EP1777375B1 - Dispositif de guidage d'aube de stator à calage variable dans une turbomachine axiale - Google Patents

Dispositif de guidage d'aube de stator à calage variable dans une turbomachine axiale Download PDF

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EP1777375B1
EP1777375B1 EP06076731.6A EP06076731A EP1777375B1 EP 1777375 B1 EP1777375 B1 EP 1777375B1 EP 06076731 A EP06076731 A EP 06076731A EP 1777375 B1 EP1777375 B1 EP 1777375B1
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bearing
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Claude Robert Louis Lejars
Didier Raymond Charles Riby
Thierry Jean-Maurice Niclot
Richard Emile Staessen
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Safran Aircraft Engines SAS
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SNECMA SAS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/162—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for axial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially perpendicular to the rotor centre line
    • 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
    • F04D29/56—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable
    • F04D29/563—Fluid-guiding means, e.g. diffusers adjustable specially adapted for elastic fluid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/23—Three-dimensional prismatic
    • F05D2250/231—Three-dimensional prismatic cylindrical

Definitions

  • the present invention relates to the field of turbomachines such as an axial compressor of a gas turbine engine, and aims in particular the variable-pitch stator vanes.
  • An articulated system such as the variable pitch stator vanes of a gas turbine engine compressor, includes moving parts relative to one another.
  • a blade 1 of variable-pitch rectifier mounted in the housing 3 of the machine.
  • the blade comprises a blade 12, a plate or platform 13 and a pivot rod 14.
  • the pivot 14 is housed in a bore or radial orifice formed in the wall of the casing 3 via different bearings.
  • One of the bearings, the low bearing is constituted by a sleeve 4 in sliding contact with the lower part of the pivot rod 14, directly or via a hoop 14 '.
  • the bushing 4 is integral with the housing and comprises a portion 4 'housed in the bottom of a countersink machined in the wall of this housing.
  • variable-pitch stator vanes Increasing the operating forces of variable-pitch stator vanes.
  • variable-pitch stator as defined in claim 1.
  • the distance between the point of application of the aerodynamic force and the bearing of the pivot guide device located at the bottom of the pivot is reduced. This decrease in height reduces the moment applied at dawn. It follows that the reaction force at the pivot to oppose the moment is lower. Thus the matting efforts at the contacts between the pivot of the blade and the bushing are lower, resulting in reduced wear.
  • the device optionally comprises a high bearing between the upper part of the pivot and its housing in the housing.
  • the guiding device comprises a low bearing between the lower part of the pivot and its housing in the housing. It further reduces the load on the bushings by distributing them.
  • a variable-pitch stator vane 20 is seen to be cantilevered with a blade 22, a platform 23 and a pivot 24.
  • the pivot 24 is housed in a radial bore of the casing 3 which is, for example, that of the compressor. a gas turbine engine.
  • the blade is retained by a nut 28 in its upper part and connected to a lever 27 for stall control as is known.
  • the terms high and low designate the position relative to the axis of the motor, a high element being away from the axis relative to a low element.
  • the guide device of the blade is constituted by a cylindrical sleeve 25 between the pivot 24 and the housing in the housing 3. This sleeve also provides sealing.
  • a socket 26 in the lower part of the pivot comprises a part cylindrical 26a between the lower part of the pivot and the housing in the housing.
  • the sleeve is extended by a generally disk-shaped portion 26b, between the platform 23 and the bottom of the housing counterbore constituting the housing thereof.
  • a bearing is formed at the platform.
  • the bearing is formed by the cooperation of a rib 26b1 and a groove 23b1.
  • the circular rib is formed on the face of the sleeve facing the platform 23.
  • the circular term also includes the embodiment wherein the rib extends over one or more arcs of circles.
  • This rib is according to this example square section and is adjusted in the groove 23b1 of complementary shape, hollowed in the face of the platform facing the sleeve 26.
  • the two parts, rib and groove form an integrated bearing 23b1-26b1 which takes again the aerodynamic forces applied on the blade and transmits them to the casing 3.
  • the radius of the integrated bearing is chosen so that the friction between the rib 26bl of the sleeve 26 and the groove 23bl of the platform induce a resistance to the axial pivoting of the blade which is acceptable and does not disturb the operation of the control means of the setting.
  • the sleeve 26 remains stationary relative to the housing.
  • the forces in the presence are the aerodynamic force F, the reaction force F1 of the casing on the lower part of the guiding device and the force F2 of the reaction of the casing on the upper part of the guiding device.
  • L, 50mm is the distance between the point of application of F and the low bearing
  • L1, 40 mm is the distance between the low bearing and the high bearing.
  • F1 and F2 are respectively 225 daN and 125 daN.
  • Prior art Invention Gain F 100 100 F1 (daN) 225 187.5 17% F2 (daN) 125 87.5 30% L (mm) 50 42 L1 (mm) 40 48 Moment 5000 4200

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

Description

  • La présente invention se rapporte au domaine des turbomachines telles qu'un compresseur axial d'un moteur à turbine à gaz, et vise en particulier les aubes de stator à calage variable.
  • Un système articulé, comme les aubes de redresseur à calage variable d'un compresseur de moteur à turbine à gaz, comprend des pièces en mouvement relatif les unes par rapport aux autres. Sur les figures 1 et 2, on a représenté de façon schématique, une aube 1 de redresseur à calage variable montée dans le carter 3 de la machine. L'aube comprend une pale 12, une platine ou plateforme 13 et une tige formant pivot 14. Le pivot 14 est logé dans un alésage ou orifice radial ménagé dans la paroi du carter 3 par l'intermédiaire de différents paliers. Un des paliers, le palier bas est constitué d'une douille 4 en contact glissant avec la partie basse de la tige formant pivot 14, directement ou par l'intermédiaire d'une frette 14'. La douille 4 est solidaire du carter et comprend une portion 4' logée dans le fond d'un lamage usiné dans la paroi de ce carter. Elle est en contact radialement avec la plateforme 13. La partie haute du pivot 14 est retenue dans un palier haut formé d'une douille 5. La face opposée de la plateforme 13 par rapport à la douille forme la base de la pale et est balayée par les gaz traversant la turbomachine. Un écrou 15 maintient l'aube dans son logement. Un levier 19, lui même actionné par des organes de commande, commande la rotation de l'aube autour de l'axe XX de la tige pour mettre celle-ci dans la position requise par rapport à la direction du flux gazeux. Les mouvements relatifs résultent du glissement des surfaces en contact entre elles.
  • Un exemple de réalisation d'un tel système avec incorporation de douilles entre l'aube et le carter est décrit dans la demande de brevet EP 1 584 827 au nom de la demanderesse.
  • Dans le cas d'un compresseur de moteur à turbine à gaz, la pale 12 est soumise aux efforts aérodynamiques selon la flèche A. Dans le cas d'un tel montage en porte à faux, il s'ensuit que l'application d'un moment sur les deux paliers bas et haut, associée à la rotation de calage autour de l'axe XX sur une amplitude de plus de 40 degrés, entraîne une usure des douilles. Cette usure provoque une inclinaison de l'aubage qui peut être dommageable pour le compresseur.
  • Le présent déposant s'est fixé comme objectif d'assurer le guidage des aubes de stator à calage variable de type à montage en porte à faux en prévenant ces inconvénients, à savoir :
    • L'usure des douilles du dispositif de guidage créant une inclinaison excessive des aubes sous l'effort aérodynamique.
  • L'augmentation des efforts de manoeuvre des aubes de stator à calage variable.
  • L'invention parvient à ces objectifs avec un stator à calage variable comme défini dans la revendication 1.
  • Par le moyen de l'invention, on réduit la distance entre le point d'application de l'effort aérodynamique et le palier du dispositif de guidage du pivot situé au bas du pivot. Cette diminution de hauteur réduit le moment appliqué à l'aube. Il s'ensuit que l'effort de réaction au niveau du pivot pour s'opposer au moment est plus faible. Ainsi les efforts de matage aux contacts entre le pivot de l'aube et la douille sont plus faibles d'où une usure réduite.
  • Le dispositif comprend éventuellement un palier haut entre la partie haute du pivot et son logement dans le carter.
  • Conformément à un mode de réalisation avantageux, le dispositif de guidage comprend un palier bas entre la partie basse du pivot et son logement dans le carter. Il permet de réduire encore les charges sur les douilles en les répartissant.
  • D'autres caractéristiques et avantages, apparaîtront à la lecture de deux modes de réalisation non limitatifs de l'invention en référence aux dessins annexés sur lesquels :
    • La figure 1 représente une aube de stator à calage variable, de l'art antérieur, montée dans un carter de compresseur;
    • La figure 2 représente une aube de stator à calage variable avec un dispositif de guidage selon un premier mode de réalisation;
    • La figure 3 montre une aube de stator à calage variable avec un dispositif de guidage selon un deuxième mode de réalisation.
  • En se reportant à la figure 2, on voit une aube de stator à calage variable 20 à montage en porte à faux avec une pale 22, une plateforme 23 et un pivot 24. Le pivot 24 est logé dans un alésage radial du carter 3 qui est par exemple celui du compresseur d'un moteur à turbine à gaz. L'aube est retenue par un écrou 28 dans sa partie haute et relié à un levier 27 de commande de calage comme cela est connu. Les termes haut et bas désignent la position par rapport à l'axe du moteur, un élément haut étant éloigné de l'axe par rapport à un élément bas. Le dispositif de guidage de l'aube est constitué ici d'une douille cylindrique 25 entre le pivot 24 et le logement dans le carter 3. Cette douille assure également l'étanchéité. Une douille 26 dans la partie basse du pivot, comprend une partie cylindrique 26a entre la partie basse du pivot et le logement dans le carter. La douille se prolonge par une partie globalement en forme de disque 26b, entre la plateforme 23 et le fond du lamage du carter constituant le logement de celle-ci. Conformément à l'invention, un palier est formé au niveau de la plateforme. Selon ce mode de réalisation, le palier est formé par la coopération d'une nervure 26b1 et d'une rainure 23b1. La nervure circulaire est ménagée sur la face de la douille tournée vers la plateforme 23. Le terme circulaire comprend aussi le mode de réalisation où la nervure s'étend sur un ou plusieurs arcs de cercles. Cette nervure est selon cet exemple à section carré et est ajustée dans la rainure 23b1 de forme complémentaire, creusée dans la face de la plateforme tournée vers la douille 26. Les deux parties, nervure et rainure, forment un palier intégré 23b1-26b1 qui reprend les efforts aérodynamiques appliqués sur la pale et les transmet au carter 3.
  • On note que dans cette réalisation, il n'y a pas de contact glissant entre la partie basse du pivot 24 et la douille 26a. La partie haute du pivot forme un palier haut 29
  • On note également que le rayon du palier intégré est choisi de manière à ce que les frottements entre la nervure 26bl de la douille 26 et la rainure 23bl de la plateforme induisent une résistance au pivotement axial de l'aube qui soit acceptable et ne perturbe pas le fonctionnement des moyens de commande du calage. Pendant la rotation de l'aube autour de son axe, la douille 26 reste immobile par rapport au carter.
  • A titre d'exemple on a chiffré l'avantage de cette disposition : les forces en présence sont la force F aérodynamique, la force F1 de réaction du carter sur la partie basse du dispositif de guidage et la force F2 de réaction du carter sur la partie haute du dispositif de guidage.
  • L, 50mm, est la distance entre le point d'application de F et le palier bas, L1, 40 mm, est la distance entre le palier bas et le palier haut. Pour une valeur F de 100 daN, les valeurs de F1 et F2 sont alors respectivement de 225 daN et 125 daN.
  • On voit sur le tableau ci dessous qu'en rapprochant le palier bas de 8 mm de la pale, le gain en réduction d'effort est de 17% et 30% respectivement.
    Art antérieur Invention Gain
    F (daN) 100 100
    F1 (daN) 225 187,5 17%
    F2 (daN) 125 87,5 30%
    L (mm) 50 42
    L1 (mm) 40 48
    Moment 5000 4200
  • On a représenté sur la figure 3 une variante de l'invention selon laquelle on maintient le palier au bas du pivot par rapport à la solution précédente. Avec ce palier bas doublant le palier intégré à la plateforme, la charge est répartie entre F1 et F1'. Les références sont les mêmes que pour la solution précédente. On distingue le palier bas supplémentaire formé par la coopération de la frette 31 montée sur le pivot 24 avec la portion cylindrique 26a de la douille 26.

Claims (6)

  1. Stator de turbomachine comprenant au moins une aube et au moins un carter (3), l'aube comprenant une pale (22), une plateforme (23) et un pivot (24) par lequel l'aube est montée dans le carter (3) de la turbomachine, et comprenant une douille (26) avec une partie (26b) en forme de disque entre le carter (3) et la plateforme (23), caractérisé par le fait qu'il comprend une nervure circulaire (26b1) ménagée sur ladite partie en forme de disque coopérant avec une rainure (23b1) complémentaire ménagée sur la plateforme, de manière à former un palier intégré axial et radial.
  2. Stator , selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un palier haut entre la partie haute du pivot (24) et son logement dans le carter (3).
  3. Stator , selon la revendication 1 ou 2, comprenant un palier bas (31) supplémentaire entre la partie basse du pivot (24) et son logement dans le carter (3).
  4. Stator , selon la revendication 1, dont la douille (26) comprend une portion cylindrique (26a) entre le pivot (24) et le carter (3).
  5. Compresseur de turbomachine comportant un stator selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  6. Turbomachine comportant un stator selon l'une quelconque des revendications 1 à 4
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