WO2003102380A1 - Maitrise de la zone de fuite sous plate-forme d'aube - Google Patents

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Chantal Giot
Marc Marchi
Christian Gosselin
Eric Bil
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Safran Aircraft Engines SAS
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    • F01D5/3015—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type with side plates
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    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/55—Seals

Definitions

  • the invention relates to the control of leakage zones under the platforms of the blades of a bladed wheel in a turbomachine. More precisely, it relates to a bladed wheel of a turbomachine comprising a disc having at its periphery a plurality of substantially axial cells, a plurality of blades whose feet are retained in said cells and which have platforms intended to delimit, on the side radially inside, the gas flow stream and upstream and downstream radial walls which extend from said platforms towards the periphery of said disc, inter-blade cavities delimited by said platforms and the periphery of said disc, and sealing devices for the inter-blade spaces produced in the form of liners having flared edges radially inwards and arranged in said cavities against the walls of the platforms of two neighboring blades.
  • Figure 1 shows in perspective a sealing jacket 1 according to the state of the art which has an upstream edge 2 and a downstream edge 3 flared radially inwardly, as well as two curved longitudinal flared edges which follow the flanks of the blades under the platforms.
  • the upstream 2 and downstream 3 edges are intended to come in the immediate vicinity of the adjacent radial walls upstream and downstream of the two adjacent blades, in order to limit the leaks through the space separating the adjacent side walls.
  • the upper wall 6 of each liner bears against the lower faces of two neighboring platforms under the action of centrifugal forces when the wheel is in rotation and seals the gap separating the neighboring platforms.
  • the flared edges are practically non-deformable under the action of centrifugal forces, and it cannot be guaranteed that the flared edges upstream 2 and downstream 3 are effectively applied against the radial walls upstream and downstream of the blades. As shown in Figure 2, these edges may be spaced from the adjacent radial walls, which causes air leakage f between the cavity under the platform and the gas flow stream in these areas, which is detrimental to the performance of the wheel.
  • the object of the invention is to better control the leakage area under a blade platform, in particular at the interstices between the radial walls under platforms.
  • each liner has on one of its flared edges, upstream or downstream, an elastic zone and the radial walls adjacent to these edges are connected to the platforms by internal surfaces inclined relative to to a radial plane, and against which said elastic zone is in abutment, so that said elastic zone can slide radially inwards in the event of the rotation of said wheel, and radially outwards under the action of centrifugal forces in order to urge said jacket to move axially towards the radial walls distant from said elastic zone in order to improve the seal in this zone. If the bladed wheel stops, the elastic zone slides radially inwards and the jacket is put out of stress and moves away from the lower walls of the two platforms at least in the regions close to the elastic zone.
  • the centrifugal forces will apply the jacket against the lower walls of the platforms, and the elastic forces will push the opposite flared edge towards the opposite side walls of the elastic edge, in order to improve the tightness in this place.
  • the elastic zones are always supported on the adjacent side walls, sealing is guaranteed in this zone.
  • the radial walls remote from the elastic zones include stops to limit the axial displacement of the liners under the action of centrifugal forces.
  • the side walls adjacent to the elastic zones also include stops to limit the sliding inward of said elastic zones.
  • the elastic zones are delimited circumferentially by two notches formed in the corresponding flared edge of the shirts. This arrangement makes it easy to implement the invention without additional cost.
  • the invention applies in particular to padded turbine wheels.
  • the elastic zone is provided on the upstream edge, and the angle of the inclined surface relative to the radial plane is greater than the slope of the platform relative to the axis of rotation of the turbomachine.
  • FIG. 1 is a view from below and in perspective of a shirt of 'sealing according to the prior art
  • Figure 2 is a side sectional view of a liner edge and a radial blade wall according to the prior art
  • Figure 3 is a top view in perspective of a sealing jacket according to the invention
  • Figure 4 is a bottom view in perspective of the sealing jacket of Figure 3
  • Figure 5 is a section along a plane containing the axis of the bladed wheel, which shows the arrangement of the sealing jacket according to the invention in the cavity under platforms, after assembly and in the absence of centrifugal forces
  • FIG. 6 is similar to FIG. 5 and shows the position of the sealing jacket, when it is subjected to centrifugal forces as a result of the rotation of the bladed wheel.
  • Figures 1 and 2 show the state of the art which has been discussed above in this memo.
  • Figures 3 and 4 show a sealing jacket 10 according to the invention which has edges flared radially inward, namely an upstream edge 12, a downstream edge 13, and between the upstream edge 12 and the downstream edge 13 two longitudinal curved flared edges which follow the shape of the sides of the two adjacent blades.
  • the upstream edge 12 has two notches 16 and 17 which delimit between them an elastic zone 18 which, at rest, emerges on the front relative to the upstream edge 2 of the jacket 1 according to the state of the art shown in Figure 1
  • the elastic zone 18 is outside the imaginary surface which would connect the ends 12a and 12b of the upstream edge 12 continuously and smoothly, located beyond the notches 16 and 17, and connected respectively to the longitudinal edges 14 and 15 by convex surfaces.
  • Figures 5 and 6 show a bladed wheel 30 which has a disc 31 which has at its periphery a plurality of substantially axial cells 32 in each of which houses the foot of a blade 33.
  • Each blade 33 has above its foot a platform
  • each blade 33 has a portion of platform on the right and a portion of platform on the left. The same is true of the radial walls
  • Each cavity under platforms 37 is thus delimited by right and left platform portions of two adjacent blades, and by their portions of upstream and downstream side walls, right and left.
  • a clearance or gap separates the right and left portions which must be sealed with a sealing jacket.
  • connection 38 between the upstream radial wall 35 and the platform 34 has, on the side of the cavity 37, a surface 39 which forms an angle oc with the radial plane perpendicular to the axis of rotation of the bladed wheel 30.
  • the downstream radial wall 36 is connected to the platform 34 by a zone 40 which has, on the side of the cavity 37, a curved surface 41 complementary to the flaring of the upstream edge 13 of the jacket 10.
  • the downstream radial wall 36 also has a protuberance 42 on its internal face which serves as a stop for the downstream edge of the jacket 10.
  • the upstream radial wall 35 also has a protrusion 43 on its face located on the side of the cavity 37 .
  • the jacket 10 is mounted in the cavity 37 in such a way that the downstream edge 13 is positioned above the projection 42 and that the elastic zone 18 is positioned above the projection 43. In this position, the elastic zone 18 of the jacket 10 bears on the inclined surface 39.
  • the angle of the inclined surface 39 is calculated as a function of the slope of the platform 34 relative to the axis of rotation of the wheel and as a function of the friction angle ⁇ of the liner 10 against the internal surface of the platform 34, so that, in the absence of centrifugal force, that is to say when the bladed wheel 30 is stopped, the elastic zone 18 slides radially inwards on the inclined surface 39.
  • the upper wall 19 of the jacket is spread over its greatest extent from the underside of the platform 34, as can be seen in FIG. 5, the jacket 10 tilting around an axis cutting the plane of FIG. 5 at the point referenced 44 and located in the vicinity of the downstream flared edge 13.
  • the protuberance 43 of the upstream radial wall 35 makes it possible to limit the sliding of the elastic zone 18, and to retain the jacket 10 in the upper zone of cavity 37.
  • FIG. 6 shows the position of the jacket 10 during the rotation of the bladed wheel 30.
  • the jacket 10 is subjected to centrifugal forces which tend to press it against the internal face of the platform 34.
  • the elastic zone 18 is biased radially outwards and it slides against the inclined wall 39.
  • the angle ⁇ is advantageously greater than the slope of the platform 34.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Il est présenté une manière pour la maîtrise de la zone de fuite sous les plates-formes (34) d'aubes (33) d'une roue aubagée (30) d'une turbomachine au moyen de chemises (10) à bords évasés (13, 14, 15, 18) radialement vers l'intérieur, disposées dans les cavités (37) interaubes délimitées par les plates-formes,les parois radiales amont et aval des aubes et la périphérie du disque (31) de la roue. L'un des bords évases, amont ou aval, présente une zone élastique (18) en appui sur une surface inclinée (39) de la paroi radiale adjacente (35) par rapport à un plan radial, de telle manière que sous l'action des forces centrifuges, la chemise (10) tend à se déplacer axialement vers la paroi radiale opposée (36) afin d'améliorer l'étanchéite dans cette zone, et qu'à l'arrêt de la roue, la zone élastique (18) se déplace radialement vers l'intérieur, la chemise (10) pivotant autour d'un axe (44) distant de la zone élastique (18).

Description

Maîtrise de la zone de fuite sous plate-forme d'aube.
L'invention concerne la maîtrise des zones de fuite sous les plates-formes des aubes d'une roue aubagée dans une turbomachine. Elle concerne plus précisément une roue aubagée de turbomachine comportant un disque présentant à sa périphérie une pluralité d'alvéoles sensiblement axiales, une pluralité d'aubes dont les pieds sont retenus dans lesdites alvéoles et qui présentent des plates-formes destinées à délimiter, du côté radialement intérieur, la veine de flux gazeux et des parois radiales amont et aval qui s'étendent à partir desdites plates-formes vers la périphérie dudit disque, des cavités inter-aubes délimitées par lesdites plates-formes et la périphérie dudit disque, et des dispositifs d'étanchéité des espaces inter-aubes réalisés sous forme de chemises ayant des bords évasés radialement vers l'intérieur et disposées dans lesdites cavités contre les parois des plates-formes de deux aubes voisines.
La figure 1 montre en perspective une chemise d'étanchéité 1 selon l'état de la technique qui présente un bord amont 2 et un bord aval 3 évasés radialement vers l'intérieur, ainsi que deux bords évasés longitudinaux incurvés qui épousent les flancs des aubes sous les plates-formes. Les bords amont 2 et aval 3 sont destinés à venir au voisinage immédiat des parois radiales adjacentes amont et aval des deux aubes voisines, afin de limiter les fuites par l'espace séparant les parois latérales voisines. La paroi supérieure 6 de chaque chemise vient appuyer contre les faces inférieures de deux plates-formes voisines sous l'action des forces centrifuges lorsque la roue est en rotation et assure l'étanchéité de l'interstice séparant les plates-formes voisines. Par construction, les bords évasés sont pratiquement indéformables sous l'action des forces centrifuges, et on ne peut garantir que les bords évasés amont 2 et aval 3 soient effectivement appliqués contre les parois radiales amont et aval des aubes. Ainsi que cela est montré sur la figure 2, ces bords peuvent se trouver écartés des parois radiales adjacentes, ce qui entraîne une fuite d'air f entre la cavité sous la plate-forme et la veine de flux gazeux dans ces zones, ce qui est préjudiciable au rendement de la roue. Le but de l'invention est de mieux maîtriser la zone de fuite sous une plate-forme d'aube notamment au niveau des interstices entre les parois radiales sous plates-formes.
L'invention atteint son but par le fait que chaque chemise présente sur l'un de ses bords évasés, amont ou aval, une zone élastique et les parois radiales adjacentes à ces bords sont raccordées aux plates-formes par des surfaces internes inclinées par rapport à un plan radial, et contre lesquelles ladite zone élastique est en appui, de telle manière que ladite zone élastique peut glisser radialement vers l'intérieur en cas d'arrêt de la rotation de ladite roue, et radialement vers l'extérieur sous l'action des forces centrifuges afin de solliciter ladite chemise à se déplacer axialement vers les parois radiales éloignées de ladite zone élastique pour améliorer l'étanchéité dans cette zone. En cas d'arrêt de la roue aubagée, la zone élastique glisse radialement vers l'intérieur et la chemise se met hors contrainte et s'écarte des parois inférieures des deux plates-formes au moins dans les régions voisines de la zone élastique. Lorsque la roue aubagée est mise en rotation, les forces centrifuges vont appliquer la chemise contre les parois inférieures des plates-formes, et les forces élastiques vont repousser le bord évasé opposé vers les parois latérales opposées du bord élastique, afin d'améliorer l'étanchéité à cet endroit. Les zones élastiques étant toujours en appui sur les parois latérales adjacentes, l'étanchéité est garantie dans cette zone. Avantageusement les parois radiales éloignées des zones élastiques comportent des butées pour limiter le déplacement axial des chemises sous l'action des forces centrifuges.
Les parois latérales adjacentes aux zones élastiques comportent également des butées pour limiter le glissement vers l'intérieur desdites zones élastiques.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention les zones élastiques sont délimitées circonférentiellement par deux entailles ménagées dans le bord évasé correspondant des chemises. Cette disposition permet de mettre en œuvre facilement l'invention sans coût supplémentaire. L'invention s'applique notamment aux roues aubagées de turbine.
Dans ce cas particulier, la zone élastique est prévue sur le bord amont, et l'angle de la surface inclinée par rapport au plan radial est supérieur à la pente de la plate-forme par rapport à l'axe de rotation de la turbomachine.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description suivante, faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue de dessous et en perspective d'une chemise d'étanchéité selon l'art antérieur ; la figure 2 est une vue latérale en coupe d'un bord de chemise et d'une paroi radiale d'aube selon l'art antérieur ; la figure 3 est une vue de dessus et en perspective d'une chemise d'étanchéité selon l'invention ; la figure 4 est une vue de dessous et en perspective de la chemise d'étanchéité de la figure 3 ; la figure 5 est une coupe selon un plan contenant l'axe de la roue aubagée, qui montre la disposition de la chemise d'étanchéité selon l'invention dans la cavité sous plates-formes, après montage et en l'absence de forces centrifuges ; et la figure 6 est semblable à la figure 5 et montre la position de la chemise d'étanchéité, lorsqu'elle est soumise à des forces centrifuges par suite de la rotation de la roue aubagée. Les figures 1 et 2 montrent l'état de la technique qui a été discuté supra dans le présent mémoire.
Les figures 3 et 4 montrent une chemise d'étanchéité 10 selon l'invention qui comporte des bords évasés radialement vers l'intérieur, à savoir un bord amont 12, un bord aval 13, et entre le bord amont 12 et le bord aval 13 deux bords longitudinaux évasés incurvés qui épousent la forme des flancs des deux aubes adjacentes.
Le bord amont 12 présente deux entailles 16 et 17 qui délimitent entre elles une zone élastique 18 qui, au repos, émerge sur l'avant par rapport au bord amont 2 de la chemise 1 selon l'état de la technique montré sur la figure 1. Autrement dit, au repos, la zone élastique 18 se trouve à l'extérieur de la surface imaginaire qui relierait de manière continue et douce les extrémités 12a et 12b du bord amont 12, situées au-delà des entailles 16 et 17, et raccordées respectivement aux bords longitudinaux 14 et 15 par des surfaces convexes. Les figures 5 et 6 montrent une roue aubagée 30 qui comporte un disque 31 qui présente à sa périphérie une pluralité d'alvéoles 32 sensiblement axiales dans chacun desquelles loge le pied d'une aube 33. Chaque aube 33 présente au-dessus de son pied une plate-forme
34 qui délimite, radialement à l'intérieur, la veine de flux gazeux F traversant la grille d'aubes, cette plate-forme 34 étant raccordée à une paroi radiale amont 35 et à une paroi radiale aval 36 qui s'étendent vers la périphérie du disque 31. Des cavités 37 inter-aubes sont ainsi aménagées à la périphérie du disque 31 sous les plates-formes 34. Si on regarde la grille d'aubes axialement dans le sens du flux gazeux F, chaque aube 33 présente une portion de plate-forme à droite et une portion de plate-forme à gauche. Il en est de même des parois radiales
35 et 36. Chaque cavité sous plates-formes 37 est ainsi délimitée par des portions de plate-forme droite et gauche de deux aubes adjacentes, et par leurs portions de parois latérales amont et aval, droites et gauches. Par construction et pour les besoins de montage, un jeu ou interstice sépare les portions de droite et de gauche qu'il est nécessaire d'étancher par une chemise d'étanchéité.
Ainsi que cela est montré sur les figures 5 et 6, le raccordement 38 entre la paroi radiale amont 35 et la plate-forme 34 présente du côté de la cavité 37 une surface 39 qui fait un angle oc avec le plan radial perpendiculaire à l'axe de rotation de la roue aubagée 30. La paroi radiale aval 36 est raccordée à la plate-forme 34 par une zone 40 qui présente du côté de la cavité 37 une surface courbe 41 complémentaire de l'évasement du bord amont 13 de la chemise 10. La paroi radiale aval 36 présente en outre sur sa face interne une excroissance 42 qui sert de butée au rebord aval de la chemise 10. La paroi radiale amont 35 présente également sur sa face située du côté de la cavité 37, une excroissance 43.
La chemise 10 est montée dans la cavité 37 de telle manière que le bord aval 13 soit positionné au-dessus de l'excroissance 42 et que la zone élastique 18 soit positionnée au-dessus de l'excroissance 43. Dans cette position, la zone élastique 18 de la chemise 10 est en appui sur la surface inclinée 39.
L'angle de la surface inclinée 39 est calculé en fonction de la pente de la plate-forme 34 par rapport à l'axe de rotation de la roue et en fonction de l'angle de frottement φ de la chemise 10 contre la surface interne de la plate-forme 34, pour que, en l'absence de force centrifuge, c'est-à-dire lorsque la roue aubagée 30 est à l'arrêt, la zone élastique 18 glisse radialement vers l'intérieur sur la surface inclinée 39. Dans cette position, la paroi supérieure 19 de la chemise est écartée sur sa plus grande étendue de la face inférieure de la plateforme 34, ainsi que cela est visible sur la figure 5, la chemise 10 basculant autour d'un axe coupant le plan de la figure 5 au point référencé 44 et situé au voisinage du bord évasé aval 13. L'excroissance 43 de la paroi radiale amont 35 permet de limiter le glissement de la zone élastique 18, et de retenir la chemise 10 dans la zone supérieure de la cavité 37.
La figure 6 montre la position de la chemise 10 lors de la rotation de la roue aubagée 30. Dans cette position, la chemise 10 est soumise à des forces centrifuges qui tendent à la plaquer contre la face interne de la plate-forme 34. La zone élastique 18 est sollicitée radialement vers l'extérieur et elle glisse contre la paroi inclinée 39.
L'angle α est avantageusement supérieur à la pente de la plateforme 34. Lors du déplacement vers l'extérieur de la zone élastique 18, par basculement de la chemise 10 autour de l'axe de pivotement défini par le point référencé 44, la force élastique exercée par la zone élastique 18 augmente, et cette force tend à déplacer axialement la chemise 10 vers la paroi radiale aval 36 ce qui améliore l'étanchéité au niveau de la zone de raccordement 40. Le déplacement axial de la chemise 10 est limité par l'excroissance 42 qui sert de butée.
Lors de la mise à l'arrêt de la roue aubagée 30, la chemise 10 reprendra la position montrée sur la figure 5, dès que les forces centrifuges seront insuffisantes pour empêcher le glissement de la zone élastique 18 sur la paroi inclinée 39.

Claims

REVENDICATIONS
1. Roue aubagée de turbomachine comportant un disque (31) présentant à sa périphérie une pluralité d'alvéoles sensiblement axiales, une pluralité d'aubes (33) dont les pieds sont retenus dans lesdites alvéoles et qui présentent des plates-formes (34) destinées à délimiter, du côté radialement intérieur, la veine de flux gazeux (F) et des parois radiales amont (35) et aval (36) qui s'étendent à partir desdites plates-formes (34) vers la périphérie dudit disque, des cavités inter-aubes (37) délimitées par lesdites plates-formes et la périphérie dudit disque, et des dispositifs d'étanchéité des espaces inter-aubes réalisés sous forme de chemises (10) ayant des bords évasés (12, 13, 14, 15) radialement vers l'intérieur et disposées dans lesdites cavités (37) contre les parois des plates-formes de deux aubes voisines, caractérisée par le fait que fait que chaque chemise (10) présente sur l'un de ses bords évasés (12), amont ou aval, une zone élastique (18) et les parois radiales (35) adjacentes à ce bord sont raccordées aux plates-formes (34) par des surfaces internes inclinées (39) par rapport à un plan radial, et contre lesquelles ladite zone élastique (18) est en appui, de telle manière que ladite zone élastique peut glisser radialement vers l'intérieur en cas d'arrêt de la rotation de ladite roue, et radialement vers l'extérieur sous l'action des forces centrifuges afin de solliciter ladite chemise (10) à se déplacer axialement vers les parois radiales éloignées (36) de ladite zone élastique (18) pour améliorer l'étanchéité dans cette zone.
2. Roue selon la revendication 1, caractérisée par le fait que les parois radiales (36) éloignées des zones élastiques comportent des butées (42) pour limiter le déplacement axial des chemises (10) sous l'action des forces centrifuges.
3. Roue selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait que les parois latérales (36) adjacentes aux zones élastiques
(18) comportent des butées (42) pour limiter le glissement vers l'intérieur desdites zones élastiques.
4. Roue selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisée par le fait que les zones élastiques (18) sont délimitées circonférentiellement par deux entailles (16, 17) ménagées dans le bord évasé (12) correspondant des chemises (10).
5. Roue selon l'une quelconque des revendication 1 à 4, caractérisée par le fait que la zone élastique (18) est prévue sur le bord amont.
6. Roue selon la revendication 5, caractérisée par le fait qu'il s'agit d'une roue aubagée de turbine.
7. Roue selon la revendication 6, caractérisée par le fait que l'angle α de la surface inclinée (39) est supérieur à la pente de la plate-forme par rapport à l'axe de rotation de la turbomachine.
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