FR2999226A1 - Pilotage des jeux dans une turbomachine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif de pilotage des jeux entre les sommets d'aubes mobiles (20) et une enveloppe annulaire (18) portant sur sa surface interne une couche annulaire de matière abradable (30) au contact de laquelle les sommets d'aubes (20) sont destinés à venir frotter, comprenant des moyens de refroidissement (36) de l'enveloppe annulaire (18) par impact d'air. Le dispositif comprend des moyens de détermination de l'épaisseur usée de la couche d'abradable au contact des sommets d'aubes, ces moyens étant reliés à des moyens de calcul et de commande (40) d'un débit d'air d'alimentation des moyens de refroidissement (36) en fonction de plusieurs paramètres dont l'un au moins concerne l'information fournie par les moyens de détermination de l'épaisseur usée de la couche d'abradable.

Description

PILOTAGE DES JEUX DANS UNE TURBOMACHINE La présente invention concerne un dispositif de pilotage des jeux en sommets d'aubes dans une turbomachine ainsi qu'une turbomachine équipée d'un tel dispositif et un procédé de mise en oeuvre du dispositif. De manière classique, l'air traversant une turbomachine s'écoule d'amont en aval au travers d'une soufflante, puis à travers un compresseur basse et haute pression, pénètre à l'intérieur d'une chambre de combustion dont la sortie alimente une turbine haute pression dont le rotor entraîne le rotor du compresseur haute pression puis une turbine basse pression dont le rotor entraîne le rotor du compresseur basse pression. La turbine basse pression comprend plusieurs roues à aubes agencées en alternance avec des rangées d'aubes fixes chacune portées par un carter externe. Chaque rangée d'aubes mobiles est entourée par un anneau porté par le carter externe et définissant une enveloppe annulaire portant sur sa surface interne une couche de matière abradable sur laquelle les sommets, c'est à dire les extrémités radialement externes des aubes mobiles viennent frotter de manière à limiter le passage d'air parasite entre les sommets d'aubes mobiles et l'anneau.

Lors du fonctionnement de la turbomachine, il est ainsi important de contrôler le jeu radial entre les sommets d'aubes mobiles et l'anneau pour éviter les fuites d'air et garantir une performance maximale de la turbomachine. Il est connu de la technique antérieure un dispositif de pilotage des jeux en sommet d'aubes, comprenant des moyens de prélèvement d'air dans le compresseur haute pression. L'air ainsi prélevé est amené par l'intermédiaire d'une ou plusieurs conduites jusqu'au carter externe pour le refroidir et ainsi réguler l'ouverture des jeux en sommets d'aube en fonction de plusieurs paramètres tels que la température de l'air en entrée de la soufflante, la température des gaz chauds en sortie de la turbine basse pression et du régime de la turbomachine c'est-à-dire la vitesse de rotation de l'arbre de turbine haute pression. En fonction des valeurs de ces paramètres, plus ou moins d'air froid est envoyé au niveau du carter entourant les aubes ce qui permet de contrôler sa contraction et sa dilatation par refroidissement et ainsi de limiter l'ouverture des jeux en sommets d'aubes qui serait préjudiciable au rendement de la turbomachine. Toutefois, ce type de pilotage des jeux n'est réalisé qu'à partir de mesures ou valeurs indirectes ne reflétant que partiellement l'état des jeux en sommets d'aubes.

L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple efficace et économique à ces problèmes de la technique antérieure. A cette fin, elle propose un dispositif de pilotage des jeux entre les sommets d'aubes mobiles d'une turbine basse pression dans une turbomachine et une enveloppe annulaire portant sur sa surface interne une couche annulaire de matière abradable au contact de laquelle les sommets d'aubes sont destinés à venir frotter, comprenant des moyens de refroidissement de l'enveloppe annulaire par impact d'air, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détermination de l'épaisseur usée de la couche d'abradable au contact des sommets d'aubes, ces moyens étant reliés à des moyens de calcul et de commande d'un débit d'air d'alimentation des moyens de refroidissement en fonction de plusieurs paramètres dont l'un au moins concerne l'information fournie par les moyens de détermination de l'épaisseur usée de la couche d'abradable. Le dispositif selon l'invention comprend des moyens de détection de l'usure de l'abradable, ces moyens fonctionnant en temps réel et étant reliés aux moyens de calcul et de commande du débit d'air d'alimentation des moyens de refroidissement. Le débit d'air alimentant les moyens de refroidissement est ajusté en fonction de l'épaisseur usée de la couche d'abradable, ce qui permet de contrôler au mieux les jeux en sommets d'aube et limite au mieux les circulations d'air parasite en sommets d'aubes.

En pratique, pour déterminer le débit d'air à envoyer aux moyens de refroidissement par impact d'air, les moyens de commande reçoivent également des informations relatives à la température d'entrée d'air de la turbomachine, la température d'entrée d'air de la turbine basse pression et au régime de la turbine basse pression, en particulier la vitesse de rotation de son arbre. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens de détermination de l'épaisseur usée de la couche d'abradable comprennent au moins un capteur monté sur la surface interne de l'enveloppe annulaire et recouvert par la couche de matière abradable. Avantageusement, le capteur est du type tout ou rien détectant le dépassement d'une épaisseur usée prédéterminée de la couche de matière abradable. Bien que ce type de capteur ne fournisse qu'une information sur le dépassement d'un seuil prédéterminé d'usure de l'abradable, il s'avère toutefois très fiable et très simple à monter dans une turbine basse pression. Dans une réalisation particulière de l'invention, le capteur est à contact mécanique comprenant un organe traversé par un courant 20 électrique et apte à se rompre au contact avec les sommets d'aubes, cet organe étant recouvert d'une épaisseur donnée de matière abradable. Lorsqu'un sommet d'aube entre en contact avec l'organe, celui-ci se rompt et le courant cesse de circuler au travers. Les moyens de commande interprètent l'interruption de circulation du courant comme une indication du 25 fait qu'au moins l'épaisseur donnée de matière abradable recouvrant l'organe est usée. Dans une réalisation préférée de l'invention, le dispositif comprend au moins trois capteurs tout ou rien recouvert d'épaisseur différentes de matière abradable, ce qui permet de renseigner sur différents niveau 30 d'usure de la couche de matière abradable et permet ainsi aux moyens de commande d'ajuster au mieux le débit d'air envoyé aux moyens de refroidissement. L'air froid peut être par exemple prélevé sur un étage d'un compresseur tel qu'un compresseur haute-pression agencé dans la partie amont d'une turbomachine ou bien dans le flux d'air secondaire contournant le turboréacteur. L'invention concerne également une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur, comprenant un dispositif de pilotage des jeux comme indiqué précédemment. L'invention concerne encore un procédé de mise en oeuvre du dispositif dans une turbomachine, caractérisé en ce qu'il consiste à: a) déterminer une valeur de débit d'air à envoyer aux moyens de refroidissement correspondant aux conditions de fonctionnement de la turbomachine, à partir d'un modèle prédictif de jeu entre les sommets d'aubes et l'enveloppe annulaire, ce modèle recevant en entrée des mesures de plusieurs paramètres de fonctionnement de la turbomachine ; b) déterminer l'épaisseur usée de la couche d'abradable à l'aide des moyens de détermination de l'usure de l'abradable ; puis à c) multiplier la valeur de débit d'air déterminée à l'étape a) par un coefficient supérieur ou égale à 1 dont la valeur est fonction de l'épaisseur usée de la couche d'abradable. En multipliant la valeur du débit d'air calculée à l'aide du modèle prédictif par un coefficient de valeur supérieur à 1, on augmente ainsi le débit d'air envoyé aux moyens de refroidissement, ce qui permet de réduire les jeux en sommets d'aubes en cas d'usure de la couche de matière abradab le. La valeur du coefficient multiplicatif de l'étape c) est déterminée pour chaque turbine basse pression à partir des caractéristiques géométriques, aérotherm igues et mécaniques des différentes pièces constituant la turbine basse pression. 2 99922 6 5 Les paramètres de fonctionnement utilisés à l'étape a) comprennent avantageusement la mesure de la température de l'air en entrée d'une soufflante agencée à l'extrémité amont de la turbomachine, la température de sortie du flux d'air sortant d'une turbine basse pression agencé à 5 l'extrémité aval de la turbomachine et la vitesse de rotation de l'arbre d'une turbine haute pression agencée en amont de la turbine basse pression. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : 10 la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une roue mobile d'une turbine basse pression et d'un dispositif selon l'invention intégré à la turbine basse pression ; la figure 2 est une vue schématique d'une variante du dispositif selon l'invention ; 15 la figure 3 représente les étapes successives de mise en oeuvre du dispositif selon l'invention ; la figure 4 est une courbe représentant l'évolution du coefficient de correction du débit d'air de refroidissement en fonction de l'usure de la couche de matière abradable. 20 On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente une partie seulement d'une turbine basse pression 10 agencée immédiatement en aval d'une turbine haute pression recevant les gaz chauds issus d'une chambre annulaire de combustion et qui comprend un carter externe 12 comportant sur sa surface interne des pattes annulaires amont 14 et aval 25 16 orientées vers l'aval pour le montage d'un anneau 18 entourant extérieurement une rangée annulaire d'aubes mobiles 20 (seule l'extrémité radialement externe d'une aube est représenté en figure 1). L'extrémité amont de l'anneau 18 comprend deux rebords cylindriques 22 orientées vers l'amont, espacées radialement l'un de l'autre et délimitant avec une 30 paroi annulaire radiale 24 une gorge annulaire engagée sur le rebord annulaire amont 14 du carter 12. L'extrémité aval de l'anneau 18 comprend un rebord cylindrique aval 26 retenu comportant une gorge annulaire 28 orientée radialement vers l'extérieur et engagée sur le rebord annulaire aval 16 du carter 12. L'anneau 18 forme une enveloppe annulaire entourant extérieurement les aubes 20 et recouvert d'une couche de matière abradable 30. Chaque extrémité radialement externe d'une aube 20 comprend une plate-forme 32 portant extérieurement des léchettes 34 orientées vers l'extérieur et pénétrant et frottant en fonctionnement sur la couche 30 de matière abradable pour éviter les circulations d'air parasites entre les sommets d'aubes et l'enveloppe annulaire 18. La turbine basse pression 10 comprend des moyens de pilotage des jeux entre les sommets d'aubes mobiles 20 et l'enveloppe annulaire 18. Ces moyens comprennent un circuit 36 de prélèvement d'air froid sur une partie amont d'un compresseur haute pression agencé immédiatement en amont de la chambre annulaire combustion. Le circuit 36 de prélèvement d'air comprend une vanne 38 dont l'ouverture contrôle le débit d'air froid prélevé dans le compresseur haute pression et injecté au niveau du carter 12 de la turbine basse pression 10. Le degré d'ouverture/fermeture de la vanne 38 est contrôlé par des 20 moyens de commande 40 formé par un régulateur numérique de moteur à pleine autorité (connu sous l'acronyme anglais de FADEC signifiant Full Authority Digital Engine Control). D'une manière générale, on comprend bien que l'amenée de plus ou moins d'air froid au niveau du carter 12 permet de plus ou moins le refroidir 25 et par conséquence permet de plus ou moins refroidir l'enveloppe annulaire 18, permettant ainsi de contrôler le jeu entre l'enveloppe 18 et les sommets d'aubes 20. Le dispositif selon l'invention comprend des moyens de détermination du niveau d'usure de la couche d'abradable reliés aux 30 moyens de commande. Selon l'invention, les moyens de commande détermine le degré d'ouverture/fermeture de la vanne 38 en tenant compte du niveau d'usure de la couche de matière abradable. Comme représenté en figure 1, les moyens de détermination du niveau d'usure de l'abradable comprennent un capteur 42 monté sur la surface interne de l'enveloppe annulaire 18 et recouvert par la couche 30 de matière abradable. Avantageusement le capteur est un capteur du type tout ou rien à contact mécanique comprenant un organe 44 logé dans la couche d'abradable et destiné à se briser ou se rompre au contact avec une léchette d'un sommet d'aube. L'organe est relié aux moyens de commande 40 par l'intermédiaire d'un boitier 46 de connexion et d'alimentation en courant électrique de l'organe 44. L'organe 44 est recouvert par une épaisseur E prédéterminée de matière abradable. En l'absence de contact avec un sommet d'aube, le courant circule à travers l'organe 44 et les moyens 40 commandent l'ouverture de la vanne 38 de manière à envoyer un débit d'air suffisant pour refroidir le carter 12. Lorsqu'un sommet d'aube 20 entre en contact avec l'organe 44, celui-ci se brise et ne permet plus la circulation de courant, ce qui indique au régulateur que la couche d'abradable est usée sur au moins l'épaisseur E recouvrant initialement l'organe 44.

Avec le dispositif selon l'invention, les moyens de commande reçoivent une information relative à l'état d'usure de la couche d'abradable, ce qui permet d'ajuster au mieux le degré d'ouverture de la vanne 38 du circuit d'air froid et ainsi le débit d'air envoyé vers le carter 12 et assure un meilleure pilotage du jeu en sommet d'aube.

Dans une réalisation particulière de l'invention représentée en figure 2, le dispositif comprend par exemple trois capteurs 48, 50, 52 tout ou rien identiques à celui décrit en référence à la figure 1. Les capteurs 48, 50, 52 sont recouverts d'une épaisseur différente de matière abradable de manière à fournir une information correspondant à trois niveaux d'épaisseur d'usure de la couche d'abradable. Avec un tel dispositif, il est ainsi possible de mieux contrôler le débit d'air froid envoyé aux moyens de refroidissement puisque les moyens de commande 40 peuvent ajuster le débit d'air en fonction de différents niveaux d'usure de la couche de matière abradable. La figure 3 représente les différentes étapes de mise en oeuvre du dispositif décrit précédemment. Dans une première étape 54, les moyens de commande 40 déterminent en temps réel la valeur de débit d'air D1 à envoyer vers le carter 12 de la turbine basse pression 10 en fonction des conditions de fonctionnement de la turbomachine à partir d'un modèle prédictif de jeu entre les sommets d'aubes et l'enveloppe annulaire 18. Ce type de modèle prédictif est bien connu de l'homme du métier et ne sera pas décrit plus en détail. Un exemple de modèle prédictif est décrit dans la demande EP0288356A1 de la demanderesse. Ce modèle reçoit en entrée des mesures de plusieurs paramètres de fonctionnement de la turbomachine.

De manière habituelle, on évalue le débit d'air à envoyer aux moyens de refroidissement à partir de la mesure de la température de l'air en entrée de la soufflante agencée à l'extrémité amont de la turbomachine, de la température d'entrée d'air de la turbine basse pression et du régime de la turbine basse pression, en particulier de la vitesse de rotation de son arbre.

Il est possible de déduire l'altitude de vol d'un avion à partir de la pression extérieure. Ainsi, dans une seconde étape 56, la pression extérieure est mesurée et on en déduit l'altitude de l'avion. Tant que la valeur de pression mesurée est inférieure à un premier seuil prédéterminé P1 représentatif d'une altitude de croisière, le débit d'air D1 est envoyé vers les moyens de refroidissement. Lorsque la pression atmosphérique est supérieure à un second seuil prédéterminé P2 représentatif d'une basse altitude, aucun débit d'air n'est envoyé vers les moyens de refroidissement. Dans la plage d'altitude correspondant à des pressions situées entre P1 et P2, le débit d'air envoyé en fonction de la pression est donné par une fonction affine décroissante.

Dans une troisième étape 58, l'épaisseur d'usure de la couche d'abradable est déterminée par les moyens de commande 40 à partir de la ou des informations renvoyées par le ou les capteurs de détection d'usure de la couche d'abradable.

Enfin, dans une quatrième étape 60, la valeur du débit d'air D2 est multipliée par un coefficient F supérieur ou égal à 1. Cette valeur est égale à 1 lorsque la couche d'abradable n'est pas usée et est strictement supérieure à 1 lorsque la couche d'abradable est usée. La figure 4 représente le coefficient multiplificatif F précité en fonction de l'épaisseur de la couche d'abradable en millimètre. Cette courbe est obtenue par calcul numérique à partir des caractéristiques géométriques, aérotherm igues et mécaniques des différentes pièces de la turbine basse pression 10. Ainsi, à chaque niveau d'usure de la couche d'abradable correspond une valeur du coefficient, la valeur du coefficient augmentant au fur et à mesure de l'augmentation de l'usure de la couche d'abradable de manière ainsi augmenter le débit d'air envoyé vers les moyens de refroidissement 36 et ainsi réduire le jeu entre les sommets d'aubes 20 et l'enveloppe annulaire 18. Au-delà d'une usure supérieure à 1,1 mm, le coefficient de correction reste constant. Cette valeur de 1,1 mm correspond à l'usure maximum relevée pour la couche d'abradable. De plus, au-delà d'une certaine valeur, de 1,1 millimètre dans l'exemple de réalisation, il est préférable de ne plus augmenter le débit d'air froid envoyé aux moyens de refroidissement puisque conduit à une réduction globale du rendement de la turbomachine du fait d'un prélèvement d'air trop important en rapport de la réduction du jeu en sommets d'aubes obtenu. Le dispositif et le procédé selon l'invention permettent de mieux contrôler les jeux en sommets d'aubes 20 dans une turbine basse pression en contrôlant mieux le débit d'air de refroidissement du carter 12 à l'aide d'une information relative à l'état d'usure de la couche de matière abradab le.

Dans une autre réalisation de l'invention non représentée aux dessins, les moyens de mesure de détermination du niveau d'usure de la couche d'abradable peuvent comprendre une plaquette depuis laquelle s'étendent plusieurs fils électriques orientés axialement et espacés radialement les uns des autres de manière à ce qu'ils soient chacun recouvert d'une épaisseur différente de matière abradable.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de pilotage des jeux entre les sommets d'aubes mobiles (20) d'une turbine basse pression (10) dans une turbomachine et une enveloppe annulaire (18) portant sur sa surface interne une couche annulaire de matière abradable (30) au contact de laquelle les sommets d'aubes (20) sont destinés à venir frotter, comprenant des moyens de refroidissement (36) de l'enveloppe annulaire (18) par impact d'air, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détermination de l'épaisseur usée de la couche d'abradable au contact des sommets d'aubes, ces moyens étant reliés à des moyens de calcul et de commande (40) d'un débit d'air d'alimentation des moyens de refroidissement (36) en fonction de plusieurs paramètres dont l'un au moins concerne l'information fournie par les moyens de détermination de l'épaisseur usée de la couche d'abradable.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détermination de l'épaisseur usée de la couche d'abradable comprennent au moins un capteur (42) monté sur la surface interne de l'enveloppe annulaire (18) et recouvert par la couche de matière abradable (30).
3. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le capteur (42) 20 est du type tout ou rien détectant le dépassement d'une épaisseur usée prédéterminée de la couche de matière abradable (30).
4. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le capteur (42) est à contact mécanique comprenant un organe (44) traversé par un courant électrique et apte à se rompre au contact avec les sommets 25 d'aubes (20), cet organe (44) étant recouvert d'une épaisseur donnée de matière abradable.
5. 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois capteurs (48, 50, 52) tout ou rien recouvert d'épaisseurs différentes de matière abradable.
6. 6. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif selon l'une des revendications précédentes.
7. 7. Procédé de mise en oeuvre du dispositif dans une turbomachine selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste à: a) déterminer une valeur de débit d'air à envoyer aux moyens de refroidissement correspondant aux conditions de fonctionnement de la turbomachine, à partir d'un modèle prédictif de jeu entre les sommets d'aubes et l'enveloppe annulaire, ce modèle recevant en entrée des mesures de plusieurs paramètres de fonctionnement de la turbomachine ; b) déterminer l'épaisseur usée de la couche d'abradable à l'aide des moyens de détermination de l'usure de l'abradable ; puis à c) multiplier la valeur de débit d'air déterminée à l'étape a) par un coefficient (F) supérieur ou égal à 1 dont la valeur est fonction de l'épaisseur usée de la couche d'abradable.
8. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la valeur du coefficient multiplicatif de l'étape c) est déterminée à partir des caractéristiques géométriques, aérothermiques et mécaniques des 20 différentes pièces de la turbine basse pression.
9. 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les paramètres de fonctionnement comprennent au moins la mesure de la température de l'air en entrée d'une soufflante agencée à l'extrémité amont de la turbomachine, la température de sortie du flux d'air sortant d'une 25 turbine basse pression agencée à l'extrémité aval de la turbomachine et la vitesse de rotation de l'arbre de rotation d'une turbine haute pression agencée en amont de la turbine basse pression.