EP0192557B1 - Carter de turbomachine associé à un dispositif pour ajuster le jeu entre rotor et stator - Google Patents
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- EP0192557B1 EP0192557B1 EP86400287A EP86400287A EP0192557B1 EP 0192557 B1 EP0192557 B1 EP 0192557B1 EP 86400287 A EP86400287 A EP 86400287A EP 86400287 A EP86400287 A EP 86400287A EP 0192557 B1 EP0192557 B1 EP 0192557B1
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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- F01D25/246—Fastening of diaphragms or stator-rings
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- 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
Definitions
- the invention relates to a turbomachine casing associated with a device making it possible to automatically adjust in operation, the clearance between the ends of movable blades of a turbomachine rotor and the corresponding surface of a stator or fixed part of a turbomachine. , including said housing.
- the compressors of modern turbomachinery comprise an axially extending rotor and a stator circumscribed to the rotor.
- the compression ratios are high and the temperatures in their last stages can reach 600 to 700 ° C. It is necessary to check the clearances existing between the blades of the blades and the stator casings so that these clearances remain constant and as low as possible, whatever the operating conditions of the machine.
- the seal between the end of the blades of the blades and the housing of the rotor or the enclosure of the stator is ensured by friction strips generally comprising a so-called "abradable" wear material.
- This material allows the adaptation of the joint within the limits of mechanical tolerances or thermal expansions. It is therefore of the greatest importance to be able to control thermal expansions, in particular in the radial direction, so that the clearances between the rotor and the stator are kept at the lowest possible value, and thus make it possible to limit the losses due to the reverse flow of air between the ends of the rotor blades and their envelope.
- the blades as well as the rotor discs are generally made of a material resistant to high temperatures and low coefficient of thermal expansion; on the other hand, the stator vanes are generally embedded at one end, in housings provided on the casing of the compressor, which is generally made of steel, a material whose coefficient of thermal expansion is high.
- FR-A-2,535,795 describes a device for suspending blades in a compressor casing characterized by a casing comprising an inner casing and an outer casing.
- the inner envelope is formed by a set of cylindrical sectors carrying radial grooves in which are maintained friction band supports and sectors of stator blades.
- the outer casing is cooled by ventilation ramps and cooperates with a system of lugs and pins with the expansions of the inner casing.
- the sectors have a parallelogram shape and carry two upstream legs and two rear legs capable of receiving a fixing pin so that one pin in two crosses the legs of two consecutive sectors.
- the purpose of this device is to allow the clearance between the stator and rotor of an axial compressor to be checked.
- FR-A-2 482 661 describes a system for controlling the games of a compressor characterized by a double jacket.
- the inner casing is made up of sectors carrying the stator vanes and the friction bands of the rotor / stator seals.
- the segments are kept at a distance from the annular outer casing by rigid radial flanges.
- the outer casing is ventilated by air jets from ramps surrounding the outer casing, ramps supplied with air taken from the compressor .
- the invention aims and makes it possible to obtain a significant reduction in these leaks without sacrificing the control of the clearances at the end of the blades.
- the inner casing consists of two deformable half-ferrules comprising on their external face two annular flanges ensuring sealing with the casings situated upstream and downstream, and in that the means of connection between the inner casing and the outer casing are constituted by radial links articulated, on the one hand, on two rows of yokes of the inner casing and, on the other hand, on two rows of internal ears of the outer casing .
- the last four compression stages are arranged in an annular frustoconical channel, the widest section of which receives the air flow to be compressed.
- the compressor housing has two envelopes: an inner envelope 1 and an outer envelope 2.
- the inner envelope 1 is fixed to the outer envelope 2 by means of radial links 3; it carries the stator vanes 11 and between the crowns of blades, friction strips 12, made of a wear material, called “abradable", and on which the blade ends of the rotor blades are likely to rub. r.
- stator vanes 11 carry at their end closest to the axis, means (not shown) ensuring sealing with the rotor.
- the inner envelope 1 consists of two identical half-ferrules 1a and 1b.
- Each half-ferrule is limited upstream and downstream by a radial flange 1c and 1d respectively. These flanges cooperate respectively with flanges 42a of the low pressure casing 4 upstream and 51a of the diffuser casing 5 downstream.
- the flanges 42a and 51a have an annular groove 42b and 51b respectively which receive a seal 42c and 51c respectively, ensuring the tightness of the gas circulation stream.
- each half-ferrule 1a 1b comprises two rows of yokes respectively 1i and 1j regularly spaced apart peripherally and on which the feet of the links 3 are articulated by means of pins 6.
- the outer casing 2 consists of a cylindrical ferrule comprising on its internal face two rows of ears respectively 2a and 2b, regularly spaced and on which the heads of the rods 3 are articulated by means of another series of pins 6.
- the yokes 1i, 1j and the ears 2a, 2b are arranged so that there is in the same plane passing through the axis of the machine: a yoke 1 a yoke 1j, an ear 2a, and an ear 2b .
- the yokes of the same pair 1 i, 1j can be crossed by the same pin 6a.
- the ears of the same pair 2a, 2b can be crossed by the same pin 6b.
- the outer casing 2 has on its outer face, in line with the rows of ears 2a, 2b, an upstream flange 2c and a downstream flange 2d comprising holes 2 and 2 f respectively.
- flanges are fixed by bolts 2e, 2f respectively to the downstream flange 4a of the low pressure compressor casing 4 and to the upstream flange 5a of the diffuser casing 5.
- the low pressure compressor casing 4 is a double skin casing, 41 and 42.
- the external skin 41 comprises, in addition to the flange 4a, an internal flange 4b which axially locks the hinge pins 6b.
- the internal skin 42 has a flange 42a which comes to bear by its seal 42c on the flange 1c of the internal half-ferrule.
- It also comprises a row of bores 43 arranged between the stator vanes through which the air samples intended for supplying the heating ramps 7a, 7b are taken. 7c and 7d of the outer envelope 2.
- the heads of the links 3 are articulated on the ears 2a-2b by means of the pins 6b.
- the holes made in the heads or feet of the connecting rods, in the yokes 1i, 1j or in the ears 2a 2b, can receive eccentric sockets 6c and 6d respectively, in order to facilitate the mounting of the pins and compensate for the misalignment of the drilling in the event of stacking out of tolerance for manufacturing defects.
- the two links 31, 32 located on either side of the 12 o'clock position of the half-ferrule 1a (see FIG. 2) and on both sides of the 6-hour position of the half-ferrule 1b are larger than the others and oriented on converging directions; this arrangement constitutes for each half-ferrule a fixed point from which the peripheral expansions develop.
- the two converging links, on each half-ferrule, can be replaced by a system of mechanical stops not shown in the drawing, playing the same role as the links.
- the compressor casing according to the invention is in the form of two concentric cylindrical casings 1 and 2 linked to each other by radial rods 3 articulated at their two ends; the inner casing 1 consists of two half-ferrules 1a and 1 linked by their respective lateral edges forming planes of sliding but watertight joints.
- the two cylindrical envelopes 1 and 2 expand by an equal radial value which is a function of their diameters and of their respective expansion coefficients.
- the connecting rods 3 themselves expand by the same amount.
- the radial expansion of the envelopes 1 and 2 and of the links 3 has been calculated so that in steady state it equals the sum of thermal or centrifugal expansions affecting the blades and the compressor discs.
- the clearances between the ends of the rotor blades and the friction bands are thus maintained at their optimum value without it being necessary to maintain the rate of heating of the outer casing 2 in the ramps 7a to 7d.
- the inner envelope 1 has expanded under the influence of the temperature of the vein on the one hand and on the other hand under the influence of the tensile forces exerted by the outer envelope 2 by means of the rods 3 ; But. at equilibrium, the expansions of the two envelopes 1 and 2 are equal, the links 3 are not subjected to any tensile force, the clearances are kept at their optimum value without it being necessary to maintain the heating of the envelope exterior 2;
- the inner envelope 1 takes the form of a polygon circumscribed to the initial perfect circle.
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Description
- L'invention concerne un carter de turbomachine associé à un dispositif permettant d'ajuster de façon automatique en fonctionnement, le jeu entre les extrémités d'aubes mobiles d'un rotor de turbomachine et la surface correspondante d'un stator ou partie fixe de turbomachine, comprenant ledit carter.
- Les compresseurs des turbomachines modernes comprennent un rotor s'étendant axialement et un stator circonscrit au rotor.
- Les taux de compression y sont élevés et les températures dans leurs derniers étages peuvent atteindre 600 à 700 °C. Il est nécessaire de contrôler les jeux existant entre les couronnes d'aubes et les enveloppes de stator afin que ces jeux restent constants et aussi faibles que possible, quelles que soient les conditions de fonctionnement de la machine.
- L'étanchéité entre l'extrémité des pales des aubes et le carter du rotor ou l'enceinte du stator est assurée par des bandes de friction comportant généralement un matériau d'usure dit « abradable ». Ce matériau permet l'adaptation du joint dans les limites des tolérances mécaniques ou des dilatations thermiques. Il est donc de la plus grande importance de pouvoir maîtriser les dilatations thermiques, en particulier dans le sens radial, afin que les jeux entre le rotor et le stator soient maintenus à une valeur la plus faible possible, et permettre ainsi de limiter au minimum les pertes dues à l'écoulement inverse de l'air entre les extrémités des aubes rotoriques et leur enveloppe.
- Les aubes ainsi que les disques de rotor sont en général constitués dans un matériau résistant aux hautes températures et de faible coefficient de dilatation thermiques ; en revanche, les aubes de stator sont en général encastrées à une extrémité, dans des logements prévus sur l'enveloppe du compresseur, laquelle est généralement constituée en acier, matériau dont le coefficient de dilatation thermique est élevé.
- On a donc cherché à contrôler la dilatation de l'enveloppe de manière à minimiser les jeux entre rotor et stator.
- C'est ainsi que FR-A-2 535 795 décrit un dispositif de suspension d'aubes dans un carter de compresseur caractérisé par un carter comportant une enveloppe intérieure et une enveloppe extérieure. L'enveloppe intérieure est formée d'un ensemble de secteurs cylindriques portant des rainures radiales dans lesquelles sont maintenus des supports de bandes de friction et des secteurs d'aubes de stator. L'enveloppe extérieure est refroidie par des rampes de ventilation et coopère par un système de pattes et de broches avec les dilatations de l'enveloppe intérieure. Les secteurs ont une forme de parallélogramme et portent deux pattes amont et deux pattes arrière susceptibles de recevoir une broche de fixation de manière qu'une broche sur deux traverse les pattes de deux secteurs consécutifs.
- Ce dispositif a pour but de permettre le contrôle des jeux entre stator et rotor d'un compresseur axial.
- FR-A-2 482 661 décrit un système de pilotage des jeux d'un compresseur caractérisé par une double enveloppe. L'enveloppe intérieure est constituée de secteurs portant les aubes de stator et les bandes de friction des joints d'étanchéité rotor/stator. Les segments sont maintenus a distance de l'enveloppe extérieure annulaire par des brides radiales rigides. Pour compenser les variations des jeux entre les extrémités des pales du rotor et les bandes de friction, l'enveloppe extérieure est ventilée par des jets d'air issus de rampes entourant l'enveloppe extérieure, rampes alimentées par de l'air prélevé au compresseur.
- De tels systèmes apportent une amélioration au fonctionnement des compresseurs des turbomachines, et en particulier en régime stabilisé.
- Ils ont toutefois pour défaut de présenter des fuites importantes au niveau des nombreuses fentes existant entre les secteurs de l'enveloppe interne. Ces fuites contrebalancent une grande partie, sinon la totalité, des avantages que l'on retire de l'amélioration du contrôle des jeux en bout des pales.
- L'invention vise et permet d'obtenir une diminution notable de ces fuites sans pour autant sacrifier la maîtrise des jeux en bout des pales..
- Elle est caractérisée en ce que l'enveloppe intérieure est constituée de deux demi-viroles déformables comportant sur leur face externe deux brides annulaires assurant l'étanchéité avec les carters situés en amont et en aval, et en ce que les moyens de liaison entre l'enveloppe intérieure et l'enveloppe extérieure sont constitués par des biellettes radiales articulées, d'une part, sur deux rangées de chapes de l'enveloppe intérieure et, d'autre part, sur deux rangées d'oreilles internes de l'enveloppe extérieure.
- Les explications et figures données à titre d'exemple permettront de comprendre comment l'invention peut être mise en oeuvre.
- - La figure 1 représente une demi-coupe axiale d'une section de compresseur selon une forme de réalisation de l'invention.
- - La figure 2 est une vue selon une coupe II-II de la figure 1.
- - La figure 1 représente une demi-coupe axiale d'une section de compresseur ou d'un compresseur axial plus particulièrement destiné à équiper une turbomachine.
- Selon l'exemple représenté, les quatre derniers étages de compression sont disposés dans un canal tronconique annulaire dont la section la plus large reçoit le flux d'air à comprimer.
- Le carter du compresseur comporte deux enveloppes : une enveloppe intérieure 1 et une enveloppe extérieure 2.
- L'enveloppe intérieure 1 est fixée sur l'enveloppe extérieure 2 par l'intermédiaire de biellettes radiales 3 ; elle porte les aubes statoriques 11 et entre les couronnes d'aubes, des bandes de friction 12, réalisées en un matériau d'usure, dit « abradable », et sur lesquelles les extrémités de pales des aubes rotoriques sont susceptibles de frotter. r.
- Les aubes statoriques 11 portent à leur extrémité la plus proche de l'axe, des moyens (non représentés) assurant l'étanchéité avec le rotor.
- L'enveloppe intérieure 1 est constituée de deux demi-viroles identiques 1a et 1b.
- Chaque demi-virole est limitée en amont et en aval par une bride radiale respectivement 1c et 1d. Ces brides coopèrent respectivement avec des brides 42a du carter basse pression 4 à l'amont et 51a du carter de diffuseur 5 à l'aval. Les brides 42a et 51a comportent une gorge annulaire respectivement 42b et 51 b qui reçoivent un joint respectivement 42c et 51c, assurant l'étanchéité de la veine de circulation des gaz.
- La face externe de chaque demi-virole 1a 1b comporte deux rangées de chapes respectivement 1i et 1j régulièrement espacées périphéri- quement et sur lesquelles viennent s'articuler les pieds des biellettes 3 par l'intermédiaire de broches 6.
- L'enveloppe extérieure 2 est constituée d'une virole cylindrique comportant sur sa face interne deux rangées d'oreilles respectivement 2a et 2b, régulièrement espacées et sur lesquelles viennent s'articuler les têtes des biellettes 3 par l'intermédiaire d'une autre série de broches 6.
- Les chapes 1i, 1j et les oreilles 2a, 2b, sont disposés de telle sorte que l'on trouve dans un même plan passant par l'axe de la machine : une chape 1 une chape 1j, une oreille 2a, et une oreille 2b.
- Ainsi, les chapes d'une même paire 1 i, 1j peuvent être traversées par une même broche 6a. De même, les oreilles d'une même paire 2a, 2b peuvent être traversées par une même broche 6b.
- L'enveloppe extérieure 2 comporte sur sa face externe, au droit des rangées d'oreilles 2a, 2b une bride amont 2c et une bride aval 2d comportant des perçages respectivement 2e et 2f.
- Ces brides sont fixées par des boulons 2e, 2f respectivement à la bride aval 4a du carter de compresseur basse pression 4 et à la bride amont 5a du carter de diffuseur 5.
- Le carter de compresseur basse pression 4 est un carter double peau, 41 et 42.
- La peau externe 41 comporte, outre la bride 4a une bride interne 4b qui verrouille axialement les broches d'articulation 6b.
- La peau interne 42 comporte une bride 42a qui vient faire appui par son joint d'étanchéité 42c sur la bride 1c de la demi-virole interne.
- Elle comporte également une rangée de perçages 43 disposés entre les aubes du stator par où s'effectuent les prélèvements d'air destinés à l'alimentation des rampes de réchauffage 7a, 7b. 7c et 7d de l'enveloppe extérieure 2.
- Les têtes des biellettes 3 sont articulées sur les oreilles 2a-2b par l'intermédiaire des broches 6b. Les perçages ménagés dans les têtes ou les pieds des bielles, dans les chapes 1i, 1j ou dans les oreilles 2a 2b, peuvent recevoir des douilles excentrées respectivement 6c et 6d, afin de faciliter le montage des broches et compenser les défauts d'alignements des perçages en cas d'empilage hors tolérance des défauts de fabrication.
- Les deux biellettes 31, 32 situées de part et d'autre de la position 12 heures de la demi-virole 1a (voir figure 2) et de part et d'autre de la position 6 heures de la demi-virole 1b sont plus grandes que les autres et orientées sur des directions convergentes ; cette disposition constitue pour chaque demi-virole un point fixe à partir duquel se développent les dilatations périphériques.
- Les deux biellettes convergentes, sur chaque demi-virole, peuvent être remplacées par un système de butées mécaniques non représentées au dessin, jouant le même rôle que les biellettes.
- Le fonctionnement de la structure mécanique qui vient d'être décrite s'établit de la façon développée ci-après.
- Le carter de compresseur selon l'invention se présente sous la forme de deux enveloppes cylindriques concentriques 1 et 2 liées l'une à l'autre par des biellettes radiales 3 articulées à leurs deux extrémités ; l'enveloppe intérieure 1 est constituée de deux demi-viroles 1a et 1 liées par leurs bords latéraux respectifs formant des plans de joints coulissants mais étanches.
- Dans les conditions d'adaptation, par exemple en croisière, les deux enveloppes cylindriques 1 et 2 se dilatent d'une valeur radiale égale qui est une fonction de leurs diamètres et de leurs coefficients de dilatation respectif. Les biellettes de liaison 3 se dilatent elles-mêmes de la même valeur.
- La dilatation radiale des enveloppes 1 et 2 et des biellettes 3 a été calculée de façon à ce qu'en régime stabilisé elle égale la somme des dilatations d'origine thermique ou centrifuge affectant les aubes et les disques de compresseur. Les jeux entre les extrémités des aubes de rotor et les bandes de friction sont ainsi maintenus à leur valeur optimale sans qu'il soit nécessaire de maintenir le débit de réchauffage de l'enveloppe extérieure 2 dans les rampes 7a à 7d.
- L'enveloppe intérieure 1 s'est dilatée sous l'influence d'une part de la température de la veine et d'autre part sous l'influence des forces de traction exercées par l'enveloppe extérieure 2 par l'intermédiaire des biellettes 3 ; mais. à l'équilibre, les dilatations des deux enveloppes 1 et 2 sont égales, les biellettes 3 ne sont soumises à aucun effort de traction, les jeux sont conservés à leur valeur optimale sans qu'il soit nécessaire de maintenir le réchauffage de l'enveloppe extérieure 2 ;
- On obtient ainsi une amélioration notable du rendement de la machine d'une part, par une réduction des pertes aérodynamiques aux extrémités des pales et d'autre part par une réduction des prélèvements au compresseur d'où il résulte une amélioration de la consommation spécifique.
- Le contrôle des jeux dans les conditions transitoires s'obtient de la manière ci-après décrite. En condition d'accélération (décollage par exemple) on prélève de l'air à 300°C, à l'amont du compresseur HP et l'on dirige cet air dans les rampes 7a à 7d, d'où il est injecté sur toute la périphérie de l'enveloppe extérieure 2.
- Celle-ci se dilate plus rapidement et exerce sur l'enveloppe intérieure 1, par l'intermédiaire des bielles 3 autant d'efforts de traction qui agissent comme autant de vérins et accélèrent la dilatation de l'enveloppe intérieure 1.
- En fait, en raison de la présence de deux butées mécaniques ou de deux biellettes convergentes 31-32, situées à 12 heures sur la demi-virole 1a et à 6 heures sur la demi-virole 1 b les dilatations des demi-viroles ne sont pas homogènes et croisent au fur et à mesure qu'on s'éloigne de ces butées ;
- Cette hétérogénéité des dilatations entraîne deux sortes de défauts :
- - ouverture des plans de joint
- - déformation en polygone des demi-viroles du fait qu'elles présentent entre les chapes des zones de moindre résistance.
- L'enveloppe intérieure 1 prend la forme d'un polygone circonscrit au cercle parfait initial.
- Il faut noter toutefois que ces déformations sont extrêmement réduites du fait que l'amplitude des dilatations est faible (de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre) et que par conséquent les contraintes oligocycliques auxquelles sont soumises les enveloppes non négligeables.
- En condition de décélération il suffit de rétablir partiellement l'alimentation des rampes 7a à 7d pour que l'enveloppe extérieure 2 suive avec un certain retard la rétraction rapide du rotor. L'augmentation du jeu qui en résulte n'affecte le rendement que d'une manière négligeable mais surtout, elle constitue une réserve de sécurité contre la destruction de l'abradable en cas d'une ré-accélération brutale.
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