FR2565314A1 - JOINT LABYRINTH ROTATING - Google Patents
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Abstract
JOINT LABYRINTHE PERFECTIONNE PRESENTANT UNE MEILLEURE RESISTANCE AUX FISSURES. IL COMPORTE UNE BASE 72 AYANT UNE SURFACE PERIPHERIQUE EXTERIEURE 75 ET UNE SERIE DE DENTS DE JOINTS 74 DIRIGEES RADIALEMENT, D'UN SEUL TENANT AVEC LA SURFACE PERIPHERIQUE ET S'ETENDANT CIRCULAIREMENT AUTOUR DE LA SURFACE PERIPHERIQUE EXTERIEURE DE LA BASE, CHACUNE DES DENTS DE JOINTS AYANT UNE PARTIE PRINCIPALE 77 ET UNE PARTIE D'EXTREMITE 78, LA PARTIE PRINCIPALE 77 ETANT NOTABLEMENT PLUS EPAISSE QUE LA PARTIE D'EXTREMITE 78. APPLICATION AUX MOTEURS A TURBINE A GAZ.PERFECTED LABYRINTH SEAL WITH BETTER CRACK RESISTANCE. IT INCLUDES A BASE 72 HAVING AN EXTERIOR PERIPHERAL SURFACE 75 AND A SERIES OF RADIALLY DIRECTED SEAL TEETH 74, ONE JOINT WITH THE PERIPHERAL SURFACE AND EXTENDING CIRCULARLY AROUND THE OUTER PERIPHERAL SURFACE OF THE BASE, EACH OF THE TEETH GASKETS HAVING A MAIN PART 77 AND AN END PART 78, THE MAIN PART 77 BEING SIGNIFICANTLY THICKER THAN THE END PART 78. APPLICATION TO GAS TURBINE ENGINES.
Description
La présente invention concerne de manière générale des joints labyrintheThe present invention relates generally to labyrinth seals
tournants et plus particulièrement des joints labyrinthe tournants utilisés dans les moteurs à rotating and more particularly rotating labyrinth seals used in engines to
turbine à gaz servant à la propulsion des avions. gas turbine for propelling aircraft.
Les joints labyrinthe tournants comportent une grande variété d'utilisation et l'une d'entre elles est de réaliser l'étanchéité entre des cavités sous différentes pressions dans les moteurs à turbine à gaz. De tels joints consistent généralement en deux éléments principaux, c'està Rotating labyrinth seals have a wide variety of uses and one of them is sealing between cavities under different pressures in gas turbine engines. Such joints usually consist of two main elements,
dire un joint tournant et un joint statique. Le joint tour- say a rotating joint and a gasket. The joint
nant, vu en coupe parallèlement à l'axe longitudinal du nant, seen in section parallel to the longitudinal axis of the
moteur, comporte fréquemment des rangées de minces projec- motor, frequently has rows of thin projections
tions analogues à des dents s'étendant à partir d'une base similar to teeth extending from a base
relativement plus épaisse radialement vers le joint stati- relatively thicker radially towards the static joint
que. Le joint statique ou stator est normalement constitué than. The gasket or stator is normally constituted
par un mince ruban à structure en nid d'abeille. Ces princi- by a thin ribbon with a honeycomb structure. These principles
paux éléments sont situés généralement circulairement autour de la dimension axiale (longueur) du moteur et sont placés de manière à comporter entre eux un faible jeu radial qui The elements are generally circularly around the axial dimension (length) of the motor and are arranged so as to have a small radial clearance between them.
permet l'assemblage des composants tournants et statiques. allows the assembly of rotating and static components.
Lorsque l'on fait fonctionner le moteur à turbine à gaz, le joint tournant se dilate radialement plus que le When operating the gas turbine engine, the rotary joint expands radially more than the
stator et vient frotter contre le joint statique. La cons- stator and just rub against the gasket. The constitution
truction en ruban mince à structure en nid d'abeille du stator diminue la surface sur laquelle les dents de joints 2- viennent frotter et contribue ainsi à réduire la chaleur transférée dans le joint tournant. De plus, les extrémités des dents du joint tournant sont minces de manière à les isoler thermiquement de leur base de support ou structure d'enveloppe. Cependant la configuration mince des dents, est susceptible de subir des avaries qui peuvent provoquer des truction in thin ribbon with honeycomb structure of the stator decreases the surface on which the teeth of joints 2- come to rub and thus contributes to reduce the heat transferred in the rotary joint. In addition, the ends of the rotating joint teeth are thin so as to thermally isolate them from their support base or envelope structure. However the thin configuration of the teeth, is likely to undergo damages which can cause
fissures dans les extrémités de la dent opposées à la base. cracks in the ends of the tooth opposite to the base.
Dans certains cas, des fissures engendrées par le frottement en fonctionnement peuvent aussi se former sur les extrémités de la dent. Ces fissures de dents de joints se propagent à travers les dents radialement vers l'intérieur dans la structure d'enveloppe de support et, si on ne les détecte pas, peuvent éventuellement se répandre vers les extrémités de la structure de support avec pour résultat l'avarie du joint. La configuration en coupe des dents de joint de In some cases, cracks caused by friction in operation may also form on the ends of the tooth. These joint-tooth cracks propagate through the teeth radially inwardly into the support casing structure and, if not detected, may eventually spread to the ends of the support structure resulting in the joint damage. The sectional configuration of the joint teeth
l'art antérieur est généralement une configuration triangu- the prior art is generally a triangular configuration
laire tronquée avec des côtés à forte pente aboutissant à une extrémité mince plane. Ces configurations de dents de joint de l'art antérieur n'ont réalisé qu'un blocage ou arrêt insuffisant des fissures une fois que ces dernières truncated tooth with steeply sloping sides leading to a flat thin end. These joint tooth configurations of the prior art have achieved only an insufficient blocking or stopping of cracks once the latter
avaient commence.had begun.
Par conséquent un but général de l'invention de réaliser une configuration améliorée pour les dents de joint des joints labyrinthe tournants qui fournisse une résistance It is therefore a general object of the invention to provide an improved configuration for the joint teeth of rotating labyrinth seals which provide resistance.
fortement accrue à la propagation des fissures. greatly increased in the propagation of cracks.
L'invention a aussi pour but de réaliser une con- The invention also aims to achieve a
figuration nouvelle de dents de joint qui résiste à la pro- new figuration of joint teeth that resists
pagation des fissures tout en conservant une dent mince et légère qui est nécessaire et souhaitable dans les moteurs à cracks while maintaining a thin, lightweight tooth that is necessary and desirable in
turbine à gaz pour propulsion d'avion. gas turbine for aircraft propulsion.
On atteint ce but, ainsi que d'autres, en réali- This and other goals are being achieved by
sant un joint labyrinthe tournant qui comporte plusieurs dents de joints annulaires dirigées radialement s'étendant 3- circulairement autour de la périphérie extérieure d'une base, chacune des dents de joints annulaire ayant une partie principale et une partie d'extrémité, la partie principale a rotating labyrinth seal having a plurality of radially directed annular seal teeth extending circumferentially around the outer periphery of a base, each of the annular seal teeth having a main portion and an end portion, the main portion
étant notablement plus épaisse que la partie d'extrémité. being significantly thicker than the end portion.
Plus particulièrement, la partie principale com- porte des parois principales généralement parallèles qui s'étendent radialement à partir de la base et circulairement autour de la base et de l'axe central du moteur. La_ partie principale comporte en outre des parois circulaires qui forment la circonférence extérieure de la partie principale et se trouvent de chaque côté de la partie d'extrémité. La partie d'extrémité comporte de la même manière des parois d'extrémité généralement parallèles s'étendant radialement à partir des parois circulaires de la partie principale et circulairement autour de l'axe central du moteur. Les parois More particularly, the main portion has generally parallel main walls which extend radially from the base and circularly around the base and the central axis of the motor. The main portion further includes circular walls which form the outer circumference of the main portion and are on each side of the end portion. The end portion likewise has generally parallel end walls extending radially from the circular walls of the main portion and circularly around the central axis of the motor. The walls
d'extrémité se terminent sur une surface d'extrémité circu- ends end on a circular end surface.
laire qui forme la circonférence extérieure de la partie d'extrémité. De manière à obtenir les avantages de blocage de which forms the outer circumference of the end portion. In order to obtain the blocking benefits of
fissure de la présente invention, le rapport entre l'épais- crack of the present invention, the ratio
seur de la partie principale et l'épaisseur de la partie d'extrémité doit être moins de 5 à 1. De plus, les parois de of the main part and the thickness of the end part must be less than 5 to 1. In addition,
la partie d'extrémité doivent rejoindre -les parois circulai- the end part must join the walls circulating
res de la partie principale en un congé dont le rayon est of the principal part into a leave of which the radius is
approximativement égal à l'épaisseur de la partie d'extrémi- approximately equal to the thickness of the end portion
té. Les dents de la présente invention ont montré une amé- you. The teeth of the present invention have shown a great
lioration d'au moins 3 à 1 quant à la durée de vie de dents et des joints par rapport aux dents des configurations de at least 3 to 1 improvement in the life of teeth and seals relative to the teeth of
l'art antérieur.the prior art.
La description qui va suivre se réfère aux figures The following description refers to the figures
annexées qui représentent respectivement: annexed which respectively represent:
- Figure 1, une vue en coupe simplifiée, partiel- - Figure 1, a simplified sectional view, partially
lement éclatée d'un moteur d'avion à turbosoufflante; exploded from a turbofan engine;
- Figure 2, une vue en coupe partielle d'une tur- - Figure 2, a partial sectional view of a tur-
bine haute pression à deux étages classiques d'un moteur à -4 turbine à gaz; - Figure 3a, une vue en coupe partielle d'une dent de la présente invention utilisée avec un joint labyrinthe tournant; - Figure 3b, une vue en coupe partielle d'une dent d'un joint labyrinthe tournant de l'art antérieur et, - Figure 4, une courbe représentant la longueur de conventional two-stage high-pressure engine of a 4-gas turbine engine; - Figure 3a, a partial sectional view of a tooth of the present invention used with a rotating labyrinth seal; 3b, a partial cross-sectional view of a tooth of a rotating labyrinth seal of the prior art and FIG. 4 a curve representing the length of
fissure en fonction des cycles de fatigue pour deux configu- crack according to the fatigue cycles for two configurations
rations de dent de joints labyrinthe tournants. Rotating labyrinth teeth tooth rations.
En liaison avec la figure 1, on a représenté de façon schématique un moteur à turbosoufflante généralement désigné par la référence 20. Bien qu'il soit admis que les turbosoufflantes sont bien connues de la technique, une In connection with FIG. 1, there is shown schematically a turbofan engine generally designated by reference 20. Although it is admitted that turbofan engines are well known in the art, a
brève description du mode de fonctionnement du moteur 20, brief description of the operating mode of the engine 20,
permettra de mieux apprécier les relations existantes entre ses différents composants et servira d'arrière-plan à la will better appreciate the existing relationships between its different components and will serve as a background to the
description de l'invention. On peut considérer que, fonda- description of the invention. It can be considered that,
mentalement, le moteur 20 comporte un générateur de gaz 22, une soufflante 24 comportant un étage rotatif d'aubes de soufflante 26 et une turbine de soufflante 28 en aval du générateur de gaz 22 et qui est relié à la soufflante 24 par l'arbre 30. Le générateur de gaz 22 comprend un compresseur axial 32 comportant un rotor 34. L'air pénètre par l'entrée 36 se trouvant sur la gauche de la figure 1 en direction de la flèche en trait plein, et est initialement comprimé par mentally, the engine 20 comprises a gas generator 22, a fan 24 comprising a rotary stage of fan blades 26 and a fan turbine 28 downstream of the gas generator 22 and which is connected to the fan 24 by the shaft 30. The gas generator 22 comprises an axial compressor 32 having a rotor 34. The air enters through the inlet 36 on the left of FIG. 1 in the direction of the solid arrow and is initially compressed by
les aubes de soufflantes 26.the fan blades 26.
Un capot de soufflante 38 ou nacelle entoure la partie avant du moteur 20 et est relié avec celui-ci par une A fan cowl 38 or nacelle surrounds the front portion of the engine 20 and is connected thereto by a
série d'aubes directrices de sortie 40 s'étendant radiale- series of outlet guide vanes 40 extending radially
ment vers l'extérieur, (une représentée), espacées l'une de l'autre pratiquement avec le même angle tout autour du capot outwardly, (one shown), spaced apart from each other substantially at the same angle around the hood
de générateur de gaz 42. Une première partie de l'air fai- 42. A first part of the air
blement comprimé, relativement froid refoulé par les aubes de soufflante 26 pénètre -dans la conduite de dérivation de soufflante 44 délimitée entre le capot de générateur de gaz -5 42 et le capot de soufflante 38 et se décharge à travers la In the blower bypass line 44 delimited between the gas generator hood -5 42 and the blower hood 38, the blower blade 26 is relatively compressed and discharged through the blower.
tuyère de soufflante 46. Une deuxième partie de l'air com- fan nozzle 46. A second part of the air
primé pénètre dans l'entrée 48 du générateur de gaz, est awarded enters the gas generator inlet 48, is
ensuite comprimée par le compresseur axial 32 et est déchar- compressed by the axial compressor 32 and is
gée vers la chambre de combustion 50 o l'air est mélangé avec du combustible et enflammé pour fournir des gaz de to the combustion chamber 50 where the air is mixed with fuel and ignited to provide
combustion à énergie élevée qui entraîne la turbine de géné- high energy combustion which drives the turbine of gen-
rateur de gaz 52 (ou turbine haute pression). La turbine 52, à son tour entraîne le rotor 34 au moyen de l'arbre 35 de manière classique pour les moteurs à turbine à gaz. Les gaz chauds de combustion traversent ensuite et entraînent la turbine de soufflante (ou turbine basse pression) qui, à son tour, entraîne la soufflante 24. On obtient ainsi une force de propulsion par l'action de la soufflante 24 déchargeant l'air provenant du conduit de dérivation de soufflante 44 à travers la tuyère de soufflante 46 et par la décharge des gaz de combustion en provenance de la tuyère de générateur de gaz 54 définie en partie par le noyau 56 et le capot 42 du générateur de gaz 22. On remarquera que la pression des différents gaz à l'intérieur du moteur 20 varie en fonction de la position le long de l'axe central du moteur 58. Pour isoler les différentes sections et les pressions qui s'y trouvent l'une de l'autre, on utilise communément des joints gas generator 52 (or high pressure turbine). The turbine 52, in turn drives the rotor 34 by means of the shaft 35 in a conventional manner for gas turbine engines. The hot combustion gases then pass through and drive the blower turbine (or low-pressure turbine) which, in turn, drives the blower 24. Thus, a propulsive force is obtained by the action of the blower 24 discharging the air from of the fan bypass duct 44 through the fan nozzle 46 and the discharge of the combustion gases from the gas generator nozzle 54 defined in part by the core 56 and the cover 42 of the gas generator 22. note that the pressure of the different gases inside the engine 20 varies depending on the position along the central axis of the engine 58. To isolate the different sections and pressures therein one of the other, joints are commonly used
labyrinthe tournants.labyrinth turns.
En liaison avec la figure 2, on a représenté une vue partielle d'une turbine haute pression désignée par la In connection with FIG. 2, there is shown a partial view of a high-pressure turbine designated by the
référence générale 60 qui est une partie d'un moteur à tur- general reference 60 which is a part of a turbo engine
bine à gaz d'avion qui utilise classiquement des joints labyrinthe tournants. La turbine haute pression comporte une Aircraft gas carrier that conventionally uses rotating labyrinth seals. The high pressure turbine has a
série d'aubes du premier étage s'étendant radialement, mon- series of radially extending first stage blades
tées de manière appropriée sur un disque de premier étage de appropriately on a first-floor disc of
turbine, un ensemble de ce montage étant représenté et réfé- turbine, an assembly of this assembly being shown and
rencé en 62 et 64 respectivement. La turbine haute pression comporte aussi une série d'aubes du deuxième étage s'étendant radialement, montées de manière appropriée sur -6- found in 62 and 64 respectively. The high-pressure turbine also has a series of radially extending second-stage vanes, suitably mounted on -6-
des disques de turbine du deuxième étage, dont on a repré- second-stage turbine disks, which have been
senté un ensemble en 66 et 68 respectivement. Les aubes du premier étage 62 et le disque 64 se trouvent en amont en rapport aux aubes de deuxième étage 66 et au disque 68 qui se trouvent vers l'aval. L'écoulement des gaz chauds dans la turbine haute pression 60 se fait de l'amont vers l'aval, felt a set in 66 and 68 respectively. The blades of the first stage 62 and the disc 64 are upstream in relation to the second stage blades 66 and the disc 68 which are downstream. The flow of hot gases in the high pressure turbine 60 is from upstream to downstream,
c'est-à-dire de la gauche vers la droite sur la figure 2. that is from left to right in FIG.
La turbine haute pression 60 comporte en outre un joint labyrinthe tournant 70 et un joint statique ou stator 71. Le joint labyrinthe tournant 70 est monté de manière appropriée entre le disque de turbine de premier étage 64 et le disque de turbine de deuxième étage 68. Le joint statique The high pressure turbine 60 further includes a rotary labyrinth seal 70 and a stator seal or stator 71. The rotating labyrinth seal 70 is suitably mounted between the first stage turbine disk 64 and the second stage turbine disk 68. The gasket
fixe 71 est fixé à l'aube directrice de deuxième étage 73. fixed 71 is attached to the second stage guide vane 73.
L'aube directrice de premier étage (non représenté) se trou- The first-stage director's dawn (not shown) is
ve vers l'amont par rapport aux aubes de premier étage. ve upstream of the first stage blades.
Le joint labyrinthe tournant 70 comporte une base 72 et une série de dents de joints 74 s'étendant radialement à partir de la surface extérieure périphérique 75 de la base The rotary labyrinth seal 70 includes a base 72 and a series of joint teeth 74 extending radially from the peripheral outer surface 75 of the base
72. La circonférence extérieure de la dent de joint 74 tour- 72. The outer circumference of the joint tooth 74
ne à l'intérieur d'une tolérance faible de la circonférence intérieure du stator 71, réalisant ainsi une étanchéité within a small tolerance of the inner circumference of the stator 71, thereby sealing
entre la chambre de premier étage 61 et la chambre de deu- between the first-floor chamber 61 and the room of two
xième étage 63. La base 72, telle que représentée a une stage 63. The base 72 as shown has a
configuration annulaire et une section droite de forme géné- annular configuration and a cross-section of general shape
ralement courbe, mais d'autres configurations peuvent être curved, but other configurations may be
fréquemment rencontrées dans les moteurs à turbine à gaz. frequently encountered in gas turbine engines.
Les dents de joints 74 peuvent être fixées par exemple par soudage ou bien être usinées d'un seul tenant dans les joints 70 et s'étendent de manière annulaire circulairement The joint teeth 74 can be fixed for example by welding or can be machined in one piece in the seals 70 and extend circularly annular manner.
autour de la base 72 et de l'axe central 58. around the base 72 and the central axis 58.
Chacune des dents de joints 74 selon la présente invention, comme mieux représenté figure 3A, comporte une partie principale 77 et une partie d'extrémité 78. Chacune des parties principales 77 comporte des parois principales généralement parallèles 79 et 80 qui s'étendent radialement 7- Each of the joint teeth 74 according to the present invention, as best shown in FIG. 3A, comprises a main portion 77 and an end portion 78. Each of the main portions 77 has generally parallel main walls 79 and 80 which extend radially 7. -
à partir de la base et circulairement autour de l'axe cen- from the base and circularly around the central axis
tral du moteur. La partie principale 77 comporte aussi des parois circulaires principales 82 et 84 qui se trouvent le long de la circonférence extérieure de la partie principale 77 de chaque côté de la partie d'extrémité 78. Chacune des parties d'extrémité 78 comporte des parois d'extrémité généralement parallèles et s'étendant radialement 86 et 88, qui s'étendent radialement à partir des parois circulaires 82 et 84 respectivement. La partie d'extrémité 78 comporte en outre une surface d'extrémité motor tral. The main portion 77 also has main circular walls 82 and 84 which lie along the outer circumference of the main portion 77 on each side of the end portion 78. Each of the end portions 78 includes generally parallel and radially extending end 86 and 88, which extend radially from the circular walls 82 and 84 respectively. The end portion 78 further comprises an end surface
circulaire 90 qui s'étend le long de la circonférence exté- circular 90 which extends along the outer circumference
rieure de la partie d'extrémité 78, et o les parois d'ex- the end part 78, and where the walls of ex-
trémité 86 et 88 s'achèvent, la surface 90 étant coaxiale tremity 86 and 88 end, the surface 90 being coaxial
avec les parois circulaires principales 82 et 84. Pour com- with the main circular walls 82 and 84.
paraison avec les dents de joints de la présente invention représentées figure 3A, on a représenté figure 3B une dent de joint de l'art antérieur 74' qui est généralement de forme triangulaire tronquée. De manière générale, 6 est de l'ordre de 15 et la largeur de la surface d'extrémité 90' parison with the joint teeth of the present invention shown in Figure 3A, there is shown Figure 3B a joint tooth of the prior art 74 'which is generally truncated triangular shape. In general, 6 is of the order of 15 and the width of the end surface 90 '
(tt,)est de l'ordre de 0,38 mm.(tt,) is of the order of 0.38 mm.
Selon la présente invention, de manière à obtenir un blocage ou arrêt effectif de la propagation des fissures, According to the present invention, so as to obtain an effective blocking or stopping of the propagation of cracks,
le rapport entre les distances qui séparent les parois prin- the relationship between the distances separating the main walls
cipales 79, 80 (épaisseur principale ou tb)et les parois d'extrémité 86, 88 (épaisseur d'extrémité ou tt,) doit être au moins d'environ 5 à 1. De préférence, les parois cipales 79, 80 (main thickness or tb) and the end walls 86, 88 (end thickness or tt,) should be at least about 5 to 1. Preferably, the walls
d'extrémité 86 et 88 doivent rencontrer les parois circulai- 86 and 88 should meet the circulating walls.
res 82, 84 sans rayon de transition (congé),' mais pour des raisons de résistance à la fatigue on a trouvé q'un certain rayon à cette jonction est souhaité et un rayon de congé ou de jonction, tr, approximativement égal à l'épaisseur res 82, 84 without transition radius (leave), but for reasons of fatigue resistance it has been found that a certain radius at this junction is desired and a radius of fillet or junction, tr, approximately equal to l 'thickness
d'extrémité tt, est le rayon recommandé. endpoint tt, is the recommended radius.
L'efficacité des dents de joints selon la présente invention est représentée en figure 4. On a représenté la longueur de la fissure en fonction des cycles de fatigue en -8- tension. Les essais de tension représentent les contraintes en boucle provoquées par la fatigue auxquelles de tels joints sont communément exposés pendant le fonctionnement du moteur. Un segment de dents de joints classique ayant = 15 , tt, = 0,38 mm a été essayé ainsi qu'un segment de dents de joints de la présente invention ayant The effectiveness of the joint teeth according to the present invention is shown in FIG. 4. The length of the crack is represented as a function of the fatigue cycles in tension. The stress tests represent fatigue-induced loop stresses to which such seals are commonly exposed during engine operation. A conventional joint tooth segment having = 15, tt, = 0.38 mm was tested as well as a joint tooth segment of the present invention having
tt = 0,38 mm, tb = 2,03 mm et tr = 0,38 mm. Le maté- tt = 0.38 mm, tb = 2.03 mm and tr = 0.38 mm. The material
riau de dent était un alliage à base de nickel que l'on utilise classiquement pour fabriquer de tels joints et la was a nickel-based alloy conventionally used to make such seals and the
longueur de fissure initiale (X) était 0,508 mm. initial crack length (X) was 0.508 mm.
Comme on le remarquera sur la figure 4, la dent de joint de la présente invention présente une amélioration de 3 à 1 dans le nombre de cycles de rupture par rapport à la As will be seen in FIG. 4, the seal tooth of the present invention shows a 3 to 1 improvement in the number of failure cycles compared to the
dent de joint classique.classic joint tooth.
-9--9
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