FR3051826A1 - Dispositif de commande d'elements a calage variable dans une turbomachine - Google Patents

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Abstract

Un dispositif de commande d'éléments de turbomachine à calage variable comme des aubes de stator, dans lequel le déplacement d'un mécanisme de commande (12) est appliqué à un anneau (7) faisant tourner les leviers de pivotement des aubes autour d'un stator, s'effectue avec une modification éventuelle de la longueur du ridoir (11) reliant l'anneau (7) au mécanisme de commande (12), ce qui permet de modifier la loi d'angle de calage des aubes en fonction des déploiements du dispositif de commande (12). On dispose ainsi d'une plus grande liberté de réglage. L'invention est utile quand un mécanisme de commande (12) unique sert à plusieurs anneaux (7) disposés côte à côte, leurs lois de commande pouvant alors être différentes.

Description

DISPOSITIF DE COMMANDE D'ELEMENTS A CALAGE VARIABLE DANS UNE
TURBOMACHINE
DESCRIPTION
Le sujet de l'invention présente est un dispositif de commande d'éléments à calage variable dans une turbomachine.
Ces éléments peuvent être par exemple des vannes de décharge (VBV) de compresseurs, ou des étages d'aubes de stator (VSV), sachant que l'invention peut s'appliquer à tout dispositif de turbomachine comprenant des éléments à calage variable (réglables en position), commandés par un mécanisme actionneur commun et des transmissions mécaniques respectives reliant le mécanisme actionneur auxdits éléments et comprenant des ridoirs.
Un autre aspect de l'invention est une turbomachine équipée de ce dispositif.
Abordons une application particulièrement envisagée pour illustrer le domaine de l'invention.
Les aubes de stator des turbomachines ont pour rôle essentiel de redresser l'écoulement des gaz entre deux étages d'aubes mobiles du rotor. Ces aubes, souvent dites fixes, peuvent néanmoins avoir un calage variable, c'est-à-dire qu'elles peuvent pivoter autour de leur axe de support pour modifier leur orientation et le redressement qu'elles imposent à l'écoulement selon les conditions rencontrées. Les dispositifs usuels de réglage du calage comprennent un mécanisme actionneur apte à faire tourner autour de l'axe de la turbomachine un anneau entourant le stator et relié à des axes pivotants des aubes, saillant hors du stator, par des bielles articulées qui transforment donc la rotation de l'anneau autour de l'axe de la machine en rotation des aubes de stator autour de leur axe radial. Un mécanisme actionneur unique commande souvent plusieurs étages d'aubes à la fois, en faisant tourner autant d'anneaux. Un exemple est donné dans le document EP 1489 267 Al, où on a d'ailleurs ajouté un moyen de compensation réglable, qui permet de commander des rotations différentes pour deux anneaux voisins. Le mécanisme actionneur commun aux anneaux est souvent un arbre de commande pivotant, dont l'angle de rotation est commandé par le déploiement d'un vérin actionneur. L'arbre de commande est muni de leviers tournants qui sont reliés aux anneaux respectifs par des bielles articulées appelées ridoirs.
Un examen attentif du fonctionnement de la turbomachine montre que celui-ci pourrait être amélioré dans certaines circonstances, par exemple aux états transitoires, ou dans certaines conditions particulières de service. En d'autres termes, les calages idéaux ne sont pas atteints. Cela est particulièrement manifeste quand une pluralité d'anneaux et d'étages d'aubes est commandée par un unique mécanisme actionneur. Les dispositifs tels que celui du document mentionné plus haut, qui permettent de dissocier les commandes imposées à différents anneaux par le même mécanisme, sont cependant difficiles à mettre en œuvre. L'objet de l'invention est donc d'offrir des possibilités de commande plus étendues et plus souples aux dispositifs d'éléments à calage variable tels que des aubes de stator à calage variable ou des vannes de décharge d'un compresseur. Le dispositif de l'invention a aussi l'avantage de ne pas augmenter la complexité des dispositifs habituels puisque la transmission du mouvement se fait de la même façon ; l'accroissement de masse qu'il implique est peu important; et il sera aussi facile de modifier son réglage pendant la durée de la machine, pour tenir compte notamment de sa dégradation, sans procéder à des remplacements coûteux de pièces.
Selon l'invention, un des ridoirs au moins (et éventuellement plusieurs des ridoirs, ou tous les ridoirs) est un organe de longueur variable, commandé par un dispositif de réglage de longueur. Il devient ainsi possible de choisir avec une grande liberté, et indépendamment les unes des autres, les calages des différents éléments malgré un mécanisme actionneur unique. L'organe peut être un vérin, et notamment un vérin électrique.
Un cas particulier susceptible d'être important apparaît quand la loi de commande impose des longueurs différentes à l'organe, pour des positions identiques du mécanisme actionneur, selon le sens de mouvement du mécanisme actionneur. Un autre correspond à une situation où la loi de commande impose des variations de longueur de l'organe seulement à certaines des positions du mécanisme actionneur, pour fournir donc une correction de calage locale.
Selon d'autres réalisations possibles, cumulables aux précédentes, le dispositif de réglage de longueur de chaque organe peut devenir actif pour certaines conditions particulières de la turbomachine, d'après, par exemple, la poussée qu'elle produit, ou son régime de rotation.
Un autre aspect de l'invention est une turbomachine équipée de ces dispositifs. L'invention sera maintenant décrite plus en détail au moyen des figures suivantes, qui en développent les aspects, caractéristiques et avantages divers d'après des modes de réalisation donnés à titre illustratif : - la figure 1 illustre un dispositif de réglage de calage de plusieurs étages d'aubes conforme à une application de l'invention ; - la figure 2 est une vue de côté du mécanisme actionneur, d'un des étages d'aubes et du ridoir associé ; - la figure 3 illustre le système de commande du ridoir ; - et les figures 4, 5, 6 et 7 illustrent des lois de commande possibles du ridoir.
On aborde le commentaire des figures 1 et 2.
Une turbomachine, qui est représentée seulement partiellement, à l'endroit où elle est modifiée par l'invention, comprend un carter 1 extérieur de stator pouvant être notamment un carter de compresseur et trois étages 2 d'aubes 3 à calage variable. Les étages 2 sont alignés le long de l'axe central de la turbomachine et situés à peu de distance les uns des autres. Ils comprennent des viroles intérieures 4 auxquelles les aubes 3 sont articulées par leurs extrémités intérieures radialement. Les extrémités radiales extérieures des aubes 3 sont des pivots saillant hors du carter 1, de section carrée par exemple, et engagés dans un perçage de même section d'un levier de commande 6. Les leviers de commande 6 sont articulés à des anneaux de commande 7 (un par étage 2), qui reposent sur des pistes de guidage 8 du carter 1 par des patins de guidage 9. Les anneaux de commande 7 comportent chacun un pontet 10 en forme d'arceau à sa périphérie extérieure, au centre duquel est articulée une extrémité d'un ridoir 11, dont l'autre extrémité est articulée à un mécanisme actionneur 12, et plus précisément à un levier 13 d'un arbre de commande 14 pivotant sur une chape 15 érigée sur le carter 1, et muni d'un levier 16 supplémentaire que fait basculer un vérin de commande 17 disposé entre ce levier 16 et le carter 1. Le déploiement ou la contraction du vérin de commande 17 fait pivoter l'arbre de commande 14 autour d'un axe parallèle à celui de la turbomachine, repousse les ridoirs 11 dans une direction tangente au carter 1 et impose une rotation aux anneaux de commande 7, tout en faisant basculer les leviers de commande 6, ce qui fait pivoter les aubes 3 autour de leur axe 5. D'autres mécanismes de commande existent, dont celui qui est décrit dans le document cité plus haut. L'invention peut être appliquée à tous les systèmes de commande de calage d'aubes utilisant des ridoirs. On va maintenant décrire plus spécialement les parties du dispositif qu'elle modifie.
Le ridoir 11 n'est plus une bielle inerte, conformément aux conceptions habituelles de l'invention, mais un vérin linéaire de longueur variable, qui peut donc imposer des rotations à un anneau de commande 7 qu'il commande, indépendamment de l'action du vérin de commande 17 commun. Chacun des vérins 11 est un vérin électrique commandé par un dispositif de réglage de longueur 18 (figure 3), qui peut recevoir notamment des informations d'un premier système de commande général 19 du calage, indiquant les mouvements imposés au vérin de commande 17 principal, d'un second système de commande général 20 sensible à d'autres paramètres de la turbomachine, comme la poussée qu'elle engendre ou son régime de rotation, et d'un capteur 21 associé au ridoir 11 lui-même et mesurant le mouvement qui lui est imposé ; il peut être un LVDT (Transformateur différentiel variable linéaire), dont la précision est de 10'^ mm. Un tel capteur, qui est aussi utilisé pour le vérin de commande 17, permet de vérifier la conformité entre les mouvements imposés au ridoir 11 et ceux qui sont effectivement appliqués. L'utilisation de vérins électriques pour les ridoirs 11, au lieu de vérins hydrauliques comme l'est le vérin de commande 17, permet un montage plus simple en évitant l'emploi de canalisations de fluide susceptibles de fuir, et une faible augmentation de masse. Les dispositifs de commande principaux 19 et 20 sont plus précisément chargés de renseigner le dispositif de réglage de longueur 18 pour qu'il mette en œuvre des lois de déplacement du ridoir 11 qui lui ont été programmées, ou éventuellement qu'il les modifie dans certaines circonstances.
Une loi de commande possible est représentée aux figures 4 et 5, dont la première est un diagramme indiquant la longueur du ridoir 11 en fonction de la course du vérin de commande 17. On trouve que cette loi consiste en un raccourcissement constant du ridoir 11, représenté par le segment Ll, pour toute la course d'un mouvement d'ouverture ou de déploiement du vérin de commande 17, et un allongement constant, exprimé par le segment L2, pour un mouvement de fermeture du vérin de commande 17, par rapport à une longueur nominale, exprimée par le segment L3, du ridoir 11. D'une façon plus générale, lequel le ridoir 11 pourrait être commandé à des longueurs différentes selon le sens de rotation de l'anneau 7 autour du stator 1. L'angle de calage des aubes 3 par rapport à la position du vérin de commande 17 pourrait alors être exprimé à la figure 5 par les courbes Cl, C2 et C3 obtenues respectivement pour l'ouverture du vérin de commande 17, sa fermeture, et en supposant le maintien de la valeur nominale de longueur pour le ridoir 11. On voit que ces trois courbes Cl, C2 et C3 sont à peu près parallèles les unes aux autres, mais avec une différence de calage à peu près constante pour chaque longueur du vérin de commande 17, selon que celui-ci est déployé ou rétracté.
Une autre loi de commande possible est exprimée au moyen des figures 6 et 7 si la longueur du ridoir 11 est raccourcie au-dessous de la valeur nominale, exprimée encore par le segment L3 pour une partie de la course du vérin de commande 17, ce qui est illustré par la courbe L4 : une déviation de l'angle de calage nominale est enregistrée aux positions correspondantes, d'après la courbe C4.
Ces deux exemples simples montrent qu'il est facile d'imposer des lois de calage très variées en fonction du déploiement du vérin de commande 17, ces lois pouvant être notamment différentes pour chacun des anneaux de commande 7 des étages 2, ce qui est un avantage fondamental de l'invention. De même, les lois peuvent être amendées pour être remplacées par d'autres quand les circonstances l'exigent, par exemple selon les indications du second système de commande principal 20, si par exemple la turbomachine est en phase d'accélération intense, avec une poussée très forte, pour éviter à ce moment les calages qui imposeraient un effort excessif sur les aubes 2. Les considérations ci-dessus restent valables quand l'invention est appliquée au calage de vannes de décharge ; la loi de commande peut alors être conçue pour permettre notamment des ouvertures ou des fermetures sélectives d'une partie des vannes, ou des décalages temporels de l'ouverture ou de la fermeture.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif de commande d'éléments (2, 3) à calage variable dans une turbomachine, comprenant un mécanisme actionneur (12) commun et des transmissions mécaniques (11, 7, 6) reliant le mécanisme actionneur aux éléments à calage variable, les transmissions mécaniques comprenant chacune un ridoir, caractérisé en ce qu'un des ridoirs (11) au moins est un organe de longueur variable, commandé par un dispositif de réglage de longueur (18).
  2. 2. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments à calage variable sont des vannes de décharge d'un compresseur de la turbomachine.
  3. 3. Dispositif de commande selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments à calage variable sont des étages (2) d'aubes (3) de stator.
  4. 4. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'organe de longueur variable est un vérin électrique.
  5. 5. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif de réglage de longueur (18) contient une loi de commande de la longueur dudit organe d'après des positions du mécanisme actionneur (12) de l'anneau (7).
  6. 6. Dispositif de commande selon la revendication 5, caractérisé en ce que la loi de commande impose des longueurs différentes (Ll, L2) dudit organe, pour des positions identiques du mécanisme actionneur (12), selon un sens de mouvement du mécanisme actionneur.
  7. 7. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la loi de commande (L4) impose des variations de longueur dudit organe seulement à certaines des positions du mécanisme actionneur (12).
  8. 8. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le dispositif de réglage de longueur (18) est associé à un système de commande (20) qui impose des variations de longueur dudit organe d'après des paramètres de fonctionnement de la turbomachine.
  9. 9. Dispositif de commande selon la revendication 8, caractérisé en ce que les paramètres de fonctionnement comprennent soit une poussée, soit un régime de rotation de la turbomachine.
  10. 10. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant une pluralité desdits organes de longueur variable, caractérisé en ce que le dispositif de réglage de longueur (18) impose des longueurs différentes aux vérins.
  11. 11. Turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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