Brevet FR2543616A1 — publié le 19841005

Contrôle de l'espace libre dans les joints d'étan- chéité d'une turbine. La présente invention concerne le contrôle de l'espace libre dans les joints d'étanchéité pré- vus aux têtes des aubes et entre les étages d'une turbine à gaz à plusieurs étages. Il est-difficile de maintenir l'espace li- bre dans les joints d'étanchéité sur tout le spectre de vol La contraction thermique que subissent les surfaces portantes lors d'une réduction de puissance en régime de croisière, par exemple, donne lieu à de grands espaces libres ayant pour conséquence un mau- vais rendement de la turbine Cette remarque est particulièrement vraie lorsque les joints d'étanchéi- té des têtes d'aubes et les supports intérieurs sont assujettis au carter par opposition à un montage flottant Il est souhaitable de maintenir un espace libre minimum dans toutes les conditions de fonction- nement ou de maintenir un espace libre permettant de réduire au minimum les pertes résultant d'espaces li- bres excessifs dans les joints d'étanchéité. Une caractéristique de l'invention réside dans une structure de joint d'étanchéité dans laquel- le l'espace libre est contrôlé par les changements thermiques survenant dans la longueur des aubes à la suite des conditions de fonctionnement du moteur. Une autre caractéristique réside dans un joint d'étan- chéité supporté par le carter et coopérant avec un joint d'étanchéité de rotor pour contrôler l'espace libre dans les joints d'étanchéité. Suivant l'invention, la partie intérieure du rotor à plusieurs étages est enfermée dans une chambre formée par un manchon à l'intérieur du rotor et des manchons d'étanchéité montés entre les disques de ce dernier Le manchon monté à l'intérieur du rotor for- me également un compartiment sous pression s'étendant radialement vers l'intérieur par rapport à ce manchon. Un fluide de refroidissement provenant de ce compar- timent pénètre dans la chambre en passant par un joint d'étanchéité constitué d'une surface d'étan- chéité extérieure supportée par les extrémités inté- rieures de la rangée d'aubes fixes, ainsi que d'une bride d'étanchéité s'étendant vers l'intérieur et sup- portée par le rotor A mesure que l'espace libre d'étanchéité varie suite aux changements survenant dans la température des aubes, la quantité de fluide de refroidissement est modifiée en fonction des con- ditions de fonctionnement de la turbine Spécifique- ment, à mesure que les aubes refroidissent et se con- tractent, par exemple, à la suite d'une réduction de puissance de la valeur maximum à la valeur prévue en régime de croisière, l'espace libre d'étanchéité dimi- nue afin de réduire le débit de fluide de refroidisse- ment vers le rotor De la sorte, l'effet de refroi- dissement exercé sur les disques du rotor est réduit, ce qui a pour effet de resserrer les joints d'étanchéi- té prévus entre les étages du rotor et qui sont dispo- sés entre les rangées d'aubes et la structure du rotor. Les objets, caractéristiques et avantages précités de la présente invention, ainsi que d'autres apparaîtront plus clairement à la lecture de la des- cription détaillée ci-après de formes de réalisation préférées de cette dernière, telles qu'elles sont il- lustrées dans l'unique dessin annexé qui est une vue partielle en coupe d'une turbine réalisée suivant l'invention. Le carter 2 prévu pour la turbine supporte plusieurs rangées d'aubes fixes 4, 6 et 8, la rangée 4 constituant l'étage d'entrée de la turbine à plusieurs étages. En alternance avec les rangées d'aubes fixes, sont prévues des rangées d'aubes mobiles 12, 14 et 16 supportées par des disques annulaires 18, 20 et 22 reliés l'un à l'autre pour former le rotor à l'inter- vention de brides coopérantes 24 prévues sur les cô- tés opposés de chacun des disques Une bride 26 pré- vue sur le côté d'amont du premier disque de rotor 18 est fixée à et supporte l'extrémité d'amont d'un man- chon 28 s'étendant à travers le rotor et fixé, par son autre extrémité, au cône 30 de ce dernier Entre le manchon 28 et les brides 24 du rotor, est définie une chambre 31 à travers laquelle circule un fluide destiné à refroidir ce dernier Radialement et inté- rieurement par rapport au manchon 28, s'étend un com- partiment 32 qui est mis sous pression avec un fluide destiné à être utilisé pour refroidir la turbine. Entre des disques de rotor adjacents, s'étendent ra- dialement vers l'extérieur, à partir des brides 24, des manchons d'étanchéité 34 comportant, sur leur sur- face extérieure, des nervures d'étanchéité 36 coopé- rant avec un manchon d'étanchéité 38 supporté par les extrémités intérieures des rangées d'aubes fixes 6 et 8 L'air de refroidissement provenant de la cham- bre 31 franchit les brides 24 en passant par les ou- vertures 40 de ces dernières, puis il traverse les ouvertures 42 pratiquées dans les manchons d'étanchéi- té, pour être ensuite dirigé sur la surface du disque de rotor à l'intervention d'un déflecteur 44 supporté par le manchon d'étanchéité. Les aubes fixes d'entrée 4 supportent, à leurs extrémités intérieures, une bague d'étanchéité 46 destinée à coopérer avec un organe d'étanchéité 48 supporté par la bride 26 et le manchon coopérant 28. L'organe d'étanchéité 48 a une section transversale en H et il comporte des disques annulaires espacés axialement 50 supportant, -à leur périphérie extérieu- re, des éléments d'étanchéité 52 qui coopèrent avec un organe d'étanchéité intérieur cylindrique 54 prévu sur l'élément d'étanchéité 46. L'organe d'étanchéité 48 comporte également, à la périphérie intérieure des disques 50, des ai- lettes d'étanchéité 56 coopérant avec une bague d'étan- chéité 58 dirigée vers l'extérieur L'espace compris entre les deux disques d'étanchéité communique avec la chambre 31 via plusieurs ouvertures 60 ménagées dans un des disques 50 et dans les rebords qui se che- vauchent 61 et 62 de la bride et du manchon coopérants 26 et 28. Tandis que l'organe d'étanchéité 48 est dis- posé tel quel entre les manchons d'étanchéité opposés 54 et 58, il est évident que l'espace libre défini dans le joint d'étanchéité intérieur 58 augmentera à mesure de l'échauffement des aubes de turbine avec, en même temps, une réduction de l'espace adjacent à la surface d'étanchéité 54 De plus, à mesure que la puissance de la turbine diminue et que la température des aubes baisse, par exemple, à la suite d'une réduc- tion de puissance au régime de croisière, l'espace libre au manchon 58 diminue, tandis que l'espace libre au manchon 54 augmente Un rétrécissement de l'espa- ce libre au manchon 58 aura pour effet de réduire le débit de fluide de refroidissement vers la chambre de rotor 31. L'espace compris entre les joints d'étanchéi- té aux extrémités intérieures des disques 50 fait dès lors office de passage contrôlé pour l'écoulement du fluide de refroidissement vers le rotor, le fluide de refroidissement provenant du compartiment 32 passant par le disque d'étanchéité 50 situé en aval, pour s'écouler ensuite entre les disques et à travers les ouvertures 60 par lesquelles il pénètre dans la chambre 31, si bien qu'il s'écoule autour des par- ties intérieures des disques de rotor, ainsi qu'à travers les ouvertures 40 et 42 pour être dirigé sur la surface des disques de rotor à des fins de re- froidissement. Essentiellement, l'effet exercé par le dis- positif est le suivant: A mesure que la température de la turbine diminue par suite d'une réduction de puissance, par exemple, lors d'un passage de la puis- sance maximum à la puissance prévue en régime de croisière, l'espace libre défini aux extrémités inté- rieures des disques d'étanchéité diminue, tandis que le débit de fluide de refroidissement dans la cham- bre 31 est réduit avec, pour conséquence, un refroi- dissement moins intense des disques de turbine En conséquence, étant donné que les disques de turbine ne sont pas refroidis dans une aussi forte mesure, l'espace libre existant entre les ailettes d'étanchéi- té 36 et le manchon d'étanchéité coopérant 38 dans' les joints d'étanchéité prévus entre étages sera main- tenu à peu près le même ou, en fait, pourra même être réduit en vue de minimiser l'échappement du fluide de refroidissement à ce point Avec un refroidissement moins intense des disques de turbine, les joints d'étanchéité 63 situés aux têtes des aubes mobiles 12 de la turbine seront maintenus plus proches de la structure de carter environnante 65, resserrant ain- si l'espace libre dans les joints d'étanchéité des têtes d'aubes, tout en réduisant les fuites d'air par ces joints Il en résultera une amélioration supplé- mentaire du rendement de la turbine à faible puissan- ce. Des ouvertures alignées de petit diamètre 64 et 66 peuvent être pratiquées dans la face du disque d'étanchéité avant 50 et dans la face de la bague d'étanchéité 46 afin de permettre un écoulement mini- mum de fluide de refroidissement quel que soit l'es- pace libre ménagé aux extrémités intérieures des dis- ques d'étanchéité. Bien que l'invention ait été illustrée et dé- crite en se référant à une forme de réalisation préfé- rée, l'homme de métier comprendra que d'autres modifi- cations et omissions peuvent être envisagées tant dans sa forme que dans ses détails, sans se départir de son esprit et de son cadre. REVENDICATIONS 1 Turbine à gaz comprenant: un rotor comportant au moins deux disques ( 18,20); des manchons d'étanchéité ( 34) s'étendant entre les disques et comportant des éléments d'étanchéité ( 36) sur leur périphérie extérieure; un disque e N bout ( 18) supportant un organe d'étanchéité ( 48) comportant au moins une bride d'étan- chéité ( 50) s'étendant vers l'intérieur; une rangée d'aubes fixes ( 4) situées à proximité d'un disque en bout ( 18) et au moins une autre ran- gée d'aubes fixes ( 6) situées entre les disques ( 18, ); une bague d'étanchéité ( 46) supportée par les extrémités intérieures de la rangée d'aubes fixes ( 4) et comportant une surface d'étanchéité extérieure coo- pérant avec la bride d'étanchéité ( 50); et un manchon ( 28) s'étendant à travers le rotor à partir de l'organe d'étanchéité ( 48) en formant, avec ce dernier et les manchons d'étanchéité ( 34), une cham- bre ( 31) qui entoure les parties intérieures des dis- ques de rotor; ce manchon ( 28) formant également intérieure- ment un compartiment sous pression( 32) pour un fluide destiné à refroidir le rotor, tandis que la bride d'étanchéité ( 50) et la surface d'étanchéité exté- rieure coopérant l'une avec l'autre définissent un es- pace libre par lequel le fluide s'écoule hors du com- partiment ( 32) et pénètre dans la chambre ( 31). 2 Turbine à gaz suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'organe d'étanchéité ( 48) comporte plusieurs passages ( 60) par lesquels le flui- de de refroidissement s'écoule dans la chambre ( 31). 3 Turbine à gaz suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'organe d'étanchéité ( 48) comporte deux brides d'étanchéité espacées ( 50) coopé- rant avec la surface d'étanchéité extérieure, l'espace défini entre ces brides d'étanchéité ( 50) communiquant avec la chambre ( 31). 4 Turbine à gaz suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les rangées d'aubes fixes ( 6) disposées entre les disques ( 18,20) supportent des manchons d'étanchéité ( 38) coopérant avec des ailettes ( 36) prévues sur les manchons de rotor ( 34) disposés entre les disques ( 18,20).