Brevet FR2462557A1 — publié le 19810213

Dispositif d'étanchéité pour les extrémités libres des aubes d'un appareil directeur réglable de turbines à gaz. L'invention a pour objet un dispositif d'étanchéité pour les extrémités libres des aubes d'un appareil direc- teur réglable de turbines à gaz. Jusqu'à maintenant, on a prévu une étan- chéité d'intervalle aux extrémités libres des aubes d'un appareil directeur réglable de turbine à gaz, cette étanchéité étant dimension- née pour que la dilatation thermique des aubes et/ou d'autres éléments de la turbine à gaz agissant sur la largeur de l'intervalle ne l'an- nule pas. Des essais ont montré que la largeur de l'intervalle d'étan- chéité avait une influence non négligeable sur le rendement de la tur- bine. On a constaté en particulier que le rendement augmentait lorsque l'intervalle d'étanchéité était plus faible. Par suite de cette rela- tion entre le rendement et.la largeur de l'intervalle, il est souhai- table d'utiliser aux extrémités des aubes de l'appareil directeur une étanchéité de contact au lieu d'une étanchéité d'intervalle. Mais, à ce désir d'utiliser une étanchéité de contact aux extrémités des aubes de l'appareil directeur s'oppose la condition suivant laquelle les dilatations thermiques des aubes et/ou d'autres éléments de la turbine à gaz, qui peuvent réduire les dimensions de l'intervalle à étancher, ne doivent pas être gênées par une étanchéité de contact d'une manière telle que, dans Certaines circonstances, la capacité de fonctionnement de l'appareil directeur puisse être affectée de façon durable. Compte tenu de ce problème, l'invention a pour but d'agencer le dispositif d'étanchéité des extrémités libres des aubes de l'appareil directeur de la turbine à gaz de manière que le passage d'écoulement sur ces extrémités libres soit presque complète- ment supprimé sans qu'il puisse se produire de gêne nuisible des dila- tations thermiques qui modifient les dimensions de l'intervalle à étancher. L'invention concerne à cet effet un dispo- sitif du type ci-dessus caractérisé en ce qu'un anneau d'étanchéité est disposé entre une partie de stator et les extrémités libres des aubes, cet anneau étant divisé en segments mobiles en direction radiale, -2- rendus étanches les uns par rapport aux autres et formant un joint d'étanchéité avec la partie de stator, ces segments étant appliqués élastiquement contre les extrémités libres des aubes de manière à buter par leurs surfaces extérieures sur ces extrémités libres en formant un joint étanche. Les segments peuvent être appliqués sur les extrémités libres des aubes soit au moyen d'un ressort d'appuyant sur la partie de stator soit au moyen d'air ou de gaz comprimés. Lors- qu'on utilise un ressort, celui-ci est de préférence agencé sous forme de ressort ondulé annulaire divisé en segments pouvant se chevaucher sur leurs bords opposés. Pour réaliser l'étanchéité entre les seg- ments il est possible, notamment, que l'une des faces frontales oppo- sées de chaque couple de segments présente une saillie s'élargissant vers l'extérieur, l'autre face frontale présentant un évidement de forme conuguée s'élargissant vers l'intérieur, la saillie s'accrochant dans l'évidement avec du jeu. En outre, dans chacune des deux faces frontales opposées est pratiquée une rainure dont la profondeur est au moins égale à la profondeur de l'évidement ou à la longueur de la saillie, une pièce plate étant introduite dans le volume formé par les rainures opposées. L'intervalle de séparation formé entre les segments par la division de l'anneau d'étanchéité doit être déterminé, dans toute la mesure du possible, pour que les segments reposent par leurs faces frontales aussi bien lorsque l'anneau d'étanchéité est di- laté suivant son pourtour que lorsqu'il est contracté pour réaliser cette largeur d'intervalle de séparation calculable, la division de l'anneau d'étanchéité en segments est effectuée par érosion. L'application des segments sur les extré- mités des aubes provoque naturellement un frottement lors du déplace- ment de réglage des aubes. Pour que la résistance de frottement aux extrémités des aubes soit réduite le plus possible, ces extrémités sont réalisées avec une courbure légèrement plus faible que la surface extérieure des segments, de telle sorte que la surface extérieure du segment considéré ne touche que partiellement l'extrémité d'aube si- tuée en face. Par cette disposition, on forme bien un intervalle à - 3 - 2462557 l'extérieur des faces d'application des segments et des extrémités d'aubes, mais cet intervalle est si réduit que le passage d'écoulement en cet emplacement est petit et négligeable. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés représentant un exemple de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels - la Figure 1 est une coupe longitudinale d'un dispositif d'étanchéité conforme à l'invention à l'état monté, seule étant représentée, pour des raisons de symétrie, la partie si- tuée au-dessus de-l'axe de la turbine; - la Figure 2 est une vue tournée de 90 , dans la direction de la flèche A de la Figure 1, de deux extrémités de segments assemblées l'une avec l'autre et appartenant au dispositif d'étanchéité suivant la. Figure 1; - la Figure 3 est une coupe transversale d'une partie du dispositif d'étanchéité représenté sur la Figure 1, la coupe étant effectuée suivant la ligne III-III de la Figure 1; - la Figure 4 est une coupe longitudinale d'un dispositif d'étanchéité modifié; - la Figure 5 est une coupe longitudinale d'une variante de modification du dispositif d'étanchéité suivant la Figure 1. Un dispositif d'étanchéité 1 conforme à l'inver.tion pour les extrémités libres 2 des aubes d'un appareil di- recteur réglable de turbine à gaz pour véhicules est représenté sur les Figures 1 à 3. Ce dispositif d'étanchéité est disposé entre les extrémités libres 2 des aubes et une-partie de stator intérieure 3 évidée pour recevoir le dispositif d'étanchéité 1. Le dispositif d'étanchéité 1 comporte un anneau d'étanchéité divisé en segments 4 déplaçables en direction radiale et appliqués contre les extrémités 2 des aubes par un ressort ondulé 5 divisé en segments et disposé entre les segments 4 et le fond de l'évidement de la partie de stator 3. Il en résulte que les surfaces extérieures des segments 4 viennent buter sur les extrémités 2 des aubes, ce qui constitue une étanchéité entre ces extrémités 2 des aubes et les segments 4. La direction d'écoule- ment des gaz est indiquée par la flèche 9. Les segments 4 reposent 2462557- -4- par leurs faces frontales aval, en considérant le sens d'écoulement, sur la paroi opposée de l'évidement de la partie de stator 3, de telle sorte qu'un joint étanche est également formé entre les segments 4 et la partie de stator 3. L'une des faces frontales opposées de chaque couple de segments 4, s'étendant en direction axiale, présente une saillie 6 s'élargissant vers l'extérieur suivant le contour d'un arbre, l'autre face frontale présentant un évidement 7 de forme con- juguée, la saillie 6 étant accrochée dans l'évidement 7. En outre, dans chacune des faces frontales opposées, s'étendant en direction axiale, des segments 4 est pratiquée une rainure 8 A, 8B s'étendant sur toute la largeur du segment considéré. Comme on le voit sur la Figure 2, la profondeur de la rainure 8A pratiquée dans la face fron- tale munie de l'évidement 7 est supérieure à la profondeur de cet évi- dement 7 est supérieure à la profondeur de cet évidement 7. La profon- deur de la rainure 8B pratiquée dans la face frontale munie de la saillie 6 est supérieure à la longueur de cette saillie 6. Dans le volume formé par deux rainures opposées 8A et 8B est introduite une pièce en tôle 8C dont la largeur est sensiblement égale à la profon- deur d'ensemble-des rainures 8 A et 8B.- En prévoyant les saillies 6 ayant le con- tour d'un arbre et évidements 7 de forme conjuguée sur les faces fron- tales opposées des segments 4, on constitue un joint d'étanchéité em- pechant le passage de l'écoulement en direction axiale. Les tôles 8C introduites dans les rainures 8A et 8B forment conjointement avec les segments 4 un joint d'étanchéité empêchant le passage de l'écou- lement en direction radiale entre les segments 4. Les saillies 6 accrochées dans les évide- ments 7 ont un contour un peu plus petit que les évidements, de telle sorte qu'elles ont du jeu pour que les segments 4 soient mobiles en direction radiale. Les segments 4 peuvent être déplacés vers l'exté- rieur et vers l'intérieur jusqu'à ce que les saillies 6 viennent buter sur les zones correspondantes des bords des évidements 7. Etant donné que la longueur du déplacement radial des segments 4 ou de l'allonge- ment périphérique de l'anneau d'étanchéité sous l'action de la dilata- tion thermique des aubes et d'autres éléments de la turbine à gaz sont - 5 - prédéterminés, l'intervalle de séparation nécessaire entre deux seg- ments peut être calculé. Pour que les dimensions théoriques de l'in- tervalle de séparation puissent être respectées lors de la division en segments de l'anneau d'étanchéité, cette opération est effectuée par érosion. Les surfaces extérieures des segments 4 sont incurvées en direction axiale et les extrémités des aubes pré- sentent également une courbure. Mais la courbure des surfaces exté- rieures des segments 4 est légèrement supérieure à la courbure des extrémités des aubes, de telle sorte que les surfacés extérieures des segments 4 et les extrémités des aubes ne viennent en butée que dans la zone médiane des segments 4. Par suite du contact des surfaces ex- térieures des segments 4 avec les extrémités des aubes seulement dans la zone médiane des segments 4, la résistance de frottement sur les extrémités des aubes est sensiblement plus faible que si toutes les surfaces extérieures venaient buter sur les extrémités des aubes. Les bords en regard des segments du res- sort 5 sont agencés de manière à se chevaucher lors de la compression | -- du ressort. La Figure 4 représente un dispositif d'étanchéité modifié pour lequel on a utilisé les mêmes références que sur la Figure 1 pour les éléments de ce dispositif modifié iden- tiques à ceux du dispositif d'étanchéité suivant la Figure 1. La modi- fication consiste essentiellement en ce qu'au lieu d'utiliser un res- sort, les segments 4 sont sollicités sur leur face inférieure par de l'air comprimé ou un gaz comprimé. L'air comprimé ou le gaz comprimé peuvent être amenés dans une chambre sous pression il par un perçage pratiqué dans la partie de stator 3. Cette chambre sous pression 11 est limitée en haut par la face inférieure des segments 4, en bas par le fond de l'évidement formé dans la partie de stator 3 et latérale- ment par deux bagues d'étanchéité 12. Chaque bague d'étanchéité 12 est constituée par une garniture en bagues individuelles à section rectan- gulaire appliquées l'une sur l'autre. Une zone de bordure intérieure de chaque bague d'étanchéité 12 s'engage dans une rainure annulaire 13 formée dans le fond de l'évidement de la partie de stator 3. Une zone de bordure extérieure de chaque bague d'étanchéité 12 s'engage dans -6- une rainure 14 formée sur la face inférieure du segment 4 considéré, une étanchéité de glissement étant formée entre les parois latérales opposées de la rainure 14 et les faces frontales de la bague d'étan- chéité 12. La Figure 5 représente une autre modifi- cation du dispositif d'étanchéité. Sur cette figure, on a également utilisé les mêmes référence que sur la Figure 1 pour des éléments similaires du dispositif d'étanchéité. Dans ce dispositif d'étanchéité, on uti.- lise pour chaque segment 4, au lieu du ressort, un soufflet métallique en matière réfractaire, ce soufflet étant disposé dans l'évidement de la partie de stator 3. Par rapport au ressort 5, le soufflet métal- lique 15 a pour avantage de pouvoir résister à des températures nota- blement plus élevées. L'une des extrémités du soufflet 15 est soudée dans un renfoncement 16 de la face inférieure du segment 4 considéré, l'autre extrémité étant engagée sur un bossage 17 du fond de la partie de stator 3 et étant soudée en cet emplacement. Un perçage 18 pratiqué dans la partie de stator 3 dans le domaine du bossage 17 permet l'ame- née d'air comprimé ou de gaz comprimé dans le soufflet métallique 15. Par conséquent, le dispositif d'étanchéité suivant l'invention intervient pour que le fluide en écoulement ne puisse plus passer entre les extrémités des aubes de l'appareil direc- teur réglable et la partie de stator 3. Cela est entièrement indépen- dant du fait que les extrémités des aubes soient éloignées de la par- tie de stator 3 ou s'en rapprochent et de la position des aubes par rapport à la direction des gaz. En effet, les segments 4 sont toujours rappelés par la poussée du ressort vers les extrémités des aubes ou poussées par les extrémités 2 des aubes vers l'intérieur en opposition à la poussée du ressort. -7 REVENDICATIONS 1 ) - Dispositif d'étanchéité pour les extrémi- tés libres des aubes d'un appareil directeur réglable de turbines à gaz, dispositif caractérisé en ce qu'un anneau d'étanchéité (1) est disposé entre une partie de stator (3) et les extrémités libres (2) des aubes, cet anneau étant divisé en segments (4) mobiles en direc- tion radiale, rendus étanchés les unes par rapport aux autres et for- mant un joint d'étanchéité avec la partie de stator (3), ces segments (4) étant appliqués élastiquèment contre les extrémités libres (2) des aubes de manière à buter par leurs surfaces extérieures sur ces extrémités libres (2) en formant un joint étanche. ) - Dispositif d'étanchéité selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que les segments (4) sont appliqués sur les extrémités libres (2) des aubes au moyen d'un ressort (5) s'ap- puyant sur la partie de stator (3). 3 ) - Dispositif d'étanchéité selon la reven- - dication 2, caractérisé en ce que le ressort (5) est agencé sous forme de ressort ondulé annulaire divisé en segments pouvant se chevaucher sur leurs bords opposés. ) - Dispositif d'étanchéité selon la reven- dicatien 1, caractérisé en ce que les segments (4) sont appliqués sur les extrémités libres des aubes au moyen d'air comprimé ou de gaz com- primé. ) - Dispositif d'étanchéité selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, pour réaliser l'étanchéité entre les segments (4), l'une des faces frontales oppo- sées, s'étendant en direction axiale, de chaque couple de segments (4) présente une saillie (6) s'élargissant vers l'extérieur, l'autre face frontale présentant un évidement (7) de forme conjuguée s'élargissant vers l'intérieur, la saillie (6) s'accrochant dans l'évidement (7) avec du jeu, une rainure (8A, 8B) étant pratiquée dans chacune des faces frontales opposées, la profondeur de cette rainure étant au moins égale - 8 - à la profondeur de l'évidement (7) ou à la longueur de la saillie (6), une pièce plate (8) étant introduite dans le volumeformé par les rainures opposées (8A et 8B). ) - Dispositif d'étanchéité selon la reven- dication 5, caractérisé en ce que la division de l'anneau d'étanchéité en segments est effectuée par érosion. ) - Dispositif d'étanchéité selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les surfaces extérieures des segments (4) ont, en direction axiale, une courbure légèrement supérieure à celle des extrémités (2) des aubes, de telle sorte que chaque surface extérieure du segment considéré (4) ne vient que partiellement en contact avec l'extrémité d'aube (2) située en face.