FR2551130A1 - Enveloppe de turbine insensible aux frottements - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UNE STRUCTURE D'ETANCHEITE 18 ENTRE DEUX ORGANES D'ETANCHEITE MOBILES L'UN PAR RAPPORT A L'AUTRE, TELS QUE LES AUBES ET L'ENVELOPPE ANNULAIRE EXTERIEURE D'UNE TURBINE A GAZ, POUR EMPECHER L'ECOULEMENT DES GAZ DANS L'ESPACE ENTRE LES DEUX ORGANES, TRANSVERSALEMENT A LEUR SENS DE DEPLACEMENT. CETTE STRUCTURE COMPORTE UNE SERIE DE LAMES 38 APPROXIMATIVEMENT PARALLELE AUX LAMES ADJACENTES ET QUI FONT UN ANGLE DE 30 OU MOINS AVEC LE PLAN RADIAL QUI CONTIENT CES DEUX ORGANES. CES LAMES SONT MINCES, ETROITEMENT RAPPROCHEES ET SONT FIXEES SUR UN BORD 40 A L'UN DES ORGANES (L'ENVELOPPE) TANDIS QUE LEUR AUTRE BORD 42 EST LIBRE DE FLECHIR ELASTIQUEMENT LORSQU'IL EST EN CONTACT DE FROTTEMENT AVEC L'AUTRE ORGANE (LES AUBES).

Description

La présente invention se rapporte, d'une manière générale, à une structure

d'étanchéité pour un rotor à aubes et elle a trait plus particulièrement à des structures d'étanchéité déformables qui assurent le maintien de l'intégrité des aubes et une valeur de fuite minimale pendant la dilatation ou "croissance" des aubes

du rotor.

Le rendement des moteurs à turbine à gaz dépend

en partie du maintien des tolérances dimensionnelles 10 pendant toutes les phases de fonctionnement du moteur.

Une tolérance dimensionnelle particulièrement difficile à maintenir est celle entre les extrémités libres des aubes du rotor de la turbine et l'enveloppe annulaire qui les entoure Typiquement, les aubes de rotor attei15 gnent une température élevée au cours du fonctionnement,

ce qui provoque leur dilatation ou croissance radiale.

Pendant les périodes de dilatation maximale, les extrémités des aubes peuvent s'user en frottant contre l'enveloppe, accroissant, de ce fait, l'intervalle entre les 20 extrémités des aubes et l'enveloppe pendant les autres périodes de fonctionnement du moteur Un moyen utilisable pour empêcher les aubes d'entrer en contact avec l'enveloppe consiste à laisser un intervalle suffisant entre les extrémités des aubes et l'enveloppe pour per25 mettre la dilatation maximale des aubes Si l'on laisse un tel intervalle, des quantités importantes de gaz peuvent fuir par cet intervalle pendant les périodes au cours desquelles les aubes n'atteignent pas leur

dilatation maximale, ce qui réduit le rendement de la 30 turbine.

Une autre solution pour maintenir une bonne étanchéité pendant la dilatation ou croissance des aubes consiste à utiliser un matériau d'enveloppe érodable Un tel matériau est conçu de façon à s'user 35 progressivement lorsque les extrémités des aubes en rotation entrent en contact avec elle Les efforts effectués en vue de réaliser des enveloppes exploitables employant cette solution ont rencontré divers problèmes Par exemple, les enveloppes peuvent être trop tendres et facilement érodables ou bien elles peuvent être oxydables et se dégrader de ce fait Lorsque les enveloppes annulaires sont durcies pour résister correctement aux conditions très dures de la turbine ou qui résultent du fonctionnement du moteur, il se 10 produit une usure excessive des aubes Dans les deux cas, l'accroissement résultant de l'intervalle libre aux extrémités des aubes contribue d'une manière non négligeable à la diminution des performances de la turbine. Une autre solution pour maintenir un intervalle d'étanchéité amélioré a été rendu possible par la mise sur le marché de matières métalliques résistant à l'oxydation Un type de structure d'étanchéité utilisant de telles matières a été décrit dans le brevet 20 US n 3 916 054 La structure d'étanchéité du brevet cité est constituée par des bandes ou lames métalliques ondulées disposées côte à côte suivant la circonférence ou sens de rotation des aubes Cette structure d'étanchéité constitue un exemple typique des structures d'étanchéité de la technique antérieure en ce sens que l'orientation générale des lames d'étanchéité est parallèle au sens de rotation des aubes En outre, on estime que la structure d'étanchéité du brevet cité s'use par érosion et qu'elle se déforme de manière permanente sous l'action des extrémités des aubes en rotation. Compte tenu de ce qui précède, la présente invention a notamment pour buts: de réaliser une structure d'étanchéité 35 nouvelle et perfectionnée; de réaliser une structure d'étanchéité nouvelle et perfectionnée dans laquelle les éléments d'étanchéité sont alignés normalement à la direction du courant de gaz de fuite; de réaliser une structure d'étanchéité qui est élastique plutôt qu'érodable;

de réaliser une structure d'étanchéité nouvelle et perfectionnée qui réduit les fuites du courant de gaz dans l'espace libre entre deux organes 10 mobiles l'un par rapport à l'autre;. de réaliser une enveloppe annulaire de turbine nouvelle et perfectionnée insensible aux frottements qui réduit l'usure des extrémités des aubes.

Par conséquent, la présente invention a pour 15 objet, selon un mode de réalisation, une structure d'étanchéité pour réduire l'écoulement des gaz dans l'espace libre qui existe entre des premier et second organes mobiles l'un par rapport à l'autre La structure d'étanchéité comprend une série de lames déforma20 bles dont chacune est approximativement parallèle aux lames qui en sont adjacentes et qui font un angle égal ou inférieur à 30 avec la normale au plan radial qui contient approximativement ces premier et second organes mobiles l'un par rapport à l'autre Chaque lame comporte 25 deux bords, un bord étant fixé au premier organe et l'autre bord étant élastiquement déformable lorsqu'il

est en contact de frottement avec le second organe.

Selon un mode de réalisation spécifique, la présente invention a pour objet une enveloppe annulaire 30 insensible aux frottements qui entoure un organe tournant muni d'aubes L'enveloppe comporte un organe support et une série de lames Chaque lame fait un angle égal ou inférieur à 30 avec la normale au plan radial qui contient approximativement l'organe tournant muni 35 d'aubes En outre, chaque lame comporte des premier et second bords, le premier bord étant assemblé à l'organe support et le second bord étant élastiquement déformable lorsqu'il est en contact de frottement avec l'organe

muni d'aubes.

La suite de la description se réfère aux

figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue partielle, en coupe longitudinale, d'uneenveloppe annulaire et d'une aube d'une turbomachine; figure 2, une vue en perspective d'une partie de l'enveloppe de la figure 1; figure 3, une vue en perspective d'une partie de l'enveloppe de la figure 1, suivant un autre mode de réalisation de l'invention; figure 4, une vue en perspective d'une partie de l'enveloppe de la figure 1, suivant encore un autre mode de réalisation de l'invention; figure 5, une vue schématique, en coupe axiale, du rotor et de l'enveloppe de la figure 1; figure 6, une vue de l'enveloppe du mode de réalisation de la figure 3, prise suivant les lignes

6-6 de la figure 1.

La figure 1 représente une aube 10 de turbine et une enveloppe annulaire extérieure 12 de turbine. 25 L'enveloppe 12 comporte un organe support incurvé 14 muni de rebords 16 qui font saillie radialement vers l'intérieur A l'organe support 14 est fixée une structure d'étanchéité 18 qui a été représentée de manière plus détaillée sur la figure 2 La structure 30 d'étanchéité 18 remplit pratiquement complètement

l'espace 17 entre l'organe support 14 et l'aube 10.

La figure 2 est une vue en perspective d'une partie de l'enveloppe 12 Une gouttière en U 26 formée dans l'organe support 14 est limitée par une surface 28 radialement intérieure et par les surfaces intérieures 30 en vis-à-vis des rebords 16 La structure d'étanchéité 18 est formée par une série de bandes ou lames 38, chaque lame étant approximativement parallèle aux lames qui en sont adjacentes Plus précisément, chaque lame 38 est contenue dans un plan qui passe par l'axe de rotation de l'aube 10, appelé ci-après un plan axial Pour cette raison, les lames adjacentes 38 sont approximativement mais non exactement parallèles entre elles Chaque lame 38 comporte un premier bord 40 radialement extérieur 10 et un second bord 42 radialement intérieur Le premier bord 40 est fixé à la surface 28 de l'organe support par brasage, soudage par diffusion, ou autre procédé de liaison approprié Le second bord 42 est disposé à proximité de l'aube 10 et il est en contact avec elle pendant certaines périodes de fonctionnement Les lames 18 sont séparées des lames voisines par des fentes étroites

22 Les lames 38 s'étendent entre les surfaces 30 en visà-vis des rebords 16 mais elles ne sont pas fixées aux surfaces 30 d'une manière qui empêcherait le fléchisse20 ment des bords 42.

La figure 3 est une vue en perspective d'une partie d'une enveloppe 12 selon un autre mode de réalisation de l'invention La structure d'étanchéité 18 comprend une série de lames 38 approximativement paral25 lèles aux lames qui en sont adjacentes Cependant, chaque lame peut être inclinée dans l'une de deux directions ou dans les deux En premier lieu, chaque lame peut faire un angle alpha (a) avec un plan tangent à la surface 28 passant par le milieu du premier bord 40 de la lame 38 L'angle alpha peut être compris entre environ 90 , comme dans le mode de réalisation de la figure 2, et environ 45 , la valeur recommandée étant d'environ 60 Comme représenté, les lames 38 sont inclinées dans l'ensemble dans le sens de rotation 32 35 de l'aube 10 En inclinant ainsi les lames 38 obliquement, on obtient ce résultat qu'elles s'infléchissent sous une force moins grande et provoquent, de ce fait, une plus faible usure des aubes En second lieu, chaque lame 38 peut faire un angle bêta ($) avec la normale au plan radial qui contient approximativement l'aube tournante 10, c'est-à-dire que l'angle b&ta est l'angle que fait la lame avec la direction axiale indiquée par les flèches 33 L'inclinaison des lames 38 par rapport à la normale au plan radial, à savoir l'angle 10 bêta, a pour but d'aligner les lames plus étroitement avec la corde de l'aube 10 lorsque cette dernière balaie

les lames 38 en étant en contact de frottement avec elles.

La figure 6 est une vue de l'enveloppe 12 du mode de réalisation de la figure 3, prise dans la direc15 tion des lignes 6-6 de la figure 1 L'aube 10 a été représentée avec son bord d'attaque 50 et son bord de fuite 52 La corde 54 de l'aube 10 est le segment de ligne qui joint le bord d'attaque 50 au bord de fuite 52 L'écoulement de fuite, indiqué d'une manière géné20 rale par les flèches 35, est approximativement normal à ces lames obliques, de sorte que les lames réduisent

l'écoulement de gaz dans l'espace 17, représenté sur la figure 1, formé entre l'aube 10 et l'organe support 14.

Bien que, dans un mode de réalisation recom25 mandé, les lames 38 soient approximativement alignées avec la corde 54, l'angle bêta peut être établi à une valeur angulaire quelconque qui est adaptée d'une manière générale à la géométrie de l'aube, les valeurs recommandées étant comprises entre environ 0 , comme représenté sur la figure 2, et environ 30 Il résulte

clairement de la description qui précède que l'invention

n'est pas limitée aux modes de réalisation spécifiques représentés sur les figures 2, 3 et 6 Par exemple, les lames 38 peuvent être normales au sens de rotation 32 35 mais inclinées dans cette direction, c'est-à-dire que l'angle bêta est alors égal à O et l'angle alpha est

inférieur à 90 .

La figure 4 est une vue en perspective d'une partie de l'enveloppe 12 selon un autre mode de réali5 sation de l'invention On forme la structure d'étanchéité 18 en formant une série de coudes de 180 alternés à des distances égales le long d'une longue bande plate de feuillard de façon à former une série de plis 20 approximativement parallèles aux plis adjacents Chaque 10 pli 20 est séparé des plis adjacents par d'étroites fentes 22 Ainsi formée, la structure 18 comporte des parties de coude 24, chaque fente 22 comportent une unique partie de coude 24 à une extrémité et les fentes adjacentes 22 ayant des parties de coude 24 aux extré15 mités opposées En outre, chaque pli 20 a deux bords: un premier bord 34 radialement extérieur et un second bord 36 radialement extérieur La structure d'étanchéité 18 est disposée dans la gouttière en U 26 formée dans l'organe support 14 de façon que l'orientation des plis 20 20 soit approximativement normale au plan radial qui contient l'aube tournante 10 La structure d'étanchéité 18 est fixée à l'organe support 14 par brasage, soudage par diffusion, ou autre procédé de fixation approprié qui permet de fixer le premier bord 34 à la surface 28. 25 Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 4, chaque pli 20 est normal à un plan tangent passant par son premier bord 34 Ainsi, chaque pli 22 est limité à un plan axial et il est approximativement parallèle aux plis qui en sont adjacents Il entre dans le cadre de la 30 présente invention d'incliner les plis 20 suivant l'angle alpha ou l'angle bêta ou suivant les deux, comme

on l'a représenté sur la figure 3 et décrit en se référant à cette figure.

L'intervalle ou espace libre, à froid, entre 35 une aube de turbine et l'enveloppe annulaire qui l'entoure lors du démarrage du moteur peut être d'environ 1,524 mm Cet intervalle diminue lorsque l'aube chauffée se dilate et croit radialement au cours du fonctionnement du moteur Comme représenté dans la vue en coupe axiale de la figure 5, l'aube 10 pénètre dans la structure d'étanchéité au cours de certaines étapes transitoires du fonctionnement du moteur et elle fait fléchir les lames 38 pendant qu'elle tourne autour de son axe propre Lorsque l'aube 10 10 entre en contact avec chacune des lames 38, cette lame se déforme sans endommager l'aube 10 ni dégrader de manière significative sa propre structure Lorsque l'aube 10 franchit les lames 38 successives, chaque lame 38 rebondit élastiquement Bien que le rebondis15 sement ne ramène pas la lame 38 à sa forme plane initiale, le retour élastique est suffisant pour assurer que, lors des passages suivants de l'aube, le contact de frottement se poursuivra Une telle déformation cyclique avec un retour élastique assure une étanchéité 20 qui réduit l'écoulement des gaz dans l'espace situé entre l'aube 10 et l'enveloppe 12 sans provoquer une

usure significative de -l'aube.

Un certain nombre de facteurs doivent être pris en considération pour la construction d'enveloppes 25 conformément à la présente invention Comme indiqué sur les figures 3 et 5, ces facteurs sont notamment: la hauteur H et l'épaisseur T des lames 38, la largeur S des fentes 22, la profondeur d'incursion ou de déformation par frottement D de l'aube 10 dans la structure 30 d'étanchéité, l'angle d'inclinaison alpha des lames 38 et l'angle bêta qu'elles font avec la normale au plan radial.

Le tableau ci-après spécifie pour des paramètres choisis l'intervalle recommandé et les valeurs d'un 35 mode de réalisation spécifique.

TABLEAU

Mode de réalisation Paramètre Intervalle recommandé spécifique alpha 45090 60 bêta 00-30 aligné avec la corde de l'aube T 0,0254-0,254 mm 0, 0762 mm S 0,0254-0,127 mm 0,0254 mm H 1,17-11,43 mm 3,81 mm En outre, il faut tenir compte de la qualité de la matière des lames telle que mesurée par son module d'élasticité par son pourcentage d'allongement et par sa 15 résistance à la chaleur et à l'oxydation En général, on

peut utiliser avantageusement tout alliage résistant à la chaleur et à l'oxydation ayant une bonne ductilité.

Par exemple, des matières disponibles dans le commerce, telles que les alliages Kanthal, Hastalloy X, Hastalloy 20 HS 188, Inconel 625 et Inconel X 750 présentent toutes ces propriétés et peuvent être utilisées dans la présente invention. La profondeur de pénétration de frottement D ne peut pas être rècrglée avec autant de précision que 25 les paramètres précités Comme indiqué ci-dessus, l'intervalle ou séparation entre une aube de turbine et l'enveloppe qui l'entoure, lors du démarrage du moteur, peut être d'environ 1,524 mm Pendant le fonctionnement en régime permanent, cet intervalle peut être ramené à 30 environ 0,381 mm Cependant, pendant certaines étapes transitoires, l'aube 10 pénètre dans la structure d'étanchéité 18 La profondeur de pénétration de frottement D

varie mais peut atteindre entre 0,254 mm et 0,762 mm.

Les valeurs des paramètres données dans le tableau sont basées sur la supposition que la profondeur de pénétration 1 O

de frottement est comprise dans cet intervalle.

Il apparaîtra clairement aux spécialistes de la technique que la présente invention n'est pas limitée

aux modes de réalisation décrits et représentés ici.

L'invention n'est pas non plus limitée à des enveloppes annulaires entourant des aubes tournantes mais est également applicable à des structures d'étanchéité qui assurent l'étanchéité entre deux organes mobiles l'un par

rapport à l'autre à l'encontre d'un écoulement du fluide 10 transversalement à leur sens de rotation ou de déplacement relatif.

Il est bien entendu que les dimensions et les relations de proportionnalité des structures représentées dans les dessins annexés n'ont été données qu'à titre d'exemple et ne doivent pas être considérées comme représentant les dimensions ou les relations de proportionnalité des structures effectives utilisées dans l'enveloppe

annulaire de la présente invention.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1 Enveloppe annulaire ( 12) insensible aux frottements pour un moteur à turbine comportant une aube tournante ( 10) qui est entourée par cette enveloppe, 5 enveloppe étant caractérisée en ce qu'elle comporte: À un organe support ( 14); et une série de lames ( 38) ayant des premier et second bords ( 40, 42), chacune des lames étant approximativement parallèle aux lames qui en sont adjacentes et faisant un angle égal ou inférieur à 30 avec la normale au plan radial contenant approximativement l'aube tournante; et en ce que le premier bord ( 40) est joint à

l'organe support ( 14) tandis que le second bord ( 42) peut fléchir élastiquement lorsqu'il est en contact de frotte15 ment avec l'aube ( 10).

2 Enveloppe annulaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacune des lames ( 38) est contenue dans un plan passant par l'axe de rotation de l'aube

( 10).

3 Enveloppe annulaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacune des lames ( 38) est approximativement normale au plan radial qui contient l'organe tournant et est orientée obliquement dans ie sens de

rotation de l'aube ( 10).

4 Enveloppe annulaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'épaisseur de chaque lame ( 38) est comprise entre 0,0254 et 0,254 mm et en ce que les lames sont séparées les unes des autres par des fentes ( 22) dont la largeur est comprise entre 0,0254 et 0,127 mm. 30 5 Enveloppe annulaire selon la revendication 4, caractérisée en ce que les lames ( 38) sont formées en une matière choisie dans le groupe de matières constitué par le Kanthal, l'Hastalloy X, l'Hastalloy HS 188, l'Inconel

625 et l'Inconel X 750.

6 Enveloppe annulaire ( 12) insensible aux frottements pour un moteur à turbine comportant une aube tournante ( 10) qui est entourée par cette enveloppe, enveloppe caractérisée en ce qu'elle comporte: un organe support ( 10); et une bande de feuillard allongée élastiquement déformable ayant des premier et second bords ( 34,36), pliée pour former une série de plis ( 20), chacun des plis étant contenu approximativement dans un plan axial et étant joint sur son premier bord à l'organe support ( 14); 10 et ce que les plis fléchissent élastiquement lorsque l'aube tournante ( 10) entre en contact avec leur second

bord ( 36).

7 Structure d'étanchéité pour réduire l'écoulement des gaz dans l'espace formé entre des premier et 15 second organes ( 10, 12) mobiles l'un par rapport à l'autre, structure caractérisée en ce qu'elle comprend: une série de lames déformables ( 38) ayant des premier et second bords ( 40, 42), chaque lame étant approximativement parallèle aux lames qui en sont adja20 centes et faisant un angle égal ou inférieur à 30 avec la normale au plan radial contenant approximativement les premier et second organes mobiles l'un par rapport à l'autre; et en ce que le premier bord ( 40) est joint au premierorgane ( 14) tandis que le second bord ( 42) peut fléchir élastiquement lorsqu'il est en contact de

frottement avec le second organe (-10).

8 Structure d'étanchéité pour réduire l'écoulement de gaz dans l'espace formé entre des premier et second organes ( 10, 12) mobiles l'un par rapport à l'autre, structure caractérisée en ce qu'elle comprend: une bande de feuillard allongée élastiquement déformable ayant des premier et second bords ( 34, 36), pliée pour former une série de plis ( 20), chacun des plis étant approximativement parallèle aux 35 plis qui en sont adjacents et faisant un angle -égal ou

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inférieur à 30 avec la normale au plan radial qui contient les premier et second organes mobiles l'un par rapport à l'autre; et en ce que le premier bord ( 34) est joint au premier organe ( 14) tandis que le second bord ( 36) peut fléchir élastiquement lorsqu'il est en contact de frottement avec le second organe ( 10). 9 Enveloppe annulaire ( 12) insensible aux frottements pour un moteur à turbine comportant une aube tournante ( 10) ayant un bord d'attaque ( 50) et un bord 10 de fuite ( 52) , cette enveloppe contenant l'aube ( 10) et étant caractérisée en ce qu'elle comporte: un organe support ( 14); et une série de lames ( 38) ayant des premier et second bords ( 40, 42), chacune des lames étant approxima15 tivement parallèle aux lames qui en sont adjacentes et étant approximativement alignée avec la corde de l'aube qui joint le bord d'attaque ( 50) au bord de fuite ( 52); et en ce que le premier bord ( 40) est joint à l'organe

support ( 14) et le second bord ( 42) peut fléchir élasti20 quement lorsqu'il est en contact de frottement avec l'aube.

Enveloppe annulaire selon la revendication 9, caractérisée en ce que chacune des lames ( 38) est orientée obliquement dans le sens de rotation de l'aube

( 10).