EP1662093A1 - Montage de secteurs de distributeur dans un compresseur axial - Google Patents

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EP1662093A1
EP1662093A1 EP05111187A EP05111187A EP1662093A1 EP 1662093 A1 EP1662093 A1 EP 1662093A1 EP 05111187 A EP05111187 A EP 05111187A EP 05111187 A EP05111187 A EP 05111187A EP 1662093 A1 EP1662093 A1 EP 1662093A1
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tongue
compressor according
housing
groove
compressor
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Guy Vieillefond
Christophe Yvon Gabriel Tourne
Bertrand Jean Joseph Marie Heurtel
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Safran Aircraft Engines 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
    • F01D25/246—Fastening of diaphragms or stator-rings
    • 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
    • F01D25/26—Double casings; Measures against temperature strain in casings
    • 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
    • F04D29/60—Mounting; Assembling; Disassembling
    • F04D29/64—Mounting; Assembling; Disassembling of axial pumps
    • F04D29/644—Mounting; Assembling; Disassembling of axial pumps especially adapted for elastic fluid pumps

Definitions

  • the present invention relates to the field of gas turbine engines, in particular aeronautical turbomachines. It is aimed at mounting sectors of compressor distributors inside the housing of the latter.
  • Such an engine comprises a compressor supplying air to a combustion chamber.
  • the combustion gases which are derived from it, then pass through a succession of turbine stages.
  • Turbine rotors drive among other things the compressor rotors.
  • the mobile stages consisting of rotor blades arranged radially in successive transverse planes, alternate with fixed distributors.
  • a distributor consists of stator vanes arranged radially between two concentric platforms delimiting the annular gas stream and which axially rectify the flow between two stages.
  • the annular rectifiers of the compressor are subdivided into sectors each extending over a portion of the ring.
  • an engine compressor distributor is for example consisting of 10 sectors of 9 blades each.
  • the sectors are maintained inside the casing by the outer platforms with a tongue and groove type system, both on the upstream edge and on the downstream edge of the platforms.
  • the upstream and the downstream are defined with respect to the direction of the gas flow.
  • the casing surrounding the compressor is generally frustoconical in two half parts or shells which are bolted together along longitudinal flanges arranged in a plane passing through the axis of rotation of the compressor.
  • annular groove with axially oriented opening is machined in a flange secured to the inner wall of the housing or in a fixed part relative to the housing, and houses a tongue in a ring arc, secured to the outer platform of the sector.
  • the groove and the tongue can be reversed.
  • a connection of this type has the disadvantage of causing significant wear to the parts that are in contact with each other, due to their relative displacements due to thermal variations during the different phases of operation of the engine.
  • a solution to this problem is to immobilize the sectors of a rectifier relative to the housing, independently of each other by providing a fixing point on each of the sectors.
  • FIG. 1 shows an embodiment according to the prior art.
  • the compressor 1 comprises several mobile stages 2 alternating with rectifiers 4, 4 ', inside a housing 3.
  • the housing 3 for example consists of two half casings maintained by longitudinal flanges.
  • each rectifier sector comprises a plurality of vanes 43, 43 ', suspended on an outer platform 45, 45'.
  • This platform 45, 45 ' is maintained upstream by a first link 46, 46', groove and tongue and, downstream, by a second link groove and tongue 48, 48 '.
  • the stage 4 ' comprises downstream an air intake.
  • This service air is channeled from the opening to other members whose other parts of the engine require an air supply, for example to cool the rotor or the blades of the high pressure turbine stage.
  • Blocking sectors is obtained by locks to the right half casings. As a result of the expansion phenomena, there is wear of the grooves.
  • the problem is acute for the compressor stage 4 'which includes an opening for the service air intake.
  • the geometry of the outer platform at the level of the fastener on the housing would in this case be particularly complex and difficult to produce industrially.
  • the invention relates to a means ensuring both the sealing of the outer platform and the individual maintenance of each dispenser sector while being simple to achieve and robust.
  • the invention is particularly applicable to the compressor stage in which is provided an air intake opening.
  • an axial gas turbine engine compressor comprising a housing and at least one distributor wheel consisting of a plurality of sectors in ring arcs with radial stator vanes, integral with a flat external form, characterized in that said platform is retained in the casing by two links of the tongue and groove type, one upstream and the other downstream of the stator vanes, said downstream connection being formed between a transverse flange provided on the outer platform, and a flange formed on the housing, a fastening means ensuring clamping between the two flanges.
  • said connection is formed by an axially open groove formed in the flange of the housing and the tongue is formed on the flange of the outer platform.
  • the fastening means comprises a bolt passing through the two flanges.
  • the solution of the invention has the advantage of ensuring a particularly effective immobilization of each of the sectors, with its guidance along the grooves during the expansion phases , without introducing complexity into the room.
  • the tongue can be made thicker so as to allow the drilling of an orifice. This thickness further strengthens the sector's performance.
  • the bolt is disposed axially, and more specifically it passes through the tongue and the bottom of the groove.
  • the tongue is thus clamped in support in the bottom of the groove. It is advantageously adjusted sliding on its outer diameter with a slight clearance on its inside diameter. This arrangement makes it possible to maintain the sectors in place and to ensure aerodynamic vein positioning, without introducing any particular mechanical constraints in operation.
  • the fastening means comprises two bolts.
  • the fixing means is formed in the middle part of the sector, the sector being able to expand freely on both sides of the fixing means.
  • the mounting is preferably applied to the sectors of the distributor providing an air intake.
  • FIG. 2 shows the part of a compressor including the assembly of the invention.
  • This compressor is integrated in a gas turbine engine that is not shown.
  • the air from the lower stages is compressed and then directed to the upper stages of the compressor supplying the combustion chamber of the engine as is known.
  • the housing 13 is here of the type with two half-casings bolted along longitudinal flanges 131. This housing element is bolted to a downstream casing 14 by transverse flanges 132 and 142 respectively.
  • the casing surrounds the rotor 12 on which we can see two mobile stages 121 and 122 whose blades scan the volume defined by the annular plates 121 'and 122' of sealing. Between the two mobile stages, a fixed rectifier ensures the guiding of air and its axial rectification, from stage 121 to the next stage 122.
  • the rectifier consists of a plurality of annular sectors 15, seen in perspective in Figure 3.
  • Each sector 15 comprises stator vanes 151 extending between two platforms: a lower platform 150 on the side of the motor shaft and an outer platform 152 on the housing side.
  • the sector is maintained in the housing by an upstream tongue and groove connection 153. This connection comprises a groove 153 'formed along the upstream edge of the platform 152, and a tongue on the downstream edge of the wafer 121' surrounding the mobile floor 121.
  • the platform 151 Downstream, the platform 151 has a flared shape and maintains an air intake opening with the plate 122 'annular of the downstream mobile stage 122.
  • the platform comprises on its outer face a transverse flange 154 as seen on the Figure 3. This flange is extended upstream by an axial tongue 155 on the entire platform. This tongue is pierced with two holes 154 'and 154 "axial in the central zone of the sector.
  • the tongue 155 cooperates with a groove 135 formed in a transverse flange 133 of the housing 13. It is seen in Figure 2, the tongue housed in the groove 135.
  • the width of the annular groove 135 allows a precise adjustment of the tongue.
  • the tab is adjusted sliding in the groove on its outer diameter, with a slight clearance on its inside diameter.
  • two bolts 20 have been introduced into the bores 154 'and 154 ", one of which is seen in FIG 2. The bolts are tightened so as to restrain any movement of the sector relative to the casing.
  • This arrangement allows a tangential expansion of the sector which is guided by the tongue-and-groove connection, its central fixation thus allowing tangential expansion without the creation of mechanical stresses. be provided cold between two adjacent sectors so that there is no interference between them in operation.

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Abstract

La présente invention porte sur un compresseur axial de moteur à turbine à gaz comprenant un carter et une roue de distributeur constituée d'une pluralité de secteurs (15) en arcs d'anneau avec des aubes de stator (151) radiales solidaires d'une plateforme extérieure (152), caractérisé par le fait que ladite plateforme (152) est retenue dans le carter par deux liaisons du type à languette et rainure, l'une en amont et l'autre en aval des aubes de stator, ladite liaison aval étant formée entre une bride (154) transversale ménagée sur la plateforme extérieure et une bride (133) ménagée sur le carter (13), un moyen de fixation (20) assurant un serrage entre les deux brides (133 et 154). De préférence le moyen de fixation est un boulon.
L'invention permet d'assurer un maintien efficace du secteur de manière à éviter l'usure des surfaces en contact. La solution est simple à réaliser.

Description

  • La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz, notamment des turbomachines aéronautiques. Elle vise le montage de secteurs de distributeurs de compresseur à l'intérieur du carter de ce dernier.
  • Un tel moteur comprend un compresseur alimentant en air une chambre de combustion. Les gaz de combustion, qui en sont issus, passent ensuite dans une succession d'étages de turbines. Les rotors de turbine entraînent entre autres organes les rotors du compresseur.
  • Dans une turbomachine axiale, telle qu'un compresseur, les étages mobiles, constitués d'aubes rotoriques disposées radialement dans des plans transversaux successifs, alternent avec des distributeurs fixes. Un distributeur est constitué d'aubes de stator disposées radialement entre deux plateformes concentriques, délimitant la veine annulaire de gaz, et qui redressent axialement le flux entre deux étages.
  • Dans un moteur à turbosoufflante, le CFM56 par exemple, actuellement exploité, les redresseurs annulaires du compresseur sont subdivisés en secteurs s'étendant chacun sur une portion de l'anneau. Pour fixer les idées, un distributeur de compresseur du moteur est par exemple constitué de 10 secteurs de 9 aubes chacun. Les secteurs sont maintenus à l'intérieur du carter par les plateformes extérieures avec un système de type languette et rainure, à la fois sur le bord amont et sur le bord aval des plateformes. L'amont et l'aval sont définis par rapport au sens de l'écoulement gazeux. Le carter enveloppant le compresseur est de forme générale tronconique en deux demi parties ou coquilles qui sont boulonnées entre elles le long de brides longitudinales disposées dans un plan passant par l'axe de rotation du compresseur. Dans une liaison de type languette et rainure, une rainure annulaire avec ouverture orientée axialement est usinée dans une bride solidaire de la paroi interne du carter ou bien dans une pièce fixe par rapport au carter, et loge une languette en arc d'anneau, solidaire de la plateforme extérieure du secteur. La rainure et la languette peuvent être inversées.
  • Une liaison de ce type présente l'inconvénient de faire subir une usure importante aux pièces qui sont en contact les unes avec les autres, en raison de leurs déplacements relatifs dus aux variations thermiques pendant les différentes phases de fonctionnement du moteur.
  • Une solution à ce problème est d'immobiliser les secteurs d'un redresseur par rapport au carter, indépendamment les uns des autres en ménageant un point de fixation sur chacun des secteurs.
  • On a représenté sur la figure 1 une réalisation selon l'art antérieur. Le compresseur 1 comprend plusieurs étages mobiles 2 alternant avec des redresseurs 4, 4', à l'intérieur d'un carter 3. Le carter 3 par exemple est constitué de deux demi carters maintenus par des brides longitudinales. Ici, chaque secteur de redresseur comprend une pluralité d'aubes fixes 43, 43', suspendues à une plateforme extérieure 45, 45'. Cette plateforme 45, 45' est maintenue en amont par une première liaison 46, 46', à rainure et languette et, en aval, par une seconde liaison à rainure et languette 48, 48'. On note que l'étage 4' comprend en aval une prise d'air. Cet air de service est canalisé à partir de l'ouverture vers d'autres organes dont les autres parties du moteur nécessitant une alimentation en air, pour par exemple refroidir le rotor ou les aubes de l'étage de turbine haute pression. Le blocage des secteurs est obtenu par des verrous au droit des demi carters. Par suite des phénomènes de dilation, on constate une usure des rainures.
  • Un moyen déjà utilisé par ailleurs consiste à rendre la plateforme solidaire de l'enveloppe extérieure au moyen d'un boulon de liaison. Ce moyen permet de maintenir efficacement chaque secteur et réduit les déplacements relatifs entre les pièces. Cependant, cet agencement serait de géométrie assez complexe et la fabrication des pièces rendue onéreuse.
  • Le problème se pose de manière aigüe pour l'étage du compresseur 4' qui comprend une ouverture pour la prise d'air de service. La géométrie de la plate forme extérieure au niveau de l'attache sur le carter serait dans ce cas particulièrement complexe et difficile à réaliser industriellement.
  • L'invention a pour objet un moyen assurant à la fois l'étanchéité de la plateforme extérieure et le maintien individuel de chaque secteur de distributeur tout en étant simple à réaliser et robuste. L'invention doit s'appliquer en particulier à l'étage du compresseur dans lequel est ménagée une ouverture de prise d'air.
  • On parvient à réaliser cet objectif avec un compresseur axial de moteur à turbine à gaz comprenant un carter et au moins une roue de distributeur constituée d'une pluralité de secteurs en arcs d'anneau avec des aubes de stator radiales, solidaires d'une plate forme extérieure, caractérisé par le fait que ladite plateforme est retenue dans le carter par deux liaisons du type à languette et rainure, l'une en amont et l'autre en aval des aubes de stator, ladite liaison aval étant formée entre une bride transversale ménagée sur la plateforme extérieure, et une bride ménagée sur le carter, un moyen de fixation assurant un serrage entre les deux brides. En particulier, ladite liaison est formée par une rainure à ouverture axiale ménagée dans la bride du carter et la languette est ménagée sur la bride de la plateforme extérieure. De préférence, le moyen de fixation comprend un boulon traversant les deux brides.
  • En regroupant la liaison à rainure et languette avec le point de fixation du secteur, la solution de l'invention présente l'avantage d'assurer une immobilisation particulièrement efficace de chacun des secteurs, avec son guidage le long des rainures pendant les phases de dilatation, sans introduire de complexité dans la pièce. On peut notamment rendre la languette plus épaisse de façon à permettre le perçage d'un orifice. Cette épaisseur renforce encore la tenue du secteur.
  • Avantageusement, le boulon est disposé axialement, et plus précisément il traverse la languette et le fond de la rainure. La languette est ainsi bridée en appui dans le fond de la rainure. Elle est avantageusement ajustée glissant sur son diamètre extérieur avec un léger jeu sur son diamètre intérieur. Ce montage permet de maintenir les secteurs en place et d'assurer le positionnement de veine aérodynamique, sans introduire de contraintes mécaniques particulières en fonctionnement.
  • Conformément à un mode de réalisation particulier améliorant la sécurité du montage, le moyen de fixation comprend deux boulons.
  • Conformément à une autre caractéristique, le moyen de fixation est ménagé dans la partie médiane du secteur, le secteur pouvant se dilater librement de part et d'autre du moyen de fixation.
  • Le montage s'applique de préférence aux secteurs du distributeur ménageant une prise d'air.
  • On décrit ci-après l'invention plus en détail en référence aux dessins sur lesquels
    • La figure 1 montre en coupe axiale une partie du compresseur d'un moteur connu à turbine à gaz,
    • La figure 2 représente en coupe axiale une portion de compresseur avec un montage de secteur de redresseur selon l'invention,
    • La figure 3 montre en perspective un secteur de distributeur seul, selon l'invention.
  • On voit sur la figure 2 la partie d'un compresseur incluant le montage de l'invention. Ce compresseur est intégré dans un moteur à turbine à gaz qui n'est pas représenté. L'air venant des étages inférieurs est comprimé puis dirigé vers les étages supérieurs du compresseur alimentant la chambre de combustion du moteur comme cela est connu.
  • Le carter 13 est ici du type à deux demi carters boulonnés le long de brides longitudinales 131. Cet élément de carter est boulonné sur un carter aval 14 par des brides transversales 132 et 142 respectivement.
  • Le carter enveloppe le rotor 12 sur lequel on voit deux étages mobiles 121 et 122 dont les aubes balayent le volume délimité par les plaquettes annulaires 121' et 122' d'étanchéité. Entre les deux étages mobiles, un redresseur fixe assure le guidage de l'air et son redressement axial, de l'étage 121 vers l'étage suivant 122. Le redresseur est constitué d'une pluralité de secteurs annulaires 15, vus en perspective dans la figure 3. Chaque secteur 15 comprend des aubes de stator 151 s'étendant entre deux plateformes : une plateforme inférieure 150 du côté de l'axe du moteur et une plateforme extérieure 152 du côté du carter. Le secteur est maintenu dans le carter par une liaison à languette et rainure amont 153. Cette liaison comprend une rainure 153' ménagée le long du bord amont de la plateforme 152, et une languette sur le bord aval de la plaquette 121' entourant l'étage mobile 121.
  • En aval, la plateforme 151 a une forme évasée et ménage une ouverture de prise d'air avec la plaquette 122' annulaire de l'étage mobile aval 122. La plateforme comprend sur sa face extérieure une bride transversale 154 comme on le voit sur la figure 3. Cette bride est prolongée vers l'amont par une languette 155 axiale sur toute la plateforme. Cette languette est percée de deux trous 154' et 154" axiaux dans la zone médiane du secteur.
  • La languette 155 coopère avec une rainure 135 ménagée dans une bride 133 transversale du carter 13. On voit sur la figure 2, la languette logée dans la rainure 135. La largeur de la rainure annulaire 135 permet un ajustement précis de la languette. De préférence, comme cela l'a déjà été mentionné plus haut, la languette est ajustée glissant dans la rainure sur son diamètre extérieur, avec un léger jeu sur son diamètre intérieur. Dans cet exemple deux boulons 20 ont été introduits dans les perçages 154' et 154". On en voit un seul sur la figure 2. Les boulons sont serrés de manière à brider tout mouvement du secteur par rapport au carter. Le secteur peut néanmoins se dilater en fonction des conditions de température auxquelles il est soumis. Cette disposition permet une dilatation tangentielle du secteur qui est guidée par la liaison rainure languette. Sa fixation centrale autorise ainsi une dilatation tangentielle sans qu'il se crée des contraintes mécaniques. Un jeu doit être prévu à froid entre deux secteurs adjacents afin qu'il ne se crée pas d'interférence entre eux en fonctionnement.
  • Des variantes de réalisation sont possibles sans sortir du cadre de l'invention.
    Un seul boulon peut être utilisé.
    On peut employer un autre moyen de fixation que les boulons, par exemple une pince ou autre moyen équivalent.
    La liaison languette et rainure peut être inversée.

Claims (8)

  1. Compresseur axial de moteur à turbine à gaz comprenant un carter et une roue de distributeur constituée d'une pluralité de secteurs (15) en arcs d'anneau avec des aubes de stator (151) radiales solidaires d'une plateforme extérieure (152), caractérisé par le fait que ladite plateforme (152) est retenue dans le carter par deux liaisons du type à languette et rainure, l'une en amont et l'autre en aval des aubes de stator, ladite liaison aval étant formée entre une bride (154) transversale ménagée sur la plateforme extérieure et une bride (133) ménagée sur le carter (13), un moyen de fixation (20) assurant un serrage entre les deux brides (133 et 154).
  2. Compresseur selon la revendication précédente dont ladite liaison est formée par une rainure (135) à ouverture axiale ménagée dans la bride (133) du carter, la languette (155) étant ménagée sur la bride (154) de la plateforme extérieure (152).
  3. Compresseur selon la revendication 1 ou 2, dont le moyen de fixation comprend un boulon (20) traversant les deux brides (133 et 154).
  4. Compresseur selon la revendication 3 dont le boulon (20) est disposé axialement.
  5. Compresseur selon la revendication 2 et 3 ou 4 dont le boulon (20) traverse la languette (155) et le fond de la rainure (135).
  6. Compresseur selon l'une des revendications 3 et suivantes dont le moyen de fixation comprend deux boulons.
  7. Compresseur selon l'une des revendications 1 et suivantes dont le moyen de fixation est ménagé dans la partie médiane du secteur (15) , le secteur pouvant se dilater librement de part et d'autre du moyen de fixation.
  8. Compresseur selon l'une des revendications 1 et suivantes dont les secteurs du distributeur ménagent une prise d'air.
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