FR2927365A1

FR2927365A1 - Exhaust case for turbomachine, has arms limited by trailing edges that make concavity at portion connecting arms to ferrule, and ferrule's end composed of circular sections, where each section has constant thickness around ferrule

Info

Publication number: FR2927365A1
Application number: FR0850919A
Authority: FR
Inventors: Valentine Bader; Nicolas Pommier
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2008-02-13
Filing date: 2008-02-13
Publication date: 2009-08-14
Anticipated expiration: 2028-02-13
Also published as: FR2927365B1

Abstract

The case has radial arms surrounded by a circular exterior ferrule (4) and connected to the ferrule. The arms are limited by straight linear trailing edges (12). The ferrule has an end (10) that is extended above the edges of the arms. The edges of the arms make a concavity (18) at a connection portion connecting the arms to the ferrule. The end of the ferrule is composed of circular sections, where each circular section has constant thickness around the ferrule.

Description

CARTER DE TURBOMACHINE ET TURBOMACHINE EQUIPEE DE CE CARTER TURBOMACHINE HOUSING AND TURBOMACHINE EQUIPPED WITH THIS CARTER

DESCRIPTION

Le sujet de cette invention est un carter 5 de turbomachine ainsi qu'une turbomachine équipée de ce carter. Les carters dont il est question ici possèdent une virole extérieure essentiellement circulaire et des bras essentiellement radiaux (avec 10 une inclinaison possible en direction tangentielle) unis à cette virole. La partie centrale de la virole extérieure, entre deux brides circulaires amont et aval, est principalement composée de secteurs plans conférant à la paroi extérieure de la veine une forme 15 polygonale mais qui reste essentiellement circulaire. On trouve les bras dans certaines conceptions de turbomachine pour délimiter une portion d'une veine annulaire d'écoulement des gaz, les bras formant alors des aubes fixes de redressement de l'écoulement qui 20 traversent la veine. La virole extérieure est assemblée à d'autres pièces et présente des extrémités latérales débordant des bras en direction axiale de la machine. La température des gaz soumet la turbomachine à des dilatations importantes mais 25 différentes selon l'échauffement atteint par chaque partie. Les bras, étant directement exposés a l'écoulement des gaz, sont fortement échauffés, alors que les extrémités latérales de la virole, unies à des pièces plus froides, le sont souvent beaucoup moins. Un différentiel de dilatation important apparaît alors entre ces deux portions du carter, qui produit une flexion importante des extrémités latérales aux endroits où elles se raccordent aux bras. Les concentrations de contraintes qu'on observe à ces raccordements les fissurent souvent. L'objet de l'invention est de perfectionner de tels raccordements de manière à réduire les concentrations de contraintes. Selon une forme générale de l'invention, cela est obtenu avec le carter caractérisé en ce que les bords des bras au-delà desquels s'étend l'extrémité de virole, et qui forment des arêtes linéaires, dessinent une concavité à une portion de raccordement à la virole, et l'extrémité de virole est composée de sections circulaires ayant chacune une épaisseur sensiblement constante. L'invention sera maintenant décrite plus en détail par une réalisation effective en liaison aux figures, parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue générale d'un carter sur lequel l'invention peut être implantée et de ses alentours, - la figure 2 représente des raccordements possibles entre bras et extrémité de virole, - la figure 3 représente un raccordement entre bras et extrémité de virole conforme à l'invention, - et la figure 4 représente une vue en coupe IV-IV de la figure 3. On se reporte d'abord à la figure 1, qui représente un carter d'échappement 1 de turbomachine 25 30 placé entre une turbine à basse pression 2 à l'amont et une tuyère 3 à l'aval. Le carter d'échappement 1 comprend une virole 4 extérieure circulaire. Les bras 5 sont placés à travers une veine 8 d'écoulement des gaz dans la turbomachine. La virole 4 présente des extrémités 9 et 10 d'assemblage respectivement au stator de la turbine à basse pression 2 et à la tuyère 3. Ces extrémités 9 et 10 sont les portions de la virole 4 qui s'étendent au-delà d'un bord d'attaque 11 et d'un bord de fuite 12 de chacun des bras 5 dans la direction axiale de la turbomachine (horizontale sur la figure). Les bords d'attaque 11 et de fuite 12 sont des arêtes linéaires, généralement rectilignes et dont la distance de l'un à l'autre, mesurée dans la direction axiale, est appelée la corde 13 du bras 5. La réalisation représentée à la figure 1 comporte des bords d'attaque 11 et 12 de fuite radiaux pour l'essentiel et donc parallèles entre eux, c'est-à-dire que la corde 13 est constante le long des bras 5. Dans d'autres conceptions connues mais qui ne sont pas représentées, les bords d'attaque et de fuite sont obliques à des inclinaisons différentes, de sorte que la corde 13 varie le long des bras 5 : elle est dite évolutive. L'invention s'applique aussi à de telles conceptions. On s'intéresse plus précisément ici à l'extrémité 10 de la virole 4 qui est située vers l'aval, les difficultés à la source de l'invention y étant apparues, mais celle-ci pourrait s'appliquer à l'autre extrémité 9 ou à d'autres viroles que celle du carter d'échappement d'une turbomachine, comme celle d'un carter 29 intermédiaire à la turbine à basse pression 2 et à une turbine à haute pression 30 en amont. L'échauffement considérable des gaz dans la veine 8 produit des échauffements et des dilatations thermiques plus importants aux bras 5, qui fléchissent l'extrémité 10 qui, raccordée à la tuyère 3 beaucoup plus froide, se dilate aussi beaucoup moins. Une concentration de contraintes importante apparaît aux raccordements 14 de l'extrémité 10 aux bras 5, malgré la précaution d'y réaliser un arrondi 15 de rayon assez grand qui incurve localement le bord de fuite 12 vers la tuyère 3. Il a été entrepris de réduire ces concentrations de contraintes. Certains essais, illustrés par la figure 2, se sont révélés infructueux. Un premier d'entre eux consista à épaissir le raccordement 14 en remplaçant le bord extérieur plutôt droit de la virole 4 par un bord extérieur bombé 16 : le raccordement 14 était alors renforcé, mais aucun bénéfice ne fut observé quant à la réduction des contraintes. Un deuxième essai consista à supprimer l'arrondi 15 et à prolonger l'arête rectiligne du bord de fuite 12 presque jusqu'à l'extrémité 10, en laissant seulement subsister un rayon de raccordement minimal 17 pour une fabrication correcte par moulage. L'extrémité 10 était alors devenue plus souple au raccordement 14, et plus facile à fléchir ; mais aucune réduction des contraintes ne fut non plus observée. The subject of this invention is a turbomachine casing 5 and a turbomachine equipped with this casing. The housings referred to herein have an essentially circular outer shell and essentially radial arms (with tangential inclination possible) joined to this shell. The central part of the outer shell, between two upstream and downstream circular flanges, is mainly composed of planar sectors giving the outer wall of the vein a polygonal shape but which remains essentially circular. The arms are found in some turbomachine designs to delineate a portion of an annular flow vein of the gases, the arms then forming fixed flow relief vanes that pass through the vein. The outer shell is assembled to other parts and has lateral ends projecting from the arms in the axial direction of the machine. The temperature of the gas submits the turbomachine to large expansions but different according to the heating reached by each party. The arms, being directly exposed to the flow of gases, are strongly heated, while the lateral ends of the ferrule, united to colder parts, are often much less. A large expansion differential then appears between these two portions of the housing, which produces a significant flexion of the lateral ends where they are connected to the arms. The stress concentrations observed at these connections often crack them. The object of the invention is to improve such connections so as to reduce stress concentrations. According to a general form of the invention, this is obtained with the housing characterized in that the edges of the arms beyond which extends the ferrule end, and which form linear edges, draw a concavity to a portion of connection to the shell, and the ferrule end is composed of circular sections each having a substantially constant thickness. The invention will now be described in more detail by an actual embodiment in connection with the figures, among which: FIG. 1 is a general view of a casing on which the invention may be implanted and its surroundings, FIG. represents possible connections between the arm and ferrule end, - Figure 3 shows a connection between the arm and ferrule end according to the invention, - and Figure 4 shows a sectional view IV-IV of Figure 3. We are Referring first to Figure 1, which shows a turbine engine exhaust casing 25 30 placed between a low-pressure turbine 2 upstream and a nozzle 3 downstream. The exhaust casing 1 comprises a circular outer shell 4. The arms 5 are placed through a stream 8 of gas flow in the turbomachine. The shell 4 has assembly ends 9 and 10 respectively to the stator of the low-pressure turbine 2 and to the nozzle 3. These ends 9 and 10 are the portions of the shell 4 which extend beyond a leading edge 11 and a trailing edge 12 of each of the arms 5 in the axial direction of the turbomachine (horizontal in the figure). The leading edges 11 and trailing edges 12 are linear edges, generally rectilinear and whose distance from one to the other, measured in the axial direction, is called the rope 13 of the arm 5. The embodiment shown in FIG. FIG. 1 has essentially radial leading edges 11 and 12 that are parallel to each other, that is to say that the rope 13 is constant along the arms 5. In other known designs but which are not shown, the leading and trailing edges are oblique at different inclinations, so that the rope 13 varies along the arms 5: it is said to be evolutionary. The invention also applies to such designs. We are more specifically interested here at the end 10 of the ferrule 4 which is situated downstream, the difficulties at the source of the invention having appeared there, but this could be applied at the other end. 9 or to other ferrules than that of the exhaust casing of a turbomachine, such as that of a casing 29 intermediate to the low-pressure turbine 2 and a high-pressure turbine 30 upstream. The considerable heating of the gases in the vein 8 produces greater heating and thermal expansion at the arms 5, which bend the end 10 which, connected to the nozzle 3 much colder, also expands much less. A high concentration of stress appears at the connections 14 of the end 10 to the arms 5, despite the precaution of making a rounding 15 of large enough radius that locally bends the trailing edge 12 to the nozzle 3. It was undertaken to reduce these stress concentrations. Some tests, illustrated in Figure 2, have been unsuccessful. A first of them consisted in thickening the connection 14 by replacing the rather straight outer edge of the shell 4 by a curved outer edge 16: the connection 14 was then reinforced, but no benefit was observed as to the reduction of stresses. A second test was to remove the flare 15 and extend the straight edge of the trailing edge 12 almost to the end 10, leaving only a minimal connection radius 17 for proper molding. The end 10 then became more flexible at connection 14, and easier to flex; but no reduction in stress was observed either.

Une réalisation de l'invention est représentée à la figure 3. Le bord de fuite 12 présente désormais une concavité 18 au raccordement à la virole 4, c'est-à-dire une inflexion locale de l'arête linéaire en s'éloignant de la tuyère 3. La concavité 18 est délimitée par un bord supérieur 19, correspondant à un prolongement du bord inférieur de l'extrémité 10 jusque près des oreilles 7, et par un bord inférieur 20 oblique qui constitue le sommet du bord de fuite 12. One embodiment of the invention is shown in FIG. 3. The trailing edge 12 now has a concavity 18 to the connection to the shell 4, that is to say a local inflection of the linear edge away from the nozzle 3. The concavity 18 is delimited by an upper edge 19, corresponding to an extension of the lower edge of the end 10 to near the ears 7, and by an oblique lower edge 20 which constitutes the top of the trailing edge 12.

Les bords 19 et 20 se raccordent par un arrondi 21 petit, et le bord inférieur 20 se raccorde au reste du bord de fuite 12 (la portion qui reste radiale) par un autre arrondi 22 petit. La position et l'orientation du bord supérieur 19 de la concavité 18 sont avantageusement choisies pour que l'extrémité 10 prolongée vers les oreilles 7 garde une épaisseur peu variable, en tout cas sans variation brusque, dans la direction axiale de la turbomachine. Le bord supérieur 19 de la concavité 18, qui est un bord inférieur du prolongement de l'extrémité 10, sera donc à peu près parallèle à la portion de la surface supérieure de la virole 4 sous laquelle il se trouve. La position et l'orientation du bord inférieur 20 de la concavité 18 sont de même avantageusement choisies pour qu'une portion 24 du bras 5 se trouvant sous ce bord inférieur 20 ait une épaisseur à peu près uniforme, le long du bord inférieur 20, jusqu'à un creux 25 prévu dans le bras 5 pour la ventilation. The edges 19 and 20 are connected by a rounded small 21, and the lower edge 20 is connected to the rest of the trailing edge 12 (the portion which remains radial) by another round 22 small. The position and the orientation of the upper edge 19 of the concavity 18 are advantageously chosen so that the end 10 extended towards the ears 7 keeps a slightly variable thickness, in any case without abrupt variation, in the axial direction of the turbomachine. The upper edge 19 of the concavity 18, which is a lower edge of the extension of the end 10, will therefore be approximately parallel to the portion of the upper surface of the shell 4 under which it is located. The position and the orientation of the lower edge 20 of the concavity 18 are likewise advantageously chosen so that a portion 24 of the arm 5 situated under this lower edge 20 has an approximately uniform thickness, along the lower edge 20, to a hollow 25 provided in the arm 5 for ventilation.

Quoique la concavité 18 ait l'inconvénient de réduire la corde 13 et la qualité du redressement d'air en échancrant le bras 5, l'allongement de l'extrémité de virole 10 réduit sensiblement les concentrations de contrainte à l'emplacement (14) où elles apparaissaient, de 20% environ, sans qu'elles réapparaissent ailleurs et notamment au fond de la concavité 18. La réduction est encore plus marquée quand les bords 19 et 20 satisfont à tous les critères du paragraphe précédent. Un critère qu'il convient de respecter est relatif à l'évolution de l'épaisseur de l'extrémité 10 dans la direction angulaire de la turbomachine. L'extrémité 10 se compose (figure 4) d'une série de sections sensiblement circulaires autour de l'axe de la turbomachine (à rayon constant sauf près des oreilles 7, où la virole est généralement munie de renfoncements 26 pour faciliter l'insertion et le serrage des boulons de fixation). On préconise que l'épaisseur de l'extrémité 10 reste à peu près uniforme autour de ces sections circulaires (éventuellement à 20% près), c'est-à-dire avec une variation peu importante entre les endroits 27 situés devant les bras 5 et les endroits 28 situés devant les intervalles entre les bras 5. Ce critère s'applique aux sections situées sur la concavité 18 et aux sections en débordant vers la tuyère 3. La réduction des concentrations de contraintes est alors pleinement obtenue. Ainsi qu'on l'a mentionné, l'épaisseur de l'extrémité 10 peut être aussi uniforme pour toutes les sections circulaires, mais ce n'et pas nécessaire. Although the concavity 18 has the disadvantage of reducing the rope 13 and the quality of the air straightening by indenting the arm 5, the extension of the ferrule end 10 substantially reduces the stress concentrations at the location (14). where they appeared, about 20%, without reappearing elsewhere and especially at the bottom of the concavity 18. The reduction is even more marked when the edges 19 and 20 meet all the criteria of the preceding paragraph. A criterion which must be respected is relative to the evolution of the thickness of the end 10 in the angular direction of the turbomachine. The end 10 is composed (FIG. 4) of a series of substantially circular sections around the axis of the turbomachine (with a constant radius except near the ears 7, where the ferrule is generally provided with recesses 26 to facilitate the insertion and tightening the fixing bolts). It is recommended that the thickness of the end 10 remains approximately uniform around these circular sections (possibly to within 20%), that is to say with a slight variation between the locations 27 located in front of the arms. and the places 28 situated in front of the intervals between the arms 5. This criterion applies to the sections situated on the concavity 18 and the sections projecting towards the nozzle 3. The reduction of the stress concentrations is then fully obtained. As mentioned, the thickness of the end 10 can be as uniform for all the circular sections, but it is not necessary.

Claims

1) A turbomachine casing comprising a substantially circular outer shell (4) and essentially radial arms (5) surrounded by the ferrule (4) and joined to the shell, and bounded by edges (12) in a linear edge, the ferrule ( 4) comprising an end (10) extending beyond the edges (12) of the arms, characterized in that the edges of the arms form a concavity (18) at a connecting portion of the arms (5) to the ferrule ( 4), and the end (10) of the shell is composed of circular sections each having a substantially constant thickness.

2) Turbomachine casing according to claim 1, characterized in that the arms (5) have a rope (13) constant except the concavity (18).

3) Turbomachine casing according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the thicknesses of the circular sections of ferrule are all constant to 20%.

4) Turbomachine casing according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the end (10) of the shell (4) comprises recesses (26) in a radial direction near the edges of the arms.

5) Turbomachine casing according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the arms are provided with recesses (25) and have a constant thickness between the recesses (25) and the concave edges (18). 8

6) Turbomachine comprising a casing according to any one of the preceding claims.

7) turbomachine according to claim 6, the housing being an exhaust casing between a low pressure turbine (2) and a nozzle (3), the end (10) of the shell (4) being joined to the nozzle ( 3).

8) turbomachine according to claim 6, the housing (29) being located between two turbines (2, 30) .10