Brevet FR2010163A1 — publié le 19700213

i 2010163 L'invention se rapporte à un dispositif d'étanchéité et à un procédé pour maintenir un jeu relativement petit entre les éléments coopérants du dispositif d'étanchéité qui peut être utilisé particulièrement à la sortie d'un compresseur axial ou à l'entrée d'une turbine à haute pression dans un moteur à turbine à gaz . La fuite dans les dispositifs d'étanchéité à labyrinthe et dans d'autres dispositifs d'étanchéité connus provoque une importante diminuation de la performance. Ce désavantage se présente essentiellement si les dispositifs d'étanchéité sont prévus à la sortie d'un compresseur à haute pression ou à l'entrée d'une turbine à haute pression. Le problème qui se présente dans les dispositifs d'étanchéité connus est donné par le fait que ces dispositifs d'étanchéité fonctionnent normalement avec, un jeu d'environ 0,76 à 1,5 mm, et par suite de ces jeux considérables, dans ces régions particulières d'un moteur à turbine à gaz, une importante diminuation de la performance du moteur est provoquée. Dans ces dispositifs d'étanchéité connus ces jeux considérables résultent de la dilatation thermique incompatible des éléments coopérants du dispositif d'étanchéité et du moteur pendant le fonctionnement du moteur en régime transitoire. En outre, ce problème est encore amplifié par les forces centrifuges exercées aux éléments tournants du dispositif d'étanchéité et au moteur. La présente invention, en fournissant une vitesse de dilatation thermique compatible des éléments coopérants, du dispositif d'étanchéité et du moteur pendant le fonctionnement en régime transitoire élimine ou contrôle essentiellement le facteur le plus important qui empêche de -construire un dispositif d'étanchéité bien ajusté. Dans la construction décrite ci-dessous, le seul facteur* qui affecte le jeu du dispositif d'étanchéité pendant le fonctionnement est l'expansion rotative du dispositif d'étanchéité. L'objet de la présente invention est de fournir un dispositif d'étanchéité avec un jeu relativement petit pour une gamme de vitesses et de températures de fonctionnement variée, essentiellement pour un dispositif d'étanchéité adapté d'être utilisé dans un moteur à turbine à gaz. Afin de diminuer le jeu pendant le fonctionnement en régime constant et par conséquent la" fuite à travers du dispositif 69 18101 2 20 î 0163 d'étanchéité, un procédé ou un projet d'approche.et une construction. ont été développés avec un jeu de 0,2 à 0,38 mm pendant le fonctionnement. Dans le projet d'approche et la construction, les éléments tournant et stationnaire du dispositif d'étanchéité sont 5 isolés structuralement du disque: ou du moyen de support auquel ils. sont attachés. Ceci est accompli généralement en prévoyant un moyen de déplacement, par exemple une longue section conique ou cylindrique entre l'élément tournant et stationnaire du dispositif d'étanchéité et le disque- ou le moyen de support. Le résultat de 10 11 isolation des éléments tournant et stationnaire du dispositif d'étanchéité est la diminuation de la flexion radiale de ces collets de support. Dans un dispositif d'étanchéité ayant des éléments tournant et stationnaire isolés structuralement, le déplacement radial de ces éléments est principalement affecté par des 15 changements de température des matériaux, c'est-à-dire la dilata tion thermique, la vitesse de dilatation thermique de ces éléments et l'expansion rotative de.l'élément tournant et de son moyen de support qui sont soumises à la force centrifuge. On a déterminé que l'expansion rotative est relativement petite et varie seule-20 ment légèrement avec les puissances et les conditions de vitesse associées au fonctionnement en régime permanent et au fonctionnement à vitesse maximale, ce qui signifie que les considérations thermiques sont d'une importance majeure pour déterminer et contrôler le jeu du.dispositif d'étanchéité. 25 En employant le projet d'approche de la présente invention, la compatibilité de la dilatation thermique est obtenue en prévoyant essentiellement la même vitesse de dilatation thermique pour l'élément tournant et l'élément stationnaire du dispositif ; d'étanchéité. La compatibilité de la dilatation thermique est con— 30 trolée principalement en prévoyant le même ou essentiellement le même coefficient d'expansion thermique pour- l'élément stationnaire - et l'élément tournant, ceci étant essentiellement une fonction du . matériau de ces éléments; et en prévoyant, la géométrie.,de l'élément tournant et de l'élément stationnaire avec essentiellement la 35 mêrae vitesse de dilatation thermique pendant le fonctionnement en régime-transitoire ou plus précisément avec des constantes de temps identiques ou essentiellement identiques..?arae eue les t.empéra-.... tures -es matériaux -.sont, .-^ar conséquent.,/ identiques à chaque 69 18101 3 2010163 instant, c'est-à-dire pendant le fonctionnement en régime transitoire ou permanent, et parce que les coefficients thermiques sont essentiellement identiques, la dilatation thermique des éléments tournant et stationnaire est identique, et les deux parties main-5 tiendront leur position relative indépendant d'une variation de la température ambiante» Suivant la présente invention les effets résultant des variations de la température ambiante au dispositif d'étanchéité sont essentiellement éliminés, et l'expansion rotative de l'élément 10 tournant du dispositif d'étanchéité est utilisé pour contrôler le jeu entre les éléments tournant et stationnaire. Ceci est accompli en plaçant l'élément tournant à l'intérieur de l'élément stationnaire, et par conséquent, quand la vitesse de l'élément tournant augmente, l'élément tournant se détend vers l'extérieur. Par con-15 séquent, un jeu minimal dans le dispositif d'étanchéité est obtenu à une vitesse maximale de l'élément tournant, et ce jeu peut être déterminé d'une façon précise parce que l'expansion rotative de l'élément tournant est relativement petite. D'autres particularités de l'invention ressortiront de la 20 description qui suit d'un mode de réalisation particulier donné à titre d'exemple en référence au dessin annexé, dans lequel: La figure unique est une coupe longitudinale par les premiers étages d'une turbine à haute pression représentant le dispositif d'étanchéité suivant la présente invention. 25 Dans la figure unique le mode de réalisation préféré de la présente invention est illustré dans un moteur à turbine à gaz. Le dispositif d'étanchéité décrit ci-dessous, est placé à l'entrée ou dans les premiers étages d'une turbine 2. Il est évident qu'un dispositif d'étanchéité suivant la présente invention peut être * 30 utilisé dans chaque région d'un moteur à turbine à gaz, par exemple au dernier étage d'un compresseur à haute pression, et par conséquent l'application décrite en connexion avec le mode de réalisation préféré n'est pas la seule application possible de la présente invention. 35 La turbine 2 comprend des disques de rotor 4 et 6, et des aubes 8 qui sont supportées à la périphérie des disques. Une rangée d'ailettes de stator 12 et 14 est prévue immédiatement en amont dé chaque rangée des aubes du rotor, et ces ailettes sont supportées 69 18101 4 2010163 * par la cage 16. Cette construction est connue et illustrée par, exemple dans le brevet américain no. 2.747.367- Des éléments tournants 28 et 29 du dispositif d'étanchéité sont reliés à chaque disque du rotor par des.boulons 18 et 20. 5 Chacun des éléments tournants du dispositif d'étanchéité comprend une surface à labyrinthe 26 et 27 qui est isolée du point de fixation 30 et 32 respectivement aux disques de rotor 4 et 6. D'une façon plus précise, les surfaces tournantes 26 et 27 sont isolées par des moyens de déplacement 34 et 38 et comme illustré dans la 10 figure, les moyens de déplacement peuvent comprendre un élément axial cylindrique ou conique. L'importance des moyens de déplacement 34 et 38 n'est pâs donnée par leur forme mais plutôt par le fait qu'ils diminuent les effets de flexion radiale que le disque peut transmettre aux surfaces tournantes 26 et 27. 15 Le dispositif d'étanchéité selon la présente invention comprend également des éléments stationnaires 40 et 42. Comme représenté dans la figure, les éléments stationnaires du dispositif d'étanchéité sont reliés à la cage 16 et supportés par celle-ci. Chacun des éléments stationnaires du dispositif d'étanchéité 20 comprend des surfaces 50 et 52 qui sont isolées des points de fixation des éléments stationnaires du dispositif d'étanchéité à la cage 16 par des moyens de déplacement 54 et 56. Ces moyens de déplacement ont la même fonction et la même importance que les moyens de déplacement employés en connexion avec les éléments 25 tournants du dispositif d'étanchéité. D'une façon plus précise, leur fonction est d'isoler les surfaces 50 et 52 des moyens de support de la cage 16 afin de réduire ou d'éliminer l'effet de la flexion radiale aux collets de support. Comme décrit ci-dessus, dans les constructions.connues le 30 jeu entre les éléments tournants et stationnaires du dispositif d'étanchéité est une fonction de la dilatation thermique du dispositif d'étanchéité et de' ses moyens de support et de l'expansion rotative de 1'élément tournant du dispositif d'étanchéité. et de ses moyens de support. Parce que dans ces constructions- connues 35 on"n'a pas fait d'efforts pour contrôler la vitesse de dilatation th.ermique des éléments' différents du - dispositif -d'étanchéité le jeu entre les éléments"tournants et stationnaires est très grand pour obtenir le jeu désiré-pendant le fonctionnement à .vitesse 69 18101 5 2010163 maximale et en régime permanent et pour accommoder les conditions adverses qui peuvent se produire pendant les changements, de vitesse ou le fonctionnement du moteur en.régime transitoire. Ceci provoque nécessairement une diminuation importante de la perfor-5 mance du moteur. Le dispositif d'étanchéité selon la présente invention élimine cette incompatibilité thermique en prévoyant les disques 4 et 6, les éléments stationnaires 40 et 42 et les éléments tournants 28 et 29 avec le même ou essentiellement le même coefficient d'expansion thermique. Ceci peut être accompli en fabriquant 10 des éléments tournants et stationnaires du même matériau. Il y a d'autres moyens connus pour munir ces éléments avec les mêmes coefficients thermiques, et la manière décrite n'est seulement il-lustrative. A côté de la provision d'un dispositif d'étanchéité ayant 15 des éléments avec essentiellement le même coefficient d'expansion thermique, la vitesse de dilatation thermique des éléments stationnaires et tournants est contrôlée. Ceci signifie que les . vitesses de dilatation thermiques pendant le fonctionnement en régime transitoire sont essentiellement identiques ou d'une mani-20 ère plus précise les constantes de temps déterminées par les valeurs (hA/mc^) sont les mêmes. On a déterminé qu'une méthode possible pour la provision de ces constantes de temps d'une valeur essentiellement identique est de contrôler l'épaisseur et la configuration des éléments stationnaires et tournants du dispositif 25 d'étanchéité. La position relative entre les surfaces 26"et 27 des éléments tournants et les surfaces 50 et 52 des éléments stationnaires est une autre caractéristique de la présente invention. Il est noté que par la pro\ision d'un dispositif d'étanchéité dans lequel 30 lés éléments tournants et stationnaires sont isolés des moyens de support afin d'éliminer essentiellement chaque, déplacement radial à leurs points de fixation, en prévoyant un dispositif d'étanchéité dans lequel les moyens de support pour les éléments tournants et stationnaires ont essentiellement le même coefficient d'expan-35 sion thermique et en prévoyant les moyens de support avec essentiellement les mêmes vitesses de dilatation thermiques, un dispositif d'étanchéité est fournit dans lequel les éléments tournants et stationnaires maintiendront leur position relative indépendant des 18101 6 2010163 variations de la températurè ambiante. Ceci signifie que le facteur le plus important qui affecte le jeu entre les éléments stationnaires et tournants est l'expansion rotative des éléments tournants. La présente invention utilise avantageusement cette expansion en plaçant l'élément tournant à l'intérieur de l'élément stationnaire ou d'une manière plus précise plus près à l'axe 60 du moteur que l'élément stationnaire. Par conséquent, quand la vitesse de rotation des éléments tournants augmente, l'élément tournant se détend vers l'extérieur pour diminuer le jeu entre les éléments tournants et stationnaires. Par conséquent, cette construction fournit un dispositif d'étanchéité avec un jeu minimal, approximativement 0,2 mm, pour une vitesse de rotation maximale de l'élément tournant. On a déterminé que par suite de ce dispositif d'étanchéité, la fuite peut être diminuée et la perfor mance du moteur peut être augmentée. Il va de soi que de nombreuses modifications pourraient être apportées au mode réalisation qui vient d'être décrit sans pour cela sortir du cadre de l'invention» 18101 7 2010163 Revendications 1. Un procédé pour contrôler le jeu entre un élément tournant et un élément stationnaire d'un dispositif d'étanchéité caractérisé en ce qu'on isole les éléments tournant et stationnaire de leurs points de fixation à l'élément de support du dispositif d'étanchéité afin qu'un déplacement aux points de fixation n'introduise pas un déplacement important des éléments stationnaire et tournant, on contrôle les coefficients d'expansion thermiques des éléments stationnaire et tournant, on contrôle les vitesses de dilatation thermiques des éléments stationnaire et tournant en les munissant avec essentiellement les mêmes constantes de temps et on place l'élément tournant à l'intérieur de l'élément stationnaire, de sorte que l'élément tournant se détende vers l'extérieur quand la vitesse de rotation de l'élément tournant est augmentée afin que le jeu entre l'élément tournant et l'élément stationnaire soit seulement une fonction de l'expansion rotative. 2. Un procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on prévoit un jeu minimal entre les éléments tournant et stationnaire pour une vitesse de rotation maximale de l'élément tournant. 3. Un procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on prévoit une gamme de jeux entre les éléments stationnaire et tournant variant entre 0,2 et 0,38 mm. 4. Un dispositif d'étanchéité comprenant un élément stationnaire et un élément tournant coopérant avec l'élément stationnaire et des moyens pour supporter l'élément stationnaire et l'élément tournant caractérisé en ce que les éléments stationnaire et tournant ont essentiellement les mêmes coefficients d'expansion thermiques et les mêmes vitesses de dilatation thermiques, en ce que l'élément tournant est placé à l'intérieur de l'élément stationnaire par rapport à l'axe central du dispositif d'étanchéité, et en ce que des moyens sont prévus pour déplacer l'élément tournant et l'élément stationnaire de leurs points de fixation aux moyens de support pour que le jeu entre les éléments tournant et stationnaire soit seulement une fonction de l'expansion rotative vers l'extérieur de l'élément tournant. 5. Un dispositif d'étanchéité selon la revendication 4 caractérisé en ce que les moyens de déplacement déplacent les éléments 18101 e £010163 stationnaire et tournant axialement de leurs points de fixation aux moyens de support. 6. Un dispositif d'étanchéité selon la revendication 4 ou 5 caractérisé en ce que les moyens de déplacement comprennent un prolongement essentiellement conique entre 1'élément stationnaire et son moyen de support et un prolongement essentiellement cylindrique entre l'élément tournant et son moyen de support. 7. Un dispositif d'étanchéité selon une des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que le jeu minimal entre les éléments tournant et stationnaire se présente à la vitesse de rotation maximale de l'élément tournant. 8. Un dispositif d'étanchéité selon une des revendications 4 à 7 caractérisé en ce que le jeu entre l'élément tournant et l'élément stationnaire est maintenu entre 0,2 et 0,38 mm pour 11entière gamme de vitesses.