FR2540937A1 - Anneau pour un rotor de turbine d'une turbomachine - Google Patents

Abstract

UN ANNEAU 5 COMPORTE DEUX PAROIS RADIALES 5M, 5V PORTEES PAR LE CARTER 3A DE LA TURBINE, UNE PAROI INTERIEURE 5I ET DES MOYENS 10, 11, 12 POUR ENVOYER, DANS L'EVIDEMENT DE L'ANNEAU 5, DE L'AIR DE VENTILATION PRELEVE PAR EXEMPLE DANS LE COMPRESSEUR; SELON L'INVENTION, DES CANAUX 14 ENVOIENT DE L'AIR PRELEVE DANS L'ENCEINTE DE CHAMBRE DE LA TURBINE, CONTRE UNE VIROLE 7 PORTANT INTERIEUREMENT UN MATERIAU ABRADABLE 8 ET PORTEE ELLE-MEME PAR L'ANNEAU 5 AFIN DE REFROIDIR LA VIROLE 7 ET LA COUCHE ABRADABLE 8.

Description

ANNEAU POUR UU- ROTOR DE TURBINE D'UNE TURBOMACHINE
La pressente invention concerne un anneau pour un-rotor de turbine d'une turbomachine.

On sait que les changements de régime des turbomachines, qui sont relativement fréquents lorsqu'il s'agit de moteurs montes sur-des véhicules aériens, entraineraient des variations importantes du jeu entre le rotor de chaque étage de la turbine et l'anneau, généralement métallique, qui l'entoure, si des dispositions spéciales n'étaient pas prises pour maintenir ce jeu entre des limites prédfter- minées, et éviter en particulier tout endommagement des aubes du rotor.

Un exemple de ces dispositions speciales est fourni notamment par la demande de brevet d'invention 79 25028 pour un "Dispositif de réglage du jeu entre les aubes mobiles et l'anneau de turbine"1 que la Demanderesse a deposf le 9 octobre 1979. Selon cette demande de brevet, deux brides radiales, dont l'une est solidaire intErieurement du carter de la turbine, tandis que -l'autre est fixée intérieu- rement audit carter de façon amovible, supportent entre elles une virole, portant intErieurement .une couche d'un matériau abradable, c'est-à-dire d'un matériau susceptible d'être usé au moins partiellement par le sommet des aubes du rotor en raison de dilatations desdites aubes ou vibrations d'amplitude anormale. Avec la partie correspondante du carter, les deux brides radiales et la virole mentionnées forment une sorte d'anneau métallique à section évi dée, dans l'évidement intérieur duquel de l'air de ventilation, prélevé par exemple dans le compresseur associé a la turbine à gaz, est envoyé à partir d'un distributeur annulaire, extérieur au carter, et alimenté par un certain nombre de conduites radialee qui eervent aussi au centrage de l'anneau.Ceci permet; en envoyant dans le distributeur de l'air à des températures plus ou moins élevées, de contrôler les températures des différents éléments de l'anneau métallique, et notamment de la virole portant le matériau abradable, et, par suite, de réguler, pendant le fonctionnement de la turbine, le jeu existant entre les extrémités des aubes de son rotor, d'une part, et la couche de matériau abradable, d'autre part.

La demande de brevet français 78 02610 que la Demanderesse a déposée le 31 janvier 1978 montre notamment sur sa figure 1 un anneau de turbine du même genre, dont les deux brides radiales sont cependant solidaires intérieurement du carter de la turbine.

Ces ré.alisations antérieures d'anneaux de turbine comportent donc -un circuit unique pour l'air de ventilation, prélevé généralement dans un étage approprié du compresseur t cet air de ventilation vient frapper notamment la paroi intérieure de l'anneau métallique, dont il assure le conditionnement athermique, en même temps que le refroidissement du matériau abradable, qui, dans ces réalisations antérieures, est déposé directement sur la face intérieure de la virole, constituant la paroi intérieure de l'anneau métallique.On a constaté que- ces deux fonctions de conditionnement thermique, à savoir le conditionnement thermique de l'anneau métallique, et notamment de sa paroi intérieure, et le refroidissement de la couche de matériau abradable, ne sont pas toujours -susceptibles d'être toutes deux assures simultanément dans des conditions optimales en utilisant un unique circuit d'air de ventilation.

La présente invention concerne un anneau pour un rotor de turbine d'une turbomachine, qui comprend également un anneau métallique a section évidée, fixé intérieurement au carter de la turbin?, une virole portant intérieurement une couche d'un matériau abradable, et fixée, de façon amovible, à l'anneau métallique, près de sa paroi inté- rieure, et des moyens pour amener dans l'évidement intérieur de l'anneau métallique, de l'air de ventilation, prélevé par exemple dans le compresseur associé à la turbine ; l'anneau selon la présente invention et carac- térisé en ce qu'en outre un deuxième circuit de refroidissement est constitué par des canaux aménagés dans l'une au moins des parois sensiblement radiales de l'anneau métal- lique, pour envoyer de l'air de ventilation, prélevé dans l'enceinte de la chambre de combustion de la turbomachine, vers la virole portant le matériau abradable.

L'anneau de turbine selon la présente invention comporte donc, en plus du circuit d'air de ventilation, alimenté généralement'à partir du compresseur, qui est destiné' au conditionnement thermique des parois de l'anneau mtal- lique, et notamment de sa paroi intérieure,- un second circuit d'air de ventilation, qui est prélevé directement dans l'enceinte de la chambre de combustion de la turbomachine, et destine au refroidissement du matériau abradable porté par la virole. L'expérience a montré que ce double circuit de refroidissement permet d'assurer d'une façon beaucoup plus aisée le conditionnement thermique optimal d'une part de l'anneau métallique, et d'autre part du matériau abradable et de la virole qui le porte.

Dans une forme de réalisation préférée de l'anneau de turbine selon la présente invention, les canaux débouchent dans un espace annulaire, aménagé entre la paroi intérieure de l'anneau métallique et la virole portant le matériau abradable, par exemple sous la forme d'une gouttiere annulaire. délimitée par la face extérieure de ladite virole, et cet espace annulaire communique avec l'enceinte de turbine par d'autres canaux, traversant ladite virole et la couche de matériau abradable -qui la recouvre intérieurement.

Cette forme de réalisation est particulièrement avantageuse dans la mesure où elle permet un refroidissement efficace, sur la totalité de leur surface, de la virole et de la couche de matériau abradable qu'elle porte.

A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement au dessin annexé une forme de réalisation de l'anneau pour un rotor'de turbine d'une turbomachine, selon la présente invention.

La figure unique du dessin annexé est une vue partielle, en coupe par un plan axial, d'un étage de turbine de la turbomachine, pourvu d'un anneau de rotor selon la présente invention.

Sur la figure'unique du dessin annexé, on a désigné par 1A le rotor d'un étage de turbine de turbomachine -dont est seulement représentée l'extrémité de 1'une des aubes-, par 2A une partie du distributeur du même étage de la turbine, et par 3A la partie du carter de la turbine qui correspond à son étage 1A-2A, et qui est normalement réunie aux parties amont et aval de son carter à l'aide de brides radiales, 3m et 3v t celles-ci peuvent être réunies à des brides correspondantes -desdites parties amont et aval, notamment par des rangées de boulons, - traversant des per çages desdites brides radiales 3m et 3v. Au voisinage de ses brides extrêmes, 3m et 3v, ainsi que dans sa partie médiane, située au niveau du rotor 1A, l'élément de carter 3A présente une- épaisseur relativement importante, qui lui confère une certaine rigidité, alors que, dans les parties intermédiaires entre sa partie médiane et ses brides extrêmes, 3m et 3v, ledit élément de carter 3A présente des zones d'épaisseurs réduites, el et e2, qui confèrent à ces parties intermédiaires de l'élément de carter 3A une certaine élasticité, autorisant des déplacements relatifs de faible amplitude entre, d'une part, sa partie médiane, et, d'autre part, ses brides extrêmes, 3m et 3v, sans entratner de contraintes thermiques inadmissibles.

En dessous de la partie médiane, précédemment mentionnée, de l'élément de carter 3A de la turbine est disposé, au niveau du rotor 1A, un anneau métallique à section évidée, qui, dans l'exemple de réalisation illustré, est constitué de la façon suivante : cette anneau métallique 5, à section transversale sensiblement rectangulaire, est formé par une première bride 5v, relativement épaisse, notamment plus épaisse que l'élément de carter 3A, qui constitue la paroi radiale aval de l'anneau 5, et qui est solidaire de l'élément de carter 3A ; en amont, l'anneau .5 est délimité par une seconde bride radiale, 5m, dont l'épaisseur est voisine de celle de la premiFre bride, 5v, et qui constitue l'autre paroi radiale de l'anneau 5 t dans l'exemple de réalisation illustré, la seconde bride, 5m, est prolongée, du coté de son bord le plus extérieur, par une bride longitudinale, 5m1, qui est tournée vers l'amont, et qui est appliquée contre la surface intérieure de la partie médiane, épaisse, de l'élément de carter 3A, à la- quelle ladite bride longitudinale 5m1 est fixée de façon amovible, notamment par une rangée de boulons 4 ; le bord le plus intérieur de la seconde bride radiale 5m est prolongé vers l'aval par une bride longitudinale, qui s'étend jusqu'au niveau de la première bride radiale 5v, de façon & constituer la paroi intérieure, 5i, de l'anneau métallique 5. Enfin, la seconde bride radiale 5m, comporte également une troisième bride longitudinale, 5m2, qui est également tournée vers l'amont, comme la bride longitudinale 5ml, mais dont, la position radiale est intermédiaire entre celle des brides longitudinales 5ml et Si on voit sur la figure que cette bride longitudinale, 5m2, est engagée dans une gorge annulaire, également longitudinale, d'une pièce de raccordement 6, en forme de couronne, qui comporte également une gorge radiale, dans laquelle est engagée une bride radiale du distributeur 2A.Enfin les brides radiales 5m et 5v portent respectivement à un rayon pluq petit que celui de la paroi intérieure Si des prolongements, respectivément 5m3 vers l'aval et 5v3 vers l'amont formant des brides longitudinales de courte étendue axiale et la bride radiale 5v porte de plus sur sa face tournée vers l'aval deux prolongements 5v1 et 5v2 formant deux brides longitudinales de courte étendue axiale et sur la face tournée vers l'amont un prolongement 5v4 formant une autre bride longitudinale courte. L'utilité de ces divers prolongements sera explique ci-après.

7 désigne une virole cylindrique, de préférence métallique, dont la face interne porte une couche d'un matériau abradable 8, qui a été déposée par un procédé connu approprié. Dans l'exemple de réalisation illustré, l'épaisseur radiale de la virole 7 est variable dans la direction axiale, si bien qu'il y a formation, sur sa face extérieure, d'une sorte de gouttière, tandis que les bords amont et aval de ladite virole 7 sont conformes avec des gorges annulaires longitudinales, 7m et 7v, qui servent a la fixation amovible de la virole 7, portant le matériau abradable 8, contre la paroi intérieure 5i de l'anneau métallique précédemment décrit ; dans l'exemple -de réalisation illustré, cette fixation est obtenue par l'engagement des 'brides longitudinales, 5m3 et 5v3, dans les gorges longitudinales, 7m et 7v respectivement, de la virole 7. Par ailleurs, entre les brides longitudinales 5v1 et 5v2 de la bride radiale 5v, peut être engagée une bride longitudinale, correspondante, du distributeur (non représenté) de l'étage suivant de la turbine. Il convient aussi de remarquer que le bord aval de la virole 7 est assemblé avec l'extrémité la pius intérieure de la bride radiale 5v par encastrement, en superposition avec l'extrémité correspondante de la paroi intérieure Si de l'anneau métallique, dans l'intervalle formé entre les brides longitudinales courtes, 5v3 et 5v4 déjà mentionnées, de la bride radiale 5v.

La partie médiane de l'élément 3A du carter, qui constitue en fait la paroi extérieure de l'anneau métallique 5, -présente des ouvertures telles que 9, qui font communiquer l'évidement intérieur de l'anneau métallique 5 avec un distributeur annulaire 10, dont les parois radiales sont solidaires de la face externe dudit élément de carter 3A t dans ce distributeur annulaire 10 débouche, dans une direction sensiblement radiale, uné conduite 11, dans laquelle d'autres conduites, non représentées, et montées & l'extérieur du carter de la turbine, envoient de l'air de ventilation, sous une pression et à une température bien déterminées, qui a été prélevé dans l'un au moins des étages du compresseur (non repré6enté) associe à la tur- bine. De façon connue en soi, il est possible de modifier la température de l'air de ventilation envoyé dans la conduite ll et dans le distributeur 1Q, par exemple en prélevant cet air de ventilation dans des étages diffe- rents du compresseur; et/ou en mélangeant dans despro- portions réglables de l'air de ventilation provenant d'étages différents.L'air de ventilation qui'passe du distributeur annulaire 10 dans l'évidement intérieur de l'anneau métallique 5 par les ouvertures telles que 9, est ensuite réparti le plus régulièrement possible sur la paroi interne Si de l'anneau métallique par une tôle perforée 12, ou par des moyens équivalents, tels qu'une grille, et s'échappe vers l'aval, d'une façon connue, par exemple par les rainures longitudinales de la surface externe aval dè la paroi intérieure 5i, puis par des trous percés dans la bride 5v.Une fraction de l'air de ventilation s'échappe de l'évidement intérieur de'l'a'nneåu métallique 5 par des conduites longitudinales telles que 13, qui traversent, avec etanchéité, la première bride radiale 5v, et qui débouchent & l'entrée du distributeur (non représenté) du second étage de la turbine, afin d'assurer la ventilation de ses aubes, ou plus gntra- lement d'assurer la ventilation des aubes du distributeur suivant.

Selon la présente invention, des canaux tels que 14 sont en outre aménagés dans l'une au moins des parois sensiblement radiales de l'anneau métallique 5, notamment dans la bride radiale 5m qui constitue sa paroi amont, pour envoyer de l'air de ventilation prélevé dans l'enceinte entourant la chambre de combustion de la turbomachine, vers la virole 7, qui porte le matériau abradable 8. Dans l'exemple de réalisation illustré, en particulier, les canaux téls que 14 débouchent dans un espace annulaire 15 qui est délimité entre la paroi intérieure 5i de l'anneau métallique 5 et le fond de la gouttière aménagée sur la face extérieure de la virole 7, cet espace annulaire 15 communiquant avec les. sorties des canaux 14 par des canaux 16 longitudinaux dans l'exemple représenté, aménagés sur la face extérieure du bord correspondant de ladite virole 7. L'air de ventilation-ou de refroidissement qui parvient, parles canaux 14 et 16, dans l'espace- annulaire 15, y est réparti le plus régulièrement possible sur la la partie de la face extérieure de la virole 7 qui constitue le fond de la gouttière, par une tôle perforée 17, ou par des moyens équivalents, tels qu'une grille.Enfin, l'air de refroidissement ou de ventilation qui est venu frapper la surface extérieure de la virole 7 s'échappe de l'espace annulaire 15, par des canaux 18, qui traversent a la fois l'épaisseur de la virole 7 et la couche de matériau abradable 8.

En plus de ceux précédemment mentionnés, cette forme de réalisation de invention offre les avantages supplé- mentaires suivants : la virole 7, portant la couche de matériau abradable 8, peut être aisément démontée, par exemple pour rénover la couche 8, en desserrant les bo.u- lons tels que 4 et en démontant la bride amovible 5m-5ml 5m2-5i. I1 est bien entendu possible d'assujettir l'un à l'autre le bord aval de la bride longitudinale Si et le bord correspondant de la virole 7, par exemple par des chevilles 19, de façon à pouvoir enlever simultanément la bride amovible 5m-5ml-5i et la virole 7, portant la couche 8.D'autre part, les dilatations des brides radiales 5m et 5v, qui constituent les parois radiales de l'anneau métal- lique 5, ne produisent aucune déformation de ces dernières, en raison de leur épaisseur t par contre, les variations des dimensions radiales des deux brides épaisses, Sm et 5v, produisent des déplacements radiaux, de faible amplitude, de la partie médiane, épaisse, de l'élément 3A de carter par rapport à ses brides d'extremité 3m et 3v, ces déplacements de faible amplitude étant autorisés par le zones d'épaisseurs réduites, el et e2 dudit élément de carter 3A. L'anneau illustré et'préeé- demment décrit offre enfin l'avantage d'être notablement plus léger que les réalisations antérieures d'anneaux de turbine.

La présente invention n'est pas limitée à la forme de réalisation précédemment décrite. Elle englobe toutes ses variantes. La conformation en gouttière de la face extérieure de la virole portant le matériau abradable est matiAre a option ; sa face extérieure pourra être cylindrique tandis que la face tournée vers l'intérieur, de la paroi intérieure 5i de l'anneau métallique 5 pourrait être conformée de façon à délimiter l'espace annulaire correspondant : cet espace annulaire pourrait être aussi supprimé ou tout au moins remplacé par un réseau de rainures servant à la circulation de l'air de ventilation amené par les canaux 14.Au lieu de traverser la virole et sa couche de matériau abradable, les canaux d'évacuation de l'air de refroidissement, amené par les canaux 14, pourraient être disposés par exemple dans l'épaisseur de la bride aval 5v.

Le nombre des conduites ll alimentant le distributeur annulaire 10 est matière a option. Si leur nombre est suffisant, il est aussi possible de les faire déboucher directement dans l'évidement intérieur de l'anneau métallique 5, à travers les ouvertures 9, et par suite de supprimer le distributeur annulaire 10. La constitution décrite de l'anneau métallique 5 est matière à option, de même que celle de l'élément correspondant, 3A, du carter.

Ce dernier pourrait notamment être entièrement rigide l'anneau métallique lui-même pourrait avoir ses deux parois radiales, Sm et 5v, soit solidaires intérieurement de l'élément 3A du carter, soit montées l'une et l'autre de façon amovible sur la paroi interne dudit élément du carter. L'air de ventilation en provenance du compresseur pourrait être également introduit dans l'évidement intérieur de l'anneau métallique par un circuit intérieur au carter 3A, et passant notamment par des perçages aménagés dans l'une au moins des parois radiales de l'anneau metal- lique, de façon connue en soi.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Anneau pour un rotor de turbine d'une turbomachine, comprenant un anneau métallique (5) & section évidée, fixé intérieurement au carter (3A) de la turbine, une virole (7) portant intérieurement une couche (8) d'un matériau abradable, et fixée, de façon amovible, à l'anneau métallique (5), près de sa paroi intérieure (Si), et des.moyens constituant un premier circuit de refroidissement pour amener dans l'évidement intérieur de l'anneau métallique (5), de l'air de ventilation, prélevé par exemple dans le compresseur associé à la turbine, anneau caractérisé en ce qu'en outre un deuxième circuit de refroidissement est constitué par des canaux (14) aménagés dans l'une au moins des parois sensiblement radiales (5m, 5v) de l'anneau métallique (5,), pour envoyer de l'air de ventilation, prélevé dans l'enceinte de la chambre de combustion de la turbomachine, vers la virole, (7) portant le matériau abradable (8).

2. Anneau selon la revendication 1, dans lequel l'anneau métallique (5) a section évidée est constitué, de façon connue, par deux brides radiales épaisses, 'la première bride (5v), constituant sa paroi aval, étant solidaire intérieurement du carter (3A), tandis que la seconde bride (5m), constituant sa paroi amont, est fixée intérieurement au carter (3A) de façon amovible', et est prolongée, en direction de la première bride (3v), par une bride longitudinale, constituant la paroi intérieure (5i) de l'anneau, caractérisé en ce que des canaux de ventilation (14) sont aménagés dans l'épaisseur de la seconde bride (5m) de façon à s'étendre depuis la face externe de ladite seconde bride (5m) jusqu'à la face de la paroi intérieure (5i) de l'anneau (5), prés de laquelle est placée la virole (7) portant le matériau abradable (8). et que les parties du carter (3A) de la turbine, qui sont voisines de l'anneau (5), présentent des zones amincies (el, e2) de façon à être déformables pour encaisser les déformations radiales desdites première et seconde brides (5v, 5m).

3. Anneau selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie du carter (3A) qui constitue la paroi extérieure de i'anneau métallique présente des ouvertures (9) faisant communiquer l'évidement intérieur dudit anneau métallique (5) avec un distributeur annulaire (10), qui est aménagé extérieurement à ladite partie du carter (3A), et dans lequel au moins une conduite (11), sensiblement radiale, envoie de l'air de ventilation prélevé dans le compresseur, cet air de ventilation étant réparti sur la paroi interne (5i) de l'anneau métallique (5) par une tôle perforée (12) ou par des moyens -équivalents.

4. Anneau selon l'une quelconque des revendications la 3, caractérisé en ce que les canaux (14) débouchent dans un espace annulaire (15), aménagé entre la paroi intérieure (Si) 'de l'anneau mZtallique(5) et la virole (7) portant le matériau abradable (8), par exemple eous la forme d'une gouttière annulaire, délimitée par la face extérieure de ladite virole (7), et que cet espace annulaire (15) comme nique avec l'enceinte de turbine par d'autre canaux (18), traversant ladite virole (7) et la couche de matériau abradable (8),'qui' la recouvre intérieurement.

5. Anneau selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une tôle perforée (17), ou des moyens équivalents, sont prévus dans l'espace annulaire (15) pour répartir l'air de ventilation sur la face extérieure de la yirole (7).