EP1903186A1 - Dispositif d' écran thermique sur le carter de turbine pour le contrôle du jeu en sommet d'aube - Google Patents

Dispositif d' écran thermique sur le carter de turbine pour le contrôle du jeu en sommet d'aube Download PDF

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EP1903186A1
EP1903186A1 EP07116773A EP07116773A EP1903186A1 EP 1903186 A1 EP1903186 A1 EP 1903186A1 EP 07116773 A EP07116773 A EP 07116773A EP 07116773 A EP07116773 A EP 07116773A EP 1903186 A1 EP1903186 A1 EP 1903186A1
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turbine
support
sealing ring
stator
stator according
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Vincent Philippot
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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
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/14—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing
    • F01D11/16—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means
    • F01D11/18—Adjusting or regulating tip-clearance, i.e. distance between rotor-blade tips and stator casing by self-adjusting means using stator or rotor components with predetermined thermal response, e.g. selective insulation, thermal inertia, differential expansion

Definitions

  • the present invention relates to the field of turbomachines and aims a means for controlling the clearance between the top of the turbine blades and the housing.
  • a gas turbine engine typically comprises a compressor, in one or more stages, a combustion chamber and one or more turbine stages.
  • the compressor connected to the turbine, supplies air to the combustion chamber and the hot gases produced are directed on the turbine to extract the energy.
  • the compressor and turbine rotors are provided with vanes at their periphery moving perpendicularly to the motor axis inside annular stator pieces forming sealing rings with which they provide an operating clearance. This clearance must be sufficient so that friction does not slow down the rotation of the moving parts but it must be controlled to prevent a large amount of fluid is diverted from the active surfaces of the blades. To ensure as high a return as possible it is important to master this game.
  • the present invention relates to the operating clearance of a turbine rotor and more particularly of the rotor disposed immediately downstream of the combustion chamber.
  • a turbine rotor that is to say having two or more independent shafts, generally at most three, it is the high pressure body.
  • FIG. 1 shows the axial half-section of a gas turbine engine 1, seen at the level of the high-pressure turbine.
  • the turbine rotor 3 comprises a disc 31, provided with blades 33 distributed on its rim, and mounted transversely on a central shaft.
  • the rotor is disposed downstream of a stationary distributor stage 5 communicating with the combustion chamber 7, of which only the bottom is visible here.
  • the housing 9 is composed of several ferrules assembled by flanges.
  • the combustion chamber casing 91 and the high pressure turbine casing 96 are distinguished. The two housings are retained by a flanged assembly 95.
  • the casing supports the elements of the combustion chamber, the upstream and downstream distributors 15 and 15. a support 11 of sealing ring 13.
  • Discs, blades and stator elements are subjected to both mechanical and thermal displacements.
  • the radial clearance is not so not constant.
  • the rotor and the stator do not have the same amplitudes of displacement nor the same thermal response time.
  • FIG. 2 shows a representation of the evolution of the displacement of the rotor R and of the stator S respectively as a function of the variation of the engine speed over time.
  • the transient game consumption A is greater than that B obtained after thermal stabilization.
  • game consumption means the measurement of the movement of the rotor less that of the displacement of the stator.
  • a first object of the invention is to find a solution to this problem.
  • Another objective is to find a solution that does not involve a major transformation of the existing structure and that is inexpensive to implement.
  • the gas turbine engine turbine stator comprising a turbine casing, a turbine sealing ring and a sealing ring support connecting the sealing ring to the casing, is characterized by the carrier is provided with a heat shield element disposed on the turbine side, and comprises on one side only a radial flange through which it is attached to the turbine housing.
  • the solution therefore consisted in increasing the thermal response time of the stator by means of a heat shield which delays the influence of the temperature of the hot gases of the stream coming from the combustion chamber.
  • This solution is particularly advantageous because it has proved effective.
  • it can be implemented by relatively simple means.
  • the heat shielding member comprises a sheet forming a gap with the surface of the support.
  • the space forms a dead cavity, not swept by gases.
  • the space contains a thermally insulating material.
  • the invention applies more particularly to a stator whose support comprises on one side a radial flange for attachment to the turbine casing and on the other side a means for fixing the elements of the sealing ring.
  • the support advantageously forms a generally frustoconical web and the means for fixing the elements of the sealing ring comprises two radial flanges enclosing the elements of the sealing ring.
  • the heat shield element comprises a first sheet fixed between the two radial flanges. It also comprises a second sheet disposed axially between the means for fixing the elements of the sealing ring and the radial flange for fixing the support to the housing.
  • FIG 3 shows an enlarged detail of the mounting of the sealing ring 13 in the housing 9 and incorporating the solution of the invention.
  • the ring support 11 according to the example consists of a metal web, such as an annular shell, of substantially frustoconical shape of the same axis as the motor.
  • the support is here formed of a single piece but it can also consist of several ring sectors interconnected to form an annular assembly.
  • the support 11 comprises radial flanges 11a and 11b for fixing the elements 13 forming the sealing ring of the high-pressure turbine or HP.
  • the attachment according to this example is of tongue and groove type. For upstream attachment, to the combustion chamber.
  • the back of the elements 13 is shaped to provide an axial opening groove 13a which cooperates with an axial return 11b1 of the radial flange 11b.
  • the downstream attachment of the elements 13 is also ensured by a groove 13b whose outer leg bears against an axial return 11a1 of the flange 11a and is held in position by clamps 17.
  • vanes 5 of the upstream distributor are fixed by bolts to the radial flange 11b.
  • the support 11 is itself mounted on the turbine casing 93 via a radial transverse flange 11c. This flange is inserted into the flange assembly 95 which connects the various elements of the housing 9.
  • the support 11 is not subject to any active play control and does not include any means of ventilation for this purpose.
  • a heat shield has been arranged on the inner face of the support 11. That is to say the face turned towards the vein of engine gas.
  • the heat shield is advantageously constituted by a first sheet placed parallel to the web of the support 11 between the two radial flanges 11a and 11b. This sheet is made integral by welding, brazing, screwing or any other means of attachment to the support.
  • the sheet 21 is distant from the web 11 so as to provide a cavity 21A.
  • This cavity is preferably dead, that is to say that the gases it contains do not circulate. For example, it is closed.
  • the gaseous layer thus forms a thermally insulating mass. However, this cavity may optionally contain another thermally insulating material.
  • a second sheet is disposed in the same way, upstream of the flange 11b, on the inner face of the web 11 at a distance from the latter. It is welded, brazed, screwed or other to the veil and Maintains a dead cavity 22A with the web 11. The gaseous mass contained in this cavity also forms a thermally insulating layer.
  • the support 11 is metal as well as the plates 21 and 22.
  • the clearance between the top of the blades 33 and the ring 13 is fixed and determined value.
  • This game results from a balance between the deformations of mechanical and thermal origin to which the moving and fixed parts are subjected. During a transient regime this equilibrium is disturbed. In particular in the case of a critical re-acceleration, as presented above, during the rapid reduction phase of the regime the temperature of the gases in the motor vein drops. Due to the heat shield, the response to the temperature drop of the support is slowed compared to that of the prior art assembly.

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Abstract

La présente invention porte sur un stator de turbine de moteur à turbine à gaz comprenant un carter (9) de turbine, un anneau (13) d'étanchéité de turbine et un support d'anneau d'étanchéité (11) reliant l'anneau (13) d'étanchéité au carter (9). Le stator est caractérisé par le fait que le support (11) est pourvu d'un élément formant écran thermique disposé du côté de la turbine. Cette solution permet de réduire les consommations de jeu pendant les phases de fonctionnement transitoires.

Description

  • La présente invention concerne le domaine des turbomachines et vise un moyen pour contrôler le jeu existant entre le sommet des aubes mobiles de turbine et le carter.
  • Un moteur à turbine à gaz comprend classiquement un compresseur, en un ou plusieurs étages, une chambre de combustion et un ou plusieurs étages de turbine. Le compresseur, relié à la turbine, alimente en air la chambre de combustion et les gaz chauds produits sont dirigés sur la turbine pour en extraire l'énergie. Les rotors de compresseur et de turbine sont pourvus d'aubages à leur périphérie se déplaçant perpendiculairement à l'axe moteur à l'intérieur de pièces annulaires statoriques formant anneaux d'étanchéité avec lesquels ils ménagent un jeu de fonctionnement. Ce jeu doit être suffisant pour qu'aucun frottement ne vienne freiner la rotation des pièces mobiles mais il doit être contrôlé pour éviter qu'une quantité importante de fluide ne soit détournée des surfaces actives des aubages. Afin d'assurer un rendement aussi élevé que possible il est donc important de maîtriser ce jeu.
  • La présente invention concerne le jeu de fonctionnement d'un rotor de turbine et plus particulièrement du rotor disposé immédiatement en aval de la chambre de combustion. Dans un moteur à corps multiples, c'est-à-dire comportant deux ou plusieurs arbres indépendants, généralement au plus trois, il s'agit du corps haute pression.
  • Les jeux radiaux en sommet d'aubes sont la conséquence des différents déplacements thermomécaniques radiaux entre les rotors et les stators. On a représenté sur la figure 1 la demi coupe axiale d'un moteur 1 à turbine à gaz, vu au niveau de la turbine haute pression. Le rotor de turbine 3 comprend un disque 31, pourvu d'aubes 33 réparties sur sa jante, et monté transversalement sur un arbre central. Le rotor est disposé en aval d'un étage de distributeurs fixes 5 communiquant avec la chambre de combustion 7 dont on voit ici le fond seulement. Le carter 9 est composé de plusieurs viroles assemblées par des brides. On distingue le carter de chambre de combustion 91 et le carter de turbine haute pression 96. Les deux carters sont retenus par un assemblage à brides 95. Le carter supporte les éléments de la chambre de combustion, les distributeurs amont 5 et aval 15 ainsi qu'un support 11 d'anneau d'étanchéité 13.
  • Le jeu radial entre le sommet des aubes 33 et l'anneau d'étanchéité 11 est ainsi la résultante de plusieurs types de déplacements :
    • déplacements thermiques résultant de la dilation des matériaux en fonction des variations de température,
    • déplacements mécaniques résultant des variations de forces centrifuges appliquées sur les pièces tournantes, ainsi que des variations de pressions.
  • Les disques, les aubes et les éléments de stator sont soumis à des déplacements à la fois mécaniques et thermiques.
  • Pendant les différentes phases de fonctionnement du moteur, en raison de ces déplacements qui ne vont pas toujours dans le même sens, le jeu radial n'est donc pas constant. En particulier le rotor et le stator n'ont pas les mêmes amplitudes de déplacement ni le même temps de réponse thermique.
  • On voit sur la figure 2 une représentation de l'évolution du déplacement du rotor R et du stator S respectivement en fonction de la variation du régime moteur dans le temps. Ainsi on voit que la consommation de jeu transitoire A est supérieure à celle B obtenue après stabilisation thermique. Par consommation de jeu, on entend la mesure du déplacement du rotor moins celle du déplacement du stator.
  • Il est connu d'employer des dispositifs de pilotage de jeu comprenant des moyens de ventilation de manière à contrôler la dilatation thermique des éléments le composant. L'air de ventilation est prélevé au compresseur en un ou deux endroits avec un contrôle du débit. On introduit un tel dispositif de pilotage de jeu pour réduire autant que possible le jeu en sommet d'aubes de la turbine haute pression et augmenter la performance du moteur. Il est généralement géré par le Boîtier de régulation électronique à pleine autorité que l'on désigne le plus souvent par le terme FADEC qui est l'acronyme de Full Authority Digital Electronic Control. Ce moyen pilote la température et le débit d'air envoyé sur l'élément de stator concerné de façon à agir sur le déplacement thermique de ce dernier.
  • Pour certains moteurs, on cherche à s'affranchir de ces moyens de pilotage actif de jeu. Le jeu en sommet d'aube dans ce cas est réglé de telle façon que l'usure maximale des aubes pendant la vie du moteur ne dépasse pas les capacités de la machine. Cette usure maximale est déterminée en fonction de la consommation de jeu maximale vue pendant la vie du moteur et qui est fondée sur les déplacements du stator et du rotor. Cette consommation maximale est en général observée lors de cycles que l'on désigne dans le domaine par les termes :
    • ré-accélération critique. Un tel cycle consiste à partir d'un régime de fonctionnement plein gaz stabilisé, à réduire le régime jusqu'au ralenti en un faible laps de temps puis à commander une ré-accélération jusqu'au plein gaz en un faible laps de temps également.
  • Pendant ce cycle, la consommation de jeu est importante pour les raisons suivantes :
    • le rotor étant stabilisé au plein gaz, les déplacements dus à la dilation thermique du disque sont lents lorsqu'on commande la variation rapide de régime de fonctionnement vers le ralenti en raison de la masse importante de celui-ci et du long temps de réponse thermique qui en résulte.
    • les éléments de stator, qui étaient stabilisés eux aussi au régime plein gaz, ayant une masse plus faible ont une réponse thermique plus rapide.
  • Lorsqu'on ré-accélère sans délai vers le régime de fonctionnement plein gaz, le rotor n'est pas encore stabilisé thermiquement au ralenti en raison de son temps de réponse thermique long. Par contre le stator a déjà atteint les conditions de fonctionnement au ralenti. Il s'ensuit qu'à ce moment, il y eu consommation de jeu et le jeu de sommet d'aube est faible. En raison de l'accélération le disque subit un déplacement centrifuge entraînant une surconsommation de jeu instantanée. Cette surconsommation se traduit par une usure des pièces car le sommet des aubes vient au contact de l'anneau d'étanchéité.
  • On constate donc que plus la réponse thermique du carter est rapide par rapport à celle du rotor, plus la consommation de jeu, et donc l'usure en sommet d'aubes au cours d'une ré-accélération est importante.
  • Un premier objectif de l'invention est de trouver une solution à ce problème.
  • Un autre objectif est de trouver une solution qui n'implique pas de transformation importante de la structure existante et qui soit peu onéreuse à mettre en oeuvre.
  • Conformément à l'invention le stator de turbine de moteur à turbine à gaz comprenant un carter de turbine, un anneau d'étanchéité de turbine et un support d'anneau d'étanchéité reliant l'anneau d'étanchéité au carter, est caractérisé par le fait que le support est pourvu d'un élément formant écran thermique disposé du côté de la turbine, et comprend d'un côté seulement une bride radiale par laquelle il est fixé au carter de turbine.
  • La solution a donc consisté à augmenter le temps de réponse thermique du stator par le moyen d'un écran thermique qui retarde l'influence de la température des gaz chaud de la veine issue de la chambre de combustion. Cette solution est particulièrement avantageuse car elle s'est révélée efficace. En outre elle peut être mise en oeuvre par des moyens relativement simples.
  • Ainsi conformément à une autre caractéristique, l'élément formant écran thermique comprend une tôle ménageant un espace avec la surface du support. De préférence, l'espace forme une cavité morte, non balayée par des gaz. Conformément à un autre mode de réalisation l'espace contient une matière isolante thermiquement.
  • L'invention s'applique plus particulièrement à un stator dont le support comprend d'un côté une bride radiale de fixation au carter de turbine et de l'autre côté un moyen pour la fixation des éléments de l'anneau d'étanchéité. Le support forme avantageusement un voile de forme globalement tronconique et le moyen pour la fixation des éléments de l'anneau d'étanchéité comprend deux brides radiales enserrant les éléments de l'anneau d'étanchéité.
  • Selon un mode de réalisation particulier, l'élément formant écran thermique comprend une première tôle fixée entre les deux brides radiales. Il comprend aussi une deuxième tôle disposée axialement entre le moyen pour la fixation des éléments de l'anneau d'étanchéité et la bride radiale de fixation du support au carter.
  • L'invention va maintenant être décrite en référence à mode de réalisation non limitatif sur la base des dessins annexés sur lesquels :
    • La figure 1 montre en demi coupe axiale un exemple d'une partie de moteur à turbine à gaz située au niveau de la turbine haute immédiatement en aval de la chambre de combustion ;
    • La figure 2 montre le déplacement D respectivement du sommet de aubes de rotor et des éléments de stator formant le jeu de fonctionnement ;
    • La figure 3 montre plus en détail et agrandie la partie du carter de turbine pourvue d'un élément formant écran thermique.
  • La figure 3 montre de façon agrandie le détail du montage de l'anneau d'étanchéité 13 dans le carter 9 et incorporant la solution de l'invention. Le support d'anneau 11 selon l'exemple est constitué d'un voile métallique, telle qu'une virole annulaire, de forme sensiblement tronconique de même axe que le moteur. Le support est ici formé d'une seule pièce mais il peut aussi être constitué de plusieurs secteurs d'anneau liés entre eux pour former un ensemble annulaire. Le support 11 comprend des brides radiales 11a et 11b pour la fixation des éléments 13 formant l'anneau d'étanchéité de la turbine haute pression ou HP. La fixation selon cet exemple est de type à rainure et languette. Pour la fixation amont, vers la chambre de combustion. Le dos des éléments 13 est conformé de façon à ménager une rainure 13a d'ouverture axiale qui coopère avec un retour axial 11b1 de la bride radiale 11b. La fixation aval des éléments 13 est assurée aussi par une rainure 13b dont la branche externe est en appui contre un retour axial 11a1 de la bride 11a et est maintenu en position par des pinces 17.
  • Les aubages 5 du distributeur amont sont fixés par des boulons à la bride radiale 11b.
  • Le support 11 est lui-même monté sur le carter de turbine 93 par l'intermédiaire d'une bride transversale, radiale 11c. Cette bride est insérée dans l'assemblage à brides 95 qui relie les différents éléments du carter 9. Le support 11 n'est soumis à aucun pilotage actif de jeu et ne comprend aucun moyen de ventilation à cet effet.
  • Conformément à l'invention on a disposé un écran thermique sur la face interne du support 11. C'est-à-dire la face tournée vers la veine de gaz moteur. L'écran thermique est avantageusement constitué d'une première tôle posée parallèlement au voile du support 11 entre les deux brides radiales 11a et 11b. Cette tôle est rendue solidaire par soudage, brasage, vissage ou tout autre moyen de fixation au support. La tôle 21 est distante du voile 11 de façon à ménager une cavité 21A. Cette cavité est de préférence morte, c'est-à-dire que les gaz qu'elle contient ne circulent pas. Elle est par exemple fermée. La couche gazeuse forme ainsi une masse isolante thermiquement. Cependant, cette cavité peut le cas échéant contenir une autre matière isolante thermiquement. Une seconde tôle est disposée de la même façon, en amont de la bride 11b, sur la face interne du voile 11 à distance de celle-ci. Elle est soudée, brasée, vissée ou autre au voile et ménage une cavité morte 22A avec le voile 11. La masse gazeuse contenue dans cette cavité morte forme aussi une couche isolante thermiquement.
  • Le support 11 est métallique ainsi que les tôles 21 et 22. En fonctionnement en régime stabilisé le jeu entre le sommet des aubes 33 et l'anneau 13 est fixe et de valeur déterminée. Ce jeu résulte d'un équilibre entre les déformations d'origine mécanique et thermique auxquelles les pièces mobiles et fixes sont soumises. Pendant un régime transitoire cet équilibre est perturbé. En particulier dans le cas d'une ré-accélération critique, comme présentée plus haut, lors de la phase de réduction rapide de régime la température des gaz dans la veine motrice chute. En raison de l'écran thermique, la réponse à la baisse de température du support est ralentie par rapport à celle du montage de l'art antérieur. Si bien que lors de la ré-accélération dans le bref laps de temps qui suit, le déplacement radial du rotor résultant de l'augmentation des efforts centrifuges ne vient pas interférer avec les éléments de l'anneau d'étanchéité. Aucun contact ne se produit entre les sommets des aubes et les éléments des anneaux d'étanchéité. On n'observe aucune usure ni des léchettes en sommet des aubes ni des surfaces abradables des éléments.
  • Les résultats d'essai ont montré que la solution était efficace et que le rendement de la machine était amélioré par voie de conséquence. En outre fixer des tôles n'est pas particulièrement onéreux. Globalement la solution est efficace et économique.

Claims (10)

  1. Stator de turbine de moteur à turbine à gaz comprenant un carter (9) de turbine, un anneau (13) d'étanchéité de turbine et un support d'anneau d'étanchéité (11) reliant l'anneau (13) d'étanchéité au carter (9), caractérisé par le fait que le support (11) est pourvu d'un élément formant écran thermique disposé du côté de la turbine, et comprend d'un côté seulement une bride radiale (11c) par laquelle il est fixé au carter (9) de turbine.
  2. Stator selon la revendication précédente dont l'élément (11) formant écran thermique comprend une tôle (21, 22) ménageant un espace (21A ; 22A) avec la surface du support.
  3. Stator selon la revendication 2 dont l'espace (21A ; 22A) forme une cavité morte, non balayée par des gaz.
  4. Stator selon la revendication 2 dont ledit espace (21A ; 22A) comprend une matière isolante thermiquement.
  5. Stator selon la revendication 1 dont le support (11) comprend du côté opposé à ladite bride radiale un moyen pour la fixation des éléments (13) de l'anneau d'étanchéité.
  6. Stator selon la revendication 5 dont le support (11) est en forme de voile tronconique.
  7. Stator selon la revendication 5 dont le moyen pour la fixation des éléments (13) de l'anneau d'étanchéité comprend deux brides radiales (11a, 11b) enserrant les éléments (13).
  8. Stator selon la revendication précédente dont l'élément formant écran thermique comprend une première tôle (21) fixée entre les deux brides radiales (11a, 11b).
  9. Stator selon la revendication précédente dont l'élément formant écran thermique comprend une deuxième tôle (22) disposée axialement entre le moyen pour la fixation des éléments (13) de l'anneau d'étanchéité et la bride radiale (11c) de fixation du support au carter.
  10. Turbomoteur comprenant un stator de turbine selon l'une des revendications précédentes.
EP07116773.8A 2006-09-22 2007-09-19 Dispositif d' écran thermique sur le carter de turbine pour le contrôle du jeu en sommet d'aube Active EP1903186B1 (fr)

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