Brevet FR2090105A1 — publié le 19720114

La présente invention est relative aux rotors de turbines et concerne ï>lus particulièrement un montage pour le blocage des aubes de rotor de turbines à la périphérie d'un disque support et pour le refroidissement des racines d'aubes. Il est connu que dans une turbine, par exemple une turbine à gaz â écoule-5 ment ajçial, des températures de fonctionnement plus importantes fournissent un rendement thermique et une puissance de sortie plus élevés. Il est également connu que les sollicitations auxquelles les aubes peuvent être soumises pour une durée de vie donnée, diminuent avec les augmentations de température. De ce fait, le facteur principal de limitation de l'élévation des températures de 10 fonctionnement des turbines à gaz, et par conséquent de l'augmentation du rendement et de la puissance de sortie, est fixé par la résistance physique des aubes rotatives qui sont fortement sollicitées pendant le fonctionnement des turbines . Les aubes rotatives de turbine sont habituellement fabriquées séparément 15 et attachées sur la jante d'un disque de turbine de manière qu'elles s'étendent radialement vers l'extérieur. Lorsque le disque est en rotation, les aubes sont soumises à une sollicitation à la traction dans la direction radiale à cause de la force centrifuge (qui est fonction du poids de l'aube) résultant de la rotation. 20 Les sollicitations les plus importantes se situent à proximité de la raci ne de l'aube, là où elle est solidarisée avec le disque de turbine. Les sollicitations diminuent au fur et à mesure que l'on s'approche de l'extrémité de l'aube où elles deviennent nulles. Actuellement, avec la plupart des conceptions de turbine à gaz, la tempéra-25 ture du courant de gaz de travail est pratiquement uniforme sur toute la hauteur radiale des aubes. Vu que la racine de l'aube est la partie la plus sollicitée, et vu qu'un courant de gaz à température uniforme détermine les sollicitations admissibles pour une aube donnée et pour un matériau déterminé, les sollicitations de la racine à une température déterminée sont généralement pri-30 ses comme point de référence en fixant la température à laquelle les aubes sont destinées à travailler en retirant toute l'énergie voulue du courant de gaz. Les racines des aubes de rotor devraient donc être maintenues à une température aussi basse que possible de manière à extraire l'énergie maximum du courant de gaz circulant dans la turbine et à assurer une longue durée de vie aux 35 aubes. Dans le passé, le refroidissement des racines d'aubes a été. réalisé par une série de moyens comportant une variété de combinaisons de plaques disposées sur les faces amont ou aval (ou sur les deux) des aubes. Ces plaques coopéraient habituellement avec des passages longitudinaux prévus dans les pales des aubes U0 pour diriger de l'air de refroidissement à travers ceux-ci. L'èffickcité de 71 17818 2 2090105 refroidissement de ces agencements a été inférieure à celle requise, particulièrement a cause de la fuite de fluide de refroidissement à travers les joints de plaque du côté aval. De plus, les procédés de fixation et de "blocage requis pour éviter que les plaques ne se détachent avec la rotation à haute vitesse du 5 rotor, se sont révélés malaisés et pas toujours efficaces, ainsi que très coûteux. Le but principal de la présente invention est de fournir un montage simple tout en étant efficace pour diriger radialement vers l'extérieur le courant de fluide de refroidissement, par des trous pratiqués dans la racine de chaque 10 aube de la turbine. Par conséquent, la présente invention consiste en un rotor pour turbine à écoulement axial comprenant au moins ion disque rotorique avec des rainures à entrée latérale prévues à sa périphérie pour recevoir les racines des aubes de rotor, caractérisé en ce qu'une plaque latérale est fixée au dit rotor en 15 étant en contact avec la face amont des dites racines, pour diriger le courant de fluide de refroidissement vers un passage situé sous chacune des dites racines, en ce qu'une pluralité de trous s'étendent radialement vers l'extérieur à travers chacune des dites racines, les dits trous étant en communication avec les dits passages, et en ce que des moyens d'étanchéité et de blocage sont fi-20 xés sur la face aval du dit disque rotorique et sont en contact avec la partie inférieure des dites racines pour confiner le courant de fluide de refroidissement à travers les dits trous et pour éviter la fuite de fluide de refroidissement à partir des dits passages en aval du dit disque. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va sui-25 vre relative à une réalisation préférée qui est représentée, à titre d'exemple seulement, aux dessins annexés. Sur ces dessins: - La figure 1 est une coupe fragmentaire pratiquée radialement à travers un étage d'une turbine à gaz refroidie et montrant une construction d'aube de ro- 30 tor suivant l'invention. - La figure 2 est une vue en élévation fragmentaire prise à partir du côté aval des aubes de rotor de la figure 1. - La fi'gure 3 est une coupe fragmentaire à grande échelle pratiquée suivant la ligne III-III de la figure 2. 35 - La figure H est une coupe fragmentaire à grande échelle pratiquée suivant la ligne V-V de la figure 2. - La figure 5 est une coupe fragmentaire à grande échelle pratiquée suivant la ligne V-V de la figure 2. - La figure 6 est une vue en élévation de l'une des plaques d'étanchéité U0 montrées aux figures 2 et 5 et 71 17818 3 2090105 - La figure 7 est une vue de profil d'une plaque d'étanchéité prise de la droite comme vu à la figure 6. A la figure 1 des dessins, la référence 1 désigne une partie d'une turbine à écoulement axial de fluide, comme par exemple une turbine à gaz, comportant 5 un rotor de premier étage 2, un stator de premier et un stator de deuxième étage H. D'autres aubes de rotor et de stator alternées (non représentées) sont évidemment habituellement prévues. Le rotor comporte un disque 5 ayant une portion périphérique pourvue de rainures dentelées 6 s'étendant axialement (voir figure 2) destinées à recevoir des racines dentelées 7 dont sont pourvues les 10 aubes 8. Chacune des aubes 8, qui sont du type à "entrée latérale" est constituée en ordre principal de trois parties, c'est-à-dire une racine J, une base 10 et une pale 9> Les aubes 8 et le disque 5 ont un côté amont (gauche comme montré à la figure 1) qui est conçu pour recevoir un courant de fluide moteur (voir la flèche 15 du haut) dans le but d'entraîner le rotor 2, et un côté aval qui se trouve à 1' opposé du côté amont (droit comme montré à la figure 1). Une plaque latérale 13 en forme de disque est fixée par une couronne de boulons 18 (dont un seul est représenté) sur le côté amont du disque 5, le rebord ib de la plaque 13 venant s'appuyer sur les racines J. La plaque est per-20 cée d'une couronne de trous 15 (dont un seul est représenté) à travers lesquels passe un fluide de refroidissement, tel que l'air, venant d'un canal 11, en suivant le chemin indiqué par les flèches. Une cloison de séparation 16, également en forme de disque, est fixée sur la plaque 13 et forme la paroi extérieure du canal 11 d'amenée de fluide de refroidissement. 25 Le fluide de refroidissement venant du canal 11 est ainsi forcé de s'écou ler dans le passage 19 existant entre la périphérie du disque de rotor 5 et la partie inférieure perforée des racines J, puis de traverser les conduits radiaux 17 pratiqués dans les racines et ensuite de s'échapper par des canaux prévus dans les aubes 8. 30 Une caractéristique importante de la présente invention concerne l'étanché- ité efficace des racines 7 des aubes 8 à l'extrémité aval. Cette étanchéité est obtenue en prévoyant des segments d'étanchéité courbes 21 et des segments de blocage courbes 22 (voir figures 1 et 2) qui sont disposés dans une rainure périphérique 23 partiquée dans le disque 5 et fermement maintenus en place par 35 des vis de blocage 2k qui pénètrent dans le rebord 25 du disque 5> Par l'utilisation d'un moyen de serrage à vis décrit ci-après, chaque segment 21 est maintenu de façon étanche sur un épaulement inférieur 26 d'une racine adjacente 7, de manière à éviter ou à réduire la fuite du fluide de refroidissement entre le disque 5 et l'aube 8 à la face aval de la racine J. ko Comme indiqué plus clairement à la figure 2, les segments d'étanchéité 21, 71 17818 i+ 2090105 de section en forme de L à angle droit, viennent en contact et appuyent sur plusieurs racines d'aubes adjacentes, par exemple quatre, comme indique au dessin, de manière à s'étendre sur un angle donné, 18° dans le cas précis qui est représenté. Toutefois, il est bien entendu qu'un nombre d'aubes plus petit ou plus 5 grand peuvent être en contact avec les segments d'étanchéité 21. Il est préférable de prévoir un angle légèrement plus petit pour les segments de blocage 22, par exemple un angle de 17°6' pour un angle d'environ 18° prévu pour les segments d'étanchéité 21, afin de faciliter le montage. La tête de chaque vis 2b est bloquée p'ar une rondelle 27 ayant des parties 10 repliées en contact avec les pans de la tête de vis et une languette 27a (figure 2) qui se termine par un bout replié qui s'enfonce dans un trou 28 pratiqué dans le flanc du disque 5 afin d'empêcher la vis de blocage de tourner. Comme indiqué à la figure 3, la vis de blocage 2k traverse le rebord 25 du disque 5, passe dans une ouverture 22a du segment de blocage 22 et aboutit dans 15 une entaille 21a du segment d'étanchéité, de façon à maintenir les segments respectifs en place. Comme indiqué à la figure 1+, des vis de positionnement 29 sont vissées dans des trous taraudés, répartis à la périphérie du segment de blocage 22 de manière qu'en les vissant à l'aide d'une clef introduite dans une entaille 31, elles remplissent une double fonction: compenser le jeu entre les seg-20 ments d'étanchéité et de blocage et la rainure de disque 23, et presser les segments d'étanchéité 21 contre un épaulement 26 de la racine 7 de manière à rendre étanche, de façon efficace, l'extrémité aval du passage de refroidissement 19 situé sous la racine. Les vis de positionnement 29 sont introduites à travers des découpes arrondies 33 pratiquées dans le rebord 25 du disque 5* Ces 25 découpes sont en fait le prolongement de la partie inférieure des rainures dentelées. Le rebord 25 du disque 5 possède assez de souplesse pour s'adapter à la dilatation thermique des racines 7 des aubes dans la direction axiale. En cours de montage, les pièces sont assemblées comme expliqué ci-après: Les segments d'étanchéité 21, d'égale longueur, sont successivement mis en 30 place en les déposant dans la rainure 23 du disque et en les localisant en les poussant sous l'épaulement 26 pratiqué dans la racine d'aube 7- Les segments de blocage 22, d'égale longueur, sont alors successivement amenés sous les é-paulements correspondants formés par la forme en L des segments d'étanchéité 21, et le reste des segments de blocage sont posés de manière similaire jusqu'au 35 dernier. Les segments de blocage 22 sont amenés bout à bout avant que le dernier ne soit finalement inséré. Le dernier segment d'étanchéité est alors installé et le segment de blocage est amené dans sa bonne position. Les vis de blocage 2k sont placées et bloquées avec des rondelles Grower 27- Finalement, les. vis de serrage 29 sont mises ko en place et vissées de manière à écarter les segments de blocage 21 des segments 71 17818 5 2090105 d'étanchéité 22 de façon que, respectivement, ils s'appuyent fermement sur le rebord 25 et sur la paroi radiale 26a de l'épaulement 26, pour former un joint étanche au fluide dans le but d'améliorer les performances de la turbine. Les vis de serrage 29 sont de préférence matées en plusieurs endroits. Du fait que 5 les segments d'étanchéité 21 sont localisés dans les épaulements 26 des racines d'aube 7> les sollicitations dues à la force centrifuge sont uniformément réparties. Vu que les segments d'étanchéité et de blocage sont disposés radialement, ils permettent une dépose et une pose faciles et rapides chez le client. Une autre caractéristique importante de l'invention consiste en la réalisait) tion et le montage des plaques d'étanchéité 36 (voir figure 6 et figure 7) sur la face aval du rotor 2. Comme montré plus clairement aux figures 1 et 2, un rebord 37 est prévu sur la face aval de la racine 7« Une rainure 30 est pratiquée dans le rebord 37 pour supporter le bord inférieur biseauté de la plaque d'étanchéité 36 tandis que son bord supérieur biseauté est encastré dans une 15 rainure 39 pratiquée dans la base 10. Les rainures 38 et 39 des aubes adjacentes s'étendent autour du rotor. La réalisation d'une des plaques d'étanchéité 36 est illustrée aux figures 6 et 7, tandis que leur mode de montage et de fixation est représenté aux figures 2 et 5* Deux bords opposés des plaques 36 sont munis d'épaulements U1 et h2 20 qui sont orientés dans la même direction. Lors de l'assemblage des plaques 36, celles-ci sont alternativement inversées de manière que les bord voisins s'imbriquent de la manière indiquée à la figure 5» La plaque 36 est munie d'une patte inférieure 43 qui pend d'une arête du rebord 37, comme indiqué à la figure 2 pour orienter les plaques par rapport aux aubes du rotor. Les plaques 25 identiques 36 peuvent donc être assemblées rapidement et axialement mises en place, sur la face aval des racines 7, simplement en les disposant dans les rainures des rebords 37 et des bases 10 et en déplaçant légèrement les plaques alternées de manière qu'elles soient imbriquées et de manière que leurs pattes pendent des côtés alternés des rebords 37• 30 II est donc visible qu'un agencement amélioré pour l'orientation axiale des aubes de rotor et pour l'étanchéité du passage d'air de refroidissement situé sous les racines d'aube a été obtenu. Cet agencement amélioré évite ou réduit de manière efficace la fuite d'air de refroidissement ou d'autre fluide du côté aval des aubes de façon à confiner radialement vers l'extérieur le courant d'air 35 de refroidissement à travers des trous radiaux pratiqués dans les racines des aubes. Il faut également noter qu'en prévoyant des segments d'étanchéité qui couvrent plus d'une aube (quatre aubes dans la réalisation représentée), les chemins de fuite sont réduits, à cause du plus petit nombre de joints et que les frais sont également réduits. De plus, vu que les segments d'étanchéité et hO de blocage sont disposés dans des rebords situés sous les racines d'aubes, les 71 17818 6 2090105 sollicitations dues à la force centrifuge sont reparties d'une manière plus uniforme. Bien que l'invention ait été décrite en se référant à une réalisation déterminée, des changements peuvent y être apportés sans sortir du cadre de l'in-5 vention. Par exemple, alors que l'invention a été décrite en ne prévoyant qu'un seul disque rotorique, il est évident qu'une pluralité de ces disques peut être utilisée suivant le principe de l'invention sans sortir du cadre de celle-ci. De même, les racines des aubes et les rainures à entrée latérale pratiquées dans le disque peuvent avoir d'autres formes que la forme dentelée représentée, tout 10 comme les passages pour le refroidissement des racines d'aube peuvent avoir une forme différente de celle représentée à la figure 1. Les segments d'étanchéité et de .blocage de même .que leur moyen de serrage peuvent également être de construction-différente pour former un joint contre les racines. 71 17818 7 2090105 REVENDICATIOHS. 1. Rotor de turbine à circulation axiale comportant au moins un disque rotorique à la périphérie duquel sont pratiquées des rainures d'entrée latérales pour recevoir les racines d'aube de rotor, caractérisé en ce qu'une plaque laté-5 raie est fixée au dit rotor en étant en contact avec la face amont des dites racines dans le but de diriger le courant de fluide de refroidissement vers un passage situé en-dessous de chacune des dites racines, en ce qu'une pluralité de trous s'étendent radialement vers l'extérieur à travers chacune des dites racines en étant en communication avec les dits passages et en ce que des moyens 10 d'étanchéité et de blocage sont fixés sur la face aval du dit disque rotorique et appuyent sur les parties inférieures des dites racines pour confiner le courant de fluide de refroidissement à travers les dits trous et pour éviter que le dit fluide de refroidissement ne s'échappe des dits passages en aval du dit disque rotorique. 15 2. Rotor suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'une rainure périphérique est pratiquée sur la face aval du dit disque rotorique et en ce qu'un rebord périphérique inférieur est prévu sur la face aval des dites racines pour recevoir et supporter les dits moyens d'étanchéité et de blocage, ces dits moyens d'étanchéité et de blocage comportant une pluralité de segments courbes 20 dont chacun d'eux s'applique sur plusieurs aubes de rotor. 3- Structure telle que décrite à la revendication 2, caractérisée en ce que le dit moyen d'étanchéité comprend une pluralité de segments d'étanchéité courbes de section en forme de L ayant leur angle disposé dans les dits rebords périphériques , en ce que le dit moyen de blocage comprend une pluralité de seg-25 ments de blocage courbes disposés dans les dits segments d'étanchéité, et en ce qu'une pluralité de vis de serrage écartées les unes des autres s'étendent à travers les dits segments de blocage et viennent en contact avec les dits segments d'étanchéité pour écarter les dits segments d'étanchéité des dits segments de blocage dans la dite rainure périphérique. 30 4. Rotor suivant la revendication 3, caractérisé en ce que des vis de blocage s'étendent à travers un rebord formant les parois latérales de la dite rainure et à travers des trous en coïncidence pratiqués dans chacun des dits segments d'étanchéité et de blocage. 5. Rotor suivant la revendication caractérisé en ce que le dit rebord est' 35 percé de découpes permettant d'accéder aux dites vis de blocage. 6. Rotor suivant l'une des revendications 3, h et 5, caractérisé en ce que les segments de blocage sont légèrement plus courts que les segments d'étanchéité qui leur sont associés. 7- Rotor suivant l'une des revendications de 1 à 6, caractérisé par des re-1+0 bords et par des bases d'aubes s'étendant à partir des dites racines répartis 71 17818 8 2090105 radialement et par des rainures pratiquées dans les dits rebords et les dites bases pour recevoir les bords inférieurs et supérieurs des plaques d'étanchéité. 8. Rotor suivant la revendication 7, caractérisé en ce que chacune des dites plaques d'étanchéité possède sur deux bords latéraux opposés, des épaulements 5 orientés dans la même direction et en ce que les plaques sont alternativement inversées de manière que les bords voisins soient imbriqués. 9. Rotor suivant la revendication &, caractérisé en ce que chacune des dites plaques d'étanchéité possède une patte qui vient en contact avec la face du rebord correspondant pour orienter les plaques par rapport à leurs aubes de rotor 10 respectives.