FR2468738A1

FR2468738A1 - Organe d'etancheite pour une turbine a gaz

Info

Publication number: FR2468738A1
Application number: FR8023273A
Authority: FR
Inventors: Gary Francis Chaplin; Frederick Michael Schwartz; James Gerard Griffin
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1979-11-01
Filing date: 1980-10-30
Publication date: 1981-05-08
Also published as: GB2062768B; US4318668A; FR2468738B1; GB2062768A; JPS5681228A

Abstract

L'invention concerne un organe d'étanchéité pour une turbine à gaz. Cet organe d'étanchéité 40 s'étend à l'intérieur du carter 22 de la turbine entre un premier et un second élément 28, 32 d'une structure 24 adjacente à ce carter 22 afin de définir un parcours d'écoulement 20 pour de l'air de refroidissement entre cet organe 40 et le carter 22. Cet organe d'étanchéité 40 est conçu pour exercer une force d'étanchéification contre le second élément 32 par allongement en réponse active à l'écoulement des gaz chauds du milieu de travail dans le parcours d'écoulement 18 qui leur est destiné. L'invention est utilisée pour bloquer les fuites d'air de refroidissement dans le parcours d'écoulement du milieu de travail d'une turbine à gaz.

Description

246B8738

La présente invention concerne des turbines à gaz et, plus particulièrement, un organe d'étanchéité

s'étendant autour de la paroi intérieure du carter ex-

térieur d'une turbine de ce type.

S Une turbine à gaz comprend une section de com-

pression, une section de combustion et une section de tur-

bine. La section de turbine renferme un assemblage de ro-

tor et un assemblage de stator. Un parcours d'écoulement annulaire pour les gaz constituant le milieu de travail s'étend axialement à travers la turbine. Ce parcours d'écoulement annulaire passe, en une succession alternée,

entre des éléments de l'assemblage de rotor et des élé-

ments de l'assemblage de stator. Les éléments du stator, y compris un carter extérieur, circonscrivent le parcours d'écoulement annulaire. Un parcours d'écoulement pour l'air de refroidissement s'étend axialement à travers la

turbine entre le carter extérieur et le parcours d'écoule-

ment prévu pour les gaz du milieu de travail.

Dans les moteurs de conception moderne, l'air de refroidissement s'écoule à travers des passages ménagés

sur la paroi intérieure du carter. Cet air de refroidis-

sement dissipe la chaleur émanant du carter et des élé-

ments de la turbine, par exemple, les aubes fixes, entrant en contact intime avec les gaz chauds du milieu de travail. Le

long du parcours d'écoulement prévu pour l'air de refroi-

dissement, ce dernier atteint une pression supérieure à

celle des gaz environnants. Le carter forme la limite ex-

térieure du parcours d'écoulement d'air de refroidissement.

Une limite d'amont et une limite d'aval sont définies par-

tiellement par une structure adjacente au carter et locali-

sée par ce dernier. Un organe d'étanchéité s'étend entre

les structures adjacentes pour définir la limite intérieu-

re du parcours d'écoulement.

Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique

3.992.126 aux noms de Brown et al, ayant pour titre "Tur-

bine Cooling" (= refroidissement de turbine), une cavité à air de forme annulaire est ménagée entre un anneau circonférentiel et le carter extérieur. L'extrémité d'amont de cet anneau est opposée à une surface d'une

bride d'amont qui est dirigée vers l'extérieur. Plu-

sieurs pieds d'aubes fixes poussent l'extrémité d'amont

de l'anneau en contact étanche avec la bride d'amont.

L'extrémité d'aval de l'anneau est opposée à une surfa-

ce d'une bride d'aval qui est dirigée vers l'intérieur et elle est fixée rigidement à cette bride d'aval par

des boulons.

En dépit de la technique décrite ci-dessus,

les hommes de science et les ingénieurs cherchent tou-

jours à accroître l'efficacité d'étanchéification d'un

organe d'étanchéité s'étendant autour de la paroi inté-

rieure d'un carter de moteur entre des structures adja-

centes localisées par ce carter.

Un objet principal de la présente invention

est d'accroître l'efficacité d'étanchéification d'un or-

gane d'étanchéité s'étendant autour de la paroi intéri-

eure d'un carter de moteur entre des structures adjacen-

tes localisées par ce carter. Un autre objet.est de fournir un organe d'étanchéité ayant une flexibilité et

une intégrité structurale améliorées. Un autre objet en-

core est de fournir un organe d'étanchéité dont la posi-

tion radiale autour de l'axe du moteur est indépendante

des mouvements radiaux du carter.

Suivant la présente invention, un organe d'étan-

chéité disposé entre le parcours d'écoulement du milieu de

travail et le carter du moteur comporte une section cen-

trale qui s'allonge en réponse active à l'écoulement des

gaz du milieu de travail dans le parcours précité, exer-

çant ainsi une force d'étanchéification contre les struc-

tures adjacentes.

Une caractéristique principale de la présente

invention réside dans la proximité entre la section centra-

le de l'organe d'étanchéité et le parcours d'écoulement du milieu de travail. L'organe d'étanchéité comporte une

section centrale s'étendant dans une première direction.

Une autre caractéristique réside dans la branche flexible de l'organe d'étanchéité qui s'étend perpendiculairement à partir de la section centrale pour venir s'engager par glissement sur les structures adjacentes. Dans une forme

de réalisation détaillée, une seconde-branche vient s'en-

gager sur une structure adjacente par un raccord du

type à languette et rainure.

Un avantage principal de la présente invention réside dans l'efficacité d'étanchéification résultant de la force d'étanchéification positive et de la disposition

concentrique de l'organe d'étanchéité. On évite une fis-

suration de la structure de l'organe d'étanchéité en as-

surant un contact par glissement avec les structures ad-

jacentes. Dans une forme de réalisation détaillée, l'or-

gane d'étanchéité est localisé concentriquement autour de l'axe du moteur au moyen d'un raccord du type à languette et rainure. Les contraintes annulaires circonférentielles sont relâchées en pratiquant des rainures dans l'organe d'étanchéité. Une branche flexible permet l'allongement

de la section centrale.

Les objets, caractéristiques et avantages pré-

cités de la présente invention, ainsi que d'autres appa-

raîtront plus clairement à la lecture de la description

détaillée ci-après de certaines de ses formes de réalisa-

tion préférées, en se référant aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en élévation latérale simplifiée d'un turboréacteur à double flux avec un carter extérieur partiellement élagué afin de faire apparaître les structures internes localisées par ce carter extérieur et un organe d'étanchéité s'étendant entre ces structures;

la figure 2 est une vue en coupe agrandie illus-

trant une partie du carter extérieur, les structures inter-

nes localisées par ce dernier, ainsi qu'un organe d'étan-

chéité s'étendant entre ces structures; et la figure 3 est une vue de face de l'organe d'étanchéité avant son installation dans le moteur, la branche d'amont de cet organe étant partiellement élaguée pour faire apparaître la branche d'aval. La figure 1 illustre une forme de réalisation d'une turbine à gaz suivant l'invention. Les sections

principales de cette turbine sont: une section de compres-

sion 10, une section de combustion 12 et une section de

turbine 14. La section de turbine renferme un stator 16.

Un parcours d'écoulement annulaire 18 pour les gaz consti-

tuant le milieu de travail s'étend axialement à travers la

turbine. Un parcours d'écoulement 20 pour de l'air de re-

froidissement circonscrit le parcours d'écoulement pour les gaz du milieu de travail dans la section de turbine

du moteur.

La figure 2 est une vue en coupe agrandie d'une partie de la section de turbine 14. Dans cette section de turbine, le stator comporte un carter extérieur 22 et une

structure adjacente 24 fixée à ce dernier et à travers la-

quelle s'étend le parcours d'écoulement 20 pour l'air de refroidissement. Une partie 26 du parcours d'écoulement

pour l'air de refroidissement est circonscrite par le car-

ter extérieur. La structure adjacente 24 comporte un pre-

mier élément, en l'occurrence un anneau support 28, qui s'étend vers l'intérieur du parcours d'écoulement prévu pour l'air de refroidissement. Cet anneau support 28 comporte plusieurs surfaces dirigées vers l'extérieur (une

seule de ces surfaces étant représentée en 30). La struc-

ture adjacente 24 comporte également un second élément, en l'occurrence une bride 32, espacé axialement du premier élément le long du parcours d'écoulement. Cette bride s'étend vers l'intérieur du parcours d'écoulement pour l'air de refroidissement et elle comporte une surface 34

dirigée vers l'intérieur, ainsi qu'une surface pratique-

ment plane 36 dirigée vers l'avant. L'anneau support 28 comporte une surface pratiquement plane 38 dirigée vers

l'arrière et opposée partiellement à la surface pratique-

ment plane 36 de la bride. Un organe d'étanchéité 40 s'étend entre la surface dirigée vers l'arrière 38 de l'anneau support et la surface pratiquement plane 36 de la bride afin de définir une limite intérieure pour la

partie 26 du parcours d'écoulement d'air de refroidisse-

ment. Une gorge circonférentielle 42 est pratiquée dans le carter extérieur pour recevoir l'anneau support

28. Comme l'appréciera l'homme de métier, l'anneau sup-

port peut être un anneau continu ou un anneau segmentaire.

L'anneau support est assujetti au carter extérieur au

moyen d'un élément de fixation tel que le boulon 44. Cha-

que boulon comporte un épaulement 46. Un passage consti-

tué, par exemple, d'un ou plusieurs trous 48 s'étendant dans l'anneau support, permet l'écoulement de l'air de refroidissement à travers ce dernier. De la même manière, la bride 32 comporte un passage constitué, par exemple, d'un ou plusieurs trous 50, afin de permettre l'écoulement

de l'air de refroidissement à travers cette bride.

L'organe d'étanchéité 40 comporte une section

centrale 52 disposée au voisinage immédiat du parcours d'écou-

lement 18 suivi par les gaz chauds du milieu de travail.

Cette section centrale comporte une première extrémité ou

extrémité d'amont 54, ainsi qu'une seconde extrémité ou ex-

trémité d'aval 56. Une première branche ou branche d'amont 58 s'étend vers l'extérieur pour venir s'engager par glissement sur la surface dirigée vers l'arrière 38 de l'anneau support 28. Cette première branche comporte

plusieurs rainures radiales (dont une seule est représen-

tée en 62) lui permettant de venir s'engager également par glissement sur l'épaulement 46 de chaque boulon 44 à un raccord du type à languette et rainure 64. Une seconde branche ou branche d'aval 60 s'étend vers l'extérieur pour venir s'engager par glissement sur la surface dirigée vers

l'avant 36 de la bride 32.

La figure 3 est une vue de face de l'organe d'étanchéité 40 avant son installation dans la turbine à gaz. Cette figure montre la branche d'amont 58 avec ses rainures radiales 62. Plusieurs épaulements de boulons 46

sont également représentés en traits discontinus. L'or-

gane d'étanchéité comporte plusieurs trous 66 qui sont

plus grands que les trous 48 pratiqués dans l'anneau sup-

port 28. Dans la position installée, les trous 66 sont toujours en communication avec les trous 48 pour y permettre

la circulation des gaz.

Au cours du fonctionnement de la turbine à gaz,

aussi bien les gaz du milieu de travail que l'air de re-

froidissement pénètrent dans la section de turbine 14.

Les gaz chauds du milieu de travail pénètrent dans la sec-

tion de turbine en suivant le parcours d'écoulement 18 et ils échauffent les éléments de cette section de turbine, notamment l'organe d'étanchéité 40, le carter extérieur 22 et la structure adjacente 24 localisée par ce dernier, en l'occurrence l'anneau support 28 et la bride 32. L'air de refroidissement sous haute pression suivant le parcours

d'écoulement 20 traverse les trous 48 pratiqués dans l'an-

neau support et pénètre dans la partie circonférentielle

du parcours d'écoulement s'étendant entre la surface diri-

gée vers l'arrière 38 et la surface dirigée vers l'avant 36, après quoi il passe par les trous 50 de la bride du

carter extérieur et se dirige vers l'aval.

Les éléments de la turbine réagissent thermique-

ment à des vitesses différentes à l'échauffement-par les

gaz du milieu de travail et au refroidissement par l'air.

L'organe d'étanchéité 40 a une capacité thermique de loin inférieure à celle du carter extérieur 22. Par rapport à

ce carter extérieur, il est également plus proche du par-

cours d'écoulement 18suivi par les gaz chauds du milieu de travail. En conséquence, l'organe d'étanchéité réagit plus rapidement que le carter extérieur à des changements de température survenant dans le parcours suivi par ces gaz. Une élévation de la température des gaz chauds du milieu de travail telle que celle ayant lieu au cours des accélérations et au démarrage, a pour effet de déplacer l'organe d'étanchéité vers l'extérieur par rapport au

carter extérieur et à la structure adjacente 24 (en l'oc-

currence l'anneau support 28 et la bride 32) par glisse-

ment le long de l'épaulement 46 de chaque boulon 44 au

raccord correspondant 64 du type à languette et rainure.

Le carter réagit plus lentement que l'organe d'étanchéité

et il atteint une position d'état constant après ce dernier.

Avant que le carter atteigne un état constant, il se dilate à l'écart de l'organe d'étanchéité en glissant par rapport à la branche d'amont 58 et à la branche d'aval 60 de ce dernier. Etant donné que le carter et l'organe d'étanchéité sont à même de glisser l'un par rapport à

l'autre, on évite les contraintes résultant des différen-

ces de dilatation thermique entre le carter et l'organe d'étanchéité. La disposition concentrique de l'organe d'étanchéité autour de l'axe de la turbine est assurée

par le raccord du type à languette et rainure 64 prévu en-

tre l'organe d'étanchéité et l'anneau support.

L'organe d'étanchéité 40 bloque les fuites d'air de refroidissement hors du parcours d'écoulement qui lui est destiné, en assurant un engagement étanche entre la surface dirigée vers l'arrière 38 et la surface dirigée vers l'avant 36. La section centrale 52 de l'organe d'étanchéité est plus proche des gaz chauds du milieu de travail que la branche d'amont 58 ou la branche d'aval 60. A mesure de l'échauffement de l'organe d'étanchéité, la section centrale se dilate axialement, amenant ainsi

les branches d'aval et d'amont à exercer une force d'étan-

chéification axiale contre les surfaces respectives 36, 38.

Cette force d'étanchéification axiale augmente la force axiale exercée par les branches d'amont et d'aval suite à

la compression de l'organe d'étanchéité au cours de sa mi-

se en place. Les lignes en traits discontinus de la fi-

gure 2 indiquent la position libre de l'organe d'étan-

chéité avant sa mise en place. L'air de refroidissement

sous haute pression circulant le long du parcours d'écou-

lement 20 exerce une force d'étanchéification supplémen- taire contre la branche d'amont et la branche d'aval en

raison de l'étanchéité initiale résultant de la comptes-

sion exercée au cours de l'assemblage, ainsi que de la di-

latation axiale de la section centrale.

L'organe d'étanchéité est conçu pour compenser

les contraintes axiales et radiales engendrées à des en-

droits critiques. La flexibilité de la branche d'aval 60 permet de rattraper les différences de dilatation axiale entre le carter extérieur et l'organe d'étanchéité afin que les contraintes exercées dans ce dernier ne soient pas importantes au point de provoquer une fissuration, cette flexibilité assurant également l'application d'une force d'étanchéification adéquate contre la paroi d'amont et là paroi d'aval. La partie extérieure de la branche d'amont 58 entre en contact intime avec l'air de refroidissement sous haute pression. L'extrémité intérieure de la branche d'amont est solidaire de la section centrale de l'organe d'étanchéité et elle est localisée au voisinage immédiat des gaz chauds du milieu de travail. Grâce aux rainures

radiales 62 qui interrompent la continuité circonféren-

tielle de la branche d'amont, on évite une importante con-

trainte annulaire normalement associée au gradient de tem-

pérature existant entre la partie intérieure de la branche

d'amont et la partie extérieure de la branche d'aval.

Comme le comprendra l'homme de métier, l'organe

d'étanchéité 40 peut être maintenu dans une position rela-

tivement concentrique par-rapport à la ligne centrale du moteur, même sans le raccord du type à languette et rainure 64. Dans les formes de réalisation dépourvues de raccords du type à languette et rainure, la surface dirigée vers

l'extérieur 30 de l'anneau support 28 et la surface diri-

gée vers l'intérieur 34 de la bride 32 coopèrent pour con-

finer l'organe d'étanchéité dans une position radiale se rapprochant d'une orientation concentrique autour de l'axe

du moteur. Comme le comprendra également l'homme de mé-

tier, cette localisation donne lieu à des contraintes dues à des interférences occasionnelles entre l'organe d'étanchéité et la surface dirigée vers l'intérieur ou la

surface dirigée vers l'extérieur. L'homme de métier com-

prendra également que le passage de l'air de refroidisse-

ment à travers la gorge 42, entre l'anneau support 28 et le carter extérieur 22, permet de supprimer les trous 48

et 66 pour le passage de l'air de refroidissement.

Bien que la présente invention ait été illustrée

et décrite en se référant à une de ses formes de réalisa-

tion préférées, l'homme de métier comprendra que diverses modifications et omissions peuvent être envisagées tant dans sa forme que dans ses détails, sans se départir de

son esprit et de son cadre.

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Claims

REVENDICATIONS

1. Turbine à gaz du type comportant un parcours d'écoulement pour les gaz chauds constituant le milieu de travail, ce parcours étant circonscrit par un carter de moteur, ainsi qu'un parcours d'écoulement pour de l'air de refroidissement, disposé entre le parcours d'écoulement pour les gaz du milieu de travail et le carter de moteur, cette turbine comprenant également un premier et un second élément s'étendant à partir du carter de moteur en travers du parcours d'écoulement pour l'air de refroidissement, caractériséeen ce qu'un organe s'étend à l'intérieur du carter précité entre les premier et second éléments afin

de définir un parcours d'écoulement pour l'air de refroi-

dissement entre cet organe et le carter, cet organe étant conçu pour exercer une force d'étanchéification contre le second élément par allongement en réponse active à l'écoulement des gaz chauds du milieu de travail

dans le parcours d'écoulement qui leur est destiné.

2. Turbine à gaz suivant la revendication 1,

caractériséeen ce que l'organe destiné à définir un par-

cours d'écoulement pour l'air de refroidissement comporte

une section centrale disposée à proximité immédiate du par-

cours d'écoulement du milieu de travail chaud et qui s'al-

longe en réponse active à l'écoulement des gaz chauds du milieu de travail dans le parcours d'écoulement qui leur

est destiné.

3. Turbine à gaz suivant la revendication 2,

caractérisée en ce que l'organe destiné à définir un par-

cours d'écoulement pour l'air de refroidissement comporte une première branche s'étendant vers l'extérieur à partir de la section centrale pour venir s'engager par glissement sur le premier élément, et une seconde branche espacée axialement de la première et s'étendant vers l'extérieur pour venir s'engager par

glissement sur le second élément.

4. Turbine à gaz suivant la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend également un raccord 1l du type à languette et rainure réunissant la première

branche au premier élément.

5. Turbine à gaz suivant la revendication 3, caractérisée en ce que le premier élément comporte une surface dirigée vers l'extérieur, tandis que le second élément comporte une surface dirigée vers l'intérieur, l'organe destiné à définir un parcours d'écoulement pour l'air de refroidissement étant enfermé radialement entre

ces deux surfaces.

6. Turbine à gaz suivant l'une quelconque des

revendications 4 et 5, caractériséeen ce que la seconde

branche comporte une partie s'étendant dans une direction

pratiquement radiale à partir de la section centrale, cet-

te seconde branche venant appuyer contre le second élément

sur une distance suffisante à bartir de la section cen-

trale pour que l'organe d'étanchéité puisse venir s'enga-

ger par flexion sur le second élément et permette ainsi

l'allongement de la section centrale.