EP1469165A1 - Réduction de jeux dans une turbine à gaz - Google Patents

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EP1469165A1
EP1469165A1 EP04290819A EP04290819A EP1469165A1 EP 1469165 A1 EP1469165 A1 EP 1469165A1 EP 04290819 A EP04290819 A EP 04290819A EP 04290819 A EP04290819 A EP 04290819A EP 1469165 A1 EP1469165 A1 EP 1469165A1
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gas turbine
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blades
casing
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Claude Daniel Nottin
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Safran Aircraft Engines SAS
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SNECMA Moteurs SA
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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
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/20—Specially-shaped blade tips to seal space between tips and stator
    • 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
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/284—Selection of ceramic materials

Definitions

  • the invention essentially relates to means for reducing clearances between the tops of the movable blades and the internal surface of the housing a gas turbine, such as a high pressure turbine for a aircraft engine.
  • heels peripherals at the top of the blades to limit radial clearances between the tops of the blades and a layer of abradable material carried by a ring fixed to the turbine housing.
  • These heels may include circumferential ribs or wipers which are substantially in contact abradable material to ensure an axial seal between the casing and the tops of the moving blades.
  • this radial clearance can vary locally between a value minimum and a maximum value, following an ovalization of the casing, a difference in the height of the blades, a lack of concentricity between the casing and turbine wheel, etc ...
  • the object of the invention is in particular to provide a simple solution, satisfactory and economical to these problems.
  • a gas turbine in particular for an engine. aircraft, comprising a turbine wheel rotatably mounted in a casing and carrying vanes whose vertices are at a radial distance small of an internal surface of the casing, and means for reducing clearances between the tips of the blades and the inner surface of the housing, characterized in that these play reduction means include heels mounted radially sliding at the top of the blades and guided in an annular groove in the housing.
  • the heels are automatically biased towards the inner surface casing by centrifugal forces without exerting any force on the vanes wheel. This avoids the mechanical vibration problems encountered in moving blade turbines with fixed peripheral heels and the performance of the turbine is increased by eliminating the clearances radial between the tips of the blades and the inner surface of the housing.
  • the heels are in lightweight and resistant to wear and high temperature material, material preferably being a ceramic.
  • the heels above each have a curved plate intended to extend the along the inside surface of the housing.
  • This curved plate has a surface larger than that of the top of the blade on which it is mounted, which further improves the sealing axial above between the tips of the blades and the inner surface of the casing.
  • At least two parallel ribs circumferential wipers are presented by the face of this plate facing the internal face of the housing.
  • each heel aforementioned is at least partially fitted into a bathtub formed at dawn summit.
  • each heel above is fitted on the top of dawn.
  • the invention proposes, as shown in FIGS. 3 to 5, to mount a radially sliding peripheral heel 26 at the top of dawn 10, this peripheral heel 26 being partially inserted or housed in the bath 20 at the top of dawn 10.
  • the heel 26 mounted at the end of the blade 10 is partially housed and guided in an annular groove or groove 34 in the ring 16, at the bottom of which is arranged the layer 18 of abradable material.
  • This montage holds the heel 30 in place at the end of the blade 10, both in the direction of axial than in radial direction.
  • the heels 26 are rotated around of the axis of the turbine with the blades 10 and are subjected to forces centrifugals which apply them to the layer 18 of abradable material.
  • the cooling air of the blade 10 which leaves through the dusting orifices formed in the bottom of the bath 20, circulates in passages which are formed between the heel 26 and the side walls 36 of the bath and thus contributes to the cooling of these walls.
  • the plates 30 forming the radially outer parts of the heels 26 may have a greater or lesser extent relative to the dimensions of the tips of the blades 10 and, if necessary, these plates 30 may include a reinforcement, for example metallic, of stiffening.
  • the heels 26 can be kept on the vertices of the blades by gluing or by a link such as a rod or a strapping, surrounding the heels 26 and the crown of blades.

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Abstract

Turbine à gaz, en particulier turbine haute pression pour moteur d'aéronef, comprenant des aubes mobiles (10) dont les sommets sont équipés de talons (26) radialement coulissants destinés à être appliqués en fonctionnement par des forces centrifuges sur la surface intérieure du carter (16) de la turbine pour supprimer les jeux radiaux entre cette surface et les sommets des aubes (10). <IMAGE>

Description

L'invention concerne essentiellement des moyens de réduction de jeux entre les sommets des aubes mobiles et la surface interne du carter d'une turbine à gaz, telle notamment qu'une turbine haute pression pour un moteur d'aéronef.
Dans ce type de turbine, il est connu de fixer des talons périphériques au sommet des aubes pour limiter des jeux radiaux entre les sommets des aubes et une couche de matériau abradable portée par un anneau fixé au carter de la turbine. Ces talons peuvent comporter des nervures circonférentielles ou léchettes qui sont sensiblement au contact du matériau abradable pour assurer une étanchéité axiale entre le carter et les sommets des aubes mobiles.
Ces talons périphériques ont pour inconvénient de former une masse supplémentaire en périphérie de la roue de turbine, cette masse étant soumise à des forces centrifuges en fonctionnement et posant des problèmes de tenue mécanique et de comportement vibratoire des aubes mobiles.
La suppression de ces talons impose de réduire le jeu radial précité au montage (jeu à froid), avec un risque de contact entre les sommets des aubes et le carter en fonctionnement et un risque correspondant de détérioration de la turbine, ou de recourir à des moyens de contrôle actif de jeu, qui sont chers, lourds et difficiles à maítriser. A défaut, le jeu radial entre les sommets des aubes et le carter peut être relativement important, ce qui se traduit par une dégradation correspondante des performances de la turbine.
En outre, ce jeu radial peut varier localement entre une valeur minimum et une valeur maximum, par suite d'une ovalisation du carter, d'une différence de hauteur des pales, d'un défaut de concentricité entre le carter et la roue de turbine, etc...
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, satisfaisante et économique à ces problèmes.
Elle propose à cet effet une turbine à gaz, en particulier pour moteur d'aéronef, comprenant une roue de turbine montée à rotation dans un carter et portant des aubes dont les sommets sont à une distance radiale faible d'une surface intérieure du carter, et des moyens de réduction des jeux entre les sommets des aubes et la surface intérieure du carter, caractérisé en ce que ces moyens de réduction des jeux comprennent des talons montés radialement coulissants au sommet des aubes et guidés dans une rainure annulaire du carter.
Dans la turbine selon l'invention, à la mise en rotation de la roue de turbine, les talons sont automatiquement sollicités vers la surface intérieure du carter par des forces centrifuges sans exercer d'effort sur les aubes de la roue. On évite ainsi les problèmes mécaniques vibratoires rencontrés dans les turbines à aubes mobiles équipées de talons périphériques fixes et on augmente les performances de la turbine par suppression des jeux radiaux entre les sommets des aubes et la surface intérieure du carter.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les talons sont en matériau léger et résistant à l'usure et aux températures élevées, ce matériau étant de préférence une céramique.
On assure ainsi un maintien dans le temps de l'étanchéité axiale entre les sommets des aubes et la paroi intérieure du carter et on garantit dans le temps les performances de la turbine.
Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les talons précités comportent chacun une plaque incurvée destinée à s'étendre le long de la surface intérieure du carter.
Cette plaque incurvée a une surface supérieure à celle du sommet de l'aube sur laquelle elle est montée, ce qui améliore encore l'étanchéité axiale précitée entre les sommets des aubes et la surface intérieure du carter.
Avantageusement, au moins deux nervures parallèles circonférentielles formant léchettes sont présentées par la face de cette plaque tournée vers la face interne du carter.
Ces léchettes réduisent encore la section de passage de l'air entre les sommets des aubes et la surface intérieure du carter.
Dans un premier mode de réalisation de l'invention, chaque talon précité est au moins partiellement emboíté dans une baignoire formée au sommet de l'aube.
Dans ce cas, le talon délimite avantageusement avec les parois de la baignoire des passages de circulation d'air de refroidissement qui sont alimentés par des canaux débouchant dans le fond de la baignoire au moyen d'orifices de dépoussiérage.
Dans une autre forme de réalisation de l'invention, applicable au cas où les aubes ne comportent pas de baignoire à leur sommet, chaque talon précité est emboíté sur le sommet de l'aube.
L'invention est applicable aux turbines dont les surfaces internes de carter définissent des veines à section cylindrique constante ou à section divergente.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaítront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels :
  • la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale représentant le jeu radial entre le sommet d'une aube mobile et la surface cylindrique interne d'un carter de turbine ;
  • la figure 2 est une vue de dessus du sommet de l'aube de la figure 1 ;
  • la figure 3 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un premier mode de réalisation de l'invention ;
  • la figure 4 est une vue de dessus du sommet de l'aube de la figure 3 :
  • la figure 5 est une vue schématique partielle en coupe axiale à plus grande échelle du sommet de l'aube des figures 3 et 4 ;
  • la figure 6 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'une variante de réalisation de l'invention.
On se réfère d'abord aux figures 1 et 2 qui représentent schématiquement la technique antérieure à la présente invention, la référence 10 désignant une aube d'une roue de turbine haute pression montée en rotation autour d'un axe 12 dans un carter 14 comprenant un anneau métallique fixe 16 entourant la roue de turbine et dont la surface cylindrique interne est recouverte d'une couche 18 d'un matériau abradable d'un type bien connu dans la technique.
Le sommet de l'aube 10 est situé à distance relativement très faible de la couche 18 de matériau abradable et comporte une cavité 20 appelée "baignoire" dans la technique, dont le fond comporte des orifices de dépoussiérage 22, formant les sorties de conduits de circulation d'air de refroidissement qui sont ménagés dans l'aube 10.
Comme indiqué plus haut, le jeu radial 24 entre le sommet de l'aube 10 et la couche 18 de matériau abradable formant la surface intérieure du carter doit être aussi réduit que possible pour éviter toute dégradation des performances de la turbine.
Pour cela, l'invention propose, comme représenté aux figures 3 à 5, de monter un talon périphérique 26 radialement coulissant au sommet de l'aube 10, ce talon périphérique 26 étant partiellement inséré ou logé dans la baignoire 20 du sommet de l'aube 10.
Dans le mode de réalisation représenté aux figures 3 à 5, ce talon 26 comprend une partie radialement interne 28 insérée dans la baignoire 20 de l'aube 10 et une partie radialement externe 30 en forme de plaque incurvée en portion de cylindre, à contour parallélépipédique comme représenté en figure 4, qui s'étend le long de la couche 18 de matériau abradable à très faible distance de celle-ci et qui a une aire ou superficie dans le plan de la figure 4 notablement supérieure à celle de la partie 28 insérée dans la baignoire 20.
La face radialement extérieure de cette plaque 30 est formée avec des nervures parallèles circonférentielles 32, par exemple au nombre de deux comme représenté, dont les sommets sont au contact de la couche 18 de matériau abradable et forment avec celle-ci un joint à labyrinthe destiné à empêcher toute circulation d'air dans le sens axial entre la plaque 30 et la couche 18 de matériau abradable pendant le fonctionnement de la turbine.
Le talon 26 monté en bout de l'aube 10 est logé partiellement et guidé dans une rainure ou gorge annulaire 34 de l'anneau 16, au fond de laquelle est disposée la couche 18 de matériau abradable. Ce montage maintient en place le talon 30 en bout de l'aube 10, aussi bien en direction axiale qu'en direction radiale.
Les talons 26 sont réalisés en une matière de préférence légère et résistant à l'usure ainsi qu'aux températures élevées, cette matière étant en particulier une céramique.
En fonctionnement, les talons 26 sont entraínés en rotation autour de l'axe de la turbine avec les aubes 10 et sont soumis à des forces centrifuges qui les appliquent sur la couche 18 de matériau abradable.
L'appui des sommets des nervures 32 sur la couche 18 se traduit par une suppression des jeux radiaux de passage d'air en direction axiale entre les sommets des aubes 10 et la surface intérieure du carter, ce qui augmente les performances de la turbine. Cet appui des talons 26 sur la couche 18 n'impose aucun effort supplémentaire aux aubes 10.
Par ailleurs, le montage coulissant des talons 26 sur les sommets des aubes permet une adaptation automatique aux défauts géométriques des pales et de l'anneau, dus par exemple à une ovalisation du carter, à des différences de hauteur des pales, à un défaut de concentricité du carter et de la roue de turbine, etc...
Comme on l'a représenté en figure 5, l'air de refroidissement de l'aube 10 qui sort par les orifices de dépoussiérage formés dans le fond de la baignoire 20, circule dans des passages qui sont formés entre le talon 26 et les parois latérales 36 de la baignoire et contribue ainsi au refroidissement de ces parois.
Dans la variante de réalisation de la figure 6, le sommet de l'aube 10 ne comprend pas de baignoire et le talon périphérique 26 est alors emboíté sur le sommet de l'aube 10 et vient par exemple coiffer une nervure périphérique 38 du sommet de l'aube.
Comme précédemment, le talon 26 comporte des léchettes 32 sur sa face radialement externe et est guidé et retenu dans une rainure ou gorge annulaire 34 de l'anneau 14.
En variante, les moyens d'insertion ou d'emboítement des talons 26 sur les sommets des aubes 10 sont dimensionnés et conformés de façon appropriée pour éviter à eux seuls tout risque de désemboítement des talons. Dans ce cas, les gorges annulaires 34 formées dans la surface intérieure du carter sont une garantie supplémentaire de retenue des talons et pourraient éventuellement être supprimées.
Les plaques 30 formant les parties radialement externes des talons 26 peuvent avoir une étendue plus ou moins grande par rapport aux dimensions des sommets des aubes 10 et, si nécessaire, ces plaques 30 peuvent comporter une armature, par exemple métallique, de rigidification.
Pour le montage, les talons 26 peuvent être maintenus sur les sommets des aubes par collage ou par un lien tel qu'un jonc ou un cerclage, entourant les talons 26 et la couronne d'aubages.

Claims (13)

  1. Turbine à gaz, en particulier pour moteur d'aéronef, comprenant une roue montée en rotation dans un carter (14,16) et portant des aubes (10) dont les sommets sont à une distance radiale faible d'une surface intérieure du carter, et des moyens de réduction des jeux entre les sommets des aubes et la surface intérieure du carter, caractérisée en ce que les moyens de réduction des jeux comprennent des talons (26) montés radialement coulissants au sommet des aubes (10) et guidés dans une rainure annulaire (34) du carter (14, 16).
  2. Turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que les talons (26) sont en matériau léger et résistant à l'usure et aux températures élevées.
  3. Turbine à gaz selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les talons (26) sont en céramique.
  4. Turbine à gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les talons (26) comprennent des parties radialement externes (30) en forme de plaques incurvées, destinées à s'étendre le long de la surface intérieure du carter.
  5. Turbine à gaz selon la revendication 4, caractérisée en ce que la partie radialement externe (30) en forme de plaque des talons (26) comprend une armature de rigidification.
  6. Turbine à gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque talon comporte des nervures parallèles circonférentielles (32) formant léchettes sur sa face tournée vers la surface intérieure du carter.
  7. Turbine à gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface intérieure du carter en regard des talons (26) comprend une couche (18) de matériau abradable.
  8. Turbine à gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les talons (26) sont emboítés sur les sommets des aubes (10).
  9. Turbine à gaz, en particulier à gaz selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les talons (26) sont au moins partiellement insérés dans des baignoires (20) formées au sommet des aubes (10).
  10. Turbine à gaz selon la revendication 9, caractérisée en ce que les talons (26) délimitent avec les parois (36) des baignoires (20), des passages de circulation d'air de refroidissement, alimentés par des canaux débouchant dans le fond des baignoires.
  11. Turbine à gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (20,34,38) de maintien axial et radial des talons (26) sur les sommets des aubes (10).
  12. Turbine à gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, pour le montage, les talons (26) sont maintenus sur les sommets des aubes par collage ou par un lien entourant les aubes.
  13. Turbine à gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface intérieure du carter en regard des talons (26) est cylindrique divergente ou à section constante.
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