EP0192556A1 - Turbine cylinder with a device to adjust the tip clearance between the turbine blades and the cylinder - Google Patents
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- EP0192556A1 EP0192556A1 EP86400286A EP86400286A EP0192556A1 EP 0192556 A1 EP0192556 A1 EP 0192556A1 EP 86400286 A EP86400286 A EP 86400286A EP 86400286 A EP86400286 A EP 86400286A EP 0192556 A1 EP0192556 A1 EP 0192556A1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
- F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
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- F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
- F01D11/16—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means
- F01D11/18—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means using stator or rotor components with predetermined thermal response, e.g. selective insulation, thermal inertia, differential expansion
Definitions
- the invention relates to a turbomachine casing associated with a device making it possible to adjust the clearance between said casing and the movable blades of a rotor in operation, automatically.
- a turbomachine casing associated with a device for adjusting the clearance between movable blades and casing according to the invention is characterized in that said casing is internally lined with a rigid annular wall connected to the casing by connecting means which allow said wall completely free to move in the radial direction according to the expansions / contractions in operation and in that said wall consists of a succession of integral segments, each segment being alternately of a type with low thermal inertia and of a type with high thermal inertia so that the radial displacements of the said wall adapt in all operating conditions of the turbomachine to the radial displacements of the moving blade heads.
- the inner wall segments with low thermal inertia are thin, their internal surface is directly in contact with the gases of the vein. circulating through the stage of movable blades considered, their external and lateral surfaces are coated with a thermally insulating material and the adjacent segments of inner wall with high thermal inertia are very thick and coated on all their surfaces with material thermally insulating.
- the temperature T of the hot engine gases which pass through a grid of blades such as 1 creates a flow of heat which, passing through the blades, spreads as far as the disc which carries them and causes a radial expansion of the assembly, therefore a displacement of the blade heads 1.
- the radius of gyration R of the blade heads follows a law which can be represented by the relation: binding R to R o , gyratory radius of the blade heads at T o , ambient temperature on the ground, K 1 being the coefficient of radial thermal expansion of the rotor.
- each grid of movable blades such as 1 can however be characterized fairly precisely by means of four parameters.
- the speed of rotation N of the rotor creates a centrifugal force which acts on the whole of the rotor and causes another radial displacement of the blade heads 1.
- T of the hot engine gases at a given point in the stream is a function of the speed of rotation N of the rotor: where K 3 is the coefficient of proportionality between T and N 2.
- the radius of gyration R of the movable blades 1 is linked to the temperature of the hot..engine gases, at a given point in the vein, by a relationship of simultaneity:
- the evolution of the temperature T of the engine gases is influenced by the fact that the evolution of the speed N is due to a temporary excess or deficit of the flow rate of burned fuel in the combustion chamber in relation to the flow required in stabilized operation.
- ⁇ T c is the temperature difference due to the excess or deficit of fuel burned
- T N is the temperature that the turbine gases would have if the speed N were stabilized.
- the temperature difference ⁇ T c intervenes directly in the evolution of the radius of gyration R due to the temperature T as before.
- its duration is at most equal to that of the speed transient N, ie 5 to 10 seconds maximum for a simple evolution. His influence is therefore noticeable only on the expansion of the movable blades 1, that is to say, in the case of a "unit step" of temperature as above, in connection only with the gain K'l and the time constant
- FIG. 1 represents, in transverse section with respect to the axis of rotation of the turbomachine, a simplified view of an embodiment of the invention.
- a turbomachine Facing the movable blade heads 1, there is a fixed part of a turbomachine constituted by a stator casing 2 which in the example shown is in two parts 2a, 2b, each having a generally semi-cylindrical shape.
- Each part, respectively 2a and 2b, carries at its ends flanges, respectively 3a and 4a, 3b and 4b which are assembled by any known means, such as bolting.
- the casing 2 is internally lined with a rigid wall 5, which in the example shown is also in two parts 5a and 5b.
- This inner wall 5 consists of a succession of integral segments 6 which are of two different types 6a and 6b, more clearly shown in Figure 2, and arranged alternately.
- a segment such as 6a is thin, its internal surface 6i is directly in contact with the gases of the vein circulating in the stage of movable blades 1 and its external and lateral surfaces are coated with a layer 7a of a material thermally insulating.
- These segments 6a of the inner wall 5 therefore very quickly take the temperature of the gases of the vein.
- An adjacent segment such as 6b is very thick and all of its surfaces are coated with a layer 7b of a thermally insulating material.
- segments 6b of the inner wall 5 thus have a high thermal inertia and their thermal connection with the outside takes place almost only through their junctions with the adjacent segments 6a. They therefore take the temperature of the vein gases very slowly.
- the insulating layers 7a and 7b are flexible enough to follow all the thermal expansions / contractions of the interior wall 5.
- the segments 6a and pb are in sufficient number so that the initially circular shape of the annular wall is sufficiently well preserved during the expansions / thermal contractions occurring during the operation of the turbomachine.
- the internal surface of the inner wall 5, both for the segments 6a and for the adjacent segments 6b, can be covered with a layer 8 of abradable material constituting a wear and seal lining susceptible during operation of come into contact with the ends of movable blades 1 without causing damage.
- This material is determined so as not to create a thermal barrier between the internal surface 6i of the segments 6a of the internal wall 5 and the gases of the vein and not to slow down the thermal expansions / contractions of the internal wall 5.
- Each part, respectively 5a and 5b, of the inner wall 5 is fixed inside the corresponding part of the casing 2, respectively 2a and 2b, by means of connecting rods 9.
- a yoke 10 is fixed, for example by screwing, on at least some of the segments 6b of the inner wall 5, at a 7th end of these segments in a radially external zone.
- a yoke 11 is also fixed, for example by screwing, on the internal surface of the casing 2, in a position circumferentially offset with respect to the associated yoke 10.
- Each link 9 is provided at its ends with yokes, respectively 9a and 9b which cooperate by means of axes of rotation 10a and lla with said yokes 10 and 11.
- links 9 are thus placed in a direction substantially tangential to the inner wall 5 and thus leave the wall 5 free to move radially under the influence of thermal expansion / contraction.
- an access hole 5c can be made in the interior wall 5, preferably at the level of a thin segment 6a.
- each end of the inner wall part, respectively 5a and 5b comprises a half-segment respectively 6c or 6d of the very thick type. As shown in more detail in FIGS. 3, 3a and 3b, these half-segments 6c and 6d are joined by their respective end faces by means, for example, of a bolt 12.
- each of these faces comprises by example a tenon 13 and a mortise 14 arranged in two perpendicular directions and cooperating respectively with a mortise 14a and a tenon 13a of the face of the associated half-segment to very precisely join the two parts 5a and 5b of the inner wall 5.
- a passage access 15 is provided through the casing 2 to allow the establishment of the bolting 12.
- the internal wall 5 is placed in a housing constituted by an annular recess 16 formed on the internal face of the casing 2. Under the action of the pressure P of the gases, the internal wall 5 thus comes to be pressed laterally on the surface 16a of the recess 16 where the pressure P is the lowest.
- the corresponding lateral surface of the wall 5 is coated with a layer 7b of thermally insulating material, as previously described, which in this zone prevents gas leaks, reduces contact friction and reduces heat exchange between the interior wall 5 and the casing 2.
- a layer 7b of thermally insulating material as previously described, which in this zone prevents gas leaks, reduces contact friction and reduces heat exchange between the interior wall 5 and the casing 2.
- the internal wall 5 is pressed against a surface 16a of the recess 16 located downstream with respect to the direction of gas flow in the stream of the turbomachine.
- the inner wall 5 would be pressed against an upstream surface.
- the inner wall 5 like the casing 2 have a generally cylindrical shape which corresponds to the outer shape of the gas stream of the turbomachine in the area considered. But of course, the invention applies in the same way in the case where this shape of vein is conical and in this case the inner wall 5 also has a generally conical shape adapted to the vein.
- the solution proposed by the invention consists in producing a "thermal model" of the rotor on the stator.
- an interior wall 5 is produced which, in regimes transient as well as in stabilized regimes, very precisely follows the radial movements of the blades of the rotor, and this by the only thermal effect on this inner wall 5 of the hot gases which lick it. Because this interior wall 5 is a complete circumference, any peripheral expansion results in a radial expansion of the interior wall 5. This is the principle used.
- FIG. 5 Certain possible adaptations are shown in FIG. 5 for a segment 106b equivalent to a segment 6b.
- segments 206b with high thermal inertia radially spaced apart towards the outside.
- the adjacent segments 206a with low thermal inertia each extend respectively by a portion 25.
- These portions 25 remain without influence on the changes in diameter of the interior wall 5 because they are separated by a slot 26 which can have different shapes , as shown in FIGS. 6a, right, 6b, oblique, or 6c, with a balonette.
- the ends of the parts 25 are covered by a part 27 which covers the slot 26.
- each element 105 of internal wall 5 is terminated by two half-segments 306c and 306d of the type with high thermal inertia to facilitate the attachment of the elements to each other.
- the rigidity of the interior wall 5 may be insufficient despite its pressing on a lateral surface 16a of the recess 16 of the casing 2 (see FIG. 4).
- FIG. 8a are placed on the upstream and downstream side edges of the segments 406a of the inner wall 5, two ribs 19 thin enough to maintain the thermal performance of the two types of segments.
- the requested lateral seal can then be produced on one of these ribs, bearing on the lateral surface 16a of the recess 16 of the casing 2 (see FIG. 4).
- FIG. 8b it is possible, as an alternative, to provide on each lateral edge of a thin segment 506a stiffening elements 20 and 21 attached and fixed to the external wall of the segments 506a.
Landscapes
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Abstract
Le carter (2) de turbomachine est doublé intérieurement d'une paroi annulaire rigide (5) constituée d'une succession de segments solidaires alternativement d'un type (6a) à faible inertie thermique et d'un type (6b) à inertie thermique élevée. Au contact des gaz de la veine de circulation dans l'étage de rotor associé, les déplacements radiaux de ladite paroi (5) reproduisent automatiquement les déplacements radiaux des têtes d'aubes mobiles (1) dudit rotor. Ladite paroi (5) est reliée au carter (2) par des biellettes (9) placées selon une direction tangentielle et laissant toute liberté de déplacement radial à la paroi (5).The casing (2) of a turbomachine is internally lined with a rigid annular wall (5) consisting of a succession of integral segments alternately of a type (6a) with low thermal inertia and of a type (6b) with thermal inertia high. In contact with the gases from the flow path in the associated rotor stage, the radial movements of said wall (5) automatically reproduce the radial movements of the moving blade heads (1) of said rotor. Said wall (5) is connected to the casing (2) by connecting rods (9) placed in a tangential direction and leaving any freedom of radial movement to the wall (5).
Description
L'invention concerne un carter de turbomachine associé à un dispositif permettant d'ajuster en fonctionnement le jeu entre ledit carter et les aubes mobiles d'un rotor, de façon automatique.The invention relates to a turbomachine casing associated with a device making it possible to adjust the clearance between said casing and the movable blades of a rotor in operation, automatically.
Dans une turbomachine, il est nécessaire de maintenir à tout moment un jeu suffisant entre les aubes du rotor qui sont mobiles et la paroi interne du carter moteur qui est fixe.In a turbomachine, it is necessary to maintain sufficient clearance at all times between the blades of the rotor which are movable and the internal wall of the crankcase which is fixed.
Or les aubes mobiles et le carter moteur se déplacent radialement sous l'effet de la température, et aussi sous l'effet de la force centrifuge pour les aubes mobiles, des pressions interne et externe pour le carter moteur, ce qui provoque des variations importantes du jeu.Now the movable blades and the crankcase move radially under the effect of temperature, and also under the effect of centrifugal force for the movable blades, internal and external pressures for the crankcase, which causes significant variations. Game.
Pour éviter que ce jeu s'annule à un moment quelconque du fonctionnement, on est contraint de le prendre assez grand, initialement. Mais les performances du moteur sont sensiblement affectées par la présence de ce jeu important et un des objectifs majeurs des motoristes, à ces jours, est de "piloter" ce jeu pour le réduire, tant en régime transitoire qu'en régime stabilisé, tout en garantissant sa présence à tout instant.To avoid this game being canceled at any time during operation, we are forced to take it large enough, initially. But engine performance is appreciably affected by the presence of this important play and one of the major objectives of engine manufacturers, at these days, is to "drive" this play to reduce it, both in transient and stabilized conditions, while guaranteeing its presence at all times.
Plusieurs solutions antérieures ont été proposées pour tenter de résoudre ce problème. La plupart utilisent des flux d'air plus ou moins chauds, plus ou moins pressurisés, prélevés en des points particuliers du moteur pour répondre aux besoins et utilisent aussi des régulations plus ou moins sophistiquées, comprenant généralement un moyen pour mesurer ou calculer le jeu et un moyen pour déplacer des éléments de paroi à l'intérieur du carter moteur et agir ainsi sur le jeu. La demande de brevet FR-A-2 540 560 déposée par la demanderesse le 3 février 1983 ainsi que les documents FR-A-2 485 633, FR-A-2 450 344, GB 2 047 354, GB 2 063 374 illustrent, en décrivant des solutions de ce type, les résultats de ces recherches. Ces solutions antérieures se sont révélées encombrantes et lourdes, complexes et donc peu fiables, et surtout, par le prélèvement d'air dont elles ont besoin, elles font perdre aux performances du moteur une partie au moins de ce qu'elles leur apportent.Several prior solutions have been proposed in an attempt to resolve this problem. Most use more or less hot air flows, more or less pressurized, taken from particular points of the engine to meet the needs and also use more or less sophisticated regulations, generally comprising a means to measure or calculate the clearance and a means for move the wall elements inside the crankcase and thus act on the clearance. The patent application FR-A-2 540 560 filed by the applicant on February 3, 1983 as well as the documents FR-A-2 485 633, FR-A-2 450 344,
L'invention évite ces divers inconvénients et en particulier permet d'obtenir une paroi de stator dont les évolutions radiales suivent exactement les évolutions radiales des têtes d'aubes mobiles sans nécessiter de prélèvement d'air préjudiciable aux performances de la turbomachine. Ainsi, un carter de turbomachine associé à un dispositif pour ajuster le jeu entre aubes mobiles et carter selon l'invention est caractérisé en ce que ledit carter est doublé intérieurement d'une paroi annulaire rigide reliée au carter par des moyens de liaison qui laissent à ladite paroi toute liberté de déplacement dans le sens radial suivant les dilatations/contractions en fonctionnement et en ce que ladite paroi est constituée d'une succession de segments solidaires, chaque segment étant alternativement d'un type à faible inertie thermique et d'un type à inertie thermique élevée de telle sorte que les déplacements radiaux de ladite paroi s'adaptent dans toutes les conditions de fonctionnement de la turbomachine aux déplacements radiaux des têtes d'aubes mobiles.The invention avoids these various drawbacks and in particular makes it possible to obtain a stator wall whose radial evolutions follow exactly the radial evolutions of the movable blades heads without requiring air sampling detrimental to the performance of the turbomachine. Thus, a turbomachine casing associated with a device for adjusting the clearance between movable blades and casing according to the invention is characterized in that said casing is internally lined with a rigid annular wall connected to the casing by connecting means which allow said wall completely free to move in the radial direction according to the expansions / contractions in operation and in that said wall consists of a succession of integral segments, each segment being alternately of a type with low thermal inertia and of a type with high thermal inertia so that the radial displacements of the said wall adapt in all operating conditions of the turbomachine to the radial displacements of the moving blade heads.
Avantageusement, les segments de paroi intérieure à faible inertie thermique sont de faible épaisseur, leur surface interne est directement au contact des gaz de la veine circulant à travers l'étage d'aubes mobiles considéré, leurs surfaces externe et latérales sont revêtues d'un matériau thermiquement isolant et les segments adjacents de paroi intérieure à inertie thermique élevée sont de forte épaisseur et revêtus sur toutes leurs surfaces d'un matériau thermiquement isolant.Advantageously, the inner wall segments with low thermal inertia are thin, their internal surface is directly in contact with the gases of the vein. circulating through the stage of movable blades considered, their external and lateral surfaces are coated with a thermally insulating material and the adjacent segments of inner wall with high thermal inertia are very thick and coated on all their surfaces with material thermally insulating.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- - la figure 1 représente, en coupe transversale par rapport à l'axe de rotation de la turbomachine, une vue simplifiée d'un carter de turbomachine associé à un dispositif pour ajuster le jeu entre aubes mobiles et carter, selon un mode de réalisation de l'invention ;
- - la figure 2 montre un détail agrandi d'une partie de la figure 1 selon II
- - la figure 3 montre un détail agrandi d'une partie de la figure 1 selon III ;
- - les figures 3a et 3b montrent un détail des faces de contact respectivement des deux demi-segments représentés à la figure 3 ;
- - la figure 4 représente, en coupe longitudinale passant par l'axe de rotation de la turbomachine selon IV-IV, une vue partielle du carter et du dispositif associé représentés à la figure 1 ;
- - les figures 5 et 6 représentent dans une vue analogue à la figure 2 deux variantes du détail de la figure 1
- - les figures 6a, 6b, 6c représentent dans une vue selon F trois variantes d'un détail de la figure 6
- - la figure 7 représente dans une vue analogue à la figure 2 une autre variante du détail de la figure 1
- - les figures 8a et 8b représentent dans une vue analogue à la figure 4 deux variantes du détail agrandi de la figure 1 en coupe selon VIII-VIII
- FIG. 1 represents, in transverse section with respect to the axis of rotation of the turbomachine, a simplified view of a turbomachine casing associated with a device for adjusting the clearance between movable blades and casing, according to one embodiment of the invention;
- - Figure 2 shows an enlarged detail of part of Figure 1 along II
- - Figure 3 shows an enlarged detail of part of Figure 1 along III;
- - Figures 3a and 3b show a detail of the contact faces respectively of the two half-segments shown in Figure 3;
- - Figure 4 shows, in longitudinal section passing through the axis of rotation of the turbomachine according to IV-IV, a partial view of the housing and the associated device shown in Figure 1;
- - Figures 5 and 6 show in a view similar to Figure 2 two variants of the detail of Figure 1
- - Figures 6a, 6b, 6c show in a view along F three variants of a detail of Figure 6
- - Figure 7 shows in a view similar to Figure 2 another variant of the detail of Figure 1
- - Figures 8a and 8b show in a view similar to Figure 4 two variants of the enlarged detail of Figure 1 in section along VIII-VIII
En schématisant largement les phénomènes pour en faciliter la compréhension, on peut dire que le rayon de giration R de la tête d'une aube mobile 1 schématiquement représentée à la figure 1 évolue en fonction de deux paramètres que nous considérons comme indépendants l'un de l'autre, à savoir :
- - la température T des gaz moteur au niveau de cette aube,
- - la vitesse de rotation N du rotor.
- - the temperature T of the engine gases at this blade,
- - the rotational speed N of the rotor.
La température T des gaz moteur chauds qui traversent une grille d'aubes telles que 1 crée un flux de chaleur qui, en passant par les aubes, se répand jusque dans le disque qui les porte et provoque une dilatation radiale de l'ensemble, donc un déplacement des têtes d'aubes 1. En température stabilisée, et la vitesse N du rotor étant supposée nulle, le rayon de giration R des têtes d'aubes suit une loi qui peut être représentée par la relation :
En transitoire de température, c'est-à-dire sur une évolution de la température T des gaz moteur chauds, le déplacement des têtes d'aubes 1 suit une loi complexe du fait que les aubes, qui baignent dans les gaz moteur et sont peu épaisses, s'échauffent ou se refroidissent rapidement tandis que les disques, qui sont éloignés des gaz moteur et très épais, s'échauffent ou se refroidissent plus lentement.In temperature transient, that is to say on a change in the temperature T of the hot engine gases, the displacement of the blade heads 1 follows a complex law due to the fact that the blades, which are immersed in the engine gases and are not very thick, heat up or cool down quickly while the discs, which are far from the engine gases and very thick, heat up or cool down more slowly.
Le mode de déplacement de chaque grille d'aubes mobiles telles que 1 peut cependant être caractérisé de façon assez précise au moyen de quatre paramètres.The mode of movement of each grid of movable blades such as 1 can however be characterized fairly precisely by means of four parameters.
En effet, en se référant au cas d'un "échelon unitaire" de température, c'est-à-dire au cas d'une évolution brutale de la température T des gaz moteur d'une température T stabilisée à une nouvelle température T2 stabilisée, à vitesse N du rotor supposée nulle, l'évolution correspondante, de R1 à R2, du rayon de giration R d'une tête d'aube 1 soumise à cette évolution de température s'effectue de la façon suivante : elle est d'abord plutôt rapide, de l'ordre de 50% du déplacement total effectués en 5 à 10 secondes, puis très lente sur les 50% restants du déplacement total effectués en 10 à 20 minutes. Un tel comportement suit une loi qui peut être représentée par la relation en fonction du temps t :
- - K'l est le coefficient de dilatation radiale thermique des aubes mobiles
- - K"1 est le coefficient de dilatation radiale thermique du disque
- - e est la constante de Néper
- - θ' est la constante de temps de dilatation radiale thermique des aubes mobiles
- - θ" est la constante de temps de dilatation radiale thermique du disque
et où
- - K'1 + K"1 = K1
- - K'1 + K"1 = K1
- - K'1 et K"1 sont voisins de 0,50
- - θ' est de l'ordre de 5 secondes
- - θ" est de l'ordre de 10 minutes.
- - K ' l is the coefficient of thermal radial expansion of the movable blades
- - K " 1 is the coefficient of thermal radial expansion of the disc
- - e is the constant of Neper
- - θ 'is the time constant of thermal radial expansion of the moving blades
- - θ "is the time constant for thermal radial expansion of the disc
and or
- - K ' 1 + K " 1 = K 1
- - K ' 1 + K " 1 = K 1
- - K ' 1 and K " 1 are close to 0.50
- - θ 'is around 5 seconds
- - θ "is around 10 minutes.
Ces quatres paramètres, que l'on sait calculer, suffisent à déterminer la réponse de ce système à toute évolution de la température T des gaz moteur.These four parameters, which we know how to calculate, suffice to determine the response of this system to any change in the temperature T of the engine gases.
Par ailleurs, la vitesse de rotation N du rotor crée une force centrifuge qui agit sur l'ensemble du rotor et provoque un autre déplacement radial des têtes d'aubes 1.Furthermore, the speed of rotation N of the rotor creates a centrifugal force which acts on the whole of the rotor and causes another radial displacement of the blade heads 1.
En vitesse stabilisée et la température T des gaz moteur étant supposée égale à la température ambiante To, le rayon de giration R des têtes d'aubes 1 suit une loi qui peut être représentée par la relation :
R = Ro + K2.N2
K2 étant le coefficient de dilatation radiale centrifuge du rotor.At stabilized speed and the temperature T of the engine gases being assumed to be equal to the ambient temperature To, the radius of gyration R of the blade heads 1 follows a law which can be represented by the relation:
R = Ro + K2.N2
K 2 being the coefficient of centrifugal radial expansion of the rotor.
En transitoire de vitesse, c'est-à-dire sur une évolution de la vitesse N du rotor et la température T des gaz moteur étant toujours supposée égale à To, la relation ci-dessus reste vraie. En effet, la force centrifuge n'a pas de retard sur la vitesse de rotation N du rotor et le temps t n'intervient qu'au travers de l'évolution de la vitesse N.In speed transient, that is to say on a change in the speed N of the rotor and the temperature T of the engine gases being always assumed to be equal to To, the above relationship remains true. Indeed, the centrifugal force has no delay on the rotational speed N of the rotor and the time t only intervenes through the evolution of speed N.
Dans les conditions normales de fonctionnement de la turbomachine, la vitesse N et la température T évoluent toutes deux et leurs effets sur le rayon de giration R des têtes d'aubes 1 s'additionnent.Under the normal operating conditions of the turbomachine, the speed N and the temperature T both change and their effects on the radius of gyration R of the blade heads 1 add up.
En régime stabilisé (N et T constants), en particulier, on a donc une évolution représentée par la relation :
Mais la température T des gaz moteur chauds en un point donné de la veine est une fonction de la vitesse de rotation N du rotor :
Cette relation peut s'écrire sous la forme inversée :
Il en résulte que le rayon de giration R des aubes mobiles 1 est lié à la température des gaz moteur..chauds, en un point donné de la veine, par une relation de simultanéité :
En régime transitoire (N et T non stabilisés), il faut distinguer selon la partie de turbomachine considérée, compresseur ou turbine, la présente invention pouvant s'appliquer dans l'un et l'autre cas. Pour un compresseur, situé en amont de la chambre de combustion, l'évolution de la température T des gaz moteur chauds suit quasi- instantanément celle de la vitesse N du rotor, de telle sorte que la relation ci-dessus T = To + K3.N2 est encore applicable et que l'on peut encore écrire l'effet de la force centrifuge de cette façon :
Pour une turbine, située en aval de la chambre de combustion, l'évolution de la température T des gaz moteur est influencée par le fait que l'évolution de la vitesse N est due à un excès ou un déficit momentané du débit de carburant brûlé dans la chambre de combustion par rapport au débit nécessaire en fonctionnement stabilisé. On obtient donc la nouvelle relation :
L'effet de la force centrifuge s'écrit donc :
Au contraire, l'écart de température Δ Tc intervient directement dans l'évolution du rayon de giration R due à la température T comme précédemment. Mais sa durée est au plus égale à celle du transitoire de vitesse N soit de 5 à 10 secondes au maximum pour une évolution simple. Son influence n'est donc sensible que sur la dilatation des aubes mobiles 1, c'est-à-dire, dans le cas d'un "échelon unitaire" de température comme ci-dessus, en liaison seulement avec le gain K'l et la constante de tempsOn the contrary, the temperature difference Δ T c intervenes directly in the evolution of the radius of gyration R due to the temperature T as before. However, its duration is at most equal to that of the speed transient N,
Après avoir décrit les évolutions radiales des têtes d'aubes mobiles 1, on se reportera à nouveau à la figure 1 qui représente, en coupe transversale par rapport à l'axe de rotation de la turbomachine une vue simplifiée d'un mode de réalisation de l'invention. Face aux têtes d'aubes mobiles 1, se trouve une partie fixe de turbomachine constituée par un carter 2 de stator qui dans l'exemple représenté est en deux parties 2a, 2b, chacune ayant une forme générale demi-cylindrique. Chaque partie, respectivement 2a et 2b, porte à ses extrémités des brides, respectivement 3a et 4a, 3b et 4b qui sont assemblées par tout moyen connu, tel que boulonnage. Le carter 2 est doublé intérieurement d'une paroi rigide 5, qui dans l'exemple représenté est également en deux parties 5a et 5b. Cette paroi intérieure 5 est constituée d'une succession de segments 6 solidaires qui sont de deux types différents 6a et 6b, plus clairement représentés à la figure 2, et disposés alternativement. Un segment tel que 6a est de faible épaisseur, sa surface interne 6i est directement au contact des gaz de la veine circulant dans l'étage d'aubes mobiles 1 et ses surfaces externe et latérales sont revêtues d'une couche 7a d'un matériau thermiquement isolant. Ces segments 6a de la paroi intérieure 5 prennent donc très rapidement la température des gaz de la veine. Un segment adjacent tel que 6b a une forte épaisseur et toutes ses surfaces sont revêtues d'une couche 7b d'un matériau thermiquement isolant. Ces segments 6b de la paroi intérieure 5 possèdent ainsi une inertie thermique élevée et leur liaison thermique avec l'extérieur s'effectue presqu'uniquement au travers de leurs jonctions avec les segments adjacents 6a. Ils prennent donc très lentement la température des gaz de la veine. Les couches 7a et 7b isolantes sont assez souples pour suivre toutes les dilatations/contractions thermiques de la paroi intérieure 5. Les segments 6a et pb sont en nombre suffisant pour que la forme initialement circulaire de la paroi annulaire soit suffisamment bien conservée lors des dilatations/ contractions thermiques intervenant en cours de fonctionnement de la turbomachine. La surface interne de la paroi intérieure 5, aussi bien pour les segments 6a que pour les segments adjacents 6b, peut être recouverte d'une couche 8 de matériau abradable constituant une garniture d'usure et d'étanchéité susceptible en cours de fonctionnement d'entrer en contact avec les extrémités d'aubes mobiles 1 sans occasionner de dommage. Ce matériau est déterminé de manière à ne pas créer une barrière thermique entre la surface interne 6i des segments 6a de la paroi intérieure 5 et les gaz de la veine et à ne pas freiner les dilatations/contractions thermiques de la paroi intérieure 5.After having described the radial evolutions of the moving blade heads 1, reference will again be made to FIG. 1 which represents, in transverse section with respect to the axis of rotation of the turbomachine, a simplified view of an embodiment of the invention. Facing the movable blade heads 1, there is a fixed part of a turbomachine constituted by a
Chaque partie, respectivement 5a et 5b, de la paroi intérieure 5 est fixée à l'intérieur de la partie correspondante du carter 2, respectivement 2a et 2b, au moyen de biellettes 9 de support. Dans ce but, une chape 10 est fixée, par exemple par vissage, sur quelques-uns au moins des segments 6b de la paroi intérieure 5, à une extrémité 7e de ces segments dans une zone radialement externe. De même, une chape 11 est également fixée, par exemple par vissage, sur la surface interne du carter 2, dans une position circonférentiellement décalée par rapport à la chape 10 associée. Chaque biellette 9 est munie à ses extrémités de chapes, respectivement 9a et 9b qui coopèrent au moyen d'axes de rotation 10a et lla avec lesdites chapes 10 et 11. Ces biellettes 9 sont ainsi placées dans une direction sensiblement tangentielle par rapport à la paroi intérieure 5 et laissent ainsi à la paroi 5 toute liberté de se déplacer radialement sous l'influence des dilatations/contractions d'origine thermique. Pour permettre la fixation des biellettes 9 au carter 2, un trou d'accès 5c peut être ménagé dans la paroi intérieure 5, de préférence au niveau d'un segment 6a de faible épaisseur.Each part, respectively 5a and 5b, of the
Les deux parties 5a et 5b de la paroi intérieure 5 sont assemblées de telle façon qu'elles prennent appui l'une sur l'autre et que, lors de tout déplacement radial provenant des dilatations/contractions d'origine thermique en cours de fonctionnement, leur axe longitudinal reste en coïncidence avec l'axe longitudinal de rotation de la turbomachine. Dans ce but, chaque extrémité de partie de paroi intérieure, respectivement 5a et 5b, comporte un demi-segment respectivement 6c ou 6d du type à forte épaisseur. Comme représenté plus en détail aux figures 3, 3a et 3b, ces demi-segments 6c et 6d sont réunis par leurs faces respectives d'extrémité au moyen, par exemple, d'un boulonnage 12. En outre, chacune de ces faces comporte par exemple un tenon 13 et une mortaise 14 disposés selon deux directions perpendiculaires et coopérant respectivement avec une mortaise 14a et un tenon 13a de la face du demi-segment associé pour solidariser très précisément les deux parties 5a et 5b de la paroi intérieure 5. Un passage d'accès 15 est prévu à travers le carter 2 pour permettre la mise en place du boulonnage 12.The two
Comme représenté sur la figure 4, la paroi intérieure 5 est placée dans un logement constitué par un évidement annulaire 16 ménagé sur la face interne du carter 2. Sous l'action de la pression P des gaz, la paroi intérieure 5 vient ainsi se plaquer latéralement sur la surface 16a de l'évidement 16 où la pression P est la plus faible. La surface latérale correspondante de la paroi 5 est revêtue d'une couche 7b de matériau thermiquement isolant, comme précédemment décrit, qui dans cette zone évite les fuites de gaz, réduit les frottements de contact et réduit les échanges de chaleur entre la paroi intérieure 5 et le carter 2. Dans l'exemple représenté à la figure 4, il s'agit d'un étage d'aubes mobiles 1 de turbine et dans ce cas la paroi intérieure 5 est plaquée contre une surface 16a de l'évidement 16 située à l'aval par rapport au sens de circulation des gaz dans la veine de la turbomachine. Dans le cas d'un étage d'aubes de compresseur, à l'inverse, la paroi intérieure 5 serait plaquée contre une surface amont. On notera que dans l'exemple représenté la paroi intérieure 5 comme le carter 2 ont une forme générale cylindrique qui correspond à la forme extérieure de la veine des gaz de la turbomachine dans la zone considérée. Mais bien entendu, l'invention s'applique de la même manière au cas où cette forme de veine est conique et dans ce cas la paroi intérieure 5 a également une forme générale conique adaptée à la veine.As shown in FIG. 4, the
Après avoir décrit auparavant les évolutions radiales des têtes d'aubes mobiles 1, il convient de préciser en fonction des objectifs visés par l'invention les modes de mise en oeuvre permettant d'obtenir dans les différentes conditions de fonctionnement de la turbomachine, en régimes stabilisés et transitoires, le jeu souhaité entre les aubes mobiles 1 et la paroi intérieure 5 associée au carter 2.After having previously described the radial evolutions of the moving blade heads 1, it is advisable to specify, according to the objectives targeted by the invention, the modes of implementation making it possible to obtain, under the different operating conditions of the turbomachine, in regimes stabilized and transient, the desired clearance between the vanes 1 and the
La solution proposée par l'invention consiste à réaliser sur le stator un "modèle thermique" du rotor. C'est-à-dire qu'on réalise une paroi intérieure 5 qui, en régimes transitoires aussi bien qu'en régimes stabilisés, suit très exactement les mouvements radiaux des aubes du rotor, et ceci par le seul effet thermique sur cette paroi intérieure 5 des gaz chauds qui la lèchent. Du fait que cette paroi intérieure 5 est une circonférence complète, toute dilatation périphérique se traduit par une dilatation radiale de la paroi intérieure 5. C'est le principe utilisé.The solution proposed by the invention consists in producing a "thermal model" of the rotor on the stator. In other words, an
Pour définir les segments 6a dits "à faible inertie thermique", deux paramètres
- - le coefficient de dilatation thermique du matériau qui les constitue,
- - et leur longueur périphérique totale, sont choisis pour que leur allongement thermique donne à la paroi intérieure 5 une dilatation radiale égale au déplacement de la tête des aubes dû à leur propre allongement thermique et à la force centrifuge ( coefficient K'l + K2 ) , en régime stabilisé, et K 3
les autres paramètres :
- - la capacité calorifique du matériau qui les constitue,
- - leur épaisseur,
- - et les coefficients d'échange thermique des revêtements, sont choisis pour que les
segments 6a aient une constante de temps thermique égale à celle des aubes 1 seules (θ).
- - the coefficient of thermal expansion of the material from which they are made,
- - And their total peripheral length, are chosen so that their thermal elongation gives the
inner wall 5 a radial expansion equal to the displacement of the head of the blades due to their own thermal elongation and to the centrifugal force (coefficient K ' l + K 2 ), in steady state, and K 3
the other parameters:
- - the heat capacity of the material from which they are made,
- - their thickness,
- - And the heat exchange coefficients of the coatings, are chosen so that the
segments 6a have a thermal time constant equal to that of the blades 1 alone (θ).
De même, pour définir les segments 6b dits "à inertie thermique élevée", deux paramètres :
- - le coefficient de dilation thermique du matériau qui les constitue,
- - et leur longueur périphérique totale,
sont choisis pour que leur allongement thermique donne à la paroi intérieure 5 une dilatation radiale égale à celle que subit la tète des aubes 1 du fait de l'allongement thermique des disques qui les supportent (coefficient K1" ), et les autres paramètres :
- - la capacité calorifique du matériau qui constitue les
segments 6b, - - leur masse,
- - leur forme,
- - la section des liaisons entre
6b,segments 6a et - - et les coefficients d'échange thermique des revêtements,
sont choisis pour que les
- - the coefficient of thermal expansion of the material from which they are made,
- - and their total peripheral length,
are chosen so that their thermal elongation gives the
- - the heat capacity of the material which constitutes the
segments 6b, - - their mass,
- - their shape,
- - the section of the connections between
6a and 6b,segments - - and the heat exchange coefficients of the coatings,
are chosen so that the
Certaines adaptations possibles sont représentées à la figure 5 pour un segment 106b équivalent d'un segment 6b.Certain possible adaptations are shown in FIG. 5 for a segment 106b equivalent to a
Des liaisons étroites et longues telles que 23 avec les segments voisins 6a et des cloisonnements internes tels que 24 freinent l'entrée et l'écoulement de la chaleur dans le segment 106b. La masse du segment 106b est augmentée par une forme plus longue en marteau en adjoignant des parties d'extrémités telles que 22. Des zones de radiation thermique, qui ne sont pas recouvertes d'une couche de matériau isolant , sur la paroi extérieure de ces segments, telles que 17, et des ailettes de refroidissement réalisées dans ces zones, telles que 18, permettent de rayonner la chaleur vers le carter de stator 2, donc de diminuer la température des segments 106b. Au besoin, on peut aussi ajouter des entretoises à coefficient de dilatation thermique faible ou nul (non représentées) au milieu des segments 6b. Ces artifices permettent, quand il en est besoin, d'obtenir exactement les caractéristiques requises pour la paroi intérieure 5.Close and long connections such as 23 with the neighboring
On peut aussi, comme représenté à la figure 6, disposer des segments 206b à inertie thermique élevée radialement écartés vers l'extérieur. Dans ce cas, les segments adjacents 206a à faible inertie thermique se prolongent chacun respectivement par une partie 25. Ces parties 25 restent sans influence sur les évolutions en diamètre de la paroi intérieure 5 car elles sont séparées par une fente 26 qui peut avoir différentes formes, comme représenté aux figures 6a, droite, 6b, oblique, ou 6c, à balonnette. Les extrémités des parties 25 se recouvrent par une partie 27 qui couvre la fente 26.It is also possible, as shown in FIG. 6, to have segments 206b with high thermal inertia radially spaced apart towards the outside. In this case, the
Dans le cas particulier des régimes transitoires pour une turbine, il faut tenir compte du fait déjà évoqué que l'excès ou le déficit momentané de carburant brûlé se traduit instantanément par une température T des gaz plus élevée ou plus faible qu'à même régime N stabilisé. A cause de cela, le jeu entre les aubes 1 et la paroi intérieure 5 augmente ou diminue momentanément. Ceci n'apporte aucune gêne sensible en accélération, mais impose un jeu un peu plus grand en régime stabilisé pour qu'il soit encore suffisant en décélération.In the particular case of transient regimes for a turbine, it is necessary to take into account the fact already mentioned that the momentary excess or deficit of fuel burned instantly results in a higher or lower gas temperature T than at the same speed N stabilized. Because of this, the clearance between the vanes 1 and the
En plus du mode de réalisation qui a été décrit, l'invention est susceptible d'autres modes de réalisation dont quelques variantes seront indiquées. Ainsi pour faciliter la fabrication et la réparation de la paroi intérieure 5, il peut être commode de la diviser en plusieurs éléments. Un exemple de cette réalisation est représenté à la figure 7. Chaque élément 105 de paroi intérieure 5 est terminé par deux demi-segments 306c et 306d du type à inertie thermique élevée pour faciliter l'accrochage des éléments entre eux. On peut aller ainsi jusqu'à avoir autant d'éléments 105 que de segments à faible inertie thermique 306a. L'accrochage des éléments entre eux peut par exemple être réalisé comme décrit ci-dessus entre les deux parties 5a et 5b de la paroi intérieure 5, en référence aux figures 3, 3a et 3b.In addition to the embodiment which has been described, the invention is susceptible of other embodiments, a few variants of which will be indicated. Thus to facilitate the manufacture and repair of the
Du fait de la faible épaisseur des segments à faible inertie thermique, la rigidité de la paroi intérieure 5 peut être insuffisante malgré son appui sur une surface latérale 16a de l'évidement 16 du carter 2 (voir figure 4). Pour y remédier, on peut équiper les segments à faible épaisseur de raidisseurs. Ainsi, comme représenté à la figure 8a, on place sur les bords latéraux amont et aval des segments 406a de la paroi intérieure 5, deux nervures 19 assez fines pour conserver les performances thermiques des deux types de segments. L'étanchéité latérale demandée peut alors être réalisée sur l'une de ces nervures, venant en appui sur la surface latérale 16a de l'évidement 16 du carter 2 (voir figure 4). Comme représenté à la figure 8b, on peut, en alternative, prévoir sur chaque bord latéral d'un segment de faible épaisseur 506a des éléments raidisseurs 20 et 21 rapportés et fixés sur la paroi externe des segments 506a.Due to the small thickness of the segments with low thermal inertia, the rigidity of the
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