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'PERFECTIONNEMENTS 'APPORTES AUX ,SUPPORTS.IDES .ORGANES .EXTERNES ID IUNE
MACHINE \ROTATIVE STELLE QU@UNE ''TURBINE.
L'invention est relative à un support pour les organes externes d'une machine rotative, telle qu'une turbine, ces organes devant être main- tenus dans une relation géométriquement similaire par rapport à !-,arbre de la- dite machine malgré que ces organes subissent une dilatation appréciable.
Elle est plus particulièrement applicable au support des con- duits d'échappement, en forme de tambour, des installations avec turbine à gaz dans laquelle passe un courant gazeux à température élevée. Dans ce cas la dilatation différentielle des divers organes de l'installation et les jeux réduits qui sont permis entre les aubes du rotor et du stator sont la cause que le problème de la dilatation thermique est sérieux.
Il a été d'usage, pour un grand nombre de machines rotatives construites jusqu'ici, de renforcer la construction et les appuis de manière telle qu'ils puissent résister, tout au moins en partie, à la dilatation ther- mique.En adoptant une construction appropriée on est parvenu à compenser les sollicitations thermiques jusqu'à une valeur prédéterminée mais malgré tout on n'a pu éviter les déformations. On a continué à procéder de la sorte, en général, pour la raison que les températures atteintes n'étaient pas suffi- samment élevées pour que des conditions critiques puissent être atteintes.
Depuis l'évolution des installations avec turbine à gaz des températures fonc- tionnelles beaucoup plus élevées sont toutefois devenues usuelles. Une turbi- ne à gaz a fonctionné pendant deux heures avec un courant gazeux à une tempe- rature de 1260 et il est vraisemblable que d'autres installations, calculées pour pouvoir fonctionner à de telles températures, suivront car le gain que l'on compte obtenir pour le rendement thermique est très intéressant. Il est évident que dans ces conditions on doit s'occuper du problème de la dilatation
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thermique et qu'en outre tout essai pour vouloir s'opposer à cette dilata- tion est voué à un insuccès.
Pour une installation avec turbine à gaz l'enveloppe de la turbine est supportée par un dispositif qui est agencé de manière à permet- tre des mouvements réduits des appuis sans quil en résulte des effets de torsion pour la machinerie proprement dite. Ce support est rendu un peu fle- xible, le mouvement latéral de l'axe de l'arbre étant permis. On prétend que la dilatation de l'enveloppe elle-même ne déplace pas l'arbre moteur d'une manière appréciable.
L'invention a pour objet un support pour les organes externes d'une machine rotative, telle qu'une turbine, ces organes devant être main- tenus dans une relation géométriquement similaire par rapport à l'arbre de ladite machine malgré que ces organes subissent une dilatation apprécia- ble, ce support étant caractérisé par au moins trois dispositifs de fixa- tion établis à l'extérieur de la structure externe,par au moins un appui, fixe dans l'espace, de chaque côté du plan vertical passant par l'axe de l'arbre de la machine et par au moins trois biellettes dont chacune est ar- ticulée, d'une part, à un dispositif de fixation et, d'autre part, à un appui, les dispositifs de fixation,
les biellettes et les points d'appui occupant des positions relatives telles que chaque biellette soit sensible- ment normale à une droite passant par 1?axe de 1-'arbre et le dispositif de fixation auquel elle est articulée.
Des points d'appui, écartés axialement, peuvent être prévus de part et d'autre de la structure. Deux biellettes peuvent être articulées à un même point d'appui et, dans tous les cas, les biellettes peuvent être re- froidies intérieurement. La structure supportée peut soutenir, en elle-même, une partie fixe de la machinerie et dans ce cas toute tendance à une dila- tation différentielle entre la partie fixe et la structure est tolérée.
Les dessins ci-annexés montrent, à titre d'exemple, plusieurs modes de réalisation de l'invention.
Les figso 1 et 2 montrent, respectivement en coupe axiale et en coupe transversale selon A-A fig. 1, une turbine à gaz dont le support de 1-'enveloppe est établi selon un mode de réalisation particulier de l'in- vention. la fig.3 montre, en vue en bout schématique, certains détails des biellettes et des dispositifs de fixation faisant partie de ce support.
La fig. 4 montre, à plus grande échelle et en coupe, cor-ment, la couronne des aubes du stator est supportée par le conduit d'échappement de la turbine.
Ia fig. 5 est une coupe selon B-D fig. 3.
La fig. 6 montre, schématiquement, d'autres modes de réalisation de 1-'invention,
La fig. 1 montre la turbine à gaz qui fait partie d'une instal- lation industrielle. Cette turbine est reliée par les accouplements 10 et 11 respectivement aux compresseurs à haute et à basse pression. Les gaz'chauds, fournis par le dispositif de combustion, sent introduits dans le conduit d'admission 12 d'où ils pénètrent dans le rotor 13 de la turbine à quatre é- tages. A la sortie de la turbine les gaz traversent le conduit 14 avec ses ailettes de guidage jusque dans le conduit d'échappement 15.
Le rotor 13 de la turbine est monté sur un arbre 16 dont les ex- trémités sont tourillonnées dans des paliers 17 qui reposent sur des plaques d'assise 18.
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Le fonctionnement de la turbine ne fait pas partie de l'inven- tion et n'est donc pas décrit mais il est à noter que les températures des gaz utilisés sont relativement élevées comparativement à celles utilisées dans des machines rotatives connues, qui font partie d'une installation fixe.
Dans ces conditions il est clair que le conduit d'échappement 15 est suscep- tible de se dilater d'une manière appréciable pendant le fonctionnement de la turbine. Il est nécessaire que pendant cette dilatation thermique le sup- port puisse maintenir le conduit dans une relation géométriquement similaire par rapport à 1?axe de 1?arbre 16 car il est clair qu'il nest pratiquement pas possible de vouloir s'opposer à la dilatation. Les efforts pour résister à la dilatation auraient pour effet de produire une déformation sérieuse du conduit et si celui-ci avait une section épaisse les tensions internes, qui en résulteraient, provoqueraient très probablement sa rupture.
De plus, pour cette machine particulière, le conduit 15 porte, à l'intérieur, le support 19 des aubes du stator, ce support formant également la paroi annu- laire externe du passage pour le fluide dans la turbine. Toute déformation du conduit d'échappement., par suite d'une dilatation thermique, aurait é- gale.ment pour effet de déformer les aubages du stator portés par ce conduit et, par conséquent, de déranger les aubages du rotor et du stator de la tur- bine.
Le support du conduit d'échappement est bien visible sur la fig. 2. Des appuis fixes 20 sont établis de part et dautre du plan vertical passant par l'axe de l'arbre de la turbine, ces appuis reposant sur des plaques d'assise rigides 21. A ces appuis 20 sont articulées des biellettes 22 qui supportent le poids du conduit d'échappement. Chacune de ces biellet- tes est articulée, d'une part, à un appui 20 et, d'autre part, à un di spo- sitif de fixation tel qu'un pivot 23 supporté à l'extérieur du conduit 15.
Ces dispositifs de fixation occupent des positions telles par rapport aux appuis 20 et par rapport à 1?axe de l'arbre, lorsque le conduit 15 et ses organes de support sont assemblés, que la droite passant par cet axe et l'un quelconque des dispositifs de fixation 23 soit sensiblement perpendi- culaire à la biellette 22 qui relie ce dispositif de fixation particulier à un appui. L'intersection à angle droit de la biellette avec la droite sus- dite est adoptée pour pouvoir concilier, autant que possible, le mouvement curviligne nécessaire de la biellette avec le mouvement rectiligne, provo- qué par la dilatation thermique, du conduit 15 aux articulations 23. L'an- gle d'intersection est compris, de préférence, entre 85 et 95 pour que cette conciliation soit vraiment effective.
Comme tous les points du conduit se dilatent radialement vers l'extérieur sans subir aucune contrainte, tou- tes les biellettes pivotent et aucune tension n'est produite dans le conduit lui-même ou dans les paliers 17 de l'arbre. L'expansion libre du conduit peut atteindre 5,5 mm avec un conduit ayant un diamètre de 90 cm et quand les gaz d'échappement ont une température de 400 .
La fig. 3 montre plus clairement l'agencement longitudinal du support du conduit d'échappement. Deux appuis 20, écartés axialement, se trouvent de chaque côté du plan vertical passant par l'axe de l'arbre, ceux qui sont placés d'un côté de ce plan étant seulement visibles. Deux biellet- tes sont articulées à chaque appui et un axe commun 24 traverse les quatre articulations des biellettes et les appuis. Des plaques de liaison 25 sont établies entre les deux biellettes qui se trouvent au-dessus de 11' axe 24 et entre celles qui sont prévues en dessous de cet axe. Ces plaques de liai- son 25 augmentent la rigidité dans une direction axiale.
Il est indésirable que la température élevée, qui agit sur le conduit 15, soit transmise aux appuis. Pour cette raison les bielletes 22 peuvent être constituées par des tubes de même que l'axe 24 peut être creux et peut comporter des petits trous (non montrés) par lesquels de l'air re- froidisseur peut pénétrer depuis 1-'axe creux 24 dans les biellettes tubu- laires.
D'autres trous 26 sont alors ménagés dans ces biellettes tubulaires pour compléter le passage dans lequel l'air refroidisseur peut circuler li- brement par convexion naturelle en pénétrant dans 1-'axe creux 24, en passant
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à 1?intérieur des bielletes et en sortant par les trous 26. Suivant une variante on peut adopter une circulation forcée de 1?air refroidisseur dans le même passage. Au lieu de se servir d'un axe long 24 entre les deux appuis 20 on peut utiliser chaque appui comme support d'une articulation pour les deux biellettes correspondantes, par exemple un court pivot sou- tenu, à ses extrémités, dans des paliers portés par cet appui.
Au cours de la description de la fige 1, on dit que le conduit 15 porte, à 1?intérieur, le support 19 des aubes du stator et le dispositif compensateur pour la dilatation différentielle de ces deux organes est mon- tré sur les figs. 4 et 5. Le support 19 comprend un rebord intégral 27 des- tiné à être logé dans une gorge 28 du conduit d'échappement 15. Le centrage du support des aubes est obtenu par quatre goujons 29 qui peuvent coulisser dans des encoches radiales 30 ménagées dans le rebord 27.On préfère se ser- vir de quatre goujons mais trois, répartis à 120 autour du rebord, peuvent suffire si le support des aubes est en une pièce. S'il est en deux pièces, comme montré, quatre goujons sont nécessaires.
La dilatation relative du support des aubes dans le conduit d'échappement est ainsi permise et l'em- placement coaxial de ce conduit par rapport à 1 axe de l'arbre, ce qui est une nécessité impérative,est assuré pour toutes les conditions de fonction- nement.
Un mode de réalisation préféré a été décrit ci=dessus, pour lequel l'ensemble du conduit d'échappement est supporté par huit biellettes disposées suivant deux paires axialement espacées placées de chaque côté de l'ensemble supporté. De cette manière la dilatation thermique du conduit) sans production de tensions internes et d'une déformation, est permise et un mode de support axial est en même temps obtenu. D'autres modes de réali- sation de l'invention peuvent être envisagés et certains d'entre eux sont montrés schématiquement sur la fig. 6 sur laquelle les organes sont désignés par les mêmes chiffres de référence que ci-dessus.
Pour tous ces modes de réalisation il est essentiel qu'un appui fixe se trouve de chaque coté de la structure et que 1?on utilise au moins trois biellettes. la relation de per- pendicularité ou à peu près entre la biellette et la droite reliant 1-'axe de 1-'arbre à un dispositif de fixation approprié est également essentielle pour permettre la dilatation radiale sans que l'axe de l'arbre ait une tendance à se déplacer. Les dispositions, montrées sur la fig. 6, représentent seule- ment des variantes, choisies parmi un grand nombre de modes de réalisation possibles, du dispositif préféré décrit en détail plus haut.
REVENDICATIONS.
1.- Un support pour les organes externes d'une machine rotati- ve, telle qu'une turbine, ces organes devant être maintenus dans une rela- tion géométriquement similaire par rapport à l'arbre de ladite machine mal- gré que ces organes subissent une dilatation appréciable, ce support étant caractérisé par au moins trois dispositifs de fixation établis à l'extérieur de la structure externe, par au moins un appui, fixe dans ],'espace, de cha- que côté du plan vertical passent par l'axe de Marbre d.e la machine et par au moins trois biellettes aont chacune est articulée, d'une part, à un dis- positif de fixation et, d'autre part, à 'un appui, les dispositifs de fixa- tion,
les biellettes et les points d'appui occupant des positions relatives telles que chaque biellette soit sensiblement normale à une droite passant par l'axe de l'arbre et le dispositif de fixation auquel elle est articulée.
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'IMPROVEMENTS' PROVIDED TO, SUPPORTS.IDES .EXTERNAL .ORGANS ID IUNE
MACHINE \ ROTATING STELLE QU @ A '' TURBINE.
The invention relates to a support for the external members of a rotary machine, such as a turbine, these members having to be maintained in a geometrically similar relationship with respect to the shaft of said machine despite the fact that these organs undergo appreciable dilation.
It is more particularly applicable to the support of the exhaust ducts, in the form of a drum, of installations with a gas turbine in which a gas stream passes at high temperature. In this case the differential expansion of the various components of the installation and the reduced clearances which are allowed between the blades of the rotor and of the stator are the cause that the problem of thermal expansion is serious.
It has been customary for a large number of rotary machines built up to now to reinforce the construction and the supports in such a way that they can resist, at least in part, thermal expansion. With an appropriate construction, we have succeeded in compensating for the thermal stresses up to a predetermined value, but despite everything we have not been able to avoid the deformations. This was continued, in general, for the reason that the temperatures reached were not high enough that critical conditions could be reached.
Since the development of gas turbine installations, however, much higher operating temperatures have become commonplace. A gas turbine has been operating for two hours with a gas stream at a temperature of 1260 and it is likely that other installations, calculated to be able to operate at such temperatures, will follow because the gain that is being counted to obtain for thermal efficiency is very interesting. It is obvious that in these conditions we must deal with the problem of dilation
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thermal and that furthermore any attempt to oppose this expansion is doomed to failure.
For an installation with a gas turbine, the casing of the turbine is supported by a device which is arranged in such a way as to allow reduced movements of the supports without resulting in torsional effects for the machinery itself. This support is made a little flexible, the lateral movement of the shaft axis being allowed. It is claimed that the expansion of the casing itself does not move the motor shaft appreciably.
The object of the invention is a support for the external members of a rotary machine, such as a turbine, these members having to be maintained in a geometrically similar relationship with respect to the shaft of said machine despite the fact that these members are subjected. an appreciable expansion, this support being characterized by at least three fixing devices established outside the external structure, by at least one support, fixed in space, on each side of the vertical plane passing through the 'axis of the machine shaft and by at least three connecting rods, each of which is articulated, on the one hand, to a fixing device and, on the other hand, to a support, the fixing devices,
the links and the bearing points occupying relative positions such that each link is substantially normal to a straight line passing through the axis of the shaft and the fastener to which it is articulated.
Support points, spaced apart axially, can be provided on either side of the structure. Two links can be articulated at the same fulcrum and, in all cases, the links can be cooled internally. The supported structure can support, in itself, a fixed part of the machinery and in this case any tendency for differential expansion between the fixed part and the structure is tolerated.
The accompanying drawings show, by way of example, several embodiments of the invention.
Figs 1 and 2 show, respectively in axial section and in cross section according to A-A fig. 1, a gas turbine of which the support of the casing is established according to a particular embodiment of the invention. FIG. 3 shows, in a schematic end view, certain details of the rods and of the fastening devices forming part of this support.
Fig. 4 shows, on a larger scale and in section, cor-ment, the crown of the stator vanes is supported by the exhaust duct of the turbine.
Ia fig. 5 is a section on B-D fig. 3.
Fig. 6 shows, schematically, other embodiments of 1-'invention,
Fig. 1 shows the gas turbine which is part of an industrial plant. This turbine is connected by the couplings 10 and 11 respectively to the high and low pressure compressors. The hot gases, supplied by the combustion device, are introduced into the inlet duct 12 from where they enter the rotor 13 of the four-stage turbine. At the outlet of the turbine, the gases pass through the duct 14 with its guide vanes into the exhaust duct 15.
The rotor 13 of the turbine is mounted on a shaft 16, the ends of which are journaled in bearings 17 which rest on base plates 18.
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The operation of the turbine does not form part of the invention and is therefore not described, but it should be noted that the temperatures of the gases used are relatively high compared to those used in known rotary machines, which form part of 'a fixed installation.
Under these conditions it is clear that the exhaust duct 15 is liable to expand appreciably during operation of the turbine. It is necessary that during this thermal expansion the support can maintain the duct in a geometrically similar relationship with respect to the axis of the shaft 16 since it is clear that it is practically not possible to want to oppose the. dilation. The efforts to resist the expansion would have the effect of producing a serious deformation of the duct and if the latter had a thick section the internal stresses, which would result, would very probably cause it to rupture.
In addition, for this particular machine, the duct 15 carries, inside, the support 19 for the stator vanes, this support also forming the outer annular wall of the passage for the fluid in the turbine. Any deformation of the exhaust duct, as a result of thermal expansion, would also have the effect of deforming the stator vanes carried by this duct and, consequently, of disturbing the vanes of the rotor and of the stator. the turbine.
The exhaust duct support is clearly visible in fig. 2. Fixed supports 20 are established on either side of the vertical plane passing through the axis of the turbine shaft, these supports resting on rigid base plates 21. To these supports 20 are articulated rods 22 which support the weight of the exhaust duct. Each of these connecting rods is articulated, on the one hand, to a support 20 and, on the other hand, to a fixing device such as a pivot 23 supported outside the duct 15.
These fixing devices occupy such positions with respect to the supports 20 and with respect to the axis of the shaft, when the duct 15 and its support members are assembled, that the line passing through this axis and any one of the fixing devices 23 is substantially perpendicular to the rod 22 which connects this particular fixing device to a support. The intersection at right angles of the rod with the aforementioned straight line is adopted in order to be able to reconcile, as far as possible, the necessary curvilinear movement of the rod with the rectilinear movement, caused by thermal expansion, of the duct 15 at the joints. 23. The angle of intersection is preferably between 85 and 95 for this reconciliation to be truly effective.
As all points of the conduit expand radially outward without undergoing any stress, all of the links pivot and no tension is produced in the conduit itself or in the bearings 17 of the shaft. The free expansion of the duct can reach 5.5 mm with a duct having a diameter of 90 cm and when the exhaust gases have a temperature of 400.
Fig. 3 shows more clearly the longitudinal arrangement of the support of the exhaust duct. Two supports 20, axially spaced, are on each side of the vertical plane passing through the axis of the shaft, those which are placed on one side of this plane being only visible. Two connecting rods are articulated at each support and a common axis 24 passes through the four articulations of the connecting rods and the supports. Connecting plates 25 are established between the two links which are located above 11 'axis 24 and between those which are provided below this axis. These tie plates 25 increase the stiffness in an axial direction.
It is undesirable that the high temperature, which acts on the duct 15, is transmitted to the supports. For this reason the connecting rods 22 may be formed by tubes just as the shaft 24 may be hollow and may have small holes (not shown) through which cooling air can enter from the hollow shaft 24. in the tubular links.
Other holes 26 are then made in these tubular rods to complete the passage in which the cooling air can circulate freely by natural convection by penetrating into the hollow axis 24, passing
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inside the connecting rods and exiting through the holes 26. According to a variant it is possible to adopt a forced circulation of the cooling air in the same passage. Instead of using a long axis 24 between the two supports 20, each support can be used as a support for an articulation for the two corresponding rods, for example a short pivot supported, at its ends, in supported bearings. by this support.
In the description of Fig. 1, it is said that the duct 15 carries, inside, the support 19 of the stator vanes and the compensating device for the differential expansion of these two members is shown in Figs. 4 and 5. The support 19 comprises an integral rim 27 intended to be housed in a groove 28 of the exhaust duct 15. The centering of the support of the blades is obtained by four studs 29 which can slide in radial notches 30 provided. in the rim 27. We prefer to use four studs but three, distributed 120 around the rim, may be sufficient if the support of the blades is in one piece. If it is in two pieces, as shown, four studs are required.
The relative expansion of the blade support in the exhaust duct is thus permitted and the coaxial location of this duct with respect to 1 axis of the shaft, which is an imperative necessity, is ensured for all operating conditions. operation.
A preferred embodiment has been described above, for which the whole of the exhaust duct is supported by eight rods arranged in two axially spaced pairs placed on each side of the supported assembly. In this way the thermal expansion of the duct) without producing internal stresses and deformation, is allowed and at the same time an axial support mode is obtained. Other embodiments of the invention can be envisioned and some of them are shown schematically in FIG. 6 on which the components are designated by the same reference numerals as above.
For all of these embodiments it is essential that a fixed support is located on each side of the structure and that at least three links are used. the relation of perpendicularity or roughly between the connecting rod and the straight line connecting the axis of the shaft to a suitable fixing device is also essential to allow radial expansion without the axis of the shaft having a tendency to move. The arrangements, shown in fig. 6, represent only variants, chosen from a large number of possible embodiments, of the preferred device described in detail above.
CLAIMS.
1.- A support for the external members of a rotary machine, such as a turbine, these members having to be maintained in a geometrically similar relation with respect to the shaft of said machine despite the fact that these members undergo appreciable expansion, this support being characterized by at least three fixing devices established outside the external structure, by at least one support, fixed in the space, on each side of the vertical plane passing through the the machine's marble axis and by at least three connecting rods each of which is articulated, on the one hand, to a fixing device and, on the other hand, to a support, the fixing devices,
the links and the support points occupying relative positions such that each link is substantially normal to a straight line passing through the axis of the shaft and the fixing device to which it is articulated.