B11-3937FR 1
Dispositif de retenue axiale pour système de turbine Le sujet décrit ici porte globalement sur les systèmes de turbines et, plus particulièrement, sur des systèmes de retenue axiale servant à retenir des organes d'une turbine dans des systèmes de turbines. Des systèmes de turbines sont très couramment employés dans des domaines tels que la production d'électricité. Par exemple, un système de turbine à gaz classique comprend un compresseur, une chambre de combustion et une turbine. Pendant le fonctionnement du système de turbine à gaz, divers organes du système sont soumis à des flux à haute température susceptibles de provoquer une rupture des organes. Comme des flux à plus haute température aboutissent globalement à une augmentation des performances, du rendement et de la production d'électricité du système de turbine à gaz, les organes soumis à des flux à haute température doivent être refroidis pour permettre au système de turbine à gaz de fonctionner à des températures plus hautes. Ainsi, un agent de refroidissement peut être amené à circuler dans le système de turbine à gaz afin de refroidir les divers organes. Par ailleurs, afin d'obtenir des performances et un rendement optimaux d'un système de turbine, les flux à haute température et les flux d'agent de refroidissement doivent être globalement isolés les uns des autres. Par exemple, dans la turbine d'un système de turbine, les organes de la turbine sont globalement indépendants du flux à haute température pour empêcher l'ingestion du flux à haute température dans ceux-ci pendant le fonctionnement. De plus, des dispositifs d'étanchéité peuvent être employés pour protéger les organes de la turbine contre des fuites du flux à haute température et en outre pour empêcher que l'agent de refroidissement ne s'échappe. Dans bien des cas, les dispositifs d'étanchéité et les organes de turbine sont montés dans la turbine sur des structures de support annulaires. Les dispositifs d'étanchéité et les organes de turbine peuvent en outre être disposés dans les directions circonférentielle et axiale les uns par rapport aux autres afin de prévenir les fuites du flux à haute température et d'empêcher que ne s'échappe l'agent de refroidissement. Cependant, dans de nombreux cas, les dispositifs d'étanchéité et/ou les organes de turbine peuvent bouger, glisser ou venir à se dégager des structures de support, en permettant ainsi potentiellement des fuites dans ceux-ci ou des pertes d'agent de refroidissement. Ces fuites et/ou pertes risquent de réduire les performances et le rendement du système de turbine et risquent en outre d'être préjudiciables au système. Ainsi, dans la plupart des cas, les dispositifs d'étanchéité et les organes de turbine ne doivent pas bouger, glisser ou se dégager par rapport aux structures de support. Ainsi, un dispositif de retenue perfectionné servant à retenir des dispositifs d'étanchéité et/ou des organes de turbine dans des structures de support serait souhaitable dans la technique. Par exemple, un dispositif de retenue axiale empêchant le mouvement axial des dispositifs d'étanchéité et/ou des organes de turbine par rapport aux structures de support serait avantageux.
Des aspects et des avantages de l'invention vont être exposés en partie dans la description ci-après, ou pourront apparaître de manière évidente d'après la description, ou pourront être appris grâce à la pratique de l'invention. Dans une forme de réalisation est présenté un dispositif de retenue axiale pour une turbine. Le dispositif de retenue axiale comprend un verrou associé à une surface correspondante d'un organe de turbine ou d'une structure de support. Le verrou exerce une sollicitation vers l'extérieur et comporte une surface d'efforts axiaux. Le dispositif de retenue axiale comprend en outre une poche définie dans une surface correspondante de l'autre des pièces de turbine et structure de support. La poche est conçue pour recevoir le verrou et comporte une surface correspondante d'efforts axiaux. L'engagement du verrou et de la poche permet une interaction de la surface d'efforts axiaux et de la surface correspondante d'efforts axiaux, ce qui empêche l'organe de turbine de bouger axialement par rapport à la structure de support, dans au moins une direction. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés.
Une description complète et utilisable de la présente invention, incluant le meilleur mode de celle-ci, destinée aux spécialistes ordinaires de la technique, est présentée dans la description, laquelle fait référence aux figures annexées, sur lesquelles : - la figure 1 est une illustration schématique d'un système de turbine ; - la figure 2 est une vue latérale en coupe de la turbine d'un système de turbine selon une première forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 3 est une vue latérale en coupe d'une partie de la turbine d'un système de turbine selon une première forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 4 est une vue éclatée en perspective d'une structure de support et de deux organes de turbine selon une première forme de réalisation de la présente invention ; - la figure 5 est une vue en coupe d'un système de retenue axiale selon une première forme de réalisation de la présente invention ; et - la figure 6 est une vue en coupe d'un dispositif de retenue axiale selon une autre forme de réalisation de la présente invention. On va maintenant considérer en détail des formes de réalisation de l'invention dont un ou plusieurs exemples sont illustrés sur les dessins. Chaque exemple est fourni à titre d'explication de l'invention, sans intention de limitation de l'invention. En fait, il apparaîtra aux spécialistes ordinaires de la technique que diverses modifications et variantes peuvent être apportées à la présente invention sans s'écarter du cadre ni de l'esprit de l'invention. Par exemple, des éléments illustrés ou décrits comme faisant partie d'une forme de réalisation peuvent être utilisés avec une autre forme de réalisation pour donner encore une autre forme de réalisation. Ainsi, il est entendu que la présente invention couvre ces modifications et variantes comme entrant dans le cadre des revendications annexées et de leurs équivalents. La figure 1 est une représentation schématique d'un système de turbine 10. Bien que le système de turbine 10 décrit ici puisse généralement être un système de turbine à gaz, il doit être entendu que le système de turbine 10 selon la présente invention ne se limite pas à des systèmes de turbines à gaz et que tout système de turbine approprié, dont mais de manière nullement limitative un système de turbine à vapeur, entre dans le cadre et l'esprit de la présente invention. Ainsi, le système représenté peut comprendre un compresseur 12, une chambre de combustion 14 et une turbine 16. Le compresseur 12 et la turbine 16 peuvent être accouplés par un arbre 18. L'arbre 18 peut être un arbre unique ou une pluralité de segments d'arbre accouplés les uns avec les autres pour former l'arbre 18. La turbine 16 peut comprendre une pluralité d'étages de turbine. Par exemple, dans une forme de réalisation, la turbine 16 peut avoir trois étages, comme représenté sur la figure 2. Par exemple, un premier étage de la turbine 16 peut comprendre une pluralité de tuyères 21 et d'ailettes 22 à espacement dans la direction circonférentielle. Les tuyères 21 peuvent être disposées et fixées dans la direction circonférentielle autour de l'arbre 18. Les ailettes 22 peuvent être disposées dans la direction circonférentielle autour de l'arbre 18 et accouplées avec l'arbre 18. Un deuxième étage de la turbine 16 peut comprendre une pluralité de tuyères 23 et d'ailettes 24 espacées dans la direction circonférentielle. Les tuyères 23 peuvent être disposées et fixées dans la direction circonférentielle autour de l'arbre 18. Les ailettes 24 peuvent être disposées dans la direction circonférentielle autour de l'arbre 18 et accouplées avec l'arbre 18. Un troisième étage de la turbine 16 peut comprendre une pluralité de tuyères 25 et d'ailettes 26 à espacement dans la direction circonférentielle. Les tuyères 25 peuvent être disposées et fixées dans la direction circonférentielle autour de l'arbre 18. Les ailettes 26 peuvent être disposées dans la direction circonférentielle autour de l'arbre 18 et accouplées avec l'arbre 18. Les divers étages de la turbine 16 peuvent être disposés, dans la turbine 16, sur le passage du flux 28 de gaz chauds. I1 doit être entendu que la turbine 16 ne se limite pas à trois étages, mais qu'elle peut avoir n'importe quel nombre d'étages approprié. Comme représenté sur les figures 3 et 4, une pluralité de dispositifs d'étanchéité 30 à disposition annulaire peuvent être présents entre chaque pluralité d'ailettes, comme par exemple les ailettes 22 ou 24, et la pluralité adjacente d'ailettes, comme par exemple les ailettes 24 ou 26. Les dispositifs d'étanchéité 30 peuvent être disposés de manière à former une limite extérieure pour le passage du flux de gaz 28, ce qui empêche ainsi le flux de gaz 28 de migrer à travers la limite extérieure et empêche en outre des flux de refroidissement (non représentés) extérieurs au passage du flux de gaz 28 de migrer à travers la limite extérieure et de rejoindre le passage. Les dispositifs d'étanchéité 30 peuvent en outre coopérer avec la pluralité de tuyères, telles que les tuyères 21, 23 ou 25, comme représenté sur la figure 3. I1 doit être entendu que les dispositifs d'étanchéité 30 ne sont pas forcément conçus comme représenté sur les figures 3 et 4, mais au contraire que tout dispositif d'étanchéité approprié entre dans le cadre et l'esprit de la présente invention. Les ailettes 22, 24, 26 et les dispositifs d'étanchéité 30 doivent être retenus dans la turbine 16. Ainsi, diverses structures de support 32 peuvent être présentes dans la turbine 16 pour s'assembler avec et supporter divers organes 34 de turbine, tels que les dispositifs d'étanchéité 30 et/ou les ailettes 22, 34, 26. Les structures de support 32 peuvent, par exemple, être des disques 36 de rotors conçus pour recevoir les ailettes 22, 24, 26. Selon une autre possibilité, les structures de support 32 peuvent, par exemple, être des structures de bordures d'espacement 38 conçues pour recevoir les dispositifs d'étanchéité 30. Comme représenté, les organes 34 de turbine et les structures de support 32 peuvent comporter des reliefs d'assemblage 40 et des cavités 42 afin d'assembler les organes 34 de turbine et les structures de support 32 les uns avec les autres. Par exemple, dans certaines formes de réalisation, les reliefs 40 peuvent être des queues d'arondes et les cavités 42 peuvent avoir une forme et des dimensions permettant de recevoir les queues d'arondes. De façon générale, les organes 34 de turbine sont assemblés avec les structures de support 32 en faisant entrer les reliefs 40 par coulissement dans les cavités 42, suivant un axe globalement axial 44, comme représenté sur la figure 4. L'introduction des reliefs 40 dans les cavités 42 empêche les organes 34 de turbine de bouger par rapport aux structures de support 32 dans les directions globalement radiale et tangentielle, mais ne peut pas empêcher les organes 34 de turbine de bouger par rapport aux structures de support 32 dans une direction globalement axiale. Par exemple, lorsque les reliefs 40 sont introduits dans les cavités 42, les reliefs peuvent bouger librement suivant l'axe axial 44, dans un premier sens 46 ou un second sens 48. Ainsi, comme représenté sur les figures 4 à 6, un dispositif de retenue axiale 50 est proposé pour retenir axialement un organe 34 de turbine dans une structure de support 32. Le dispositif de retenue axiale 50 comprend un verrou 52 et une poche 54. Globalement, le verrou 52 peut être associé à l'organe 34 de turbine ou à la structure de support 32, et la poche 54 peut être définie dans l'autre des organes 34 de turbine et structure de support 32. Par exemple, dans des exemples de formes de réalisation, le verrou 52 peut être associé à la structure de support 32 et la poche 54 peut être définie dans l'organe 34 de turbine. Dans d'autres formes de réalisation possibles, le verrou 52 peut être associé à l'organe 34 de turbine et la poche 54 peut être définie dans la structure de support 32. En outre, comme évoqué plus haut, une pluralité d'organes 34 de turbine peuvent être disposés en un groupe annulaire autour de la structure de support 32. Dans certaines formes de réalisation, chaque organe 34 de turbine peut comporter un verrou indépendant 52 ou définir une poche indépendante 54 conçu pour s'assembler avec un verrou indépendant 52, ou une poche indépendante 54 inclus ou défini dans la structure de support 32. Cependant, dans d'autres formes de réalisation, comme représenté sur la figure 4, deux organes de turbine adjacents 34 peuvent comporter chacun un verrou indépendant 52 ou définir une poche indépendante 54, et les deux verrous 52 ou poches 54 peuvent être conçus pour s'assembler avec un verrou 52 ou une poche 54 inclus ou défini dans la structure de support 32. L'organe 34 de turbine peut définir une surface d'assemblage 56 et la structure de support 32 peut définir une surface d'assemblage 58. Les surfaces d'assemblage 56, 58 peuvent être définies sur le relief 40 et dans la cavité 42 ou peuvent être définies au voisinage immédiat du relief 40 et de la cavité 42, comme représenté sur les figures 5 et 6. Les surfaces d'assemblage 56, 58 s'assemblent globalement l'une avec l'autre lorsque l'organe 34 de turbine et la structure de support 32 sont assemblés l'un avec l'autre. Le verrou 52 peut être associé à la surface d'assemblage 56 ou 58 de l'organe 34 de turbine ou de la structure de support 32, et la poche 54 peut être définie dans l'autre des surfaces d'assemblage 56 et 58 de l'organe 34 de turbine ou de la structure de support 32. La poche 54 selon la présente invention peut être conçue pour recevoir le verrou 52. Par exemple, la poche 54 peut avoir des dimensions et une forme permettant d'y loger au moins une partie du verrou 52 et peut en outre avoir divers moyens pour l'engagement et l'interaction avec le verrou 52, comme on le verra plus loin. Le verrou 52 selon la présente invention peut exercer une sollicitation globalement vers l'extérieur. On entend par "vers l'extérieur" une direction globalement radiale à partir d'une pièce ou d'une surface de base correspondante, telle qu'un organe 34 de turbine ou une structure de support 32. Par exemple, dans certains exemples de formes de réalisation, comme représenté sur la figure 5, le verrou 52 peut être apte à pivoter autour d'un point de pivotement 60. Ainsi, le verrou 52 peut être sollicité vers l'extérieur autour du point de pivotement 60. Dans d'autres exemples de formes de réalisation, comme représenté sur la figure 6, le verrou 52 peut simplement exercer une sollicitation globalement radiale vers l'extérieur. Par ailleurs, dans certains exemples de formes de réalisation, le dispositif de retenue axiale 50 peut comprendre un ressort 62, ou une pluralité de ressorts 62. Les ressorts 62 peuvent exercer la sollicitation vers l'extérieur. Dans des formes de réalisation dans lesquelles le verrou 52 a un point de pivotement 60, les ressorts 62 peuvent, par exemple, être situés au niveau du point de pivotement 60 ou à distance du point de pivotement 60. Cependant, il doit être entendu que la sollicitation vers l'extérieur n'est pas forcément réalisée par les ressorts et que la sollicitation vers l'extérieur peut plutôt être exercée par tout dispositif de poussée, tension ou mise en précontrainte approprié. Dans des exemples de formes de réalisation illustrés sur les figures 5 à 6, la surface d'assemblage 56 ou 58 de l'organe 34 de turbine ou de la structure de support 32 associée au verrou 52 peut définir une cavité 64. Le verrou 52 peut être monté dans la cavité 64. Ainsi, dans des exemples de formes de réalisation, lorsque le verrou 52 est sollicité vers l'extérieur, une partie du verrou 52 peut dépasser de la surface d'assemblage 56 ou 58. En outre, dans des exemples de formes de réalisation, lorsque le verrou 52 est rentré, comme examiné plus loin, les parties supérieures du verrou 52 peuvent être au ras ou au-dessous de la surface d'assemblage 56 ou 58. Cependant, dans d'autres formes de réalisation possibles, les parties supérieures du verrou 52 peuvent rester au-dessus de la surface d'assemblage 56 ou 58 lorsque le verrou est rentré. La cavité 64 peut en outre comporter des surfaces latérales 66. Les surfaces latérales 66 peuvent coopérer avec des points de contact 68 sur le verrou 52 pour empêcher le verrou 52 de bouger suivant l'axe axial 44. Comme représenté, le verrou 52 peut comporter une surface 70 d'efforts axiaux, et la poche 54 peut comporter une surface d'efforts axiaux correspondante 72. Comme représenté sur les figures 5 et 6, par exemple, les surfaces d'efforts axiaux 70, 72 peuvent être des surfaces latérales globalement plus planes du verrou 52 et de la poche, lesquelles peuvent être globalement perpendiculaires à l'axe axial 44. Cependant, il doit être entendu que les surfaces d'efforts axiaux 70, 72 peuvent avoir n'importe quel profil et/ou orientation approprié. Globalement, l'engagement du verrou 52 et de la poche 54 peut permettre une interaction des surfaces d'efforts axiaux 70, 72, empêchant l'organe 34 de turbine de bouger axialement par rapport à la structure de support 32, dans au moins un sens. Par exemple, la coopération des surfaces d'efforts axiaux 70, 72 peut empêcher le mouvement axial de l'organe 34 de turbine dans le premier sens 46, comme représenté sur les figures 5 et 6, ou dans le second sens 48. Dans certaines formes de réalisation, comme représenté sur la figure 5, le dispositif de retenue axiale 50 peut comporter en outre une butée 74 associée soit à l'organe 34 de turbine soit à la structure de support 32. La butée 74 peut être conçue pour coopérer avec l'autre des organes 34 de turbine et structure de support 32, en empêchant le mouvement axial de l'organe 34 de turbine dans un autre sens par rapport à la structure de support, de façon que le mouvement axial soit empêché dans deux sens. Par exemple, la butée 74 peut avoir une surface latérale globalement plus plane, laquelle peut être globalement perpendiculaire à l'axe axial 44. Cependant, il doit être entendu que la butée 74 peut avoir n'importe quel profil et/ou orientation approprié. Globalement, l'engagement du verrou 52 et de la poche 54 peut permettre à la butée de coopérer avec une surface latérale de l'autre des organes 34 de turbine et structure de support 32, empêchant le mouvement axial de l'organe 34 de turbine par rapport à la structure de support 32, dans au moins un sens. Par exemple, la coopération de la butée 74 avec l'autre des organes 34 de turbine et structure de support 32 peut empêcher le mouvement axial de l'organe 34 de turbine dans le second sens 48, comme représenté sur la figure 5, ou dans le premier sens 46. Dans une autre forme de réalisation, comme représenté sur la figure 6, le verrou 52 peut comporter une pluralité de surfaces d'efforts axiaux 71 et la poche 54 peut comporter une pluralité de surfaces d'efforts axiaux correspondantes 72. Globalement, l'engagement du verrou 52 et de la poche 54 peut permettre une interaction des surfaces d'efforts axiaux 70, 72, empêchant le mouvement axial de l'organe 34 de turbine dans deux sens par rapport à la structure de support 32. Par exemple, l'interaction des surfaces d'efforts axiaux 70, 72 peut empêcher le mouvement axial de l'organe 34 de turbine à la fois dans le premier sens 46 et dans le second sens 48, comme représenté sur la figure 6. Dans certaines formes de réalisation, comme représenté sur les figures 4 à 6, celui des organes 34 de turbine et structure de support 32 qui ne comporte pas le verrou 52 peut définir un trou d'accès 76. Le trou d'accès 76 peut donner accès au verrou 52 pour permettre au verrou 52 de se dégager de la poche 54, en permettant un mouvement axial de l'organe 34 de turbine par rapport à la structure de support 32, dans au moins un sens, par exemple dans le premier sens 46 ou le second sens 48. Par exemple, le trou d'accès 76 peut assurer un accès pour permettre au verrou 52 de sortir de la poche 54, et ainsi de se dégager des surfaces d'efforts axiaux 70, 72. Dans une forme de réalisation, le trou d'accès 76 peut permettre à un outil, tel qu'une tige ou, par exemple, un relief, d'être placé dans le trou d'accès 76 afin de coopérer avec le verrou 52 pour provoquer le retrait du verrou 52. Par ailleurs, dans certaines formes de réalisation illustrées sur les figures 5 et 6, le verrou 52 peut comporter une surface d'étanchéité 78. La surface d'étanchéité 78 peut être conçue pour fermer hermétiquement le trou d'accès 76 lorsque le verrou 52 et la poche 54 sont en prise. Par exemple, la surface d'étanchéité 78 peut être globalement parallèle à l'ouverture du trou d'accès 76 au voisinage immédiat du verrou 52 et/ou perpendiculaire à l'axe central du trou d'accès 76. Cependant, il doit être entendu que la surface d'étanchéité 78 peut avoir n'importe quel profil et/ou orientation approprié suffisant pour fermer hermétiquement le trou d'accès 76 lorsque le verrou 52 et la poche 54 sont en prise. Lorsque le verrou 52 et la poche 54 sont en prise, la surface d'étanchéité 78 peut buter contre l'ouverture du trou d'accès 76 adjacente au verrou 52, ce qui ferme globalement hermétiquement le trou d'accès 76. La surface d'étanchéité 78 peut avantageusement empêcher ou réduire les fuites potentielles de flux à haute température et/ou la perte d'agent de refroidissement par le trou d'accès 76 entre l'organe 34 de turbine et la structure de support 32.
Le dispositif de retenue axiale 50 selon la présente invention peut avantageusement empêcher le mouvement axial d'organes 34 de turbine par rapport à des structures de support 32, dans une ou plusieurs directions. Cette prévention de mouvement axial peut avantageusement empêcher ou réduire les éventuelles fuites de flux à haute température et/ou la perte éventuelle d'agent de refroidissement entre l'organe 34 de turbine et la structure de support 32.
Liste des repères Repère Elément 10 Système de turbine à gaz 12 Compresseur 14 Chambre de combustion 16 Turbine 18 Arbre 21 Tuyères du premier étage 22 Ailettes du premier étage 23 Tuyères du deuxième étage 24 Ailettes du deuxième étage 25 Tuyères du troisième étage 26 Ailettes du troisième étage 28 Flux de gaz chauds 30 Dispositif d'étanchéité 32 Structure de support 34 Organe de turbine 36 Disque de rotor 38 Structure de rebord d'espacement 40 Relief 42 Cavité 44 Axe axial 46 Premier sens 48 Second sens 50 Dispositif de retenue axiale 52 Verrou 54 Poche 56 Surface d'assemblage (organe de turbine) 58 Surface d'assemblage (structure de support) 60 Point de pivotement 62 Ressort 64 Cavité 66 Surface latérale 68 Point de contact 70 Surface d'efforts axiaux (verrou) 72 Surface d'efforts axiaux (poche) 74 Butée 76 Trou d'accès 78 Surface d'étanchéité