FR2468728A1 - Joint d'etancheite automatique pour le rotor d'une turbine a gaz - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un joint d'étanchéité automatique pour rotor. Ce joint comporte une bande d'amont 38 s'étendant circonférentiellement en dessous des pieds d'aubes adjacents 20 à la paroi latérale d'amont 34 d'une gorge 28 pratiquée dans le disque de rotor 12 pour recevoir ces pieds 20, une bande d'aval 40 s'étendant circonférentiellement en dessous des pieds d'aubes adjacents 20 à la paroi latérale d'aval 36 de cette gorge 28, ainsi qu'au moins deux traverses 42 espacées circonférentiellement et s'étendant axialement en dessous de pieds adjacents 20 entre les bandes d'amont et d'aval 38, 40. L'invention est utilisée pour empêcher les fuites de milieu de travail gazeux entre les aubes mobiles et le disque de rotor d'une turbine à gaz.

Description

La présente invention concerne des turbines à

gaz et, plus particulièrement, un organe d'étanchéité dis-

posé entre les pieds d'une rangée d'aubes mobiles et un

disque de rotor.

Une turbine à gaz comporte une section de com-

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

bine. Un rotor s'étend axialement dans la section de com-

pression et la section de turbine. Chaque rotor comporte au moins un disque, ainsi que plusieurs aubes mobiles en

forme de surfaces portantes s'étendant vers l'extérieur.

Un parcours d'écoulement pour un milieu de travail s'étend axialement entre ces aubes mobiles. Les aubes mobiles comportent des pieds coopérant pour délimiter le parcours d'écoulement. Les gaz constituant le milieu de travail

qui sont dirigés le long du parcours d'écoulement à tra-

vers les aubes, reçoivent l'énergie engendrée par les au-

bes situées dans la section de compression et ils appli-

quent cette énergie aux aubes situées dans la section de turbine. Etant donné que les pieds des aubes sont à la fois espacés l'un de l'autre et des parois latérales du disque en laissant ainsi subsister des espaces libres à

ces endroits, dans certaines constructions, les gaz du mi-

lieu de travail s'échappent du parcours d'écoulement éta-

bli dans une zone de haute pression en s'écoulant à tra-

vers les espaces libres, en dessous des pieds pour péné-

trer dans les espaces compris entre ces derniers et le dis-

que, d'o ils s'écoulent ensuite dans le parcours d'écoule-

ment dans une zone de plus basse pression. Il est néces-

saire d'utiliser des structures assurant une étanchéité suffisamment efficace pour bloquer ces fuites et éviter

ainsi des effets préjudiciables sur le rendement du moteur.

Un exemple d'une structure permettant de bloquer

les fuites de gaz du milieu de travail entre des pieds d'-

aubes adjacents, est illustré dans le brevet des Etats-

Unis d'Amérique 3.972.645 au nom de Kasprow. Dans ce bre-

vet, on prévoit un joint d'étanchéité périphérique du

type en échelle comportant des traverses espacées circon-

férentiellement et reliées l'une à l'autre, à leurs extré-

mités opposées, par des bandes longitudinales solidaires des extrémités de-ces traverses. Comme on le sait, il est souhaitable que le

joint d'étanchéité périphérique et les aubes mobiles puis-

sent être assemblés aisément au disque de rotor et, à cet effet, dans le brevet précité de Kasprow,on prévoit à la fois un espace radial et un espace axial entre le joint

et le disque de rotor. Selon une caractéristique plus im-

portante, une étanchéité efficace est assurée entre des pieds d'aubes adjacents par la structure en échelle de

Kasprow. Les hommes de science et les ingénieurs conti-

nuent toujours à rechercher des joints d'étanchéité péri-

phériques plus efficaces, tout en conservant-la facilité

avec laquelle l'assemblage est effectué.

Un objet principal de la présente invention est d'accroître l'efficacité d'étanchéité d'une structure s'étendant circonférentiellement entre une rangée de pieds d'aubes mobiles et un disque de rotor. Un autre objet est de bloquer les fuites de gaz du milieu de travail entre les pieds et les aubes mobiles adjacentes, ainsi qu'entre la rangée d'aubes mobiles et le disque. Un autre objet encore est de fournir une structure d'étanchéité que l'on

peut faire glisser aisément en place au cours de l'assem-

blage.

Suivant la présente invention, un joint d'étan-

chéité périphérique disposé entre un disque de rotor et les pieds d'aubes mobiles adjacentes est pressé contre le disque de rotor et les pieds des aubes en réponse à des

forces actives en vue de bloquer les fuites de gaz du mi-

lieu de travail entre des pieds d'aubes adjacents, ainsi

qu'entre les pieds d'aubes et le disque de rotor.

Une caractéristique principale de la présente invention réside dans le joint d'étanchéité périphérique

disposé entre le disque de rotor et les pieds des aubes.

Le disque de rotor comporte une gorge destinée à recevoir les pieds des aubes. Une paroi latérale située en amont

et une paroi latérale située en aval délimitent cette gor-

ge. Le joint d'étanchéité périphérique comporte une bande d'amont à proximité de la paroi latérale située en amont

et une bande d'aval, à proximité de la paroi latérale si-

tuée en aval. Dans au moins une forme de réalisation, le

joint d'étanchéité périphérique comporte une partie cen-

trale courbe. La partie aplatie du joint d'étanchéité pé-

riphérique est plus longue que la partie non aplatie de ce dernier. Dans la position installée, la longueur de la partie non aplatie du joint d'étanchéité périphérique est

inférieure à la largeur de la gorge, mesurée entre les pa-

rois latérales de cette dernière.

Un avantage principal de la présente invention réside dans l'accroissement de l'efficacité d'étanchéité

résultant du blocage des fuites de gaz du milieu de tra-

vail avec, pour corollaire, un accroissement du rendement du moteur. Les fuites de gaz du milieu de travail sont bloquées par le joint d'étanchéité périphérique qui vient s'engager sur le disque de rotor et les pieds des aubes en réponse à des forces actives. Un autre avantage de la présente invention réside dans la facilité d'assemblage obtenue grâce à l'espace axial ménagé entre le joint

d'étanchéité périphérique et les parois latérales corres-

pondantes.

Ces différents objets, caractéristiques et avan-

tages 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 de face simplifiée d'une

partie d'un assemblage de rotor qui est partiellement éla-

gué pour illustrer le joint d'étanchéité périphérique de la présente invention; la figure 2A est une vue en coupe prise suivant

la ligne 2A-2A de la figure 1 et illustrant le joint d'é-

tanchéité périphérique de la présente invention au repos; la figure 2B est une vue en coupe correspondant

à la figure 2A, mais illustrant le joint d'étanchéité pé-

riphérique de la présente invention après son expansion sous l'action des charges de rotation;

la figure 3A est une vue-en coupe développée-

prise suivant la ligne 3A-3A de la figure 2A et dans la-

_quelle les pieds des aubes sont partiellement élagués; et la figure 3B est une vue en coupe développée

prise suivant la ligne 3B-3B de la figure 2B et correspon-

dant à la figure 3A, mais illustrant le joint d'étanchéité périphérique de la présente invention après son expansion

sous l'action des charges de rotation.

La figure 1 illustre une forme de réalisation

d'une turbine à gaz suivant la présente invention, une par-

tie de l'assemblage de rotor 10 de cette turbine étantre-

présentée. Cet assemblage comprend un disque de rotor 12 comportant un rebord 14, ainsi que plusieurs aubes mobiles 16 s'étendant vers l'extérieur à partir de ce dernier. Un

parcours d'écoulement pour les gaz 17 constituant le mi-

lieu de travail s'étend entre les aubes mobiles. Chaque aube mobile comporte une surface-portante 18, un pied 20

et un talon 22. Une rainure 26 s'étendant sur la circon-

férence du rebord du disque et dont la configuration cor-

respond à celle des talons, permet, au rebord précité, de

recevoir les talons des aubes mobiles. Une gorge 28 s'é-

tend sur la circonférence de cette rainure et permet, au

rebord du disque, de recevoir les pieds des aubes mobiles.

Les pieds des aubes mobiles adjacentes sont espacés circon-

féntiellement l'un de l'autre en laissant un espace C en-

tre eux. Un joint d'étanchéité périphérique 32 est dis-

posé dans la gorge 28 en dessous des pieds des aubes. Ce

joint d'étanchéité périphérique est constitué d'une matiè-

re flexible qui subit une flexion dans un champ de forces de rotation. Une matière satisfaisante à cet effet est

la matière recuite "AMS ('tAerospace Material Specifica-

tion") 5504".

Comme le montre la figure 2A, la gorge destinée à recevoir les pieds des aubes est délimitée par une paroi latérale d'amont 34 et une paroi latérale d'aval 36. Le joint d'étanchéité périphérique comporte une bande d'amont 38 qui s'étend circonférentiellement en dessous des pieds d'aubes adjacents à la paroi latérale d'amont et une bande d'aval 40 qui s'étend circonférentiellement en dessous des pieds d'aubes adjacents à la paroi latérale d'aval. Au

moins deux traverses espacées circonférentiellement (re-

présentées par l'unique traverse 42) s'étendent axialement en dessous des pieds d'aubes adjacents entre les bandes d'amont et d'aval du joint d'étanchéité périphérique. La

bande d'amont comporte un bord avant 44, tandis que la ban-

de d'aval comporte un bord arrière 46. La longueur non aplatie t est la plus courte distance comprise entre le

bord avant et le bord arrière du joint d'étanchéité péri-

phérique et, dans la position installée, elle est une lon-

gueur axiale parallèle à la ligne centrale du moteur. La longueur aplatie L est la distance comprise entre le bord

avant et le bord arrière d'un joint d'étanchéité périphé-

rique aplati. En d'autres termes, la longueur aplatie est

égale à la distance linéaire en travers du joint d'étan-

chéité périphérique profilé. La différence de longueur entre la partie aplatie L et la partie non aplatie X' est

supérieure à l'espace libre A, soit (L-t) >A.

La figure 3A est une vue développée de la struc-

ture illustrée en figure 2A, cette vue montrant la lon-

gueur non aplatie î du joint d'étanchéité périphérique.

La figure 2B est une vue correspondant à la fi-

gure 2A, mais illustrant le disque de rotor 12, le joint d'étanchéité périphérique 32 et l'aube de rotor 16 lors de

la mise en service avec le joint précité à l'état essen-

tiellement non aplati.

La figure 3B est une vue développée de la figu-

re 2B, montrant la longueur essentiellement aplatie L du

joint d'étanchéité périphérique.

Au cours du fonctionnement d'une turbine à gaz, les gaz constituant le milieu de travail sont dirigés le long du parcours d'écoulement 18. L'assemblage de rotor est entraîné en rotation à grande vitesse et il y a alors échange d'énergie avec les gaz du milieu de travail. La rotation du disque de rotor 12 engendre un champ de forces de rotation qui a pour effet de presser étroitement le talon

22 de l'aube mobile contre la partie supérieure de la rai-

nure 26. Le champ de forces de rotation amène également le joint d'étanchéité périphérique à venir appuyer contre

le dessous du pied 20. A la vitesse de fonctionnement de l'as-

semblage de rotor, le joint d'étanchéité périphérique s'aplatit contre le dessous du pied. A mesure que le joint d'étanchéité s'aplatit, la bande d'amont 38 et la bande d'aval 40 sont contraintes de venir s'engager sur

les parois latérales 34 et 36. La bande d'amont est pres-

sée étroitement contre la paroi latérale d'amont 34, tan-

dis que la bande d'aval est pressée étroitement contre la paroi latérale d'aval 36. Suivant la matière choisie, il

peut se produire un léger gauchissement du joint d'étan-

chéité périphérique à l'écart du dessous du pied et/ou une

légère déformation des bords d'amont et d'aval de ce joint.

Comme le montrent les dessins, le joint d'étan-

chéité périphérique peut s'étendre en dessous de plusieurs pieds d'aubes et, de préférence, il s'étend sur la majeure partie de la circonférence du rotor. Lors de l'assemblage et tandis que le joint d'étanchéité périphérique est à l'état non aplati, l'espace libre A définit un jeu axial entre les bords 44, 46 du joint et les parois latérales 34,

36 du disque. Grâce à ce jeu, le joint d'étanchéité péri-

phérique et les aubes peuvent glisser dans la rainure cir-

conférentielle 26 et la gorge 28 avec un minimum de grippa-

ge, permettant ainsi un assemblage aisé du joint d'étan-

chéité périphérique et des aubes mobiles.

Comme le comprendra l'homme de métier, n'impor-

te quel joint d'étanchéité périphérique 32 dans lequel la longueur essentiellement aplatie L dépasse la longueur non aplatie Z d'une distance supérieure à l'espace libre A, soit (L-1) > A, assurera l'étanchéité requise. Lors de la mise en oeuvre de ce concept, la traverse 42 peut être

cintrée dans la direction axiale avec une courbure conca-

ve (comme illustré dans les dessins) ou une courbure con-

vexe dirigée vers l'extérieur. Dans d'autres formes de réalisation, la traverse peut comporter une série de plans s'étendant dans la direction axiale en formant des angles aigus ou obtus l'un par rapport à l'autre. De la même manière, les bandes circonférentielles d'aval et

d'amont peuvent comporter des courbes ou des plans s'éten-

dant axialement et capables d'assurer l'accroissement de

longueur sous les forces de rotation.

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.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Joint d'étanchéité périphérique pour un disque de rotor d'une turbine à gaz, ce disque comportant un

rebord dans lequel est pratiquée une rainure circonféren-

tielle destinée à recevoir les talons de plusieurs aubes mobiles ayant un pied s'étendant vers l'extérieur, cette rainure étant délimitée par une paroi latérale d'amont

et une paroi latérale d'aval, le joint d'étanchéité péri-

phérique étant disposé entre les pieds des aubes et le disque de rotor et comportant une bande d'amont s'étendant

-circonférentiellement en dessous des pieds d'aubes adja-

cents à la paroi latérale d'amont, une bande d'aval s' étendant circonférentiellement en dessous des pieds d' aubes adjacents à-la paroi latérale d'amont, et au moins

deux traverses espacées circonférentiellement et s'éten-

dant axialement en dessous des pieds d'aubes adjacents entre les bandes d'amont et d'aval du joint d'étanchéité périphérique, caractérisé en ce que le joint d'étanchéité est conçu d& façon à être axialement espacé, lorsque le rotor est à l'arrêt, d'au moins une paroi latérale afin de définir un espace libre à cet endroit et pour venir appuyer contre les parois latérales d'amont et d'aval, ainsi que contre les pieds d'aubes en réponse à des forces

actives de rotation.

2. Joint d'étanchéité suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une longueur non aplatie, mesurée dans la direction axiale, ainsi qu'une longueur aplatie correspondante plus grande que la longueur non aplatie.

3. Joint d'étanchéité suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins deux traverses comportent une longueur non aplatie, mesurée dans la direction axiale ainsi qu'une longueur aplatie correspondante plus grande

que la longueur non aplatie.

4. Joint d'étanchéité suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ces traverses ont chacune une surface courbe.

5. Joint d'étanchéité suivant la revendication 4, caractérisé en ce que chacune de ces surfaces courbes a un côté concave dirigé vers les pieds de la paire adjacente

d'aubes mobiles.

6. Joint d'étanchéité suivant la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des traverses comporte une partie centrale courbe conçue pour être aplatie en réponse

aux forces de rotation engendrées lors de la mise en ser-

vice du disque de rotor dans lequel le joint d'étanchéité

périphérique est installé.

7. Joint d'étanchéité périphérique pour une turbine à gaz, ce joint comportant:

une première bande s'étendant dans une première direc-

tion, une seconde bande espacée de la première bande et s' étendant dans la direction de celle-ci, au moins deux traverses s'étendant dans une seconde direction pratiquement perpendiculaire à la première en étant réunie d'une seule pièce à la première bande par une

de ces extrémités et à la seconde bande, par son autre ex-

trémité, caractérisé en ce qu'il comporte une longueur non aplatie mesurée dans la seconde direction, ainsi qu'une longueur aplatie correspondante plus grande que la longueur

non aplatie.

8. Joint d'étanchéité Périphérique pour une turbine à gaz suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la longueur aplatie de la traverse dans la seconde direction est plus grande que la longueur non aplatie de la traverse

dans cette seconde direction.