Brevet FR2558211A1 — publié le 19850719

Turbine à gaz comprenant un joint d'étanchéité statique à auto-alignement pour les aubes du stator de cette turbine La présente invention concerne une turbine à gaz,et elle se rapporte à un agencement destiné à assurer une étanchéité de façon statique entre les éléments d'enveloppe intérieure de support d'une rangée annulaire d'aubes fixes,et une boîte ou enceinte radialement intérieure de joint d'étanchéité annulaire de la turbine à gaz. Un tel agencement est connu d'après le brevet U.S. 3 529 906 et a été appliqué sensiblement comme illustré dans les turbines à gaz qui ont été fabriquées. Telle qu'elle apparat%, cette conception fait appel à un joint d'étanchéité statique poussé radialement contre la paroi intérieure de la première enveloppe intérieure du stator. Bien que la présente invention vise également un agencement poussé radialement, on considère qu'elle constitue un agencement supérieur à celui décrit k propos des divers inconvénients que présente cet agencement de la technique antérieure. Ces inconvénients comprennent une fuite exagérée à travers le joint d'étanchéité jusqu'à l'interstice qui exite à l'endroit de l'enveloppe par suite d'une mauvaise concordance entre les courbures des segments du joint d'étanchéité et de l'enveloppe. De plus, un seul joint d'étanchéité est néces- saire pour chaque segment d'aube, ce qui fait qu'un grand nombre de fuites se manifestent au joint lorsque l'on utilise des segments d'aubes individuels. Enfin, chaque joint présente une superficie relativement grande au fluide sous haute pression vis-à-vis duquel il faut assurer l'étanchéité et exige un système compliqué de liaison de segment à segment pour assurer effectivement l'étanchéité. Un objet de la présente invention est de fournir un agencement de joint d'étanchéité perfectionné qui ne présente pas les inconvénients de l'agencement de la technique antérieure. Selon la présente invention, une turbine à gaz comprend un agencement pour assurer une étanchéité de façon statique entre les éléments d'enveloppe intérieure d'une rangée annu- laire d'aubes fixes de stator et une boite de joint d'étanchéité annulaire radialement intérieur de la turbine à gaz, cet agencement comprenant des premiers moyens d'étanchéité extérieurs supportés par ladite boîte et comprenant une première pluralité de segments courbes dis- posés bout à bout en formant sensiblement un cercle, chaque segment précité ayant un profil de section droite en U sur toute sa longueur et étant disposé de façon radialement mobile dans un canal ouvert radialement vers l'extérieur que comporte ladite boite, des seconds moyens d'étanchéité intérieurs disposés de façon radialement mobile dans un canal dudit premier moyen d'étanchéité et comprenant une seconde pluralité de segments courbes en nombre égal au nombre desdits éléments d'enveloppe et disposés bout à bout en formant sensiblement un cercle, des premiers moyens élastiques sollicitant lesdits premiers moyens d'étanchéité radialement vers l'extérieur dans ledit canal de la botte, et des seconds moyens élastiques sollicitant de façon indépendante lesdits seconds moyens d'étanchéité radialement vers l'extérieur dans ledit canal des premiers moyens d'étanchéité. De façon appropriée, l'agencement pour assurer l'étan- chéité entre les éléments d'enveloppe intérieure et la botte de joint d'étanchéité comprend des moyens d'étanchéité extérieurs supportés par la boîte et comprenant une premibre pluralité de segments courbes disposés bout à bout, chaque segment ayant une section droite en forme générale de U sur toute sa longueur et étant disposé de façon radialement mobile dans le canal ouvert radialement vers l'extérieur que comporte ladite boîte de joint d'étanchéité, et des moyens d'étanchéité intérieurs disposés de façon également mobile dans le canal desmoyens d'étanchéité extérieurs et comprenant une seconde pluralité de segments courbes en nombre égal au nombre d'éléments d'enveloppe, et des premiers moyens lasticues sollicitant les moyens d'étanchéité extérieurs radialement vers l'extérieur dans le canal de boite de joint d'étanchéité, et des seconds moyens élastiques sollicitant de façon indépendante les moyens d'étanchéité intérieurs radialement vers l'extérieur dans le canal de5moyens d'étanchéité extérieurs. On va maintenant décrire la présente invention à titre d'exemple en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue de face partielle et arrachée en partie de l'agencement de joint d'étanchéité selon l'invention, cette vue "regardant" dans la direction d'écoulement à travers la turbine; la figure 2 est une vue en coupe par II-II de la figure 1; la figure 3 est une vue en coupe par III-III de la figure 1; et la figure 4 est une vue partielle par la tranche de l'agencement de joint d'étanchéité de l'invention à l'endroit d'une jonction entre les segments de joint d'étanchéité extérieur La figure 1 montre eue la partie d'une turbine à gaz qui comprend une rangée annulaire de segments individuels d'aubes de stator comprend des aubes ou ailettes 10 qui, de façon classique, sont fixés entre des éléments d'enve- loppe extérieure (non représentée) et des éléments 12 d'enveloppe intérieure. Comme on l'a noté précédemment, l'invention concerne un agencement constituant un joint d'étanchéité statique entre les surfaces radialement intérieures des éléments 12 d'enve- loppe intérieure, et une structure radialement intérieure comprenant la boîte annulaire de joint d'étanchéité désignée d'une façon générale par 14. Les parties de la boîte 14 (figures 2, 3) de joint d'étanchéité présentant de l'intérêt en ce qui concerne l'invention comprennent une paroi 16 d'amont, une paroi 18 d'aval et une paroi de base 20 radialement intérieure qui forment ensemble un canal 22 ouvert radialement vers l'extérieur et s'étendant circonférenciellement. Les parois 16 et 18 comportent respectivement des épaulements 16aet 18a faisant saillie vers l'intérieur au voisinage de l'ouverture radialement extérieure du canal. A l'intérieur du canal 22 (figures 2 et 3) est logée une pluralité de segments de joint d'étanchéité extérieur désignés d'une façon générale par 24, dont chacun a une forme courbe dans la direction longitudinale et, comme on peut mieux le voir sur les figures 2 et 3, a une section droite en forme de U d'une façon générale et comprend une paroi 26 d'amont, une paroi 28 d'aval et une paroi de base ou d'âme 30. La paroi de base 30 comporte des rails ou rebods 30a et 30b qui font saillie vers l'amont et vers l'aval respectivement et qui, pendant l'assemblage, empêchent les segments de joint d'étanchéité extérieur de se dégager du canal 22 de la botte de joint d'étanchéité. A titre d'exemple, et à des fins d'illustration et de description uniquement, une turbine à gaz comporte vingt-huit segments individuels d'aubes de stator et, de façon corres- pondante, vingt-huit éléments individuels 12 d'enveloppe intérieure vis-àvis desquels un joint d'étanchéité doit être maintenu. Ainsi, avec les vingt-huit éléments d'enveloppe intérieur dans une rangée annulaire formant un cercle complet, chaquequmdrant du cercle comporte sept segments d'aubes. Pour des raisons de fabrication et d'assemblage, un quadrant est pourvu de deux éléments de joint d'étanchéité extérieur dont un correspond en longueur de manière à assurer une étanchéité vis-à-vis des faces radialement intérieures de trois éléments d'enveloppe intérieure, tandis que l'autre segment de joint d'étanchéité extérieur pour le quadrant a une longueur telle qu'il assure l'étanchéité vis-à-vis de quatre faces intérieures des éléments d'enveloppe intérieure. Ainsi, un total de huit segments de joint d'étanchéité extérieur disposés bout à bout forment un cercle sensiblement complet. Les seconds moyens d'étanchéité intérieurs 32 sont disposés dans le canal 33 du premier moyen d'étanchéité et comprennent une pluralité de segments courbes 34 de joint d'étanchéité en nombre égal au nombre d'éléments d'enveloppe intérieur des aubes de stator et, en étant disposés bout à bout, complètent sensiblement un cercle. Le moyen d'étanchéité extérieur 24 est sollicité radialement vers l'extérieur dans le canal 22 de boîte de joint d'étanchéité, tandis que le moyen d'étanchéité intérieur est sollicité de façon indépendante radialement vers l'extérieur dans le premier canal 33 de moyens. d'étanchéit4. Dans le mode de réalisation préféré de l'in- vention, la sollicitation extérieure est effectuée par des ensembles de ressorts de compression 36 et 38 disposés concentriquement l'un par rapport à l'autre. L'agencement comprend une série de cuvettes 40 ouvertes radialement vers l'extérieur, ces cuvettes étant supportées par la paroi de base 20 de la boîte de joint d'étanchéité et logeant un ressort de compression 36, l'extrémité opposée du ressort portant contre la paroi de base 30 du joint d'étanchéité extérieur. A des endroits espacés circonférenciellement de façon correspondante le long des segments de joint d'étan- chéité extérieur., des ouvertures 42 sont ménagées dans la paroi de base du joint d'étanchéité extérieur et un élément 44 en forme de dé à coudre est logé dans chaque ouverture. Le ressort de compression 38 de diamètre plus petit est logé dans l'élément 44 en forme de dé à coudre. Le canal central du ressort intérieur 38 loge la tige 46 d'un bouton 48 dont la base a une superficie plus grande que la superficie de la section du ressort 38, de sorte que l'extrémité radialement extérieure du ressort 38 porte contre le-bouton 48 de manière à le pousser radialement en direction de l'extérieur. Les faces des boutons et les faces en regard des segments 34 de joint d'étanchéité intérieur sont inclinées de façon complémentaire les unes par rapport aux autres, comme on peut le voir facilement sur la figure 2, de sorte que les boutons 48 et les segments 34 sont poussés dans des directions axiales opposées (par rapport à l'axe de la turbine) sous l'effet de la force du ressort 38 avant le démarrage et par la différence de pression maintenant les segments 34 en aval lorsque la machine tourne. Afin d'obtenir ce résultat et d'empocher un coincement, les dimensions axiales du bouton et du segment 34 de joint d'étanchéité intérieur sont inférieures à la largeur du canal 33 des moyens d'étanchéité extérieurs 24. Cet agencement fournit donc le jeu nécessaire pour éviter un coincement ou blocage en présence des variations de température rencontrées tout en assurant l'étanchéité des segments 34 vis-à-vis de la paroi, orientée vers l'aval, du canal 33. Dans le-mode de réalisation ordinairement préféré, trois ensembles de ressorts de compression sont prévus pour chaque segment individuel 34 de joint d'étanchéité intérieur, de sorte que le segment le plus court de joint d'étanchéité extérieur comprenant trois des segments de joint d'étanchéité intérieur- comporte un total de neuf ensembles de ressorts de compression, tandis que le segment le plus long de joint d'étanchéité extérieur comprenant quatre des segments de joint d'étanchéité intérieur comporte douze ensembles de ressorts de compression. A un certain nombre d'emplacements espacés circonféren- ciellement, des moyens sont prévus pour empêcher le déplace- ment circonférenciel des moyens d'étanchéité extérieurs par rapport à la botte de joint d'étanchéité* Comme on peut mieux le voir sur la figure 3,on obtient ce résultat en ménageant une fente 50 orientée vers l'amont dans une partie inférieure de la paroi d'amont 26 du moyen d'étanchéité extérieur et en prévoyant une vis de retenue 52 insérée dans un trou formé dans la paroi supérieure 16 de la botte de joint d'étanchéité de manière telle que l'extrémité de la vis de retenue pénètre dans la fente. Dans le mode de réalisation ordinairement préféré de l'invention, un moyen est également prévu pour empêcher le déplacement circonférenciel des segments 34 de joint d'étanchéité intérieur par rapport au joint d'étanchéité extérieur 24, tout en permettant un déplacement radial limité du joint d'étanchéité intérieur 34 par rapport à ce dernier. A cette fin, une fente 54 (figures 1 et 2) s'étendant radialement est ménagée dans la paroi supérieure 26 du joint d'étanchéité extérieur 24 à un endroit correspondant au centre, dans le sens de la longueur, de chacun des segment d'étanchéité intérieurs 34. Une goupille 56 est alors disposée à cet endroit de chaque segment 34 de joint d'étanchéité intérieur, l'extrémité d'amont de cette goupille pénétrant dans la fente. Chacun des moyens d'étanchéité extérieulreest également pourvu d'une fente 58 (figure 1) à l'extrémité supérieure de la paroi d'amont 26 et au voisinage de chacune de ses extré- mités longitudinales pour permettre l'insertion d'un outil en vue d'extraire les moyens d'étanchéité pendant le démon- tage et pendant l'entretien. La disposition des extrémités face à face des segments d'étanchéité extérieurs l'une par rapport à l'autre et des segments d'étanchéité intérieurs l'une par rapport à l'autre est représentée plus clairement sur la figure 4. Comme on peut le voir, les extrémités dessegments d'étanchéité extérieurs peuvent, par exemple, être d'équerre tandis que celles des segments 34 de joints d'étanchéité intérieurs sont inclinées de façon eomplémentaire comme par exemple en 60. L'agencement est considéré représenter un grand nombre d'avantages. Par exemple, le canal continu 33 du joint d'étanchéité extérieur a pour résultat que la partie de joint d'étanchéité extérieur concernéeest relativement simple à fabriquer. Les segments d'étanchéité extérieurs s'étendent sur plusieurs éléments d'enveloppe intérieurs et sont poussés contre ces éléments d'enveloppe de manière à assurer une partie de l'étanchéité. Dans la mesure ou l'élément individuel d'enveloppe intérieur présente une certaine obliquité ou défaut d'alignement par rapport à un cercle parfait, les segments 34 de joint d'étanchéité intérieur couvrent individuellement des éléments individuels d'enveloppe intérieure et augmentent le contact d'étanchéité. La force d'étanchéité du joint d'étanchéité extérieur provient partiellement du ressort extérieur 36, mais est obtenue principalement par mise sous pression du canal 22 au moyen d'une série d'ouvertures 62 espacées circonférenciellement et ménagées dans la paroi avant 16 de la boîte du joint d'étanchéité. Cette charge par une pression d'un joint d'étanchéité extérieur est connue dans la technique antérieure comme le met en évidence le brevet précité. Les segments 34 de joint d'étanchéité intérieur sont charges de façon indépendante partiellement par les ressorts internes 38 et principalement par la force exercée par la pression de manière que soit assurée un bon contact d'étanchéité avec les faces intérieures des éléments individuels d'enveloppe intérieurs. REVENDICATIONS 1. Turbine à gaz comprenant un agencement assurant une étanchéité de façon statique entre les éléments d'enveloppe intérieurs (12) d'une rangée annulaire d'aubes fixes (10) de stator et une botte annulaire radialement intérieure (14) de joint d'étanchéité de la turbine à gaz, caractérisé par le fait que ledit agencement comprend des premiers moyens d'étanchéité extérieurs (24) supportés par ladite boîte et comprenant une première pluralité de segments courbes disposés bout à bout et formant sensiblement un cercle, chacun desdits segments ayant une section droite en forme de U sur la totalité de sa longueur et étant disposé de façon mobile radialement dans un canal (22), ouvert radialement vers l'extérieur, que comporte ladite boite, des seconds moyens d'étanchéité intérieurs (32) disposés de façon mobile radialement dans un canal (33) desdits premiers moyens d'étanchéité et comprenant une seconde pluralité de segments courbes (34) en nombre égal au nombre desdits éléments d'enveloppe et disposés bout à bout en formant sensiblement un cercle, des premiers moyens élastiques (36) sollicitant lesdits premiers moyens d'étanchéité radialement vers l'extérieur dans ledit canal (22) de la botte, et des seconds moyens élastiques (38) sollicitant de façon indépendante lesdits seconds moyens d'étanchéité radialement vers l'extérieur dans ledit canal (33) des premiers moyens d'étanchéité. 2. Turbine selon la revendication 1, caractérisée par le fait que chaque segment de joint d'étanchéité extérieur s'étend sur au moins deux segments de joints d'étanchéité intérieurs. 3. Turbine selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que lesdits premiers moyens élastiques comprennent une première série de ressorts de compression espacés le long de chaque segment de joint d'étanchéité extérieur, et lesdits seconds moyens élastiques comprennent une seconde série de ressorts de compression d'un diamètre inférieur à celui des premiers ressorts de compression et logés de façon concentrique dans ces derniers, en étant espacés le long de chaque segment de joint d'étanchéité intérieur. 4. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que le segment de joint d'étanchéité intérieur comprend une partie radialement intérieure et une partie distincte radialement extérieure, lesdites parties intérieure et extérieure comportant des faces opposées inclinées de façon complémentaire de sorte que lesdites parties sont poussées dans des directions axiales opposées par lesdits seconds moyens élastiques. 5. Turbine selon la revendication 4, caractérisée par le fait que lesdites faces opposées inclinées sont disposées l'une par rapport à l'autre de manière que ladite partie extérieure soit poussée en direction de l'aval par rapport à un flux d'air. 6. Turbine selon l'une quelconque des revendications t à 5, caractérisée par le fait que des fentes (50) s'étendant radialement sont ménagées dans lesdits moyens d'étanchéité extérieurs et que des goupilles (56) supportées par lesdits moyens d'étanchéité intérieurs sont logés dans ces fentes de manière à empêcher que lesdits seconds moyens d'étanchéité se dégagent desdits premiers moyens d'étanchéité tout en permettant un déplacement radial limité desdits moyens d'étanchéité intérieurs par rapport auxdits moyens d'étanchéité extérieurs.