EP1293643A1 - Assemblage de secteurs d'un distributeur dans une turbomachine - Google Patents

Assemblage de secteurs d'un distributeur dans une turbomachine Download PDF

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EP1293643A1
EP1293643A1 EP02292230A EP02292230A EP1293643A1 EP 1293643 A1 EP1293643 A1 EP 1293643A1 EP 02292230 A EP02292230 A EP 02292230A EP 02292230 A EP02292230 A EP 02292230A EP 1293643 A1 EP1293643 A1 EP 1293643A1
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flange
housing
hook
sectors
flanges
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Sébastien Imbourg
Jean-Luc Soupizon
Philippe Pabion
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Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA Moteurs 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
    • 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
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/246—Fastening of diaphragms or stator-rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/30—Retaining components in desired mutual position
    • F05B2260/301—Retaining bolts or nuts
    • 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
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/23—Three-dimensional prismatic
    • F05D2250/232—Three-dimensional prismatic conical
    • 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
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/20—Three-dimensional
    • F05D2250/29—Three-dimensional machined; miscellaneous
    • F05D2250/292—Three-dimensional machined; miscellaneous tapered

Definitions

  • the subject of this invention is an assembly of sectors of a distributor, carrier of fixed vanes, ensuring the recovery of the flow of gases in a turbomachine, with a casing which envelops the stator of this machine.
  • a sector 1 of rectifier carries a pair of assembly flanges 2 and 3, respectively at the front and at the back, and which are both equipped with end hooks 4 and 5 extending in the longitudinal direction of the machine.
  • the end hook 4 at the front is placed on a hook 6 of a casing 7 by a pair of mutual support faces 8, which hold sectors 1 against movements centripetal radials in the machine; the hook 5 end of the other flange 3 bute radially to the outside against the casing 7 by a pair of faces 9, and backwards, against a second hook 10 of 7, by a pair of flat abutment faces 11.
  • clip 12 is placed around the second hook 10 to under the second end hook 5 to guard here also the sectors 1 against the movements centripetal.
  • Sectors 1 still include protruding 13 protrusions that encircle the back of ferrule segments 14 between them and the first hooks.
  • This assembly maintains sectors 1 against the movements produced by the radial forces and axially oriented towards the back they undergo during operation.
  • the editing is not very convenient to realize, since the sectors 1 inclined in the casing 7 for the lip 3 at the back passes inside the second hook 10 before rotating them around the hook end 4 at the front for the end hook 5 between the hooks 10 by a movement radial outward.
  • To realize this montage he is necessary to have two sets rotor-stator important in inner vein, which are detrimental sealing between rotor and stator.
  • the most serious disadvantage of this assembly comes from the very existence of the hooks 6 and in one piece with casing 7, which are subject to mechanical and thermal stresses important, since they are close to the vein of hot gases. It is necessary to build them in one sufficiently resistant material, as well as the housing 7 himself who would not need it since he is subjected to a lower temperature; and cracks fatigue cracking can occur in hooks 6 and 10 and spread until it breaks replace the entire casing 7.
  • the invention satisfies these various requirements.
  • it concerns an assembly of sectors of a ring distributor to a crankcase, sectors comprising two flanges provided with support faces on the housing, a hook coming under a curved edge of one of the flanges to support the sectors against movements centripetal, characterized in that it comprises a removable flange and placed between the flanges, means fixing the flange on the housing, the hook is placed on the flange, flange and housing include flat faces of mutual support oriented in the axial direction, the fixing means comprise pions passing through the housing radially, the flange being retained between the crankcase and the pawns, and the flange has a mounting direction to the flange having said curved edge.
  • the hook which is the part of the assembly the most requested, can be built with a lot more freedom now that he's on a flask removable and therefore separated from the housing; he can be easily replaced when needed; finally, the editing is accomplished by a linear motion of the single flange, simpler than a movement of joint rotation of sectors.
  • the assembly is very easy if the hook comprises an outer conical face at least one central portion under the curved and narrowing edge towards the flange having said curved edge.
  • the housing has the reference 21 now, but its general shape resembles that of the previous one: its diameter decreases towards the front and its shape is therefore roughly conical to the place of the invention.
  • the new rectifier sectors carry the reference 20 and include as previously flanges 22 and 23 at the front and rear provided with end hooks 24 and 25 both bent toward the back; the end hooks 24 and 25 are here resting on the housing 21 by mutual support faces 26 and 27 oriented in radial direction, and by flat bearing faces 28 and 29 oriented in axial and opposite directions. Unlike the previous design, the assembly is much more stable.
  • An essential element of the invention is a flange 30 also bearing on the housing 21 by plane support faces 31 oriented in the direction axial, and carrying on board a hook 32 directed forward and passing under the end hook 24 of the first flange 22.
  • the flange 30 extends over a complete turn.
  • the sectors of rectifier 20 carry forward a protrusion 33 intended to retain the adjacent ferrule sectors 34 from below. Another projection 35 can be noticed; she is under the second hook endpoint 25 and serves to support areas of ferrule 36 opposed to the previous ones.
  • Pawns 37 are fitted through the housing 21 in the radial direction, and maintain the flange 30 pressed against the housing 21 by engaging behind this one to block it axially.
  • Removing brackets 6 and 10 or their replacement by simpler structures decreases the solicitations and the risks on the housing 21 all by simplifying its manufacture. It can be built in a less noble material than the casing 7. Only the hook 32 and its flange 30 remain subject to major warm-ups that require to build them in a suitable material.
  • the rectifier sectors 20 amount to one purely radial outward movement (Figure 3), involving a sliding of the pairs of bearing faces 28 and 29 and that can be aroused by moving the flange 30 forward until the stops of the faces 31 establishes: the hook 32 is provided with a face exterior of which at least one central surface 38 is tapered, tapering forward, causing the first end hook 24 rises on this surface 38 as the hook 32 advances. When the end hook 24 exceeds this surface 38 for rest on a cylindrical rear portion 39 of the upper surface of the hook 32, the sectors of 20 rectifier have been put in place. It is then enough to introduce the pins 37 into their holes for axially block the flange 30.
  • a suitable tool will be able include a deck mounted in the supporting housing the rectifier sectors 1, as well as pushers to press on the back of the flange 30 through lights 42 hollowing out the other flange 23.
  • one of the solicitations main training on rectifier sectors 1 or 20 is a backward force produced by the flow of air through them. This force translated by a tilting movement around support points for sectors 7 or 21 and by a centripetal radial force on the hook 6 or 32, which makes him vulnerable; but the consequences of a rupture would be less severe on the hook 32 than on hook 6, since it would now be enough to replace the flange 30 instead of the entire housing 7.
  • the hook 32 provides radial inward support to sectors 20, just like the hook 6 to sectors 1, since the end hook 24 is placed on it; but it offers a more rigid assembly than the hook 6, although it is not of a holding with the crankcase 21, holding the end hook 24 in a hurry against the casing 21 with bearing faces 26; the diameter of the rear portion 39 of its surface can be chosen to exert the pressing force desired at this in law.
  • the conicity of the surface 38 always allows place the flange 30 without difficulty, the hook 32 playing the role of a corner.
  • the assembly is still stiffened, while being simplified, if the sectors of ferrule 36 backwards include one end before 43 protruding on the projection 35 and introduced on the end hook 25 of the flange 23, in place of the clip 12.
  • the flange 30 needs to be replaced, it is easy to extract it if we put catches such as tapping 53, which can be grasped by threaded pins introduced through the lights 42 and extract it by pulling it backwards until the rectifier sectors 20 are released.

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Abstract

Les crochets (32) de retenue d'une bride (22) de secteurs de redresseur (20), porteurs d'aubes fixes dans une turbomachine, sont avantageusement placés sur un flasque (30) distinct du carter (21) mais assemblé à lui. Ainsi, ces crochets ne constituent plus des points faibles du carter comme quand ils étaient d'un tenant avec lui, le montage des secteurs (20) est facilité, et l'assemblage plus rigide. <IMAGE>

Description

Le sujet de cette invention est un assemblage de secteurs d'un distributeur, porteur d'aubes fixes, assurant le redressement de l'écoulement des gaz dans une turbomachine, à un carter qui enveloppe le stator de cette machine.
La veine extérieure d'écoulement des gaz des turbomachines est délimitée par les secteurs de distributeur et des secteurs de virole qui alternent le long de la machine, et qui sont assemblés entre eux et au carter par des imbrications de crochets principalement. Se reportant à la figure 1, qui représente un assemblage déjà connu, un secteur 1 de redresseur porte une paire de brides d'assemblage 2 et 3, respectivement à l'avant et à l'arrière, et qui sont toutes deux munies de crochets d'extrémité 4 et 5 s'étendant en direction longitudinale de la machine. Le crochet d'extrémité 4 à l'avant est posé sur un crochet 6 d'un carter 7 par une paire de faces d'appui mutuel 8, qui retiennent les secteurs 1 contre des mouvements radiaux centripètes dans la machine ; le crochet d'extrémité 5 de l'autre bride 3 bute radialement vers l'extérieur contre le carter 7 par une paire de faces 9, et vers l'arrière, contre un deuxième crochet 10 du carter 7, par une paire de faces planes de butée 11. Un clip 12 est placé autour du deuxième crochet 10 jusque sous le deuxième crochet d'extrémité 5 pour prémunir ici aussi les secteurs 1 contre les mouvements centripètes. Les secteurs 1 comprennent encore des saillies 13 vers l'avant qui encerclent l'arrière de segments de virole 14 entre elles et les premiers crochets.
Cet assemblage maintient les secteurs 1 contre les mouvements produits par les forces radiales et axiales orientées vers l'arrière qu'ils subissent pendant le fonctionnement. Le montage n'est pas très commode à réaliser, puisqu'il faut présenter les secteurs 1 inclinés dans le carter 7 pour que la lèvre 3 à l'arrière passe à l'intérieur du deuxième crochet 10 avant de les faire pivoter autour du crochet d'extrémité 4 à l'avant pour que le crochet d'extrémité 5 entre derrière les crochets 10 par un mouvement radial vers l'extérieur. Pour réaliser ce montage, il est nécessaire d'avoir deux jeux rotor-stator importants en veine intérieure, qui sont préjudiciables aux étanchéités entre rotor et stator. Enfin, l'inconvénient probablement le plus grave de cet assemblage provient de l'existence même des crochets 6 et 10 d'un seul tenant avec carter 7, qui sont soumis à des sollicitations mécaniques et thermiques importantes, puisqu'ils sont proches de la veine des gaz chauds. Il est nécessaire de les construire en un matériau suffisamment résistant, ainsi que le carter 7 lui-même qui n'en aurait pas besoin puisqu'il est soumis à une température moins élevée ; et des criques de fissuration par fatigue peuvent apparaítre dans les crochets 6 et 10 et se propager jusqu'à ce qu'il faille remplacer le carter 7 tout entier.
Il conviendrait donc de remédier à une conception à la fois coûteuse et fragile du carter tout en permettant de monter des secteurs de redresseur d'une façon plus simple et en obtenant un assemblage plus rigide et moins complexe. L'invention satisfait à ces diverses exigences. Dans sa forme la plus générale, elle concerne un assemblage de secteurs d'un anneau distributeur à un carter, les secteurs comprenant deux brides munies de faces d'appui sur le carter, un crochet venant sous un bord recourbé d'une des brides pour soutenir les secteurs contre des mouvements centripètes, caractérisé en ce qu'il comprend un flasque amovible et placé entre les brides, des moyens de fixation du flasque sur le carter, le crochet est placé sur le flasque, le flasque et le carter comprennent des faces planes d'appui mutuel orientées en direction axiale, les moyens de fixation comprennent des pions traversant le carter radialement, le flasque étant retenu entre le carter et les pions, et le flasque a une direction de montage vers la bride ayant ledit bord recourbé.
Le crochet, qui est la partie de l'assemblage la plus sollicitée, peut être construit avec beaucoup plus de liberté maintenant qu'il est sur un flasque amovible et donc séparé du carter ; il peut être remplacé facilement en cas de besoin ; enfin, le montage est accompli par un mouvement linéaire du flasque unique, plus simple qu'un mouvement de pivotement conjoint des secteurs.
Le montage est très facile si le crochet comprend une face extérieure conique au moins à une portion centrale sous le bord recourbé et s'amenuisant vers la bride ayant ledit bord recourbé.
Il est à noter que les documents US 0 892 497 A et US 568 161 A révèlent des agencements où des secteurs de distributeur sont retenus par des plaques porteurs d'un crochet qui est donc séparé du carter, mais les flasques sont placés autrement et ne sont pas montés par une translation mais par un basculement. Ils doivent donc être divisés en secteurs : l'agencement et le montage restent compliqués.
D'autres dispositions, qu'on peut adapter en sus des précédentes, accroissent les avantages que l'invention procure. Ses divers aspects apparaítront mieux à la description des figures suivantes:
  • la figure 1, déjà décrite, a trait à un assemblage antérieur,
  • la figure 2 représente l'assemblage de l'invention, et
  • la figure 3 évoque le mode d'assemblage.
Le carter porte la référence 21 maintenant, mais sa forme générale ressemble à celle du précédent : son diamètre diminue vers l'avant et sa forme est donc à peu près conique à l'endroit de l'invention.
Les nouveaux secteurs de redresseur portent la référence 20 et comprennent comme précédemment des brides 22 et 23 à l'avant et à l'arrière munies de crochets d'extrémité 24 et 25 tous deux recourbés vers l'arrière ; les crochets d'extrémité 24 et 25 sont ici en appui sur le carter 21 par des faces d'appui mutuel 26 et 27 orientées en direction radiale, et par des faces d'appui planes 28 et 29 orientées dans des directions axiales et opposées. Contrairement à la conception précédente, l'assemblage est beaucoup plus stable. Un élément essentiel de l'invention est un flasque 30 également en appui sur le carter 21 par des faces planes d'appui mutuel 31 orientées en direction axiale, et qui porte à son bord un crochet 32 dirigé vers l'avant et passant sous le crochet d'extrémité 24 de la première bride 22. Le flasque 30 s'étend sur un tour complet. Comme précédemment, les secteurs de redresseur 20 portent vers l'avant une saillie 33 destinée à retenir les secteurs de virole 34 adjacents par le dessous. Une autre saillie 35 peut être remarquée ; elle se trouve sous le deuxième crochet d'extrémité 25 et sert à soutenir des secteurs de virole 36 opposées aux précédents.
Des pions 37 sont ajustés à travers le carter 21 en direction radiale, et maintiennent le flasque 30 appuyé contre le carter 21 en s'engageant derrière celui-là pour le bloquer axialement.
Le crochet 6 du carter 7 précédent a disparu, le crochet 32 du flasque 30 le remplaçant, de sorte qu'un point faible du carter 7 a été supprimé. Le crochet 10 pour l'autre bride 3 n'a pas complètement disparu, puisque le deuxième crochet d'extrémité 25 est placée derrière une nervure 19 du carter 21 qui assure les mêmes fonctions d'appui pour la bride 23, mais il faut souligner que la nervure 19, plus massive et moins saillante que le crochet 10, est beaucoup moins sollicitée. Une telle modification du crochet 10 dans la conception de la figure 1 eût été peu utile tant que subsistait le crochet 6 qui devait être fortement saillant pour permettre le montage des secteurs de redresseur 1 par un mouvement axial puis pivotant. Pour nous résumer, la suppression du point faible du carter 7 constitué par le crochet 6 permet de s'intéresser avec bénéfice à la suppression de l'autre point faible constitué par le crochet 10.
La suppression des crochets 6 et 10 ou leur remplacement par des structures plus simples diminue les sollicitations et les risques sur le carter 21 tout en simplifiant sa fabrication. Il peut être construit en une matière moins noble que le carter 7. Seul le crochet 32 et son flasque 30 restent soumis à des échauffements importants qui imposent de les construire en une matière adaptée.
Les secteurs de redresseur 20 se montent par un mouvement purement radial vers l'extérieur (figure 3), impliquant un glissement des paires de faces d'appui 28 et 29 et qu'on peut susciter en déplaçant le flasque 30 vers l'avant jusqu'à ce que la butée des faces 31 s'établisse : le crochet 32 est muni d'une face extérieure dont une surface 38 centrale au moins est conique, en s'amenuisant vers l'avant, faisant que le premier crochet d'extrémité 24 s'élève sur cette surface 38 à mesure que le crochet 32 avance. Quand le crochet d'extrémité 24 dépasse cette surface 38 pour reposer sur une portion arrière 39 cylindrique de la surface supérieure du crochet 32, les secteurs de redresseur 20 ont été mis en place. Il suffit alors d'introduire les pions 37 dans leurs perçages pour bloquer axialement le flasque 30.
Le mouvement du flasque 30 vers l'avant peut être produit très simplement par un outillage spécialisé comme on en rencontre beaucoup pour accomplir les travaux de montage et de démontage des turbomachines : un outillage convenable pourra comprendre une platine montée dans le carter soutenant les secteurs de redresseur 1, ainsi que des poussoirs pour presser sur l'arrière du flasque 30 à travers des lumières 42 évidant l'autre bride 23.
Il faut souligner que l'une des sollicitations principales s'exerçant sur les secteurs de redresseur 1 ou 20 est une force vers l'arrière produite par l'écoulement de l'air à travers eux. Cette force se traduit par un mouvement de basculement autour des points d'appui des secteurs au carter 7 ou 21 et par une force radiale centripète sur le crochet 6 ou 32, qui le rend vulnérable ; mais les conséquences d'une rupture seraient moins graves sur le crochet 32 que sur le crochet 6, puisqu'il suffirait désormais de remplacer le flasque 30 au lieu du carter 7 entier. Le crochet 32 offre un appui radial vers l'intérieur aux secteurs 20, tout comme le crochet 6 aux secteurs 1, puisque le crochet d'extrémité 24 est posé sur lui ; mais il offre un assemblage plus rigide que le crochet 6, bien qu'il ne soit pas d'un tenant avec le carter 21, en maintenant le crochet d'extrémité 24 pressé contre le carter 21 aux faces d'appui 26 ; le diamètre de la portion arrière 39 de sa surface peut être choisi pour exercer la force de pressage souhaitée à cet endroit.
La conicité de la surface 38 permet toujours de placer le flasque 30 sans difficulté, le crochet 32 jouant le rôle d'un coin. L'assemblage est encore raidi, tout en étant simplifié, si les secteurs de virole 36 vers l'arrière comprennent une extrémité avant 43 en saillie posée sur la saillie 35 et introduite sur le crochet d'extrémité 25 de la bride 23, à la place du clip 12.
Si le flasque 30 doit être remplacé, il est facile de l'extraire si on met des prises telles que des taraudages 53, qui permettent de le saisir par des axes filetés introduits à travers les lumières 42 et de l'extraire en le tirant vers l'arrière jusqu'à ce que les secteurs de redresseur 20 soient relâchés.
On aura remarqué que le crochet d'extrémité 24 de la première bride 22 était dirigé vers l'arrière, et le crochet 32, avec qui la première bride est assemblée, était dirigée vers l'avant, contrairement à l'agencement traditionnel de la figure 1 : cette inversion, rendue possible par la suppression du mouvement de pivotement au montage des secteurs de redresseur 20, a l'avantage que le crochet 32 et son flasque 30 sont logés entre les brides 22 et 23, dans un volume isolé de la température des gaz par le secteur de distributeur 20.

Claims (4)

  1. Assemblage de secteurs (20) d'un distributeur à un carter (21), les secteurs comprenant deux brides (22,23) munies de faces d'appui (26,27,28,29) sur le carter (21), un crochet (32) venant sous un bord recourbé (24) d'une des brides (22) pour soutenir les secteurs (20) contre des mouvements centripètes, caractérisé en ce qu'il comprend un flasque (30) amovible et placé entre les brides (22, 23), des moyens de fixation (37) du flasque sur le carter, le crochet (32) est placé sur le flasque, le flasque (30) et le carter (21) comprennent des faces planes (31) d'appui mutuel orientées en direction axiale, les moyens de fixation comprennent des pions (37) traversant le carter radialement, le flasque étant retenu entre le carter et les pions, et le flasque a une direction de montage vers la bride (22) ayant ledit bord recourbé (24).
  2. Assemblage de secteurs à un carter selon la revendication 1, caractérisé en ce que le crochet comprend une face extérieure conique au moins à une portion centrale (38) sous le bord recourbé (24) et s'amenuisant vers la bride (22) ayant ledit bord recourbé (24).
  3. Assemblage de secteurs à un carter selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les faces d'appui des brides (22,23) sur le carter (21) comprennent deux faces (26,27) d'orientation radiale et deux faces (28,29) d'orientations axiales opposées.
  4. Assemblage de secteurs à un carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que des extrémités saillantes (43) de secteurs de virole (36) adjacents aux secteurs (20) de redresseurs viennent sous un bord recourbé (25) de l'autre des brides (23), et sur des saillies (35) de l'autre des brides (23).
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