Brevet FR2132655A1 — publié le 19721124

- i - 2132655 L'invention se rapporte \ une structure rotative courbée ayant des contraintes internes circonférentielles qui. sont diminuées par des forces induites automatiquement, et plus particulièrement % une structure de support en forme de tore et d'une sec-5 tion lenticulaire pour un moyen d'étanchéité. Dans une turbine à gaz typique, plusieurs disques de turbine comprenant chacun une rangée d'ailettes sur la circonférence d'un disque forment un rotor qui est enfermé à l'intérieur du stator de la turbine. Le fluide moteur passe ^ travers les ailettes lo de la turbine et la fuite des gaz autour ds extrémités des ailettes est maintenue minimale par un moyen d'étanchéité situé aux extrémités des ailettes. Des langées de pales stationnaires sont situées aux côtés opposés des rangées des ailettes pour dizdger le courant du fluide moteur. Les pales stationnaires sont attachés rigidement ]_5 h la cage de la turbine et s'étendent vers l'intérieur en direction du rotor de la turbine. La fuite du fluide moteur autour des extrémités extérieures des pales stationnaires de chaque rangée est maintenue minimale par un moyen d'étanchéité analogue à celui situé à l'extrémité des ailettes de la turbine. L'élément rotatif 2o du moyen d'étanchéité est supporté par une structure essentiellement cylindrique s'étendant entre les disques adjacents et tournant avec ces disques. Le moyen d'étanchéité est situé près des extrémités intérieures des pales stationna ires. Cette construction du moyen d'étanchéité entre les différents étages de pression dans 25 les turbines a été utilisée souvent et efficacement. Des turbines à gaz de diamètres relativement grands, qui fonctionnent avec des pressions et des vitesses de rotation considérablement augmentées, sont maintenant en développement. Si les conditions de fonctionnement, comme par exemple la vitesse 3o de rotation et la température dans la turbine sont augmentées, des limitations de construction deviennent apparentes qui n'étaient pas dominantes dans les turbines avec un plus petit diamètre. Par exemple la contrainte éprouvée par un cylindre rotatif est proportionnelle ?. la distance du cylindre du centre de rotation et de 35 la vitesse de rotation. Pour un matériau donné utilisé à une température et une vitesse de rotation donné, il y a un rayon maximal du centre de rotation au-delà duquel l'élément ne peut pas être disposé sans excéder la limite de la solicitation acceptable 72 19109 pour cet élément, ce rayon étant désigné parfois comme le rayon d'auto-sustentation. Les paramètres de fonctionnement de quelques turbines sont tels que rayon de la partie rotative du moyen d'étanchéité excède le rayon d'auto-sustentation dans quelques sections du stator de la turbine, ce qui est intolérable et peut entraîner des ruptures structurales. Pour éviter le problème,une plate-forme peut être ajoutée aux extrémités des pales de sorte que le moyen d'étanchéité soit situé plus près du rotor de la turbine, avec la partie rotative du moyen d'étanchéité disposée à l'intérieur de la limite du rayon d'auto-sustentction. L'utilisation de cette plate-forme évite la rupture structurale mentionnée ci-dessus, mais un problème'différent est introduit. Une différence de pression existe à travers le stator dans la direction du courant des gaz; et le stator est supporté ^ son extrémité extérieur (au point du rayon maximal du stator) par la cage de la turbine et ainsi le stator est essentiellement une structure en porte-^-faux. La différence de pression ^ travers la plate-forme provoque une flexion anormale du stator dans la direction de la plus petite pression. Dans quelques cas, la distance entre le moyen d'étanchéité et la point de fixation du stator ^ la cage de la turbine, et la diminution de pression ^ travers le moyen d'étanchéité sont suffisantes pour causer une importante flexion du stator de sorte qu'il vient en contact avec l'étage adjacent du rotor de la turbine et ainsi le rotor peut être endommagé par la prolongation du stator dans la légion du moyen d'étanchéité. Le but de la présente invention est de fournir uu support pour moyen d'étanchéité dans une turbine ayant un diamètre et une température de fonctionnement relativement grands. Selon la présente invention une structure annulaire rotative d'une section lenticulaire et ayant une forme de tore autour d'un axe de rotation central est supportée radiallement par deux rotors dans une turbine. La structure comprencT une paroi annulaire extérieure courbée ayant des faces, de bord circulaires dont la distance de séparation le long de l'axe de rotation a la tendance de diminuer pendant la rotiion, et une paroi annulaire intérieure courbée ayant également des faces de bord circulaires 2132655 72 10109 -3. 2132655 gui sont en contact avec les faces de bord de la paroi extérieure et qui ont la tendance de se séparer la long de l'axe pendant la rotation de sorte que la tendance de séparation axiale 'de la paroi intérieure neutralise la tendance de contraction axiale de la paroi extérieure ce gui diminue considérablement la contiainte dans la structure en forme dé tore pendant là rotation. Un avantage de la présente invention est l'élimination des boulons'de fixation entre la structure rotative du mo^en d'étanchéité et les rotors adjacents de la turbine. En outre, la fixation par des boulons des disques au support du moyen d'étanchéité développe des forces axiales internes et provoquent une flexion des disques. Un autre avantage de l'invention est l'abilite de fournir un élément de support rotatif pour un moyen d'étanchéité dans une turbine ^ gaz, le support étant situé à une distance du centre de rotation qui serait dans les constructions connues au-delà du rayon d ' auto-sustentatipn. En outre, parce que la structure est supportée radialement par les disques de le turbine, la structure de support a la même dilatation radiale que les disques pendant l'accélération. La présente invention sert aussi à maintenir un petit moment de renversement éprouvé par une pale stationnaire parce que la distance entre la surface d'étanchéité et le point.de fixation de la pale à la cage de la turbine est diminuée. Pour l'assemblage la paroi extérieure est chauffée et la paroi intérieure est refroidie afin de pouvoir placer la paroi intérieure entre les bords de la paroi extérieure et quand la température des deux parois s'approche d'un équilibre, la paroi intérieure est coincée entre les bords de la paroi extérieure. Selon un autre avantage de 1'invention la structure lenticulaire tend ^ raidire les rotors de la turbine entre lesquels la structure est située. En outre, l'invention fournit une plus grande marge de sécurité parce que la structure de support (l'élément lenticulaire) du moyen d'étanchéité fonctionne avec une contrainte nette qui est plus petite gué dans les constructions, connues. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui suit d'un mode de 72 10109 - 4 - 2132655 réalisation représenté à titre d'exemple dans le dessin. Dans lequel» La figure unique est une représentation schématique d'une structure de support selon la présente invention pour un 5 moyen d'étanchéité. Un mode de réalisction de la présente invention a la forme d'une structure rotative située entre les disques adjacents dans une turbine d'un grand diamètre et avec une haute température de fonctionnement. Comme représenté dans le dessin, chacun de lo deux disques de turbine 10 et 12 supporte sur sa circonférence une ailette 14 resp. 16. Une pale stationnaire 18 s'étend vers l'intérieure d'une cage de la turbine(pas représenté et est reliée par des boulons 20 3. un anneau stationnaire 22 d'un dispositif d'étanchéité segmenté 24 ayant plusieuis surfaces d'étan-15 chéité 26. Des plaques de bLocage 28 et 30 sont attachées par des boulons 20 aux côtés opposas de l'anneau 22 pour éviter la fuite du gaz entre les segments adjacents du dispositif d'étanchéité. La structure de support du dispositif d'étanchéité montée entre les disques de la turbine comprend une paroi courbée 2o intérieure 32 ayant un méridien 34 et une paroi extérieure courbée 36 ayant un méridien 38 qui forment ensemble une structure annulaire double 40 d'une section lenticulaire. Plusieurs projections 42 sont supportées par la paroi extérieure 36 et coopèrent avec les surfaces d'étanchéité 26 pour former le dis-25 positif d'étanchéité 24. Des plaques de côté 48 et 50 font partie du dispositif structural et sont montées sur les faces adjacentes des disques de la turbine. Un arrêt 52 s'étend du disque lo de la turbine et coopère avec une projection 54 de la paroi extérieure 36 pour éviter un mouvement de rotation relatif entre la struc-30 ture annulaire double 40 et les disques de la turbine. L'importance de la contrainte circonférentielle dans la paroi extérieure 36 permet d'étanchéifier les pales stationnaires ^ un rayon beaucoup plus grand en comparaison avec les constructions connues, ce qui est dû ? la présence de la paroi intérieure 35 courbée 32. Ces deux parois sont dimensionnaes de sorte qu ' une force méridienne de traction (perpendicular par rapport à b contrainte circonférentielle) soit produite dans la paroi extérieure et une force méridienne de compression soit produite dans la 72 10109 - 5 - 2132655 paroi intérieure pendant la rotation de la turbine, et les deux parois agissent l'une sur l'autre de sorte que les forces axiales (paralèlles par rapport n l'axe central de la tuxtine) imposé par une paroi sur l'autre paroi tendent à s'éliminer mutuellement. La contrainte circonférentielle nette éprouvée par.chacune des parois et diminuée par une contrainte circonférentielle négative produite par la force axiale induite dans chaque paroi. La structure annulaire double 40 est supportée radiale-ment sur des épaulements 44 et 46 des disques 10 resp. 12 de la turbine. Pendant le rotation, la partie centrale de la paroi extérieure 36 a la tendance de s'aggrandir radialement dans la direction des pales du stator ce gui est dû au mouvement rotatif et les bords 56 et 58 ont la tendance de se rapprocher axialement l'un vers l'autre. Simultanément,la partie centrale delà paroi intérieure a la tendance de se déplacer vers les ailettes du stator et les bords 60 et 62 de la paroi intérieure 32 ont la tendance de s'éloigner axialement l'un de l'autre. Quand les bords 56 et 58 se déplacent l'un vers l'autre, la paroi intérieure 32 est soumise ^ une force de compression axiale qui est neutralisée dans la paroi extérieure par la force de tension axiale résultant de l'écartement axial des bords 6ô et 62 de la paroi 32. La contrainte de tension circonférentielle est ainsi diminuée pendant le fonctionnement par une contrainte circonféren-tiâ.le négative produite par la force axiale qui est induite dans chaque paroi. Une autre diminuation de la contrainte circonférentielle est réalisée par le montage radialcfe la structure 40 sur les épaulements 44 et 46. Le résultat complet est que la paroi intérieure et la paroi extérieure de la structure annulaire double 40 ont des contraintes circonférentielles internes relativement petites. Des forces axiales dans chaque paroi, qui sont causées par les contraintes appliquées par chaque paroi aux extrémités de l'autre paroi, produisent une autre contrainte circonférentielle gui est plus petite gue celle dans une structure cylindrigue avec le même rayon, tournant avec la même vitesse est utilisée sous la même température. Lorsgu'il devînt évident que des parois cylindriques rectilignes et les plate-formes de prolongation mentionnées ci- 72 10109 - 6 - 2132655 dessus n'étaient pas satisfaisantes pour supporter le moyen d'étanchéité dans des applications ^ grande sollicitation,on considérait une paroi courbée qui pourait être attachée par des boulons aux disques adjacents de la turbine. Tandis qu'une struc-5 ture de support rotative comprenant une seule paroi peut être réalisée, cet approche est indésirable parce que les trous pour les boulons dans les disques de la turbine près de leurs bords diminuent la résistance t la contrainte alternée et on a besoin d'augmenter le poids du disque, afin de regagner la résis-lo tance * la contrainte alternée perdue. En outre, la fixation par des boulons des disques au support pour le moyen d'étanchéité développe des forces axiales internes et des flexions des disques. Contrairement, la structure rotative annulaire double selon l'invention pour supporter le moyen d'étanchéité n'a pas 15 besoin de trous de montage dans les disques adjacents de la tur bine. Le support axial pour une paroi courbée unique fixée par des boulons ^ des disques adjacents est fourni par la raideur axiale des disques et le moyen d'étanchéité d'espacement entre ces 20 disques. Parce que les disques sont normalement des plaques circulaires qui sont inefficaces pour supporter des forces axiales, une plus petite force axiale méridienne peut être maintenue dans une paroi unique attachée par des boulons que dans une paroi lenticulaire sans boulons et dans les mêmes conditions la paroi unique 25 éprouve une contrainte circonférentielle plus grande. Parce que la partie segmentée stationnaire du moyen d'étanchéité a une réponse contrôlée/des changements du cycle thermique, le moyen d'étanchéité a la caractéristique d'un jeu contrôlé pendant l'accélération d'une turbine suivi par une période 3o pendant laquelle le jeu s'approche lentement du jeu pendant le régime permanent et un jeu essentiellement constant entre les éléments du moyen d'étanchéité pendant la décélération sans frottement des surfaces adjacentes du moyen d'étanchéité en réponse à des différences de la dilatation thermique à un moment donné 35 pendant le cycle thermique. Parce que la paroi intérieure et la paroi extérieure sont des éléments annulaires formés d'une seule pièce, l'assemblage de ces parois pour former la structure annulaire double est réali 72 10109 - 7 - 2132655 sé de la manière suivante. La paroi intérieure avec le plus petit diamètre est refroidie et la paroi extérieure avec le plus grand diamètre est chauffée jusqu'à ce que le diamètre extérieur de la surface 62 de la paroi intérieure soit plus petit que le diamètre extérieur du bord 58 de la paroi extérieure. Par exemple, si les parois sont en acier inoxydable ayant un diamètre d'approximativement 75cm, et si la hauteur du bord est approximativement 25 mm, une différence d'environ 540°C est suffisante entre la paroi intérieure et la paroi extérieure pour permettre l'assemblage de ces parois. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit, mais elle en embrasse au contraire toutes les variantes. 72 10109 - a - 2132655 REVENDICATIONS. 1. Turbomachine ayantun axe central, au moins deux disques adjacents et un support rotatif pour un moyen d'étanchéité, caractérisé en ce que le support pour le moyen d'étanchéité est en forme de tore et a une section lenticulaire, le support comprenant 5 une paroi annulaire double disposée axialement entre les deux dis ques adjacents et supportée radialement à chaque extrémité par un épaulement s'étendant de chacun des deux disques adjacents. 2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisée lo en ce que la paroi annulaire double comprend un élément extérieur concave par rapport l'axe central et un élément intérieur convexe par rapport ^ l'axe central, et en ce que les deux éléments sont assemblés par leurs bords opposés. 3. Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en 15 ce que l'élément extérieur annulaire courbé a un rebord s'étendant le long de ces extrémités circulaires et l'élément extérieur étant disposé symétriquement par rapport ^ l'axe central de sorte que pendant la rotation du support autour de l'axe central le centre de l'élément extérieur a la tendance de s'éloigner de l'axe 2o central et la distance de séparation le long de l'axe central des deux rebords a la tendance de diminuer, et en ce que l'élément intérieur annuMre courbé a une surface d'arrêt s'étendant le long de ces extrémités circulaires et l'élément intérieur étant placé entre les rebords de l' élément extérieur de sorte que pendant la 25 rotation du support, le centre de l'élément intérieure a la tendance de s'éloigner de l'axe central et la distance de séparation entre les deux surfaces d'arrêt le long de l'axe central a la tendance d'augmenter. 4. Turbomachhe selon une des revendications 1 à 3, carac-3o térisée par des moyens attachés ^ un des disques adjacents pour éviter un mouvement relatif rotatif entre les disques et la paroi annulaire double. 5. Turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'élément extérieur double comprend au moins une pro- 35 jection d'étanchéité coopérant avec une surface d'étanchéité formée sur un élément stationnaire de la turbomachine.