EP1329589B1 - Amenagement de rotor d'une turbomachine - Google Patents

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EP1329589B1
EP1329589B1 EP03290117A EP03290117A EP1329589B1 EP 1329589 B1 EP1329589 B1 EP 1329589B1 EP 03290117 A EP03290117 A EP 03290117A EP 03290117 A EP03290117 A EP 03290117A EP 1329589 B1 EP1329589 B1 EP 1329589B1
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EP
European Patent Office
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discs
spacers
collars
arrangement according
teeth
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP03290117A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP1329589A1 (fr
Inventor
Michel Gilbert Roland Brault
Laurent Luc Arnaud Palmisano
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
SNECMA SAS
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Publication date
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Classifications

    • 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
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/06—Rotors for more than one axial stage, e.g. of drum or multiple disc type; Details thereof, e.g. shafts, shaft connections
    • 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
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/06—Rotors for more than one axial stage, e.g. of drum or multiple disc type; Details thereof, e.g. shafts, shaft connections
    • F01D5/066—Connecting means for joining rotor-discs or rotor-elements together, e.g. by a central bolt, by clamps

Definitions

  • the subject of this invention is a rotor arrangement of a turbomachine.
  • the arrangements of such rotors often include individual disks having as many stages of moving blades and joined by spacers whose main role is to establish a seal by delimiting the gas vein.
  • the discs are normally provided with extensions to a central structure of the rotor to which they are fixed by bolting. They also include flanges extending under the spacers and joined together by bolting at their ends. They are thus united directly to neighboring disks, in addition to the indirect connection by the central structure of the rotor.
  • this arrangement is less rigid than one might have hoped, which is all the more disappointing that all these bolted connection means are long to assemble and disassemble and represent a significant weight.
  • a rotor arrangement comprising a succession of blades bearing vanes joined by spacers, characterized in that two of the disks, at opposite ends of the succession, are provided with junction extensions to a central structure of the rotor, the discs are provided with circular flanges, the spacers comprise flanges placed on the flanges, and the disks and flanges comprise complementary networks of jaw teeth and housing said teeth around the collars.
  • FR1201123 discloses a rotor arrangement comprising a succession of blades carrying discs joined by spacers, the spacers being provided with centering connection means around the axis of rotation of the rotor and rotational stop cooperating with complementary connection means located on these disks.
  • the spacers are now rigid parts responsible for maintaining the intermediate discs and provided with centering connection means around the axis of the rotor and stop in rotation cooperating with complementary means located on these disks.
  • the links bolted between the discs can therefore disappear, as well as the links of the intermediate discs to the central structure of the rotor: the intermediate discs are suspended on the spacers.
  • the extensions of the end discs are tapered and join one another by mutual fixing flanges.
  • the arrangement according to the invention is then a unitary and compact structure that can be joined to the central structure of the rotor by a single bolted flange.
  • the extensions of the end discs can still be joined by a network of jaw teeth and housing of said teeth to ensure a more rigid connection directly between the end discs.
  • the rotor considered here and shown in Figure 1 comprises a central structure 1 of an indifferent kind and normally composed, in known turbomachines, elements assembled by bolting.
  • the arrangement according to the invention bears the general reference 2 and extends around a portion of the central structure 1; its main elements consist of two end discs 3 and 4, two intermediate discs 5 and 6 located between the previous ones, and three spacers 7, 8 and 9 connecting the disks (respectively 3 and 5, 5 and 6, 6 and 4) respectively two by two.
  • the discs 3, 4, 5 and 6 are substantially flat, parallel and arranged in succession; they are all intended to carry stages of moving blades 10 extending in the vein of the gases between stages of fixed vanes 11.
  • the struts 7, 8 and 9 here carry wipers 12, that is to say circular ridges of labyrinth seals penetrating crowns of abradable material 13 located around the fixed blade stages 11 to establish a seal and make difficult the flow of gas that bypass the vanes fixed 11 and produce yield losses. All these details, being well known, will not be the subject of a more abundant description.
  • the extreme discs 3 and 4 are provided, in addition to their normal elements comprising an outer crown 14, an inner crown 15 and a cloth 16 joining the two crowns, an extension 17 or 18, starting from the ring 15 and extending radially inward, while having a conical tapered shape to converge towards one another;
  • the extension 18 of the disc 4 comprises an end ring 19 which engages a circular bearing surface 20 of the extension 17 of the disc 3 and stops against an abutment face 21 of this extension 17;
  • a nut 22 is screwed onto a threaded face 23 of the extension 17 extending behind the bearing surface 20 and retains the ring 19 against the abutment face 21.
  • the ring 19 and the extension 17 are provided with teeth interlocking in housing intermediate to form a circular clutch 24. This connection makes it possible to firmly hold the discs 3 and 4 in an immutable position.
  • the extension 17 continues to extend towards the center of the rotor, and joins the central structure 1 by an arrangement of bolted flanges 25.
  • the intermediate discs 5 and 6 are devoid of such inward extensions and are therefore not directly united to the other discs or to the central structure 1 of the rotor. They are supported only by the spacers 7, 8 and 9 by means of junctions which are now described by means of FIG.
  • the spacers 7, 8 and 9 are provided with flat flanges 26 and 27 which extend radially inwardly from their opposite ends. They are based on circular edges of axial extension 28 and 29 of the discs 3, 4, 5 and 6 facing them.
  • the flanges 26 and 27 are provided with housings 30 in which penetrate the ends of the feet 31 of the blades 10.
  • the arrangement often used to assemble blades to a disk - and which consists in operating grooves 32 passing through the outer ring of the disc in the axial or oblique direction and whose section has a bulbous shape, dovetail, fir or the like, opening on the outside of the disc by a narrow neck and holding a foot of a blade - is here improved in that the feet 31 are elongated at a portion of their section and overflow grooves 32.
  • the screwing of the nut 22 maintains the cohesion of the assembly in the axial direction by the stop of the discs 3 to 6 and the spacers 7 to 9 to the flanges 26 and 27. Their centering is guaranteed by the support of the flanges 26 and 27 against the flanges 28 and 29 in the radial direction. Finally, the rotations are prohibited by the interconnections involving the teeth formed by the elongate ends of the feet 31 of the blades 10 and the corresponding housing 30 of the flanges 26 and 27, which confer a higher rigidity in torsion to the assembly. It is also necessary to return to the clutch 24 made between the extensions 17 and 18 of the end discs 3 and 4.
  • the arrangement is completed by ferrules 33, 34 and 35, concentric respectively to the spacers 7, 8 and 9 and delineating with them chambers 36, 37 and 38 of ventilation air passage passing through the free portions of the grooves 32.
  • the inlet of the ventilation air is effected by channels 40 established between a flange 41 of the disk 3 located upstream and an additional spacer 42, associated with another labyrinth seal 43 upstream of the disc 3 and which is not part of the invention; and the output of this ventilation air is made towards the gas vein after having crossed the grooves 32 of the disk 4 furthest downstream.
  • the reference 44 designates a ventilation air inlet duct to the arrangement according to the invention, and holes 45 and 46 are provided in the extensions 17 and 18 of the end discs 3 and 4 to allow the ventilation air to refresh a chamber 47 inside the layout 2, including the intermediate discs 5 and 6 which are contained therein essentially.
  • the rings 33 to 35 comprise tabs 48 which extend radially outwards and penetrate into notches in the rolls 28 of the discs. They are thus retained in rotation.
  • Figure 3 illustrates a slightly different arrangement, where the rings 33 to 35 have disappeared as well as the separate chambers 36 to 38.
  • the ventilation air flows through the grooves 32 flow directly into the gas stream.
  • the spacers 7, 8 and 9 are then replaced by struts 107, 108 and 109 which resemble them but whose flange located upstream (26) is replaced by a collar 126 inverted, extending outwardly from the main portion of the spacer.
  • the principles and advantages of the assembly remain unchanged: in particular, the flanges 126 continue to rest on the flanges 28, and include housing 30 for passing elongated ends of the feet 31 of the blades to establish junction links, and they include retaining portions of the feet against sliding movements.
  • the assembly of the rotor arrangement 2 is very simple to do since it consists of stacking the discs, spacers and ferrules successively and to tighten the nut 22 only when the extensions 17 and 19 of the dikes extremes 3 and 4 were joined.

Description

  • Le sujet de cette invention est un aménagement de rotor d'une turbomachine.
  • Les aménagements de tels rotors comprennent souvent des disques individuels porteurs d'autant d'étages d'aubes mobiles et joints par des entretoises dont le rôle principal est d'établir une étanchéité en délimitant la veine des gaz. Les disques sont normalement munis de prolongements vers une structure centrale du rotor à laquelle ils sont fixés par des boulonnages. Ils comprennent aussi des collerettes s'étendant sous les entretoises et jointes entre elles par des boulonnages à leurs extrémités. Ils sont ainsi unis directement aux disques voisins, en plus de la liaison indirecte par la structure centrale du rotor. On observe cependant que cet aménagement est moins rigide que ce qu'on aurait pu espérer, ce qui est d'autant plus décevant que tous ces moyens de liaison boulonnés sont longs à monter et à démonter et représentent un poids important.
  • Un aménagement amélioré est proposé avec l'invention. Il s'agit, sous sa forme la plus générale, d'un aménagement de rotor comprenant une succession de disques porteurs d'aubes joints par des entretoises, caractérisé en ce que deux des disques, à des extrémités opposées de la succession, sont munis de prolongements de jonction à une structure centrale du rotor, les disques sont munis de rebords circulaires, les entretoises comprennent des collerettes posées sur les rebords, et les disques et les collerettes comprennent des réseaux complémentaires de dents de crabotage et de logements desdites dents autour des collerettes.
  • Le document FR1201123 décrit un aménagement de rotor comprenant une succession de disques porteurs d'aubes joints par des entretoises, les entretoises étant pourvues de moyens de liaison de centrage autour de l'axe de rotation du rotor et d'arrêt en rotation coopérant avec des moyens de liaison complémentaires situés sur ces disques.
  • La nouveauté essentielle de cet aménagement concerne donc la liaison entre les disques et les entretoises : les entretoises sont désormais des pièces rigides chargées de maintenir les disques intermédiaires et pourvues de moyens de liaisons de centrage autour de l'axe du rotor et d'arrêt en rotation coopérant avec des moyens complémentaires situés sur ces disques. Les liaisons boulonnées entre les disques peuvent donc disparaître, ainsi que les liaisons des disques intermédiaires à la structure centrale du rotor : les disques intermédiaires sont donc suspendus aux entretoises.
  • Quoique l'assemblage résultant puisse paraître lâche, il est plutôt plus rigide que les modes d'assemblage connus. Une raison est sans doute que les boulons utilisés jusqu'ici étaient en nombre relativement peu important, alors que les dents de crabotage peuvent, selon une forme de réalisation importante de l'invention, correspondre à des extrémités des pieds des aubes engagés dans des rainures individuelles des disques qui traversent le disque, ces extrémités débordant des rainures. La liaison de crabotage recourt alors à un grand nombre de dents, sans que l'aménagement en soit compliqué puisqu'il n'implique pas de pièces supplémentaires et impose seulement de prolonger les pieds des aubes par rapport à ce qu'on faisait auparavant.
  • Dans une forme d'aménagement particulièrement simple, les prolongements des disques extrêmes sont fuselés et se joignent l'un à l'autre par des brides de fixation mutuelle. L'aménagement selon l'invention est alors une structure unitaire et compacte qu'il est possible de joindre à la structure centrale du rotor par une seule bride boulonnée. De plus, les prolongements des disques extrêmes peuvent encore être joints par un réseau de dents de crabotage et de logement desdites dents afin d'assurer une liaison plus rigide directement entre les disques extrêmes.
  • D'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention seront maintenant décrits au moyen des figures :
    • la figure 1 est une vue d'une première réalisation de l'invention,
    • la figure 2 est une représentation du mode de liaison des disques aux entretoises,
    • et la figure 3 illustre un mode de réalisation légèrement différent de l'invention.
  • Le rotor considéré ici et représenté à la figure 1 comprend une structure centrale 1 d'un genre indifférent et composé normalement, dans les turbomachines connues, d'éléments assemblés par des boulonnages. L'aménagement conforme à l'invention porte la référence 2 générale et s'étend autour d'une portion de la structure centrale 1 ; ses éléments principaux consistent en deux disques extrêmes 3 et 4, deux disques intermédiaires 5 et 6 situés entre les précédents, et trois entretoises 7, 8 et 9 reliant les disques (respectivement 3 et 5, 5 et 6, 6 et 4) respectivement deux à deux. Les disques 3, 4, 5 et 6 sont sensiblement plats, parallèles et disposés en succession ; ils sont tous destinés à porter des étages d'aubes mobiles 10 s'étendant dans la veine des gaz entre des étages d'aubes fixes 11. Les entretoises 7, 8 et 9 portent ici des léchettes 12, c'est-à-dire des crêtes circulaires de joints à labyrinthe pénétrant dans des couronnes de matière abradable 13 situées autour des étages d'aubes fixes 11 pour établir une étanchéité et rendre difficile l'écoulement des gaz qui contournerait les aubes fixes 11 et produirait des pertes de rendement. Tous ces détails, étant bien connus, ne feront pas l'objet d'une description plus abondante.
  • Il est plus utile de mentionner que seuls les disques extrêmes 3 et 4 sont munis, outre leurs éléments normaux comprenant une couronne extérieure 14, une couronne intérieure 15 et une toile 16 joignant les deux couronnes, d'un prolongement 17 ou 18, partant de la couronne 15 et s'étendant radialement vers l'intérieur, tout en ayant une forme conique fuselée pour converger l'un vers l'autre ; le prolongement 18 du disque 4 comprend une bague 19 d'extrémité qui s'engage sur une portée circulaire 20 du prolongement 17 du disque 3 et s'arrête contre une face de butée 21 de ce prolongement 17 ; un écrou 22 est vissé sur une face filetée 23 du prolongement 17 s'étendant derrière la portée 20 et retient la bague 19 contre la face de butée 21. De plus, la bague 19 et le prolongement 17 sont munis de dents s'imbriquant dans des logements intermédiaires pour former un crabotage 24 circulaire. Cette liaison permet de maintenir fermement les disques 3 et 4 à une position immuable. Le prolongement 17 continue de s'étendre vers le centre du rotor, et s'unit à la structure centrale 1 par un agencement de brides boulonnées 25.
  • Les disques intermédiaires 5 et 6 sont dépourvus de tels prolongements vers l'intérieur et ne sont donc unis directement ni aux autres disques ni à la structure centrale 1 du rotor. Ils ne sont soutenus que par les entretoises 7, 8 et 9 au moyen de jonctions qu'on décrit maintenant au moyen de la figure 2.
  • Les entretoises 7, 8 et 9 sont munies de collerettes planes 26 et 27 qui s'étendent radialement vers l'intérieur à partir de leurs extrémités opposées. Elles s'appuient sur des rebords circulaires d'extension axiale 28 et 29 des disques 3, 4, 5 et 6 qui leur font face. Les collerettes 26 et 27 sont munies de logements 30 dans lesquels pénètrent des extrémités de pieds 31 des aubes mobiles 10. L'aménagement souvent employé pour assembler des aubes mobiles à un disque - et qui consiste à opérer des rainures 32 traversant la couronne extérieure du disque en direction axiale ou oblique et dont la section a une forme bulbeuse, en queue d'arronde, en sapin ou analogue, s'ouvrant à l'extérieur du disque par un col resserré et retenant un pied d'une aube mobile - est ici perfectionné en ce que les pieds 31 sont allongés à une partie de leur section et débordent des rainures 32. On remarque aussi qu'il n'existe pas de moyen spécifique pour empêcher le glissement des pieds 31 dans les rainures 32, cette fonction étant assurée par les collerettes 26 et 27 dont les faces externes butent contre les faces latérales des couronnes extérieures 14 et arrêtent donc les mouvements des aubes mobiles 10 en barrant une portion des rainures occupée par une portion non allongée des pieds 31.
  • Le vissage de l'écrou 22 maintient la cohésion de l'assemblage en direction axiale par la butée des disques de 3 à 6 et des entretoises 7 à 9 aux collerettes 26 et 27. Leur centrage est garanti par l'appui des collerettes 26 et 27 contre les rebords 28 et 29 en direction radiale. Enfin, les rotations sont interdites par les crabotages faisant intervenir les dents constituées par les extrémités allongées des pieds 31 des aubes mobiles 10 et les logements 30 correspondant des collerettes 26 et 27, qui confèrent une rigidité supérieure en torsion à l'assemblage. Il convient aussi de revenir sur le crabot 24 réalisé entre les prolongements 17 et 18 des disques extrêmes 3 et 4. Il présente l'utilité d'établir une liaison directe d'arrêt en rotation entre les disques extrêmes 3 et 4 et contribue donc à la rigidité en torsion. Il n'est pourtant pas nécessaire puisque des crabotages analogues existent aux jonctions entre les disques 3 à 6 et les entretoises 7 à 9 ; s'il est tout de même présent, il peut contribuer à rendre l'assemblage hyperstatique, et on peut alors conseiller de supprimer un des autres crabotages, par exemple un de ceux de l'entretoise 8 centrale.
  • En revenant à la figure 1, on voit que l'agencement est complété par des viroles 33, 34 et 35, concentriques respectivement aux entretoises 7, 8 et 9 et délimitant avec elles des chambres 36, 37 et 38 de passage d'air de ventilation traversant des portions libres des rainures 32. L'entrée de l'air de ventilation s'effectue par des canaux 40 établis entre une bride 41 du disque 3 situé le plus en amont et une entretoise supplémentaire 42, associée à un autre joint à labyrinthe 43 en amont du disque 3 et qui ne fait pas partie de l'invention ; et la sortie de cet air de ventilation s'effectue vers la veine de gaz après avoir franchi les rainures 32 du disque 4 le plus en aval. La référence 44 désigne un conduit d'entrée de l'air de ventilation devant l'aménagement conforme à l'invention, et des perçages 45 et 46 sont prévus dans les prolongements 17 et 18 des disques extrêmes 3 et 4 pour permettre à l'air de ventilation de rafraîchir une chambre 47 à l'intérieur de l'aménagement 2, et notamment les disques intermédiaires 5 et 6 qui y sont contenus pour l'essentiel. Les viroles 33 à 35 comprennent des pattes 48 qui s'étendent radialement vers l'extérieur et pénètrent dans des encoches ménagées dans les reports 28 des disques. Elles sont ainsi retenues en rotation.
  • La figure 3 illustre un aménagement un peu différent, où les viroles 33 à 35 ont disparu de même que les chambres séparées 36 à 38. Les débits d'air de ventilation traversant les rainures 32 s'écoulent directement dans la veine des gaz. Les entretoises 7, 8 et 9 sont alors remplacées par des entretoises 107, 108 et 109 qui leur ressemblent mais dont la collerette située en amont (26) est remplacée par une collerette 126 inversée, s'étendant vers l'extérieur à partir de la portion principale de l'entretoise. Les principes et les avantages de l'assemblage restent inchangés : notamment, les collerettes 126 continuent de s'appuyer sur les rebords 28, et comprennent des logements 30 de passage d'extrémités allongées des pieds 31 des aubes pour établir des liaisons de crabotage, et elles comprennent des portions de retenue des pieds contre les mouvements coulissants.
  • Il convient d'ajouter que l'assemblage de l'aménagement de rotor 2 est très simple à faire puisqu'il consiste à empiler les disques, entretoises et viroles successivement et à serrer l'écrou 22 unique quand les prolongements 17 et 19 des digues extrêmes 3 et 4 ont été joints.

Claims (7)

  1. Aménagement de rotor comprenant une succession de disques (3, 4, 5, 6) porteurs d'aubes (10) joints par des entretoises (7, 8, 9), la succession de disques comportant deux disques (3, 4) à des extrémités opposées de la succession et au moins un disque intermédiaire (5, 6), les entretoises étant pourvues de moyens de liaison de centrage (26, 27) autour de l'axe de rotation du rotor et d'arrêt en rotation (31) coopérant avec des moyens de liaison complémentaires (28, 29, 30) situés sur les disques,
    caractérisé en ce que les deux disques (3, 4), à des extrémités opposées de la succession, sont munis de prolongements (17, 18) coniques fuselés se joignant l'un à l'autre par des brides de fixation mutuelle et en ce que le disque intermédiaire (5, 6) est suspendu aux entretoises.
  2. Aménagement de rotor selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les disques (3, 4, 5, 6) sont munis de rebords (28, 29) circulaires et les entretoises (7, 8, 9) comprennent des collerettes (26, 27) s'emboîtant avec les rebords, les disques et les collerettes comprenant des réseaux complémentaires de dents de crabotage (31) et de logements (30) desdites dents autour des collerettes (26, 27).
  3. Aménagement selon la revendication 2, caractérisé en ce que les dents correspondent à des extrémités de pieds des aubes engagés dans des rainures (32) individuelles des disques et traversant les disques, et débordant des rainures.
  4. Aménagement selon la revendication 3, caractérisé en ce que les collerettes des entretoises sont dirigées vers l'intérieur radialement, et des viroles (33, 34, 35) relient les disques en étant concentriques aux entretoises, les viroles et les entretoises délimitant des chambres de ventilation (36, 37, 38) dans lesquelles les rainures débouchent.
  5. Aménagement selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'une des entretoises (8) comprend un crabotage à une seule des collerettes.
  6. Aménagement selon l'une quelconque des revendications 2 à 5. caractérisé en ce que les collerettes des entretoises sont dirigées l'une (27) vers l'inténeur et l'autre (26) vers l'extérieur.
  7. Aménagement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les prolongements sont aussi joints par un réseau de dents de crabotage (24) et de logements desdites dents.
EP03290117A 2002-01-17 2003-01-17 Amenagement de rotor d'une turbomachine Expired - Lifetime EP1329589B1 (fr)

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EP1329589A1 EP1329589A1 (fr) 2003-07-23
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EP (1) EP1329589B1 (fr)
DE (1) DE60304305T2 (fr)
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FR (1) FR2834751B1 (fr)

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