EP0214876B1 - Disque porte labyrinthe multifonction pour rotor de turbomachine - Google Patents

Disque porte labyrinthe multifonction pour rotor de turbomachine Download PDF

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EP0214876B1
EP0214876B1 EP86401519A EP86401519A EP0214876B1 EP 0214876 B1 EP0214876 B1 EP 0214876B1 EP 86401519 A EP86401519 A EP 86401519A EP 86401519 A EP86401519 A EP 86401519A EP 0214876 B1 EP0214876 B1 EP 0214876B1
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EP
European Patent Office
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disc
labyrinth
rotor
carrying
face
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EP86401519A
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German (de)
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EP0214876A1 (fr
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Théophile François Le Maout
Marc Roger Marchi
André Françis Ollivier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
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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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/32—Locking, e.g. by final locking blades or keys
    • F01D5/323—Locking of axial insertion type blades by means of a key or the like parallel to the axis of the rotor
    • 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
    • F01D11/001—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between stator blade and rotor
    • 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
    • F01D11/005—Sealing means between non relatively rotating elements
    • F01D11/006—Sealing the gap between rotor blades or blades and rotor
    • 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
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3007—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type
    • F01D5/3015—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type with side plates

Definitions

  • the invention relates to an assembly of a rotor and a multifunctional labyrinth-bearing disc for a turbomachine, the rotor comprising at least one disc in the rim of which grooves are provided receiving the blade roots, the labyrinth-bearing comprising on its upstream face of the wipers cooperating with complementary means provided on the stator, and on its downstream face of the sealing means with the upstream face of the rotor disc, means for fixing the labyrinth holder and means for axially holding the blades .
  • French Patent No. 2 324 873 describes a device comprising two flanges: an upstream and a downstream, arranged on either side of the rotor disc and formed of segments.
  • the upstream flange carries on its radial upstream face wipers ensuring the sealing of the stage with the stator while the peripheral edge of its downstream face carries means ensuring the sealing with the radial upstream face of the rim and the feet d 'dawn.
  • This downstream face carries towards its inner edge an axial flange in which are provided housings intended to hold the spouts, formed at the end of the blade roots, when all the segments are mounted.
  • the flange and therefore the upstream flange ensures the axial locking of the blades in the upstream-downstream direction. Locking in the downstream-upstream direction and fixing the upstream flange are obtained by the downstream flange which has on its inner edge and on its upstream face, bosses which are housed in a groove in the rim and which, by rotation of the flange , are placed behind a heel provided at the end of the blade root. The flange is then locked in rotation by pins held by dowels immobilized by a sealing element welded to the flange.
  • FR-A 2 286 282 describes an impeller rotor for a gas turbine in which a disk carrying the blades also carries a continuous ring having the shape of a cage whose continuous axial ends are connected by bars s' extending axially, interposed between the blade roots, this ring carrying on each side, upstream and downstream, an axial flange carrying sealing rings forming seals of the labyrinth type.
  • the invention aims to provide a device consisting of two parts, the labyrinth-bearing disc and a stop segment capable of ensuring both the seal with respect to the rotor, the sealed supply of the blades with cooling air and the axial retention of the blades.
  • the means for fixing the labyrinth-bearing disc consist of a stop segment, of an annular radial groove provided in the downstream face of the rotor disc and the opening of which is directed outward relative to the disc axis, and a radial annular notch provided at the end of the retaining teeth and the opening of which is directed towards the axis of the rotor disc, the stop segment constituting the only means of retaining the labyrinth-bearing disc , being capable of partially engaging in the groove and the notch.
  • FIG. 1 represents a simplified partial view in section of a turbine stage of a turbomachine.
  • the hollow shaft 1 of the turbomachine rotates the rotor disk 2 which is attached to it.
  • This disc comprises, as known, a rim 3 which is crossed axially by grooves 4 in fir (visible in FIG. 2), which receive and hold the feet 5 of the blades 6.
  • the blades are separated of the foot by a platform 7 which achieves the aerodynamic continuity of the annular channel in which the rotor blade turns.
  • the blades 6 of the rotor 2 receive the air flow directed by the stator vane, placed upstream, consisting of blades 8, adjustable or not, kept at the periphery of the casing (not shown) of the turbine.
  • stator vanes 8 carry sealing means 9 consisting of one or more cylindrical rings (three according to the example) cooperating with the wipers 10, 11, 12 carried by a labyrinth-bearing disc 13 secured to the turbine engine rotor.
  • teeth these have on their face directed towards the axis of the turbomachine, a longitudinal groove 21 (FIG. 3) intended to bring the cooling air to the blades by radial passages 22.
  • the free end of the teeth carries, on their face directed towards the periphery, a radial heel 23 intended for retaining the blades.
  • the labyrinth-bearing disc according to the invention is obtained in one piece by molding and / or machining.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)

Description

  • L'invention concerne un ensemble d'un rotor et d'un disque porte-labyrinthe multifonction pour turbomachine, le rotor comportant au moins un disque dans la jante duquel sont prévues des rainures recevant les pieds d'aube, le porte-labyrinthe comportant sur sa face amont des léchettes coopérant avec des moyens complémentaires prévus sur le stator, et sur sa face aval des moyens d'étanchéité avec la face amont du disque de rotor, des moyens de fixation du porte-labyrinthe et des moyens de maintien axial des aubes.
  • On a cherché à simplifier les systèmes de fixation des flasques sur les rotors afin d'obtenir à la fois une plus grande simplicité de montage et une meilleure tenue aux variations de régime de la turbine. Ces variations finissent par produire un desserrage des moyens de fixation et par suite une usure des éléments, ce qui entraîne un balourd générateur de vibrations.
  • De tels moyens sont décrits dans les brevets des EUA No 3 832 092 et 3 034 298 et sont constitués par des boulons et/ou des clavettes.
  • Les améliorations ont porté sur le mode de fixation. C'est ainsi que le brevet français No 2 324 873 décrit un dispositif comportant deux flasques: un amont et un aval, disposés de part et d'autre du disque de rotor et formés de segments. Le flasque amont porte sur sa face radiale amont des léchettes assurant l'étanchéité de l'étage avec le stator alors que le bord périphérique de sa face aval porte des moyens assurant l'étanchéité avec la face radiale amont de la jante et les pieds d'aube. Cette face aval porte vers son bord intérieur une bride axiale dans laquelle sont prévus des logements destinés à maintenir des becs, formés à l'extrémité des pieds d'aube, lorsque tous les segments sont montés.
  • La bride et par conséquent le flasque amont assure le verrouillage axial des aubes dans le sens amont-aval. Le verrouillage dans le sens aval- amont et la fixation du flasque amont sont obtenus par le flasque aval qui présente sur son bord intérieur et sur sa face amont, des bossages qui se logent dans une gorge de la jante et qui, par rotation du flasque, viennent se placer derrière un talon prévu à l'extrémité du pied d'aube. Le flasque est alors verrouillé en rotation par des pions maintenus par des chevilles immobilisées par un élément d'étanchéité soudé au flasque.
  • Les inconvénients liés aux moyens de fixation des flasques sont éliminés dans ce mode de réalisation, mais cette amélioration a été obtenue au détriment de la simplicité. L'utilisation de nombreuses petites pièces, telles que les pions, les chevilles, et la nécessité de soudure d'un élément d'étanchéité ne facilite pas les opérations de maintenance qui sont de ce fait relativement longues et minutieuses.
  • Par ailleurs, FR-A 2 286 282 décrit un rotor à aubes pour une turbine à gaz dans lequel un disque portant les aubes porte également un anneau continu ayant la forme d'une cage dont les extrémités axiales continues sont reliées par des barreaux s'étendant axialement, intercalés entre les pieds d'aubes, cet anneau portant de chaque côté, amont et aval, un rebord axial portant des anneaux d'étanchéité formant des joints du type à labyrinthe.
  • L'invention vise à fournir un dispositif constitué de deux pièces le disque porte-labyrinthe et un segment d'arrêt susceptibles d'assurer à la fois l'étanchéité par rapport au rotor, l'alimentation étanche des aubes en air de refroidissement et la retenue axiale des aubes.
  • L'ensemble d'un rotor et d'un disque porte-labyrinthe multifonction pour turbomachine, selon l'invention, est remarquable en ce que ledit disque porte-labyrinthe est constitué d'un disque radial, séparé du disque de rotor et comportant à sa périphérie:
    • - un anneau porte-labyrinthe conique, disposé en amont du disque, et portant sur sa surface extérieure les léchettes;
    • - une collerette conique dirigée en aval du disque munie d'une portée annulaire disposée à sa périphérie et sur son bord aval, susceptible de s'appuyer contre la face amont de la jante du rotor et des pieds d'aube; et de dents de retenue des aubes disposées axialement sur la face aval de la collerette en nombre égal à celui des rainures recevant les pieds d'aube, et comportant à leur extrémité un talon radial dirigé vers la périphérie et une partie des moyens de fixation du disque porte-labyrinte au disque de rotor.
  • Les moyens de fixation du disque porte-labyrinthe sont constitués d'un segment d'arrêt, d'une gorge annulaire radiale prévue dans la face aval du disque de rotor et dont l'ouverture est dirigée vers l'extérieur par rapport à l'axe du disque, et une encoche annulaire radiale prévue à l'extrémité des dents de retenue et dont l'ouverture est dirigée vers l'axe du disque de rotor, le segment d'arrêt constituant le seul moyen de retenue du disque porte-labyrinthe, étant susceptible de s'engager partiellement dans la gorge et l'encoche.
  • Les explications et figures données ci-après à titre d'exemple permettront de comprendre comment l'invention peut être réalisée.
    • La figure 1 représente une vue partielle, en coupe, d'un étage de turbine comportant un disque de rotor équipé d'un disque porte-labyrinthe selon l'invention.
    • La figure 2 est une vue en perspective d'un segment du disque de la figure 1.
    • La figure 3 est une vue selon III de la figure 1, avec coupe partielle et les aubes 6 étant enlevées.
  • La figure 1 représente une vue simplifiée partielle et en coupe d'un étage de turbine d'une turbomachine. L'arbre creux 1 de la turbomachine entraîne en rotation le disque de rotor 2 qui lui est fixé. Ce disque comporte, comme connu, une jante 3 qui est traversée axialement par des rainures 4 en sapin (visibles sur la figure 2), qui reçoivent et maintiennent les pieds 5 des aubes 6. Selon l'exemple de réalisation, les aubes sont séparées du pied par une plate-forme 7 qui réalise la continuité aérodynamique du canal annulaire dans lequel tourne l'aubage du rotor. Les aubes 6 du rotor 2 reçoivent le flux d'air dirigé par l'aubage statorique, placé en amont, constitué d'aubes 8, réglables ou non, maintenues à la périphérie du carter (non représenté) de la turbine. Les extrémités axiales des aubes de stator 8, portent des moyens d'étanchéité 9 constitués d'une ou plusieurs bagues cylindriques (trois selon l'exemple) coopérant avec les léchettes 10, 11, 12 portées par un disque porte-labyrinthe 13 solidaire du rotor de la turbomachine.
  • Selon l'exemple de réalisation conforme à l'invention (figures 1 et 2) le disque porte-labyrinthe est constitué
    • - d'un disque 13;
    • - d'un anneau porte-labyrinthe 14, conique, dirigé en amont du disque 13 par rapport à la direction du flux d'air et comportant sur sa surface extérieure les léchettes 10, 11, 12 formant une partie d'un joint labyrinthe;
    • - d'une collerette conique 15, dirigée en aval du disque 13 par rapport à la direction du flux d'air, munie à sa périphérie et sur son bord aval, d'une portée annulaire 16, destinée à s'appuyer directement ou indirectement par l'intermédiaire d'un joint sur la face amont de la jante du rotor 2 et des pieds d'aube 5. Cette collerette porte encore sur sa surface aval et selon un cercle, des dents de retenue des aubes, 17,172,173... axiales, en nombre égal à celui des rainures 4 recevant les pieds d'aubes, disposées de manière à pouvoir se loger dans chacune des rainures entre le fond de la rainure et celui du pied d'aube, constituant les moyens de maintien axial des aubes;
    • - un segment d'arrêt 18 logé partiellement dans une gorge annulaire radiale 19 du disque de rotor 2, ouverte vers l'extérieur par rapport à l'axe du disque, et partiellement dans une encoche annulaire 20, radiale, prévue à l'extrémité des dents de retenue 17, 172, 173... et sur leur face dirigée vers l'axe de la turbomachine et ouverte vers cet axe. Le segment d'arrêt 18 se présente sous la forme d'un anneau fendu présentant une certaine élasticité.
  • Selon une forme de réalisation des dents, celles-ci comportent sur leur face dirigée vers l'axe de la turbomachine, une rainure longitudinal 21 (figure 3) destinée à amener l'air de refroidissement aux aubes par des passages radiaux 22. L'extrémité libre des dents porte, sur leur face dirigée vers la périphérie, un talon radial 23 destiné à la retenue des aubes.
  • De préférence le disque porte-labyrinthe selon l'invention est obtenu d'une seule pièce par moulage et/ou usinage.
  • Le mode de montage du disque porte-labyrinthe ci-dessus décrit est le suivant:
    • - le disque de rotor étant posé à plat sur un support convenable, le segment d'arrêt 18 étant en place dans la gorge 19, on présente le disque porte-labyrinthe, de façon que les dents 17 s'engagent légèrement par leur talon 23 dans les rainures 4 de la jante du rotor;
    • - les pieds d'aube 5 sont mis en place sur les dents 17 entre la portée 16 et la face amont du talon radial 23;
    • - le disque porte-labyrinthe est alors poussé de manière à faire pénétrer simultanément tous les pieds d'aube dans les rainures jusqu'à ce que le segment d'arrêt, préalablement comprimé par les talons des dents, vient se loger partiellement dans les encoches annulaires 20 desdits talons. A l'inverse, pour démonter le disque porte-labyrinthe, le segment d'arrêt 18 doit être escamoté dans la gorge 19 du disque 2.
  • Le disque porte-labyrinthe assure les fonctions suivantes:
    • - le verrouillage des aubes: les aubes sont maintenues axialement vers l'amont par appui sur la portée 16 et vers l'aval par appui sur la face amont du talon 23 de la dent 17;
    • - le verrouillage du disque porte-labyrinthe: le disque est verrouillé axialement, par le segment d'arrêt 18 inséré partiellement dans le disque de rotor et partiellement dans les dents 17;
    • - l'alimentation en air de refroidissement des aubes: l'air de refroidissement pénètre dans la rainure 21 et de là par des passages radiaux dans les canaux internes de refroidissement des aubes;
    • - l'amortissement: en fonctionnement, la portée 16 du porte-labyrinthe appuie sur la face amont des pieds d'aube et amortit les vibrations des aubes. Un joint torique souple, logé dans une rainure de la portée 16 reprend éventuellement les tolérances de fabrication des pieds d'aubes.

Claims (4)

1. Ensemble d'un rotor et d'un disque porte-labyrinthe multifonction pour turbomachine, le rotor comportant au moins un disque (2) dans la jante (3) duquel sont prévus des rainures (4) recevant les pieds (5) d'aube (6), un porte-labyrinthe comportant sur sa face amont des léchettes (10, 11, 12) coopérant avec des moyens complémentaires prévus sur le stator, et sur sa face aval des moyens d'étanchéité (16) avec la face amont du disque (2) de rotor, des moyens de fixation du porte-labyrinthe et des moyens de maintien axial des aubes, caractérisé en ce que ledit disque porte-labyrinthe est constitué d'un disque radial (13) séparé du disque (2) de rotor et comportant à sa périphérie:
- un anneau porte-labyrinthe (14) conique, disposé en amont du disque, et portant sur sa surface extérieure les léchettes (10, 11, 12);
- une collerette conique (15) dirigée en aval du disque munie d'un portée annulaire (16) disposée à sa périphérie et sur son bord aval, susceptible de s'appuyer contre la face amont de la jante du rotor (2) et des pieds d'aube (5); et de dents de retenue des aubes (17) disposées axialement sur la face aval de la collerette, en nombre égal à celui des rainures (4) recevant les pieds d'aube, et comportant à leur extrémité un talon (23) radial dirigé vers la périphérie et une partie des moyens de fixation du disque porte-labyrinthe au disque de rotor.
2. Ensemble d'un rotor et d'un disque porte-labyrinthe multifonction selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de fixation du disque porte-labyrinthe sont constitués d'un segment d'arrêt (18) constituant le seul moyen de retenue du disque porte-labyrinthe, d'une gorge annulaire (19) radiale prévue dans la face aval du disque de rotor (2) et dont l'ouverture est dirigée vers l'extérieur par rapport à l'axe du disque, et une encoche annulaire (20) radiale prévue à l'extrémité des dents de retenue (17) et dont l'ouverture est dirigée vers l'axe du disque de rotor, le segment d'arrêt (18) étant susceptible de s'engager partiellement dans la gorge (19) et l'encoche (20).
3. Ensemble d'un rotor et d'un disque porte-labyrinthe multifonction selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les dents de retenue des aubes (17) comportent sur leur face dirigée vers l'axe de la turbomachine, une rainure longitudinale (21) et des passages radiaux (22).
4. Ensemble d'un rotor et d'un disque porte-labyrinthe multifonction selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit disque porte-labyrinthe est formé d'une seule pièce obtenue par moulage et/ou usinage.
EP86401519A 1985-08-08 1986-07-09 Disque porte labyrinthe multifonction pour rotor de turbomachine Expired EP0214876B1 (fr)

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FR8512142 1985-08-08
FR8512142A FR2586061B1 (fr) 1985-08-08 1985-08-08 Disque porte labyrinthe multifonction pour rotor de turbomachine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0214876A1 EP0214876A1 (fr) 1987-03-18
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EP86401519A Expired EP0214876B1 (fr) 1985-08-08 1986-07-09 Disque porte labyrinthe multifonction pour rotor de turbomachine

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US (1) US4668167A (fr)
EP (1) EP0214876B1 (fr)
DE (1) DE3662421D1 (fr)
FR (1) FR2586061B1 (fr)

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