Brevet FR2657119A1 — publié le 19910719

La présente invention concerne les moteurs à turbine à gaz en général et, plus particulièrement, un agencement perfectionné pour rendre étanches les interstices entre segments circonférentiels adjacents de tuyères de turbine et d'anneaux de renforcement. Le rendement d'un moteur à turbine à gaz est fonction de nombreux facteurs L'un des facteurs est le degré auquel l'air de refroidissement à haute pression, produit par la section compresseur du moteur à turbine à gaz et destiné principalement à entraîner sa section turbine, est prélevé pour d'autres emplois dans le moteur L'une des utilisations de cet air consiste à refroidir les surfaces métalliques longeant le trajet d'écoulement principal du générateur de gaz de manière à les maintenir au-dessous de la température de fusion Plus la quantité de l'air de refroidissement consacré à d'autres emplois dans le moteur est grande, moins la quantité de l'air servant à entraîner la turbine est élevée, ce qui se traduit par un fonctionnement moins efficace de celle-ci. Par conséquent, il est important de limiter la quantité de l'air de refroidissement ne servant pas à l'entraînement de la turbine à la valeur absolument néces- saire pour répondre aux autres fonctions auxiliaires On a proposé dans la technique antérieure des agencements d'étan- chéité pour éviter la perte de l'air détourné dans les interstices séparant les segments adjacents des composants du moteur A titre représentatif des dispositifs d'étanchéité de la technique antérieure, on citera les brevets des Etats-Unis d'Amérique N O 3 728 041, 4 311 432, 4 537 024, 4 662 658, 4 759 687 et 4 767 260. On connait dans la technique antérieure l'agencement à joint linguiforme comme agencement d'étanchéité qu'on utilise fréquemment pour rendre étanche un interstice séparant les bords des segments adjacents des tuyères de la turbine et les anneaux de renforcement Un avantage qu'offre cet agencement est la simplicité de sa construction Cependant, il constitue un mécanisme d'étanchéité inefficace car enclin à fuir lorsqu'il existe une géométrie loin moins d'être optimum au droit des bords des segments, par exemple par suite des procédés d'usinage employés, des tolérances utilisées, et des mouvements en l'absence d'alignement des segments les uns par rapport aux autres En conséquence, il reste un besoin pour un agencement permettant de rendre efficacement étanches les interstices des bords des segments tout en évitant les problèmes venant d'être décrits. La présente invention propose un agencement perfec- tionné d'étanchéité, étudié pour satisfaire les besoins exposés ci-dessus L'agencement perfectionné de la présente invention a pour but de maintenir un joint efficace à travers l'interstice formé entre les bords de segments adjacents alors que ceux-ci subissent un déplacement limité et souf- frent d'un manque d'alignement les uns par rapport aux autres Compte tenu de ces possibilités, l'agencement perfec- tionné d'étanchéité convient plus particulièrement pour rendre étanches les interstices entre segments adjacents des tuyères de turbine et les anneaux de renforcement là o de tels mouvements relatifs et manque d'alignement se produiront à la suite de la dilatation et de la contraction thermique des segments. L'agencement d'étanchéité est donc efficace pour 3 - éviter les fuites de l'air de refroidissement passant par les interstices, et pénétrant dans le trajet principal d'écoule- ment du générateur de gaz du moteur à turbine à gaz La présente invention s'applique à tous les moteurs à turbine employant des tuyères segmentées et des anneaux de renforce- ment refroidis Le rendement du moteur à turbine augmente grâce à la meilleure étanchéité vis-à-vis du réfrigérant dans l'agencement perfectionné de la présente invention De plus, l'agencement fournit de meilleurs caractéristiques d'usure et un refroidissement amélioré des bords des segments. Par conséquent, la présente invention a pour objet un agencement perfectionné pour rendre étanche l'interstice séparant les bords adjacents de composés segmentés qui comprend: (a) une paire de rebords inclinés en étant opposés sur les arêtes des segments présentant sur leur dessus des surfaces respectives planes, inclinées en étant opposées; (b) un élément d'étanchéité disposé entre les surfaces planes inclinées des rebords, en étant assis sur celles-ci, de façon à recouvrir et fermer l'interstice entre les rebords et (c) une pince élastique ancrée au-dessous des rebords et recou- vrant l'élément d'étanchéité de manière à le solliciter pour l'amener en contact étanche avec les surfaces plates des rebords, en relation d'étanchéité avec l'interstice. Plus précisément, la pince élastique a dans une section transversale une forme ressemblant à un canal et comprend une paire de parties latérales longitudinales opposées et une partie médiane interconnectant les parties latérales Les parties latérales opposées de la pince ont la forme d'un crochet, l'une étant l'inverse de l'autre, pour s'étendre autour et audessous des arêtes des composants segmentés La partie médiane de la pince recouvre et est en contact avec l'élément d'étanchéité et sa forme épouse celle d'un côté de l'élément d'étanchéité qui est en contact avec la partie médiane de la pince. En outre, l'élément d'étanchéité est une tige linéaire allongée présentant des surfaces arrondies en contact avec les surfaces planes des rebords des arêtes des segments Plus spécialement, la tige d'étanchéité a une section transversale de forme circulaire de façon à créer un contact étanche sensiblement linéaire avec les surfaces planes des rebords. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Figure 1, une vue schématique d'un moteur à turbine à gaz, figure 2, une vue partielle en coupe d'un agencement d'étanchéité de la technique antérieure destiné à rendre étanches les interstices entre segments circonférentiels adjacents des tuyères et des anneaux de renforcement de la turbine, figure 3, une vue partielle en perspective d'un agencement perfectionné d'étanchéité selon la présente inven- tion, figure 4, une vue en bout, à grande échelle, de l'agencement perfectionné d'étanchéité de la figure 3. Dans la description suivante, les mêmes références désignent des parties identiques ou correspondantes dans toutes les vues De plus, dans la description suivante, on comprendra que des expressions telles que "antérieure", "postérieure", "arrière", "droit", "vers le haut", "vers le bas", etc, sont données à titre de commodité et ne doivent pas être considérées comme limitatives. Dans les dessins, et plus particulièrement en figure 1, on a représenté dans son ensemble par la référence 10 un moteur à turbine à gaz, auquel on peut appliquer la présente invention Le moteur 10 présente un axe longitudinal A et comprend un carter annulaire 12 disposé co-axialement et concentriquement autour de l'axe A Le moteur 10 comprend un générateur de gaz 14, constitué d'un compresseur 16, d'une chambre de combustion 18, et d'une turbine à haute pression 20, soit à un étage soit à plusieurs étages, tous ces éléments étant disposés suivant l'axe longitudinal A du moteur 10 dans une relation d'écoulement axial, sériel Un arbre annulaire d'entraînement 22 interconnecte le compres- seur 16 et la turbine à haute pression 20. Le générateur de gaz 14 a pour fonction de produire des gaz de combustion L'air pressurisé provenant du compres- seur 16 est mélangé au carburant dans la chambre de combustion 18 et allumé, d'o la production des gaz de combustion Un certain travail est extrait des gaz par la turbine à haute pression 20, laquelle entraîne le compresseur 16 Le reste des gaz de combustion est déchargé du générateur 14 dans une turbine de puissance 24 à basse pression. La turbine à basse pression 24 comprend un rotor 26 à tambour annulaire et un stator 28 Le rotor 26 tourne sur des roulements 30 et comporte une multitude de rangées d'aubes 34 s'étendant radialement vers l'extérieur et espacées axiale- ment les unes des autres Le stator 28 est disposé radiale- ment à l'extérieur du rotor 26 et comporte une multitude de rangées d'aubes 26 fixées au carter immobile 12 en s'étendant dans la direction radiale de son intérieur Les rangées 36 des aubes du stator sont espacées axialement les unes des autres de manière à être en alternance avec les rangées 34 des aubes de la turbine Le rotor 26 est fixé à un arbre d'entraînement 38 et interconnecté à l'arbre d'entraînement 22 via des roulements différentiels 32. L'arbre d'entraînement 38 entraîne en rotation un rotor 39 de compresseur auxiliaire antérieur qui fait partie d'un compresseur auxiliaire 40 et qui supporte aussi des rangées 41 d'ailettes de soufflante antérieure, logées à l'intérieur d'une nacelle 42 supportée par le carter fixe 12 par une multitude d'entretoises 43, une seule entretoise étant représentée Le compresseur auxiliaire 40 est constitué d'une multitude de rangées d'ailettes 44, fixées au rotor 39 du compresseur en s'étendant radialement vers son extérieur afin de tourner avec lui et une multitude de rangées 46 6 - d'ailettes de stator de compresseur fixées au carter 12 en s'étendant radialement vers son intérieur Les rangées 44 et 46 sont espacées axialement les unes des autres et disposées en alternance. On décrira maintenant un agencement d'étanchéité de la technique antérieure. En figure 2, on a représenté un agencement d'étan- chéité qu'on utilise fréquemment dans la technique anté- rieure, agencement représenté dans son ensemble par la référence 48 et désigné ci-après par agencement à joint linguiforme, ayant pour but d'éviter les fuites de l'air de refroidissement entre le côté réfrigérant extérieur 14 A et le côté trajet d'écoulement intérieur 14 B du générateur de gaz 14 L'agencement 48 a pour objet de rendre étanche chaque interstice d'une multitude d'interstices 50 (seul l'un d'entre eux est représenté) entre les bords adjacents 52 d'une multitude de segments circonférentiels 54 (seule une paire de segments est représentée) comprenant des parties des tuyères et anneaux de renforcement (non représentés entière- ment) du moteur à turbine à gaz 10. Les interstices 50 constituent un trajet pour les fuites de l'air de refroidissement entre le côté extérieur à pression élevée 14 a et le côté intérieur à basse pression 14 B du générateur de gaz 14 L'air de refroidissement est généralement acheminé à faible vitesse et sous haute pression pour venir frapper des déflecteurs à impact 56 surplombant les segments 54 qu'on désire refroidir Alors que l'air traverse des orifices 58 ménagés dans les déflecteurs, il accélère et frappe le côté extérieur des segments 54 à une vitesse plus élevée, ce qui augmente le transfert de la chaleur à partir des segments. Pour éviter que l'air de refroidissement passe par l'interstice 50, l'agencement 48 emploie un élément d'étan- chéité 60 linguiforme, plat, allongé, de faible épaisseur. L'élément 60 est inséré par ses bords longitudinaux opposés 7 - A dans des rainures 62 ménagées dans les bords 52 des segments adjacents afin de recouvrir l'interstice 50 entre les bords et d'appuyer de façon étanche sur les surfaces intérieures 62 A des rainures 62. Cependant, à cause de l'incapacité à assurer une relation plane commune entre les rainures 62 des bords 52 de segments adjacents, l'agencement 48 constitue un agencement d'étanchéité inefficace, susceptible de fuir L'inaptitude à maintenir l'alignement des rainures adjacentes 62 dans le même plan est due aux tolérances d'usinage et aux mouvements des segments L'élément d'étanchéité linguiforme 60 ne sera donc pas assis convenablement dans les rainures 62 et n'en assurera pas correctement l'étanchéité et il en résultera un trajet pour les fuites De plus, les rainures 62 sont généralement obtenues en faisant appel à un procédé d'usinage par décharge électrique qui provoque une certaine rugosité de leurs surfaces, dont les surfaces intérieures 62 A sur lesquelles l'élément 60 repose La rugosité des surfaces inférieures 62 A contribue ainsi à la formation d'un trajet pour les fuites de l'air de refroidissement. Dans l'agencement linguiforme d'étanchéité 48 la géométrie aux bords 52 des segments est difficile à refroidir de façon efficace A cause de cette difficulté du refroidis- sement et de l'augmentation des températures de fonctionne- ment de la turbine, les bords 52 sont à même d'être érodés par oxydation Les modifications à apporter à l'agencement d'étanchéité linguiforme de la technique antérieure dans le but d'améliorer le refroidissement des bords des segments sont limitées par cette géométrie inhérente. On décrira maintenant l'agencement d'étanchéité per- fectionné de la présente invention. En figures 3 et 4, on a représenté l'agencement d'étanchéité perfectionné, désigné dans son ensemble par la référence 64, selon la présente invention, qui évite les 8 - problèmes venant d'être décrits dont souffre l'agencement 48 de la technique antérieure L'agencement 64 comprend une paire de rebords 66, inclinés dans des sens opposés, sur les arêtes 52 des segments circonférentiels 54 qui sont normale- ment séparés par l'interstice 50 Les rebords 66 définissent sur leur dessus, des surfaces 68 planes, inclinées dans des sens opposés, dirigées vers le haut. L'agencement d'étanchéité 64 comprend également un élément d'étanchéité 70 se présentant de préférence sous la forme d'une tige cylindrique allongée 70 s'étendant générale- ment de façon linéaire La tige 70 est assise sur les surfaces planes 68 des rebords inclinés 66 de manière à recouvrir et fermer l'interstice 50 séparant les rebords La forme circulaire dans une section transversale de la tige 70 et l'orientation des surfaces planes 68, à savoir qu'elles sont inclinées dans des sens opposés, facilitent un contact d'étanchéité rectiligne entre les portions de surface incur- vées 70 A, distantes l'une de l'autre, de la tige 70 et les surfaces planes 68. L'agencement d'étanchéité 64 comporte en outre une pince élastique 72 ancrée au-dessous des rebords 66 et recouvrant la tige 70 de façon à la solliciter pour l'amener en contact d'étanchéité rectiligne avec les surfaces planes 68 des rebords 66 et réaliser l'étanchéité de l'interstice 50 De plus, en figure 3, on a représenté des plaques 74 frappées par l'air de refroidissement (les trous qu'elles comportent étant omis pour rendre la figure plus claire) qui ne font pas partie de l'agencement d'étanchéité 64 de la présente invention. La pince élastique 72 a, dans une section transversa- le, la forme d'un canal et comprend deux parties latérales longitudinales opposées 72 A et une partie médiane 72 B interconnectant les parties 72 A Comme on le voit en figure 4, les parties 72 A de la pince 72 ont la forme générale d'un crochet, l'une des parties étant l'inverse de l'autre Les 9 - parties 72 A s'étendent autour et au-dessous des rebords 66 des segments 54 et sont en contact avec les surfaces inférieures 69 des rebords aux extrémités des parties 72 A pour l'ancrage de la pince 72 Les surfaces 69 sont Également sensiblement planes et pratiquement parallèles aux surfaces supérieures plates 68. La partie méd ane 72 B de la pince 72 recouvre le côté supérieur de la tige cylindrique 70 en étant en contact avec lui La partie 72 B a la forme d'un arc dans une section transversale de manière à épouser la forme incurvée du côté supérieur de la tige 70 o le contact s'effectue avec elle. La pint-e 72 fléchit de façon relativement aisée et présente ure raideur relativement faible de sorte qu'elle n'exerce qu'une charge ou sollicitation légère sur la tige 70. La souplesse de la pince élastique 72 maintient la tige d'étanchéité 70 dans la fente formée par les surfaces planes 68 des rebords 66 L'agencement d'étanchéité est maintenu relativement uni alors que les rebords se d&p 1 acent l'un par rapport à l'autre car les plans des surfaces 68 se couperont toujours pendant le fonctionnement du moteur Par conséquent, les segments 54 peuvent se déplacer radialement ou circonférentiellement pour s'écarter l'un de l'autre, ou angulairement, et l'agencement fonctionne de la mame manière que s'il y avait maintien d'un alignement parfait La sollicitation, exercée vers le bas, par la pince 72 sur la tige 70 permet à la tige de monter et descendre sur les rebords 66 alors qu'ils se rapprochent ou s'éloignent, respectivement, l'un de l'autre, ce qui a pour effet d'agrandir ()u de rétrécir l'interstice 50, respectivement. Les parties latérales 72 A de la pince peuvent être maintenues en coulissement ou de manière fixe sur la surface inférieure 69 des rebords 66, en fonction des conditions de fonctionne- ment attendues, et maintiennent toujours l'agencement d'étan- chéité. Il apparaitra qie la pince élastique 72 et la tige - d'étanchéité 70 n'ont pas besoin d'avoir la même longueur La pince 72 peut être constituée de tronçons de courte longueur. En outre, la forme, dans une section transversale de la pince, peut être modifiée pour conférer des valeurs diverses à la force d'actionnement du joint De plus, les surfaces d'étanchéité des rebords 66 peuvent être fabriqués par meulage, fournissant un fini de surface plus lisse pour une meilleure étanchéification et obtenir un prix de revient plus faible Les extrémités de la pince peuvent être enrobées de façon à éviter les fuites d'air à leur droit. on pense qu'on comprendra la présente invention et la plupart de ses avantages à la lecture de la description précédente et qu'il apparaîtra qu'on peut y apporter divers changements quant à la forme, la construction et l'agencement des pièces sans s'écarter de l'esprit et du domaine de l'invention Par exemple, la présente invention rend étanche, ou peut être facilement adaptée dans ce but, l'interstice séparant des segments adjacents, et pas seulement des segments circonférentiels. il - REVENDICATIONS 1 Agencement ( 64) pour rendre étanche un interstice ( 50) entre des arêtes adjacentes ( 52) de composants segmentés ( 54) ayant à leur dessus des surfaces planes, inclinées en étant opposées ( 68), caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un élément d'étanchéité ( 70) disposé entre, en étant assis, les surfaces planes inclinées des arêtes des composants segmentés de manière à recouvrir et fermer l'interstice séparant les arêtes, et (b) une pince élastique ( 72) ancrée au-dessous des arêtes des composants segmentés et recouvrant l'élément d'étanchéité ( 70) de manière à solliciter ce dernier pour l'amener en contact étanche avec les surfaces planes des arêtes et en relation d'étanchéité avec l'interstice. 2 Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les composants segmentés ( 54) comprennent des compo- sants segmentés circonférentiellement, et la pince élastique ( 72) comporte deux parties latérales, longitudinales, oppo- sées ( 72 A) et une partie médiane ( 72 B) interconnectant les parties latérales. 3 Agencement selon la revendication 2, caractérisé en ce que les parties latérales opposées ( 72 A) de la pince élastique ont la forme d'un crochet, l'une étant l'inverse de l'autre afin de s'étendre autour et audessous des arêtes des composants segmentés. 4 Agencement selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie médiane ( 72 B) de la pince est en contact avec l'élément d'étanchéité ( 70) et façonne pour épouser la forme d'un côté de l'élément d'étanchéité en contact avec la partie médiane de la pince. Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité est une tige linéaire allongée ayant des surfaces arrondies en contact avec les surfaces planes des arêtes. 6 Agencement selon la revendication 5, caractérisé en 12 - ce que la tige d'étanchéité présente une section transversale circulaire afin de rendre sensiblement linéaire le contact d'étanchéité avec les surfaces planes des arêtes. 7 Agencement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pince élastique ( 72) a dans une section transver- sale une forme ressemblant à celle d'un canal. 8 Agencement d'étanchéité en combinaison avec deux segments adjacents ( 54) espacés l'un de l'autre et comportant des bords espacés qui définissent un interstice ( 50) entre eux, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) deux rebords ( 66) sur les arêtes des segments ayant sur leur dessus des surfaces respectives planes, inclinées en étant opposées ( 68); (b) un élément d'étanchéité ( 70) disposé entre les rebords et assis sur les surfaces planes ( 68) de manière à recouvrir et fermer de manière étanche l'interstice séparant les arêtes, et (c) une pince élastique ( 72) ancrée au-dessous des rebords et recouvrant l'élément d'étanchéité de manière à le solliciter et l'amener en contact étanche avec les surfaces planes ( 68) des rebords et à former une relation d'étanchéité avec l'interstice ( 50). 9 Agencement selon la revendication 8, caractérisé en ce que le pince présente des parties latérales, longitudi- nales, opposées ( 72 A) et une partie médiane ( 72 B) intercon- nectant les parties latérales. Agencement selon la revendication 9, caractérisé en ce que les parties latérales opposées ont une forme ressemblant à celle d'un crochet, l'une étant l'inverse de l'autre, afin de s'étendre autour et au-dessous des arêtes ( 52) des composants segmentés ( 54). 11 Agencement selon la revendication 9, caractérisé en ce que la partie médiane ( 72 B) de la pince est en contact avec l'élément d'étanchéité ( 70) et façonnée de manière à épouser la forme d'un côté de l'élément d'étanchéité en 13 - contact avec cette partie médiane de la pince. 12 Agencement selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité est une tige linéaire allongée ( 70) présentant des parties de sa surface arrondies qui sont en contact avec les surfaces planes ( 68) des rebords. 13 Agencement selon la revendication 12, caractérisé en ce que la tige a dans une section transversale une forme circulaire de manière à rendre sensiblement rectiligne le contact d'étanchéité avec les surfaces planes des rebords. 14 Agencement selon la revendication 8, caractérisé en ce que la pince ( 72) a dans une section transversale une forme ressemblant à celle d'un canal. Agencement d'étanchéité ( 64) dans un moteur à turbine à gaz comportant une multitude de segments ( 54) disposés circonférentiellement et espacés les uns des autres en étant contigus qui définissent entre eux des interstices ( 50) par l'intermédiaire desquels un gaz pressurisé peut s'écouler entre le côté haute pression et le côté basse pression des segments, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) deux rebords ( 66) inclinés en étant opposés sur les segments, ayant des surfaces respectives planes, incli- nées en étant opposées ( 68) qui sont définies sur leur dessus. (b) un élément d'étanchéité ( 70) assis sur les surfaces planes inclinées des rebords et recouvrant l'inter- stice ( 50) entre les rebords pour le fermer, et c) une pince élastique ( 72) ancrée au-dessous des rebords et recouvrant l'élément d'étanchéité pour le sollici- ter et l'amener en contact étanche avec les surfaces planes ( 68) des rebords, afin de fermer l'interstice ( 50) de manière étanche. 16 Agencement selon la revendication 15, caractérisé en ce que la pince élastique ( 72) comporte deux parties latérales, longitudinales, opposées ( 72 A) et une partie 14 - médiane ( 72 B) interconnectant les parties latérales. 17 Agencement selon la revendication 16, caractérisé en ce que les parties latérales opposées de la pince élastique ont une forme ressemblant à celle d'un crochet, l'une étant l'inverse de l'autre, afin de s'étendre autour et au-dessous des arêtes des composants segmentés. 18 Agencement selon la revendication 16, caractérisé en ce que la partie médiane ( 72 B) de la pince est en contact avec l'élément d'étanchéité ( 70) et a une configuration permettant d'épouser la forme d'un côté de l'élément d'étan- chéité en contact avec la partie médiane de la pince. 19 Agencement selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'élément d'étanchéité est une tige linéaire allongée ( 70) présentant des parties de sa surface arrondies qui sont en contact avec les surfaces planes des rebords. Agencement selon la revendication 19, caractérisé en ce que la tige cylindrique présente dans une section transversale une forme circulaire afin de rendre pratiquement linéaire le contact d'étanchéité avec les surfaces planes des rebords. 21 Agencement selon la revendication 15, caractérisé en ce que la pince élastique présente dans une section transversale une forme ressemblant à celle d'un canal.