Brevet FR2006099A1 — publié le 19691219

i 2006099 La présente invention concerne des .rotors de.-turbines notamment pour turbines à gaz. Le rotor de turbine selon l'invention comporte une couronne extérieure et une couronne intérieure coaxiales et ra-5 dialement espacées entre- elles et un premier aubage s'étendant entre ladite couronne extérieure et ladite couronne intérieure. Un deuxième .aubage de turbine peut" ^être.-loge à l'intérieur de ladite première couronne et/ou à l'extérieur de ladite couronne extérieure,, 10 Suivant un mode de réalisation particulier,, ladite couronne extérieure et/pu ladite couronne intérieure se présentent sous forme d'un élément tubulaire allongé.- ; -. Dans une turbine à gaz par exemple, la partie de turbine entrainant la partie- compresseur qst logée -à l'intérieur de 15 ladite partie compresseur et les deux parties sont montées dans un seul rotor..Ceci ne.permet pas seulement de réduire la longueur totale du rotor mais permet d'utiliser un seul palier ou ensemble de paliers, pour supporter l'organe de commande ët l'organe entrai-né<> 20 Suivant un autre mode de réalisation, ladite couron ne extérieure et ladite couronne intérieure sont maintenues dans leurs positions coaxiales et radiales respectives au moyen dudit premier aubage de turbine. .... * .... . En service un rotor de turbine, par exemple d'une 25 turbine à gaz, est soumis à des températures relativement élevées lorsqu'il est entrainé par des gaz de combustion. Une difficulté majeure pour la conception et le fonctionnement des turbines à gaz réside dans le fait que les températures élevées -et les-for--ces centrifuges puissantes en jeu provoquent un cheminement de 30 certaines matières des éléments du rotor-et- de.-l'aubage* de : celui-ci. Four cette raison, on a produit.des aciers- et. des alliages spéciaux, mais les conditions de service extrêmement difficiles compliquent le fonctionnement de telles turbines à gaz et des turbines à vapeur. 35 Cn sait que certaines matières céramiques résistent à des températures de service très élevées mais sont très cassantes et résistent moins aux forces de traction que les métaux. Certaines matières céramiques et en particulier le nitride de silico-ne résistent pourtant aux températures élevées, peuvent être usi-40 nées convenablement et présentent une résistance à la compression 1 PAD ORIGINAL 69 11306 2 2006099 2 . •. . . de l'ordre de 200 à 300 méganewtons/m o - '• Suivant un autre mode dé réalisation du rotor selon l'invention, ladite'couronne intérieure comporte des parties en une matière céramique supportées par-une" enveloppe extérieure, et 5 le rotor comporte un deuxième aubage situé à l'intérieur de ladite couronne"intérieure et/ou- à- 1'extérieur de ladite couronne -extérieure et qui est en une matière céramique." Les parties mobiles sont montées de-manière que la matière céramique soit fixée radialement sur des moyens de sup-10 port" rigide. La matière céramique est 'ainsi soumise, sous l'effet des forces centrifuges produites-à des vitesses de rotation -élevées a une simple compression." -" Suivant un mode de réalisation avantageux d'une ma chine comportant une turbine à gaz et un compresseur entrainé 15- par ladite turbine, la turbine et le compresseur sont montés co-- axialement et d'une manière - telle que le support extérieur des • parties en céramique du rotor constitue une partie du compresseur par exemple le support tub'ulaire de "1 ' aubage du compresseur. ' Dans une telle construction, la matière céramique, 20 le nitridede silicone, absorbe, grâce'à sa stabilité aux hautes températures, la chaleur produite èt le support extérieur en acier est maintenu a une température beaucoup plus basse au moyen d'un courant d'air de refroidissement envoyé à travers la section extérieure du compresseur. ' 25 II-est, dans certains cas,avantageux d'utiliser com me moyen de support pour un rotor de turbine un ou plusieurs paliers a fluide. '-0n a trouvé qu'on peut utiliser avantageusement •- ladite matière céramique en particulier du nitride de silicone pour former les" surfaces - délimitant le coussinet "d'un tel palier 30 à fluide. On obtient ainsi une stabilité de service 'très bonne et 'une bonne résistance aux "détériorations et au frottement provoqués lorsque les surfaces de support frottent accidentellement '- " l'une sur l'autre à des vitesses de rotation très élevéeso - ' - La matière céramique constitue de préférence l'élé- 3 5 ment extérieur de deux*éléments délimitant le coussinet~a fluide. Lorsque cet élément est fixe, il n'est pas soumis à des forces centrifuges de traction mais seulement-à une compression en direction radiale exercée par le fluide dudit coussinet. Suivant un autre mode de réalisation, le rotor selon 40 1'invention-comporte 1'un ou plusieurs paliers à coussinets à BAD ORIGINAL 69 11306 3 2006099 fluide- Suivant une première variante, le rotor comporte un palier à fluide dont le coussinet à fluide s'étend radialement à l'extérieur de ladite couronne extérieure, et de préférence la paroi radiale intérieure dudit coussinet à fluide est cons-5 tituée par ladite couronne extérieure, ceci facilite la fabrication et l'alimentation du et de chaque palier et permet d'obtenir une construction de rotor très compacte de dimensions axiale et radiale réduites. Une telle construction permet également de réaliser 10 un ensemble composite dans lequel chaque unité de rotor est montée sur un même arbre et les ensembles mobiles sont, chacun, entraînés à une vitesse différente déterminée par l'angle d'inclinaison des pales de turbine, dans chaque unité pouvant ainsi être réalisé un rapport de compression différent. 15 Suivant une deuxième variante, le rotor comporte un palier à fluide dont le coussinet est situé radialement à l'intérieur dudit deuxième aubage de turbine. Il peut, de plus, comprendre une troisième couronne qui est fixée dans une position radiale prédéterminée à l'intérieur de ladite couronne intérieu-20 re et qui constitue la paroi de délimitation radiale intérieure dudit coussinet à fluide. D'autres réalisations et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre et en se référant aux dessins annexés montrant trois modes de réalisation non li-25 mitatifs de la turbine selon l'invention. Sur ces dessins ï Fig. 1 est une vue en coupe axiale d'un premier mode de réalisation d'une turbine à plusieurs étages selon l'invention comportant un palier à fluide du type à fentes d'alimenta-30 tion; Fig. 2 est une vue en coupe axiale d'un deuxième mode de réalisation de la turbine à gaz selon l'invention, et Fig. 3 est une vue en coupe axiale d'un turbo—compresseur à plusieurs étages selon l'invention comportant un 35 palier à fluide du type à fentes d'alimentation» A la figure 1, on voit une turbine à gaz comportant une paire d'ensembles de rotors axialement espacés et dont chacun comporte un élément de turbine en céramique entraîné, portant la référence générale 1 et qui est logé dans un élément 40 compresseur en acier 2. L'élément en céramique est, par exem- "1 OfWSMAL 69 11306 4 2006099 pie en nitride de silicone. Chaque élément de turbine 1 comporte un moyeu 3 serv vant à coopérer avec des griffes de démarrage 4 entraînées par des forces centrifuges et à supporter des palettes de turbine 5 en céramique 5 et encore à délimiter en combinaison avec un élément tubulaire en céramique 6 un canal pour guider les gaz de combustion vers une ouverture d'évacuation ou d'échappement. . Ledit élément tubulaire en céramique 6 est logé à l'intérieur d'un élément tubulaire 7 de l'élément de compres-10 seur en acier et est maintenu par celui-ci contre toute force radiale vers l'extérieur, par exemple contre la force centrifuge. L'élément compresseur en acier 2 comporte l'élément tubulaire 7, des palettes de compresseur 8 s'étendant en direction radiale a partir de l'élément 7, et un élément tubulaire 15 extérieur. La surface extérieure cylindrique de l'élément 9 constitue la surface intérieure de délimitation du coussinet 10 d'un palier à fluide,, La surface de délimitation extérieure dudit coussinet est constituée par la surface cylindrique intérieure de l'une d'une paire de bagues céramique 11, respecti-20 vement, de sorte que chaque ensemble de rotor est supporté par deux paliers à fluide cylindrique espacés en direction axiale. Chaque élément 9 est logé axialement entre une paire de parois annulaires 12 et des paliers de butée à fluide 13 sont délimités entre chaque extrémité de l'élément 9 et la paroi voisine 25 correspondante. Chaque ensemble de rotor est ainsi supporté contre des forces axiales et ceci dans les deux directions par un palier de butée à fluide. Les coussinets à fluide cylindriques 10 sont alimentés avec du fluide sous pression à travers un conduit 14 communiquant avec une chambre de fluide annulai-30 re 15. Les ensembles de bagues en céramique annulaires 11 sont chacun constitué par un manchon cylindrique lia et deux éléments d'extrémité 11b, lie. Les surfaces axiales extrêmes du manchon lia présentent plusieurs évidements parallèles et une surface radiale plane des éléments d'extrémité correspondants 35 11b et 11c bute contre la surface extrême de l'élément lia de manière à obtenir une série de fentes d'alimentation disposées sur la circonférence de la surface de support et qui relient ladite chambre d'alimentation 15 audit coussinet 10. Chaque ensemble à bague céramique 11 comporte deux rangées circonféren-40 tielles de telles fentes, lesdites rangées étant espacées entre §AD QR" .jfsfA'î 69 11306 5 2006099 elles en direction axiale» Des procédés de fabrication de telles fentes et de paliers à fluide présentant de telles fentes sont décrits dans les brevets anglais L'° 1 CSS 56C, i:° 1 099 730, î.'° 1 555 330 5 et i-.° 1 145 313 ainsi que dans les demandes de brevets anglais I.ros 27 904/67 du 16 Juin 1967, 48 068/67 du 23 Octobre 1967 et 48 531/68 du 15 Octobre 1968, déposés tous au nom de la" demanderesse. Les paliers de butée à fluide 13 sont tous alimentés 10 avec du fluide s'écoulant à partir des extrémités du palier à fluide axial correspondant 10. En service, l'air est aspira à travers une ouverture d'aspiration 16 et s'écoule à travers 1'aubage fixe 17a pour être guidé sur 1'aubage mobile de compresseur 8 de l'ensemble 15 de rotor. Ensuite l'air s '.écoule à travers un deuxième aubage fixe 17b pour être envoyé sur 1'aubage mobile de compresseur 8 du deuxième ensemble de rotor. Ensuite l'air traverse un troisième aubage fixe 17c et s'écoule à travers des passages 18 dans un;- chambre de combustion 19 alimentée avec du combustible 20 au moyen d'un injecteur 20. Les gaz de combustion s'écoulent sur un aubage fixe 21a, à travers 1'aubage mobile de turbine 5 à travers un deuxième aubage fixe 21b et à travers ledit aubage mobile 5 et ensuite à travers un troisième aubage fixe 21ç pour s'écculer éventuellement à travers un orifice d ' échappement . arbre- de turbine 23a. Dans ce mode de réalisation- la"ccuronne extérieure" est constituée par deux éléments tubulaires extérieurs 9 déli-. rcitarvt• la limite intérieure d'un palier à fluide axial. La "cou-30 ronne intérieure" est constituée par ledit ensemble de l'élément tubulaire en céranicue 6 Icq'. dans l'élément tubulaire en acier 7. Psr "premier aubage de turbine" on entend ici les ailettes mobiles 8 du compresseur. Par "deuxième -aubage de turbine", on entend- les ai le et es entraînées" en rotation 5 de la turbine. . 35 ' La figure 2 r.ontca un- turbine à gaz à plusieurs éta ges similaire à celle représentée à la figure 1, et qui diffère de cette dernière essentiellement par le fait eue les deux ensembles du rotor sont supportés chacun par Une' paire de paliers à fluide situés, à-l'intérieur du rotor lui-même au lieu d'être à 40 l'extérieur de ladite couronne extérieure. • "1 aaC- gbwinal 69 11306 6 2006099 Le rotor comporte deux ensembles mobiles A. et b espacés entre eux en direction axiale. Ces ensembles sont constituas chacun par une enveloppe en acier 24, par une couronne en céramique et par un aubage de compresseur en céramique 25 logé, à 1'-5 intérieur de ladite enveloppe et supporté par. celle-ci, par une couronne intérieure en céramique 26, un aubage mobile de turbine en céramique 2 7 et par un moyeu en céramique 280 Les deux ensembles A et B sont disposés entre des paires d'aubages fixes C, D et E respectivement. 1C Les paliers à fluide pour chaaue ensemble présentent des coussinets cylindriques 29 délimités entre la surface exté-■ rieure cylindrique du moyeu 28 et une surface intérieure cylindrique d'un corps fixe 30. Dans chaque corps 30 est prévu un ensemble de bagues en céramique 30a tel que décrit, en se référant 15 à la figure 1 et qui sert à assurer l'alimentation de fluide vers le coussinet à fluide 29 et ceci à travers une série de fentes. Chaque cojçb 30 comporte une chambre de fluide 31 alimentée à travers des conduits 32. On voit que dans ce cas la "couronne extérieure" est constituée par ladite enveloppe en acier 2 0 24 et la matière céramique de celle-ci, la "couronne" intérieure" par la couronne ou bague ën céramique 26, le "premier aubage de turbine" par les ailettes du compresseur 25, le "deuxième aubage de turbine" par les ailettes mobiles en céramique 27. Les coussinets à fluide 29 sont délimités entre les éléments.de- support 25 (moyeu 28, corps 30) situés radialement à l'intérieur des ailettes de turbine 27. La- "troisième couronne" est constituée par le corps 30 et l'ensemble de bagues en céramique de celui-ci qui est monté coaxialement avec la "couronne intérieure" et espacé de celle-ci en direction radiale et qui constitue la surface ra-30 -Jiale extérieure dudit coussinet à fluide. Sur la couronne intérieure sont prévue, en F des paliers :a butée à fluide séparés alimentés à partir des conduits a'alimantation 32o A la figure 3 est représenté un compresseur axial à 35 plusieurs étages coaxiaux et qui comporte un rotor constitué de deux parties accouplées L et M espacées entre elles en direction axiale, chaque partie comporte un élément tubulaire cylindrique extérieur en acier 33 à l'intérieur duquel sont logées les ailettes de compresseur 34 fixées sur un élément tubulaire intérieur 40 en acier 35. -,i.n OR16ÏNAL 69 11306 7 2006099 A l'intérieur dudit élément 35 est logé un ensemble céramique constitué d'un élément tubulaire 36 supporté contre des forces radiales par ledit élément en acier 35 et d'un aubage mobile en céramique 35 monté sur un moyeu céramique 38„ 5 chaque partie L, M est supportée par un palier à fluide extérieur. Le coussinet à fluide 39 est délimité par la surface extérieure de l'élément d'acier 33 et par la surface intérieure d'un ensemble de bagues en céramique 40. L'ensemble 40 est constitué de trois éléments similaires à ceux des ensem-10 ûles liai lli et 11c décrits en se référant à la figure 1. Du fluide est alimenté au coussinet 39 à partir de chambres 41 à travers des fentes 42 disposées en deux rangées circonférentiel— les pour chaque ensemble. Entre l'extrémité de chaque élément 33 et la paroi radiale fixe voisine du stator est délimité un 15 coussinet de butée à fluide 43 alimenté par le fluide s'écoulant a partir du coussinet axial voisin 390 Dans ce mode de réalisation, la "couronne extérieure" est constituée par l'élément en acier 33, la "couronne intérieure" par l'ensemble des éléments en céramique 36 et de 1'-20 élément en acier 35, le "premier aubage de turbine" par les ailettes 34 et le "deuxième aubage de turbine" par les pales 37<> Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, on pourra y apporter de nombreuses modifications de détail sans sortir, pour cela, 25 du cadre de l'invention. '1 f$AD ORIGNAL 69 11306 8 2006099 REVENDICATIONS 1) Rotor de turbine caractérisé en ce qu'il comporte une couronne extérieure et une couronne intérieure coaxiales et radialement espacées entre elles et un premier aubage s*étendant 5 entre ladite couronne extérieure et ladite couronne intérieure„ 2> Rotor suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couronne extérieure et/ou ladite couronne intérieure se présente sous forme d'un élément tubulaire allongé. 3) Rotor suivant l'une des revendications 1 ou 2, 10 caractérisé en ce que ladite couronne extérieure et ladite couronne intérieure sont maintenues dans leurs positions coaxiales et radiales respectives au moyen dudit premier aubage de turbine o 4) Rotor suivant l'une des revendications 1 à 3, 15 caractérisé en ce que ladite couronne intérieure comporte des parties en une matière céramique supportées par une enveloppe extérieure,, 5) Rotor suivant la revendication 4f caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième aubage situé à l'intérieur de 20 ladite couronne intérieure et/ou à l'extérieur de ladite couronne extérieure et qui est en Une matière céramique» 6) Rotor suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un palier a fluide dont le coussinet à fluide s'étend radialement à l'extérieur de ladite 25 couronne extérieure. 7) Rotor suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la paroi radiale intérieure dudit coussinet à fluide est constituée par ladite couronne extérieure. 8) Rotor suivant l'une des revendications 1 à 5, 30 caractérisé en ce qu'il comporte un palier à fluide dont le coussinet est situé radialement à l'intérieur dudit deuxième aubage de turbine. 9) Rotor suivant la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte une troisième couronne qui est fixée dans une 35 position radiale prédéterminée à l'intérieur de ladite couronne intérieure et qui constitue la paroi de délimitation radiale intérieure dudit coussinet à fluide» 'MD ORIGINAL