FR2474099A1

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Publication number: FR2474099A1
Application number: FR8026871A
Authority: FR
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1979-12-18
Filing date: 1980-12-18
Publication date: 1981-07-24
Also published as: JPS641655B2; GB2065766A; US4293053A; GB2065766B; JPS5698533A; FR2474099B1

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UNE STRUCTURE D'INSONORISATION. LA STRUCTURE DE L'INVENTION COMPREND UN CARTER DE TURBINE 18, UNE GARNITURE INTERIEURE 28 COMPORTANT AU MOINS UN PANNEAU D'INSONORISATION 34 AYANT PLUSIEURS PREMIERES CAVITES 56 ET ESPACE DU CARTER 18 POUR FORMER DES SECONDES CAVITES 58, DES PREMIERS PASSAGES 60 RELIANT CHAQUE PREMIERE CAVITE 56 A UNE OU PLUSIEURS DES SECONDES CAVITES 58, TANDIS QUE DES SECONDS PASSAGES 62 RELIENT CHAQUE PREMIERE CAVITE 56 AU PARCOURS D'ECOULEMENT 16 DU MILIEU DE TRAVAIL, UN ELEMENT 64 ETANT PREVU POUR EVACUER LE LIQUIDE DE CHACUNE DES SECONDES CAVITES 58. LA STRUCTURE D'INSONORISATION DE L'INVENTION EST UTILISEE DANS LES TURBINES A GAZ POUR AMELIORER LE RENDEMENT ACOUSTIQUE, TOUT EN EMPECHANT LA FORMATION DE GLACE DANS CETTE STRUCTURE.

Description

La présente invention concerne des turbines à

gaz et, plus particulièrement, un élément en vue de mon-

ter une structure d'insonorisation sur le carter d'une

turbine de ce type.

Une turbine à gaz comporte une section de com- pression, une section de combustion et une section de

turbine. La section de compression comporte un assem-

blage de rotor et un assemblage de stator. Un parcours

d'écoulement annulaire pour les gaz du milieu de tra-

vail s'étend axialement à travers la section de compres-

sion. L'interaction-des éléments du rotor et du stator

avec les gaz de ce milieu de travail engendre des vibra-

tions acoustiques ou des bruits.

Dans les turbines ou moteurs modernes, des

structures d'insonorisation sont spécifiquement tour-

nées vers le parcours d'écoulement du milieu de travail afin d'absorber ces vibrations acoustiques et réduire le niveau de bruit. Une structure de ce type est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3.735. 593 accordé au nom de Howell et ayant pour titre "Ducted Fans As Used In Gas Turbine Engines Of The Type Known As Fan Jets" (= Propulseurs carénés utilisés dans des turbines à gaz du type connu sous le nom de moteurs à réaction à double flux). Dans une structure de ce type, on installe, à différents endroits de la turbine, un matériel d'amortissement des bruits, par exemple, des panneaux perforés ou des feuilles poreuses renforcées

par des structures en nid d'abeilles.

Il est extrêmement important que ces panneaux soient durables et qu'ils aient une résistance adéquate à la fatigue. Une délamification des panneaux et le

passage ultérieur en aval de la matière délamifiée peu-

vent provoquer de sérieuses détériorations dans la tur-

bine. Une cause de cette délamification est une défail-

lance due à la fatigue lorsque des contraintes périodi-

ques répétées résultant de vibrations mécaniques provo-

quées acoustiquement sont absorbées dans les panneaux.

Une autre source de contraintes périodiques dans la garniture intérieure réside dans les vibrations que

subit le carter de la turbine. Les vibrations s'exer-

çant dans ce carter sont particulièrement importantes lorsque les aubes du rotor viennent frapper successi-

vement ce carter. Des chocs de ce type peuvent inévita-

blement se produire au cours d'accélérations rapides ou lorsque l'assemblage de rotor est soumis à des charges

de manoeuvres gyroscopiques.

D'autres sources de défaillance structurale de

la garniture intérieure n'ont rien à voir avec les vi-

brations. Un type de défaillance de ce type peut se produire lorsque la turbine fonctionne en présence de la grêle, du brouillard, de la pluie, de la neige ou de

la neige fondante. Sous ses différentes formes, l'eau -

pénètre dans la turbine conjointement avec les gaz du milieu de travail et elle risque de venir s'enfermer dans les panneaux en nid d'abeilles. Lorsque la turbine

fonctionne à des altitudes plus élevées, l'eau se trans-

forme en glace et peut être la cause de détériorations structuralesde la garniture intérieure. Les panneaux

peuvent subir une défaillance prématurée due à la fati-

gue et il peut même s'y produire une délamification

ayant pour conséquence de détériorer gravement la turbi-

ne.

Afin de résoudre les problèmes énoncés ci-des-

sus, les hommes de science et les ingénieurs cherchent

à élaborer des structures efficaces de montage préser-

vant l'intégrité structurale des garnitures intérieures

en compatibilité avec un bon rendement acoustique.

Un objet principal de la présente invention est de fournir une structure d'insonorisation le long du parcours d'écoulement des gaz du milieu de travail dans une turbine à gaz. L'invention vise à assurer une

bonne durabilité et une meilleure capacité d'insonorisa-

tion et un but spécifique de l'invention est d'empêcher la formation de glace à l'intérieur de la structure

d'insonorisation, tout en réalisant dus cavités de gran-

de profondeur absorbant les bruits.

Suivant la présente invention, on forme une

cavité entre un carter d'une turbine et un panneau d'in-

sonorisation, cette cavité étant en communication par fluide avec ce panneau afin d'absorber les vibrations

acoustiques et d'évacuer l'eau du panneau.

Une caractéristique principale de la présente invention réside dans la cavité prévue entre le panneau d'insonorisation et le carter de la turbine. Suivant une autre caractéristique, on prévoit plusieurs passages entre le panneau d'insonorisation et cette cavité. Un trou pratiqué dans le fond du carter permet d'évacuer

le fluide de la cavité.

Un avantage principal de la présente invention réside dans la meilleure intégrité structurale assurée

par l'évacuation, hors des cavités de la garniture inté-

rieure, de l'eau qui y est enfermée. Un autre avantage réside dans l'absorption des vibrations acoustiques par la combinaison du panneau d'insonorisation et de la

cavité formée entre ce panneau et le carter de la tur-

bine.

Les objets, caractéristiques et avantages ci-

dessus de la présente invention, ainsi que d'autres

apparaîtront plus clairement à la lecture de la descrip-

tion détaillée ci-après de certaines formes de réalisa-

tion préférées données en se référant aux dessins anne-

xés dans lesquels: la figure 1 est une vue latérale simplifiée en élévation d'une turbine à double flux, une partie du carter extérieur étant élaguée afin de montrer une garniture intérieure d'insonorisation et une aube de rotor; la figure 2 est une vue en coupe transversale d'une partie du carter extérieur et de la structure y associée;

la figure 3 est une vue en coupe de la garni-

ture intérieure et du carter, cette vue étant prise sui-

vant la ligne 3-3 de la figure 2; la figure 4 est une vue en coupe transversale correspondant à celle de la figure 2, mais montrant une

autre forme de réalisation.

La figure 1 illustre une forme de réalisation d'une turbine à gaz suivant l'invention. Les sections

principales de cette turbine sont: une section de com-

pression 10, une section de combustion 12 et une section

de turbine 14. A travers cette turbine, s'étend axiale-

ment un parcours d'écoulement annulaire 16 pour les gaz

du milieu de travail. Une structure de stator compor-

tant un carter extérieur 18 de la turbine délimite le

parcours d'écoulement du milieu de travail. Une struc-.

ture de rotor 20 est disposée à l'intérieur du carter extérieur et comporte un axe de rotation A. Dans la section de compression, la structure de rotor comporte un disque de rotor (non représenté) et plusieurs aubes

mobiles 24. Ces aubes mobiles s'étendent vets l'exté-

rieur du disque en travers du parcours d'écoulement du milieu de travail à proximité du carter extérieur. Le

carter-extérieur comporte une bande de friction 26 tour-

née vers les aubes et il renferme une garniture inté-

rieure d'insonorisation 28. Cette garniture d'insono-

risation s'étend sur la circonférence intérieure du carter extérieur et elle est tournée vers le parcours d'écoulement du milieu de travail. Conjointement avec

le carter, cette garniture intérieure forme une struc-

ture d'insonorisation 30.

La figure 2 est une vue en coupe transversale d'une partie du carter extérieur 18 et de la structure y associée, par exemple, les aubes mobiles 24 et la garniture intérieure d'insonorisation 28. Le carter est conçu pour recevoir cette garniture intérieure dans une gorge circonférentielle 32. La garniture intérieure vient s'engager dans le carter et elle comporte un ou

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plusieurs panneaux d'insonorisation 34. Chaque panneau

comporte une première paroi, par exemple, une paroi ex-

térieure 36, de même qu'une deuxième paroi, par exemple,

une paroi intérieure 38, une paroi d'amont 40 et une pa-

roi d'aval 42. La paroi d'amont et la paroi d'aval sont

pratiquement perpendiculaires à la paroi intérieure.

Cette paroi intérieure comporte une extrémité d'amont 44

et une extrémité d'aval 46. L'extrémité d'amont et l'ex-

trémité d'aval sont toutes deux en biais par rapport au

parcours d'écoulement. Une butée d'amont 48 et une bu-

tée d'aval 50 sont également disposées en biais sur le carter intérieur pour recevoir la paroi extérieure. La

butée d'amont vient s'engager mécaniquement sur l'extré-

mité d'amont de la paroi intérieure. La butée d'aval vient s'engager mécaniquement sur l'extrémité d'aval de

la paroi intérieure. Un élément 52 en une matière vis-

coélastique est amalgamé entre les butées et la paroi intérieure afin d'assurer un carénage aérodynamique

entre le carter et cette paroi intérieure.

Une structure interne telle que la structure en nid d'abeilles 54 est collée sur la paroi intérieure 38. Cette structure en nid d'abeilles s'étend vers l'extérieur et est collée sur la paroi extérieure 36 afin de former une ou plusieurs premières cavités 56 entre la paroi intérieure et la paroi extérieure. La paroi extérieure est écartée du carter de la turbine

afin de former une ou plusieurs secondes cavités 58.

A travers la paroi extérieure 36 de chaque panneau, sont pratiqués plusieurs passages 60 mettant chacune des premières cavités 56 en communication par

fluide (gaz et liquide) avec une ou plusieurs des secon-

d.s cavités 58. A travers la paroi intérieure, sont

prévus plusieurs passages 62 mettant chacune des pre-

mières cavités en communication avec le parcours d'écou-

lument des gaz 16. Des éléments permettant d'évacuer les liquides, par exemple, des trous 64 pratiqués dans le fond du carter extérieur 18, sont en communication

par fluide avec chacune des secondes cavités.

Sur le carter extérieur, viennent s'engager

des premiers éléments tels que des coussinets en caout-

chouc 66 constitués d'une matière viscoélastique afin de monter la garniture intérieure 28 sur le carter 18 de la turbine, de même que pour écarter le panneau 34 de ce dernier. Ces coussinets 66 viennent s'engager sur le carter de la turbine, par exemple, sur la paroi d'aval 42 et sur la paroi extérieure 36 afin d'assurer une suspension élastique pour chaque panneau. Après

leur mise en place, les coussinets sont comprimés élas-

tiquement et poussent les panneaux 34 vers l'intérieur.

Chaque coussinet peut subir librement une expansion

dans au moins une direction. Une matière viscoélasti-

que satisfaisante pour ces coussinets est un caoutchouc silicone vulcanisé tel que la matière "L-13275" vendue

par "'Acushnet Process Company", New Bedford, Massachu-

setts, E.U.A., ou la matière "IIJL-78-71-L" vendue par

"IJonal Laboratories", Meriden, Connecticut, E.U.A.

Outre les premiers éléments 66 en une matière

viscoélastique, on installe des seconds éléments 68 éga-

lement en une matière viscoélastique entre le panneau d'insonorisation et le carter extérieur. Ces seconds éléments en matière viscoélastique sont installés sans être vulcanisés de façon à faire office d'adhésif et de matière de remplissage. Après l'installation, cette matière viscoélastique se vulcanise rapidement (dans les

vingt-quatre heures), augmentant ainsi la suspension élas-

tique du panneau d'insonorisation. Une matière visco-

élastique satisfaisante est un caoutchouc silicone tel que la matière "RTV-106" (vulcanisée à la température

ambiante) vendue par "General Electric Company", Water-

fordI New York, E.U.A., ou la matière "DC-140" vendue

par "Dow Corning Corporation", Midland, Michigan, E.U.A.

Comme représenté en figure 3, les panneaux d'insonorisation de la garniture intérieure sont espacés sur la circonférence de la turbine. Chaque panneau de

la garniture intérieure s'étend à peu près sur 1200.

Comme on le comprendra, la garniture intérieure peut com-

porter un seul panneau s'étendant à peu près sur toute la circonférence du carter de la turbine ou elle peut être constituée de plusieurs segments comme représenté

dans les dessins annexés. Les seconds éléments 68 cons-

titués d'une matière viscoélastique sont disposés cir-

conférentiellement entre chaque paire de panneaux adja-

cents, ainsi qu'entre les coussinets 66. Un espace li-

bre circonférentiel 70 ménagé entre les coussinets ins-

tallés tout au fond de la turbine met la ou les diffé-

rentes secondes cavités en communication par fluide.

La figure 4 représente une variante de la forme de réalisation de la figure 2, cette variante

1s comportant une paroi intérieure 38 espacées à son extré-

mité d'amont 44, de la butée d'amont 48 et, à son extré-

mité d'aval 46, de la butée d'aval 50. Des premiers éléments constitués d'une matière viscoélastique, par exemple, des coussinets représentés par le coussinet unique 66 à l'extrémité d'amont et par le coussinet unique 66 à l'extrémité d'aval, s'étendent entre la paroi

intérieure et les butées.

Au cours du fonctionnement d'une turbine à gaz, les gaz constituant le milieu de travail sont dirigés

le long du parcours d'écoulement annulaire 16 à tra-

vers la section de compression 10. Ces gaz circulant à grande vitesse, de même que les éléments rotatifs et les éléments fixes à travers lesquels passent ces gaz,

engendrent des vibrations acoustiques ou des bruits.

Ces bruits sont absorbés partiellement par la garniture

d'insonorisation 28 prévue dans la section de compres-

sion. Grâce à la communication par fluide assurée par les passages 60 traversant la paroi extérieure 36 de

chaque panneau d'insonorisation 34, les premières cavi-

tés 56 de ce panneau peuvent coopérer, du point de vue acoustique, avec les secondes cavités 58 à l'extérieur

des panneaux, entre ceux-ci et le carter de la turbine.

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Cette coopération acoustique augmente l'aptitude de la garniture à absorber les vibrations comparativement à

une garniture comportant uniquement un panneau d'insono-

risation identique, mais sans cavité de renforcement.

Les vibrations acoustiques s'exerçant dans le

panneau d'insonorisation provoquent des vibrations mé-

caniques dans ce dernier. Ces vibrations mécaniques

donnent lieu à des déformations périodiques dans la ma-

tière viscoélastique, par exemple, dans les premiers éléments (coussinets 66) et les seconds éléments 68 (matière de remplissage) siétendant entre le carter de la turbine et le panneau d'insonorisation. Etant donné que ces matières viscoélastiques possèdent un important

coefficient de friction interne, elles absorbent l'éner-

gie provenant des pièces subissant des vibrations méca-

niques et elles transforment, en chaleur, l'énergie pro-

venant du mouvement mécanique. Cette absorption d'éner-

gie est une forme d'amortissement visqueux et elle a pour effet de réduire l'amplitude des vibrations dans les pièces vibrantes. On augmente la résistance à la fatigue des panneaux comparativement à des panneaux non amortis. Comme représenté dans la forme de réalisation

illustrée en figure 2, on obtient un amortissement sup-

plémentaire sous forme d'un amortissement de Coulomb ou d'un amortissement par friction à sec à l'extrémité

d'amont 44 et à l'extrémité d'aval 46 de la paroi inté-

rieure lorsque cette paroi vibre contre la butée d'amont

48 et la butée d'aval 50 sur le carter de la turbine.

Les coussinets en matière viscoélastique, qui sont com-

primés à la manière de ressorts élastiques au cours de

leur mise en place, poussent la garniture vers l'inté-

rieur, augmentant ainsi la forc-e normale s'exerçant

entre ces surfaces et, en même temps, le degré d'amortis-

sement de Coulomb. Le fait que la matière viscoélasti-

que fait office de ressort, est important pour une autre raison.

Lorsque l'assemblage du rotor 22 subit des ac-

célérations rapides ou est soumis à des charges de ma-

noeuvres gyroscopiques, les aubes mobiles 24 viennent

heurter la bande de friction 26 pouvant s'user par abra-

S sion et adaptée sur le carter de la turbine. Le contact

abrasif entre les aubes et cette bande provoque des vi-

brations mécaniques dans le carter de la turbine. Ces vibrations sont transmises à travers ce carter. Les premiers et seconds éléments viscoélastiques servent à assurer la suspension élastique de chacun des panneaux

34 de la garniture intérieure 28 au carter de la turbine.

Cette suspension élastique bloque la transmission des

vibrations du carter de la turbine à la garniture inté-

rieure et au panneau d'insonorisation de cette dernière.

Dès lors, les perturbations produites dans le panneau

par les vibrations engendrées dans le carter sont nette-

ment réduites comparativement à un panneau fixé rigide-

ment au carter de la turbine. Comme représenté dans la forme de réalisation illustrée en figure 2, la zone de contact capable de transmettre les vibrations mécaniques est limitée à la zone comprise entre la butée d'amont

48 du carter et l'extrémité d'amont 44 de la paroi inté-

rieure, ainsi qu'entre la butée d'aval 50 du carter et l'extrémité d'aval 46 de la paroi intérieure. Même

cette zone limitée est éliminée dans la forme de réali-

sation illustrée en figure 4 dans laquelle des coussi-

nets en matière viscoélastique 66 sont substitués à l'en-

gagement mécanique de la forme de réalisation de la

figure 2.

L'eau s'infiltrant avec les gaz entrants du milieu de travail lors du fonctionnement de la turbine, est évacuée de la garniture intérieure 28. GrAce à la communication par fluide entre les premières cavités

56 du panneau d'insonorisation 34 et les secondes cavi-

tés 58 s'étendant entre le panneau et le carter, l'eau

peut être évacuée des premières cavités. Cette évacua-

tion de l'eau empêche la formation de glace qui se pro-

duirait si l'eau était enfermée par une paroi extérieure

ne comportant pas les passages 60. La glace provoque-

rait la rupture de la structure interne du panneau d'in-

sonorisation, des éléments de ce dernier pouvant même venir se perdre dans le parcours des gaz de la turbine. Comme on l'a décrit ci-dessus, l'eau à l'état liquide est évacuée par les passages pratiqués dans la paroi extérieure 36, les secondes cavités et les trous du

carter de la turbine, par exemple, le trou 64.

Bien que la présente invention ait été décrite

et illustrée par une de ses formes de réalisation préfé-

rées, l'homme de métier comprendra que diverses modifi-

cations et omissions peuvent être apportées tant dans sa forme que dans ses détails sans pour autant se départir

de son esprit et de son cadre.

Claims

REVENDICATIONS - -

1. Structure d'insonorisation pour une turbine à gaz comportant un parcours d'écoulement (16) s'étendant axialement, caractériséeen ce qu'elle comprend un carter (18) de turbine, une garniture (28) intérieure s'étendant le long

de ce carteret comportant au moins un panneau d'insonorisa-

tion (34) dans lequel est ou sont pratiqué(s) une ou plu-

sieurs premières cavités (56), ce panneau étant espacé du carter de la turbine afin de former, entre lui-même et ce carter, une ou plusieurs seconde cavités (58), un premier

groupe de passage (60) partiqués dans la garniture inté-

rieure et reliant chacune des premières cavités à une ou plusieurs des secondes cavités, un deuxième groupe de passages (62) pratiqués dans la garniture intérieure et reliant chacunes des premières cavités au parcours d'

écoulement du milieu de travail, un élément (64) per-

mettant d'évacuer le fluide de chacune des secondes ca-

vités, les premières et secondes cavités (56,58) coopé-

rant pour absorber les vibrations acoustiques, tandis que le liquide pénétrant dans la garniture intérieure et

les secondes cavités permet d'évacuer le fluide des pre-

mières cavités.

2. Structure d'insonorisation suivant la revendi-

cation 1, caractérisée en ce que chacune des premières cavités <56) est radialement plus proche du parcours d'

écoulement que chacune des secondes cavités (58).

3. Structure d'insonorisation suivant la revendi-

cation 2, caractérisée en ce que chacune des premières cavités (56) s'étend radialement, chacune de ces cavités

étant en communication, par gaz et liquide, avec le par-

cours d'écoulement (16) des gaz constituant le milieu de travail, ainsi qu'en communication, par gaz et liquide,

avec chacune des secondes cavités (58).

4. Structure d'insonorisation suivant la revendi-

cation 3, caractérisée en ce que l'élément (64) permet-

tant d'évacuer le liquide de chacune des secondes cavi-

tés est un trou pratiqué dans le carter (18).