EP1213483A1 - Etage redresseur d'un compresseur - Google Patents

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EP1213483A1
EP1213483A1 EP00870290A EP00870290A EP1213483A1 EP 1213483 A1 EP1213483 A1 EP 1213483A1 EP 00870290 A EP00870290 A EP 00870290A EP 00870290 A EP00870290 A EP 00870290A EP 1213483 A1 EP1213483 A1 EP 1213483A1
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EP
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blades
retention
openings
ferrule
stiffening
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Mathieu Bos
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Techspace Aero 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
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/04—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector
    • F01D9/042—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles forming ring or sector fixing blades to stators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/52—Casings; Connections of working fluid for axial pumps
    • F04D29/54—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/541—Specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/542—Bladed diffusers

Definitions

  • the present invention relates to a stage rectifier of a compressor comprising a succession rectifier or stator stages separated by stages rotor blades, each rectifier stage consisting of fixed vanes connecting an inner ferrule to an outer shell.
  • Coaxial compressors are well known in itself, and are used in several types of application. In particular, they are used in double motors body, turbofans or turbojets. We also note their presence in power plants. These compressors low or high pressure basically consist of several stages of rotating blades or rotor stages separated by stator stages or rectifiers which have to reposition (straighten) the speed vector of the fluid leaving the previous stage before sending it to the next compartment.
  • Each of these rectifier stages is essentially consisting of fixed vanes connecting a ferrule exterior to an interior ferrule, both concentric.
  • stiffening solutions have been considered.
  • stiffeners in bandage shape machined on the inner shell or on the outer shell and on the non-functional side has been proposed.
  • These bandages or stairs can also be made of an insert by welding or riveting.
  • the blades are joined to the ferrules, both interior and exterior, by rivets or welds.
  • the use of these means of solidarity has the major drawback of disturbing flow and generate a pressure drop in the vein aerodynamic.
  • the present invention aims to provide a solution which allows to combine the functions of stiffening of the inner shell and retention of blades of a rectifier stage of an axial compressor.
  • the present invention aims to allow a solution that offers great simplicity of assembly and does not require assembly operations additional.
  • the present invention also aims to propose a solution in which the aerodynamic vein flux is not affected by the presence of welds or rivets at the ferrule.
  • the present invention also aims to allow the realization of a solution of a low cost Student.
  • the present invention relates to a stage rectifier of a compressor comprising two ferrules, one inner ferrule and outer ferrule, both concentric and preferably circular and connected one to the other by a series of fixed vanes. At least the ferrule interior has lights or openings that allow the passage of said blades in these lights. Dawn themselves have at their end which will be arranged on the side of the inner shell a second opening intended for allow the passage of a retention part and stiffening having an elastic function. This retention and stiffening piece will allow advantageously the joining of the blades two by two on the non-functional side, i.e. on the side of the face internal, from the inner shell.
  • this retention and stiffening part is present in the form of a cut, formed and folded sheet in two and is provided with two flat studs intended to be housed in the openings of two successive blades.
  • this piece is folded allows it to provide a spring function for example a spring type " hair pin ".
  • the assembly will be quick and easy, and will be carried out by applying precompression to said part of retention and stiffening that we will position then in the two openings of two successive blades and which we will then simply release. Once this part is mounted, the spring effect spreads the two blades successive linked.
  • the placement of said piece will be against the edge of the openings of the shell.
  • these parts will then be embedded in an elastomeric element.
  • Figure 1 shows a general view of the compression stage of a turbofan with a stiffening of the ferrules according to the state of the art.
  • Figure 2 shows a detail of the figure 1 showing the stiffening device according to the state of the technique including stiffeners at the inner ferrule.
  • FIG. 3 represents the device for retention used in the solution according to this invention.
  • FIG. 4 represents the device for retention according to the invention arranged at a ferrule interior and two successive blades so as to allow the stiffening of said inner shell and the blade retention function on this ferrule.
  • Each rectifier stage 2,2 ', 2 ", ... is essentially consisting of an inner shell respectively 4.4 ', 4 ", ..., an outer ferrule respectively 5.5 ', 5 “, ... and a series of fixed blades respectively 6.6 ', 6 ", ... connecting said ferrule inner and outer ferrule.
  • said interior ferrules 4.4 ', 4 ", ... and said outer ferrules 5.5', 5", ... are specific to each of the rectifier stages 2,2 ', 2 ", ... More specifically, the interior ferrules 4,4 ', 4 ", ... and the outer ferrules 5.5 ', 5 ", ... are presented under the form of metal sheets in the form of rings while the series of fixed blades 6,6 ', 6 ", ... correspond to metal sheets radially connecting an inner ferrule to an outer shell for each series.
  • the gas first passes through the first stage rectifier 2 of the compressor where its speed vector is repositioned to be driven by the first floor rotor of rotating vanes 3 before joining the second rectifier stage 2 'to be again repositioned in 3 ', etc.
  • the gas thus undergoes a cycle training - repositioning after which its kinetic energy gradually decreases while its pressure increases.
  • stairs 8 are machined in the sheet of the inner shell 4 to stiffen said ferrule, and in particular the first stage rectifier 2.
  • the alternative proposed by this invention consists in stiffening a ferrule while ensuring a retention function of the vanes at said ferrule.
  • the blade retention piece 100 is described in detail in Figure 3. We observe that it is mainly in the form of a cut sheet, formed and folded 110 provided with two flat tenons 117 and 119.
  • the shape and composition of the sheet 110 are such that the part 100 can be assimilated to a spring of "hairpin" type.
  • Figure 4 shows the basic principle of the present invention and explains how the part of retention and stiffening 100 is arranged at level a ferrule and two successive blades to ensure the both the stiffening of this shell and the retention of two successive blades at this shell.
  • the ferrule and preferably the inner ferrule 4
  • the ends 51, 51 'of said blades themselves have openings 52.52 '.
  • Said blades 60,61,62, ... are secured to the ferrule 4 using the retention and stiffening part 100.
  • the flat studs 117 and 119 of said piece of retention and stiffening 100 are housed in openings 52, 52 'of the two successive blades 60,61,62, ...
  • the retention and stiffening part 100 thus makes it possible to joining the blades two by two (60 and 61, 62 and 63, etc.) at the level of the rectifier stages.
  • we exert on it precompression see arrows in Figure 3 as we would do this using sugar tongs.
  • piece 100 so that its flattened studs 117, 119 come to stay in the openings respectively 52 and 52 'of successive blades 60,61,62, ...

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

La présente invention se rapporte à un étage redresseur (2) d'un compresseur (1) comprenant une virole extérieure (5) et une virole intérieure (4), toutes deux concentriques et de préférence circulaires et reliées l'une à l'autre par une série d'aubes fixes (60,61,62,...), caractérisé en ce que, au moins la virole intérieure (4) étant pourvue de lumières ou ajours (42,42') qui permettent le passage d'une des extrémités (51,51') desdites aubes (60,61,62,...) dans ces lumières ou ajours (42,42'), les aubes (60,61,62,...) présentent à leur extrémité (51,51') un second ajour (52,52') destiné à permettre le passage d'une pièce de rétention et de rigidification (100) présentant une fonction élastique afin de les maintenir deux par deux. <IMAGE>

Description

Objet de l'invention
La présente invention se rapporte à un étage redresseur d'un compresseur comprenant une succession d'étages redresseurs ou statoriques séparés par des étages rotoriques d'aubes tournantes, chaque étage redresseur étant constitué d'aubes fixes reliant une virole intérieure à une virole extérieure.
Etat de la technique
Les compresseurs coaxiaux sont bien connus en soi, et sont utilisés dans plusieurs types d'application. En particulier, ils sont utilisés dans les moteurs double corps, turbofans ou turboréacteurs. On note aussi leur présence dans les centrales électriques. Ces compresseurs basse ou haute pression sont essentiellement constitués de plusieurs étages d'aubes tournantes ou étages rotoriques séparés par des étages statoriques ou redresseurs qui ont pour but de repositionner (redresser) le vecteur vitesse du fluide sortant de l'étage précédent avant de l'envoyer vers le compartiment suivant.
Chacun de ces étages redresseurs est constitué essentiellement d'aubes fixes reliant une virole extérieure à une virole intérieure, toutes deux concentriques.
Le problème est que ces étages redresseurs sont soumis à des efforts relativement importants dus entre autres aux vibrations qui provoquent rapidement une usure par fatigue.
Afin de résoudre ce problème de fatigue, il a été proposé de rigidifier les viroles. En rigidifiant les viroles, et en particulier les viroles intérieures des premiers étages de compression, on permet en effet de déplacer les fréquences propres de certains modes de sollicitation qui usent de manière excessive lesdites viroles.
Plusieurs solutions de rigidification ont été envisagées. En particulier l'utilisation de raidisseurs en forme de bandage usinés sur la virole intérieure ou sur la virole extérieure et du côté non fonctionnel a été proposée. On a également proposé d'usiner des escaliers dans la tôle des viroles intérieure ou extérieure. Ces bandages ou escaliers peuvent également être constitués d'une pièce rapportée par soudage ou par rivetage. En outre, afin d'augmenter l'étanchéité d'un étage à l'autre, il est habituel de disposer sous la tôle de la virole intérieure du redresseur un élément élastomère qui scelle l'aube fixe sur la virole intérieure et qui servira également de joint entre les éléments tournants et fixes. Ceci permet d'éviter un retour des gaz vers l'étage précédent, qui pourrait entraíner un décrochage moteur dans le cas d'un turbofan.
Néanmoins, les diverses solutions proposées selon l'état de la technique sont des solutions relativement coûteuses étant donné que la matière nécessaire pour usiner la tôle des viroles est relativement importante.
Un autre problème important dans le cas des étages redresseurs d'un compresseur est qu'il convient de solidariser de manière particulièrement efficace lesdites aubes aux viroles. En effet, cette solidarisation des aubes aux viroles doit être optimale de manière à pouvoir faire face à des accidents tels que le bris d'une aube ou l'ingestion d'un corps étranger tel qu'un oiseau dans ledit turboréacteur.
De plus, un déplacement des aubes par rapport aux viroles provoque une usure importante avec un cric de fatigue qui peut provoquer le bris desdites aubes ou même de la virole.
Habituellement, on solidarise les aubes aux viroles, tant intérieure qu'extérieure, par des rivets ou des soudures. Néanmoins, le recours à ces moyens de solidarisation présente l'inconvénient majeur de perturber le flux et de générer une perte de charge dans la veine aérodynamique.
Buts de l'invention
La présente invention vise à proposer une solution qui permette de combiner les fonctions de rigidification de la virole intérieure et de rétention des aubes d'un étage redresseur d'un compresseur axial.
En particulier, la présente invention vise à permettre une solution qui offre une grande simplicité de montage et ne nécessite pas d'opérations d'assemblage supplémentaires.
La présente invention vise également à proposer une solution dans laquelle la veine aérodynamique du flux n'est pas altérée par la présence de soudures ou de rivets au niveau de la virole.
La présente invention vise également à permettre la réalisation d'une solution d'un coût peu élevé.
Principaux éléments caractéristiques de l'invention
La présente invention se rapporte à un étage redresseur d'un compresseur comprenant deux viroles, une virole intérieure et une virole extérieure, toutes deux concentriques et de préférence circulaires et reliées l'une à l'autre par une série d'aubes fixes. Au moins la virole intérieure est munie de lumières ou ajours qui permettent le passage desdites aubes dans ces lumières. Les aubes elles-mêmes présentent à leur extrémité qui sera disposée du côté de la virole intérieure un second ajour destiné à permettre le passage d'une pièce de rétention et de rigidification présentant une fonction élastique. Cette pièce de rétention et de rigidification permettra de manière avantageuse la solidarisation des aubes deux à deux du côté non fonctionnel, c'est-à-dire du côté de la face interne, de la virole intérieure.
Selon une forme d'exécution particulièrement préférée, cette pièce de rétention et de rigidification se présente sous la forme d'une tôle découpée, formée et pliée en deux et est munie de deux tenons plats destinés à être logés dans les ajours de deux aubes successives.
De manière particulièrement avantageuse, le fait que cette pièce soit pliée permet qu'elle assure une fonction de ressort par exemple un ressort de type « épingle à cheveux ».
De manière particulièrement avantageuse, on observe que le montage sera rapide et aisé, et s'effectuera en exerçant une précompression sur ladite pièce de rétention et de rigidification que l'on positionnera ensuite dans les deux ajours de deux aubes successives et que l'on relâchera ensuite simplement. Une fois que cette pièce est montée, l'effet ressort écarte les deux aubes successives reliées.
De manière particulièrement avantageuse, le placement de ladite pièce se fera contre le bord des ajours de la virole.
Ceci provoque de manière particulièrement avantageuse un effet de rétention desdites aubes à la virole intérieure mais également un effet de rigidification de l'ensemble de la virole intérieure, permettant ainsi un déplacement des fréquences propres de certains modes de sollicitation sur les viroles.
De manière particulièrement avantageuse, ces pièces seront ensuite noyées dans un élément élastomère.
Brève description des dessins
La figure 1 représente une vue générale de l'étage de compression d'un turbofan avec un dispositif de rigidification des viroles selon l'état de la technique.
La figure 2 représente un détail de la figure 1 montrant le dispositif de rigidification selon l'état de la technique comprenant des raidisseurs au niveau de la virole intérieure.
La figure 3 représente le dispositif de rétention utilisé dans la solution selon la présente invention.
La figure 4 représente le dispositif de rétention selon l'invention disposé au niveau d'une virole intérieure et de deux aubes successives de manière à permettre la rigidification de ladite virole intérieure et la fonction de rétention des aubes sur cette virole.
Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention
La figure 1 représente l'étage de compression d'un turbofan. Cet étage de compression est composé de deux types de pièces :
  • d'une part, des pièces mobiles qui sont essentiellement constituées par le rotor 1 muni de plusieurs séries d'aubes mobiles 3,3',3",... correspondant à plusieurs étages rotoriques successifs, et
  • d'autre part des pièces fixes constituant les étages statoriques redresseurs 2,2',2",... séparant les étages rotoriques 3,3',3",...
Chaque étage redresseur 2,2',2",... est essentiellement constitué par une virole intérieure respectivement 4,4',4",..., une virole extérieure respectivement 5,5',5",... et une série d'aubes fixes respectivement 6,6',6",... reliant lesdites virole intérieure et virole extérieure.
De préférence, lesdites viroles intérieures 4,4',4",... et lesdites viroles extérieures 5,5',5",... sont propres à chacun des étages redresseurs 2,2',2",... Plus précisément, les viroles intérieures 4,4',4",... et les viroles extérieures 5,5',5",... se présentent sous la forme de tôles métalliques en forme de bagues tandis que les séries d'aubes fixes 6,6',6",... correspondent à des tôles métalliques reliant radialement une virole intérieure à une virole extérieure pour chaque série.
En outre, habituellement, une pièce élastomérique 7,7',7",... est présente sur la surface interne des viroles intérieures 4,4',4",... correspondantes. Ces pièces élastomériques 7,7',7",... jouent le rôle de joints entre deux étages rotorique et statorique qui se succèdent.
Le gaz traverse d'abord le premier étage redresseur 2 du compresseur où son vecteur vitesse est repositionné afin d'être entraíné par le premier étage rotorique d'aubes tournantes 3 avant de rejoindre le deuxième étage redresseur 2' pour être à nouveau repositionné en 3', etc. Le gaz subit ainsi un cycle d'entraínement - repositionnement à l'issue duquel son énergie cinétique diminue progressivement tandis que sa pression croít.
Selon l'état de la technique et comme représenté aux figures 1 et 2, des escaliers 8 sont usinés dans la tôle de la virole intérieure 4 pour rigidifier ladite virole, et en particulier le premier étage redresseur 2.
L'alternative proposée par la présente invention consiste à rigidifier une virole tout en assurant une fonction de rétention des aubes à ladite virole.
La pièce 100 de rétention des aubes est décrite en détail à la figure 3. On observe qu'elle se présente essentiellement sous la forme d'une tôle découpée, formée et repliée 110 munie de deux tenons plats 117 et 119. La conformation et la composition de la tôle 110 sont telles que la pièce 100 peut être assimilée à un ressort de type «épingle à cheveux».
La figure 4 représente le principe à la base de la présente invention et explique comment la pièce de rétention et de rigidification 100 est disposée au niveau d'une virole et de deux aubes successives pour assurer à la fois la rigidification de cette virole et la rétention des deux aubes successives à cette virole. Selon ce principe, la virole, et de préférence la virole intérieure 4, est pourvue de lumières ou ajours 42,42' qui permettent la fixation, de préférence sur la face interne de ladite virole 4, des aubes successives 60,61,62,... par leurs extrémités 51,51'. Les extrémités 51,51' desdites aubes présentent elles-mêmes des ajours 52,52'. Lesdites aubes 60,61,62,... sont solidarisées à la virole 4 à l'aide de la pièce de rétention et de rigidification 100. Plus précisément, les tenons plats 117 et 119 de ladite pièce de rétention et de rigidification 100 sont logés dans les ajours 52, 52' des deux aubes successives 60,61,62,... La pièce de rétention et de rigidification 100 permet ainsi de solidariser les aubes deux à deux (60 et 61, 62 et 63, etc.) au niveau des étages redresseurs. Concrètement, pour mettre en place la pièce de rétention et de rigidification 100 au niveau des aubes 60,61,62,..., on exerce sur elle une précompression (voir les flèches sur la figure 3) comme on le ferait en utilisant une pince à sucre. On positionne ensuite la pièce 100 de façon à ce que ses tenons aplatis 117, 119 viennent se loger dans les ajours respectivement 52 et 52' des aubes successives 60,61,62,... Enfin on relâche simplement ladite pièce 100. Une fois montée, l'effet ressort de la pièce de rétention et de rigidification 100 agit en maintenant les aubes successives 60,61,62,... écartées.
Enfin, il est habituel de noyer tout le dispositif, c'est-à-dire la pièce de rétention et de rigidification 100 et les extrémités des aubes, dans un élément élastomère 200 qui permet de sceller l'extrémité de l'aube à la virole.
En outre, ceci permet d'augmenter l'étanchéité de tout l'étage redresseur.

Claims (4)

  1. Etage redresseur (2) d'un compresseur (1) comprenant une virole extérieure (5) et une virole intérieure (4), toutes deux concentriques et de préférence circulaires et reliées l'une à l'autre par une série d'aubes fixes (60,61,62,...), caractérisé en ce que, au moins la virole intérieure (4) étant pourvue de lumières ou ajours (42,42') qui permettent le passage d'une des extrémités (51,51') desdites aubes (60,61,62,...) dans ces lumières ou ajours (42,42'), les aubes (60,61,62,...) présentent à leur extrémité (51,51') un second ajour (52,52') destiné à permettre le passage d'une pièce de rétention et de rigidification (100) présentant une fonction élastique afin de les maintenir deux par deux.
  2. Etage redresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pièce de rétention et de rigidification (100) est un ressort de type «épingle à cheveux» et se présente essentiellement sous la forme d'une tôle découpée, formée et repliée (110) munie de deux tenons plats (117 et 119) qui sont dimensionnés de manière à permettre leur localisation dans les ajours (52,52') de deux aubes successives (60,61;61,62;...).
  3. Etage redresseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'extrémité (51,51') des aubes fixes (60,61,62,...) est noyée dans un élément élastomère (200).
  4. Procédé de montage au niveau d'un étage redresseur d'une pièce de rétention et de rigidification (100) présentant une fonction élastique, l'étage redresseur comprenant une virole extérieure (5) et une virole intérieure (4), toutes deux concentriques et de préférence circulaires et reliées l'une à l'autre par une série d'aubes fixes (60,61,62,...), ladite pièce de rétention et de rigidification (100) se présentant essentiellement sous la forme d'une tôle découpée, formée, repliée (110) et munie de deux tenons plats (117 et 119) qui sont dimensionnés de manière à permettre leur localisation dans les ajours (52,52') de deux aubes successives (60,61;61;62;...), caractérisé en ce que l'on exerce une précompression sur ladite pièce de rétention et de rigidification (100), on la place au niveau des aubes successives (60,61,62,...) de manière à ce que les deux tenons (117 et 119) viennent se loger dans les ajours (52, 52') desdites aubes (60,61,62,...), puis on relâche la pression exercée sur ladite pièce de rétention et de rigidification (100).
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