Brevet FR2406121A1 — publié le 19790511

L'invention concerne, d'une manière générale, les compresseurs de turbine à gaz, et, en particulier, un dispositif pour accoupler les disques de rotor de ces compresseurs. Dans les installations normales de turbines à gaz, la turbine fournit directement de l'énergie de rotation à ces deux dispositifs par l'intermédiaire d'arbres d'accouplement. Parfois, cependant, il devient nécessaire de modifier cette disposition et de placer le compresseur entre la turbine et la charge, et la transmission du couple à la charge doit se faire par l'intermédaire des disques de rotor du compresseur. Si l'on utilise un compresseur de cette manière, un dispositif ordinaire pour serrer les disques ensemble, tel qu'un serrage à frottement au moyen de boulons passant dans des trous de rotor alignés axialement, devient insuffisant pour empêcher le déplacement relatif des disques les uns par rapport aux autres.Dans le passé, on savait réaliser un accouplement à dentelures de tous les disques d'un rotor pour empêcher ce déplacement relatif, mais les disques dentelés sont coûteux et les intervalles existant entre les dentelures engrenées fournissent à l'air un chemin de fuite entre l'extrémité haute pression du compresseur et son extrémité basse pression. Un but de la présente invention est de fournir un dispositif efficace pour l'accouplement de ces disques de rotor transmetteurs de couple, sans le cout élevé et les fuites d'air du dispositif d'accouplement à disques dentelés de la technique antérieure. La présente invention tire profit de l'augmentation du diamètre du disque au fur et à mesure que la distance à l'extrémité d'entrée d'un compresseur augmente. Au-del d'une certaine distance de l'entrée, le diamètre des disques devient normalement assez grand pour recevoir suffisamment de boulons de serrage et fournir une surface de disque adéquate à la création du frottement nécessaire pour maintenir l'alignement des disques sous un couple élevé. Le serrage ensemble de ces grands disques se fait par plusieurs boulons passant par des trous, axialement alignés, des disques. Les plus petits disques, situés à l'extrémité d'entrée, comportent chacun une disposition annulaire d'éléments d'accouplement orientés axialement, qui s'engrènent sur les éléments d'accouplement des disques voisins.Ces disques sont aussi serrés en semble par plusieurs boulons passant dans des trous, alignés axialement, des disques. On empêche la fuite d'air à travers les intervalles qui séparent les éléments d'accouplement engrenés en plaçant des joints d'étanchéité dans des gorges annulaires alignées formées dans les arrangements voisins des éléments. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées, qui représentent, respectivement Fig. 1, une vue de coté, en coupe, de la moitié supérieure d'un compresseur de turbine à gaz utilisant l'invention, Fig. 2, 3 et 4, des vues de face de différents disques de rotor faisant partie du compresseur de la figure 1, Fig. 5, une vue de cté agrandie, en coupe, représentant un dispositif pour empêcher la fuite d'air entre les disques de rotor accouplés suivant la présente invention, et Fig. 6, une vue faite suivant la ligne 6-6 de la figure 5. On voit sur la figure 1 que le compresseur comporte un rotor constitué de plusieurs disques, numérotés de 1 à 18, possédant chacun une rangée annulaire d'aubes 20, orientées radialement, qui partent de sa périphérie et vont vers ltextérieur. Le rotor est monté dans un carter 22, où il tourne autour d'un axe 24. Sur le carter sont fixées plusieurs rangées annulaires d'aubes de stator 26, orientées radialement, qui s'intercalent vers l'intérieur entre les rangées d'aubes de disques de stator. Un passage réser yé à l'air comprimé par les aubes se trouve entre le rotor et le carter ; il va d'une entrée 28 à une sortie 30. L'air comprimé quittant la sortie alimente une chambre de combustion (non représentée) ; celle-ci envoie des gaz chauds à travers une turbine à gaz, ce qui crée un couple pour entrainer une charge.A l'extrémité de sortie de l'air du compresseur, la turbine est reliée à un arbre tronqué 32 et entrain le rotor, et aussi une charge (par exemple un générateur) reliée à un arbre tronqué 34, à ltextrémité d'entrée d'air du compresseur. Jusqu'ici, la structure du compresseur est classique. Mais, afin de permettre l'usage du rotor de compresseur pour délivrer un couple à une charge, on accouple d'une manière particulière les disques de rotor d'un compresseur construit suivant l'invention, pour empêcher le déplacement relatif des disques les uns par rapport aux autres. Ce déplacement pourrait provoquer un déséquilibre du rotor et entrainer des dommages pour le compresseur. La présente invention tire profit des caractéristiques dimensionnelles propres au compresseur pour obtenir un accouplement efficace des disques de rotor, sans la dépense qu'entraine la réalisation d'un dispositif d'embrayage positif, tel que des dentelures, sur tous les disques de rotor. La liaison de charge à l'extrémité d'entrée du compresseur rend spécialement difficile l'accouplement des disques de rotor, car le diamètre du rotor est le plus faible à cette extrémité. Ce faible diamètre limite le nombre et la taille des boulons qui peuvent traverser le rotor pour serrer les disques ensemble. I1 limite aussi le contact de frottement entre les disques à l'extrémité d'entrée en réduisant la zone de contact des disques contigus. La difficulté d'assurer un accouplement efficace augmente encore quand on accouple au compresseur une charge telle qu'un générateur de courant électrique, car le rotor doit être capable d'absorber des surcharges momentanées élevées durant une défaillance de la ligne, telle qu'un court-circuit, ou durant les opérations de mise en circuit et de coupure de la ligne. Pour surmonter cette difficulté, on munit d'éléments d'accouplement positif les faces d'un premier groupe des disques de rotor situé à l'extrémité du'entrée du compresseur (disques 1 A 8). Dans une forme de l'invention (figure 2), chacun de ces disques comporte une disposition annulaire de dentelures 36, orientées axialement, qui partent d'au moins une face de ces disques pour s'accoupler avec la disposition annulaire de dentelures qui part d'une face d'un disque contigu. Les disques 2 à 7 ont des dentelures sur les deux faces, tandis que les disques 1 et 8 n'ont besoin de dentelures que sur un côté seulement. Le côté opposé du disque 1 prend la forme d'un arbre tronqué 34, et le côté opposé du disque 8 comporte une surface lisse qui porte sur une face semblable du disque contigu 9, décrit plus bas. Chacun des disques du premier groupe comporte aussi une disposition annulaire de trous de boulon 38 situés pour être alignés axialement avec les trous de boulon des autres disques du groupe. Plusieurs boulons 40 (figure 1) traversent les trous alignés axialement du premier groupe de disques,maintiennnntles disques en compression et tiennent accouplées les dentelures des disques contigus. Les faces d'un second groupe de disques de rotor, situé à l'extrémité de sortie du compresseur (disques 9 à 18) comportent une surface lisse 42 (figure 3) qui assure un contact de frottement lors de l'application d'une force normale à la surface. Les disques 9 à 17 ont cette surface lisse sur les deux faces, tandis que le disque 18 n'a cette surface lisse que sur un seul côté, le côté opposé prenant la forme de l'arbre tronqué 32. Chacun des disques du second groupe comporte aussi une disposition annulaire de trous de boulon 44, situés pour être alignés axialement avec les trous de boulon des autres disques du second groupe.Plusieurs boulons 46 (figure 1) traversent les trous alignés axialement du second groupe de disques ; ils maintiennent ces disques en compression et fournissent la force normale nécessaire pour établir un contact de frottement entre les surfaces lisses 42 contiguës des disques voisins. Les boulons 46 traversent aussi des trous du disque 8, qui comporte deux dispositions concentriques de trous (figure 4). La disposition intérieure 38 de trous est alignée avec les trous du premier groupe, et la disposition extérieure 44 de trous est ali gnee avec les trous du second groupe de disques. Comme les boulons 46 qui maintiennent le second groupe de disques en compression traverse aussi le disque 8 du premier groupe, ces boulons servent à serrer ensemble les deux groupes de disques pour former le rotor. I1 faut noter que les disques 9 à 18 sont efficacement accouplés sans la dépense qu'entraîne la réalisation de dentelures ou d'autres éléments d'accouplement positif sur leurs faces. On y parvient en tirant profit de l'augmentation de diamètre de la partie du rotor formée par le second groupe de disques pour faciliter le développement d'une pression élevée d'air au voisinage de l'extrémité de sortie du compresseur. L'effet de cette augmentation de diamètre sur la possibilité de développer un contact de frottement entre les disques'de rotor devient évident quand on compare un petit disque du premier groupe (représenté sur la figure 2) avec un grand disque du second groupe (représenté sur la figure 3).L'augmentation de diamètre permet d'avoir une plus grande surface de contact, ce qui est évident si l'on compare l'aire de la surface lisse 42 avec l'aire occupée par la disposi tion à dentelures 36. On peut aussi avoir un plus grand cercle sur lequel sont répartis les centres des boulons, et l'on peut donc utiliser un plus grand nombre de gros boulons de serrage, comme on peut le voir en comparant la taille et le nombre des trous de boulon 44 du grand disque avec ceux des trous de boulon 38 du petit disque. Cette augmentation de la surface de contact, ainsi que de la taille et du nombre des boulons de serrage, permet le développement, entre les disques du second groupe, d'un frottement suffisant pour éviter leur déplacement relatif. Si l'on se réfère à la figure 1, on peut y voir que l'on a réduit au maximum l'épaisseur des disques de rotor partout où c'était possible, pour garder le poids du rotor dans des limites tolérables et optimiser les caractéristiques dynamiques du rotor. Les régions d'épaisseur maximale du disque se trouvent au niveau de la disposition annulaire 36 de dentelures, sur les disques du premier groupe, et au niveau de la surface lisse de contact 42, sur les disques du second groupe ; et les disques n'ont de contact entre eux que dans ces régions. En raison de l'échelle du dessin, les disques semblent se toucher sur des levres annulaires 48 o rientées axialement, formées sur le pourtour de chaque disque, mais en réalité il faut conserver un petit intervalle entre les lèvres des disques contigus pour éviter que la dilatation thermique ne provoque le contact des lèvres contiguës.Ce contact pourrait désaligner les disques si la dilatation autour des lèvres n'était pas uniforme, car les régions contiguës des levres soumises à la plus grande dilatation auraient tendance à repousser ces régions des disques contigus plus loin que les régions soumises à une dilatation moindre. On réduit au maximum ces intervalles entre les lèvres pour présenter à l'air qui traverse le compresseur l'apparence d'une surface extérieure continue de rotor et éviter la turbulence quand l'air passe au-dessus des intervalles, mais ces intervalles permettent néanmoins à l'air de s'échapper du passage réservé à l'air comprimé par les aubes de rotor et de stator et de pénétrer dans les cavités 50 formées entre les parties en forme de cuvette 52 (figures 2, 3 et 4) des disques contigus.Dans la partie du rotor formée par le second groupe de disques, les surfaces lisses contiguës 42 arrêtent la progression de la fuite d'air. Mais, dans la partie du rotor formée par le premier groupe de disques, la fuite d'air se poursuit par les intervalles formés entre les dentelures engrenées 36, spécialement là où le sommet des dentelures n'entre pas en contact intime avec la surface conjuguée du fond des dentelures d'un disque contigu. Un vide 54 entourant l'axe 24 communique avec les dentelures et permet à l'air provenant des régions à pression plus élevée du passage d'air qui entoure les disques accouplés par dentelures de s'échapper par les intervalles susmentionnés et de passer dans la région à pression plus basse du passage d'air proche de l'entrée, à moins que l'on ne réalise un dispositif qui rende étanches les intervalles.Si cette fuite d'air devient excessive, le compresseur subit une diminution importante de rendement. Dans la réalisation recommandée de l'invention, on incorpore dans le rotor le dispositif d'étanchéité 56 (figure 1) pour arrêter la fuite d'air à travers les dentelures engrenées. Ce dispositif d'étanchéité comporte une gorge annulaire 58 formée dans chacune des dispositions annulaires de dentelures (cette gorge se voit le mieux sur la figure 2). Les gorges des disques contigus sont alignées (vue agrandie de la figure 5) et on introduit un anneau d'étanchéité 60 dans les gorges alignées des disques contigus. On forme les gorges dans les disques en leur donnant une profondeur supérieure à celle du fond des dentelures pour assurer une étanchéité efficace. On le voit le mieux sur la figure 6, qui représente une vue de la surface extérieure de dentelures engrenées 36 de disques contigus, avec l'anneau d'étanchéité 60 situé audessous de cette surface et contenu entre ces disques. D'après la description ci-dessus, on peut voir qu'un rotor de compresseur dont les disques sont accouplés suivant la présente invention est capable de transmettre un couple à une charge et de résister à des surcharges instantanées de grande intensité. On a obtenu cette possibilité sans faire la dépense qu'entraîne la réalisation d'éléments d'accouplement positif sur tous les disques de rotor, en tirant profit des caractéristiques dimensionnelles propres au compresseur et en utilisant des éléments à accouplement positif pour accoupler uniquement les disques de rotor dont le diamètre est trop petit pour permettre un serrage efficace par frottement. On utilise le serrage par frottement pour accoupler le reste des disques, qui ont un plus grand diamètre, une plus grande surface de contact, et qui peuvent recevoir un plus grand nombre de plus gros boulons de serrage que les disques de petit diamètre. On a réalisé aussi un dispositif d'étanchéité particulier qui empêche la fuite d'air entre éléments d'accouplement engrenés. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour accoupler axialement dans un compresseur des disques de rotor alignés axialement, caractérisé en ce qu'il comprend a) un premier groupe de disques situé à l'extrémité d'entrée du compresseur, chaque disque comportant une disposition annulaire d'éléments d'accouplement orientés axialement, qui partent d'au moins une face de celui-ci pour s'engrener avec la disposition annulaire d'éléments d'accouplement d'un disque contigu du groupe, chaque disque comprenant en outre au moins une disposition annulaire de trous de boulon, ces trous se trouvant à un endroit tel qu'il s'alignent axialement avec les trous de boulon d'un disque contigu ;; b) un second groupe-, composé du reste des disques, chacun des disques de ce second groupe comportant des faces à surfaces lisses qui facilitent le contact à frottement avec les faces con tiguës des disques voisins, et comprenant en outre une disposition annulaire de trous de boulon, ces trous se trouvant en un endroit tel qu'ils s'alignent axialement avec les trous de boulon d'un disque contigu c) une première série de boulons, chaque boulon passant dans des trous, alignés axialement, des disques du premier groupe, pour serrer ces disques ensemble ; et d) une seconde série de boulons, chaque boulon passant dans des trous, alignés axialement, des disques du second groupe, pour serrer ces disques ensemble, et dans un trou, aligné axialement, de l'un des disques du premier groupe, pour serrer ensemble les deux groupes de disques. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments d'accouplement orientés axialement sont des dentelures. 3 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif d'étanchéité pour empêcher l'air de s'échapper entre les éléments engrenés d'accouplement, ce dispositif d'étanchéité consistant en a) une gorge annulaire formée dans chacune des dispositions annulaires des éléments d'accouplement, chacune de ces gorges s'alignant avec la gorge formée dans la disposition des éléments d'accouplement d'un disque contigu ; et, b) un anneau d'étanchéité introduit dans les gorges alignées des éléments engrenés d'accouplement de disques contigus.