Brevet FR3120894A1 — publié le 20220923

Les anneaux mobiles (23) d’un rotor, montés autour des disques (18) porteurs des aubes mobiles entre leurs brides (7, 37) de jonction, finissent autour des boulons d’attache (8) des disques, et sont retenus par des imbrications de reliefs complémentaires entre une nervure (24) plane par ailleurs et des faces d’extrémités en regard (22) des brides. La structure est allégée, le montage simplifié, et les concentrations de contrainte réduites. Figure pour l’abrégé : Figure 4. ROTOR DE TURBOMACHINE, COMPRENANT UN ANNEAU DE JOINT A LABYRINTHE MONTE SUR DES VIROLES DE DISQUE L’invention présente se rapporte à un rotor de turbomachine comprenant un anneau de joint à labyrinthe monté sur des viroles de disque. On recourra à la pour définir les éléments de structure dont il est question ici et pour exposer une conception de l’art connu. Un rotor 1 de turbomachine (représenté partiellement à l’endroit d’une turbine basse pression de la turbomachine) tourne autour d’un axe XX. Il est composé de disques 2 qui se succèdent le long de l’axe XX et dont chacun porte une rangée circulaire d’aubes mobiles 3. Ces rangées composent des étages d’aubes avec des rangées d’aubes fixes 4 de redressement de l’écoulement qui alternent avec elles dans une veine 5 annulaire d’écoulement des gaz. Les disques 2 sont munis de viroles 6 annulaires et en général tronconiques qui s’étendent vers l’amont et vers l’aval de l’écoulement des gaz, et qui comportent des festons 7, composant des brides d’attache des disques 2 à leurs voisins, à leurs extrémités. Les festons 7 sont des excroissances dirigées radialement (perpendiculairement à l’axe XX) vers l’intérieur, réparties sur le pourtour des viroles 6 dans un même plan perpendiculaire à l’axe XX. Les viroles 6 de disques 2 voisins ont des extrémités adjacentes dont les festons 7 sont situés face à face. Des boulons 8 sont installés dans des perçages 9 en prolongement de paires de ces festons 7 se faisant face et permettent de fixer les disques 2 à leurs voisins. Les viroles 6 composent alors une surface de révolution de section irrégulière qui sépare la veine 5 d’une cavité centrale 10 du rotor 1. Des anneaux mobiles 11 complètent la structure du rotor 1. Ils comprennent une nervure 12 plane de forme circulaire évidée, s’étendant en direction radiale entre les viroles 6 en prolongement et les festons 7 de deux disques 2 voisins, et une portion d’étanchéité 13 raccordée au pourtour extérieur de la nervure 12 et porteuse de léchettes (crêtes circulaires rigides) 14 qui composent un joint à labyrinthe avec une couronne abradable 15 située autour des bords intérieurs de la rangée en regard des aubes mobiles 4, en entaillant cette couronne abradable 15 pendant le fonctionnement de la turbomachine. Les anneaux mobiles 11 sont retenus par les boulons 8, qui traversent aussi des perçages 16 des nervures 12 qui viennent entre les perçages 9 des festons 7 et les prolongent, et par des extrémités d’appui 17 des portions d’étanchéité 13 sur des portions extérieures 35 des disques 2, porteuses des aubes mobiles 3 et pourvues de faces latérales 36 planes, sur lesquelles les extrémités d’appui 17 reposent. On peut ici distinguer deux sortes d’anneaux mobiles 11 : les anneaux mobiles « en Y », dont l’un (11a) est représenté à gauche de la et qui comprennent leur portion d’étanchéité 13 s’étendant de part et d’autre de la nervure 12, et pourvue de deux extrémités d’appui 17 opposées, en appui sur des portions extérieures de deux disques 2 voisins ; et les anneaux mobiles « en L », dont l’un (11b) est représenté à droite du précédent, qui comprennent leur portion d’étanchéité 13 s’étendant d’un seul côté de la nervure 12 et pourvue d’une seule extrémité d’appui 17. L’invention pourra être appliquée aux uns et aux autres de ces anneaux mobiles 11, qui sont soumis aux mêmes difficultés de conception et de service qu’on détaillera ci-dessous ; la préférence pour l’une ou l’autre sorte dépend surtout des formes des cavités entre disques 2 voisins à l’extérieur des viroles 6, et les deux sortes peuvent être associées dans un même rotor 1, comme la le montre. La complète la représentation, et illustre que les festons 7 ont une extension angulaire réduite autour du rotor 1, justifiée par la nécessité d’alléger la structure puisque les festons 7 servent seulement au boulonnage. Un inconvénient de telles structures de rotors 1 est pourtant que les nervures 12 de bridage boulonné sont elles-mêmes de pièces relativement pesantes. Un autre inconvénient est que les extrémités d’appui 17, nécessaires pour maintenir convenablement les portions d’étanchéité 13 en service, sont responsables de contraintes mécaniques dans les anneaux d’étanchéité 11, produites principalement par des forces de compression en direction axiale (F à la ) et qui sont aussi transmises aux viroles 6 puisque les festons 7 s’appuient sur les nervures 12. On observe que des contraintes mécaniques élevées se concentrent notamment aux festons 7, qui sont des pièces dont la forme et le dimensionnement peuvent être critiques pour la bonne tenue du rotor 1 en service. Les forces centrifuges H produites par les anneaux mobiles 11 pèsent aussi sur les boulons 8 et les festons 7. Un objet principal de l’invention est ainsi un dispositif amélioré d’anneaux mobiles et des pièces voisines d’un rotor de turbomachine, permettant à la fois un allégement de la structure du dispositif et une réduction des contraintes locales. Un objet subordonné au précédent mais néanmoins important est de garantir un bon refroidissement par ventilation de ce dispositif par un courant de gaz frais. Dans une définition générale, l’invention concerne un rotor de turbomachine s’étendant le long d’un axe et radialement en direction perpendiculaire à l’axe, comprenant des disques porteurs de rangées circulaires d’aubes mobiles, les disques se succédant en direction de l’axe et comprenant, à des extrémités en direction de l’axe, des brides de liaison des disques qui sont unies par paires par des boulons traversant les brides ; le rotor comprenant encore en outre au moins un anneau mobile s’étendant entre deux des rangées d’aubes mobiles dans la direction de l’axe, autour d’une des paires des brides, et qui est retenu radialement entre les brides de ladite paire de brides ; l’anneau mobile comprenant une nervure s’étendant radialement ; caractérisé en ce que les brides de la paire sont jointives à des faces de contact traversées par les boulons, la nervure a une extrémité radialement intérieure disposée radialement à l’extérieur des boulons par rapport à l’axe, et qui comporte un bourrelet qui pénètre dans un creux formé entre lesdites brides. Cette disposition peut évidemment être répétée pour une pluralité de paires de brides échelonnées le long de la turbomachine. L’anneau mobile ou les anneaux mobiles ne sont donc plus retenus directement par les boulons de liaison des disques du rotor, mais par des imbrications de reliefs établis sur les brides des disques et les nervures des anneaux. Les nervures deviennent plus courtes puisque leur bord d’extrémité intérieure est à un plus grand rayon que les jonctions boulonnées, ce qui procure l’allégement souhaité. Et la simplification des jonctions boulonnées, combinée à l’appui direct des brides voisines l’une sur l’autre, mène à une réduction des contraintes à ces endroits, puisque les boulons s’étendent seulement à travers les brides des disques sans s’étendre à travers les nervures. Dans les constructions usuelles, le bourrelet est circulaire et concentrique à l’axe, et le creux est aussi circulaire et concentrique à l’axe. D’après une réalisation préférée apte à procurer un montage plus facile et moins contraint des anneaux mobiles, le creux et le bourrelet de la nervure et des brides ont des faces radialement extérieures orientées obliquement, et convergentes en sens radial extérieur. On peut encore prévoir, pour renforcer cet avantage, que le bourrelet soit symétrique sur la nervure en direction de l’axe, et le creux dans lequel ledit bourrelet symétrique est logé soit aussi symétrique en direction de l’axe. Un autre perfectionnement optionnel consiste en ce que le bourrelet et le creux ont des reliefs d’arrêt de la nervure en direction de rotation autour de l’axe, afin de supprimer les risques de glissement de l’anneau mobile par rapport aux disques dans la direction angulaire du rotor. Deux constructions principales sont envisagées pour procurer un refroidissement par ventilation aux anneaux mobiles conformes à l’invention. Dans la première, les brides sont entaillées de canaux de refroidissement reliant les creux d’une part à une cavité centrale refroidie du rotor, d’autre part à un volume radialement extérieur aux disques ; dans la deuxième, les disques et la nervure de l’anneau mobile sont munis de canaux de refroidissement qui se succèdent en direction de l’axe, et en étant situés radialement entre des portions des disques joignant les brides à des portions de support des aubes mobiles, et entre des bras de l’anneau mobile qui sont des portions radialement extérieures de l’anneau mobile porteuses de dispositifs d’étanchéité avec des aubes fixes de la turbomachine. L’invention sera maintenant décrite plus complètement dans ses différents aspects, caractéristiques et avantages au moyen des figures suivantes, annexées à titre purement illustratif, relatives en particulier à des modes de réalisation préférés de celle-ci : : une vue partielle d’un rotor de turbomachine existant, en coupe méridienne, illustrant deux genres différents d’anneaux mobiles ; : représentation en perspective d’une jonction entre les disques et un anneau mobile ; : schéma explicatif des causes de concentrations de contrainte ; : une réalisation de l’invention, en coupe méridienne ; : représentation d’un dispositif d’arrêt en rotation ; : un premier dispositif de ventilation ; : un détail de la réalisation de la ; : un deuxième dispositif de ventilation ; : un détail de la réalisation de la . On passe à la description de la , en gardant à l’esprit que les parties de la construction connue décrite plus haut qui ne sont pas affectées par l’invention ne seront pas toujours décrites à nouveau et pourront être référencées par les mêmes numéros. Le rotor modifié d’après l’invention est référencé par 39. Les disques 18 diffèrent des précédents par leurs viroles 19, désormais pourvues de bords radialement extérieurs 20 à pente variable, cylindriques à leur extrémité 21 autour des festons 7. Les festons 7 de paires de disques 18 voisins forment comme précédemment, avec des portions environnantes 37 des viroles 19, radialement plus à l’extérieur, des paires de brides d’attache des disques 18 entre eux. Ils sont maintenant joints directement les uns aux autres à des faces planes 22 en regard, qui s’étendent autour des perçages 9, et leur liaison est maintenue par le serrage de boulons 8 analogues aux précédents. Les anneaux mobiles 23, qui peuvent être en forme de L ou de Y comme dans les exemples connus, se distinguent en ce qu’ils sont pourvus de nervures 24 dont l’extension radiale vers l’axe XX est moindre que précédemment, puisqu’elles s’arrêtent à l’extérieur des cercles des festons 7 et des assemblages boulonnés ; leur extrémité radialement intérieure est épaissie et porte des bourrelets 25 en direction axiale, qui pénètrent dans des creux 26 de forme correspondante établis dans les faces d’extrémité axiale des viroles 19 terminant les portions environnantes 37. La conformation des bords extérieurs 20 des viroles 19 procure à ces faces d’extrémité axiale une largeur suffisante pour y opérer les creux 26. Les bourrelets 25 sont avantageusement semblables et symétriques des deux côtés (en direction de l’axe XX) de la nervure 24, et les creux 26 établis sur les parties de bridage des viroles 19 sont aussi semblables et symétriques. L’imbrication des bourrelets 25 dans les creux 26 retient les anneaux mobiles 23 en place pendant la rotation du rotor 39 malgré les forces centrifuges, même si les boulons 8 ne participent plus à leur fixation. On voit que les nervures 24 sont beaucoup moins volumineuses que les nervures 12, et que la jonction directe des viroles 19 par des appuis des festons 7 les uns sur les autres, sans intercaler des nervures d’anneaux mobiles, simplifie avantageusement les liaisons boulonnées. La séparation entre celles-ci et les lieux de fixation des anneaux mobiles 23 (les bourrelets 25 et les creux 26) diminue aussi les concentrations de contrainte. La illustre que des pions 27 ou d’autres irrégularités de relief peuvent s’ajouter aux bourrelets 25 et pénétrer dans des creux associés 38 des viroles 19. Alors que les bourrelets 25 et les creux 26 peuvent avoir des sections régulières sur le pourtour du rotor 39, les pions 27 et leurs creux associés 38 ont une extension angulaire limitée et s’opposent ainsi aux glissements éventuels des anneaux mobiles 23 dans la direction angulaire du rotor 39. La représente un trajet de gaz frais de ventilation des anneaux mobiles 23 et des pièces avoisinantes : des premiers canaux 28 sont percés de la cavité centrale 10 (qui est très souvent alimentée en gaz frais soutiré d’un des compresseurs) aux creux 26 dans un des festons 7, et des deuxième canaux 29 sont percés des creux 26 à une cavité extérieure 30, comprise entre les viroles 19 et les portions d’étanchéité 13 des anneaux mobiles 23, à travers la portion extérieure des viroles 19. Le gaz peut s’écouler vers la veine 5 par des jeux 31 traversant les portions extérieures 35 des disques 18. Les premiers et les deuxièmes canaux 28 et 29 peuvent être placés à des intervalles angulaires quelconques autour du rotor 39, et traverser les jonctions des viroles 19 à divers emplacements. La illustre mieux le deuxième canal 29 ; elle représente aussi bien les sections qu’on peut attribuer aux bourrelets 25 et aux creux 26, avec notamment une queue d’aronde pour les bourrelets 25, des faces radialement extérieures 33 planes, dirigées obliquement en convergeant vers l’extérieur en formant un angle, pour les bourrelets 25, et des faces radialement extérieures 34, elles aussi dirigées obliquement en convergeant vers l’extérieur en formant un angle, semblable au précédent, pour les creux 26. Une autre réalisation possible de dispositif de ventilation est décrite aux figures 8 et 9. La circulation du gaz de ventilation s’effectue hors de la cavité centrale 10, et radialement entre les viroles 19 et les portions d’étanchéité 13, c’est-à-dire en parcourant les cavités extérieures 30 des anneaux mobiles 23 successifs, à travers alternativement les jeux 31 et des perçages 32 opérés dans les nervures 24. Les autres détails indiqués dans la réalisation des figures 6 et 7 sont inchangés. L’invention a été décrite ici sur la turbine basse pression d’une turbomachine, mais son application n’est pas exclue ailleurs. Rotor (39) de turbomachine s’étendant le long d’un axe (XX) et radialement en direction perpendiculaire à l’axe, comprenant des disques (2) porteurs de rangées circulaires d’aubes mobiles (3), les disques se succédant en direction de l’axe et comprenant, à des extrémités en direction de l’axe, des brides (7, 37) de liaison des disques (2) qui sont unies par paires par des boulons (8) traversant les brides ; le rotor comprenant en outre au moins un anneau mobile (23) s’étendant entre deux des rangées d’aubes mobiles (3) dans la direction de l’axe, autour d’une des paires des brides, et qui est retenu radialement entre les brides de ladite paire de brides ; l’anneau mobile comprenant une nervure (24) s’étendant radialement ; caractérisé en ce que les brides de la paire sont jointives à des faces de contact (22) traversées par les boulons (8), la nervure a une extrémité radialement intérieure disposée radialement à l’extérieur des boulons par rapport à l’axe, et qui comporte un bourrelet (25) qui pénètre dans un creux (26) formé entre les brides (7,37). Rotor de turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bourrelet (25) est circulaire et concentrique à l’axe (XX), et le creux (26) est aussi circulaire et concentrique à l’axe. Rotor de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le creux et le bourrelet ont des faces radialement extérieures (33, 34) orientées obliquement, et convergentes en sens radial extérieur. Rotor de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le bourrelet et le creux ont des reliefs d’arrêt (27, 37) de la nervure (24) en direction de rotation autour de l’axe. Rotor de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le bourrelet (25) est symétrique sur la nervure en direction de l’axe, et le creux (26) dans lequel ledit bourrelet symétrique est logé est aussi symétrique en direction de l’axe. Rotor de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les brides sont entaillées de canaux de ventilation (28, 29) reliant le creux d’une part à une cavité centrale (10) refroidie du rotor, d’autre part à un volume (30) radialement extérieur aux disques. Rotor de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les disques et la nervure de l’anneau mobile sont munis de canaux de ventilation (31, 32) qui se succèdent en direction de l’axe, et en étant situés radialement entre des viroles (19) des disques, joignant les brides à des portions de support (35) des aubes mobiles, et des portions d’étanchéité (13) radialement extérieures de l’anneau mobile, porteuses de dispositifs d’étanchéité (14) avec des aubes fixes (4) de la turbomachine.