FR2966195A1

FR2966195A1 - Ensemble d'etancheite pour turbomachine

Info

Publication number: FR2966195A1
Application number: FR1159228A
Authority: FR
Inventors: Ravi Shankar Venkata Kasibhotla; William Edward Adis; Venkata Siva Jagadeeswararao Anjuri; Anantha Padmanabhan Bhagavatheeswaran
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2012-04-20
Anticipated expiration: 2031-10-12
Also published as: JP5879084B2; US8591181B2; RU2011142880A; JP2012087928A; US20120093633A1; DE102011054586A1; FR2966195B1

Abstract

Un ensemble d'étanchéité (60) pour turbomachine comprend une pluralité de lamelles d'étanchéité (80, 81, 82, 83) configurées et agencées pour empêcher un écoulement de fluide de passer par un canal délimité par un premier organe et un second organe. Au moins une des lamelles d'étanchéité (80, 81, 82, 83) comprend un élément formant palette (124) qui est configuré et agencé pour créer une zone de recirculation de fluide au niveau du canal. La zone de recirculation de fluide empêche davantage l'écoulement de fluide dans le canal.

Description

B 11-4766FR 1 Ensemble d'étanchéité pour turbomachine Le sujet décrit dans la présente concerne le domaine des turbomachines, et porte en particulier sur un ensemble d'étanchéité qui empêche un écoulement de fluide dans une turbomachine. Dans une turbomachine à gaz typique, des chambres de combustion reçoivent une alimentation en air sous pression provenant d'une section compresseur et une alimentation en carburant. L'air sous pression et le carburant sont mélangés pour former un mélange air/carburant combustible. Le mélange air/carburant est ensuite enflammé et brûlé pour former des gaz chauds qui sont dirigés vers une section turbine. De l'énergie thermique des gaz chauds est convertie en énergie mécanique de rotation dans la section turbine. Les gaz chauds sont faits passer de la chambre de combustion à la section turbine par un conduit ou pièce de transition. Généralement, un conduit d'air qui délivre de l'air de refroidissement provenant du compresseur entoure la pièce de transition. Si les surfaces internes ne sont pas correctement étanchéifiées, les gaz chauds peuvent contourner la section turbine en entrant dans le conduit d'air. Cet écoulement de dérivation ou de fuite ne produit aucun travail et représente donc des pertes internes dans la turbomachine. L'écoulement de fuite passe généralement entre des surfaces adjacentes se déplaçant ou tournant à des vitesses variables. Au cours du temps, des jeux entre les surfaces à vitesse variable peuvent augmenter en raison d'un frottement interne, d'une érosion par des particules solides, d'une détérioration par ingestion de corps étrangers (FOD) et analogues. Actuellement, de nombreuses turbomachines emploient des joints à labyrinthe entre les surfaces à vitesse variable pour limiter l'écoulement de fuite. Les joints à labyrinthe créent de multiples barrières qui limitent sensiblement l'entrée des gaz chauds dans l'écoulement d'air de refroidissement dans le conduit d'air. Selon un aspect de l'invention, un ensemble d'étanchéité pour turbomachine comprend une pluralité de lamelles d'étanchéité configurées et agencées pour empêcher un écoulement de fluide de passer par un canal délimité par un premier organe et un second organe. Au moins une des lamelles d'étanchéité comprend un élément formant palette qui est configuré et agencé pour créer une zone de recirculation de fluide au niveau du canal. La zone de recirculation de fluide empêche davantage l'écoulement de fluide dans le canal.

De préférence, l'au moins une des lamelles d'étanchéité comprend une première extrémité et s'étend jusqu'à une seconde extrémité en passant par un corps principal ayant une première épaisseur, le corps principal comprend une surface amont et une surface aval, l'élément formant palette étant agencé sur au moins une de la surface amont et de la surface aval; une partie de la seconde extrémité de l'au moins une des lamelles d'étanchéité peut comprendre une zone d'épaisseur réduite définissant une seconde épaisseur qui est inférieure à la première épaisseur, et/ou l'élément formant palette peut être espacé de la partie de la seconde extrémité de l'au moins une des lamelles d'étanchéité. De préférence, l'élément formant palette possède une section transversale rectangulaire ou une section transversale curviligne, la section transversale curviligne pouvant définir un profil aérodynamique.

De préférence, le premier organe est un organe statique et le second organe est un organe mobile, qui peut être un organe tournant. Le sujet, qui est considéré comme étant l'invention, est décrit de manière particulièrement détaillée et distinctement revendiqué dans les revendications à la conclusion de la spécification. Les avantages et caractéristiques précédents de l'invention, ainsi que d'autres, ressortiront à l'étude de la description détaillée suivante illustrée par les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue de côté en coupe partielle d'une turbomachine comprenant un ensemble d'étanchéité ayant un élément formant palette selon un exemple de réalisation; - la figure 2 est une perspective partielle, depuis la gauche et le bas, de l'ensemble d'étanchéité de la figure l; - la figure 3 est une élévation de l'ensemble d'étanchéité de la figure 2; - la figure 4 est une perspective d'un élément formant palette de l'ensemble d'étanchéité de la figure 2; - la figure 5 est une perspective d'un élément formant palette selon un autre aspect de l'exemple de réalisation; - la figure 6 est une perspective d'un élément formant palette selon encore un autre aspect de l'exemple de réalisation; - la figure 7 est une perspective d'un élément formant palette selon encore un autre aspect de l'exemple de réalisation; - la figure 8 est une élévation d'un ensemble d'étanchéité selon un autre aspect de l'exemple de réalisation; - la figure 9 est une vue plane d'une lamelle d'étanchéité non traitée selon un exemple de réalisation; - la figure 10 est une vue plane de la lamelle d'étanchéité de la figure 9 après formation d'une zone d'épaisseur réduite; - la figure 11 est une vue plane de la lamelle d'étanchéité de la figure 10 représentant la zone d'épaisseur réduite courbée en une partie queue; - la figure 12 est une vue de côté de la lamelle d'étanchéité de la figure 11 façonnée en une forme curviligne; - la figure 13 est une vue de côté de la lamelle d'étanchéité de la figure 12 après formation d'une partie pointe ayant une épaisseur réduite; et - la figure 14 est une vue de côté de la lamelle d'étanchéité de la figure 13 représentant une pluralité d'éléments formant palette formés dans une surface amont. La description détaillée explique des modes de réalisation de l'invention, conjointement avec des avantages et caractéristiques, à titre d'exemple à propos des dessins. Les termes "axial" et "axialement" utilisés dans cette demande se rapportent à des directions et orientations s'étendant sensiblement parallèlement à un axe longitudinal central d'une turbomachine. Les termes "radial" et "radialement" utilisés dans cette demande se rapportent à des directions et orientations s'étendant sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal central de la turbomachine. Les termes "amont" et "aval" utilisés dans cette demande se rapportent à des sens et orientations relatifs à un sens d'écoulement axial relativement à l'axe longitudinal central de la turbomachine. A propos de la figure 1, une turbomachine selon un exemple de réalisation est globalement repérée 2. La turbomachine 2 comprend une section turbine 10 qui reçoit des gaz de combustion chauds provenant d'un groupement annulaire de chambres de combustion (non représentées). Les gaz de combustion passent par une pièce de transition 12 et s'écoulent le long d'un chemin de gaz chauds 14 vers un certain nombre d'étages de turbine (non séparément repérés). Chaque étage de turbine comprend une pluralité d'ailettes circonférentiellement espacées et une pluralité d'aubes de stator circonférentiellement espacées formant un groupement annulaire de distributeurs. Dans l'exemple de réalisation représenté, le premier étage de la section turbine 10 comprend une pluralité d'ailettes circonférentiellement espacées, dont l'une est repérée 16, montées sur un rotor de turbine de premier étage 18, et une pluralité d'aubes de stator circonférentiellement espacées, dont l'une est repérée 20. De manière similaire, un deuxième étage de la section turbine 10 comprend une pluralité d'ailettes, dont l'une est repérée 22, montées sur un rotor de turbine de deuxième étage 24, et une pluralité d'aubes de stator circonférentiellement espacées, dont l'une est repérée 26. La section turbine est également représentée comme comprenant un troisième étage comprenant une pluralité d'ailettes circonférentiellement espacées, dont l'une est repérée 28, montées sur un rotor de turbine de troisième étage 30, et une pluralité d'aubes de stator circonférentiellement espacées, dont l'une est repérée 32. On remarquera ici que le nombre d'étages présents dans la section turbine 10 peut varier. La section turbine 10 comprend également une pluralité d'entretoises, dont deux sont repérées 34 et 36, montées rotatives entre les rotors de turbine 18, 24 et 30 des premier, deuxième et troisième étages. Les entretoises 34 et 36 sont agencées dans une relation d'espacement par rapport à des éléments de carter de turbine 27 et 33 pour délimiter des canaux 38 et 40 respectivement. Enfin, on remarquera que l'air de sortie du compresseur se trouve dans une région 44 située radialement à l'intérieur du premier étage de turbine, si bien que l'air dans la région 44 est à une pression plus élevée que celle des gaz chauds qui suivent le chemin de gaz chauds 14. On comprendra ici que la structure décrite plus haut est donnée dans un but de clarté.

L'exemple de réalisation concerne des ensembles d'étanchéité 60 et 62 agencés à l'intérieur des canaux 38 et 40 respectivement. Les ensembles d'étanchéité 60 et 62 constituent des joints à labyrinthe qui empêchent le passage d'un écoulement de fluide du chemin de gaz chauds 14 (plus haute pression) à la région 44 (plus basse pression). Un écoulement de fluide contournant les étages de turbine et quittant le chemin de gaz chauds 14 aurait un effet négatif sur le rendement global de la turbomachine 2. Etant donné que chaque ensemble d'étanchéité 60, 62 est formé de manière similaire, on se rapportera aux figures 2-3 pour décrire l'ensemble d'étanchéité 60 en comprenant que l'ensemble d'étanchéité 62 possède une structure correspondante. Selon un exemple de réalisation, l'ensemble d'étanchéité 60 est monté sur une surface 74 de l'entretoise 34. L'ensemble d'étanchéité 60 comprend une pluralité de lamelles d'étanchéité 80-83 qui sont montées dans une pluralité correspondante de rainures 86-89 formées dans l'entretoise 34. Les lamelles d'étanchéité 80-83 sont retenues dans les rainures 86-89 par des longueurs correspondantes de fil de matage 94-97. La lamelle d'étanchéité 81 comprend un corps principal 104 ayant une première extrémité ou extrémité de queue 106 qui s'étend jusqu'à une seconde extrémité ou extrémité en porte-à-faux 107 en passant par une partie intermédiaire 108 afin d'établir une première longueur. Avec cet agencement, la seconde extrémité 107 rentre dans une région renfoncée 109 ayant une surface 110 formée dans l'élément de carter de turbine 27. Le corps principal 104 est formé en ayant une première épaisseur qui s'étend depuis la première extrémité 106 dans toute la partie intermédiaire 108, et une zone de seconde épaisseur ou d'épaisseur réduite 113 qui définit une partie pointe 114 au niveau de la seconde extrémité 107. Le corps principal 104 est également représenté comme comprenant une surface amont 115 qui est directement exposée à l'écoulement de fluide dans le canal 38 et une surface aval 117. Comme cela sera décrit plus en détail plus bas, la surface amont 115 est munie d'un élément formant palette 124. On comprendra ici que les lamelles d'étanchéité restantes 80 et 82-83 possèdent une structure similaire.

Toutefois, des lamelles d'étanchéité sélectionnées, telles que les lamelles 80 et 82, sont formées en ayant une deuxième longueur qui est inférieure à la première longueur. Avec la deuxième longueur, la lamelle d'étanchéité 82 s'étend vers une surface 128 du carter de turbine 27. Avec cet agencement, l'ensemble d'étanchéité 60 définit un joint à labyrinthe, ou un joint qui définit un chemin d'écoulement sinueux dans le canal 38. On comprendra ici que, bien qu'ils soient représentés sur la surface amont 115, les éléments formant palette 124 peuvent être agencés sur la surface aval 117 ou à la fois sur la surface amont 115 et sur la surface aval 117.

De manière mieux représentée sur la figure 4, l'élément formant palette 124 est formé en ayant une section transversale rectangulaire comprenant une première surface 140 et une seconde surface 141 opposée. Les première et seconde surfaces 140 et 141 créent un écoulement d'air sensiblement perpendiculaire dans le canal 38. Plus spécifiquement, les première et seconde surfaces 140 et 141 guident l'écoulement de fluide incident sur la surface amont 115 des lamelles d'étanchéité 80-83 dans une direction qui est sensiblement perpendiculaire au canal 38. A savoir, l'élément formant palette 124 guide l'écoulement de fluide vers un écartement (non séparément repéré) formé entre les parties pointes 114 et les surfaces 110 et 128, formant une zone de recirculation de fluide. La direction et l'emplacement de la zone de recirculation de fluide crée une barrière à l'écoulement de fluide rentrant dans le canal 38 afin d'améliorer une qualité de blocage d'écoulement de l'ensemble d'étanchéité 60. On remarquera ici que l'ensemble d'étanchéité 60 peut comprendre des éléments formant palette ayant diverses sections transversales. Par exemple, l'ensemble d'étanchéité 60 pourrait comprendre un élément formant palette tel que repéré 144 sur la figure 5, ayant une section transversale sensiblement triangulaire. L'élément formant palette 144 comprend des première et seconde surfaces 146 et 147 qui sont à section décroissante vers l'extérieur afin de guider l'écoulement d'air sensiblement perpendiculaire à un plus grand angle. L'ensemble d'étanchéité 60 pourrait également comprendre un élément formant palette tel que repéré 154 sur la figure 6. L'élément formant palette 154 possède une section transversale curviligne ayant une surface curviligne externe continue 156. L'ensemble d'étanchéité 60 peut également comprendre des éléments formant palette tels que repérés 160 sur la figure 7. L'élément formant palette 160 comprend un profil curviligne 162 ayant des première et seconde surfaces 164 et 165 qui définissent un profil aérodynamique. On remarquera que le nombre, le type, la forme et l'emplacement des éléments formant palette peuvent varier non seulement entre divers ensembles d'étanchéité mais également entre lamelles d'étanchéité dans un ensemble d'étanchéité particulier, selon diverses exigences et/ou divers paramètres de conception. On se rapportera maintenant à la figure 8 pour décrire un ensemble d'étanchéité 181 selon un autre exemple de réalisation. L'ensemble d'étanchéité 181 comprend une pluralité de lamelles d'étanchéité 183-185 ayant toutes une longueur sensiblement similaire. Chaque lamelle d'étanchéité 183-185 comprend des éléments formant palette 187-189 correspondants. Dans l'exemple de réalisation représenté, l'élément de carter de turbine 27 comprend une pluralité de saillies 194-196 qui délimitent une pluralité correspondante de régions renfoncées 197-199. De plus, la surface 128 de l'élément de carter de turbine 27 porte un revêtement abradable (non séparément repéré). Avec cet agencement, des parties pointes (non séparément repérées) de chaque lamelle d'étanchéité 183-185 rongeront une rainure (non représentée) dans le revêtement abradable pour réduire davantage toute ouverture dans le canal 38. L'utilisation du revêtement abradable en combinaison avec les éléments formant palette 187-189 empêche davantage le passage d'un écoulement de fluide dans le canal 38. On se rapportera maintenant aux figures 9-14 pour décrire un procédé de formation d'une lamelle d'étanchéité 200 selon l'exemple de réalisation. Une lamelle d'étanchéité non traitée, comprenant un corps principal 204 ayant une première extrémité 206 qui s'étend jusqu'à une seconde extrémité 208, est préparée en vue d'un traitement comme représenté sur la figure 9. Le corps principal 204 est positionné pour orienter une surface amont 210 et une surface aval 212 de la lamelle d'étanchéité. Dans cette situation, une partie 218 du corps principal 204 proche de la première extrémité 206 est retirée pour former une zone d'épaisseur réduite 220 comme représenté sur la figure 10. La figure 11 représente la zone d'épaisseur réduite 220 façonnée en une région de queue 222. On comprendra ici que le type de matériau dictera le besoin de former la zone d'épaisseur réduite 220 avant de former la région de queue 222. Après formation de la région de queue 222, le corps principal 204 est façonné en une forme curviligne qui correspond à un profil de l'entretoise 34, par exemple, comme représenté sur la figure 12.

Après mise en forme, de la matière supplémentaire est retirée du corps principal 204 pour former une partie pointe 225 au niveau de la seconde extrémité 208 comme représenté sur la figure 13. Enfin, davantage de matière est retirée d'une pluralité de régions, dont l'une est repérée 228, dans la surface amont 210 afin de former une pluralité d'éléments formant palette, dont l'un est repéré 234. On remarquera ici que les exemples de réalisation portent sur un ensemble d'étanchéité qui est configuré pour empêcher un écoulement de fluide dans une turbomachine entre des surfaces mobiles. L'ensemble d'étanchéité empêche un écoulement de fluide par création d'une zone d'écoulement transversal ou de recirculation au niveau d'une ou plusieurs lamelles d'étanchéité. La zone de recirculation crée une barrière au niveau de parties pointes des lamelles d'étanchéité pour empêcher davantage un écoulement de fluide. On remarquera également que, bien qu'il soit représenté agencé entre une entretoise (organe statique) et une aube (organe mobile), l'ensemble d'étanchéité selon l'exemple de réalisation peut être installé à des endroits situés entre des surfaces à vitesses variables. En outre, bien qu'il soit représenté jouant le rôle d'un joint de presse-étoupe, par exemple, entre des surfaces se déplaçant à vitesse variable l'une par rapport à l'autre, l'ensemble d'étanchéité selon l'exemple de réalisation peut également être employé pour empêcher un écoulement entre diverses autres surfaces mobiles, y compris des surfaces qui sont mobiles en translation, des surfaces mobiles par rapport à un organe statique ou des surfaces tournant à des vitesses sensiblement similaires. A savoir, l'ensemble d'étanchéité peut être installé à divers endroits, y compris être employé comme joint d'ailette et comme joint inter-étages. On remarquera en outre que l'ensemble d'étanchéité peut être installé dans une large gamme de modèles de turbomachine comprenant des turbomachines à gaz et des turbomachines à vapeur. Bien que l'invention ait été décrite en détail à propos seulement d'un nombre limité de modes de réalisation, on comprendra facilement que l'invention n'est pas limitée à ces modes de réalisation décrits. Pour être plus précis, l'invention peut être modifiée pour incorporer un nombre quelconque de variantes, de modifications, de remplacements ou d'agencements équivalents non décrits jusqu'ici, mais qui sont en accord avec l'esprit et la portée de l'invention. De plus, bien que divers modes de réalisation de l'invention aient été décrits, on comprendra que des aspects de l'invention peuvent comprendre seulement certains des modes de réalisation décrits. En conséquence, l'invention ne doit pas être considérée comme étant limitée par la description qui précède.

Liste de composants 2 Turbomachine 10 Section turbine 12 Pièce de transition 14 Chemin de gaz chauds 16 Ailettes de 1" étage 18 Roue de rotor de 1" étage 20 Aubes de 1" étage 27, 33 Elément de carter de turbine 22 Ailettes de 2ème étage 24 Roue de rotor de 2é' étage 26 Aubes de 2ème étage 28 Ailettes de 3ème étage 30 Roue de rotor de 3é' étage 32 Aubes de 3ème étage 34, 36 Entretoise 38, 40 Canal 44 Région (sortie du compresseur) 60, 62, 181 Ensemble d'étanchéité 74 Surface (34) 80, 81, 82, 83, Lamelle d'étanchéité 183,184, 185, 200 86, 87, 88, 89 Rainure 94, 95, 96, 97 Fil de matage 104, 204 Corps principal 106 Première extrémité/extrémité de queue 107 Seconde extrémité/extrémité en porte- à-faux 108 Partie intermédiaire 109, 197, 198, 199 Région renfoncée 110 Surface de 109 111 Première épaisseur 113, 220 Zone d'épaisseur réduite 114, 225 Partie pointe 115, 210 Surface amont 117, 212 Surface aval 124, 144, 154, 160, Elément formant palette 187, 188, 189, 234 128 Surface de 27 140, 146, 164 lè" surface (124) 141, 147, 165 2nde surface (124) 156, 162 Surface curviligne 166 Profil aérodynamique 194, 195, 196 Saillies 206 Première extrémité 208 Seconde extrémité 218 Partie (204) 222, 226 Région de queue

Claims

REVENDICATIONS1. Ensemble d'étanchéité (60, 62, 181) pour turbomachine (2), comprenant : une pluralité de lamelles d'étanchéité (8.0, 81, 82, 83, 183, 184, 185, 200) configurées et agencées pour empêcher un écoulement de fluide de passer par un canal (38, 40) délimité par un premier organe et un second organe, au moine une des lamelles d'étanchéité (80, 81, 82, 83, 1$3, 184, 185, 200) comprenant un élément formant palette. (124, 144,. 154, 160, 187, 188, 189, 234) 1.0 qui est configuré et agencé pour créer une zone de recireulation de fluide. au niveau du canal (38, 40), la zone de recirculation de fluide empêchant l'écoulement de fluide dans le canal (38, 40):.
2. Ensemble d'étanchéité (60, 62, 181) pour turbomachine {2) selon 1a. revendication. 1, dans lequel Vau moins une des lamelles 15 d'étanchéité (80, 81, 82., 83, 183, 184, 185, 200) comprend une première extrémité (206) et s'étend jusqu'à une seconde extrémité (208) en passant par un corps principal 004, 204) ayant une première épaisseur {111), le corps principal (104, 204) comprend une surface amont (115, 210) et une surface aval (117, 212), 20 l'élément formant palette (124, 144, 154, 160, 187, 18:8, 189, 234) étant agencé sur au moins une de la surface amont (115, 210) et de la surface aval. (117, 212).
3. Ensemble d'étanchéité. (60, 62, 181) pour turbomachine (2) selon la revendication 2, dans lequel une partie (218) de la 25 seconde extrémité (208) de Pau moins une des lamelles d'étanchéité (80, 81, 82, 83, 183, 184,. 185, .200) comprend une zone d'épaisseur réduite 013, 220) définissant une seconde épaisseur qui est inférieure à. la première épaisseur (111)..
4. Ensemble d'étanchéité (60, 62, 181) pour turbomachine (2) selon la revendication 3, dans lequel l'élément formant palette (124, 144, 154, 160, 187, 188, 189, 234) est espacé de la partie (218) de la seconde extrémité (208) de l'au moins une des lamelles d'étanchéité (80, 81, 82, 83, 183, 184, 185, 200).
5. Ensemble d'étanchéité (60, 62, 181) pour turbomachine (2) selon la revendication 1, dans lequel l'élément formant palette (124, 144, 154, 160, 187, 188, 189, 234) possède une section transversale rectangulaire.
6. Ensemble d'étanchéité (60, 62, 181) pour turbomachine (2) selon la revendication 1, dans lequel l'élément formant palette (124, 144, 154, 160, 187, 188, 189, 234) possède une section transversale curviligne (156, 162).
7. Ensemble d'étanchéité (60, 62, 181) pour turbomachine (2) selon la revendication 6, dans lequel la section transversale curviligne (156, 162) définit un profil aérodynamique (166).
8. Ensemble d'étanchéité (60, 62, 181) pour turbomachine (2) selon la revendication 1, dans lequel le premier organe es un organe statique et le second organe est un organe mobile.
9. Ensemble d'étanchéité (60, 62, 181) pour turbomachine (2) selon la revendication 8, dans lequel l'organe mobile est un organe tournant.