Brevet FR2656899A1 — publié le 19910712

La présente invention concerne les moteurs à turbine à gaz et, plus particulièrement, un assemblage à auto-refroi- dissement pour les bords en aboutement de segments s'étendant circonférentiellement dans des moteurs à turbine à gaz, tels que des bandages, des anneaux de renforcement, des plates- formes d'aubes de turbine et/ou des bardeaux de chambre de combustion. L'un des aspects les plus importants dans la concep- tion des moteurs à turbine à gaz est d'assurer que les divers composants du moteur sont maintenus à des températures de sécurité pendant le fonctionnement Cela est particulièrement vrai pour les éléments de la chambre de combustion et de la turbine, lesquels sont exposés aux températures les plus élevées pendant le fonctionnement du moteur. Dans la turbine des moteurs à turbine à gaz, par exemple, un rendement thermique de valeur élevée dépend de la présence de hautes températures à l'entrée de la turbine Ces temératures d'entrée sont, à leur tour, limitées par la chaleur que les matériaux constituant les aubes de la turbine et les aubages directeurs peuvent supporter en toute sécu- rité En plus des perfectionnements apportés aux types des matériaux utilisés pour fabriquer de tels composants, on a employé un écoulement d'air continu pour permettre à la température de l'environnement du moteur de dépasser pendant son fonctionnement le point de fusion des matériaux consti- -2- tuant les aubes et les aubages directeurs sans affecter leur intégrité. On fait appel à un certain nombre de techniques pour tenter de refroidir efficacement et uniformément les compo- sants de la turbine, de la chambre de combustion et des autres parties des moteurs à turbine à gaz Les segments de tuyère de la turbine, par exemple, sont conventionnellement refroidis par la combinaison de l'impact d'air, d'une pellicule, d'ailettes, de trous de convection/film et de revêtements formant barrière thermique Chaque segment, qui comprend des bandes intérieures et extérieures reliées par des aubages directeurs fixes, est soumis à une combinaison de méthodes de refroidissement de cette sorte afin de réduire tant la température interne que la température externe des bandes et des aubages directeurs. Un domaine soulevant des problèmes dans le refroidis- sement des segments d'une tuyère de turbine, et autres composants du moteur à turbine à gaz, réside dans l'assem- blage entre segments en aboutement Pour éviter les contrain- tes thermiques périphériques,les bandes intérieure et exté- rieure supportant les aubages directeurs doivent être segmen- tées, c'est-à-dire qu'un certain nombre de segments ayant chacun des bandes intérieure et extérieure en forme d'arc s'étendent circonférentiellement autour du carter de la turbine et butent les uns contre les autres à leurs bords latéraux Il est classique qu'une fente ou alvéole soit formée dans le bord latéral en aboutement de segments adjacents et qu'un élement d'étanchéité s'étende entre les fentes des segments en aboutement pour créer un joint entre eux On a trouvé que cette zone d'étanchéité entre segments en aboutement est refroidie de manière moins efficace que le reste des bandes intérieure et extérieure du segment, ce qui crée une distribution irrégulière de la chaleur le long des segments. On a procédé à des tentatives pour améliorer le refroidissement de l'assemblage ou zone d'étanchéité entre les segments en aboutement, mais des problèmes ont été soulevés par chaque conception Une conception dépend de la conduction de la chaleur entre la zone d'étanchéité et les zones des bandes intérieure et extérieure qui sont frappées par l'air On a également utilisé pour refroidir la zone d'étanchéité le refroidissement par film fluide, c'est-à-dire le passage de l'air de refroidissement très près de la surface des bandes intérieure et extérieure D'autres concep- tions dépendent de la fuite de l'air au droit des joints pour obtenir le refroidissement nécessaire dans la zone d'étan- chéité La conduction de la chaleur jusqu'aux zones des bandes intérieure et extérieure qui sont frappées par l'air de refroidissement, et le refroidissement par film fluide de la zone d'étanchéité, se sont tous deux avérés inefficaces pour obtenir un refroidissement convenable de la zone d'étanchéité Alors que la fuite de l'air de refroidissement au droit des joints peut être suffisante pour assurer le refroidissement nécessaire une telle fuite d'air est répartie de façon irrégulière le long des bords latéraux en aboutement des segments de tuyère et leurs bandes intérieure et extérieure peuvent devenir très chaudes à certains endroits localisés, en particulier là o le joint est assis solidement et empêche le mouvement de l'air de refroidissement à sa hauteur. Une autre technique qu'on a suggérée pour refroidir la zone d'étanchéité entre segments entre aboutement comprend la formation de trous de convection entre la zone d'étanchéité et le côté des bandes intérieure et/ou extérieure qui sont frappées par l'air de refroidissement En fonction de la température des gaz à laquelle fonctionne le moteur à turbine à gaz, il faut un nombre relativement grand de trous de convection Le perçage d'un nombre aussi grand de trous est coûteux, et les tolérances des emplacements sont difficiles à respecter De plus, un nombre élevé de trous de convection 4 - peut affaiblir la pièce en créant des concentrations locali- sées de contraintes En outre, de tels trous de convection peuvent provoquer des discontinuités dans le revêtement formant barrière thermique qui est appliqué au côté chaud ou côté des gaz, des bandes intérieure et extérieure des segments, ce qui réduit l'efficacité du revêtement formant barrière thermique. En conséquence, la présente invention a comme objets de proposer un assemblage entre les bords en aboutement de segments dans un moteur à turbine à gaz, tels que les segments de la tuyère de la turbine, qui procédera à un refroidissement efficace de la zone d'étanchéité entre segments en aboutement, réduira les concentrations des contraintes dans la zone d'étanchéité, maintiendra l'inté- grité des revêtements formant barrière thermique appliqués aux segments et contrôlera l'écoulement de l'air de refroi- dissement dans la zone d'étanchéité. On atteint ces objets dans un assemblage pour segments en aboutement dans un moteur à turbine à gaz, tels que les segments de tuyère de la turbine, o le bord latéral tant de la bande intérieure que de la bande extérieure de chaque segment présente une alvéole, ou fente, s'étendant longitu- dinalement à partir de la face des bords et dans la direction de l'intérieur des bandes intérieure et extérieure Les fentes ménagées dans les bords latéraux des bandes intérieure et extérieure ont généralement la forme d'un U définissant des parois intérieure et extérieure connectées par une paroi latérale intérieure Dans les modes de réalisation ayant actuellement la préférence, l'une des parois intérieure et extérieure de chaque fente en forme de U présente un certain nombre de canaux ou rainures qui s'étendent entre la paroi latérale intérieure et la face du bord latéral des bandes intérieure et extérieure. Un élément d'étanchéité s'étend entre les fentes en forme de U dans les bords latéraux en aboutement de deux segments contigus de sorte que cet élément recouvre les rainues ménagées dans la paroi intérieure ou extérieure de la fente en forme de U dans chaque segment Un trajet pour l'écoulement de l'air se trouve ainsi formé dans la zone d'étanchéité des segments en aboutement, o l'air de refroi- dissement peut circuler sur un côté de l'élément d'étan- chéité, pour entrer dans chaque fente en forme de U des bandes intérieure et extérieure en aboutement des segments, contourner les bords de l'élément d'étanchéité et entrer alors dans les canaux ou rainures ménagées dans la paroi intérieure ou extérieure de la fente en forme de U au côté opposé de l'élément d'étanchéité. La présente invention est par concéquent basée sur le concept de la création d'une "fuite" contrôlée d'air de refroidissement autour des éléments d'étanchéité qui sont placés entre les bords latéraux en aboutement de segments adjacents dans la turbine du moteur à turbine à gaz L'air de refroidissement va d'un côté de l'élément d'étanchéité à l'autre en étant contrôlé, c'est-à-dire que l'écoulement de l'air de refroidissement est dirigé dans un certain nombre de rainures espacées longitudinalement les unes des autres dans les alvéoles ou poches en forme de U aux bords latéraux en aboutement des segments de façon à être réparti régulièrement sur l'étendue longitudinale des bords latéraux des segments. Cela a pour effet de refroidir effectivement et uniformément toute la zone du joint à approximativement la même tempéra- ture que les autres parties des bandes intérieure et extérieure des segments et des aubages directeurs montés entre eux. Un avantage de la construction de la présente inven- tion est que les trous de convection pour le refroidissement de la zone du joint peuvent être réduits, voire éliminés, par les rainures ménagées dans la paroi intérieure ou extérieure des fentes en forme de U des bandes intérieure et extérieure. De tels trous de convection, qui s'étendent entre le côté des 6 - bandes intérieure et extérieure frappé par l'air de refroi- dissement et la zone du joint, peuvent être difficiles à placer correctement et peuvent créer des concentrations de contraintes dans la pièce, en particulier dans le cas o il faut un grand nombre de trous de convection L'élimination ou la réduction sensible de ces trous de convection réduit aussi les discontinuités dans le revêtement formant barrière thermique qui est appliqué au côté chaud ou côté des gaz, des bandes intérieure et extérieure des segments. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: figure 1, une vue schématique en perspective de deux segments en aboutement de tuyère dans un moteur à turbine à gaz employant le joint de bord latéral de la présente invention; figure 2, une vue en coupe des segments en aboutement prise le long de la ligne 2-2 de la figure 1; figure 3, une vue prise le long de la ligne 3-3 de la figure 2, représentant l'élément d'étanchéité en position au- dessus des rainures ménagées dans les fentes en forme de U des bords latéraux de chaque segment; figure 4, une vue partielle en perspective d'une partie du bord latéral d'une bande d'un segment de turbine. Dans les figures on a représenté un premier segment 10 de tuyère de turbine et une partie d'un second segment 12 de turbine en aboutement l'un avec l'autre, formant une portion d'un étage de segments de turbine essentiellement continu, s'étendant circonférentiellement, à l'intérieur de la turbine d'un moteur à turbine à gaz Aux fins de la présente invention, on ne discutera en détail que de la construction du segment 10, étant entendu que l'autre segment 12, et tous les autres segments de la tuyère de la turbine sont identiques au point de vue structure et fonctionnement. Le segment 10 comprend une bande intérieure 14, une bande extérieure 16 et une paire d'aubes de guidage 18, 20 montées entre les bandes intérieure et extérieure 14, 16 La bande intérieure 14 du segment 10 présente des bords latéraux opposés 22, 24, ayant chacun une face 26 D'une façon similaire, la bande extérieure 16 du segment 10 présente des bords latéraux opposés 27, 28 ayant chacun une face 29 Après montage, les bords latéraux 22, 24 de la bande intérieure 14 et les bords latéraux 27, 28 de la bande extérieure 16 butent contre la même structure des segments adjacents de la tuyère, tel que le segment 12, pour former un étage essentiellement continu, s'étendant circonférentiellement, de segments dans la turbine d'un moteur à turbine à gaz. Les bords latéraux, 22, 24 de la bande intérieure 14 et les bords latéraux 27, 28 de la bande extérieure 16 présentent chacun une alvéole ou fente 30 s'étendant longi- tudinalement Aux fins de la présente discussion, la fente 30 ménagée dans les bords 27, 28 de la bande extérieure 16 des segments 10, 12 sera décrite en détail, étant entendu que la fente 30 pratiquée dans la bande intérieure 14 sera identique en matière de structure et de fonction. En figures 2 et 3, on a représenté l'assemblage des bandes extérieures 16 des segments 10 et 11, dans lesquelles le bord latéral 28 de la bande extérieure 16 du segment 10 est en aboutement avec le bord latéral 27 de la bande extérieure 16 du segment 12 L'interstice entre les bandes extérieures 16 en aboutement est représenté de façon exagérée en figures 2 et 3 La fente 30 ménagée dans les bords latéraux 27, 28 de chaque bande extérieure 16 a sensiblement la forme d'un U et s'étend à partir de la face 29 des bords 27, 28 dans la direction de l'intérieur de chaque bande extérieure 16 Chaque fente 30 forme une paroi intérieure 32, une paroi extérieure 34 et une paroi latérale intérieure 36 en forme d'arc qui s'étend entre les deux précédentes Dans le mode de réalisation ayant actuellement la préférence, un certain nombre de canaux ou rainures 38, espacés longitudina- lement les uns des autres, sont ménagés dans la paroi intérieure 32 sur la longueur de la fente 30, qui s'étendent sur une partie de la paroi latérale intérieure 36 jusqu'à la face 29 du bord 27 ou 28 des bandes extérieures 16. Un élément d'étanchéité 40, présentant une surface intérieure 42, une surface extérieure 44 et des cotés opposés 46, 48 recouvre l'interstice séparant les segments adjacents , 12 et s'étend à l'intérieur des fentes longitudinales 30 formées dans les bords latéraux en aboutement 27 et 28 de leurs bandes extérieures 16 Dans cette position, la surface intérieure 42 de l'élément d'étanchéité 40 est située au- dessus de la paroi intérieure 32 des fentes 30 et recouvre les rainures 38 formées le long de cette paroi intérieure De préférence, l'élément 40 s'étend à partir de la face 29 de chaque bord latéral 27, 28 des bandes extérieures 16 en aboutement, dans la direction de la paroi latérale intérieure 36, mais sans être en contact avec celle-ci. Le but de l'assemblage de la présente invention entre les segments de tuyère 10, 12 en aboutement est de permettre la circulation de l'air de refroidissement dans la "zone à joint" les séparant, c'est-à-dire la zone des bords latéraux 22, 24 en aboutement des bandes intérieures 14 et des bords latéraux 27, 28 des bandes extérieures 16 Un trajet pour l'écoulement de l'air de refroidissement est créé par l'élément d'étanchéité 40 et la configuration des fentes 30, ce qui permet de refroidir effectivement la zone du joint. Plus spécialement, l'air de refroidissement est dirigé sur la surface extérieure 44 de l'élément d'étanchéité 40 et s'écoule le long de celleci pour entrer dans les fentes 30 de chaque segment de tuyère 10 et 12 Cet air de refroidis- sement s'écoule alors sur les bords 46, 48 de l'élément 40, le long de la paroi latérale intérieure 36 des fentes 30 et entre dans les canaux ou rainures 38 pratiqués dans la paroi intérieure 32 de la fente 30 jusqu'au côté intérieur, opposé, 42 de l'élément d'étanchéité 40 Les rainures 38 sont espacées longitudinalement les unes des autres sur la paroi 9 intérieure 32 de la fente 30 pour assurer que toute l'étendue longitudinale des bords latéraux 22, 24 des bandes inté- rieures 14 et des bords latéraux 27, 28 des bandes exté- rieures 16 reçoit l'air de refroidissement Cela permet de refroidir efficacement la zone d'étanchéité entre les seg- ments 10, 12 et assure que le refroidissement des bandes intérieure et extérieure 14, 16 des segments 10,12 est réparti uniformément sur toute leur surface. Alors qu'on a décrit la présente invention en liaison avec un mode de réalisation préféré, le technicien remarquera qu'on peut lui apporter divers changements et qu'on peut substituer des équivalents à certains de ses éléments sans s'éloigner de son domaine De plus, de nombreuses modifica- tions peuvent être apportées afin d'adapter une situation ou un matériau particuliers aux enseignements de l'invention sans s'écarter de son domaine essentiel Par exemple, on a représenté l'assemblage décrit dans la présente invention comme créant un assemblage ou joint à autorefroidissement entre des segments de tuyère de turbine en aboutement dans la turbine d'un moteur à turbine à gaz Cependant, on remarquera que le présent assemblage à auto-refroidissement pourrait être également utilisé dans d'autres zones du moteur à turbine à gaz telles que les plates-formes des aubes du stator et l'anneau de renforcement dans le compresseur, les bardeaux de la chambre de combustion et les autres éléments segmentés du moteur à turbine à gaz dans lesquels il est souhaitable de procéder au refroidissement des surfaces en aboutement de segments adjacents. - REVENDICATIONS 1 Assemblage entre les bords latéraux ( 22,24; 27, 28) en aboutement de segments ( 10, 12) s'étendant circonfé- rentiellement dans un moteur à turbine à gaz, chaque segment présentant une paire de bords latéraux opposés qui butent contre les bords latéraux de segments adjacents, caractérisé en ce qu'il comprend: une première fente ( 30) ménagée dans un bord latéral d'un premier segment, la première fente s'étendant à partir de la face ( 29) du bord latéral du premier segment vers son bord latéral opposé, la première fente définissant une paroi intérieure ( 32), une paroi extérieure ( 34) et une paroi latérale intérieure ( 36) s'étendant entre les parois inté- rieure et extérieure, l'une des parois intérieure et exté- rieure présentant des rainures ( 38) s'étendant chacune au moins en partie entre la paroi latérale intérieure de la première fente et la face du bord latéral du premier seg- ment; une seconde fente ( 30) formée dans un bord latéral d'un second segment, la seconde fente s'étendant à partir de la face de ce bord latéral du second segment vers son bord latéral opposé, la seconde fente définissant une paroi intérieure, une paroi extérieure, et une paroi latérale intérieure s'étendant entre les parois intérieure et exté- rieure, l'une des parois intérieure et extérieure présentant des rainures s'étendant chacune au moins en partie entre la paroi latérale intérieure de la seconde fente et la face du bord latéral du second segment, un élément d'étanchéité ( 40) s'étendant entre la première fente du premier segment ( 10) et la second fente du second segment ( 12), l'élément d'étanchéité ayant un premier côté ( 42) surplombant les rainures ( 38) ménagées dans chacun des premier et second segments et un second côté ( 44) opposé aux rainures, d'o il résulte qu'un trajet d'écoulement d'air se trouve formé entre les bords latéraux en aboutement des il - premier et second segments dans lequel un écoulement d'air de refroidissement est tout d'abord dirigé sur le second côté ( 44) de l'élément d'étanchéité ( 40) entre dans la première fente ( 30) ménagée dans le premier segment ( 10) et la seconde fente ( 30) pratiquée dans le second segment ( 12) et ensuite traverse les rainures ( 38) des première et seconde fentes jusqu'au premier côté ( 42) de l'élément d'étanchéité. 2 Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second segments ( 10, 12) sont des segments de tuyère dans la turbine d'un moteur à turbine à gaz. 3 Assemblage selon la revendication 1, caractérisée en ce que les rainures ( 38) sont ménagées dans la paroi intérieure ( 32) des première et seconde fentes ( 30). 4 Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi latérale intérieure ( 36) des première et seconde fentes a la forme d'un arc entre ses parois intérieure ( 32) et extérieure ( 34). Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rainures s'étendent au moins en partie le long de la paroi latérale intérieure des première et seconde fentes. 6 Assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les rainures s'étendent sur toute la largeur de la paroi intérieure des première et seconde fentes entre la paroi latérale intérieure et la face du bord latéral des premier et second segments. 7 Segment ( 10; 12) de tuyère de turbine pour moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il comprend: une bande intérieure ( 14) présentant des bords laté- raux opposés ( 22, 24), une surface intérieure et une surface extérieure, une bande extérieure ( 16) présentant des bords laté- raux opposés ( 27, 28), une surface intérieure et une surface extérieure, au moins un aubage directeur ( 18; 20) monté entre la 12 - surface extérieure de la bande intérieure et la surface intérieure de la bande extérieure, chacun des bords latéraux des bandes intérieure et extérieure présentant une fente ( 30) s'étendant longitudina- lement et définissant une paroi intérieure ( 32), une paroi extérieure ( 34) et une paroi latérale intérieure ( 36) s'étendant entre les deux précédentes, l'une des parois intérieure et extérieure de la fente comportant des rainures ( 38) espacées longitudinalement les unes des autres afin de permettre le passage de l'air de refroidissement. 8 Segment selon la revendication 7, caractérisé en ce que le bord latéral de chaque bande intérieure et extérieure comporte une face ( 26; 29), les rainures s'étendant au moins en partie entre la paroi latérale intérieure des fentes et la face des bords latéraux des bandes intérieure et extérieure. 9 Segment selon la revendication 8, caractérisé en ce que les rainures ( 38) sont ménagées dans une partie de la paroi latérale intérieure des fentes dans chacune des bandes intérieure et extérieure, les rainures s'étendant entre la paroi latérale intérieure des fentes et la face des bords latéraux de chacune des bandes intérieure et extérieure. Segment selon la revendication 7, caractérisé en ce que la paroi latérale intérieure ( 36) de chaque fente ( 30) a la forme d'un arc entre ses parois intérieure ( 32) et extérieure ( 34). 11 Procédé pour le refroidissement des bords latéraux ( 22, 24; 27, 28) en aboutement de segments ( 10; 12) s'étendant circonférentiellement dans un moteur à turbine à gaz, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à diriger de l'air de refroidissement sur un premier côté ( 42) d'un élément d'étanchéité ( 40) porté à l'intérieur d'une fente s'étendant longitudinalement ( 30) ménagée dans le bord latéral d'un premier segment ( 10) et à l'intérieur d'une fente ( 30) s'étendant longitudinalement pratiquée dans le 13 - bord latéral d'un second segment ( 12), en aboutement; diriger l'air de refroidissement à partir du premier côté de l'élément d'étanchéité jusque dans l'intérieur de chacune des fentes s'étendant longitudinalement, diriger l'air de refroidissement jusque dans des rainures ( 38) ménagées dans chacun des premier et second segments à l'intérieur des fentes s'étendant longitudinale- ment, le second côté ( 44), ou côté opposé, de l'élément d'étanchéité recouvrant les rainures pratiquées dans les fentes de façon que l'air de refroidissement s'écoule à partir du premier côté de l'élément d'étanchéité pour entrer dans les rainures et ensuite jusqu'au second côté, ou côté opposé, de cet élément.