Brevet FR2636373A1 — publié le 19900316

DISPOSITIF POUR FIXER UNE COURONNE ENVELOPPE DANS DES TURBINES A GAZ. L'invention concerne un dispositif pour fixer en position centrée une couronne enveloppe, qui entoure le rotor d'une turbine à gaz en formant un intervalle d'étanchéité radial, dans la carcasse d'une turbine. De tels dispositifs sont connus et compensent les variations de formes géométriques provoquées par les comportements de dilatation thermique différents du rotor et du stator. Ils contribuent à maintenir l'intervalle d'étanchéité radial ouvert de façon uniforme dans toutes les conditions de fonctionnement. Pour cela, les couronnes enveloppes sont suspendues en position centrée entre le rotor et le stator, par exemple au moyen d'entretoises ou d'éléments d'écartement bimétalliques reliés à articulation à la carcasse et à la couronne enveloppe. Dans le cas des couronnes enveloppes en céramique les articulations ne peuvent être réalisées que moyennant une dépense élevée. Dans d'autres solutions, on prévoit des joints d'étanchéité métalliques en forme de brosses, des garnitures en feutre métallique ou des treillis métalliques servant de couche intermédiaire entre la carcasse métallique et la couronne enveloppe en céramique. Ces solutions ont pour inconvénient que l'action élastique de ressort de ces couches intermédiaires se relâche au bout d'une longue durée de service et que la couronne enveloppe est entraînée en rotation. Il en résulte que cette couronne détruit la couche intermédiaire et les aubes du rotor. L'invention a pour but de créer un dispositif de fixation en position centrée d'une couronne enveloppe, du type qui entoure le rotor d'une turbine à gaz en formant un intervalle d'étanchéité radial, dans la carcasse de la turbine et qui assure l'appui d'une 2 2636373 couronne enveloppe vis-à-vis de la carcasse métallique de façon à garantir un intervalle d'étanchéité radial pour toutes les conditions de fonctionnement et pour de longues périodes de service sans que la fatigue du matériau mette le fonctionnement en danger et sans prévoir des organes mécaniques de construction compliquée. A cet effet, l'invention concerne un dispositif du type ci-dessus caractérisé en ce que des soufflets sollicités par air comprimé, ayant une action de serrage en direction radiale entre la carcasse de la turbine et la couronne enveloppe sont disposés régulièrement répartis sur la périphérie. L'avantage du dispositif de fixation en position centrée suivant l'invention réside en ce que l'action de serrage de tels soufflets n'est pas obtenue par une action de ressort, mais par une sollicitation par air comprimé. Pour cela, les soufflets doivent être sollicités par de l'air comprimé provenant d'un étage de compression disposé en avant ou d'une autre source d'air comprimé disposée du côté du stator. Ces soufflets doivent aussi être constitués sous forme d'éléments de construction fermés de tous côtés. De préférence, l'air comprimé est prélevé dans l'étape de compression haute pression car la pression correspondante est, dans toutes les conditions de fonctionnement, supérieure à la pression statique du côté haute pression du premier étage de turbine et donc, supérieure également à la pression du milieu environnant situé dans la zone des soufflets. De préférence, ces soufflets sont mis en oeuvre pour la fixation de couronnes enveloppes fermées en céramique frittée car de telles couronnes peuvent absorber des charges de pression élevées. Les matériaux métalliques ont fait leurs preuves pour les soufflets. On utilise de préférence un acier au chrome-nickel car on peut, avec ce matériau, fabriquer des soufflets à paroi mince et de poids réduit. Pour l'isolation thermique entre le soufflet et la couronne enveloppe, on munit d'une couche d'isolant thermique la surface latérale extérieure en direction radiale de la couronne enveloppe ou le fond du soufflet ou encore ces deux éléments. Pour mettre la couronne enveloppe en position centrée, il faut répartir au moins trois soufflets sur la périphérie. Ceux-ci sont de préférence constitués en forme de segment d'anneau pour qu'ils ne prennent qu'un volume minimal entre la carcasse et la couronne enveloppe. Les soufflets cylindriques plats peuvent être fabriqués économiquement en séries importantes et être adaptés & la courbure de la carcasse de la turbine. Cette forme de réalisation est donc préférable pour les séries importantes. La couronne enveloppe est maintenue par force en direction périphérique par sollicitation des soufflets sous pression. Cette enveloppe est ainsi fixée contre la torsion ou les mouvements de rotation. En direction axiale il y a lieu de prévoir de préférence des organes qui fixent par liaison de forme la couronne enveloppe sur la carcasse de la turbine par l'intermédiaire des soufflets. Pour cela par exemple, le fond métallique des soufflets est incurvée en direction radiale de façon convexe ou concave et forme, avec la couronne enveloppe, un siège ajusté dans la zone incurvée convexe ou concave. L'amenée de l'air comprimé pour tous les soufflets d'une couronne enveloppe a lieu de préférence au moyen d'orifices d'air comprimé dans les soufflets et d'un conduit d'air comprimé annulaire qui entoure les soufflets et qui est relié aux orifices d'air comprimé. Une telle disposition a pour avantage de 4 2636373 pouvoir être réalisée sous forme d'élément de construction unitaire qui peut être positionné sur la couronne enveloppe sous une légère pression élastique des soufflets. Les couronnes enveloppes en céramique sont utilisées en particulier dans les turbines o la température d'entrée de turbine est élevée (1000C à 1300'C). C'est pourquoi il est avantageux de refroidir le dispositif de fixation métallique en forme de soufflet. On peut, de préférence envoyer un flux permanent de gaz de refroidissement par les orifices d'air comprimé du conduit d'air comprimé annulaire, ce flux étant réparti entre les soufflets par des orifices de sortie séparés. I1 est avantageux que les orifices de sortie soient dirigés vers le côté haute pression du rotor de la turbine pour obtenir un refroidissement intense des soufflets dans cette zone de températures élevées. L'air de refroidissement sortant sous pression peut être utilisé pour l'adaptation thermique du disque du rotor ou pour assurer l'étanchéité de l'intervalle. Pour cela, il est préférable de disposer le conduit d'air comprimé fermé, qui constitue avec les soufflets un élément de construction unitaire, du côté basse pression d'un étage de turbine et de disposer un conduit de sortie du côté haute pression. Un autre mode de réalisation préférentiel de l'invention consiste en ce que le conduit d'air comprimé, les soufflets et le conduit de sortie constituent un élément de construction unitaire facilitant le montage. Le refroidissement des soufflets par air est destiné à garantir une fixation à l'épreuve des températures élevées de la couronne enveloppe chaude. Une autre disposition préférentielle consiste à disposer entre la couronne enveloppe et les soufflets, 2636373 une enveloppe isolante divisée en segments ayant une conductibilité thermique inférieure à celle de la couronne enveloppe. De préférence, le positionnement axial peut être assuré, d'une part, par engrénement réciproque des rainures de guidage radiales entre la couronne enveloppe et l'isolation. D'autre part, des organes de liaison par forme avec les soufflets extérieurs en direction radiale, peuvent être prévus sur la surface latérale extérieure, en direction radiale, de la couronne isolante. Cette liaison peut être obtenue, par exemple, par courbure convexe ou concave des fonds de soufflets en constituant en même temps des surfaces ajustées correspondantes sur la surface latérale extérieure de la couronne isolante. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés représentant des exemples de réalisation, dessins dans lesquels: - la figure 1 représente une couronne enveloppe en position de montage dans une turbine à gaz à l'aide d'un dispositif de fixation suivant l'invention; la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un soufflet avec un conduit d'air comprimé soudé ainsi qu'une couronne isolante et une couronne enveloppe adaptée; - la figure 3a est une vue en élévation de la partie d'extrémité d'un segment de soufflet annulaire; - la figure 3b est une vue en coupe longitudinale correspondant à la figure 3a; - la figure 3c est une vue de dessus correspondant à la figure 3a; - la figure 4 est une vue en coupe transversale d'un élément de construction unitaire 6 2636373 comprenant un soufflet, un conduit d'air comprimé et un conduit de sortie; - la figure 5a est une vue en coupe d'un segment circulaire de turbine avec plusieurs soufflets cylindriques plats adaptés à la courbure de la carcasse; - la figure 5b est une vue latérale correspondant à la figure 5a. La figure 1 représente en coupe axiale une couronne enveloppe 1 en position de montage dans une turbine à gaz à l'aide d'un dispositif de fixation 2 suivant l'invention. La couronne enveloppe 1 entoure un rotor 3 et est maintenue en position centrée sur l'axe du rotor dans une carcasse de turbine 6 par des soufflets 4 sollicités par air comprimé. Les soufflets métalliques 4 sont protégés par une couronne isolante 8 contre la surchauffe par le flux de gaz chauds (voir les flèches) s'écoulant dans un conduit d'écoulement 9. La figure 2 est une vue en coupe transversale d'un soufflet 4 avec un conduit d'air comprimé soudé 10 ainsi qu'avec une couronne isolante 8 et une couronne enveloppe 1. L'air comprimé est amené à partir d'un compresseur haute pression par le raccord 11 ainsi que le conduit d'air comprimé annulaire 10 divisé en segments et qui entoure les soufflets 4. Cet air comprimé arrive dans chaque soufflet 4 par l'orifice d'air comprimé 12. L'isolant 8 est ainsi déformé par rapport à la carcasse de turbine 6. La couronne isolante 8 est de préférence divisée en segments et positionne la couronne enveloppe 1 en direction axiale par l'intermédiaire d'une rainure de guidage radiale 13 de la couronne enveloppe 1. La forte action d'isolation thermique de la couronne isolante 8 empêche que le soufflet a paroi mince 4 soit surchauffé par les gaz chauds qui s'écoulent dans le ccnduit d'écoulement. Le conduit 7 2636373 d'air comprimé 10 constitue un élément de construction unitaire avec le soufflet 4. Au moyen de la forme incurvée de son fond 15, le soufflet 4 positionne la couronne isolante 8 en direction axiale. Pour cela, une surface ajustée correspondante est formée dans la couronne isolante 8. La rotation de la couronne enveloppe 1 par rapport à la couronne isolante 8 et au soufflet 4 ainsi qu'à la carcasse de turbine 6 est empêchée par le serrage par force du soufflet 4 au moyen de la sollicitation par air comprimé. Les figures 3a à 3c représentent en élévation en coupe longitudinale et en vue de dessus la partie d'extrémité 17 d'un segment 16 d'anneau de soufflets. Pour que les soufflets 4 aient une action de serrage impeccable, il est nécessaire qu'ils s'adaptent à la courbure 18 de la carcasse de turbine et qu'ils forment dans leur zone d'extrémité une partie d'extrémité 17 possédant la même élasticité que le reste du segment 16 d'anneau de soufflets. La figure 4 est une vue en coupe d'un élément de construction unitaire constitué d'un segment 16 d'anneau de soufflets, d'un conduit d'air comprimé 10 et d'un conduit de sortie 19. L'air comprimé s'écoule par le raccord 11 dans le conduit d'air comprimé annulaire 10 et arrive dans le soufflet 4, du côté basse pression d'un étage de turbine, par les orifices d'air comprimé 12 du segment 16 d'anneau de soufflet. Cet air comprimé refroidit le soufflet 4 et s'écoule par les orifices de sortie 20 du côté haute pression de l'étage de turbine. L'air est recueilli dans le conduit de sortie 19 et envoyé par l'intermédiaire du raccord 21 à une autre utilisation. Les figures 5a et 5b représentent un segment circulaire avec plusieurs soufflets cylindriques plats 4 adaptés à la courbure 18 de la carcasse de turbine. Les soufflets 4 constituent un élément de construction 8 2636373 unitaire avec un conduit d'air comprimé 10 divisé en segments et assemblent par serrage la carcasse de turbine 6 avec la couronne enveloppe 1 en céramique. Trois segments de couronne isolante 22 sont positionnés entre la couronne enveloppe 1 et les soufflets 4, ces segments ayant une plus faible conductibilité thermique que la couronne enveloppe en céramique 1. Cette disposition correspond à un exemple de réalisation préférentiel de l'invention car un tel dispositif de fixation 2 est particulièrement bien adapté & une fabrication en série. 9 2636373 REVENDICATIONS 1) Dispositif pour fixer en position centrée une couronne enveloppe, qui entoure le rotor d'une turbine à gaz en formant un intervalle d'étanchéité radial, dans la carcasse (6) de la turbine, caractérisé en ce que des soufflets (4) sollicités par air comprimé, ayant une action de serrage en direction radiale entre la carcasse (6) de la turbine et la couronne enveloppe (1) sont disposés régulièrement répartis sur la périphérie. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couronne enveloppe (1) est constituée en un matériau céramique frittée. 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la couronne enveloppe (1) porte sur sa surface latérale extérieure en direction radiale une couche d'isolant thermique. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les soufflets (4) sont constitués en métal, de préférence en acier au chrome-nickel. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le fond des soufflets comporte une couche d'isolant thermique. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les soufflets (4) sont constitués en forme de segment d'anneau. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications i à 6, caractérisé en ce que les soufflets (4) sont constitués en forme de cylindre plat et adaptés à la courbure (18) de la carcasse de turbine (6). 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les 2636373 soufflets (4) positionnent par liaison de force la couronne enveloppe (1) dans la carcasse de turbine (6). 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les soufflets (4) comportent des organes qui fixent par liaison de forme la couronne enveloppe (1) en direction axiale. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les soufflets (4) sont reliés par des orifices d'air comprimé (12) à un conduit d'air comprimé annulaire (10). 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le conduit d'air comprimé (10) et les soufflets (4) constituent un élément de construction unitaire. 12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le conduit d'air comprimé (10) entoure les soufflets (4). 13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les soufflets (4) présentent des orifices de sortie (20) pour l'air comprimé, ces orifices étant reliés à un conduit de sortie annulaire (19). 14) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le conduit d'air comprimé (10) est, en direction axiale, disposé du côté basse pression d'un étage de turbine, le conduit de sortie (19) étant disposé du côté haute pression de l'étage de turbine. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le conduit d'air comprimé (10), les soufflets (4) et le conduit de sortie (19) constituent un élément de construction unitaire. l 2636373 16) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'une couronne isolante (8) divisée en segments est disposée entre la couronne enveloppe (1) et les soufflets (4), cette couronne isolante ayant une conductibilité thermique plus faible que la couronne enveloppe (1). 17) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la couronne enveloppe (1) et la couronne isolante (8) comportent, pour assurer le positionnement axial, des rainures de guidage radiales (13) en prise mutuelle. 18) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que des organes de liaison par forme avec les soufflets (4) sont prévus sur la surface latérale extérieure, en direction radiale, de la couronne isolante (8).