FR2556777A1 - THIN METALLIC PANEL OF VIROLE - Google Patents
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Abstract
PANNEAU METALLIQUE MINCE DE VIROLE FORME D'UNE SEULE PIECE A PARTIR D'UNE FEUILLE METALLIQUE. IL COMPREND UNE REGION DE CONTRAINTES 48, CETTE REGION DEFINISSANT UN PREMIER ARC D'INTERSECTION 50 AVEC UN PREMIER PLAN 52 ET DEFINISSANT UN DEUXIEME ARC D'INTERSECTION 54 AVEC UN DEUXIEME PLAN 56, CARACTERISE EN CE QUE LE SECOND ARC A UN RAYON INFERIEUR A DEUX FOIS L'EPAISSEUR DU PANNEAU 2T. APPLICATION AUX MOTEURS A TURBINE A GAZ.THIN METAL PANEL OF VIROLE SHAPED IN ONE PIECE FROM A METAL SHEET. IT INCLUDES A CONSTRAINTS REGION 48, THIS REGION DEFINING A FIRST ARC OF INTERSECTION 50 WITH A FIRST PLANE 52 AND DEFINING A SECOND ARC OF INTERSECTION 54 WITH A SECOND PLANE 56, CHARACTERIZED IN THAT THE SECOND ARC HAS A RADIUS LESS THAN TWICE THE THICKNESS OF THE 2T PANEL. APPLICATION TO GAS TURBINE ENGINES.
Description
A4 2556777A4 2556777
L'invention concerne de manière générale les pan- The invention relates generally to
neaux métalliques minces dans les moteurs à turbine à gaz. Thin metal rings in gas turbine engines.
Plus particulièrement, elle concerne les panneaux courbes ayant de faibles rayons de courbure particulièrement lorsque S ces courbures sont sensiblement normales à la direction de l'arc. More particularly, it relates to curved panels having small radii of curvature particularly when these curvatures are substantially normal to the direction of the arc.
Les moteurs à turbine à gaz comportent de nombreu- Gas turbine engines have many
ses surfaces annulaires y compris la chambre de combustion, its annular surfaces including the combustion chamber,
la turbine haute pression et la turbine basse pression. Cha- the high pressure turbine and the low pressure turbine. Cha-
cune de ces surfaces est délimitée par une chemise ou virole qui définit un trajet d'écoulement. Les chemises ou viroles classiques peuvent être divisées en un certain nombre de panneaux courbes avec un moyen pour fixer chaque panneau à one of these surfaces is delimited by a jacket or ferrule which defines a flow path. The conventional shirts or ferrules may be divided into a number of curved panels with a means for securing each panel to
un support.a support.
Dans le passé, ces panneaux ont eté formés par des pièces brutes de coulée usinées avec précision ensuite. Ces panneaux ont tendance à être lourds du fait des limitations de la coulée nécessitant des épaisseurs minimum. Ils peuvent aussi présenter certaines faiblesses dues aux vides créés In the past, these panels have been formed by rough castings machined precisely then. These panels tend to be heavy because of the limitations of the casting requiring minimum thicknesses. They may also have some weaknesses due to created voids
pendant le processus de coulée. En outre 1 opération d'usi- during the casting process. In addition, 1 operation of
nage nécessite un temps supplémentaire, ce qui a pour resul- requires additional time, which results in
tat des panneaux plus coûteux.tat more expensive panels.
Les panneaux peuvent aussi être formés par d'au- The panels can also be formed by
tres techniques de fabrication. Par exemple, pour les viro- very manufacturing techniques. For example, for viruses
les de turbine basse pression, des éléments métalliques min- low-pressure turbine, metal elements min-
2 - ces peuvent être réunis les uns aux autres pour former le panneau. A nouveau, comme avec l'usinage, ces techniques 2 - these can be joined to each other to form the panel. Again, as with machining, these techniques
prennent du temps et sont coûteuses. take time and are expensive.
La présente invention a pour buts: - de réaliser un panneau métallique mince courbe amélioré pour une utilisation dans un moteur à turbine à gaz; - de réaliser une chemise pour.trajet d'écoulement moins coûteuse que celles connues auparavant; - de réaliser une virole métallique mince courbe The present invention aims to: - achieve an improved curved metal thin panel for use in a gas turbine engine; to make a jacket for the flow object less expensive than those previously known; - to make a curved thin metal ferrule
pour une utilisation dans une turbine haute pression. for use in a high pressure turbine.
Selon la présente invention un panneau métallique mince dans un moteur à turbine à gaz comporte une région de contraintes. La région définit un premier arc d'intersection avec un premier plan. La région définit en outre un second arc d'intersection avec un deuxième plan. Le second arc a un According to the present invention a thin metal panel in a gas turbine engine has a stress region. The region defines a first arc of intersection with a foreground. The region further defines a second arc of intersection with a second plane. The second arc has a
rayon intérieur inférieur à deux fois l'épaisseur du panneau. inner radius less than twice the thickness of the panel.
Selon un mode de réalisation spécifique de la pré- According to a specific embodiment of the pre-
sente invention, un panneau métallique mince de virole com- invention, a thin metal panel of ferrule com-
prend une plaque de renfort de virole de forme générale courbe, une première bride et un premier rail. La première takes a generally shaped ferrule reinforcement plate, a first flange and a first rail. The first
bride s'étend vers l'extérieur à partir de la plaque de ren- flange extends outward from the
fort et le premier rail s'étend à partir de la première bri- strong and the first rail extends from the first
de. Le premier rail comporte des première et- deuxième par- of. The first rail has first- and second-
ties avec la deuxième partie repliée sur la première partie pour former ainsi une région de contraintes. Cette zone de contraintes définit un premier arc d'intersection avec un premier plan et définit un deuxième arc d'intersection avec un deuxième plan. Le deuxième arc a un rayon intérieur qui with the second portion folded over the first portion to thereby form a stress region. This stress zone defines a first arc of intersection with a first plane and defines a second arc of intersection with a second plane. The second arc has an inner radius that
est inférieur à l'épaisseur du panneau. is less than the thickness of the panel.
La description qui va suivre se réfère aux figures The following description refers to the figures
qui représentent respectivement:which represent respectively:
- figure 1, une vue schématique d'un moteur à tur- - Figure 1, a schematic view of a turbo engine
bine à gaz;gas powered;
- figure 2, une vue en coupe d'un panneau de viro- - Figure 2, a sectional view of a panel of viro-
le et son montage suivant un mode de réalisation de la pré- and its mounting according to an embodiment of the present invention.
3- sente invention - figure 3, une vue en perspective du panneau de virole de la figure 2; - figure 4, une vue en coupe du panneau de virole de la figure 2; - figure 5, une vue en perspective d'une région de contraintes d'un panneau métallique mince; 3 - invention - Figure 3, a perspective view of the ferrule panel of Figure 2; - Figure 4, a sectional view of the ferrule panel of Figure 2; - Figure 5, a perspective view of a stress region of a thin metal panel;
- figure 6, une vue en perspective d'une autre ré- - Figure 6, a perspective view of another re-
gion de contraintes d'un panneau métallique mince. constraints of a thin metal panel.
La figure 1 représente un moteur à turbine à gaz comportant un compresseur 12, une chambre de combustion 14, une turbine haute pression 16 et une turbine basse pression FIG. 1 represents a gas turbine engine comprising a compressor 12, a combustion chamber 14, a high-pressure turbine 16 and a low-pressure turbine
18. Chacune de ces surfaces annulaires est délimitée radia- 18. Each of these annular surfaces is bounded radially
lement par une structure qui définit un trajet d'écoulement. by a structure that defines a flow path.
Le compresseur 12 est délimité par l'enveloppe 20, la cham- The compressor 12 is delimited by the envelope 20, the chamber
bre de combustion par la chemise 22, et les turbines 16 et 18 par les viroles 23 et 26. Chacune de ces structures peut être reliée à un support. De plus, chaque structure peut être divisée en un certain nombre de panneaux courbes pour différentes raisons d'assemblage et de fabrication. Bien que combustion of the jacket 22, and the turbines 16 and 18 by the rings 23 and 26. Each of these structures can be connected to a support. In addition, each structure can be divided into a number of curved panels for different assembly and manufacturing reasons. Although
les caractéristiques demandées en ce qui concerne la résis- the characteristics requested with regard to the resistance
tance, la résistance à la chaleur, le poids etc., pour cha- tance, heat resistance, weight etc., for each
cune de ces structures puissent différer, elles ont toutes en commun la nécessité d'avoir un moyen de fixation à un any of these structures may differ, they all have in common the need to have a means of attachment to a
support solide, fiable et relativement peu coûteux. solid, reliable and relatively inexpensive support.
Selon un mode de réalisation de la présente inven- According to one embodiment of the present invention,
tion on a conçu le panneau de virole 24 qui est un segment tion the ferrule panel 24 which is a segment
courbe d'une virole 23 de turbine à haute pression. Le pan- curve of a ferrule 23 of high pressure turbine. Pan-
neau de virole 24 représenté aux figures 2, 3 et 4 est formé à partir d'une feuille métallique d'une seule pièce. On peut utiliser de manière avantageuse de nombreux matériaux pour la feuille métallique. Le matériau recommandé consistera en un alliage comportant uniquement ou en combinaison, du nickel, du cobalt et du chrome. Par exemple, des matériaux disponibles dans le commerce ayant ces caractéristiques sont 4- The ferrule 24 shown in Figures 2, 3 and 4 is formed from a one-piece metal sheet. Many materials for the metal foil can advantageously be used. The recommended material will consist of an alloy comprising only or in combination nickel, cobalt and chromium. For example, commercially available materials with these characteristics are 4-
l'Hastalloy X, le HS188, le L605, le Rene' 41, le Waspal- Hastalloy X, HS188, L605, Rene '41, Waspal-
loy, le MA754 et le MA956. L'épaisseur T de la feuille mé- loy, the MA754 and the MA956. The thickness T of the metal sheet
tallique sera déterminée par l'application. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur T sera supérieure à 0,635 mm et dans un mode de réalisation recommandé elle sera comprise will be determined by the application. According to one embodiment, the thickness T will be greater than 0.635 mm and in a preferred embodiment it will be included
entre 0,635 mm et 1,524 mm.between 0.635 mm and 1.524 mm.
Le panneau 24 comporte une plaque de renfort de virole généralement courbe 38. La forme courbe épouse la The panel 24 comprises a generally curved ferrule reinforcement plate 38. The curved shape matches the
forme générale de la turbine dans le sens 40 de la circonfé- general shape of the turbine in the direction 40 of the circumference
rence telle qu'elle est limitée par les panneaux de virole 24. Le panneau 24 comporte aussi une structure de fixation avant 42 et une structure de fixation arrière 44. Il est évident que les structures de fixation représentées le sont The panel 24 also has a front attachment structure 42 and a rear attachment structure 44. It is evident that the fastening structures shown are shown in FIG.
ici à titre d'illustration seulement et que beaucoup d'au- here for illustrative purposes only and that many
tres configurations sont comprises dans le domaine de la very different configurations are included in the field of
présente invention.present invention.
Comme représentée figure 4, la structure de fixa- As shown in FIG. 4, the fixing structure
tion avant 42 comporte un premier élément de fixation 92 et un deuxième élément de fixation 94. L'élément 92 comporte un premier élément de bride 96 qui s'étend vers l'extérieur à partir de l'extrémité avant de la plaque de renfort 38 et The element 92 has a first flange element 96 which extends outwardly from the front end of the stiffener plate 38. and
une première partie de rail 98 qui s'étend à partir du pre- a first rail portion 98 extending from the first
mier élément de bride 96. L'élément 94 comporte une deuxième first flange element 96. The element 94 comprises a second
partie de rail 100 et un deuxième élément de bride 102. Com- rail portion 100 and a second flange member 102.
me on le décrira de manière plus complète ci-après, l'élé- I will describe it more fully below.
ment 94 est replié sur l'élément 92 de sorte que le premier élément de bride 96 et la première partie de rail 98 ont pratiquement la même forme que le deuxième élément de bride 102 et la deuxième partie de rail 100, respectivement. Les éléments de bride 96 et 102 forment ainsi une bride et les 94 is folded over the member 92 so that the first flange member 96 and the first rail portion 98 have substantially the same shape as the second flange member 102 and the second rail portion 100, respectively. The flange members 96 and 102 thus form a flange and the
parties de rail 98 et 100 forment un rail avant 30. rail portions 98 and 100 form a front rail 30.
De la même manière, la structure de fixation ar- In the same way, the fixing structure ar-
rière 44 comporte un troisième élément de fixation 104 et un quatrième élement de fixation 106. L'élément 104 comporte un troisième élément de bride 108 qui s'étend vers l'extérieur - 5 - à partir de l'extrémité arrière de la plaque de renfort de virole 38, et la troisième partie de rail 110 qui s'étend à partir de l'élément de bride 108. L'élément 106 comprend la The member 104 includes a third fastener 104 and a fourth fastener 106. The member 104 includes a third flange member 108 that extends outwardly from the rear end of the fastener plate. ferrule reinforcement 38, and the third rail portion 110 extending from the flange member 108. The element 106 includes the
quatrième partie de rail 112 et le quatrième élément de bri- fourth part of rail 112 and the fourth element of
de 114. De même qu'avec la structure de fixation avant 42, la structure 44 est formée en repliant l'élément 106 sur l'élément 104 de sorte que le troisième élément de bride 108 et la troisième partie de rail 110 ont pratiquement la même forme que le quatrième élément de bride 114 et la quatrième partie de rail 112 respectivement. Les éléments de bride 108 et 114 forment ainsi une bride et les parties de rail 110 et 114. As with the front attachment structure 42, the structure 44 is formed by folding the member 106 over the member 104 so that the third flange member 108 and the third rail portion 110 are substantially same shape as the fourth flange member 114 and the fourth rail portion 112 respectively. The flange members 108 and 114 thus form a flange and the rail portions 110 and
112 forment un rail arrière 32.112 form a rear rail 32.
Comme représenté figure 2, chaque panneau 24 est fixé au support 28 par la prise du rail avant 30 et du rail arrière 32 du panneau 24 dans la fente avant 34 et la fente arrière 36 du support 28, respectivement. En plus de la forme généralement courbe du panneau 24 suivant la direction 40, on As shown in FIG. 2, each panel 24 is fixed to the support 28 by the engagement of the front rail 30 and the rear rail 32 of the panel 24 in the front slot 34 and the rear slot 36 of the support 28, respectively. In addition to the generally curved shape of the panel 24 in the direction 40, there is
forme des coudes 46a, 46b, 46c, 46d, 46f, 46g, et 46h sensi- elbows 46a, 46b, 46c, 46d, 46f, 46g, and 46h sensi-
blement normaux à la direction 40. Au voisinage de chaque coude, on forme une région de contraintes o les contraintes de tension et/ou de compression proviennent à la fois de la normally close to the direction 40. In the vicinity of each bend, a stress region is formed where the tension and / or compression stresses come from both the
forme courbe et du coude qui lui est perpendiculaire. curved shape and elbow perpendicular to it.
La figure S représente de manière détaillée la région de contraintes 48 du panneau 24 au voisinage du coude 46g. La région de contraintes 48 définit un premier arc d'intersection 50 avec un premier plan 52. Le plan 52 est généralement parallèle à un plan tangent au sommet 49 du Figure S shows in detail the stress region 48 of the panel 24 in the vicinity of the bend 46g. The constraint region 48 defines a first intersection arc 50 with a first plane 52. The plane 52 is generally parallel to a plane tangent to the summit 49 of the
coude 46g. Le rayon de l'arc 50 est égal à la distance jus- elbow 46g. The radius of the arc 50 is equal to the distance
qu'à l'axe du moteur. La région de contraintes 48 définit en outre un deuxième arc 54 avec un second plan 56. Le plan 56 than the axis of the engine. The stress region 48 further defines a second arc 54 with a second plane 56. The plane 56
est perpendiculaire au premier plan 52 dans un mode de réa- is perpendicular to the foreground 52 in a mode of real-
lisation recommandé. L'arc 54 est l'image de la surface in- Recommended use. Arc 54 is the image of the surface
térieure 59 de la région de contraintes 48 et correspond au rayon intérieur du coude 46g. En général, le rayon 64 de 59 of the stress region 48 and corresponds to the inner radius of the elbow 46g. In general, the radius 64 of
l'arc 54 sera inférieur à deux fois l'épaisseur (2T) du pan- the arc 54 will be less than twice the thickness (2T) of the
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neau 24. Dans le cas du coude 46g, o le panneau 24 est re- 24. In the case of the 46g elbow, where the panel 24 is
plié sur lui-même, le rayon 64 de l'arc 54 est bien infé- folded on itself, the radius 64 of the arc 54 is well below
rieur à l'épaisseur (lT) du panneau 24 et approche de zéro. to the thickness (lT) of the panel 24 and approaches zero.
La mesure de l'arc 54 sera d'environ 180 puisque le panneau 24 est replié sur lui-même au coude 46g. Plusieurs raisons peuvent faire que l'on maintient The measurement of the arc 54 will be about 180 since the panel 24 is folded on itself at the elbow 46g. There are several reasons for keeping
un petit rayon de courbure sur le coude 46g. Comme représen- a small radius of curvature on the elbow 46g. As a representative
té figure 2, le rail avant 30 doit être reçu dans la fente avant 34. Un contrôle de dimensions serré doit être maintenu à cet interface. Par conséquent, un large rayon de courbure In FIG. 2, the front rail 30 must be received in the front slot 34. A tight dimensional control must be maintained at this interface. Therefore, a large radius of curvature
créant une extrémité en forme de bulbe sur le rail 30 pour- creating a bulbous end on the rail 30 to
rait avoir un effet contraire sur cet ajustement. De plus, le jeu 66 entre les parties de rail 68 et 70 devait être soudé. De manière à obtenir une bonne résistance, le jeu 66 would have an adverse effect on this adjustment. In addition, the clearance 66 between the rail portions 68 and 70 had to be welded. In order to obtain a good resistance, the game 66
doit être étroit sur toute sa longueur. must be narrow throughout its length.
De manière classique dans le passé, le rayon inté- In the traditional way in the past, the inner radius
rieur 64 de ces coudes devait être supérieur ou égal à deux 64 of these elbows had to be greater than or equal to two
fois l'épaisseur (2T) du panneau 24 pour éviter la rupture. times the thickness (2T) of the panel 24 to prevent breakage.
Selon la présente invention, des coudes plus serrés, infé- According to the present invention, tighter bends, less
rieurs à 2T et approchant zéro ont été obtenus. On contraint tout d'abord le panneau métallique mince par formage pour lui donner sa forme circonférentielle courbe. Ceci établit des contraintes de tension et de compression dans le panneau dans le sens circulaire. Cet arc est maintenu tandis que l'on recourbe la pièce jusqu'à un arc de très faible rayon at 2T and approaching zero were obtained. The thin metal panel is first forced by forming to give it its curved circumferential shape. This establishes tension and compression stresses in the panel in the circular direction. This arc is maintained while the piece is curved up to a very small radius arc
selon une deuxième direction. Un état de contraintes biaxia- in a second direction. A state of biaxial constraints
les est créé par ce processus permettant ainsi d'obtenir des is created by this process thus obtaining
coudes de faible rayon.elbows of small radius.
Bien que le repli d'un panneau sur lui-même, tel que représenté aux figures 2 à 5 puisse être nécessaire pour former les rails 30 et 32, d'autres coudes à rayon serré Although the folding of a panel on itself, as shown in Figures 2 to 5 may be necessary to form the rails 30 and 32, other narrow radius elbows
peuvent être nécessaires ailleurs dans le panneau. Par exem- may be needed elsewhere in the panel. For example
ple, une région de contraintes 72 au voisinage du coude 46d est représentée figure 6. La région 72 définit un premier arc d'intersection 74 avec un premier plan 76. La région 72 -7- définit un deuxième arc d'intersection 78 avec un second plan 82. L'arc 78, qui est le rayon intérieur du coude 46d, pl, a stress region 72 in the vicinity of the elbow 46d is shown in FIG. 6. The region 72 defines a first intersection arc 74 with a first plane 76. The region 72 defines a second intersection arc 78 with a second plane 82. The arc 78, which is the inside radius of the elbow 46d,
a un rayon 84 inférieur à deux fois l'épaisseur (2T) du pan- has a radius 84 less than twice the thickness (2T) of the
neau 24. Selon un mode de réalisation recommandé, le rayon 84 est approximativement égal à 1T bien que l'on puisse ob- 24. In a preferred embodiment, the radius 84 is approximately equal to 1T, although it is possible to obtain
tenir des rayons plus petits si nécessaire. keep smaller rays if necessary.
Des coudes serrés peuvent être obtenus chaque fois Tight elbows can be obtained each time
qu'il est nécessaire de copier les contours des panneaux cou- it is necessary to copy the contours of the
lés de l'art antérieur. Par exemple, les coudes 46a et 46c peuvent être serrés pour augmenter l'aire de la surface du prior art. For example, bends 46a and 46c can be tightened to increase the surface area of the
rail arrière 32 qui est en contact avec la fente arrière 36. rear rail 32 which is in contact with the rear slot 36.
Le coude 46d peut être serré pour augmenter l'aire de la sur- The elbow 46d can be tightened to increase the area of the
face de liaison entre les éléments de bride 108 et 114 de la bride 90. De même, avec le coude 46g représenté figure 4, les connecting face between the flange members 108 and 114 of the flange 90. Similarly, with the elbow 46g shown in FIG.
rayons des coudes serrés peuvent approcher zéro lorsque néce- narrow elbows may approach zero when ne-
ssaire. Il peut être souhaitable de souder les jonctions 60 et 61 représentées figure 4, là o les éléments de fixation 92 et 94, et 104 et 106 prennent, respectivement, la même forme. On peut souder ces jonctions selon le procédé de liaison sous vide. Plus particulièrement, le procédé décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique 4 098 450 peut être ssary. It may be desirable to weld the junctions 60 and 61 shown in FIG. 4 where the fasteners 92 and 94 and 104 and 106 take the same shape, respectively. These junctions can be welded according to the vacuum bonding method. More particularly, the process described in US Pat. No. 4,098,450 can be
utilisé de manière avantageuse.advantageously used.
Il apparaîtra de manière évidente à l'homme de l'art que la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation spécifique décrit et représenté ici pas plus que la présente invention n'est limitée aux viroles de turbine dans les moteurs à turbine à gaz. Plutôt, l'invention s'applique également à tout panneau métallique mince courbe It will be apparent to those skilled in the art that the present invention is not limited to the specific embodiment described and shown herein any more than the present invention is limited to turbine ferrules in turbine engines gas. Rather, the invention also applies to any curved thin metal panel
ayant un coude à rayon serré dans un moteur à turbine à gaz. having a tight radius elbow in a gas turbine engine.
On admettra que les dimensions, les proportions et les relations structurelles représentées ici sont données à It will be admitted that the dimensions, proportions and structural relationships represented here are given in
titre d'exemple seulement et que ces représentations ne doi- only as an example and that these representations do not
vent pas être prises comme étant les dimensions réelles ou les relations structurelles ou proportionnelles utilisées not be taken as the actual dimensions or the structural or proportional relationships used
pour le panneau de la présente invention. for the panel of the present invention.
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