Nottin, Claude Daniel (63 résidence de Montgermont, 77930 Saint-Sauveur sur Ecole, FR)

EP20040290819

10/18/2006

03/26/2004

Download PDF EP1469165       PDF help

Click for automatic bibliography generation

Snecma (2 boulevard du Général Martial Valin, 75015 Paris, FR)

F01D5/20

DE19531561A
FR2502242A
FR2640701A
GB1107024A
GB2106997A
3117716				Ducted rotor

PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 011, no. 368 (M-647), 2 décembre 1987 (1987-12-02) & JP 62 142805 A (TOSHIBA CORP), 26 juin 1987 (1987-06-26)

Ramey, Daniel (Ernest Gutmann - Yves Plasseraud S.A.S. 3, rue Auber, 75009 Paris, FR)

1. A gas turbine, in particular for an airplane engine, comprising a wheel mounted to rotate in a casing (14, 16) and carrying blades (10) whose tips are at a small radial distance from an inside surface of the casing, and means for reducing clearance between the tips of the blades and the inside surface of the casing, the means for reducing clearance comprising stubs (26) mounted in radially slidable manner to the tips of the blades (10), characterized in that the stubs (26) are guided in an annular groove (34) of the casing (14, 16).

2. A gas turbine according to claim 1, characterized in that the stubs (26) are made of a material that is lightweight and withstands wear and high temperatures.

3. A gas turbine according to claim 1 or claim 2, characterized in that the stubs (26) are made of ceramic.

4. A gas turbine according to any preceding claim, characterized in that the stubs (26) include radially outer portions (30) in the form of curved plates for extending along the inside surface of the casing.

5. A gas turbine according to claim 4, characterized in that the radially outer portions (30) in the form of plates of the stubs (26) include stiffening reinforcements.

6. A gas turbine according to any preceding claim, characterized in that each stub includes parallel circumferential ribs (32) forming wipers on its face facing towards the inside face of the casing.

7. A gas turbine according to any preceding claim, characterized in that the inside surface of the casing facing the stubs (26) includes a layer (18) of abradable material.

8. A gas turbine according to any preceding claim, characterized in that the stubs (26) are fitted onto the tips of the blades (10).

9. A gas turbine, in particular according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the stubs (26) are inserted at least in part in bathtubs (20) formed at the tips of the blades (10).

10. A gas turbine according to claim 9, characterized in that the stubs (26) co-operate with the walls (36) of the bathtub (20) to define cooling air flow passages which are fed by channels that open out into the bottoms of the bathtubs.

11. A gas turbine according to any preceding claim, characterized in that it includes means (20, 34, 38) for holding the stubs (26) axially and radially on the tips of the blades (10).

12. A gas turbine according to any preceding claim, characterized in that, for assembly purposes, the stubs (26) are held on the tips of the blades by adhesive or by a tie surrounding the blades.

13. A gas turbine according to any preceding claim, characterized in that the inside surface of the casing facing the stubs (26) is cylindrical, being divergent or of constant section.

L'invention concerne essentiellement des moyens de réduction de jeux entre les sommets des aubes mobiles et la surface interne du carter d'une turbine à gaz, telle notamment qu'une turbine haute pression pour un moteur d'aéronef.

Dans ce type de turbine, il est connu de fixer des talons périphériques au sommet des aubes pour limiter des jeux radiaux entre les sommets des aubes et une couche de matériau abradable portée par un anneau fixé au carter de la turbine. Ces talons peuvent comporter des nervures circonférentielles ou léchettes qui sont sensiblement au contact du matériau abradable pour assurer une étanchéité axiale entre le carter et les sommets des aubes mobiles.

Ces talons périphériques ont pour inconvénient de former une masse supplémentaire en périphérie de la roue de turbine, cette masse étant soumise à des forces centrifuges en fonctionnement et posant des problèmes de tenue mécanique et de comportement vibratoire des aubes mobiles.

La suppression de ces talons impose de réduire le jeu radial précité au montage (jeu à froid), avec un risque de contact entre les sommets des aubes et le carter en fonctionnement et un risque correspondant de détérioration de la turbine, ou de recourir à des moyens de contrôle actif de jeu, qui sont chers, lourds et difficiles à maîtriser. A défaut, le jeu radial entre les sommets des aubes et le carter peut être relativement important, ce qui se traduit par une dégradation correspondante des performances de la turbine.

En outre, ce jeu radial peut varier localement entre une valeur minimum et une valeur maximum, par suite d'une ovalisation du carter, d'une différence de hauteur des pales, d'un défaut de concentricité entre le carter et la roue de turbine, etc...

Il est également connu par le document US-A-3 117 716 et l'abrégé du document JP-A-62 142805 de réduire les jeux entre les sommets des aubes mobiles et le carter au moyen de talons montés radialement coulissants au sommet des aubes et retenus sur les aubes par des moyens pneumatiques ou élastiques qui sont peu efficaces ou très difficiles à monter.

L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, satisfaisante et économique à ces problèmes.

Elle propose à cet effet une turbine à gaz, en particulier pour moteur d'aéronef, comprenant une roue de turbine montée à rotation dans un carter et portant des aubes dont les sommets sont à une distance radiale faible d'une surface intérieure du carter, et des moyens de réduction des jeux entre les sommets des aubes et la surface intérieure du carter, les moyens de réduction des jeux comprenant des talons montés radialement coulissants au sommet des aubes, caractérisé en ce que les talons sont guidés dans une rainure annulaire du carter.

Dans la turbine selon l'invention, à la mise en rotation de la roue de turbine, les talons sont automatiquement sollicités vers la surface intérieure du carter par des forces centrifuges sans exercer d'effort sur les aubes de la roue. On évite ainsi les problèmes mécaniques vibratoires rencontrés dans les turbines à aubes mobiles équipées de talons périphériques fixes et on augmente les performances de la turbine par suppression des jeux radiaux entre les sommets des aubes et la surface intérieure du carter.

Selon une autre caractéristique de l'invention, les talons sont en matériau léger et résistant à l'usure et aux températures élevées, ce matériau étant de préférence une céramique.

On assure ainsi un maintien dans le temps de l'étanchéité axiale entre les sommets des aubes et la paroi intérieure du carter et on garantit dans le temps les performances de la turbine.

Selon encore une autre caractéristique de l'invention, les talons précités comportent chacun une plaque incurvée destinée à s'étendre le long de la surface intérieure du carter.

Cette plaque incurvée a une surface supérieure à celle du sommet de l'aube sur laquelle elle est montée, ce qui améliore encore l'étanchéité axiale précitée entre les sommets des aubes et la surface intérieure du carter.

Avantageusement, au moins deux nervures parallèles circonférentielles formant léchettes sont présentées par la face de cette plaque tournée vers la face interne du carter.

Ces léchettes réduisent encore la section de passage de l'air entre les sommets des aubes et la surface intérieure du carter.

Dans un premier mode de réalisation de l'invention, chaque talon précité est au moins partiellement emboîté dans une baignoire formée au sommet de l'aube.

Dans ce cas, le talon délimite avantageusement avec les parois de la baignoire des passages de circulation d'air de refroidissement qui sont alimentés par des canaux débouchant dans le fond de la baignoire au moyen d'orifices de dépoussiérage.

Dans une autre forme de réalisation de l'invention, applicable au cas où les aubes ne comportent pas de baignoire à leur sommet, chaque talon précité est emboîté sur le sommet de l'aube.

L'invention est applicable aux turbines dont les surfaces internes de carter définissent des veines à section cylindrique constante ou à section divergente.

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels :

• la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale représentant le jeu radial entre le sommet d'une aube mobile et la surface cylindrique interne d'un carter de turbine ;
• la figure 2 est une vue de dessus du sommet de l'aube de la figure 1 ;
• la figure 3 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un premier mode de réalisation de l'invention ;
• la figure 4 est une vue de dessus du sommet de l'aube de la figure 3 :

• la figure 5 est une vue schématique partielle en coupe axiale à plus grande échelle du sommet de l'aube des figures 3 et 4 ;
• la figure 6 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'une variante de réalisation de l'invention.

On se réfère d'abord aux figures 1 et 2 qui représentent schématiquement la technique antérieure à la présente invention, la référence 10 désignant une aube d'une roue de turbine haute pression montée en rotation autour d'un axe 12 dans un carter 14 comprenant un anneau métallique fixe 16 entourant la roue de turbine et dont la surface cylindrique interne est recouverte d'une couche 18 d'un matériau abradable d'un type bien connu dans la technique.

Le sommet de l'aube 10 est situé à distance relativement très faible de la couche 18 de matériau abradable et comporte une cavité 20 appelée "baignoire" dans la technique, dont le fond comporte des orifices de dépoussiérage 22, formant les sorties de conduits de circulation d'air de refroidissement qui sont ménagés dans l'aube 10.

Comme indiqué plus haut, le jeu radial 24 entre le sommet de l'aube 10 et la couche 18 de matériau abradable formant la surface intérieure du carter doit être aussi réduit que possible pour éviter toute dégradation des performances de la turbine.

Pour cela, l'invention propose, comme représenté aux figures 3 à 5, de monter un talon périphérique 26 radialement coulissant au sommet de l'aube 10, ce talon périphérique 26 étant partiellement inséré ou logé dans la baignoire 20 du sommet de l'aube 10.

Dans le mode de réalisation représenté aux figures 3 à 5, ce talon 26 comprend une partie radialement interne 28 insérée dans la baignoire 20 de l'aube 10 et une partie radialement externe 30 en forme de plaque incurvée en portion de cylindre, à contour parallélépipédique comme représenté en figure 4, qui s'étend le long de la couche 18 de matériau abradable à très faible distance de celle-ci et qui a une aire ou superficie dans le plan de la figure 4 notablement supérieure à celle de la partie 28 insérée dans la baignoire 20.

La face radialement extérieure de cette plaque 30 est formée avec des nervures parallèles circonférentielles 32, par exemple au nombre de deux comme représenté, dont les sommets sont au contact de la couche 18 de matériau abradable et forment avec celle-ci un joint à labyrinthe destiné à empêcher toute circulation d'air dans le sens axial entre la plaque 30 et la couche 18 de matériau abradable pendant le fonctionnement de la turbine.

Le talon 26 monté en bout de l'aube 10 est logé partiellement et guidé dans une rainure ou gorge annulaire 34 de l'anneau 16, au fond de laquelle est disposée la couche 18 de matériau abradable. Ce montage maintient en place le talon 30 en bout de l'aube 10, aussi bien en direction axiale qu'en direction radiale.

Les talons 26 sont réalisés en une matière de préférence légère et résistant à l'usure ainsi qu'aux températures élevées, cette matière étant en particulier une céramique.

En fonctionnement, les talons 26 sont entraînés en rotation autour de l'axe de la turbine avec les aubes 10 et sont soumis à des forces centrifuges qui les appliquent sur la couche 18 de matériau abradable.

L'appui des sommets des nervures 32 sur la couche 18 se traduit par une suppression des jeux radiaux de passage d'air en direction axiale entre les sommets des aubes 10 et la surface intérieure du carter, ce qui augmente les performances de la turbine. Cet appui des talons 26 sur la couche 18 n'impose aucun effort supplémentaire aux aubes 10.

Par ailleurs, le montage coulissant des talons 26 sur les sommets des aubes permet une adaptation automatique aux défauts géométriques des pales et de l'anneau, dus par exemple à une ovalisation du carter, à des différences de hauteur des pales, à un défaut de concentricité du carter et de la roue de turbine, etc...

Comme on l'a représenté en figure 5, l'air de refroidissement de l'aube 10 qui sort par les orifices de dépoussiérage formés dans le fond de la baignoire 20, circule dans des passages qui sont formés entre le talon 26 et les parois latérales 36 de la baignoire et contribue ainsi au refroidissement de ces parois.

Dans la variante de réalisation de la figure 6, le sommet de l'aube 10 ne comprend pas de baignoire et le talon périphérique 26 est alors emboîté sur le sommet de l'aube 10 et vient par exemple coiffer une nervure périphérique 38 du sommet de l'aube.

Comme précédemment, le talon 26 comporte des léchettes 32 sur sa face radialement externe et est guidé et retenu dans une rainure ou gorge annulaire 34 de l'anneau 14.

En variante, les moyens d'insertion ou d'emboîtement des talons 26 sur les sommets des aubes 10 sont dimensionnés et conformés de façon appropriée pour éviter à eux seuls tout risque de désemboîtement des talons. Dans ce cas, les gorges annulaires 34 formées dans la surface intérieure du carter sont une garantie supplémentaire de retenue des talons et pourraient éventuellement être supprimées.

Les plaques 30 formant les parties radialement externes des talons 26 peuvent avoir une étendue plus ou moins grande par rapport aux dimensions des sommets des aubes 10 et, si nécessaire, ces plaques 30 peuvent comporter une armature, par exemple métallique, de rigidification.

Pour le montage, les talons 26 peuvent être maintenus sur les sommets des aubes par collage ou par un lien tel qu'un jonc ou un cerclage, entourant les talons 26 et la couronne d'aubages.