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CA 02504171 2005-04-22
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Titre de l'invention
Ensemble à anneau fixe d'une turbine à gaz.
Arrière-aalan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général des
ensembles à anneau fixe d'une turbine à gaz. Elle vise plus
particulièrement des ensembles à anneau fixe d'une turbine haute-
pression de turbomachine constitués d'une pluralité de segments réunis
bout à bout avec interposition de languettes d'étanchéité.
Dans une turbine à gaz, par exemple une turbine haute-pression
de turbomachine, les aubes mobiles formant rotor sont entourées par un
ensemble à anneau fixe formant enveloppe. L'ensemble à anneau fixe
définit ainsi l'une des parois de la veine d'écoulement des gaz chauds
provenant de la chambre de combustion de la turbomachine et traversant
la turbine.
L'ensemble à anneau fixe se compose d'un anneau de turbine
fixé sur le carter de la turbine par l'intermédiaire d'une entretoise.
Généralement, l'anneau et l'entretoise d'un tel ensemble à anneau fixe
sont sectorisés, c'est à dire qu'ils se composent chacun d'une pluralité de
segments réunis bout à bout.
L'ensemble à anneau fixe ainsi défini étant directement en
contact avec les gaz chauds issus de la chambre de combustion; il est
nécessaire de refroidir les différents segments qui le composent. A cet
effet, de l'air prélevé en fond de chambre circule dans un circuit de
refroidissement aménagé dans chaque segment de l'ensemble à anneau
fixe et est évacué dans la veine d'écoulement des gaz en amont des aubes
mobiles de la turbine.
II est par ailleurs nécessaire d'assurer une étanchéité entre les
segments adjacents de l'ensemble à anneau fixe afin d'éviter des fuites
d'air particulièrement préjudiciables au bon refroidïssement de ces
segments. Dans ce but, il est connu d'interposer des languettes
d'étanchéité entre les segments voisins. De telles languettes sont
généralement logées dans des fentes axiales et radiales pratiquées en vis-
à-vis dans les faces latérales adjacentes des segments. Elles permettent
ainsi d'obstruer le jeu existant entre deux segments adjacents afin de
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limiter les fuites d'air quelle que soit la dilation thermique subie par les
segments.
Les fentes radiales et axiales dans lesquelles sont logées les
languettes d'étanchéité sont généralement usinées de telle sorte qu'elles
sont jointives, c'est à dire qu'elles communiquent entre elles. Cet
arrangement est rendu nécessaire par le fait que les languettes
d'étanchéité doivent recouvrir une surface maximum des faces latérales
des segments afin d'obtenir une étanchéité optimale.
Dans la pratique, on constate toutefois qu'un tel arrangement
des fentes génére des fuites d'air importantes au niveau de la jonction
entre les fentes axiales et radiales. Ces fuites sont illustrées sur la figure
5.
Sur cette figure, on a représenté partiellement deux segments 100, 100'
de l'ensemble à anneau fixe munis chacun d'une fente axiale 102, 102' et
d'une fente radiale 104, 104'. Des languettes d'étanchéité 106, 108 sont
logées respectivement dans les fentes axiales et radiales. Le jeu 110
existant entre les languettes et les fentes provient du fait que, comme les
segments sont exposés aux gaz chauds issus de la chambre de
combustion, ils subissent des dilatations et contractions thermiques qui se
répercutent au niveau du jeu 112 existant entre les deux segments
adjacents.
Du fait de la répartition de pression dans le circuit de
refroidissement des segments 100, 100', des fuites d'air apparaissent au
niveau de la jonction des fentes axiales 102, 102' et radiales 104, 104'
(ces fuites sont représentées en traits hachurés sur la figure), De telles
fuites sont particulièrement pénalisantes pour le refroidissement des
segments et pour le rendement de la turbine.
Ob~iet et résumé de I invention
t_a présente invention vise donc à pallier de tels inconvénients
en proposant un ensemble à anneau fixe de turbine à gaz dont les
segments qui le constitue présentent une géométrie particulière des fentes
et des languettes d'étanchéité permettant de réduire les fuites entre deux
segments adjacents.
A cet effet, il est prévu un ensemble à anneau fixe formant
enveloppe de rotor d'une turbine à gaz, l'ensemble à anneau fixe
comportant une pluralité de segments dont des faces latérales adjacentes
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sont mises bout à bout avec interposition de moyens d'étanchéité, les
moyens d'étanchéité comportant au moins une languette d'étanchéité
axiale et au moins une languette d'étanchéité radiale logées
respectivement dans au moins une fente axiale et au moins une fente
radiale pratiquées en vis-à-vis dans les faces latérales adjacentes des
segments, la fente radiale débouchant au moins à l'une de ses extrémités
dans la fente axiale, caractérisé en ce que la fente axiale des faces
latérales de chaque segment présente une profondeur supérieure à celle
de la fente radiale et en ce que la languette d'étanchéité axiale présente
une largeur supérieure à celle de la languette radiale.
La languette d'étanchéité axïale logée dans une fente plus
profonde permet de recouvrir les sections de fuite observées dans l'art
antérieur. De la sorte, il est possible de diminuer les fuites d'air entre
deux
segments adjacents ce qui permet d'améliorer leur refroidissement. A
refroidissement identique, il est par ailleurs possible de diminuer le débit
d'air nécessaire au refroidissement, et donc d'augmenter le rendement de
ia turbine.
Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que cette
suppression de ces fuites d'air s'effectue sans l'ajout de pièces annexes
(de type cornières) préjudiciables à la masse de l'ensemble, ne nécessite
pas de modifications importantes des fentes et des languettes d'étanchéité
et n'implique pas de problèmes de maintenance.
L'ensemble à anneau fixe peut constituer un anneau de turbine
haute-pression d'une turbomachine. Dans ce cas, chaque segment
d'anneau peut comporter, au niveau de ses faces latérales, deux fentes
axiales disposées du côté de parois interne et externe et dans lesquelles
sont logées des languettes axiales, et deux fentes radiales disposées du
côté de parois amont et aval et dans lesquelles sont logées des languettes
radiales.
L'ensemble à anneau fixe peut également constituer une
entretoise sur lequel est fixé l'anneau de turbine haute-pression de la
turbomachine. Dans ce cas, chaque segment d'entretoise peut comporter,
au niveau de ses faces latérales, une fente axiale dans laquelle est logée
une languette axiale, et au moins trois fentes radiales dont deux sont
logées du côté de ses parois amont et aval et dans lesquelles sont logées
des languettes radiales.
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La présente invention vise également un segment pour
ensemble à anneau fixe de turbine à gaz tel que défini précédemment.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins
annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout
caractère limitatif. Sur les figures
- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un ensemble
à anneau fixe de turbine haute-pression de turbomachine selon
l'invention ;
- la figure 2 représente- en perspective un segment d'entretoise
de l'ensemble à anneau fixe de la figure 1 ;
- la figure 3 illustre en perspective et partiellement en écorché
deux segments d'entretoise de la figure 2 réunis bout à bout ;
- ia figure 4 est une vue en coupe selon IV-IV de la figure 3 ; et
- la figure 5, décrite précédemment, illustre les problèmes de
fuites rencontrés dans un ensemble à anneau fixe de l'art antérieur.
Description détaillée d'un mode de réalisation
En liaison avec la figure 1, une turbine haute-pression de
turbomachine 2, d'axe longitudinal X-X, se compose notamment d'une
pluralité d'aubes mobiles 4 formant rotor et disposées dans la veine
annulaire 6 d'écoulement de gaz chauds issus de la chambre de
combustion (non représentée). Une pluralité d'aubes fixes 8 formant
distributeur haute-pression sont également disposées dans la veine
d'écoulement 6, en amont des aubes mobiles 4 par rapport à la direction
d'écoulement 10 des gaz.
Les aubes mobiles 4 sont entourées par un ensemble à anneau
fixe 12 formant enveloppe. Cet ensemble à anneau fixé se compose d'un
anneau de turbine fixé sur un carter 14 de la turbine par l'intermédiaire
d'une pluralité de segments d'entretoise 18. Plus particulièrement,
l'anneau de turbine se compose d'une pluralité de segments d'anneau 16
réunis bout à bout. A titre d'exemple, il peut y avoir deux segments
d'anneau 16 montés sur un seul segment d'entretoise 18.
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L'ensemble à anneau fixe 12 ainsi défini comporte un circuit de
circulation d'air permettant de refroidir les segments d'anneau 16 et
d'entretoise 18 qui sont exposés aux gaz chauds issus de la chambre de
combustion.
5 Pour ce faire, l'ensemble à anneau fixe 12 est muni d'un circuit
de refroidissement. Un trou 20 est percé dans la paroi radiale amont 22a
de chaque segment d'entretoise 18 et débouche dans une cavité 24
formée entre le carter 14 et le segment d'entretoise 18. L'air distribué
dans cette cavité 24 provient d'un prélèvement réalisé en fond de
chambre et alimente ensuite un circuit de refroidissement du segment
d'entretoise 18 et du ou des segments d'anneau 16 montés sur celui-ci.
L'air est finalement évacué dans la veine d'écoulement 6 des gaz chauds,
en amont des aubes mobiles 4 de la turbine.
Par ailleurs, comme l'anneau et l'entretoise de l'ensemble à
anneau frxe 12 sont sectorisés, il convient de limiter les fuites d'air entre
deux segments 16, 18 adjacents.
A cet effet, des barrières d'étanchéité sont interposées entre
deux segments adjacents d'anneau 16 et d'entretoise 18. Ces barrières
sont constituées de languettes d'étanchéité logées dans des fentes axiales
et radiales pratiquées en vis-à-vis dans les faces latérales adjacentes des
segments 16, 18.
Par fentes axiales, on entend que ces fentes s'étendent
sensiblement axialement, c'est à dire selon l'axe longitudinal X-X de la
turbine haute-pression 2. De même, par fentes radiales, on entend que
ces fentes s'étendent sensiblement radïalement, c'est à dire selon une
direction perpendiculaire à l'axe longitudinal X-X.
Ainsi, chaque segment d'anneau 16 est muni d'au moins une
fente axiale 26 et d'au moins une fente radiale 28 pratiquées sur ses faces
latérales 30.
Sur la figure 1, les faces latérales 30 du ségment d'anneau
comportent chacune deux fentes axiales 26 et deux fentes radiales 28. Les
fentes axiales 26 sont par exemple disposées du côté des parois interne
32a et externe 32b du segment d'anneau 16. Quant aux fentes radiales
28, elles sont par exemple positionnées du côté des parois axiales amont
34a et aval 34b du segment 16.
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Une telle répartition des fentes axiales 26 et radiales 28 permet
ainsi aux languettes d'étanchéité de recouvrir une grande surface des
faces latérales 30 du segment d'anneau 16 afin d'assurer une étanchéité
optimale entre deux segments d'anneau adjacents.
Par ailleurs, il découle de cette répartition optimale que les deux
fentes radiales 28 débouchent à leurs deux extrémités dans les fentes
axiales 26. On peut aussi imaginer que les fentes radiales 28 ne
débouchent dans les fentes axiales qu'à une seule de leurs extrémités.
De même, chaque segment d'entretoise 18 est muni d'au moins
une fente axiale 36 et d'au moins une fente radiale 38 pratiquées sur ses
faces latérales 40.
Sur les figures 1 et 2; chaque face latérale 40 du segment
d'entretoise 18 comporte par exemple une fente axiale 36 et trois fentes
radiales 38 dont deux sont disposées du côté de ses parois axiales amont
22a et aval 22b.
Du fait de la nécessité de réaliser une répartition optimale des
fentes axiales 36 et radiales 38 sur toute la surtace des faces latérales 40
du segment d'entretoise 18, deux des fentes radiales 38 débouchent à
l'une de leurs extrémités dans la fente axiale 36.
Dans les fentes axiales 26, 36 et radiales 28, 38 des segments
d'anneau 16 et d'entretoise 18, sont logées des languettes d'étanchéité
qui permettent d'obstruer partiellement le jeu existant entre deux
segments adjacents afin de limiter les fuites d'air.
Or, des fuites d'air apparaissent au niveau de la jonction entre
certaines de ces fentes axiales et radiales. Notamment, des fuites se
développent pour les segments d'anneau 16, au niveau des jonctions A et
A' (figure 1) entre les deux fentes radiales 28 et la fente axiale 26
aménagée du côté de la paroi externe 32b. De même, des fuites sont
observées pour les segments d'entretoise 18, au niveau des jonctions B et
B' (figure 1) entre deux des fentes radiales 38 et la fente' axiale 36.
Pour limiter de telles fuites, il est prévu, conformément à
l'invention, que la ou les fentes axiales 26, 36 des faces latérales 30, 40
de chaque segment d'anneau 16 et d'entretoise 18 présente une
profondeur supérieure à celle de la ou des fentes radiales 28, 38 et que la
languette d'étanchéité logée dans chaque fente axiale présente une
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largeur supérieure à celle de la languette d'étanchéité logée dans chaque
fente radiale.
Par profondeur de fente, on entend la profondeur d'usinage de
la fente dans le matériau du segment concerné. Par largeur de languette,
on entend la distance de la languette comprise entre ses deux bords
latéraux par lesquels la languette est positionnée dans les fentes.
Cette caractéristique est notamment illustrée sur la figure 2 qui
représente un segment d'entretoise 18. Sur cette figure, on remarque bien
qu'au niveau de la jonction B, la fente axiale 36 présente une profondeur
P1 supérieure à la profondeur P2 de la fente radiale 38 qui débouche dans
la fente axiale 36. Bien entendu, cette caractéristique s'applique
également à la jonction B' du segment d'entretoise 18, ainsi qu'aux
jonctions A et A' du segment d'anneau 16 (figure 1).
Sur la figure 3, deux segments d'entretoise 18, 18' adjacents
réunis bout à bout sont représentés, ainsi que la jonction B entre les
fentes axiale 36 et radiale 38. Une languette d'étanchéité axiale 42 est
logée dans la fente axiale 36 et une languette d'étanchéité radiale 44 est
logée dans la fente radiale 38.
Sur les figures 3 et 4, on remarque bien que la languette
d'étanchéité axiale 42 présente une largeur L1 supérieure à la largeur L2
de la languette d'étanchéité radiale 44. Bien entendu, bien que non
illustrée, cette caractéristique portant sur la largeur des languettes
d'étanchéité s'applique également à la jonction B' du segment d'entretoise
18, ainsi qu'aux jonctions A et A' du segment d'anneau 16 (figure 1).
Ainsi, les fuites d'air au niveau des jonctions entre fentes axiales
26, 36 et radiales 28, 38 des segments d'anneau 16 et d'entretoise 18
peuvent être évitées. Notamment, concernant les segments d'entretoise
18, on remarquera que la pression de l'air alimentant leur circuit de
refroidissement est plus importante du côté des cavités 24 (figure 1) que
du côté de la veine d'écoulement 6. L'air circulant entre deux segments
18, 18' adjacents (figure 3) va alors avoir tendance à plaquer la languette
d'étanchéité axiale 42 contre les portées de la fente axiale 36 sur
lesquelles elle repose, empêchant ainsi à l'air de fuir par les fentes
radiales
38 au niveau de leur jonction avec la fente axiale. De la sorte, tout risque
de fuite est évité.
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Bien entendu, cette particularité s'applique également aux
segments d'anneau 16 pour lesquels la pression de l'air alimentant leur
circuit de refroidissement est plus importante du côté de leur paroi
externe 32b que du côté de leur paroi interne 32a (figure 1).
En se référant à la figure 4, on notera également qu'un jeu J
existe entre les languettes 42, 44 et les fentes axiales 36 et radiales 38
dans lesquelles elles sont logées. Ce jeu ) est nécessaire pour tenir
compte des dilatations et contractions thermiques que subissent les
segments d'entretoise 18, 18' adjacents (et par analogie les segments
d'anneau).
L'ensemble à anneau fixe tel que décrit constitue un élément
d'une turbine haute-pression de turbomachine. Bien entendu, la présente
invention s'applique à tout autre type d'anneau segmenté dont il est
nécessaire d'assurer une étanchéité entre les segments adjacents, comme
par exemple un distributeur haute-pression de turbomachine.
