EP2999859A1 - Turbomachine comportant un temoin d'usure du carter - Google Patents

Turbomachine comportant un temoin d'usure du carter

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EP2999859A1
EP2999859A1 EP14729423.5A EP14729423A EP2999859A1 EP 2999859 A1 EP2999859 A1 EP 2999859A1 EP 14729423 A EP14729423 A EP 14729423A EP 2999859 A1 EP2999859 A1 EP 2999859A1
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EP
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opening
wall
plug
housing
turbomachine
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Sylvain Jacques Marie GOURDANT
Laurent Jacquet
Philippe NECTOUTE
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Safran Helicopter Engines SAS
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Turbomeca SA
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Publication date
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    • F04D27/001—Testing thereof; Determination or simulation of flow characteristics; Stall or surge detection, e.g. condition monitoring
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/80—Diagnostics

Definitions

  • the present invention relates to the field of turbomachines, more particularly that of gas turbine engine compressors, in particular centrifugal compressors.
  • the invention provides a means for detecting, in a simple manner, the state of wear of certain parts of the turbomachine.
  • the gas turbine engines used for driving the rotor blades of a helicopter consist of radial or axial flow air veins for part of the trajectory.
  • a known motor comprises a first rotor consisting of a set of two centrifugal compressors in series - this assembly is driven by an axial turbine - and a second free turbine rotor, downstream of the turbine of the first rotor, for the driving a power shaft.
  • Another example of a known motor comprises a first rotor formed of an assembly of a three-stage axial compressor and a centrifugal compressor, arranged in series and driven by two axial turbines; a second rotor is formed of a twin turbine receiving the gases of the turbine of the first rotor and driving a power shaft.
  • the object of the invention is a means for detecting and quantifying the erosion caused by the ingestion of particles in the air stream. It also aims a means that should not require removal of the engine.
  • the invention relates more particularly to certain areas of the air stream that are not subject to strong erosion and for which simplified monitoring would be desirable.
  • This is for example the inner wall of the bend downstream of the diffuser of the coating of abradable material or the housing without such a coating, vis-à-vis the tops of the blades of the axial rotor.
  • the cover of the compressor wheel which is covered on its inner face with an abradable coating comprises in a substantially middle part thereof, machined markers in the form of countersink and given depths in the abradable material.
  • Wear monitoring is performed by endoscopic examinations. An endoscope is introduced into the compressor and an active end of the endoscope is positioned opposite the markings to provide an image signal of the markings. The endoscopic signal is a function of the number of markers and the wear in their place; it is treated to provide a motor removal decision criterion for changing and repairing worn parts.
  • Concerning this problem of wear indicator other patent applications have been filed, such as FR 2938651 or FR 2946267 relating to wear indicators provided on the blades of the wheel of a compressor or on the wheel. -even
  • a turbomachine comprising a housing with an internal wall delimiting a vein of fluid and the casing having at least one opening, opening into said vein and forming a passage for a endoscope, the opening, during operation of the turbomachine, being closed by a plug having an end surface portion ensuring the continuity of the inner wall of the housing, is characterized in that a wear indicator of the internal wall of the housing is associated with the plug or the inner wall of the housing near the plug.
  • the invention it is possible, simply and without necessarily the implementation of any apparatus, to monitor wear in areas of the turbomachine that are not directly accessible and that previously required disassembly operations and removing the engine. Depending on the state of the wear indicator, it is easy to decide whether to disassemble the turbomachine to perform the repair.
  • the wear indicator is in the form of a countersink machined in said end surface portion of the plug.
  • This embodiment is suitable when said surface portion of the plug is flush with the inner wall of the housing.
  • the plug is made of the same material as this one.
  • the wear indicator is a notch machined in the inner wall of the housing and which is visible from the outside through said opening forming an endoscope passage.
  • the plug may not be flush with the air stream.
  • the depth of the counterbore is preferably chosen to correspond to the internal wall thickness that can be removed by erosion in the event of acceptable erosion of the zone. In this way, when the countersink is no longer visible, it is time to repair the part.
  • the invention aims in particular a centrifugal compressor whose opening, forming a passage for an endoscope, with wear indicator is located in the downstream bend of the diffuser, at the output of a compressor stage.
  • the invention also relates to an axial compressor or the axial part of a compressor, the opening forming a passage for an endoscope is located near an abradable coating vis-à-vis the tops of the rotor blades of the compressor.
  • FIG. 1 represents a bi-centrifugal gas turbine engine to which the invention applies;
  • Figure 2 shows a detail of the engine of Figure 1, in perspective and cut tangentially along the axis thereof, at the elbow of the air flow downstream of the first diffuser, showing the endoscopy plug;
  • FIG. 3 is a perspective view cut tangentially along the axis of the engine and seen from the inside, the detail of the endoscopy plug in position on the housing with a countersink forming the erosion witness of the first embodiment of the invention. invention;
  • FIG. 4 shows the detail of the compressor of the motor of FIG. 1, in section at the level of the endoscopy plug, with a wear indicator according to the second embodiment of the invention
  • Figure 5 shows the detail of Figure 4 without the cap
  • Figure 6 shows a gas turbine engine with an axial and centrifugal compressor, to which the invention also applies.
  • a gas turbine engine 1 known per se for driving the blades of a helicopter rotor. It comprises a gas generator part with a bi-centrifugal compressor that is to say with two compression wheels 2 and 4 respectively integral with a coaxial turbine 6.
  • the air stream 3 inside the housing is annular and extends from an air inlet 3a which guides the air to the axial inlet of the compressor 2.
  • the compressed air by the compressor is guided radially through the diffuser 3b.
  • the air stream then forms a bend 3c so as to bring the air towards the axis of the machine to the axial inlet of the second compression wheel 4.
  • the air is then guided to the chamber of combustion 5 which supplies the turbine 6 with hot gas.
  • the expansion of the gases continues in the turbine 9 of a second rotor secured to a power take-off shaft for driving the load.
  • the air stream is delimited by two coaxial walls whose inner wall 3i of the casing 7.
  • FIG 2 which shows in section a portion of the housing 7 of the engine of Figure 1, we see the elbow 3c of the air stream, downstream of the diffuser 3b.
  • This elbow serves to deflect the air flow from the diffuser to the axis of the machine.
  • a radial opening 7r is arranged in the casing 7 at the elbow 3c. This opening opens into the vein of air and allows the passage of an unrepresented endoscope by which an inspection of the interior of the air vein can be performed.
  • This opening 7r is normally closed by a plug 8 which is seen in section in Figure 2.
  • the cap comprises a 8f that fits into the opening 7r so as to fill and prevent air leakage in operation of the machine; it is secured to a transverse locking plate 8v through which the cap is bolted to the casing 7.
  • the plug 8 has an end surface portion 8s in accordance with the inner wall 3i so as to ensure continuity.
  • a wear indicator is provided on the plug. It advantageously consists of a countersink 81 machined on the surface portion 8s of the plug.
  • the shape of the counterbore can be circular, oval or any other profile.
  • This countersink 81 is visible in FIG. 3.
  • the depth of the countersink corresponds to the erosion potential of the internal wall 3i. It is thus very easy to check the state of wear of the part. If the countersink is no longer visible when removing the plug 8, it means that the erosion potential is consumed. The part is then to be repaired or replaced.
  • the erosion of the inner wall does not occur symmetrically around the axis of the machine, it depends on the position of the engine on the aircraft or the shape of the air inlet. It is then appropriate to provide an opening for the passage of the endoscope in the area likely to be most affected by erosion. It must also take into account the accessibility of the opening for the endoscope.
  • FIG. 6 shows a gas turbine engine 10 with an axial and centrifugal compressor 12; the first stages 121 of the compressor are axial.
  • the housing 17 enveloping the first stages 121 has an opening for the passage of an endoscope, the present invention is advantageously applied to the monitoring of erosion of the inner wall of the housing in this area.
  • the solution is not illustrated in the figure but is easily deduced from the solution described for the inner wall of the housing in the area of the downstream elbow of a centrifugal compressor.

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Abstract

La présente invention porte sur une turbomachine connportant un carter (7) avec une paroi interne (3i) formant paroi d'une veine d'air (3) et au moins une ouverture (7r) traversant le carter, débouchant dans ladite veine (3) et formant un passage pour un endoscope, l'ouverture (7r), pendant le fonctionnement de la turbomachine, étant obturée par un bouchon (8) présentant une portion de surface d'extrémité (8s) dans le prolongement de la paroi interne (3i), caractérisée par le fait qu'un témoin d'usure de la paroi interne du carter est associé au bouchon (8) ou à la paroi interne (3i) du carter à proximité du bouchon (8). Le moyen de l'invention permet une inspection aisée et sans mise en oeuvre d'un appareil de mesure.

Description

TURBOMACHINE COMPORTANT UN TEMOIN D'USURE DU CARTER
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine des turbomachines, plus particulièrement celui des compresseurs de moteurs à turbine à gaz, notamment de compresseurs centrifuges. L'invention vise un moyen permettant de détecter, de manière simple, l'état d'usure de certaines parties de la turbomachine.
Etat de la technique
Les moteurs à turbine à gaz utilisés pour l'entraînement des pales du rotor d'un hélicoptère sont constitués avec des veines d'air à écoulement radial ou axial pour partie de la trajectoire.
Par exemple, un moteur connu comprend un premier rotor constitué d'un ensemble de deux compresseurs centrifuges en série - cet ensemble est entraîné par une turbine axiale - et un second rotor à turbine libre, en aval de la turbine du premier rotor, pour l'entraînement d'un arbre de puissance.
Un autre exemple de moteur connu comprend un premier rotor formé d'un ensemble d'un compresseur axial à trois étages et d'un compresseur centrifuge, disposés en série et entraînés par deux turbines axiales ; un second rotor est formé d'une turbine double recevant les gaz de la turbine du premier rotor et entraînant un arbre de puissance.
En raison des modes d'utilisation de ces types d'aéronefs qui les conduisent à évoluer dans des atmosphères chargées de poussière ou de sable, les moteurs sont soumis à une forte érosion par les particules solides aspirées avec l'air d'alimentation. Une grande attention est apportée aux pièces susceptibles d'être soumises à l'érosion de manière à pouvoir intervenir quand cela est nécessaire.
Sur les types de moteurs présentés ci-dessus toute la veine d'air peut être soumise à l'érosion, en particulier les aubages mais aussi les parties statiques de veine d'air comme le coude sur le compresseur bi-centrifuge qui est la zone en sortie du diffuseur du premier étage ou bien le carter sur un compresseur axialo-centrifuge avec ou sans revêtement abradable en vis-à-vis des sommets de pales sur le compresseur axial.
L'invention a pour objectif un moyen permettant de détecter et de quantifier l'érosion provoquée par l'ingestion de particules dans la veine d'air. Elle a également pour objectif un moyen ne devant pas nécessiter de dépose du moteur.
L'invention concerne plus particulièrement certaines zones de la veine d'air qui ne sont pas soumises à une forte érosion et pour lesquelles une surveillance simplifiée serait souhaitable. Il s'agit par exemple de la paroi interne du coude en aval du diffuseur du revêtement en matériau abradable ou du carter sans un tel revêtement, en vis-à-vis des sommets des pales du rotor axial.
Le présent demandeur a déposé une demande de brevet FR 1159071 le 07 octobre 2011 sur un compresseur centrifuge équipé d'un marqueur de mesure d'usure. Selon cette réalisation, le couvercle du rouet du compresseur qui est recouvert sur sa face interne d'un revêtement abradable comprend dans une partie sensiblement médiane de celui-ci, des marqueurs usinés en forme de lamage et de profondeurs données dans le matériau abradable. Le suivi de l'usure est effectué par des examens par endoscopie. Un endoscope est introduit dans le compresseur et une extrémité active de l'endoscope est positionnée en regard des marquages pour fournir un signal d'image des marquages. Le signal endoscopique est fonction du nombre de marqueurs et de l'usure en leur endroit; il est traité pour fournir un critère de décision de dépose du moteur pour changer et réparer les pièces usées. Concernant ce problème de témoin d'usure, d'autres demandes de brevet ont été déposées, telles que FR 2938651 ou FR 2946267 portant sur des témoins d'usure prévus sur des pales de la roue d'un compresseur ou bien sur la roue elle-même
Exposé de l'invention
En complément de la méthode de surveillance de l'évolution de l'usure sur le couvercle du rouet, il est maintenant proposé un moyen qui permet de connaître l'usure de certaines parties de la veine d'air par simple observation directe, sans avoir nécessairement à mettre en œuvre un quelconque appareil de contrôle.
Conformément à l'invention, une turbomachine comportant un carter avec une paroi interne délimitant une veine de fluide et le carter comportant au moins une ouverture, débouchant dans ladite veine et formant un passage pour un endoscope, l'ouverture, pendant le fonctionnement de la turbomachine, étant obturée par un bouchon présentant une portion de surface d'extrémité assurant la continuité de la paroi interne du carter, est caractérisée par le fait qu'un témoin d'usure de la paroi interne du carter est associé au bouchon ou à la paroi interne du carter à proximité du bouchon.
Grâce à l'invention, on est capable, de manière simple et sans nécessairement la mise en œuvre d'aucun appareil, de surveiller l'usure dans des zones de la turbomachine qui ne sont pas accessibles directement et qui nécessitaient auparavant des opérations de démontage et de dépose du moteur. En fonction de l'état du témoin d'usure, il est aisé de décider du démontage ou non de la turbomachine pour effectuer la réparation.
Selon un mode de réalisation, le témoin d'usure a la forme d'un lamage usiné dans ladite portion de surface d'extrémité du bouchon. Ce mode de réalisation convient quand ladite portion de surface du bouchon affleure la paroi interne du carter. Avantageusement le bouchon est réalisé dans le même matériau que celui-ci.
Selon un autre mode de réalisation, le témoin d'usure est une encoche usinée dans la paroi interne du carter et qui est visible depuis l'extérieur à travers ladite ouverture formant passage d'endoscope. Selon ce mode de réalisation le bouchon peut ne pas affleurer la veine d'air. La profondeur du lamage est choisie de préférence de manière à correspondre à l'épaisseur de paroi interne susceptible d'être enlevée par l'érosion dans le cas d'une érosion acceptable de la zone. De cette façon, quand le lamage n'est plus visible, il est temps de procéder à la réparation de la pièce.
Comme indiqué plus haut, l'invention vise notamment un compresseur centrifuge dont l'ouverture, formant passage pour un endoscope, avec témoin d'usure est située dans le coude aval du diffuseur, en sortie d'un étage du compresseur.
L'invention vise également un compresseur axial ou la partie axiale d'un compresseur dont l'ouverture formant passage pour un endoscope est situé à proximité d'un revêtement abradable en vis-à-vis des sommets des pales du rotor du compresseur.
Présentation des figures
La figure 1 représente un moteur à turbine à gaz bi centrifuge auquel s'applique l'invention ; La figure 2 représente un détail du moteur de la figure 1, en perspective et coupé tangentiellement selon l'axe de celui-ci, au niveau du coude de la veine d'air en aval du premier diffuseur, montrant le bouchon d'endoscopie ;
La figure 3 représente en perspective coupée tangentiellement selon l'axe du moteur et vu de l'intérieur, le détail du bouchon d'endoscopie en position sur le carter avec un lamage formant le témoin d'érosion du premier mode de réalisation de l'invention ;
La figure 4 montre le détail du compresseur du moteur de la figure 1, en coupe au niveau du bouchon d'endoscopie, avec un témoin d'usure selon le second mode de réalisation de l'invention ;
La figure 5 montre le détail de la figure 4 sans le bouchon ;
La figure 6 représente un moteur à turbine à gaz avec un compresseur axial et centrifuge, auquel l'invention s'applique également.
Description détaillée de modes de réalisation de l'invention. On voit sur la figure 1, un moteur à turbine à gaz 1 en soi connu pour l'entraînement des pales d'un rotor d'hélicoptère. Il comprend une partie formant générateur de gaz avec un compresseur bi-centrifuge c'est à dire avec deux rouets de compression 2 et 4 respectivement solidaire d'une turbine 6 coaxiale. La veine d'air 3 à l'intérieur du carter est annulaire et s'étend à partir d'une entrée d'air 3a qui guide l'air jusqu'à l'entrée axiale du compresseur 2. L'air comprimé par le compresseur est guidé radialement à travers le diffuseur 3b. La veine d'air forme ensuite un coude 3c de manière à ramener l'air vers l'axe de la machine jusqu'à l'entrée axiale du second rouet de compression 4. L'air est ensuite guidé jusqu' à la chambre de combustion 5 qui alimente la turbine 6 en gaz chaud. La détente des gaz se poursuit dans la turbine 9 d'un second rotor solidaire d'un arbre de prise de puissance pour l'entraînement de la charge. La veine d'air est délimitée par deux parois coaxiales dont la paroi interne 3i du carter 7.
Sur la figure 2 qui représente en coupe une partie du carter 7 du moteur de la figure 1, on voit le coude 3c de la veine d'air, en aval du diffuseur 3b. Ce coude a pour fonction de dévier le flux d'air issu du diffuseur vers l'axe de la machine. Une ouverture radiale 7r est aménagée dans le carter 7 au niveau du coude 3c. Cette ouverture débouche dans la veine d'air et permet le passage d'un endoscope non représenté par lequel une inspection de l'intérieur de la veine d'air peut être réalisée. Cette ouverture 7r est normalement obturée par un bouchon 8 que l'on voit en coupe sur la figure 2. Le bouchon comprend un fut 8f qui s'ajuste dans l'ouverture 7r de manière à la combler et éviter les fuites d'air en fonctionnement de la machine ; le fut est solidaire d'une plaque de verrouillage 8v transversale par laquelle le bouchon est boulonné au carter 7. A l'opposé, le fut du bouchon 8 présente une portion de surface d'extrémité 8s conforme à la paroi interne 3i de manière à en assurer la continuité.
Conformément à l'invention, un témoin d'usure est ménagé sur le bouchon. Il consiste avantageusement en un lamage 81 usiné sur la portion de surface 8s du bouchon. La forme du lamage peut être circulaire, ovale ou de toute autre profil. Ce lamage 81 est visible sur la figure 3. La profondeur du lamage correspond au potentiel d'érosion de la paroi interne 3i. Il est ainsi très aisé de vérifier l'état d'usure de la pièce. Si le lamage n'est plus visible au démontage du bouchon 8, cela signifie que le potentiel d'érosion est consommé. La pièce est alors à réparer ou bien à remplacer.
Dans les cas où la portion de surface d'extrémité 8s n'affleure pas la paroi interne 3i du carter, l'indication donnée par ce lamage en tant que témoin d'érosion serait moins précise. Pour remédier à ce problème, le témoin d'érosion est alors ménagé sur la paroi interne 3i du carter, au niveau du bord de l'ouverture. Cette solution est représentée sur les figures 4 et 5.
Sur la figure 4, on voit que la portion de surface d'extrémité 8s du bouchon est légèrement en retrait par rapport à la paroi interne 3i. Le fait de pratiquer le témoin d'érosion sous la forme d'une encoche 3s dans la paroi interne sur le bord de l'ouverture 7r permet de ne pas être gêné par un tel retrait de l'extrémité du bouchon. Cette encoche 3s en débouchant dans l'ouverture 7r est visible depuis l'extérieur du carter quand on a enlevé le bouchon. Cette situation est représentée sur la figure 5. Comme dans le cas précédent la profondeur de l'encoche dans la paroi interne 3i correspond au potentiel d'érosion de celle-ci. Si l'encoche 3s n'est plus visible à l'œil nu ou par l'endoscope, cela signifie que le potentiel d'érosion de paroi interne est consommé. Une réparation est indiquée.
L'érosion de la paroi interne ne se produit pas de manière symétrique autour de l'axe de la machine, elle dépend de la position du moteur sur l'aéronef ou encore de la forme de l'entrée d'air. Il est alors opportun de prévoir une ouverture pour le passage de l'endoscope dans la zone susceptible d'être le plus affectée par l'érosion. Il faut tenir compte aussi de l'accessibilité de l'ouverture pour l'endoscope.
Sur la figure 6, est représenté un nnoteur à turbine à gaz 10 avec un connpresseur 12, axial et centrifuge ; les premiers étages 121 du compresseur sont axiaux. Dans la mesure où le carter 17 enveloppant les premiers étages 121 présente une ouverture pour le passage d'un endoscope, la présente invention s'applique avantageusement à la surveillance de l'érosion de la paroi interne du carter dans cette zone. La solution n'est pas illustrée sur la figure mais se déduit aisément de la solution décrite pour la paroi interne du carter dans la zone du coude aval d'un compresseur centrifuge.

Claims

Revendications
1. Turbonnachine connportant un carter (7) avec une paroi interne (3i) formant paroi d'une veine d'air (3) et au moins une ouverture (7r) traversant le carter, débouchant dans ladite veine (3) et formant un passage pour un endoscope, l'ouverture (7r), pendant le fonctionnement de la turbomachine, étant obturée par un bouchon (8) présentant une portion de surface d'extrémité (8s) dans le prolongement de la paroi interne (3i), caractérisée par le fait qu'un témoin d'usure de la paroi interne du carter est associé au bouchon (8) ou à la paroi interne (3i) du carter, au niveau du bord de l'ouverture ou débouchant dans l'ouverture.
2. Turbomachine selon la revendication 1, dont le témoin d'usure a la forme d'un lamage (81) usiné dans ladite portion de surface (8s) d'extrémité du bouchon (8).
3. Turbomachine selon la revendication 2, dont le lamage est de forme circulaire ou ovale.
4. Turbomachine selon l'une des revendications 2 et 3, dont ladite portion de surface d'extrémité (8s) du bouchon affleure la paroi interne (3i) du carter.
5. Turbomachine selon la revendication 1, dont le témoin d'usure est une encoche (3s) usinée dans la paroi interne (3i) et visible de l'extérieur à travers l'ouverture (7r) du carter.
6. Turbomachine selon l'une des revendications 2 à 4, dont la profondeur du lamage (81) ou de l'encoche (3s) correspond à l'épaisseur de paroi interne du carter susceptible d'être enlevée par l'érosion.
7. Compresseur centrifuge formant turbomachine selon l'une des revendications précédentes, dont l'ouverture, formant passage pour un endoscope avec témoin d'usure, est située dans le coude (3c) en aval du diffuseur en sortie d'un étage du compresseur.
8. Compresseur bi centrifuge selon la revendication précédente, dont ladite ouverture (7r) est située dans le coude en aval du diffuseur en sortie du premier étage du compresseur.
9. Compresseur axial formant turbomachine selon l'une des revendications 1 à 5, dont l'ouverture, formant passage pour un endoscope avec témoin d'usure, est située à proximité du revêtement en matériau abradable en vis- à-vis des sommets des pales du rotor.
EP14729423.5A 2013-05-21 2014-05-13 Turbomachine comportant un temoin d'usure du carter Active EP2999859B1 (fr)

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