WO2017203158A1 - Dispositif de commande d'elements a calage variable dans une turbomachine - Google Patents

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Definitions

  • the subject of the present invention is a device for controlling variable-setting elements in a turbomachine.
  • VBV compressor discharge valves
  • VSV stator vane stages
  • Another aspect of the invention is a turbomachine equipped with this device.
  • the stator blades of turbomachines have the essential role of straightening the flow of gases between two stages of moving blades of the rotor. These blades, often called fixed, may nevertheless have a variable setting, that is to say they can rotate around their support axis to change their orientation and the recovery they impose on the flow according to the conditions encountered.
  • the usual setting adjustment devices comprise an actuator mechanism capable of rotating around the axis of the turbomachine a ring surrounding the stator and connected to pivoting axes of the vanes protruding out of the stator by articulated rods which thus transform the rotation of the ring around the axis of the machine in rotation of the stator vanes around their radial axis.
  • a single actuator mechanism often controls several blade stages at a time, rotating as many rings.
  • EP 1 489 267 A1 An example is given in EP 1 489 267 A1, in which an adjustable compensation means has been added, which makes it possible to control different rotations for two neighboring rings.
  • the actuator mechanism common to the rings is often a pivoting control shaft, whose rotation angle is controlled by the deployment of an actuator cylinder.
  • the control shaft is provided with rotating levers which are connected to the respective rings by articulated rods called turnbuckles.
  • the object of the invention is therefore to provide greater and more flexible control possibilities for variable-setting element devices such as variable-pitch stator vanes or discharge valves of a compressor.
  • the device of the invention also has the advantage of not increasing the complexity of the usual devices since the transmission of the movement is done in the same way; the increase of mass which it implies is not important; and it will be as easy to change its setting during the life of the machine, to take into account in particular its degradation, without making expensive parts replacement.
  • At least one of the turnbuckles (and possibly several turnbuckles, or all turnbuckles) is a variable length member, controlled by a length adjustment device. It thus becomes possible to choose with great freedom, and independently of each other, the wedges of the various elements despite a single actuator mechanism.
  • the member may be a jack, and in particular an electric jack.
  • a particular case likely to be important occurs when the control law imposes different lengths to the body, for identical positions of the actuator mechanism, according to the direction of movement of the actuator mechanism. Another corresponds to a situation where the control law imposes variations in length of the member only at some of the positions of the actuator mechanism, to thus provide a local stall correction.
  • the device for adjusting the length of each member can become active for certain particular conditions of the turbomachine, according to, for example, the thrust it produces, or its rotational speed .
  • Another aspect of the invention is a turbomachine equipped with these devices.
  • FIG. 1 illustrates a setting device for setting several stages of blades according to an application of the invention
  • FIG. 2 is a side view of the actuator mechanism, one of the blade stages and the associated turnbuckle;
  • a turbomachine which is only partially shown at the place where it is modified by the invention, comprises an outer casing 1 stator which can be in particular a compressor housing and three stages 2 of blades 3 variable pitch.
  • the stages 2 are aligned along the central axis of the turbomachine and located at a short distance from each other. They comprise inner rings 4 to which the blades 3 are articulated by their radially inner ends.
  • the outer radial ends of the blades 3 are pivots projecting out of the casing 1, of square section for example, and engaged in a bore of the same section of a control lever 6.
  • the control levers 6 are articulated to control rings 7 (one per stage 2), which rest on guide tracks 8 of the housing 1 by guide pads 9.
  • the control rings 7 each comprise a bridge 10 in form of hoop at its outer periphery, at the center of which is articulated an end of a turnbuckle 11, the other end is articulated to an actuator mechanism 12, and more precisely to a lever 13 of a control shaft 14 pivoting on a yoke 15 erected on the casing 1, and provided with an additional lever 16 which tilts a control cylinder 17 disposed between the lever 16 and the housing 1.
  • the deployment or contraction of the control cylinder 17 rotates the shaft 14 about an axis parallel to that of the turbomachine, pushes the turnbuckles 11 in a direction tangent to the housing 1 and imposes a rotation to the control rings 7, while flipping the control levers 6, which rotates the blades 3 about their axis 5.
  • Other control mechanisms exist, including that described in the document cited above.
  • the invention can be applied to all blade control systems using turnbuckles. We will now describe more specifically the parts of the device that it modifies.
  • the turnbuckle 11 is no longer an inert rod, according to the usual designs of the invention, but a linear cylinder of variable length, which can therefore impose rotations to a control ring 7 that it controls, regardless of the action of the control cylinder 17 common.
  • Each of the cylinders 11 is an electric jack controlled by a length adjustment device 18 (FIG. 3), which can notably receive information from a first general control system 19 of the wedging, indicating the movements imposed on the main control jack 17.
  • a second general control system 20 sensitive to other parameters of the turbomachine, such as the thrust it generates or its rotational speed, and a sensor 21 associated with the turnbuckle 11 itself and measuring the movement imposed upon him; it may be an LVDT (linear variable differential transformer), the accuracy is io 2 mm.
  • a sensor which is also used for the control jack 17, makes it possible to check the conformity between the movements imposed on the turnbuckle 11 and those that are actually applied.
  • the use of electric cylinders for the turnbuckles 11, instead of hydraulic cylinders as is the control cylinder 17, allows a simpler mounting by avoiding the use of fluid lines likely to leak, and a small increase in mass .
  • the main control devices 19 and 20 are more specifically responsible for informing the length adjustment device 18 to implement laws of movement of the turnbuckle 11 which have been programmed, or possibly that he modifies in certain circumstances.
  • FIGS. 4 and 5 A possible control law is shown in FIGS. 4 and 5, the first of which is a diagram indicating the length of the turnbuckle 11 as a function of the stroke of the control jack 17. It is found that this law consists in a constant shortening of the turnbuckle 11, represented by the segment L1, for the entire stroke of an opening or unfolding movement of the control jack 17, and a constant elongation, expressed by the segment L2, for a closing movement of the control cylinder 17, relative to to a nominal length, expressed by the segment L3, the turnbuckle 11. More generally, which the turnbuckle 11 could be controlled at different lengths in the direction of rotation of the ring 7 around the stator 1.

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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 1 489 267 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 ÎO 2 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

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes.
PCT/FR2017/051271 2016-05-25 2017-05-23 Dispositif de commande d'elements a calage variable dans une turbomachine Ceased WO2017203158A1 (fr)

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