EP1213483B1 - Etage redresseur d'un compresseur - Google Patents

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EP1213483B1
EP1213483B1 EP00870290A EP00870290A EP1213483B1 EP 1213483 B1 EP1213483 B1 EP 1213483B1 EP 00870290 A EP00870290 A EP 00870290A EP 00870290 A EP00870290 A EP 00870290A EP 1213483 B1 EP1213483 B1 EP 1213483B1
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EP
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vanes
ferrule
retaining
blades
apertures
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EP00870290A
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Mathieu Bos
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Safran Aero Boosters SA
Original Assignee
Techspace Aero SA
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Publication date
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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
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/042—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector fixing blades to stators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/542—Bladed diffusers

Definitions

  • the present invention relates to a rectifier stage of a compressor comprising a succession of rectifier or stator stages separated by rotor blade stages of rotor blades, each rectifier stage consisting of fixed vanes connecting an inner ferrule to an outer ferrule.
  • Coaxial compressors are well known per se (see US-A-5569019), and are used in several types of applications. In particular, they are used in dual-body engines, turbofans or turbojet engines. We also note their presence in power plants. These low or high pressure compressors consist essentially of several stages of rotating blades or rotor stages separated by stator stages or rectifiers which are intended to reposition (straighten) the velocity vector of the fluid leaving the preceding stage before the send to the next compartment.
  • Each of these rectifier stages consists essentially of fixed vanes connecting an outer ferrule to an inner ferrule, both concentric.
  • the blades are joined to the ferrules, both inside and out, by rivets or welds. Nevertheless, the use of these fastening means has the major disadvantage of disturbing the flow and generating a pressure drop in the aerodynamic vein.
  • the present invention aims to propose a solution that makes it possible to combine the functions of stiffening the inner ferrule and retaining the vanes of a rectifying stage of an axial compressor.
  • the present invention aims to provide a solution that offers great simplicity of assembly and does not require additional assembly operations.
  • the present invention also aims at providing a solution in which the aerodynamic stream of the flow is not affected by the presence of welds or rivets at the ferrule.
  • the present invention also aims at enabling the realization of a solution of a low cost.
  • the present invention relates to a rectifier stage of a compressor comprising two ferrules, an inner ferrule and an outer ferrule, both concentric and preferably circular and connected to one another by a series of blades.
  • At least the inner ferrule is provided with lights or openings that allow the passage of said blades in these lights.
  • the blades themselves have at their end which will be disposed on the side of the inner ferrule a second aperture intended to allow the passage of a retention and stiffening piece having an elastic function.
  • This retention and stiffening part advantageously allow the joining of the blades in pairs to the non-functional side, that is to say on the side of the inner face, the inner ferrule.
  • this retention and stiffening piece is in the form of a cut sheet metal, formed and folded in two and is provided with two flat tenons intended to be housed in the openings of two successive blades. .
  • this piece is folded allows it to provide a spring function for example a spring of the "hairpin" type.
  • the assembly will be fast and easy, and will be carried out by exerting a precompression on said retention and stiffening piece which will then be positioned in the two openings of two successive blades and that one then simply relax. Once this piece is mounted, the spring effect discards the two successive blades connected.
  • the placement of said piece will be against the edge of the openings of the ferrule.
  • these parts will then be embedded in an elastomeric element.
  • FIG. 1 represents a general view of the compression stage of a turbofan with a device for stiffening the ferrules according to the state of the art.
  • Figure 2 shows a detail of Figure 1 showing the stiffening device according to the state of the art comprising stiffeners at the inner ferrule.
  • Figure 3 shows the retention device used in the solution according to the present invention.
  • FIG. 4 represents the retention device according to the invention disposed at the level of an inner ferrule and of two successive blades so as to allow the stiffening of said inner ferrule and the blade retention function on this ferrule.
  • Each rectifier stage 2,2 ', 2 ", ... is essentially constituted by an inner ferrule respectively 4,4', 4", ..., an outer ferrule respectively 5,5 ', 5 “, ... and a series of vanes respectively 6.6 ', 6 ", ... connecting said inner ferrule and outer ferrule.
  • said inner rings 4,4 ', 4 ", ... and said outer rings 5,5', 5", ... are specific to each of the rectifying stages 2,2 ', 2 ", ...
  • the inner rings 4,4 ', 4 ", ... and the outer rings 5,5', 5", ... are in the form of metal sheets in the form of rings while the series of fixed vanes 6,6 ', 6 ", ... correspond to metal sheets radially connecting an inner ferrule to an outer ferrule for each series.
  • an elastomeric piece 7, 7 ', 7 “, ... is present on the inner surface of the inner ferrules 4,4', 4", ... corresponding.
  • the gas first passes through the first rectifier stage 2 of the compressor where its velocity vector is repositioned in order to be driven by the first rotor stage of rotating vanes 3 before joining the second stage rectifier 2 'to be again repositioned in 3 ', etc.
  • the gas thus undergoes a training cycle - repositioning at the end of which its kinetic energy gradually decreases while its pressure increases.
  • stairs 8 are machined in the sheet of the inner shell 4 to stiffen said shell, and in particular the first rectifier stage 2.
  • the alternative proposed by the present invention is to stiffen a ferrule while ensuring a blade retention function to said ferrule.
  • the piece 100 for retaining the blades is described in detail in FIG. 3. It is observed that it is essentially in the form of a cut, formed and folded sheet 110 provided with two flat tenons 117 and 119.
  • the conformation and the The composition of the sheet 110 is such that the piece 100 can be likened to a spring of the "hairpin" type.
  • FIG. 4 represents the principle underlying the present invention and explains how the retention and stiffening piece 100 is disposed at the level of a ferrule and of two successive blades to ensure both the stiffening of this ferrule and the retention two successive blades to this ferrule.
  • the ferrule, and preferably the inner ferrule 4 is provided with lumens or openings 42, 42 'which allow the fixing, preferably on the inner face of said ferrule 4, of the successive blades 60, 61, 62, ... by their ends 51,51 '.
  • the ends 51, 51 'of said blades themselves have openings 52, 52'.
  • Said blades 60, 61, 62, ... are secured to the shell 4 by means of the retention and stiffening member 100.
  • the flat tenons 117 and 119 of said part retention and stiffening 100 are housed in the perforations 52, 52 'of the two successive blades 60, 61, 62, ...
  • the retention and stiffening piece 100 thus makes it possible to secure the vanes in pairs (60 and 61, 62 and 63, etc.) at the rectifier stages.
  • it is exerted on it precompression (see the arrows in Figure 3) as would be done using a sugar tongs.
  • the piece 100 is then positioned so that its flattened lugs 117, 119 are housed in the apertures respectively 52 and 52 'of the successive blades 60, 61, 62, ... Finally, said piece 100 is simply released. mounted, the spring effect of the retention and stiffening member 100 acts by maintaining the successive blades 60,61,62, ... spaced apart.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

    Objet de l'invention
  • La présente invention se rapporte à un étage redresseur d'un compresseur comprenant une succession d'étages redresseurs ou statoriques séparés par des étages rotoriques d'aubes tournantes, chaque étage redresseur étant constitué d'aubes fixes reliant une virole intérieure à une virole extérieure.
    • Etat de la technique
  • Les compresseurs coaxiaux sont bien connus en soi (voir US-A-5569019), et sont utilisés dans plusieurs types d'application. En particulier, ils sont utilisés dans les moteurs double corps, turbofans ou turboréacteurs. On note aussi leur présence dans les centrales électriques. Ces compresseurs basse ou haute pression sont essentiellement constitués de plusieurs étages d'aubes tournantes ou étages rotoriques séparés par des étages statoriques ou redresseurs qui ont pour but de repositionner (redresser) le vecteur vitesse du fluide sortant de l'étage précédent avant de l'envoyer vers le compartiment suivant.
  • Chacun de ces étages redresseurs est constitué essentiellement d'aubes fixes reliant une virole extérieure à une virole intérieure, toutes deux concentriques.
  • Le problème est que ces étages redresseurs sont soumis à des efforts relativement importants dus entre autres aux vibrations qui provoquent rapidement une usure par fatigue.
  • Afin de résoudre ce problème de fatigue, il a été proposé de rigidifier les viroles. En rigidifiant les viroles, et en particulier les viroles intérieures des premiers étages de compression, on permet en effet de déplacer les fréquences propres de certains modes de sollicitation qui usent de manière excessive lesdites viroles.
  • Plusieurs solutions de rigidification ont été envisagées. En particulier l'utilisation de raidisseurs en forme de bandage usinés sur la virole intérieure ou sur la virole extérieure et du côté non fonctionnel a été proposée. On a également proposé d'usiner des escaliers dans la tôle des viroles intérieure ou extérieure. Ces bandages ou escaliers peuvent également être constitués d'une pièce rapportée par soudage ou par rivetage. En outre, afin d'augmenter l'étanchéité d'un étage à l'autre, il est habituel de disposer sous la tôle de la virole intérieure du redresseur un élément élastomère qui scelle l'aube fixe sur la virole intérieure et qui servira également de joint entre les éléments tournants et fixes. Ceci permet d'éviter un retour des gaz vers l'étage précédent, qui pourrait entraîner un décrochage moteur dans le cas d'un turbofan.
  • Néanmoins, les diverses solutions proposées selon l'état de la technique sont des solutions relativement coûteuses étant donné que la matière nécessaire pour usiner la tôle des viroles est relativement importante.
  • Un autre problème important dans le cas des étages redresseurs d'un compresseur est qu'il convient de solidariser de manière particulièrement efficace lesdites aubes aux viroles. En effet, cette solidarisation des aubes aux viroles doit être optimale de manière à pouvoir faire face à des accidents tels que le bris d'une aube ou l'ingestion d'un corps étranger tel qu'un oiseau dans ledit turboréacteur.
  • De plus, un déplacement des aubes par rapport aux viroles provoque une usure importante avec un cric de fatigue qui peut provoquer le bris desdites aubes ou même de la virole.
  • Habituellement, on solidarise les aubes aux viroles, tant intérieure qu'extérieure, par des rivets ou des soudures. Néanmoins, le recours à ces moyens de solidarisation présente l'inconvénient majeur de perturber le flux et de générer une perte de charge dans la veine aérodynamique.
    • Buts de l'invention
  • La présente invention vise à proposer une solution qui permette de combiner les fonctions de rigidification de la virole intérieure et de rétention des aubes d'un étage redresseur d'un compresseur axial.
  • En particulier, la présente invention vise à permettre une solution qui offre une grande simplicité de montage et ne nécessite pas d'opérations d'assemblage supplémentaires.
  • La présente invention vise également à proposer une solution dans laquelle la veine aérodynamique du flux n'est pas altérée par la présence de soudures ou de rivets au niveau de la virole.
  • La présente invention vise également à permettre la réalisation d'une solution d'un coût peu élevé.
    • Principaux éléments caractéristiques de l'invention
  • La présente invention se rapporte à un étage redresseur d'un compresseur comprenant deux viroles, une virole intérieure et une virole extérieure, toutes deux concentriques et de préférence circulaires et reliées l'une à l'autre par une série d'aubes fixes. Au moins la virole intérieure est munie de lumières ou ajours qui permettent le passage desdites aubes dans ces lumières. Les aubes elles-mêmes présentent à leur extrémité qui sera disposée du côté de la virole intérieure un second ajour destiné à permettre le passage d'une pièce de rétention et de rigidification présentant une fonction élastique. Cette pièce de rétention et de rigidification permettra de manière avantageuse la solidarisation des aubes deux à deux du côté non fonctionnel, c'est-à-dire du côté de la face interne, de la virole intérieure.
  • Selon une forme d'exécution particulièrement préférée, cette pièce de rétention et de rigidification se présente sous la forme d'une tôle découpée, formée et pliée en deux et est munie de deux tenons plats destinés à être logés dans les ajours de deux aubes successives.
  • De manière particulièrement avantageuse, le fait que cette pièce soit pliée permet qu'elle assure une fonction de ressort par exemple un ressort de type « épingle à cheveux ».
  • De manière particulièrement avantageuse, on observe que le montage sera rapide et aisé, et s'effectuera en exerçant une précompression sur ladite pièce de rétention et de rigidification que l'on positionnera ensuite dans les deux ajours de deux aubes successives et que l'on relâchera ensuite simplement. Une fois que cette pièce est montée, l'effet ressort écarte les deux aubes successives reliées.
  • De manière particulièrement avantageuse, le placement de ladite pièce se fera contre le bord des ajours de la virole.
  • Ceci provoque de manière particulièrement avantageuse un effet de rétention desdites aubes à la virole intérieure mais également un effet de rigidification de l'ensemble de la virole intérieure, permettant ainsi un déplacement des fréquences propres de certains modes de sollicitation sur les viroles.
  • De manière particulièrement avantageuse, ces pièces seront ensuite noyées dans un élément élastomère.
    • Brève description des dessins
  • La figure 1 représente une vue générale de l'étage de compression d'un turbofan avec un dispositif de rigidification des viroles selon l'état de la technique.
  • La figure 2 représente un détail de la figure 1 montrant le dispositif de rigidification selon l'état de la technique comprenant des raidisseurs au niveau de la virole intérieure.
  • La figure 3 représente le dispositif de rétention utilisé dans la solution selon la présente invention.
  • La figure 4 représente le dispositif de rétention selon l'invention disposé au niveau d'une virole intérieure et de deux aubes successives de manière à permettre la rigidification de ladite virole intérieure et la fonction de rétention des aubes sur cette virole.
    • Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention
  • La figure 1 représente l'étage de compression d'un turbofan. Cet étage de compression est composé de deux types de pièces :
    • d'une part, des pièces mobiles qui sont essentiellement constituées par le rotor 1 muni de plusieurs séries d'aubes mobiles 3,3',3",... correspondant à plusieurs étages rotoriques successifs, et
    • d'autre part des pièces fixes constituant les étages statoriques redresseurs 2,2', 2",... séparant les étages rotoriques 3,3',3",...
  • Chaque étage redresseur 2,2',2",... est essentiellement constitué par une virole intérieure respectivement 4,4',4",..., une virole extérieure respectivement 5,5',5",... et une série d'aubes fixes respectivement 6,6',6",... reliant lesdites virole intérieure et virole extérieure.
  • De préférence, lesdites viroles intérieures 4,4',4",... et lesdites viroles extérieures 5,5',5",... sont propres à chacun des étages redresseurs 2,2',2",... Plus précisément, les viroles intérieures 4,4',4",... et les viroles extérieures 5,5',5",... se présentent sous la forme de tôles métalliques en forme de bagues tandis que les séries d'aubes fixes 6,6',6",... correspondent à des tôles métalliques reliant radialement une virole intérieure à une virole extérieure pour chaque série.
  • En outre, habituellement, une pièce élastomérique 7, 7',7",... est présente sur la surface interne des viroles intérieures 4,4',4",... correspondantes. Ces pièces élastomériques 7,7',7", jouent le rôle de joints entre deux étages rotorique et statorique qui se succèdent.
  • Le gaz traverse d'abord le premier étage redresseur 2 du compresseur où son vecteur vitesse est repositionné afin d'être entraîné par le premier étage rotorique d'aubes tournantes 3 avant de rejoindre le deuxième étage redresseur 2' pour être à nouveau repositionné en 3', etc. Le gaz subit ainsi un cycle d'entraînement - repositionnement à l'issue duquel son énergie cinétique diminue progressivement tandis que sa pression croît.
  • Selon l'état de la technique et comme représenté aux figures 1 et 2, des escaliers 8 sont usinés dans la tôle de la virole intérieure 4 pour rigidifier ladite virole, et en particulier le premier étage redresseur 2.
  • L'alternative proposée par la présente invention consiste à rigidifier une virole tout en assurant une fonction de rétention des aubes à ladite virole.
  • La pièce 100 de rétention des aubes est décrite en détail à la figure 3. On observe qu'elle se présente essentiellement sous la forme d'une tôle découpée, formée et repliée 110 munie de deux tenons plats 117 et 119. La conformation et la composition de la tôle 110 sont telles que la pièce 100 peut être assimilée à un ressort de type «épingle à cheveux».
  • La figure 4 représente le principe à la base de la présente invention et explique comment la pièce de rétention et de rigidification 100 est disposée au niveau d'une virole et de deux aubes successives pour assurer à la fois la rigidification de cette virole et la rétention des deux aubes successives à cette virole. Selon ce principe, la virole, et de préférence la virole intérieure 4, est pourvue de lumières ou ajours 42,42' qui permettent la fixation, de préférence sur la face interne de ladite virole 4, des aubes successives 60,61,62,... par leurs extrémités 51,51'. Les extrémités 51,51' desdites aubes présentent elles-mêmes des ajours 52,52'. Lesdites aubes 60,61,62,... sont solidarisées à la virole 4 à l'aide de la pièce de rétention et de rigidification 100. Plus précisément, les tenons plats 117 et 119 de ladite pièce rétention et de rigidification 100 sont logés dans les ajours 52, 52' des deux aubes successives 60, 61, 62, ... La pièce de rétention et de rigidification 100 permet ainsi de solidariser les aubes deux à deux (60 et 61, 62 et 63, etc.) au niveau des étages redresseurs. Concrètement, pour mettre en place la pièce de rétention et de rigidification 100 au niveau des aubes 60,61,62,..., on exerce sur elle une précompression (voir les flèches sur la figure 3) comme on le ferait en utilisant une pince à sucre. On positionne ensuite la pièce 100 de façon à ce que ses tenons aplatis 117, 119 viennent se loger dans les ajours respectivement 52 et 52' des aubes successives 60,61,62,... Enfin on relâche simplement ladite pièce 100. Une fois montée, l'effet ressort de la pièce de rétention et de rigidification 100 agit en maintenant les aubes successives 60,61,62,... écartées.
  • Enfin, il est habituel de noyer tout le dispositif, c'est-à-dire la pièce de rétention et de rigidification 100 et les extrémités des aubes, dans un élément élastomère 200 qui permet de sceller l'extrémité de l'aube à la virole.
  • En outre, ceci permet d'augmenter l'étanchéité de tout l'étage redresseur.

Claims (4)

  1. Etage redresseur (2) d'un compresseur (1) comprenant une virole extérieure (5) et une virole intérieure (4), toutes deux concentriques et de préférence circulaires et reliées l'une à l'autre par une série d'aubes fixes (60,61,62,...), caractérisé en ce que, au moins la virole intérieure (4) étant pourvue de lumières ou ajours (42,42') qui permettent le passage d'une des extrémités (51,51') desdites aubes (60,61,62,...) dans ces lumières ou ajours (42,42'), les aubes (60,61,62,...) présentent à leur extrémité (51,51') un second ajour (52,52') destiné à permettre le passage d'une pièce de rétention et de rigidification (100) présentant une fonction élastique afin de les maintenir deux par deux.
  2. Etage redresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pièce de rétention et de rigidification (100) est un ressort de type «épingle à cheveux» et se présente essentiellement sous la forme d'une tôle découpée, formée et repliée (110) munie de deux tenons plats (117 et 119) qui sont dimensionnés de manière à permettre leur localisation dans les ajours (52,52') de deux aubes successives (60,61;61,62;...).
  3. Etage redresseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'extrémité (51,51') des aubes fixes (60,61,62, ...) est noyée dans un élément élastomère (200).
  4. Procédé de montage au niveau d'un étage redresseur d'une pièce de rétention et de rigidification (100) présentant une fonction élastique, l'étage redresseur comprenant une virole extérieure (5) et une virole intérieure (4), toutes deux concentriques et de préférence circulaires et reliées l'une à l'autre par une série d'aubes fixes (60,61,62,...), ladite pièce de rétention de rigidification (100) se présentant essentiellement sous la forme d'une tôle découpée, formée, repliée (110) et munie de deux tenons plats (117 et 119) qui sont dimensionnés de manière à permettre leur localisation dans les ajours (52,52') de deux aubes successives (60,61;61;62;...), caractérisé en ce que l'on exerce une précompression sur ladite pièce de rétention et de rigidification (100), on la place au niveau des aubes successives (60,61,62,...) de manière à ce que les deux tenons (117 et 119) viennent se loger dans les ajours (52, 52') desdites aubes (60, 61, 62, ...), puis on relâche la pression exercée sur ladite pièce de rétention et de rigidification (100).
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