EP0657624A1 - Paroi de turbomachine comprenant un corps d'étanchéité - Google Patents

Paroi de turbomachine comprenant un corps d'étanchéité Download PDF

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EP0657624A1
EP0657624A1 EP94402807A EP94402807A EP0657624A1 EP 0657624 A1 EP0657624 A1 EP 0657624A1 EP 94402807 A EP94402807 A EP 94402807A EP 94402807 A EP94402807 A EP 94402807A EP 0657624 A1 EP0657624 A1 EP 0657624A1
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casing
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flexible envelope
segments
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Jean Christian Henri Cattaneo
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Safran Aircraft Engines SAS
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Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
SNECMA SAS
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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
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a turbomachine wall comprising a sealing body.
  • the turbomachine walls used for aircraft engines include in particular an outer casing which ensures by its rigidity the cohesion of the assembly and an internal ferrule, concentric with the casing and formed of annular segments assembled to it and between them, which serve to delimit the gas flow stream.
  • the casing, the ferrule and the transverse flanges for assembling the segments to the casing then delimit empty partitioned volumes which are the seat of gas leaks which affect the good performance of the machine.
  • these often very hot gases produce radial and longitudinal thermal expansions on the casing, which are reflected on the shell and therefore increase the radial clearances between the shell and the free ends of the rotor blades.
  • a larger part of the gas flow escapes compression by the blades, then the rotor drive by expanding. We are therefore faced with a second cause of lower yield.
  • the object of the invention which is to completely or almost fill these empty volumes of form often tormented, is achieved by housing sealing bodies formed of a flexible envelope and not very permeable to air and of a thermally insulating fluff material and contained in the flexible envelope.
  • the turbomachine is shown at the location of a high pressure compressor, where the invention should find the most utility. It comprises an outer casing 1, the outer surface of which bears a number of circular bosses 2 in which oblique bolt holes 3 have been drilled. The internal surface of the casing 1 is smooth opposite the bosses 2, so that the flanges 4 of the shell segments 5 can rest thereon.
  • the flanges 4 are also provided with bolt holes 6, which are an extension of those 3 of the bosses 2, and bolts 7 are inserted therein to retain the flanges 4 in place, with a component radial force which applies them to the surface of the casing 1 and an axial component which allows them to block the seals 8 against the shoulders 9 of the casing 1.
  • the essential element of the seals 8 is however not the rigid ring which is thus compressed and serves as their reinforcement, but a thin and oblique web 10 of which one end is embedded in the ring and the other end, free, is supported on the corresponding segmented flange 4 to cover the bolt holes 6 and recesses 11 formed over a large part of their extension so that the flanges 4 are effectively supported on the casing 1 only by a small part of their circumference, which avoids excessive heat transmissions and decreases risk of jamming during assembly. Additional bolts 12 are then provided to complete the tightening of the seals 8 by applying nuts 13 of particular shape to them and to the wall of the casing 1.
  • the shell segments 5 delimit from the outside an annular gas flow stream 14. They must form a surface which is as continuous and regular as possible to avoid leaks and pressure drops and they are juxtaposed by different kinds of seals, but some of them can be assembled by interlocking 15 of a lip of one in a groove of the other.
  • Certain ferrule segments 5 carry vanes 16 for straightening the gas flow, which are arranged in stages alternating with stages of movable vanes 17 fixed to the rotor 18. Clearances 19 extend between the ferrule segments 5 and the movable blades 17, and it is desired that they be as small as possible in order to avoid an appreciable portion gases do not flow there. This is why many devices have been designed, not shown here but which are abundantly described and are the subject of numerous patents, for controlling the value of the clearances 19 at all speeds of the machine: these are blowing devices. of gas taken from another part of the machine in order to regulate the thermal expansions of the shell segments 5.
  • This harmful flow is prohibited (FIG. 2) by means of a sealing body 25 consisting essentially of a flock 26 contained in a flexible envelope 27 and which occupies all or almost all of these empty volumes 20 thanks to the flexibility of the body 25 and the compressibility of the wad 26, which deform under the action of the surrounding pressure differences and conform to the shapes of the cavity 20.
  • the materials used and in particular those of the wad 26 are poor conductors of heat and not very permeable to air, while being sufficiently porous so that the compressibility of the wad 26 is not compromised.
  • the wad 26 may have a fibrous structure, and the envelope 27 may be formed of a fabric.
  • the fiber can be quartz wool or metallic felts, and the fabric can be an intertwining of quartz, glass, carbon or metal wires.
  • FIG. 3 represents a slightly different design where the sealing body, then referenced 125 and still consisting of a wad 26 contained in a flexible envelope 27, is completed by a spring 28 of circular extension and whose cross section and linear and forms an acute angle, or an open pin: it consists of two substantially rigid sheets 29 which an elastic hinge 30 connects, and the volume 31 enclosed by the sheets 29 is empty.
  • the spring 28 is compressed, so that the sheets 29 tend to move apart, opening the spring 28, and the flock 26 is driven outwards and pushed back against the surfaces of the casing 1 and of the ferrule segments 5, including in their crevices.
  • FIG. 4 shows the sealing body 125 in the isolated state. It is made in the form of a rod, the desired length of which is cut and rolled up to form a ring, the ends of which can be closed, or even joined together by sewing, welding or any other suitable means. to the casing 27. If the sheets 29 are elastic and therefore have a certain stiffness, they must however be flexible enough to be curved.

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Abstract

Paroi de turbomachine où le carter extérieur (1), les segments de virole (5) délimitant la veine d'écoulement des gaz (14) et les brides d'assemblages (4) isolent des volumes cloisonnés (20) occupés selon l'invention par des corps d'étanchéité (25) composés d'une enveloppe souple (27) enfermant une bourre (26). Le corps d'étanchéité (25) est entièrement souple, il se déforme sous l'action des pressions des gaz et occupe presque tout le volume vide (20), contrariant ainsi les fuites de gaz tout en assurant une bonne isolation thermique. <IMAGE>

Description

  • L'invention se rapporte à une paroi de turbomachine comprenant un corps d'étanchéité.
  • Les parois de turbomachine utilisées pour les moteurs d'avion comprennent en particulier un carter extérieur qui assure par sa rigidité la cohésion de l'ensemble et une virole interne, concentrique au carter et formée de segments annulaires assemblés à lui et entre eux, qui servent à délimiter la veine d'écoulement des gaz.
  • Le carter, la virole et les brides transversales d'assemblage des segments au carter délimitent alors des volumes vides cloisonnés qui sont le siège de fuites de gaz qui nuisent au bon rendement de la machine. De plus, ces gaz souvent très chauds produisent des dilatations thermiques radiales et longitudinales sur le carter, qui se répercutent sur la virole et accroissent donc les jeux radiaux entre la virole et les extrémités libres des aubes du rotor. Une partie plus importante du débit des gaz échappe à la compression par les aubes, puis à l'entraînement du rotor en se détendant. On est donc devant une deuxième cause d'abaissement du rendement.
  • Il a déjà été proposé de combler les volumes vides avec des matières d'isolation thermique, mais on n'a apparemment jamais proposé que des blocs ou des anneaux rigides ou semi-rigide de matière isolante, de résine par exemple, qui laissent subsister des intervalles par lesquels les fuites subsistent, et, dans une certaine mesure, les problèmes de défaut d'étanchéité évoqués plus haut.
  • L'objet de l'invention, qui est de combler totalement ou presque ces volumes vides de forme souvent tourmentée, est atteint en y logeant des corps d'étanchéité formés d'une enveloppe souple et peu perméable à l'air et d'une matière en bourre isolante thermiquement et contenue dans l'enveloppe souple. La souplesse de l'enveloppe et de la bourre, jointe à la compressibilité de cette dernière, permettent au corps d'étanchéité de se mouler sur les surfaces du carter, des segments de virole, voire des brides, ce qui élimine à peu près complètement les fuites de gaz.
  • Certains modes concrets de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits à l'aide des figures suivantes annexées à titre illustratif et non limitatif :
    • · la figure 1 est une vue générale d'une portion de turbomachine où l'élément constitutif de l'invention n'est pas représenté,
    • · la figure 2 représente une première réalisation de l'invention,
    • · la figure 3 représente une autre réalisation de l'invention,
    • · et la figure 4 représente isolément le corps d'étanchéité de la seconde réalisation.
  • On commence par le commentaire de la figure 1. La turbomachine est représentée à l'endroit d'un compresseur à haute pression, où l'invention devrait trouver le plus d'utilité. Elle comporte un carter 1 extérieur dont la surface externe porte un certain nombre de bossages 2 circulaires dans lesquels on a foré des trous de boulon 3 obliques. La surface interne du carter 1 est lisse à l'opposé des bossages 2, pour que des brides 4 de segments de virole 5 puissent s'y appuyer. Les brides 4 sont également munies de trous de boulon 6, qui viennent en prolongement de ceux 3 des bossages 2, et des boulons 7 y sont insérés pour retenir les brides 4 en place, avec une composante radiale d'effort qui les applique sur la surface du carter 1 et une composante axiale qui leur permet de bloquer des joints d'étanchéités 8 contre des épaulements 9 du carter 1. L'élément essentiel des joints d'étanchéité 8 n'est cependant pas l'anneau rigide qui est ainsi comprimé et leur sert d'armature, mais un voile 10 mince et oblique dont une extrémité est encastrée dans l'anneau et l'autre extrémité, libre, est appuyée sur la bride segmentée 4 correspondante pour recouvrir les trous de boulon 6 et des évidements 11 ménagés sur une grande partie de leur extension pour que les brides 4 ne s'appuient effectivement sur le carter 1 que par une petite partie de leur circonférence, ce qui évite les transmissions de chaleur excessives et diminue les risques de coincement pendant le montage. On prévoit alors des boulons supplémentaires 12 pour compléter le serrage des joints d'étanchéité 8 en appliquant des écrous 13 de forme particulière sur eux et sur la paroi du carter 1.
  • Les segments de virole 5 délimitent par l'extérieur une veine annulaire d'écoulement des gaz 14. Ils doivent former une surface aussi continue et régulière que possible pour éviter les fuites et les pertes de charge et ils sont juxtaposés par différents genres de joints, mais certains d'entre eux peuvent être assemblés par des emboîtements 15 d'une lèvre de l'un dans une gorge de l'autre.
  • Certains segments de virole 5 portent des aubes 16 de redressement de l'écoulement des gaz, qui sont disposées par étages alternant avec des étages d'aubes mobiles 17 fixées au rotor 18. Des jeux 19 s'étendent entre les segments de virole 5 et les aubes mobiles 17, et on souhaite qu'ils soient aussi petits que possible afin d'éviter qu'une portion appréciable des gaz ne s'y écoule. C'est pourquoi on a conçu de nombreux dispositifs, non représentés ici mais qui sont abondamment décrits et font le sujet de nombreux brevets, pour commander la valeur des jeux 19 à tous les régimes de la machine : il s'agit de dispositifs de soufflage de gaz prélevé d'une autre partie de la machine afin de régler les dilatations thermiques des segments de virole 5. Mais ces précautions sont quelque peu compromises par les fuites de gaz qui se glisse, à travers les intervalles des segments de virole 5 et par les jeux résiduels entre les brides 4, les voiles 10 et les emboitements 15, dans les volumes vides 20 délimités intérieurement par les segments de virole 5, extérieurement par le carter 1 et axialement par les brides 4, les écrous des boulons 7 et 12 et les joints 8. Les fuites d'air tendent à former un écoulement à contre-courant de l'écoulement dans la veine 14 et qui échauffe excessivement le carter 1, ce qui le dilate localement ainsi que les portions adjacentes des segments de virole 5.
  • Cet écoulement néfaste est interdit (figure 2) au moyen d'un corps d'étanchéité 25 composé essentiellement d'une bourre 26 contenue dans une enveloppe souple 27 et qui occupe la totalité ou presque de ces volumes vides 20 grâce à la souplesse du corps d'étanchéité 25 et à la compressibilité de la bourre 26, qui se déforment sous l'action des différences de pression environnantes et épousent les formes de la cavité 20. Les matériaux utilisés et notamment ceux de la bourre 26 sont mauvais conducteurs de la chaleur et peu perméables à l'air, tout en étant suffisamment poreux pour que la compressibilité de la bourre 26 ne soit pas compromise. La bourre 26 peut avoir une structure fibreuse, et l'enveloppe 27 être formée d'un tissu.
  • La fibre peut être de la laine de quartz ou des feutres métalliques, et le tissu peut être un entrecroisement de fils de quartz, de verre, de carbone ou de métal.
  • La figure 3 représente une conception un peu différente où le corps d'étanchéité, référencé alors 125 et encore constitué d'une bourre 26 contenue dans une enveloppe souple 27, est complété par un ressort 28 d'extension circulaire et dont la section et linéaire et forme un angle aigu, ou une épingle ouverte : il se compose de deux feuilles 29 sensiblement rigides qu'une charnière 30 élastique relie, et le volume 31 enclos par les feuilles 29 est vide. Le ressort 28 est comprimé, de sorte que les feuilles 29 tendent à s'écarter, ouvrant le ressort 28, et la bourre 26 est chassée vers l'extérieur et refoulée contre les surfaces du carter 1 et des segments de virole 5, y compris dans leurs anfractuosités.
  • La figure 4 représente le corps d'étanchéité 125 à l'état isolé. Il est fabriqué sous forme d'un boudin dont on coupe la longueur souhaitée et qu'on roule pour former un anneau dont les extrémités peuvent être obturées, ou même réunies entre elles par une couture, une soudure ou n'importe quel autre moyen approprié à l'enveloppe 27. Si les feuilles 29 sont élastiques et ont donc une certaine raideur, elles doivent cependant être suffisamment souples pour être courbées.
  • Un même mode de fabrication pourra être retenu pour la structure plus simple de la figure 1. Bien entendu, on pourra aussi utiliser un corps d'étanchéité composé de portions en blocs juxtaposés.

Claims (3)

  1. Paroi de turbomachine comprenant un carter extérieur (1), une virole entourée par le carter et composée de segments (5) assemblés entre eux et, par des brides (4), au carter, et délimitant des cavités cloisonnées (20) avec le carter et les brides, lesdite cavités étant occupées par un corps d'étanchéité (25, 125) formé d'une enveloppe souple (27) en tissu et d'une bourre fibreuse (26), caractérisé en ce que l'enveloppe souple est peu perméable à l'air et se déforme sous l'action des différences de pressions environnantes pour épouser les formes des cavités (20).
  2. Paroi de turbomachine suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le corps d'étanchéité est également formé d'un ressort (28) contenu dans l'enveloppe souple et comprimé à une section plus petite qu'à l'état libre.
  3. Paroi de turbomachine suivant la revendication 2, caractérisée en ce que le ressort a une section en épingle ouverte.
EP19940402807 1993-12-08 1994-12-07 Paroi de turbomachine comprenant un corps d'étanchéité Expired - Lifetime EP0657624B1 (fr)

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