FR2966217A1

FR2966217A1 - Systeme de joint labyrinthe

Info

Publication number: FR2966217A1
Application number: FR1159405A
Authority: FR
Inventors: Needi Sudhakar; John Joshy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2011-10-18
Publication date: 2012-04-20
Also published as: JP2012087929A; US20120091662A1; RU2011142876A; DE102011054552A1

Abstract

Un système de joint labyrinthe (100) est décrit, incluant un composant fixe (114) ayant une pluralité de dents (116) espacées axialement, faisant saillie radialement vers l'intérieur, s'étendant depuis celui-ci ; et un rotor ayant une pluralité de saillies (118) espacées axialement, faisant saillie radialement vers l'extérieur, chaque saillie (118) ayant un côté basse pression (128) et un côté haute pression (126), dans lequel le côté basse pression (128) de l'au moins saillie (118) s'étend plus dans une direction radiale que le côté haute pression (126).

Description

B11-4537FR 1 Système de joint labyrinthe La présente invention concerne de manière générale les turbomachines tournantes, et plus particulièrement, un système de joint labyrinthe pour une turbomachine. Dans des machines tournantes comme des turbines, des joints sont placés entre des composants tournants et fixes. Par exemple, dans des turbines à vapeur, il est habituel de fournir une pluralité de segments d'anneau de garniture arqués pour former un joint labyrinthe annulaire entre les composants tournants et fixes. Habituellement, les segments d'anneau de garniture arqués (habituellement quatre à six par joint annulaire) sont disposés dans une rainure annulaire dans le composant fixe concentrique à l'axe de rotation de la machine et donc concentrique à la surface d'étanchéité du composant tournant. Chaque segment de joint arqué porte une face d'étanchéité arquée en opposition à la surface d'étanchéité du composant tournant. Dans les joints de type labyrinthe, les faces d'étanchéité portent un réseau dirigé radialement de dents espacées axialement, dans lequel des dents sont radialement espacées d'un réseau de dents annulaires espacées axialement formant la surface d'étanchéité du composant tournant. La fonction d'étanchéité est obtenue en créant une turbulence ou une restriction d'écoulement d'un fluide opérationnel, par exemple, de la vapeur, quand il passe à travers les espaces relativement étroits dans le labyrinthe défini par les dents de face d'étanchéité et la surface opposée du composant tournant. Une variante de joint labyrinthe qui a été utilisée pour maintenir une étanchéité efficace est un système de joint labyrinthe avec une série de dents s'étendant d'un composant fixe vers le composant tournant, et une surface du composant tournant ayant un surface principale avec une série de chanfreins soulevés s'étendant vers le composant fixe. Néanmoins, dans cette variante de joints labyrinthe, l'alignement des dents et des chanfreins soulevés est recommandé. Si les dents et les chanfreins soulevés ne sont pas alignés, c'est à dire, alignés axialement, le fluide opérationnel peut s'écouler plus facilement à travers le joint, réduisant ainsi l'efficacité du joint.

Un système de joint labyrinthe selon l'invention inclue un composant fixe ayant une pluralité de dents espacées axialement, faisant saillie radialement vers l'intérieur depuis celui-ci et un rotor ayant une pluralité de saillies espacées axialement, faisant saillie radialement vers l'extérieur, chaque saillie ayant un côté basse pression et un côté haute pression, dans lequel le côté basse pression d'au moins une saillie s'étend plus loin dans une direction radiale que le côté haute pression. Un premier aspect de l'invention propose un système de joint labyrinthe comprenant un composant fixe ayant une pluralité de dents espacées axialement, faisant saillie radialement vers l'intérieur depuis celui-ci et un composant tournant ayant une surface extérieure proche de la pluralité de dents, dans lequel la surface extérieure inclut une pluralité de saillies espacées axialement, faisant saillie radialement vers l'extérieur, chaque saillie ayant un côté basse pression et un côté haute pression, dans lequel le côté basse pression d'au moins une saillie s'étend plus loin dans une direction radiale que le côté haute pression. Un second aspect de l'invention propose une turbomachine comprenant une pluralité de segments d'anneau de garniture arqués disposés dans une rainure annulaire dans un composant fixe ; chaque segment d'anneau de garniture arqué ayant une face d'étanchéité ayant une pluralité de dents espacées axialement, faisant saillie radialement vers l'intérieur s'étendant depuis celui-ci ; et un composant tournant ayant une surface extérieure proche de la pluralité de dents, dans lequel la surface extérieure inclut une pluralité de saillies espacées axialement, faisant saillie radialement vers l'extérieur, chaque saillie ayant un côté basse pression et un côté haute pression, dans lequel le côté basse pression d'au moins une saillie s'étend plus loin dans une direction radiale que le côté haute pression de l'au moins une saillie. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de quelques exemples nullement limitatifs, illustrée par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe partielle d'une turbomachine illustrative incluant un système de joint ; - la figure 2 est une vue en coupe d'un système de joint labyrinthe de type connu ; - la figure 3 est une vue en coupe d'un système de joint labyrinthe selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue agrandie d'une saillie et d'une dent d'un système de joint labyrinthe selon des modes de réalisation de cette invention ; - les figures 5-14 sont des vues agrandies de variantes géométriques de saillies d'un système de joint labyrinthe selon des modes de réalisation de l'invention ; - la figure 15 montre un diagramme illustrant un écoulement de fluide opérationnel à travers un joint labyrinthe ; - la figure 16 montre un diagramme illustrant un écoulement de fluide opérationnel à travers un système de joint labyrinthe selon un mode de réalisation de l'invention.

I1 faut noter que les dessins de la description ne sont pas à l'échelle. Les dessins sont destinés à dépeindre seulement des aspects typiques de la description, et donc ne doivent pas être considérés comme limitant la portée de l'invention. Dans les dessins, une numérotation identique représente des éléments identiques. La figure 1 montre une partie d'une turbomachine 5. La turbomachine 5 inclut une pluralité de systèmes de joint labyrinthe 10 pour fournir une étanchéité entre un composant tournant 12 et un composant fixe 14. Un tel système de joint labyrinthe 10, tel que connu dans l'art, est montré sur la figure 2. La figure 2 montre un système de joint labyrinthe 10 de type connu. Le système de joint 10 a un côté haute pression, PH, et un côté basse pression, PL. Le fluide opérationnel venant d'une turbomachine 5 (figure 1) s'écoule à travers le joint labyrinthe 10 du côté haute pression, PH, vers le côté basse pression, PL. Comme cela est connu, le joint labyrinthe 10 inclut un stator 14 et un rotor 12. Comme cela est aussi connu, le système de joint 10 est un joint labyrinthe, c'est à dire qu'il a une pluralité de dents 16 espacées axialement, faisant saillie radialement vers l'intérieur, s'étendant depuis le composant fixe 14. De plus, le système de joint 10 inclut un rotor 12 ayant une surface principale de rotor 17, c'est à dire, une surface extérieure, proche des dents 16, incluant une pluralité de saillies 18 espacées axialement, faisant saillie radialement vers l'extérieur. Les saillies 18 ont un côté haute pression 20 dirigé vers le côté haute pression, PH, du système de joint 10, et un côté basse pression 22, dirigé vers le côté basse pression, PL, du système de joint 10. Comme montré sur la figure 2, le côté basse pression 22 de la saillie 18 est radialement plus court que le côté haute pression 20, par exemple, le côté basse pression 22 inclut un chanfrein 24 qui est incliné vers l'extérieur des dents 16. Le système de joint 10 est plus efficace quand les saillies 18 et les dents 16 sont alignées axialement, de sorte que l'écoulement à travers le joint labyrinthe 10 est empêché. Quand les saillies 18 et les dents 16 ne sont pas alignées axialement, le fluide opérationnel ne rencontre pas autant de résistance, et s'écoule avec moins d'empêchement à travers le système de joint 10. Un système de joint labyrinthe 100 selon l'invention est montré sur la figure 3. Le système de joint labyrinthe 100 peut être utilisé entre un composant fixe 114 et un composant tournant 112 dans une turbomachine (comme la turbomachine 5 montrée partiellement sur la figure 1). Le système de joint 100 a un côté haute pression, PH, et un côté basse pression, PL. Le composant fixe 114 a une pluralité de dents 116 espacées axialement, faisant saillie radialement vers l'intérieur, depuis celui-ci. Chaque dent 116 a une partie d'extrémité 122 (aussi appelée pointe) qui est proche du composant tournant 112. Alors que seul un système 100 est montré sur la figure 3, on comprend que comme cela est connu dans l'art, le système de joint labyrinthe 100 inclut une pluralité de segments d'anneau de garniture arqués disposés dans une rainure annulaire dans le composant fixe 114, chaque segment d'anneau de garniture arqué ayant une face d'étanchéité ayant une pluralité de dents 116 espacées axialement, faisant saillie radialement vers l'intérieur s'étendant depuis celui-ci.

Comme montré sur la figure 3, le composant tournant 112 a une surface extérieure 124, c'est à dire, la surface principale de rotor, qui est proche des parties d'extrémité 122 des dents 116. La surface extérieure 124 du composant tournant 112 inclut une pluralité de saillies 118 espacées axialement, faisant saillie radialement vers l'extérieur.

La figure 4 montre une vue agrandie d'une saillie 118 et d'une dent 116. Comme montré sur la figure 4, chaque saillie 118 a un côté basse pression 128 dirigé vers un côté basse pression, PL, du système de joint 100, et un côté haute pression 126 dirigé vers un côté haute pression, PH, du système de joint 100. Comme montré sur la figure 4, le côté basse pression 128 s'étend plus loin dans une direction radiale que le côté haute pression 126. En d'autres termes, une rainure 119 (montrée en pointillés sur la figure 4) a été usinée dans au moins une partie du côté haute pression 126, mais pas entièrement à travers le côté basse pression 128, de sorte que le côté basse pression 128 est radialement plus long que le côté haute pression 126. La géométrie et la forme de la saillie 118 peuvent être modifiées comme souhaité. Par exemple, comme montré sur les figures 3 et 4, dans un mode de réalisation, une rainure 119 sensiblement rectangulaire a été usinée dans la saillie 118 de sorte que le côté basse pression 128 inclut un degré 130 ayant une forme sensiblement rectangulaire ou sensiblement carrée. Le terme "sensiblement", tel qu'utilisé ici pour décrire la forme de la rainure 119 et/ou du degré 130, désigne une forme géométrique globale, et on comprend que des variations connues de ces formes sont possibles. En outre, quand on présente la rainure 119 et/ou le degré 130, on comprend qu'alors que des angles droits exacts ne sont pas nécessaires, on souhaite avoir des angles globalement aigus sur la saillie 118 pour mieux empêcher l'écoulement de fluide. Des exemples de variantes géométriques de la rainure 119, et de la saillie 118 sont montrés sur les figures 5-14. Dans un exemple, la rainure 119 peut avoir une forme ayant au moins un côté qui est formé comme le côté d'un carré, un triangle, un trapèze, un demi-cercle, un ovale, ou toute autre forme géométrique souhaitée. La rainure 119 peut aussi être toute combinaison de formes géométriques, par exemple, partiellement courbée, et partiellement plane. La forme de la rainure 119 qui est usinée dans le côté haute pression 126 peut donner une surface supérieure 120 formée du côté haute pression 126, c'est-à-dire qu'au moins une partie de la surface supérieure 120 peut plane, circulaire, semi-circulaire ou arquée, ou toute autre combinaison de ces formes. Par exemple, comme montré sur la figure 5, la rainure 119 a un côté qui a une section transversale en forme d'un triangle inversé. Ainsi, la surface supérieure 120 a une forme en v correspondante. Dans un autre exemple, comme montré sur la figure 6, la rainure 119 a au moins un côté courbe, et donc, la surface supérieure 120 a une forme courbée de manière correspondante. Dans un autre exemple, montré sur la figure 7, la rainure 119 peut être étagée, c'est à dire, comprendre une série de degrés, de sorte que la surface supérieure 120 est étagée aussi, montant par degrés du côté haute pression 126 vers le côté basse pression 128. Dans d'autres exemples, comme montré sur les figures 8 et 9, la rainure 119 peut être usinée de telle manière que la surface supérieure 120 est plane, mais est aussi inclinée par rapport au côté basse pression 128. Dans ces exemples, un angle, a, entre la surface supérieure 120 et le degré 130 n'est pas perpendiculaire, c'est à dire que l'angle a est plus que d'approximativement 90 degrés (figure 8) ou moins qu'approximativement 90 degrés (figure 9).

Dans d'autres exemples, comme montré sur les figures 10 et 11, la rainure 119 peut être usinée de telle manière qu'un côté haute pression du degré 130 est incliné par rapport à la surface supérieure 120, de sorte qu'un angle, 13, peut être soit moins qu'approximativement 90 degrés (figure 10) ou supérieur à approximativement 90 degrés (figure 11).

Dans d'autres exemples, comme montré sur les figures 12 et 13, le côté haute pression 126 de la saillie 118 est incliné par rapport au composant tournant 112, de sorte que l'angle, y, peut être soit moins qu'approximativement 90 degrés (figure 12) ou plus qu'approximativement 90 degrés (figure 13). Dans un autre exemple, montré sur la figure 14, le côté haute pression 126 de la saillie 118 est incliné par rapport au composant tournant 112 de sorte que l'angle, y, est inférieur à approximativement 90 degrés, le côté haute pression du degré 130 est incliné par rapport à la surface supérieure 120 de sorte qu'un angle, 13, est inférieur à approximativement 90 degrés, et le côté basse pression 128 de la saillie 118 est incliné par rapport au composant tournant 112 de sorte qu'un angle, 8, est supérieur à approximativement 90 degrés. On comprend qu'une rainure 119 de toute taille ou toute forme peut être usinée selon des modes de réalisation de cette invention, ce qui donne un côté basse pression 128 s'étendant plus loin dans une direction radiale que le côté haute pression 126. Par exemple, divers aspects des exemples montrés sur les figures 5-14 peuvent être combinés comme on le souhaite.

La figure 4 montre qu'une longueur radiale du côté basse pression 128 de la saillie 118, c'est à dire, l'étendue sur laquelle le côté basse pression 128 s'étend dans une direction radiale, peut aussi être modifiée comme on le souhaite. Par exemple, dans un mode de réalisation, le côté basse pression 128 peut s'étendre jusqu'à approximativement 60% plus loin dans la direction radiale que le côté haute pression 126. En d'autres termes, une longueur radiale RLLp, du côté basse pression 128 peut être jusqu'à approximativement 60% plus longue qu'une longueur radiale RLHp, du côté haute pression 126. La hauteur, hs, du degré 130 peut aussi être exprimée comme un pourcentage de la longueur radiale totale RLLP, du côté basse pression 128. Par exemple, dans un mode de réalisation, la hauteur, hs, peut être jusqu'à approximativement 60% de la longueur radiale RLLP. Dans un mode de réalisation, montré sur la figure 4, une hauteur, hs, du degré 130 est approximativement de 30 mils (0,76 mm). De plus, une longueur axiale du degré 130 peut aussi être modifiée comme on le souhaite. Par exemple, une longueur axiale, Als, dans une direction axiale du degré 130 peut comprendre jusqu'à approximativement 60% d'une longueur axiale, AIP, dans une direction axiale de la saillie 118. Dans un mode de réalisation, montré sur la figure 4, la longueur axiale, AIP, de la saillie 118 est d'approximativement 100 mils (2,54 mm), alors que la longueur axiale, Als, du degré 130 est d'approximativement 20 mils (0,51 mm), donc, dans cet exemple, la longueur axiale, Als, du degré 130 est d'approximativement 20% de la longueur axiale totale, AIP, de la saillie 118. La longueur axiale, Als, du degré 130 peut aussi être exprimée en relation à une longueur axiale, AIT, de la pointe 122 de la dent 116. Dans un mode de réalisation, la longueur axiale Als du degré 130 est jusqu'à approximativement 60% plus grande que la longueur axiale AlT de la pointe 122. Par exemple, la longueur axiale Als, peut être d'approximativement 10 mils à approximativement 20 mils (0,51 mm), alors que la longueur axiale AIT peut être d'approximativement 5 mils (0,13 mm) à approximativement 10 mils (0,25 mm).

Généralement, la capacité d'un joint à réduire les fuites est mesurée par une fonction d'écoulement, CQ. Plus la CQ est faible, plus le joint est efficace. Des essais numériques ont montré que le système de joint labyrinthe 100 selon des modes de réalisation de cette invention à un CQ inférieur aux systèmes antérieurs, que les dents 116 et les saillies 118 soient alignées ou non. Cela est illustré en comparant les images par thermographie infrarouge sur les figures 15 et 16, qui indiquent un écoulement avec les lignes les plus froides (c'est à dire les plus sombres) prés du fond des images. La figure 15 illustre un écoulement de fluide opérationnel à travers le système de joint labyrinthe 10, sans toutes les dents/saillies alignées, alors que la figure 16 illustre un écoulement de fluide opérationnel à travers le système de joint labyrinthe 100 selon un mode de réalisation de cette invention, aussi sans toutes les dents/saillies alignées. Comme observé en comparant la forme de la ligne sombre sur les figures 15 et 16, l'écoulement à travers le système de joint labyrinthe 100 (figure 16) est plus turbulent que l'écoulement à travers le système de joint labyrinthe 10 (figure 15). Alors que le système de joint 100 donne un joint qui est efficace, que la plupart ou toutes les dents 116 et saillies 118 soient alignées ou non, le système de joint 100 peut avoir une efficacité augmentée quand au moins quelques saillies 118 et dents 116 sont alignées axialement. Par exemple, en se référant à une dent 116 la plus proche du côté haute pression, PH, du système de joint 10 comme une première dent 116, et une dent 116 proche de la première dent 116 comme une seconde dent 116, et en se référant à une saillie 118 la plus proche du côté haute pression, PH, du système de joint 10 comme une première saillie 118, et une saillie 118 proche de la première saillie 118 comme une seconde saillie 118, dans un mode de réalisation, au moins la seconde dent 116 et la seconde saillie 118 sont alignées axialement. Comme montré sur la figure 3, la première saillie 118, proche du côté haute pression, PH, peut être de toute forme souhaitée. Dans ce mode de réalisation, la première saillie 118 comprend une saillie similaire à la saillie 18 avec un chanfrein comme dans la configuration de l'art antérieur montrée sur la figure 2. Néanmoins, une seconde saillie 118, en comptant depuis le côté haute pression, PH, et toutes les saillies 118 suivantes, peuvent être formées selon les modes de réalisation de cette invention, c'est à dire, avec des côtés basse pression 128 radialement plus long. Quand la seconde saillie 118 depuis le côté haute pression, PH (c'est à dire, la saillie 118 formée avec un côté basse pression 128 radialement plus long) est alignée axialement avec une dent 116, l'écoulement est suffisamment empêché à travers le système de joint 100, que les dents 116 et les saillies 118 soient alignées axialement ou non.

On comprend aussi que des modes de réalisation de cette invention peuvent être employés avec tout nombre de paires dent/saillie dans le système de joint 100. Par exemple, toute combinaison des saillies 118 existantes (par exemple, incluant le chanfrein 24 comme montré sur la figure 2) et de saillies 118 nouvellement formées (par exemple, incluant un côté basse pression 128 radialement plus long, comme montré sur les figures 3-14) peut être employée. Par exemple, des saillies peuvent alterner, toute autre saillie étant une saillie 118 nouvellement formée, ou chaque troisième saillie peut être une saillie nouvellement formée, etc. On comprend aussi que le terme "aligné axialement" tel qu'utilisé ici se réfère à une paire dent/saillie qui sont proches l'une de l'autre dans une direction axiale.

Listes des parties Turbomachine 5 Systèmes de joint labyrinthe 10, 100 Composant tournant 12, 112 Composant fixe 14, 114 Dents 16, 116 Surface principale de rotor 17 Saillie 18, 118 Rainure 119 Côtés haute pression des saillies 20, 126 Côté basse pression des saillies 22, 128 Chanfrein 24 Surface supérieure 120 Partie d'extrémité, pointe 122 Surface extérieure 124 Degré 130

Claims

REVENDICATIONS1. Système de joint labyrinthe (100) comprenant : un composant fixe (114) ayant une pluralité de dents (116) espacées axialement, faisant saillie radialement vers l'intérieur, s'étendant depuis celui-ci ; et un composant tournant (112) ayant une surface extérieure (124) proche de la pluralité de dents (116), dans lequel la surface extérieure (124) inclut une pluralité de saillies (118) espacées axialement, faisant saillie radialement vers l'extérieur, chaque saillie (118) ayant un côté basse pression (128) et un côté haute pression (126), dans lequel le côté basse pression (128) d'au moins une saillie (118) s'étend plus loin dans une direction radiale que le côté haute pression (126).
2. Système de joint labyrinthe selon la revendication 1, dans lequel le côté basse pression (128) de l'au moins une saillie (118) est sensiblement rectangulaire.
3. Système de joint labyrinthe selon la revendication 1, dans lequel au moins un de : une surface supérieure (120) du côté haute pression (126) est inclinée par rapport au côté basse pression (128) à un angle de plus ou moins approximativement 90 degrés ; le côté haute pression (126) est incliné par rapport au composant tournant (112) à un angle de plus ou moins approximativement 90 degrés ; et le côté basse pression (128) est incliné par rapport au composant tournant (112) à un angle de plus ou moins approximativement 90 degrés.
4. Système de joint labyrinthe selon la revendication 1, dans lequel une longueur radiale du côté basse pression (128) de l'au moins une saillie (118) est jusqu'à approximativement 60% plus longue qu'une longueur radiale du côté haute pression (126) de l'au moins une saillie (118).
5. Système de joint labyrinthe selon la revendication 1, dans lequel une longueur axiale du côté basse pression (128) de l'au moins une saillie (118) comprend jusqu'à approximativement 60% d'une longueur axiale de l'au moins une saillie (118).
6. Système de joint labyrinthe selon la revendication 1, dans lequel la pluralité de dents (116) incluent une première dent (116) proche du côté haute pression (126) du joint labyrinthe (100), et une seconde dent (116) proche de la première dent (116), et la pluralité de saillies (118) incluent une première saillie (118) proche du côté haute pression (126) du joint labyrinthe (100) et une seconde saillie (118) proche de la première saillie (118), et dans lequel l'au moins une saillie (118) est la seconde saillie (118), et dans lequel la seconde saillie (118) et la seconde dent (116) sont sensiblement alignées axialement.
7. Système de joint labyrinthe selon la revendication 1, dans lequel le côté haute pression (126) a une surface supérieure (120) ayant au moins une partie qui a une forme qui est sélectionnée parmi les suivantes : plane, circulaire, semi-circulaire, étagée et arquée.
8. Turbomachine (5) comprenant : une pluralité de segments d'anneau de garniture arqués disposés en anneau dans un composant fixe (114) ; chaque segment d'anneau de garniture arqué ayant une face d'étanchéité ayant une pluralité de dents (116) espacées axialement, faisant saillie radialement vers l'intérieur depuis celui-ci ; un composant tournant (112) ayant une surface extérieure (124) proche de la pluralité de dents (116), dans laquelle la surface extérieure (124) inclut une pluralité de saillies (118) espacées axialement, faisant saillie radialement vers l'extérieur, chaque saillie (118) ayant un côté basse pression (128) et un côté haute pression (126), dans lequel le côté basse pression (128) d'au moins une saillie (118) s'étend plus loin dans une direction radiale que le côté haute pression (126) de l'au moins une saillie (118).
9. Turbomachine selon la revendication 8, dans laquelle au moins l'un de : une surface supérieure (120) du côté haute pression (126) est inclinée par rapport au côté basse pression (128) à un angle de plus ou moins approximativement 90 degrés ; le côté haute pression (126) est incliné par rapport au composant tournant (112) à un angle de plus ou moins approximativement 90 degrés ; et le côté basse pression (128) est incliné par rapport au composant tournant (112) à un angle de plus ou moins approximativement 90 degrés.
10. Turbomachine selon la revendication 8, dans laquelle la pluralité de dents (116) incluent une première dent (116) proche d'un côté haute pression (126) de la turbomachine (5), et une seconde dent (116) proche de la première dent (116), et la pluralité de saillies (118) incluent une première saillie (118) proche d'un côté haute pression (126) de la turbomachine (5) et une seconde saillie (118) proche de la première saillie (118), et dans lequel l'au moins une saillie (118) est la seconde saillie (118), dans lequel la seconde saillie (118) et la seconde dent (116) sont sensiblement alignées axialement.