WO2016146931A1 - Distributeur monobloc de turbine pour moteur a turbine a gaz - Google Patents

Distributeur monobloc de turbine pour moteur a turbine a gaz Download PDF

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WO2016146931A1
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turbine
pressure turbine
extending radially
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Inventor
Julien MUNOZ
Serge GALIAY-CAZETTES
Sylvain Pierre Votie
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Safran Helicopter Engines SAS
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Turbomeca SA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/16—Arrangement of bearings; Supporting or mounting bearings in casings
    • F01D25/162—Bearing supports
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/50—Building or constructing in particular ways
    • F05D2230/53—Building or constructing in particular ways by integrally manufacturing a component, e.g. by milling from a billet or one piece construction

Definitions

  • the present invention relates to the general field of gas turbine engines comprising a structure (or housing) of rolling bearings between two stages of axial turbines, in particular between a low-pressure turbine and a high-pressure turbine of a turbomachine.
  • the bearings are generally rotatably supported by an annular bearing structure which comprises a plurality of structural arms radially traversing the flow duct. gas flow and connected to an outer shell and an inner shell. Some of these arms are traversed by oil / air services, and in particular by oil lines that allow lubricating oil to be conveyed to bearings of the bearing structure.
  • the space separating the low-pressure turbine from the high-pressure turbine of the turbomachine also comprises a turbine distributor which is typically composed of a plurality of distributor vanes radially traversing the turbine engine. flow of the gas stream.
  • These distributor vanes are connected to an outer shell and to an inner shell and each have an aerodynamic profile designed to accelerate the gas flow by giving it a gyration angle with respect to the longitudinal axis of the turbomachine which is necessary for the driving the low-pressure turbine.
  • the aerodynamics of the arms of the bearing structure is optimized to limit the aerodynamic losses in the vein, while allowing the passage of oil / air servitudes.
  • the turbine distributor it is separated from the bearing structure and requires precautions of attachment to the latter in order to limit the constraints in the profiles.
  • This architecture has the main disadvantage that the "clocking" (that is to say the relative angular orientation) between the wake of the arms of the bearing structure and the leading edge of the blades of the downstream distributor is complex to achieve.
  • some architectures propose to group the support functions of bearings and distributor within the same structural set.
  • none of these architectures is fully satisfactory.
  • some architectures offer in particular to sectorise the same structural assembly, which however increases the number of parts and makes difficult the alignment of the vein and the achievement of sealing between the different sectors.
  • the present invention therefore has the main purpose of providing a bearing support and distributor architecture that does not have the aforementioned drawbacks.
  • a gas turbine engine turbine distributor comprising a plurality of fixed guide vanes all having the same aerodynamic profile and extending radially between an outer shell and an inner shell an inner pin extending radially inwardly from the inner ferrule and adapted to be sealingly attached to a bearing housing, and an outer pin extending radially outwardly from the outer ferrule and for to be sealingly attached to an outer casing, the guide vanes, the inner and outer shells and the inner and outer pins being made from one and the same piece so as to form a one-piece structure.
  • the dispenser according to the invention is remarkable in particular that it proposes to group within the same single monobloc structure the support functions of bearings and distributor.
  • the use of a monobloc structure avoids problems of "clocking" while minimizing the number of parts.
  • the attachment of the dispenser according to the invention is carried out by the inner and outer pins on the inner and outer parts (respectively) of the vein, thus ensuring a seal and the transmission of the forces of the bearings to the engine structure.
  • the guide vanes of the dispenser according to the invention all have the same aerodynamic profile, which makes it possible to obtain homogeneity tangential aerodynamic, thermal and mechanical (and thus avoid the problems of stiffness and vibratory excitations).
  • the guide vanes are regularly spaced around a longitudinal axis of the distributor
  • At least one of the guide vanes is hollow and traversed by an oil line and / or air. Indeed, by making the guide vanes hollow, it is possible to pass a line, including an oil line for lubricating the bearings of the bearing housing.
  • the dispenser may be metallic and made by a manufacturing method chosen from the following processes: foundry, laser melting, and mechano-welding.
  • the invention also relates to a turbomachine comprising a low-pressure turbine, a high-pressure turbine and a distributor as defined above which is interposed between the low-pressure turbine and the high-pressure turbine.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a dispenser according to the invention in its immediate environment
  • FIGS. 2 and 3 are views of the distributor of Figure 1, respectively from the front and in perspective.
  • the invention applies to any turbomachine comprising a bearing housing bearing which is interposed between two stages of axial turbines, in particular between a high-pressure turbine 2 and a low-pressure turbine 4 as shown schematically in FIG. 1.
  • a rolling bearing housing 6 which comprises an upstream rolling bearing 8 rotatably supporting a shaft 2a coupled to the high-pressure turbine 2 and a bearing to downstream bearing 10 rotatably supporting a shaft 4a coupled to the low-pressure turbine 4.
  • This rolling bearing housing 6 consists in particular of an enclosure into which oil is injected to cool and lubricate the bearings of the bearings 8, 10.
  • This distributor has the function of providing support for the rolling bearings upstream 8 and downstream 10 and act as distributor, that is to say, to direct the flow of the gas stream from the high-pressure turbine 2 on the vanes of the low pressure turbine 4.
  • the distributor 12 has a general shape of revolution (with respect to the longitudinal axis XX of the turbomachine) and comprises a plurality of fixed guide vanes 14 which extend radially through the stream 16 of flow of the gas stream coming from the high-pressure turbine 2.
  • the guide vanes 14 are preferably regularly spaced angularly around the longitudinal axis XX of the turbomachine and each have the same aerodynamic profile which allows them to direct the flow of the gas stream from the high pressure turbine 2 on the blades of the low-pressure turbine 4.
  • the guide vanes 14 are connected externally to an outer shell 18 and internally to an inner shell 20 which delimit between them the stream 16 of flow of the gas stream.
  • the dispenser 12 also comprises an inner pin 22 which extends radially inwardly from the inner ferrule 20, and an outer pin 24 which extends radially outwardly from the outer ferrule 18.
  • These pins internal 22 and outer 24 are annular flanges which extend radially from the corresponding ferrule.
  • the inner pin 22 is intended to be sealingly attached to the rolling bearing housing 6, for example by means of screw / nut systems 26 passing through a flange 22a of the inner pin.
  • the outer pin 24 it is intended to be sealingly attached to an outer casing 28 of the turbomachine inside which are housed the high-pressure and low-pressure turbine, for example by means of screw / nut systems 30 passing through a flange 24a of the outer pin.
  • the dispenser 12 according to the invention is monobloc, that is to say that the guide vanes 14, the outer ring 18 and inner 20 and the inner pins 22 and outer 24 form a single piece as shown in particular in Figures 2 and 3.
  • this one-piece distributor structure can be obtained in different ways. For example, it can be obtained by casting, by laser melting (a process in which the structure is generated by a succession of powder beds selectively fused by a laser) or by mechanical welding (welding welding process the various components of the distributor before machining).
  • the guide vanes 14 of the distributor are hollow, which makes it possible to pass oil / air servitudes.
  • some of the guide vanes 14 may be traversed radially for example by an oil line 32 for injecting into the rolling bearing housing 6 of the oil to cool and lubricate the bearings of the bearings 8, 10.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

L'invention concerne un distributeur (12) de turbine pour moteur à turbine à gaz, comprenant une pluralité d'aubes directrices fixes (14) ayant toutes un même profil aérodynamique et s'étendant radialement entre une virole externe (18) et une virole interne (20), une épingle interne (22) s'étendant radialement vers l'intérieur depuis la virole interne et destinée à être fixée de manière étanche sur un boîtier de paliers à roulements, et une épingle externe (24) s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la virole externe et destinée à être fixée de manière étanche sur un carter extérieur, les aubes directrices, les viroles interne et externe et les épingles interne et externe étant réalisés à partir d'une seule et même pièce de sorte à former une structure monobloc.

Description

Distributeur monobloc de turbine pour moteur à turbine à gaz
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des moteurs à turbine à gaz comprenant une structure (ou boîtier) de paliers à roulements entre deux étages de turbines axiales, notamment entre une turbine basse-pression et une turbine haute-pression d'une turbomachine.
Dans une turbomachine comprenant un boîtier de paliers à roulements entre la turbine basse-pression et la turbine haute-pression, les paliers sont généralement supportés en rotation par une structure annulaire de paliers qui comprend une pluralité de bras structuraux traversant radialement la veine d'écoulement du flux gazeux et raccordés à une virole externe et à une virole interne. Certains de ces bras sont traversés par des servitudes huile/air, et notamment par des conduites d'huile qui permettent d'acheminer de l'huile de lubrifications aux roulements de la structure de paliers.
En aval de la structure de paliers, l'espace séparant la turbine basse-pression de la turbine haute-pression de la turbomachine comprend également un distributeur de turbine qui est typiquement composé d'une pluralité d'aubages de distributeur traversant radialement la veine d'écoulement du flux gazeux. Ces aubages de distributeur sont raccordés à une virole externe et à une virole interne et présentent chacun un profil aérodynamique élaboré pour accélérer le flux gazeux en lui donnant un angle de giration par rapport à l'axe longitudinal de la turbomachine qui est nécessaire à l'entraînement de la turbine basse-pression.
Avec une telle architecture, l'aérodynamique des bras de la structure de paliers est optimisée pour limiter les pertes aérodynamiques dans la veine, tout en permettant le passage des servitudes huile/air. Quant au distributeur de turbine, il est séparé de la structure de paliers et nécessite des précautions d'accrochage à cette dernière afin de limiter les contraintes dans les profils.
Cette architecture présente l'inconvénient principal que le « clocking » (c'est-à-dire l'orientation angulaire relative) entre le sillage des bras de la structure de paliers et le bord d'attaque des aubages du distributeur situé en aval est complexe à réaliser. Pour résoudre ce problème, certaines architectures proposent de regrouper les fonctions de support de paliers et de distributeur au sein d'un même ensemble structurel. Cependant, aucune de ces architectures ne présente pleinement satisfaction. Pour faciliter le montage, certaines architectures proposent notamment de sectoriser ce même ensemble structurel, ce qui augmente toutefois le nombre de pièces et rend difficile l'alignement de la veine et la réalisation de l'étanchéité entre les différents secteurs. Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de proposer une architecture de support de paliers et de distributeur qui ne présente pas les inconvénients précités.
Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un distributeur de turbine pour moteur à turbine à gaz, comprenant une pluralité d'aubes directrices fixes ayant toutes un même profil aérodynamique et s'étendant radialement entre une virole externe et une virole interne, une épingle interne s'étendant radialement vers l'intérieur depuis la virole interne et destinée à être fixée de manière étanche sur un boîtier de paliers à roulements, et une épingle externe s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la virole externe et destinée à être fixée de manière étanche sur un carter extérieur, les aubes directrices, les viroles interne et externe et les épingles interne et externe étant réalisés à partir d'une seule et même pièce de sorte à former une structure monobloc.
Le distributeur selon l'invention est remarquable notamment qu'il propose de regrouper au sein d'une même et unique structure monobloc les fonctions de support de paliers et de distributeur. Le recours à une structure monobloc évite les problèmes de « clocking » tout en minimisant le nombre de pièces.
La fixation du distributeur selon l'invention est réalisée par les épingles interne et externe sur les parties interne et externe (respectivement) de la veine, assurant ainsi une étanchéité et la transmission des efforts des paliers à la structure du moteur. Par ailleurs, les aubes directrices du distributeur selon l'invention ont toutes le même profil aérodynamique, ce qui permet d'obtenir une homogénéité tangentielle aérodynamique, thermique et mécanique (et éviter ainsi les problèmes de raideur et d'excitations vibratoires).
De préférence, les aubes directrices sont régulièrement espacées autour d'un axe longitudinal du distributeur
De préférence également, au moins l'une des aubes directrices est creuse et traversée par une conduite d'huile et/ou d'air. En effet, en rendant les aubes directrices creuses, il est possible d'y faire passer une conduite, notamment une conduite d'huile destiné à lubrifier les paliers du boîtier de paliers.
Le distributeur peut être métallique et réalisé par un procédé de fabrication choisi parmi les procédés suivant : fonderie, fusion laser, et mécanosoudage.
L'invention a également pour objet une turbomachine comprenant une turbine basse-pression, une turbine haute-pression et un distributeur tel que défini précédemment qui est intercalé entre la turbine basse-pression et la turbine haute-pression.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :
- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un distributeur selon l'invention dans son environnement immédiat ; et
- les figures 2 et 3 sont des vues du distributeur de la figure 1, respectivement de face et en perspective.
Description détaillée de l'invention
L'invention s'applique à toute turbomachine comprenant un boîtier de paliers à roulements qui est intercalé entre deux étages de turbines axiales, notamment entre une turbine haute-pression 2 et une turbine basse-pression 4 telles que représentées de façon schématique sur la figure 1.
Sur cette figure 1 est ainsi représenté un boîtier de paliers à roulement 6 qui comprend un palier à roulement amont 8 supportant en rotation un arbre 2a couplé à la turbine haute-pression 2 et un palier à roulement aval 10 supportant en rotation un arbre 4a couplé à la turbine basse-pression 4. Ce boîtier de paliers à roulement 6 consiste notamment en une enceinte dans laquelle de l'huile est injectée pour refroidir et lubrifier les roulements des paliers 8, 10.
Entre la turbine haute-pression 2 et la turbine basse-pression 4 est intercalé un distributeur 12 conforme à l'invention. Ce distributeur a pour fonction d'assurer un support pour les paliers à roulement amont 8 et aval 10 et de jouer le rôle de distributeur, c'est-à-dire de diriger l'écoulement du flux gazeux issus de la turbine haute-pression 2 sur les aubes de la turbine basse-pression 4.
A cet effet, comme représenté également sur les figures 2 et 3, le distributeur 12 selon l'invention présente une forme générale de révolution (par rapport à l'axe longitudinal X-X de la turbomachine) et comprend une pluralité d'aubes directrices 14 fixes qui s'étendent radialement au travers de la veine 16 d'écoulement du flux gazeux provenant de la turbine haute-pression 2.
Les aubes directrices 14 sont de préférence régulièrement espacées angulairement autour de l'axe longitudinal X-X de la turbomachine et ont chacune un même profil aérodynamique qui leur permet de diriger l'écoulement du flux gazeux issus de la turbine haute- pression 2 sur les aubes de la turbine basse-pression 4.
Les aubes directrices 14 sont raccordées à l'extérieur à une virole externe 18 et à l'intérieur à une virole interne 20 qui délimitent entre elles la veine 16 d'écoulement du flux gazeux.
Le distributeur 12 selon l'invention comprend également une épingle interne 22 qui s'étend radialement vers l'intérieur depuis la virole interne 20, et une épingle externe 24 qui s'étend radialement vers l'extérieur depuis la virole externe 18. Ces épingles interne 22 et externe 24 sont des flasques annulaires qui s'étendent radialement depuis la virole correspondante.
L'épingle interne 22 est destinée à être fixée de manière étanche sur le boîtier de paliers à roulement 6, par exemple par l'intermédiaire de systèmes vis/écrous 26 traversant une bride 22a de l'épingle interne. Quant à l'épingle externe 24, elle est destinée à être fixée de manière étanche sur un carter extérieur 28 de la turbomachine à l'intérieur duquel sont logés les turbine haute-pression et basse-pression, par exemple par l'intermédiaire de systèmes vis/écrous 30 traversant une bride 24a de l'épingle externe.
De plus, le distributeur 12 selon l'invention est monobloc, c'est- à-dire que les aubes directrices 14, les viroles externe 18 et interne 20 et les épingles interne 22 et externe 24 forment une seule et même pièce comme notamment représenté sur les figures 2 et 3.
Lorsqu'elle est réalisée en métal, cette structure monobloc de distributeur peut être obtenue de différentes manières. Par exemple, elle peut être obtenue par fonderie, par fusion laser (procédé dans lequel la structure est générée par une succession de lits de poudres sélectivement fusionnés par un laser) ou encore par mécanosoudage (procédé consistant à assembler par soudage les divers éléments constitutifs du distributeur avant d'en effectuer l'usinage).
Selon une disposition avantageuse, les aubes directrices 14 du distributeur sont creuses, ce qui permet de faire transiter des servitudes huile/air.
Ainsi, comme représenté sur la figure 1, certaines des aubes directrices 14 peuvent être traversées radialement par exemple par une conduite d'huile 32 destinée à injecter dans le boîtier de paliers à roulement 6 de l'huile pour refroidir et lubrifier les roulements des paliers 8, 10.

Claims

REVENDICATIONS
1. Distributeur (12) de turbine pour moteur à turbine à gaz, comprenant une pluralité d'aubes directrices fixes (14) ayant toutes un même profil aérodynamique et s'étendant radialement entre une virole externe (18) et une virole interne (20), une épingle interne (22) s'étendant radialement vers l'intérieur depuis la virole interne et destinée à être fixée de manière étanche sur un boîtier de paliers à roulements (6), et une épingle externe (24) s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la virole externe et destinée à être fixée de manière étanche sur un carter extérieur (28), les aubes directrices, les viroles interne et externe et les épingles interne et externe étant réalisés à partir d'une seule et même pièce de sorte à former une structure monobloc.
2. Distributeur selon la revendication 1, dans lequel les aubes directrices (14) sont régulièrement espacées autour d'un axe longitudinal (X-X) du distributeur.
3. Distributeur selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel au moins l'une des aubes directrices (14) est creuse et traversée par une conduite (32) d'huile et/ou d'air.
4. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le distributeur est métallique et réalisé par un procédé de fabrication choisi parmi les procédés suivant : fonderie, fusion laser, et mécanosoudage.
5. Turbomachine comprenant une turbine haute-pression (2), une turbine basse-pression (4) et un distributeur (12) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 qui est intercalé entre la turbine basse-pression et la turbine haute-pression.
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