Brevet FR2482657A1 — publié le 19811120

-2482657 La présente invention se rapporte à une tuyère de turbine, du type utilisé dans une turbine à plusieurs étages d'un moteur à turbine à gaz; elle vise, plus par- ticulièrement, une structure de maintien et d'étanchéité pour un arrangement d'aubes radiales de guidage d'une tuyère de turbine, dans laquelle les extrémités de fixa- tion ou talons des aubes de guidage sont reliées de fa- çon souple par une virole intérieure segmentée, cette structure de maintien comprenant une barrière de pression pour éviter la fuite créée par l'introduction d'une flexi- bilité dans l'ensemble de la tuyère. Dans une turbine à plusieurs étages d'un moteur à turbine à gaz, des ensembles d'aubes fixes sont insérés entre les roues du rotor, ainsi qu'à l'entrée et à la sor- tie de la turbine. Pendant le fonctionnement du moteur à turbine à gaz, les aubes fixes ont pour r8le de modifier la pression statique et de changer la vitesse des gaz à haute pression et haute température qui circulent à tra- vers la turbine. Jusqu'à présent, afin d'obtenir l'inté- grité de structure d'un ensemble d'aubes, alors qu'il se trouve soumis aux déplacements thermiques de ses compo- sants pendant les conditions de fonctionnement transitoi- res ou en régime établi du moteur à turbine à gaz, il était habituel de couler tout l'ensemble de la tuyère en une seule pièce. Cet ensemble monobloc comprend une enve- loppe unitaire extérieure, une enveloppe ou virole unitai- re intérieure et l'arrangement d'aubes radiales de guidage. Avec cette construction suivant l'art antérieur, on a cons- taté que, pendant le fonctionnement transitoire ou en ré- gime établi du moteur à turbine à gaz, les différences de température entre les aubes minces, à réponse rapide, et les enveloppes annulaires, plus massives et plus lentes, engendrent une dilatation thermique différentielle ou un gradient thermique à l'intérieur de l'ensemble de tuyère, ainsi que des niveaux de température différents en dif- férents points de la tuyère. Ces gradients thermiques dif- férentiels provoquent des déplacements thermiques diffé- rentiels des diverses parties de l'ensemble de tuyère,ce qui aboutit à la formation de contraintes locales et de fissures aux jonctions entre les aubes et les enveloppes. De plus, l'enveloppe ou virole intérieure d'une tuyère fixe de turbine est en général rendue étanche par une feuille métallique, qui est habituellement brasée à la vi- role intérieure. On a constaté que les déplacements ther- miques des diverses parties de la tuyère provoquent une déformation et une séparation des jonctions brasées, à cause de la charge thermique sur les feuilles métalliques, ce qui entraine une fuite de pression à travers l'ensemble des aubes. La présente invention évite, d'une manière nou- velle, les divers inconvénients ci-dessus. Elle a pour objet une structure de maintien et d'étanchéité pour un arrangement d'aubes radiales de guidage d'une tuyère d'un moteur à turbine à gaz, cette structure de maintien et di étanchéité procurant une jonction souple entre les aubes individuelles et la virole intérieure. L'invention vise également une structure de main- tien et d'étanchéité pour un arrangement d'aubes radiales de guidage d'une tuyère de moteur à turbine à gaz, dans la- quelle la jonction souple entre les racines ou talons des aubes et la virole segmentée intérieure est rendue étanche par une barrière de pression souple qui évite la fuite à travers la jonction souple. L'invention a encore pour objet une structure de maintien et d'étanchéité pour un arrangement d'aubes radiales de guidage d'une tuyère d'un moteur à turbine à gaz, qui comporte des moyens de maintien de l'alignement radial et axial des aubes dans des conditions de fonction- nement transitoires ou en régime établi du moteur à turbi- ne à gaz. La tuyère suivant l'invention est utilisée dans un moteur à turbine à gaze Elle comprend une virole annu- laire radialement intérieure, une enveloppe annulaire ra- dialement extérieure et une pluralité d'éléments d'aubes radiales, disposés respectivement entre la virole radia- lement intérieure et l'enveloppe radialement extérieure0 Chaque aube est fixée solidement, à son sommet, à l'enve- loppe annulaire radialement extérieure, tandis que le ta- lon de chaque aube est fixé à la virole intérieure par une structure intérieure de maintien et d'étanchéité.Cette dernière comprend un élément annulaire radialement inté- rieur, sensiblement à section transversale en forme de L, comportant une base sensiblement cylindrique et un disque disposé radialement vers l'extérieur. Le talon de chaque aube est relié à un segment qui constitue un élément d' une pluralité de segements définissant un anneau segmenté. Chaque segment de la structure comprend une patte, dispo- sée radialement vers l'intérieur, qui peut s'engager dans une rainure correspondante, orientée dans deux directions perpendiculaires, sur le disque disposé radialement vers l'extérieur de la structure annulaire intérieure, afin de définir un emmanchement coulissant. Ce dernier permet de maintenir la structure intérieure de maintien et d'étan- chéité dans une position concentrique à l'enveloppe annu- laire extérieure. L'emmanchement glissant entre les seg- ments de la structure et le disque agit également pour dé- finir une barrière de pression réduisant la fuite de pres- sion à travers la jonction souple des aubes avec la virole intérieure, Un ressort à section transversale sensible- ment en forme de C est de préférence placé entre chaque segment et la base de la structure annulaire intérieure en forme de L, de façon à constituer une jonction souple à mouvement limité entre la virole intérieure et les au- bes. La structure de maintien et d'étanchéité suivant la présente invention donne dle la souplesse à l'ensemble de la tuyère, ce qui évite le développement de contraintes locales à l'intérieur de la tuyère, tout en réduisant la valeur de la fuite introduite par la possibilité de mou- vement de l'ensemble de tuyère. Suivant l'invention, la possibilité de mouvement est obtenue par la présence de la virole intérieure segmentée et des ressorts. La bar- rière de pression est efficace pour réduire la fuite et, grâce à l'assemblage coulissant entre les segments de la structure et le disque de la structure intérieure annu- laire, la barrière de pression est maintenue pendant les déplacements thermiques des éléments de l'ensemble de tuyère, aussi bien pendant les conditions de fonctionne- ment transitoires qu'en régime établi du moteur à tur- bine. D'autres objets et avantages de l'invention ap- paraitront aux hommes de l'art à la lecture de la descrip- tion de sa forme de réalisation, non limitative, repré- sentée sur les dessins annexés. Fig. 1 est une vue de face de l'ensemble de tuyère suivant l'invention. Fig. 2 est une coupe suivant la ligne 2-2 de la figure 1. Fig0 3 est une vue arrière de l'ensemble de tu- yère suivant l'invention, et Fig. 4 est une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 2. L'ensemble de tuyère fixe de la turbine, repré- senté sur les figures 1, 2 et 3, est globalement désigné par le repère 10. Il comprend essentiellement une envelop- pe annulaire 12 radialement extérieure, une enveloppe ou virole annulaire radialement intérieure 14 et un arrange- ment d'aubes radiales de guidage 16 disposées entre les anneaux 12 et 14. Les extrémités 18 radialement extérieu- res de chaque aube de guidage 16 sont fixées à la surface intérieure de l'enveloppe extérieure 12 par une jonction rigide, par exemple par brasage ou fonderie. D'autre part, le talon de chaque aube de guidage 16 est relié de façon souple à la virole intérieure, au moyen de la structure de maintien et d'étanchéité suivant l'inventions Cette structure permet aux aubes de guidage 16 d'effectuer des déplacements thermiques pendant le fonctionnement transi- toire ou en régime établi du moteur à turbine à gaz, sans qu'il en résulte une déformation ou une apparition de con- traintes locales dans l'ensemble 10 pouvant provoquer la formation de fissures locales dans cet ensemble. La structure de maintien et d'étanchéité suivant l'invention comprend un anneau segmenté 30, constitué par une pluralité de segments individuels 32 disposés concen- triquement à l'enveloppe annulaire 12 radialement exté- rieure. Chaque segment est relié au talon 20 d'une aube radiale de guidage 16. On voit, sur les figures 2, 3 et 4 qu'une patte 34 er>forme de T est prévue sous chaque seg- ment 32, la patte 34 étant orientée radialement vers 1' intérieur du segment. Chaque patte 34 en forme de T com- prend une branche 35, alignée avec l'axe longitudinal du moteur à turbine à gaz, et un barreau transversal 38 dis- posé perpendiculairement à l'axe longitudinal du moteur. La structure de maintien et d'étanchéité comprend égale- ment un anneau support 40, radialement intérieur, dont la section transversale est sensiblement en forme de L et comporte une base 42, sensiblement cylindrique, et un disque 44, dirigé radialement vers l'extérieur. Un anneau incliné 50 est fixé au disque 44 et comporte une série d' encoches radiales 52, de sorte que la pièce 50 a une con- figuration sensiblement crénelée lorsqu'on la regarde de l'arrière de la tuyère 10 (voir figure 3). La section transversale inclinée de l'anneau 50 (voir figures 2 et 4) a pour effet de laisser un espace circonférentiel ou rainure 60 autour de la périphérie radialement extérieure du disque 44 de la structure annulaire de maintien 40* Comme représenté, la rainure circonférentielle 60 est si- tuée à l'aval par rapport au disque 44. Les branches 36 des pattes 34 en forme de T sont placées de façon coulissante respectivement dans les encoches 52, tandis que le barreau transversal 38 de cha- que patte 34 est monté de façon coulissante dans l'inter- valle 60 défini entre le disque 44 et l'anneau incliné 50 (voir figures 2 et 4). De cette façon, on obtient un em- manchement coulissant entre chaque segment 32 et l'anneau support intérieur 40, cet emmanchement coulissant mainte- nant efficacement la continuité entre l'anneau segmenté et l'anneau support intérieur 40 de manière à consti- tuer un barrage de pression pour empêcher la fuite de pression à travers la jonction souple de la structure de maintien et d'étanchéité. On voit que la barrière de pres- sion est maintenue dans toutes les conditions de fonction- nement transitoires et en régime établi, pendant lesquel- les les déplacements thermiques des ailettes provoquent un mouvement des segments 32 par rapport à l'anneau inté- rieur de maintien 40. Des moyens élastiques, constitués par un res- sort 70 en forme de C, sont disposés à l'extrémité amont de chaque segment 32, entre ce segment et l'extrémité a- mont de la base 42, comme représenté sur la figure 1. On prévoit de préférence une pluralité de ressorts 70 corres- pondant au nombre de segments 32 de l'anneau segmenté 30. Chaque ressort 70 est relié, à ses extrémités opposées, d'une part à un segment 32 i d'autre part à la base 42 de l'anneau intérieur 40. De cette façon, les ressorts 70 exercent une force de rappel constante pour maintenir les aubes de guidage 16 en alignement axial et radial, à la fois pendant les conditions de fonctionnement transitoires et en régime établi du moteur à turbine à gaz, lorsque il ensemble 10 des aubes fixes etses composants sont soumis à des déplacements thermiques. Par conséquent, l'arrange- ment comprenant les ressorts 70, l'anneau segmenté 30 et le support annulaire intérieur 40 constituent effective- ment une jonction souple faisant partie de'la structure de maintien et d'étanchéité suivant l'invention. D'autre part, le positionnement axialdes aubes de guidage 16 est assuré grâce à l'emmanchement coulissant entre les pattes 34 en forme de T et le support annulaire intérieur , et plus particulièrement par l'emmanchement entre le barreau transversal 38 des pattes 34 et la rainure circon- férentielle 60 définie par le disque 44 et l'anneau in- cliné 50. En fonctionnement, la structure 30 de maintien et d'étanchéité assure le maintien de l'étanchéité voulue de la pression à l'amont des aubes par rapport à la pres- sion plus faible à l'aval des aubes. Grâce à l'emmanche- ment de jonction souple, la dilatation thermique diffé- rentielle et les déplacements des enveloppes et des aubes de guidage sont facilement absorbés, sans qu'il en ré- sulte de contraintes locales pouvant provoquer des fissu- res dans l'ensemble 10. On voit donc que la présente invention procure une tuyère de turbine partiellement segmentée, comportant une structure intérieure souple de maintien et d'étanchéi- té qui compense effectivement et neutralise les variations thermiques des composants de la tuyère dans les conditions de fonctionnement transitoires et en régime établi du mo- teur à turbine à gaz. La jonction souple avec la virole intérieure de la tuyère permet d'assurer le maintien de l'intégrité de structure des liaisons fixes, en général brasées, des extrémités d'aubes avec l'enveloppe extérieu- re. De plus, la construction suivant l'invention supprime les difficultés résultant des contraintes locales engen- drées par les dilatations thermiques différentielles des composants de la tuyère. La souplesse de la tuyère de tur- bine suivant l'invention est obtenue par la segmentation de la paroi intérieure et la présence des ressorts, qui maintiennent les positions radiales de la structure annu- laire intérieure 40 tout en permettant un déplacement des aubes de guidage dans la direction radiale. La barrière de pression qui fait partie de la structure intérieure de maintien et d'étanchéité permet de réduire efficacement la fuite à travers la virole intérieure segmentée. La barrière de pression comprend un emmanchement coulissant, de façon à maintenir l'étanchéité dans les diverses con- ditions de fonctionnement du moteur à turbine à gaz tout en permettant un libre mouvement des aubes de guidage dans la direction radiale. De plus, la construction particu- lière de la barrière de pression suivant l'invention per- met de maintenir et de fixer la position axiale de l'an- neau segmenté, et l'emmanchement coulissant favorise éga- lement le maintien de la concentricité de la virole inté- rieure. Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. -482657 Revendications 1. Structure de maintien et d'étanchéité pour un ar- rangement d'aubes radiales de guidage d'une tuyère d'un moteur à turbine à gaz, caractérisée en ce qu'elle com- prend: une enveloppe (12) radialement extérieure reliée rigidement aux extrémités (18) radialement extérieures des aubes (16); et une enveloppe radialement intérieure (14), reliée de façon souple à la partie (20) radialement inté- rieure des aubes, de façon à constituer une jonction sou- ple qui peut compenser les déplacements radiaux et ré- duire les contraintes sur les aubes pendant la charge thermique, cette enveloppe ou virole intérieure (14) com- prenant une barrière de pression pour éviter la fuite à travers la jonction souple. 2. Structure suivant la revendication- 1, caractéri- sée en ce que la virole (14) radialement intérieure com- prend: une structure annulaire (40) de maintien, radia- lement intérieure, sensiblement en forme de L, comportant une base cylindrique (42), et un disque (44) orienté ra- dialement vers l'extérieur; un anneau segmenté (30) dis- posé radialement vers l'extérieur de cette structure an- nulaire intérieure (40) et constitué par une pluralité de segments (32), chaque segment étant respectivement relié au pied (20) d'une aube (16) et pouvant s'accoupler de façon coulissanteavec le disque (44) de la structure annu- laire intérieure de maintien, pour définir la barrière de pression; et des moyens élastiques faisant partie de la jonction souple et disposés entre la base cylindrique (42). et l'anneau segmenté extérieur (30). 3. Structure suivant la revendication 2, caractérisée erye que les moyens élastiques comprennent une pluralité de ressorts individuels (70) disposés entre la base cylin- drique (42) et les segments individuels (32) de l'anneau segmenté extérieur, chaque ressort ayant de préférence une section transversale en forme de C. 4. Structure suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisée en ce que l'extrêmité (18) radia- lement extérieure de chaque aube est brasée à l'enveloppe (12) radialement extérieure. , Structure suivant l'une quelconque des revendica- tions 2 à 4, caractérisée en ce que la structure annulaire de maintien (40), radialement intérieure, est de construc- tion monobloc. 6. Structure suivant l'une quelconque des revendica- tions 2 à 5, caractérisée en ce que chaque segment (32) de l'anneau segmenté (30) comporte une patte inférieure (34) dirigée radialement vers l'intérieur, et en ce que le bord périphérique du disque (44) orienté radialement vers l'extérieur comporte une pluralité correspondante d' encoches radiales (52), chaque patte s'engageant respec- tivement dans une encoche pour définir un emmanchement coulissant qui permet de maintenir la structure annulaire intérieure concentrique à l'enveloppe extérieure et de con- server la barrière de pression dans le cas de déplacements radiaux des aubes de guidage, chaque patte (34) ayant de préférence une section transversale en forme de T et cha- que encoche ayant une configuration correspondante. 7. Structure suivant l'une quelconque des revendica- tions 3 à 6, caractérisée en ce que la largeur de chaque ressort augmente radialement vers l'extérieur, vu suivant l'axe longitudinal du moteur à turbine à gaz. 8. Tuyère pour moteur à turbine à gaz, comprenant une enveloppe annulaire radialement intérieure, une enveloppe annulaire radialement extérieure coaxiale à la précédente et une pluralité d'aubes radiales disposées entre ces deux enveloppes, chaque aube étant fixée solidement à une ex- trêmité à l'enveloppe extérieure et à son autre extrémité à l'enveloppe intérieure par une structure intérieure de 248265? 1 1 maintien et d'étanchéité, caractérisée en ce qu'elle com- porte une structure intérieure de maintien et d'étanchéité suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7ô -