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EP1469165B1 - Réduction de jeux dans une turbine à gaz - Google Patents

Réduction de jeux dans une turbine à gaz Download PDF

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Publication number
EP1469165B1
EP1469165B1 EP04290819A EP04290819A EP1469165B1 EP 1469165 B1 EP1469165 B1 EP 1469165B1 EP 04290819 A EP04290819 A EP 04290819A EP 04290819 A EP04290819 A EP 04290819A EP 1469165 B1 EP1469165 B1 EP 1469165B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas turbine
stubs
blades
turbine according
casing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP04290819A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1469165A1 (fr
Inventor
Claude Daniel Nottin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
SNECMA SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SNECMA SAS filed Critical SNECMA SAS
Publication of EP1469165A1 publication Critical patent/EP1469165A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1469165B1 publication Critical patent/EP1469165B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/20—Specially-shaped blade tips to seal space between tips and stator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/284—Selection of ceramic materials

Definitions

  • the invention essentially relates to means for reducing clearances between the tops of the blades and the inner surface of the casing of a gas turbine, such as in particular a high pressure turbine for an aircraft engine.
  • peripheral heels at the top of the blades to limit radial clearances between the tops of the blades and a layer of abradable material carried by a ring fixed to the casing of the turbine.
  • These beads may comprise circumferential ribs or wipers which are substantially in contact with the abradable material to provide an axial seal between the casing and the tops of the blades.
  • peripheral heels have the disadvantage of forming an additional mass at the periphery of the turbine wheel, this mass being subjected to centrifugal forces in operation and posing problems of mechanical strength and vibratory behavior of the blades.
  • this radial clearance can locally vary between a minimum value and a maximum value, due to an ovalization of the housing, a difference in height of the blades, a lack of concentricity between the housing and the turbine wheel , etc ...
  • the object of the invention is in particular to provide a simple, satisfactory and economical solution to these problems.
  • a gas turbine in particular for aircraft engine, comprising a turbine wheel rotatably mounted in a housing and carrying blades whose vertices are at a small radial distance from an inner surface of the housing, and means for reducing the clearances between the tops of the blades and the inner surface of the casing, the means for reducing the clearances comprising heels mounted radially sliding at the top of the blades, characterized in that the beads are guided in an annular groove of the casing .
  • the heels are automatically biased towards the inner surface of the casing by centrifugal forces without exerting force on the vanes of the wheel. This avoids the mechanical vibration problems encountered in the mobile blade turbines equipped with fixed peripheral heels and increases the performance of the turbine by eliminating radial clearances between the blade tips and the inner surface of the housing.
  • the heels are of lightweight material and resistant to wear and high temperatures, this material is preferably a ceramic.
  • the aforementioned beads each comprise a curved plate intended to extend along the inner surface of the housing.
  • This curved plate has a surface greater than that of the top of the blade on which it is mounted, which further improves the aforementioned axial seal between the tops of the blades and the inner surface of the housing.
  • At least two circumferential parallel ribs forming wipers are presented by the face of this plate facing the inner face of the housing.
  • each aforementioned heel is at least partially fitted into a bath formed at the top of the blade.
  • each aforementioned heel is fitted on the top of the blade.
  • the invention is applicable to turbines whose inner casing surfaces define veins of constant cylindrical section or diverging section.
  • FIGS. 1 and 2 schematically show the technique prior to the present invention, the reference 10 denoting a blade of a high pressure turbine wheel mounted in rotation around an axis 12 in a casing 14 comprising a fixed metal ring 16 surrounding the turbine wheel and whose inner cylindrical surface is covered with a layer 18 of an abradable material of a type well known in the art.
  • the top of the blade 10 is located at a relatively very small distance from the layer 18 of abradable material and comprises a cavity 20 called a "bathtub" in the art, the bottom of which has dusting holes 22, forming the duct exits. circulation of cooling air which are formed in the dawn 10.
  • the radial clearance 24 between the top of the blade 10 and the layer 18 of abradable material forming the inner surface of the casing must be as small as possible to avoid any deterioration of the performance of the turbine.
  • the invention proposes, as shown in Figures 3 to 5, to mount a radially sliding peripheral bead 26 at the top of the blade 10, the peripheral bead 26 being partially inserted or housed in the bath 20 of the top of the dawn 10.
  • this bead 26 comprises a radially inner portion 28 inserted in the bath 20 of the vane 10 and a radially outer portion 30 in the form of a curved plate in a cylindrical portion, with a parallelepipedic contour as shown in FIG. 4, which extends along the layer 18 of abradable material at a very short distance from it and which has an area or area in the plane of FIG. 4 substantially greater than that of the portion 28 inserted. in the bath 20.
  • the radially outer face of this plate 30 is formed with circumferential parallel ribs 32, for example two in number as shown, whose vertices are in contact with the layer 18 of abradable material and form therewith a labyrinth seal intended to prevent any air circulation in the axial direction between the plate 30 and the layer 18 of abradable material during operation of the turbine.
  • the heel 26 mounted at the end of the blade 10 is partially housed and guided in a groove or annular groove 34 of the ring 16, at the bottom of which is disposed the layer 18 of abradable material. This assembly holds in place the heel 30 at the end of the blade 10, both in the axial direction and in the radial direction.
  • the heels 26 are made of a material which is preferably light and resistant to wear as well as to high temperatures, this material being in particular a ceramic.
  • the beads 26 are rotated around the axis of the turbine with the blades 10 and are subjected to centrifugal forces which apply them to the layer 18 of abradable material.
  • the support of the vertices of the ribs 32 on the layer 18 results in a removal of the radial clearances air passage axially between the tops of the blades 10 and the inner surface of the housing, which increases the performance of the turbine. This support of the heels 26 on the layer 18 does not impose any additional effort on the blades 10.
  • the sliding assembly of the heels 26 on the tips of the blades allows automatic adaptation to the geometric defects of the blades and the ring, due for example to ovalization of the housing, to differences in the height of the blades, to a lack of concentricity of the casing and turbine wheel, etc.
  • the cooling air of the blade 10 which exits through the dedusting holes formed in the bottom of the bath 20, circulates in passages which are formed between the heel 26 and the walls. side 36 of the bath and thus contributes to cooling of these walls.
  • the top of the blade 10 does not include a bath and the peripheral heel 26 is then fitted on the top of the blade 10 and comes for example to cap a peripheral rib 38 of the vertex dawn.
  • the heel 26 has wipers 32 on its radially outer face and is guided and retained in a groove or annular groove 34 of the ring 14.
  • the insertion means or interlocking heels 26 on the tops of the blades 10 are dimensioned and shaped appropriately to avoid single-sided risk of disengagement of the heels.
  • the annular grooves 34 formed in the inner surface of the housing are an additional guarantee of retaining heels and could possibly be removed.
  • the plates 30 forming the radially outer portions of the beads 26 may have a greater or lesser extent than the dimensions of the tops of the blades 10 and, if necessary, these plates 30 may comprise a reinforcement, for example metal, stiffening.
  • the heels 26 can be held on the tops of the blades by gluing or by a link such as a ring or strapping, surrounding the heels 26 and the crown of blading.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

  • L'invention concerne essentiellement des moyens de réduction de jeux entre les sommets des aubes mobiles et la surface interne du carter d'une turbine à gaz, telle notamment qu'une turbine haute pression pour un moteur d'aéronef.
  • Dans ce type de turbine, il est connu de fixer des talons périphériques au sommet des aubes pour limiter des jeux radiaux entre les sommets des aubes et une couche de matériau abradable portée par un anneau fixé au carter de la turbine. Ces talons peuvent comporter des nervures circonférentielles ou léchettes qui sont sensiblement au contact du matériau abradable pour assurer une étanchéité axiale entre le carter et les sommets des aubes mobiles.
  • Ces talons périphériques ont pour inconvénient de former une masse supplémentaire en périphérie de la roue de turbine, cette masse étant soumise à des forces centrifuges en fonctionnement et posant des problèmes de tenue mécanique et de comportement vibratoire des aubes mobiles.
  • La suppression de ces talons impose de réduire le jeu radial précité au montage (jeu à froid), avec un risque de contact entre les sommets des aubes et le carter en fonctionnement et un risque correspondant de détérioration de la turbine, ou de recourir à des moyens de contrôle actif de jeu, qui sont chers, lourds et difficiles à maîtriser. A défaut, le jeu radial entre les sommets des aubes et le carter peut être relativement important, ce qui se traduit par une dégradation correspondante des performances de la turbine.
  • En outre, ce jeu radial peut varier localement entre une valeur minimum et une valeur maximum, par suite d'une ovalisation du carter, d'une différence de hauteur des pales, d'un défaut de concentricité entre le carter et la roue de turbine, etc...
  • Il est également connu par le document US-A-3 117 716 et l'abrégé du document JP-A-62 142805 de réduire les jeux entre les sommets des aubes mobiles et le carter au moyen de talons montés radialement coulissants au sommet des aubes et retenus sur les aubes par des moyens pneumatiques ou élastiques qui sont peu efficaces ou très difficiles à monter.
  • L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, satisfaisante et économique à ces problèmes.
  • Elle propose à cet effet une turbine à gaz, en particulier pour moteur d'aéronef, comprenant une roue de turbine montée à rotation dans un carter et portant des aubes dont les sommets sont à une distance radiale faible d'une surface intérieure du carter, et des moyens de réduction des jeux entre les sommets des aubes et la surface intérieure du carter, les moyens de réduction des jeux comprenant des talons montés radialement coulissants au sommet des aubes, caractérisé en ce que les talons sont guidés dans une rainure annulaire du carter.
  • Dans la turbine selon l'invention, à la mise en rotation de la roue de turbine, les talons sont automatiquement sollicités vers la surface intérieure du carter par des forces centrifuges sans exercer d'effort sur les aubes de la roue. On évite ainsi les problèmes mécaniques vibratoires rencontrés dans les turbines à aubes mobiles équipées de talons périphériques fixes et on augmente les performances de la turbine par suppression des jeux radiaux entre les sommets des aubes et la surface intérieure du carter.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, les talons sont en matériau léger et résistant à l'usure et aux températures élevées, ce matériau étant de préférence une céramique.
  • On assure ainsi un maintien dans le temps de l'étanchéité axiale entre les sommets des aubes et la paroi intérieure du carter et on garantit dans le temps les performances de la turbine.
  • Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les talons précités comportent chacun une plaque incurvée destinée à s'étendre le long de la surface intérieure du carter.
  • Cette plaque incurvée a une surface supérieure à celle du sommet de l'aube sur laquelle elle est montée, ce qui améliore encore l'étanchéité axiale précitée entre les sommets des aubes et la surface intérieure du carter.
  • Avantageusement, au moins deux nervures parallèles circonférentielles formant léchettes sont présentées par la face de cette plaque tournée vers la face interne du carter.
  • Ces léchettes réduisent encore la section de passage de l'air entre les sommets des aubes et la surface intérieure du carter.
  • Dans un premier mode de réalisation de l'invention, chaque talon précité est au moins partiellement emboîté dans une baignoire formée au sommet de l'aube.
  • Dans ce cas, le talon délimite avantageusement avec les parois de la baignoire des passages de circulation d'air de refroidissement qui sont alimentés par des canaux débouchant dans le fond de la baignoire au moyen d'orifices de dépoussiérage.
  • Dans une autre forme de réalisation de l'invention, applicable au cas où les aubes ne comportent pas de baignoire à leur sommet, chaque talon précité est emboîté sur le sommet de l'aube.
  • L'invention est applicable aux turbines dont les surfaces internes de carter définissent des veines à section cylindrique constante ou à section divergente.
  • L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale représentant le jeu radial entre le sommet d'une aube mobile et la surface cylindrique interne d'un carter de turbine ;
    • la figure 2 est une vue de dessus du sommet de l'aube de la figure 1 ;
    • la figure 3 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un premier mode de réalisation de l'invention ;
    • la figure 4 est une vue de dessus du sommet de l'aube de la figure 3 :
    • la figure 5 est une vue schématique partielle en coupe axiale à plus grande échelle du sommet de l'aube des figures 3 et 4 ;
    • la figure 6 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'une variante de réalisation de l'invention.
  • On se réfère d'abord aux figures 1 et 2 qui représentent schématiquement la technique antérieure à la présente invention, la référence 10 désignant une aube d'une roue de turbine haute pression montée en rotation autour d'un axe 12 dans un carter 14 comprenant un anneau métallique fixe 16 entourant la roue de turbine et dont la surface cylindrique interne est recouverte d'une couche 18 d'un matériau abradable d'un type bien connu dans la technique.
  • Le sommet de l'aube 10 est situé à distance relativement très faible de la couche 18 de matériau abradable et comporte une cavité 20 appelée "baignoire" dans la technique, dont le fond comporte des orifices de dépoussiérage 22, formant les sorties de conduits de circulation d'air de refroidissement qui sont ménagés dans l'aube 10.
  • Comme indiqué plus haut, le jeu radial 24 entre le sommet de l'aube 10 et la couche 18 de matériau abradable formant la surface intérieure du carter doit être aussi réduit que possible pour éviter toute dégradation des performances de la turbine.
  • Pour cela, l'invention propose, comme représenté aux figures 3 à 5, de monter un talon périphérique 26 radialement coulissant au sommet de l'aube 10, ce talon périphérique 26 étant partiellement inséré ou logé dans la baignoire 20 du sommet de l'aube 10.
  • Dans le mode de réalisation représenté aux figures 3 à 5, ce talon 26 comprend une partie radialement interne 28 insérée dans la baignoire 20 de l'aube 10 et une partie radialement externe 30 en forme de plaque incurvée en portion de cylindre, à contour parallélépipédique comme représenté en figure 4, qui s'étend le long de la couche 18 de matériau abradable à très faible distance de celle-ci et qui a une aire ou superficie dans le plan de la figure 4 notablement supérieure à celle de la partie 28 insérée dans la baignoire 20.
  • La face radialement extérieure de cette plaque 30 est formée avec des nervures parallèles circonférentielles 32, par exemple au nombre de deux comme représenté, dont les sommets sont au contact de la couche 18 de matériau abradable et forment avec celle-ci un joint à labyrinthe destiné à empêcher toute circulation d'air dans le sens axial entre la plaque 30 et la couche 18 de matériau abradable pendant le fonctionnement de la turbine.
  • Le talon 26 monté en bout de l'aube 10 est logé partiellement et guidé dans une rainure ou gorge annulaire 34 de l'anneau 16, au fond de laquelle est disposée la couche 18 de matériau abradable. Ce montage maintient en place le talon 30 en bout de l'aube 10, aussi bien en direction axiale qu'en direction radiale.
  • Les talons 26 sont réalisés en une matière de préférence légère et résistant à l'usure ainsi qu'aux températures élevées, cette matière étant en particulier une céramique.
  • En fonctionnement, les talons 26 sont entraînés en rotation autour de l'axe de la turbine avec les aubes 10 et sont soumis à des forces centrifuges qui les appliquent sur la couche 18 de matériau abradable.
  • L'appui des sommets des nervures 32 sur la couche 18 se traduit par une suppression des jeux radiaux de passage d'air en direction axiale entre les sommets des aubes 10 et la surface intérieure du carter, ce qui augmente les performances de la turbine. Cet appui des talons 26 sur la couche 18 n'impose aucun effort supplémentaire aux aubes 10.
  • Par ailleurs, le montage coulissant des talons 26 sur les sommets des aubes permet une adaptation automatique aux défauts géométriques des pales et de l'anneau, dus par exemple à une ovalisation du carter, à des différences de hauteur des pales, à un défaut de concentricité du carter et de la roue de turbine, etc...
  • Comme on l'a représenté en figure 5, l'air de refroidissement de l'aube 10 qui sort par les orifices de dépoussiérage formés dans le fond de la baignoire 20, circule dans des passages qui sont formés entre le talon 26 et les parois latérales 36 de la baignoire et contribue ainsi au refroidissement de ces parois.
  • Dans la variante de réalisation de la figure 6, le sommet de l'aube 10 ne comprend pas de baignoire et le talon périphérique 26 est alors emboîté sur le sommet de l'aube 10 et vient par exemple coiffer une nervure périphérique 38 du sommet de l'aube.
  • Comme précédemment, le talon 26 comporte des léchettes 32 sur sa face radialement externe et est guidé et retenu dans une rainure ou gorge annulaire 34 de l'anneau 14.
  • En variante, les moyens d'insertion ou d'emboîtement des talons 26 sur les sommets des aubes 10 sont dimensionnés et conformés de façon appropriée pour éviter à eux seuls tout risque de désemboîtement des talons. Dans ce cas, les gorges annulaires 34 formées dans la surface intérieure du carter sont une garantie supplémentaire de retenue des talons et pourraient éventuellement être supprimées.
  • Les plaques 30 formant les parties radialement externes des talons 26 peuvent avoir une étendue plus ou moins grande par rapport aux dimensions des sommets des aubes 10 et, si nécessaire, ces plaques 30 peuvent comporter une armature, par exemple métallique, de rigidification.
  • Pour le montage, les talons 26 peuvent être maintenus sur les sommets des aubes par collage ou par un lien tel qu'un jonc ou un cerclage, entourant les talons 26 et la couronne d'aubages.

Claims (13)

  1. Turbine à gaz, en particulier pour moteur d'aéronef, comprenant une roue montée en rotation dans un carter (14,16) et portant des aubes (10) dont les sommets sont à une distance radiale faible d'une surface intérieure du carter, et des moyens de réduction des jeux entre les sommets des aubes et la surface intérieure du carter, les moyens de réduction des jeux comprenant des talons (26) montés radialement coulissants au sommet des aubes (10), caractérisée en ce que les talons (26) sont guidés dans une rainure annulaire (34) du carter (14, 16).
  2. Turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisée en ce que les talons (26) sont en matériau léger et résistant à l'usure et aux températures élevées.
  3. Turbine à gaz selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les talons (26) sont en céramique.
  4. Turbine à gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les talons (26) comprennent des parties radialement externes (30) en forme de plaques incurvées, destinées à s'étendre le long de la surface intérieure du carter.
  5. Turbine à gaz selon la revendication 4, caractérisée en ce que la partie radialement externe (30) en forme de plaque des talons (26) comprend une armature de rigidification.
  6. Turbine à gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque talon comporte des nervures parallèles circonférentielles (32) formant léchettes sur sa face tournée vers la surface intérieure du carter.
  7. Turbine à gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface intérieure du carter en regard des talons (26) comprend une couche (18) de matériau abradable.
  8. Turbine à gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les talons (26) sont emboîtés sur les sommets des aubes (10).
  9. Turbine à gaz, en particulier à gaz selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les talons (26) sont au moins partiellement insérés dans des baignoires (20) formées au sommet des aubes (10).
  10. Turbine à gaz selon la revendication 9, caractérisée en ce que les talons (26) délimitent avec les parois (36) des baignoires (20), des passages de circulation d'air de refroidissement, alimentés par des canaux débouchant dans le fond des baignoires.
  11. Turbine à gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (20,34,38) de maintien axial et radial des talons (26) sur les sommets des aubes (10).
  12. Turbine à gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, pour le montage, les talons (26) sont maintenus sur les sommets des aubes par collage ou par un lien entourant les aubes.
  13. Turbine à gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la surface intérieure du carter en regard des talons (26) est cylindrique divergente ou à section constante.
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FR0304736 2003-04-16

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EP1469165A1 EP1469165A1 (fr) 2004-10-20
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EP (1) EP1469165B1 (fr)
CA (1) CA2463182C (fr)
DE (1) DE602004002798T2 (fr)
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FR (1) FR2853931A1 (fr)

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