La chambre peut être déchargée rapidement, par l'intermédiaire d'une vanne vide vite à commande électrique, dans la canalisation de dérivation du moteur. Quand la vanne est ouverte, la pression dans la chambre tombe rapidement en dessous de la pression du circuit de gaz pour déplacer les segments de la chemise radialement vers l'extérieur jusqu'aux butées de jeu maximal, en augmentant ainsi le jeu en bout d'ailette. Dans ce système, pendant le fonctionnement du moteur, du fluide (en l'occurence de l'air du circuit de refroidissement interne) est injecté continuellement vers le volume de la chambre, à travers les petits orifices calibrés. En général, le fluide est amené d'une source telle qu'un compresseur à haute pression. Dans ce genre de système, la position des segments de la chemise est commandée par le même air que celui qui les refoidit, de sorte que quand la pression dans la chambre annulaire de commande est réduite pour augmenter le jeu, l'efficacité du refroidissement peut être temporairement réduite par l'abaissement de la pression. Le débit de fuite de l'interstice entre les segments se trouve aussi réduit à un moment inopportun. La présente invention vise à apporter des perfectionnements au système ci-dessus grâce auxquels l'introduction de gaz chaud dans le volume de la chambre est minimisé lorsque le volume de la chambre se trouve à basse pression, notamment dans des conditions de fonctionnement extrêmes comme une accélération lente. Cela est particulièrement important si le système de vanne et de commande est conçu pour être en panne en position ouverte. suivant la présente invention, on obtient un système de commande par pression du jeu en bout d'ailette pour une structure de chemise frettée d'un étage tournant de turbine à gaz comprenant un volume de chambre annulaire formé entre un ensemble annulaire d'une pluralité de chemises sur la circonférence intérieure de la chambre et une enveloppe de forme générale cylindrique sur le côté radialement extérieur, et, en fonctionnement, un courant de gaz chaud se trouvant radialement à l'intérieur des chemises, dans lequel chacune desdites chemises comprend une section de boîtier creux avec des parois amont et aval, des parois radialement intérieure et extérieure, et des parois latérales, les parois aval et radialement intérieure et extérieure étant fermées, la paroi amont ayant une ouverture d'entrée d'air, et au moins l'une des parois latérales ayant au moins une ouverture de sortie, et l'ouverture d'entrée est en communication de débit avec une source d'air à haute pression, cette pression étant supérieure à celle du courant de gaz chaud. L'invention va maintenant être décrite, à titre d'exemple seulement, en se référant au dessin schématique annexé sur lequel :

- la figure 1 est une coupe radiale à travers une disposition de chemise d'un étage d'un moteur à turbine à gaz conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue axiale suivant la ligne II-II de la figure 1 ;

- la figure 3 est une coupe radiale à travers une variante de disposition de chemise d'un étage d'un moteur à turbine à gaz semblable à celui de la figure 1, mais montrant en plus un moyen de transfert pour amener de l'air à haute pression du compresseur à l'ensemble de chemises ;

- la figure 4 est une vue de bout du moyen de transfert de la figure 3 prise dans le sens de la flèche IV. Il est bien entendu que les dessins ne sont pas à l'échelle et que, en particulier, la représentation des espaces entre les surfaces en vis-à-vis a été exagérée dans un but de clarté. En se référant maintenant à la figure 1, on voit une coupe radiale à travers une partie du premier étage haute pression d'un moteur d'avion à turbine à gaz à dérivation. Une enveloppe extérieure de moteur de forme généralement cylindrique est indiquée schématiquement en 2, ainsi qu'une enveloppe intérieure concentrique adjacente 4. Un espace annulaire 6 entre les enveloppes extérieure et intérieure 2, 4, constitue la conduite de dérivation du moteur. A gauche (en amont) de la figure 1, on voit une partie d'une aube directrice amont 18 qui s'étend radialement à travers un circuit de gaz chaud 3 entre une plateforme d'aube extérieure 16 et une plateforme d'aube intérieure concentrique (non représentée). Comme on le comprend, l'aube directrice 18 représentée fait partie d'une série d'aubes directrices s'étendant radialement entre les plateformes d'aubes concentriques et qui coopèrent avec les plateformes depuis l'anneau d'aubes directrices de sortie. Les surfaces intérieures (celles qui sont tournées vers le courant de gaz 3) des plateformes d'aubes ont des parois lisses. Un volume annulaire 19 formé par l'espace entre la plateforme d'aube extérieure 16 et l'enveloppe intérieure 4 constitue une chambre qui s'ouvre dans l'enveloppe à haute pression entourant la chambre de combustion du moteur. L'air dans le volume annulaire 19 est toujours à une pression plus élevée que celle du courant de gaz. En aval de l'anneau d'aubes directrices de sortie se trouve un étage tournant haute pression 20 de la turbine, consistant en une rangée annulaire d'ailettes de turbine sans frette 22 (dont une seule est représentée) montée sur un disque (non représenté). Encerclant cette rangée d'ailettes 22, se trouve un arrangement annulaire consistant en une pluralité de segments de chemise frettée 24 (dont un seul est représenté) montés côte à côte dans une direction circonférentielle. Chaque segment de chemise 24 porte sur sa face radialement interne une couche 26 de matériau érodable dans lequel les bouts des ailettes 22 peuvent creuser un sillon, ou une rainure, au cas où se produirait un frottement momentané d'un bout d'ailette. La construction du segment de chemise 24 sera décrite plus en détail ci-après.

En aval des ailettes de turbine 22 dans le circuit de gaz 3, se trouve une deuxième rangée annulaire d'aubes directrices 36 (dont une seule est représentée) s'étendant radialement entre une plateforme d'aube extérieure 34 et une plateforme d'aube intérieure (non représentée), et espacée dans une direction circonférentielle.

Dans l'assemblage, les bords circonférentiels amont et aval du segment de chemise 24 sont supportés par une partie des plateformes d'aubes directrices extérieures 16, 34 respectivement. Plus précisément, la plateforme extérieure amont 16 possède un bord de fuite 38 qui s'étend en aval et qui agit comme une butée pour le bord circonférentiel amont du segment de chemise 24. De la même manière, la plateforme extérieure aval 34 possède un rebord 44 qui s'étend vers l'amont et qui agit comme une butée pour le bord circonférentiel aval du segment de chemise 24. Les butées 38, 44 constituent ainsi les butées radialement internes, ou jeu minimal, dans un système de commande de jeu à deux butées.

A une faible distance en amont du bord de fuite 38, est formée une bride circonférentielle en surplomb 40 qui s'étend radialement vers l'extérieur de la plateforme d'aube 16 vers l'enveloppe intérieure 4 du moteur et qui forme aussi la paroi aval limitant le volume annulaire 19. A une hauteur intermédiaire entre la plateforme extérieure 16 et la paroi intérieure 4 du moteur, la bride 40 est pourvue de son côté aval d'une saillie s'étendant axialement en une butée 42 qui est ainsi parallèle, à une certaine distance, du bord de fuite 38 de l'aube directrice. De manière similaire, à une faible distance en aval du rebord 44 de la plateforme d'aube extérieure 34, est formée une bride circonférentielle en surplomb 48 qui s'étend radialement vers l'extérieur de la plateforme 34, et qui est pourvue à une hauteur intermédiaire sur son côté amont d'une saillie s'étendant axialement en une butée 46 qui est ainsi parallèle, à une certaine distance, du rebord 44. Cette deuxième paire de butées 42, 46 constitue ainsi les butées radialement externes, ou jeu maximal, du système de commande à deux butées. en conséquence, le segment de chemise 24 est limité dans son déplacement radial par les deux paires de butées 38, 42 et 44, 46. Les segments de chemise 24 constituent une paroi intérieure mobile d'un volume de chambre annulaire 50 qui est délimité radialement par les segments de chemise et par la paroi intérieure 4 du moteur. Le déplacement radial des segments 24 en réponse aux variations thermiques et centrifuges de la dimension radiale des ailettes de turbine 22 peut être contrôlé par tout moyen connu, par exemple tel que décrit dans notre demande de brevet GB 2 313 414 déjà citée. Les parties du système qui sont connues sont faciles à comprendre, mais comme elles se trouvent hors de la présente invention, elles ne seront pas décrites plus en détail. La structure précise et le fonctionnement du système de refroidissement de base du segment de chemise 24 vont maintenant être décrits en se référant aux figures 1 et 2. Chaque segment de chemise 24 a une structure de boîtier sensiblement cubique constituée de parois partiellement annulaires interne et externe 60, 62, une paroi aval solide 64, une paroi amont 66, possédant au moins une ouverture 68 (en fait deux sur la figure 2), et des parois latérales 70, 72. Les ouvertures de paroi amont 68 assurent une communication entre le volume 19 et l'intérieur du boîtier segment de chemise 24. Les parois latérales 70, 72 du boîtier segment de chemise possèdent aussi au moins une ouverture 74 (la figure 1 en montre trois) assurant une communication entre l'intérieur du segment de chemise et un petit interstice 78 entre des boîtiers adjacents. La bride circonférentielle 40 est pourvue d'une série d'ouvertures axiales 76, dont chacune est sensiblement alignée axialement avec une ouverture correspondante 68 dans le segment de chemise 24, permettant ainsi à de l'air haute pression du compresseur, relativement froid, de passer du volume annulaire 19 à travers les ouvertures 68, dans l'intérieur des chemises boîtiers. Cet air sort ensuite de l'intérieur du segment 24 à travers I(es) ouverture (s) 74 dans les interstices 78 entre les chemises. Les sections des ouvertures 76 et 68 sont choisies de sorte que, quelle que soit la position radiale du segment de chemise 24, il y ait un recouvrement suffisant entre les ouvertures 76 et 68 pour que l'air haute pression du compresseur puisse s'écouler à travers elles. Le débit de sortie de l'air des boîtiers chemises est déterminé, c'est-à-dire calibré, par les ouvertures de sorties 74.

Sur la figure 2, les segments de chemise 24 sont représentés circonférentiellement adjacents, séparés par les interstices radiaux 78 dans lesquels débouchent les ouvertures 74. Une certaine étanchéité de ces interstices 78 est obtenue grâce à des rubans allongés 80 insérés dans des rainures longitudinales 82 des parois 70 et 72 qui s'étendent sensiblement sur la largeur axiale du segment de chemise 24. Cependant, on ne peut pas obtenir une étanchéité parfaite parce que les rubans 80 se déplacent dans les rainures 82 à cause des mouvements radiaux relatifs des segments de chemise 24. Une entrée soudaine de gaz chaud à haute pression provenant du courant de gaz 3 dans les interstices radiaux 78 et dans le volume de chambre 50 à une pression relativement basse est empêchée par le débit de fuite des ouvertures 74. Une partie de cet air relativement froid fuit aussi dans le volume de chambre 50, et une partie dans le courant de gaz 3 apportant refroidissement et protection aux bords des divers composants. De petits trous de purge 84 passant du volume annulaire 19 à travers la plateforme d'aube extérieure 16 vers un interstice de jeu 86 entre la face amont d'une partie radialement interne de la chemise 24 et le bord de fuite 38 de la plateforme d'aube apportent refroidissement et protection à ces parties. II existe en permanence un gradient de pression entre le volume annulaire 19 et le courant de gaz 3, et cela conduit un débit d'air plus froid à travers les trous 84 vers l'interstice de jeu 86, et crée ainsi un écran contre une entrée soudaine de gaz chaud du courant de gaz 3 traversant la chemise 24 vers le volume de chambre 50. On peut aussi prévoir des trous de purge 88 conduisant de l'intérieur de la chemise 24 vers une partie radialement extérieure de l'interstice de jeu 86.

Une partie de l'air froid à haute pression du compresseur qui est passé dans la chemise 24, venant du volume annulaire 19 s'échappe à travers les trous de purge 88 et contribue à créer un écran contre l'entrée soudaine de gaz chaud du courant de gaz 3 dans le volume de chambre 50. Cependant, l'interstice 86 s'étend sur toute la surface du côté amont du boîtier chemise entre la paroi amont 66 et la bride d'aube directrice 40. Dans la disposition particulière de la figure 1, il existe un trajet de fuite incontrôlée potentielle pour une perte d'air de refroidissement. En se reportant maintenant à la figure 3, on va décrire une variante de la disposition de la chemise frettée, les éléments communs aux figures 1 et 2 5 conservant les mêmes numéros de référence. Dans cette disposition améliorée, toute fuite incontrôlée à travers l'interstice 86 est éliminée. L'ouverture 68 dans la paroi 66 de la chemise 24 a une section tronconique 90 à son extrémité aval, et une section se réduisant vers l'aval jusqu'à une sortie étroite 91 vers l'intérieur de la 10 chemise. Un tube de transfert 92 est logé dans l'ouverture 68 de la chemise 24 et l'ouverture 76 de la bride 40 ; ce tube enjambe l'interstice radial 86 entre la chemise et la bride. Le tube 92 est sensiblement cylindrique, avec des extrémités sphériques formées de brides circonférentielles arrondies extérieurement 94, 96 comme on peut le voir sur la vue de bout du tube de 15 transfert 92 à la figure 4. La bride 94 à l'extrémité amont du tube de transfert coopère avec l'intérieur de l'ouverture 76, et la bride 96 à l'extrémité aval coopère avec la surface tronconique 90. Comme les brides cironférentielles 94, 96 sont arrondies, elles roulent contre les surfaces intérieures respectives des ouvertures 76 et 68 lorsque la chemise 24 se 20 déplace, pendant le fonctionnement, par rapport aux composants statiques comme la bride 40. Cela donne six degrés de liberté au tube de transfert, et il est auto-compensé quelle que soit l'usure qui se produit. Le tube de transfert 92 réduit ainsi le débit de fuite incontrôlé, et il est plus efficace pour transférer l'air haute pression du compresseur du volume 25 annulaire 19 vers l'intérieur de la chemise 24 dans toutes les dispositions relatives de la chemise boîtier par rapport à la bride 40. L'ouverture 76 dans la bride 40 est pourvue à son extrémité amont (c'est-à-dire l'ouverture dans le volume annulaire 19) d'une bride de retenue circonférentielle 98 dirigée radialement vers l'intérieur, qui agit pour limiter le 30 mouvement axial du tube de transfert 92 vers l'amont. Le mouvement axial du tube de transfert 92 vers l'aval est évidemment limité par la section conique 90 de l'ouverture 68. Le tube de transfert 92 est aussi pourvu d'une section interne conique 99 à son extrémité aval de manière à assurer un écoulement efficace de l'air du 35 tube de transfert à travers la sortie 91 vers l'intérieur de la chemise 24. 8 2895766 II peut y avoir deux tubes de transfert 92, ou plus, par chemise 24, qui coopèrent avec des ouvertures correspondantes dans la bride d'aube directrice 40 et la paroi de chemise 66. En plus du refroidissement de la chemise boîtier 24 par l'air à haute pression venant du volume annulaire 19, là fuite d'air venant des ouvertures 74 et 88 crée un écran contre toute entrée soudaine de gaz chaud provenant du courant de gaz 3 traversant la chemise vers le volume de chambre 50. Dans certaines mises en oeuvre, on peut estimer suffisant d'avoir une ou plusieurs ouvertures 74 dans un seul côté 70, 72 de chaque chemise 24.

Dans une autre réalisation possible (non représentée), le tube de transfert 92 peut avoir une structure intermédiaire flexible (par exemple ondulée) permettant de le fixer par l'une de ses extémités, ou par les deux, à l'ouverture 76 ou à l'entrée 68. De manière complémentaire, le système de commande du jeu suivant l'invention pourra comprendre un système de purge à haute pression conduisant de la source d'air (19) à haute pression audit interstice (86) de jeu radial faisant que, en fonctionnement, de l'air à haute pression est injecté dans l'interstice (86) de jeu et empêche le passage de gaz chaud du courant de gaz (3) vers le volume de chambre (50). De manière encore avantageuse, le système de commande du jeu suivant l'invention pourra comprendre un système de purge à haute pression conduisant de la source d'air (19) à haute pression à un interstice (86) de jeu radial immédiatement en amont de la chemise (24) et s'étendant depuis le courant de gaz (3) jusqu'au volume de chambre (50), faisant que, en fonctionnement, de l'air à haute pression est injecté dans l'interstice (86) de jeu et empêche le passage de gaz chaud du courant de gaz (3) vers le volume de chambre (50). 9

Claims

REVENDICATIONS

1. Système de commande par pression du jeu en bout d'ailette pour une structure de chemise frettée d'un étage tournant de turbine à gaz comprenant un volume de chambre (50) annulaire formé entre un ensemble annulaire d'une pluralité de chemises (24) sur la circonférence intérieure de la chambre et une enveloppe (4) de forme générale cylindrique sur le côté radialement extérieur, et en fonctionnement, un courant de gaz chaud se trouvant radialement à l'intérieur des chemises (24), dans lequel chacune desdites chemises(24) comprend une section de boîtier creux avec des parois (64, 66) amont et aval, des parois (60,62) radialement intérieure et extérieure, et des parois latérales (70, 72), les parois aval (64) et radialement intérieure et extérieure (60, 62) étant fermées, la paroi amont (66) ayant une ouverture (68) d'entrée d'air, et au moins l'une des parois latérales (70,72) ayant au moins une ouverture (74) de sortie, et l'ouverture (68) d'entrée est en communication de débit avec une source d'air à haute pression, cette pression étant supérieure à celle du courant de gaz chaud (3).

2. Système de commande du jeu suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la communication de débit comprend une ouverture (76) dans une paroi (40)retenant de l'air (19) à haute pression, ladite ouverture (76) étant adjacente à l'ouverture (68) d'entrée, et en alignement au moins approximatif avec elle.

3. Système de commande du jeu suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la source d'air (19) à haute pression est un système de distribution d'air d'un 25 compresseur à haute pression.

4. Système de commande du jeu suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une ouverture (74) de sortie est dirigée vers l'interstice 10 2895766 (78) radial entre deux chemises (24) adjacentes de manière qu'en fonctionnement, l'air à haute pression dans la chemise (24) sorte à travers ladite ouverture (74) de sortie et empêche le gaz chaud de passer radialement vers l'extérieur entre les chemises (24) jusqu'au volume de chambre (50). 5

5. Système de commande du jeu suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des chemises (24) circonférentiellement adjacentes sont jointes par un ou plusieurs rubans (80) s'étendant à travers un interstice (78) radial entre des chemises (24) adjacentes, chaque ruban (80) d'étanchéité étant logé à chacune de ses 10 extrémités dans une rainure (82) dans une paroi latérale de ladite chemise (24), les logements dans les rainures (82) étant disposés de manière à permettre des mouvements radiaux relatifs des chemises (24) adjacentes.

6. Système de commande du jeu suivant la revendication 2, caractérisé par un tube (92) 15 de transfert d'air entre l'ouverture (76) dans la paroi (40) retenant l'ail (19) à haute pression et l'entrée vers la chemise (24), ce tube (92) de transfert étant disposé pour se déplacer en réponse aux mouvements radiaux de la chemise (24).

7. Système de commande du jeu suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le tube 20 (92) de transfert d'air comprend une structure cylindrique dont l'extrémité amont (94) est insérée dans l'ouverture (76) de la paroi (40) limitant l'air (19) à haute pression, et dont l'extrémité aval (96) est insérée dans l'entrée (90) de la chemise (24), ladite entrée ayant une section tronconique se réduisant vers l'aval, et le tube (92) de transfert est pourvu à ses deux extrémités (94, 96) de brides circonférentielles arrondies, la bride amont (94) étant en contact roulant avec la paroi de ladite ouverture (76), et la bride aval (96) étant en contact roulant avec la section tronconique (90) de ladite entrée, le tube (92) de transfert pouvant ainsi se déplacer avec plusieurs degrés de liberté en réponse aux mouvements radiaux de là chemise (24). 11 2895766

8. Système de commande du jeu suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé par une ouverture (88) de purge conduisant de l'intérieur de la chemise (24) à un interstice (86) de jeu radial immédiatement en amont de la chemise (24) et 5 s'étendant depuis le courant de gaz jusqu'au volume de chambre (50), faisant que, en fonctionnement, l'air à haute pression provenant de la chemise (24) sort à travers l'ouverture (88) de purge et empêche le passage de gaz chaud du courant de gaz (3) vers le volume de chambre (50). 10

9. Système de commande du jeu suivant la revendication 8, caractérisé par un système de purge à haute pression conduisant de la source d'air (19) à haute pression audit interstice (86) de jeu radial faisant que, en fonctionnement, de l'air à haute pression est injecté dans l'interstice (86) de jeu et empêche le passage de gaz chaud du courant de gaz (3) vers le volume de chambre (50). 15

10. Système de commande du jeu suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par un système de purge à haute pression conduisant de la source d'air (19) à haute pression à un interstice (86) de jeu radial immédiatement en amont de la chemise (24) et s'étendant depuis le courant de gaz (3) jusqu'au volume de chambre (50), faisant 20 que, en fonctionnement, de l'air à haute pression est injecté dans l'interstice (86) de jeu et empêche le passage de gaz chaud du courant de gaz (3) vers le volume de chambre (50).