WO2010052379A1 - Bride annulaire de fixation d'un element de rotor ou de stator dans une turbomachine - Google Patents

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Olivier Belmonte
Thomas Langevin
Stevan Legoff
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    • F01D5/066—Connecting means for joining rotor-discs or rotor-elements together, e.g. by a central bolt, by clamps
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    • F05D2260/30—Retaining components in desired mutual position
    • F05D2260/31—Retaining bolts or nuts

Definitions

  • the invention relates to annular flanges for fixing rotor or stator elements in a turbine, and to a turbine engine comprising such a turbine.
  • the rotor disks (for example turbine) are interconnected by annular flanges at their radially inner periphery, these flanges being applied to each other and fixed together by bolting.
  • Other elements such as annular labyrinth seal mounts, may also have at their inner periphery annular flanges, which are clamped between two annular flanges of rotor discs and secured by the same bolts as the rotor discs.
  • annular flanges are generally scalloped, that is to say comprise an alternation of solid parts and hollow parts to reduce their mass.
  • the through holes of the fixing bolts are formed in the solid parts.
  • the invention aims in particular to provide a simple, economical and effective solution to this problem.
  • a radial annular flange of a rotor or stator element of a turbomachine turbine comprising on an inner (or outer) periphery an alternation of solid parts and hollow parts, the solid parts having fastening bolt holes, the bottoms of the hollow portions being substantially flat and the bottom of at least one hollow coding portion of the inner (or outer) periphery being located radially on the inside (or the outside, respectively) of a circle centered on the axis of the flange and tangent externally (or internally, respectively) to the orifices of the solid parts, characterized in that the two hollow parts located on either side of the hollow coding portion have a concave curved bottom located radially outwardly (or inward, respectively) from the bottoms of the other hollow portions.
  • the invention thus avoids an increase in the tangential stresses at the edge of the orifices of the solid portions adjacent to the hollow coding portion as well as in the connection zones of these solid portions adjacent to the concave curved hollow portions.
  • the concave curved bottoms of the two hollow parts are preferably in an arc of radius R2.
  • the concave curved bottoms of the two hollow parts are connected to the adjacent solid parts by circular arcs of radius R1, the radius R2 of the concave curved bottom of said two hollow portions being greater than the radius R1 of the connections. adjacent solid parts.
  • the radius R2 of the concave curved bottom of said two hollow portions is greater than or equal to three times the radius R1 of the connections to the adjacent solid portions.
  • the radius R1 of the connections may be between 4 and 6 mm and the concave curved bottoms of said two hollow portions may have a radius of about 18 mm.
  • the invention also relates to a low-pressure turbomachine turbine, characterized in that it comprises at least one annular flange as described above.
  • the invention also relates to a turbomachine, such as a turbojet or a turboprop, characterized in that it comprises a low-pressure turbine of the type described above.
  • FIG. 1 is a partial diagrammatic half-view in axial section of a low-pressure turbine
  • FIG. 2 is a partial diagrammatic front view of a radial annular flange comprising a hollow keying part according to the prior art, illustrating a correct angular positioning
  • FIG. 3 is a partial schematic front view of a radial annular flange according to the invention.
  • FIG. 1 shows a low-pressure turbine rotor axis 10 comprising alternating blades 12 and vanes 14 fixed blades in an outer casing 16.
  • the radially inner ends of the blades 12 are attached to the outer periphery of rotor discs 18, 20, 22, 24.
  • Each disk 18, 20, 22, 24 comprises, at its outer periphery, upstream and downstream frustoconical walls 26 connected to the other disks by means of annular flanges 30, 32 extending radially inwards and fixed to each other.
  • the disk assembly is connected to a turbine shaft 34 via a drive cone 36 comprising an annular flange 38 clamped between the annular flanges 30, 32 of the disks 20 and 22. .
  • a radial annular flange 38 carrying at its outer periphery a labyrinth seal 40 is interposed between the radial flanges 30, 32 of the downstream frustoconical walls 28 and 26 of the disks, the labyrinth seal 40 cooperating with a track of abradable material 42 mounted on the inner periphery of a row of fixed blades 14.
  • FIG. 2 shows the assembly of a radial annular flange 30 of an upstream frustoconical wall and of a radial flange 38 of a labyrinth seal, the hollow portions 44, 46 and the solid portions 48, 49, 50 of the flange 38 of the labyrinth seal and the radial annular flange 30 being axially aligned, respectively.
  • the hollow portions 44, 46 of the radial flange 38 have a substantially flat bottom 52, 54 and are connected to the solid portions 48, 49 by curved zones 56, 57.
  • the solid portions 48, 49 have a rounded shape and have orifices 58 for receiving fixing bolts for fixing together the annular flanges 30, 32 of the upstream and downstream frustoconical walls and the annular flange 38 of the labyrinth seal.
  • the bottom 54 of the hollow portion 46 is located on the passage of a bolt, which makes it impossible to insert fixing bolts in the orifices 58 of the solid portions of the annular flanges of the frustoconical walls.
  • a hollow keying part 46 induces a modification of the flow of tangential stresses 62 in the radial flange 38 of the labyrinth seal. Indeed, due to the radially inward shift of the bottom 54 of at least one hollow portion 46, the flow of tangential stresses 62 is also shifted radially inwards at the hollow coding portion 46.
  • the hollow coding portion 74 has a flat bottom 73 which is situated radially outside a circle 75 centered on the axis of the flange and tangential internally to the orifices 58 of the solid portions 48, 49.
  • Hollow portions 76 located on either side of the hollow coding portion 74 have a concave curved bottom 78 located radially inward with respect to the flat bottoms 80 of the other hollow portions 82.
  • Concave curved bottoms 68, 78 of the inner or outer periphery are circular arcs of radius R2 connected to the adjacent solid portions 48, 49 by circular arcs 56, 57 of radius R1 smaller than the radius R2 of concave curved bottoms
  • the radius R2 of the concave curved bottoms 68, 78 is greater than or equal to three times the radius R1 of the connecting circle arcs 56, 57 to the adjacent solid parts 48, 49.
  • the radius R1 may be between 4 and 6 millimeters.
  • the annular flange 38 comprises at least one hollow coding portion 46, 74 on its inner or outer periphery and the other hollow portions 72, 82 all have a concave curved bottom 68, 78 as described. previously.
  • the distance separating the centers of two diametrically opposed orifices 58 is 530 millimeters.
  • the concave curved bottoms 78 extend over an arc distance of about 15 millimeters and have a radius R2 of the order of 18 mm.
  • concave curved bottoms 68, 78 as described above can be carried out in a simple manner on flanges already comprising a hollow coding portion 46, 74 because it is sufficient to further machine the hollow portions 66, 76 located on both sides. other of the hollow coding portion 46, 74.

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Abstract

Bride annulaire radiale (38) comprenant sur une périphérie interne ou externe une alternance de parties pleines (48, 49) comportant des orifices (58) de passage de boulons de fixation et de parties creuses (46, 66, 72, 74, 76, 80) dont les fonds (54, 70, 73, 80) sont sensiblement plats, le fond (54, 73) d'au moins une partie creuse de détrompage (46, 74) étant situé radialement à l'intérieur (ou à l'extérieur, respectivement) d'un cercle (60, 75) centré sur l'axe de la bride et tangent extérieurement (ou intérieurement, respectivement) aux orifices (58), les deux parties creuses (66, 76) situées de part et d'autre de la partie creuse de détrompage (46, 74) ayant un fond (68, 78) de forme incurvée concave situé radialement à l'extérieur (ou l'intérieur, respectivement) par rapport aux fonds plats (54, 70, 73, 80) des autres parties creuses.

Description

BRIDE ANNULAIRE DE FIXATION D'UN ELEMENT DE ROTOR OU DE STATOR DANS UNE TURBOMACH1NE
L'invention se rapporte à des brides annulaires de fixation d'éléments de rotor ou de stator dans une turbine, ainsi qu'à une turbomachine comprenant une telle turbine.
Dans une turbomachine, les disques de rotor (de turbine par exemple) sont reliés entre eux par des brides annulaires à leur périphérie radialement interne, ces brides étant appliquées les unes sur les autres et fixées ensemble par boulonnage. D'autres éléments, tels que des supports annulaires de joints à labyrinthe, peuvent aussi comporter à leur périphérie interne des brides annulaires, qui sont serrées entre deux brides annulaires de disques de rotor et fixées par les mêmes boulons que les disques de rotor.
Ces brides annulaires sont en général festonnées, c'est-à-dire comportent une alternance de parties pleines et de parties creuses pour réduire leur masse. Les trous de passage des boulons de fixation sont formés dans les parties pleines.
Pour assurer la fixation de plusieurs brides juxtaposées, il faut que les trous de passage formés dans les parties pleines des brides soient tous alignés pour éviter que les parties creuses d'une des brides soient décalées angulairement et se retrouvent alignées avec les trous de passage de boulons formés dans les parties pleines des autres brides, ce qui conduirait à serrer cette bride entre deux autres brides et sans la fixer aux autres brides. Dans la demande FR 0802918 de la demanderesse, il est proposé qu'au moins un fond de partie creuse de la périphérie interne soit situé radialement à l'intérieur d'un cercle centré sur l'axe de la bride et tangent extérieurement aux orifices des parties pleines. Ainsi, lorsqu'une bride est décalée angulairement de telle manière que ses orifices ne sont pas alignés avec les orifices des autres brides, le fond d'au moins une partie creuse de cette bride est situé sur le passage d'au moins un boulon de fixation et empêche son insertion dans les orifices des autres brides, évitant ainsi tout risque de mauvais montage de cette bride.
On a constaté qu'une telle partie creuse de détrompage induit une modification du flux des contraintes tangentielles dans la bride, ce qui conduit à une augmentation des contraintes au niveau des parties pleines adjacentes à la partie creuse de détrompage. Ces contraintes sont maximales dans les zones des parties pleines adjacentes à la partie creuse de détrompage qui sont raccordées aux parties creuses suivantes. On observe également une augmentation des contraintes au niveau des orifices des parties pleines adjacentes à la partie creuse de détrompage.
Cette augmentation des contraintes locales peut conduire à la formation de criques ou fissures dans les zones de concentration de contraintes, ce qui limite la durée de vie de la bride festonnée. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ce problème.
Elle propose à cet effet, une bride annulaire radiale d'un élément de rotor ou de stator d'une turbine pour turbomachine, comprenant sur une périphérie interne (ou externe, respectivement) une alternance de parties pleines et de parties creuses, les parties pleines comportant des orifices de passage de boulons de fixation, les fonds des parties creuses étant sensiblement plats et le fond d'au moins une partie creuse de détrompage de la périphérie interne (ou externe, respectivement) étant situé radialement à l'intérieur (ou à l'extérieur, respectivement) d'un cercle centré sur l'axe de Ia bride et tangent extérieurement (ou intérieurement, respectivement) aux orifices des parties pleines, caractérisée en ce que les deux parties creuses situées de part et d'autre de la partie creuse de détrompage ont un fond de forme incurvée concave situé radialement à l'extérieur (ou l'intérieur, respectivement) par rapport aux fonds des autres parties creuses.
La réalisation de fonds qui sont incurvés concaves et non plus plats de part et d'autre de la partie creuse de détrompage ainsi que le positionnement de ces fonds incurvés concaves radialement vers l'extérieur (ou l'intérieur, respectivement) par rapport aux fonds plats des autres parties creuses, permet de répartir les contraintes tangentielles sur la longueur de chaque fond incurvé concave.
L'invention évite ainsi une augmentation des contraintes tangentielles au bord des orifices des parties pleines adjacentes à la partie creuse de détrompage ainsi que dans les zones de raccordement de ces parties pleines adjacentes aux parties creuses incurvée concaves. Les fonds incurvés concaves des deux parties creuses sont de préférence en arc de cercle, de rayon R2.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les fonds incurvés concaves des deux parties creuses sont raccordés aux parties pleines adjacentes par des arcs de cercle de rayon R1 , le rayon R2 du fond incurvé concave desdites deux parties creuses étant supérieur au rayon R1 des raccordements aux parties pleines adjacentes.
Avantageusement, le rayon R2 du fond incurvé concave desdites deux parties creuses est supérieur ou égal à trois fois le rayon R1 des raccordements aux parties pleines adjacentes. Le rayon R1 des raccordements peut être compris entre 4 et 6 mm et les fonds incurvés concaves desdites deux parties creuses peuvent avoir un rayon de l'ordre de 18 mm.
L'invention concerne également une turbine basse-pression pour turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une bride annulaire telle que décrite précédemment.
L'invention concerne encore une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine basse-pression du type décrit ci-dessus.
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale d'une turbine basse-pression ;
- la figure 2 est une vue schématique partielle de face d'une bride annulaire radiale comprenant une partie creuse de détrompage selon la technique antérieure, illustrant un positionnement angulaire correct ;
- la figure 3 est une vue schématique partielle de face d'une bride annulaire radiale selon l'invention ;
- la figure 3a est une vue agrandie du détail 111a de la figure 3 ; - la figure 4 est une vue schématique partielle de face d'un autre mode de réalisation d'une bride annulaire radiale selon l'invention.
On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente un rotor de turbine basse-pression d'axe 10 comprenant une alternance d'aubes mobiles 12 et d'aubes fixes 14 logées dans un carter externe 16. Les extrémités radialement internes des aubes mobiles 12 sont fixées à la périphérie externe de disques 18, 20, 22, 24 de rotor. Chaque disque 18, 20, 22, 24 comprend à sa périphérie externe des parois tronconiques amont 26 et aval 28 de liaison aux autres disques au moyen de brides annulaires 30, 32 s'étendant radialement vers l'intérieur et fixées l'une à l'autre par des boulons 33. L'ensemble de disques est relié à un arbre de turbine 34 par l'intermédiaire d'un cône d'entraînement 36 comprenant une bride annulaire 38 serrée entre les brides annulaires 30, 32 des disques 20 et 22.
Afin d'éviter une circulation d'air parasite entre la périphérie interne d'une rangée d'aubes fixes 14 et les parois tronconiques aval 28 et amont 26 des disques, une bride annulaire radiale 38 portant à sa périphérie externe un joint à labyrinthe 40 est intercalée entre les brides radiales 30, 32 des parois tronconiques aval 28 et amont 26 des disques, le joint à labyrinthe 40 coopérant avec une piste de matériau abradable 42 montée sur la périphérie interne d'une rangée d'aubes fixes 14. Les brides annulaires radiales 30, 32 des parois tronconiques amont
26 et aval 28 et la bride radiale 38 d'un joint à labyrinthe 40 sont festonnées pour réduire leur masse et comprennent une alternance de parties creuses et de parties pleines. La figure 2 représente l'assemblage d'une bride annulaire radiale 30 d'une paroi tronconique amont et d'une bride radiale 38 d'un joint à labyrinthe, les parties creuses 44, 46 et les parties pleines 48, 49, 50 de la bride 38 du joint à labyrinthe et de la bride annulaire radiale 30 étant alignées axialement, respectivement.
Les parties creuses 44, 46 de la bride radiale 38 ont un fond sensiblement plat 52, 54 et sont raccordées aux parties pleines 48, 49 par des zones incurvées 56, 57. Les parties pleines 48, 49 ont une forme arrondie et comportent des orifices 58 destinés à recevoir des boulons de fixation permettant de fixer ensemble les brides annulaires 30, 32 des parois tronconiques amont et aval et la bride annulaire 38 du joint à labyrinthe.
Le positionnement correct de la bride 38 du joint à labyrinthe entre les brides annulaires 30, 32 des parois tronconiques est assuré grâce au fait que le fond 54 d'au moins une partie creuse 46 de la bride 38 du joint à labyrinthe est situé radialement à l'intérieur d'un cercle 60 centré sur l'axe de la bride 38 et tangent extérieurement aux orifices 58 des parties pleines (figure 2). Ainsi, lors du montage de la bride 38 du joint à labyrinthe entre les deux brides annulaires 30, 32 des parois tronconiques avec un décalage angulaire tel que ses parties creuses 44, 46 sont alignées axialement avec les parties pleines 50 des brides annulaires 30, 32 des parois tronconiques, le fond 54 de la partie creuse 46 est situé sur le passage d'un boulon, ce qui rend impossible l'insertion de boulons de fixation dans les orifices 58 des parties pleines des brides annulaires des parois tronconiques.
Toutefois, l'intégration d'une partie creuse de détrompage 46 induit une modification du flux de contraintes tangentielles 62 dans la bride radiale 38 du joint à labyrinthe. En effet, du fait du décalage radialement vers l'intérieur du fond 54 d'au moins une partie creuse 46, le flux de contraintes tangentielles 62 est également décalé radialement vers l'intérieur au niveau de la partie creuse de détrompage 46.
Cette modification du flux conduit à une augmentation des contraintes dans les parties pleines 49 adjacentes à la partie creuse de détrompage 46. Les contraintes sont maximales dans les zones de raccordement 57 des parties pleines 49 avec les parties creuses 44 situées de part et d'autre de la partie creuse de détrompage 46. On observe également une augmentation des contraintes tangentielles dans les parties 64 des bords des orifices 58 des parties pleines adjacentes 49 qui sont situées circonférentiellement en regard des zones de raccordement 57 de contraintes maximales précitées.
Cette modification de flux de contraintes peut induire la formation de criques ou de fissures et donc avoir un effet néfaste sur la tenue mécanique en fonctionnement de cette bride. Selon l'invention, ces inconvénients sont évités grâce au fait que les deux parties creuses 66 situées de part et d'autre de la partie creuse de détrompage 46 ont un fond 68 de forme incurvée concave qui est situé radialement à l'extérieur par rapport au fond 70 des autres parties creuses 72 (figure 3). Les contraintes tangentielles sont ainsi réparties sur les longueurs des fonds incurvés concaves 68 des parties creuses 66 situées de part et d'autre de la partie creuse de détrompage 46, ce qui évite d'augmenter les contraintes dans les zones 57 raccordant les fonds incurvés concaves 68 aux parties pleines 49 adjacentes à la partie creuse de détrompage 46. Le niveau de contrainte est également diminué au bord des orifices 58 de ces parties pleines adjacentes 49.
Dans une variante de réalisation de l'invention représentée en figure 4, le festonnage est réalisé sur la périphérie externe de la bride annulaire. Dans ce cas, la partie creuse de détrompage 74 a un fond plat 73 qui est situé radialement à l'extérieur d'un cercle 75 centré sur l'axe de la bride et tangent intérieurement aux orifices 58 des parties pleines 48, 49. Les parties creuses 76 situées de part et d'autre de la partie creuse de détrompage 74 ont un fond 78 de forme incurvée concave situé radialement à l'intérieur par rapport aux fonds plats 80 des autres parties creuses 82. Les fonds incurvés concaves 68, 78 de la périphérie interne ou externe sont des arcs de cercle de rayon R2 raccordés aux parties pleines adjacentes 48, 49 par des arcs de cercle 56, 57 de rayon R1 inférieurs au rayon R2 des fonds incurvés concaves
Le rayon R2 des fonds incurvés concaves 68, 78 est supérieur ou égal à trois fois le rayon R1 des arcs de cercle de raccordement 56, 57 aux parties pleines adjacentes 48, 49.
Le rayon R1 peut être compris entre 4 et 6 millimètres.
Dans une autre variante de l'invention, la bride annulaire 38 comprend au moins une partie creuse de détrompage 46, 74 sur sa périphérie interne ou externe et les autres parties creuses 72, 82 ont toutes un fond incurvé concave 68, 78 tel que décrit précédemment.
Dans une réalisation particulière de l'invention où le festonnage est réalisé sur la périphérie externe de la bride annulaire, la distance séparant les centres de deux orifices 58 diamétralement opposés est de 530 millimètres. Les fonds incurvés concaves 78 s'étendent sur une distance d'arc d'environ 15 millimètres et ont un rayon R2 de l'ordre de 18 mm.
La réalisation de fonds incurvés concaves 68, 78 tel que décrit précédemment peut être réalisée de façon simple sur des brides comprenant déjà une partie creuse de détrompage 46, 74 car il suffit d'usiner davantage les parties creuses 66, 76 situées de part et d'autre de la partie creuse de détrompage 46, 74.

Claims

REVENDICATIONS
1. Bride annulaire radiale (38) d'un élément de rotor ou de stator d'une turbine pour turbomachine, comprenant sur une périphérie interne (ou externe, respectivement) une alternance de parties pleines (48, 49) et de parties creuses (46, 66, 72, 74, 76, 80), les parties pleines (48, 49) comportant des orifices (58) de passage de boulons de fixation, les fonds (54, 70, 73, 80) des parties creuses (46, 72, 74, 80) étant sensiblement plats et le fond (54, 73) d'au moins une partie creuse de détrompage (46, 74) de la périphérie interne (ou externe, respectivement) étant situé radialement à l'intérieur (ou à l'extérieur, respectivement) d'un cercle (60, 75) centré sur l'axe de la bride et tangent extérieurement (ou intérieurement, respectivement) aux orifices (58) des parties pleines (48, 49), caractérisée en ce que les deux parties creuses (66, 76) situées de part et d'autre de la partie creuse de détrompage (46, 74) ont un fond (68, 78) de forme incurvée concave situé radialement à l'extérieur (ou l'intérieur, respectivement) par rapport aux fonds (54, 70, 73, 80) des autres parties creuses (72, 82).
2. Bride selon la revendication 1 , caractérisée en ce que les fonds incurvés concaves (68, 78) desdites deux parties creuses (66, 76) sont en arc de cercle de rayon R2.
3. Bride selon la revendication 2, caractérisée en ce que les fonds incurvés concaves (68, 78) desdites deux parties creuses (66, 76) sont raccordés aux parties pleines adjacentes par des arcs de cercle de rayon Rl
4. Bride selon la revendication 3, caractérisée en ce que le rayon R2 du fond incurvé concave (68, 78) desdites deux parties creuses (66, 76) est supérieur au rayon R1 des raccordements (56, 57) aux parties pleines adjacentes.
5. Bride selon la revendication 4, caractérisée en ce que le rayon R2 du fond incurvé concave (68, 78) desdites deux parties creuses (66, 76) est supérieur ou égal à trois fois le rayon R1 des raccordements (56, 57) aux parties pleines adjacentes.
6. Bride selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que le rayon R1 des raccordements (56, 57) est compris entre 4 et 6 mm.
7. Bride selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que les fonds incurvés concaves (68, 78) desdites deux parties creuses (66, 76) ont un rayon de l'ordre de 18 mm.
8. Turbine basse-pression pour turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une bride annulaire (38) selon l'une des revendications précédentes.
9. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine basse-pression selon la revendication 8.
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