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EP2458157A1 - Abradable de virole intérieure de stator - Google Patents

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EP2458157A1
EP2458157A1 EP20100193061 EP10193061A EP2458157A1 EP 2458157 A1 EP2458157 A1 EP 2458157A1 EP 20100193061 EP20100193061 EP 20100193061 EP 10193061 A EP10193061 A EP 10193061A EP 2458157 A1 EP2458157 A1 EP 2458157A1
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EP
European Patent Office
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seal
abradable
turbomachine
stator
circumferential
Prior art date
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Granted
Application number
EP20100193061
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German (de)
English (en)
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EP2458157B1 (fr
Inventor
Stéphane Hiernaux
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aero Boosters SA
Original Assignee
Techspace Aero SA
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
    • F01D11/12—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part
    • F01D11/122—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator using a rubstrip, e.g. erodible. deformable or resiliently-biased part with erodable or abradable material

Definitions

  • the present invention relates to a compressor or turbine stator for terrestrial, marine or aeronautical turbomachines. It relates more particularly to an abradable gasket of the stator.
  • Axial turbomachine compressors comprise several stages of rotating blades, also called rotor blades, which are separated by rectifier stages which are intended to reposition the velocity vector of the fluid leaving the preceding stage before sending it to the turbine. next stage, while slowing the flow of the fluid, which causes an increase in the pressure thereof.
  • the rectifier stages or stators consist essentially of vanes, also called stator vanes, connecting an outer ferrule to an inner ferrule, both concentric and delimiting the air flow zone or aerodynamic vein.
  • the rotor blade stages are attached to a drum and an abradable is present on the inner shell of the stator to seal the cavity between the stator and the drum.
  • the abradable is deposited under the inner shell vis-à-vis wipers present on the drum or rotor.
  • the figure 1 presents a partial section of a turbomachine and makes it possible to visualize the rotor blades 1, the stator blades 2, respectively the inner ferrules 3 and outer 4 of the stator, the drum 5, the wipers 6 of the rotor and the abradable 7 of the inner ferrules.
  • the wiping / abradable system forms a labyrinth designed to limit the recirculation flow rate under the stator induced by the pressure difference between the respective downstream and upstream parts of each stator stage and thus aims at increasing the efficiency of the compressor.
  • the abradable present under the foot of the stator has an axisymmetric shape, sometimes staggered, as illustrated in FIG. figure 2 , and makes it possible to obtain a pressure drop by opposing an obstacle (axial step 8) to the axial component (along the axis of the turbomachine) of the leakage flow.
  • the flow due to the rotation of the rotor vanes, also has an important circumferential component to which the present forms of abradables do not offer obstacles.
  • the present invention aims to provide a new family of abradables having a non-axisymmetrical shape for generating a greater loss of load and thus ensuring a better seal.
  • the present invention relates to a seal of a turbomachine stator, said seal comprising a first abradable surface facing a rotor part of the turbomachine and a second surface in contact with an inner ferrule of the stator, said joint comprising a plurality of constituent units, each constituent unit having on its first abradable surface a circumferential step creating an obstacle in the circumferential direction of the inner ferrule.
  • the present invention also relates to a turbomachine stator comprising at least one seal as described above.
  • the figure 1 represents a partial and axial section of a turbomachine according to the state of the art.
  • the figure 2 represents a part of an abradable according to the state of the art.
  • the figure 3 represents eight units constituting an abradable according to the invention.
  • the figure 4 represents a plurality of shapes that can take the profile of the constituent units of the track of the abradable according to the invention.
  • the efficiency of the labyrinth created by the system wipers / abradable is conditioned by the pressure losses generated through the latter.
  • One of the mechanisms used to increase the pressure drop is to create steps in the abradable which force the creation of whirlpools generating losses.
  • the present invention is based on the fact that the flow in the cavity is not strictly axial but has a strong gyratory component from the main flow in the vein.
  • the figure 3 presents a portion of the abradable 7 according to the invention comprising eight axial steps 8 and eight circumferential steps 9 on the abradable track.
  • the abradable 7 in its entirety consists of a plurality of constituent units 10 each comprising an axial step 8 and a circumferential step 9. In the example of FIG. figure 3 eight constituent units 10 of the abradable 7 are thus represented.
  • the circumferential step 9 and the axial step 8 of the constituent unit 10 define the contours of a profile that can take several forms.
  • the figure 4 presents six different profiles of the constituent units of the abradable track. According to the invention, any abradable having circumferential steps for generating a pressure drop is suitable.
  • the units constituting the abradable may have on their abradable tracks the same profile or different profiles just as they may be of the same dimension in the circumferential direction or of different dimensions.
  • the profiles of the units 10 are identical or similar and aligned in the circumferential direction.
  • the profiles may also be offset relative to each other in the axial direction of the turbomachine.
  • the constituent units have a cyclic repeatability given the cyclic nature of the ferrule, we will speak of repetitive unity.
  • the repetitive unit covers an angular sector corresponding to four to ten steps of the blades driven by the drum.
  • the profiles of the constituent units can not generally be made by shooting, as is currently the case.
  • the profile can easily be obtained by molding finished (s) or almost finished (s), especially on sectors of ferrules.
  • the abradable is silicone or epoxy.
  • each constituent unit is devoid of an axial step and therefore comprises only a circumferential step.
  • the obstacle formed by the circumferential steps according to the invention allows a greater pressure drop and therefore an increased efficiency compared with traditional shapes.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)

Abstract

La présente invention se rapporte à un joint d'étanchéité (7) d'un stator de turbomachine, ledit joint (7) comportant une première surface abradable en regard d'une partie rotorique de la turbomachine et une seconde surface en contact avec une virole intérieure (3) du stator, ledit joint (7) comportant une pluralité d'unités constitutives (10), chaque unité constitutive (10) comportant sur sa première surface abradable une marche circonférentielle (9) créant un obstacle dans la direction circonférentielle de la virole intérieure (3).

Description

    Objet de l'invention
  • La présente invention se rapporte à un stator de compresseur ou de turbine pour turbomachines terrestres, marines ou aéronautiques. Elle se rapporte plus particulièrement à un joint d'étanchéité abradable du stator.
    • Etat de la technique
  • Les compresseurs axiaux de turbomachines comportent plusieurs étages d'aubes tournantes, encore appelées aubes rotoriques, qui sont séparés par des étages redresseurs qui ont pour but de repositionner le vecteur vitesse du fluide sortant de l'étage précédent avant de l'envoyer vers l'étage suivant, tout en ralentissant l'écoulement du fluide, ce qui engendre une augmentation de la pression de celui-ci.
  • Les étages redresseurs ou stators sont constitués essentiellement d'aubes fixes, encore appelées aubes statoriques, reliant une virole extérieure à une virole intérieure, toutes deux concentriques et délimitant la zone d'écoulement d'air ou veine aérodynamique. Les étages d'aubes rotoriques sont attachés à un tambour et un abradable est présent sur la virole intérieure du stator pour assurer l'étanchéité de la cavité située entre le stator et le tambour. L'abradable est déposé sous la virole intérieure en vis-à-vis de léchettes présentes sur le tambour ou rotor. La figure 1 présente une coupe partielle d'une turbomachine et permet de visualiser les aubes rotoriques 1, les aubes statoriques 2, respectivement les viroles intérieures 3 et extérieures 4 du stator, le tambour 5, les léchettes 6 du rotor et les abradables 7 des viroles intérieures.
  • Le système léchettes/abradables forme un labyrinthe destiné à limiter le débit de recirculation sous le stator induit par la différence de pression entre les parties respectives aval et amont de chaque étage statorique et vise ainsi à augmenter le rendement du compresseur.
  • Actuellement, l'abradable présent sous le pied du stator a une forme axisymétrique, parfois étagée, telle qu'illustrée à la figure 2, et permet d'obtenir une perte de charge en opposant un obstacle (marche axiale 8) à la composante axiale (selon l'axe de la turbomachine) de l'écoulement de fuite. Cependant, l'écoulement, de par la rotation des aubes rotoriques, présente également une composante circonférentielle importante à laquelle les formes des abradables actuels n'offrent pas d'obstacles.
    • Buts de l'invention
  • La présente invention vise à fournir une nouvelle famille d'abradables présentant une forme non axisymétrique permettant de générer une plus grande perte de charge et assurant ainsi une meilleure étanchéité.
    • Résumé de l'invention
  • La présente invention se rapporte à un joint d'étanchéité d'un stator de turbomachine, ledit joint comportant une première surface abradable en regard d'une partie rotorique de la turbomachine et une seconde surface en contact avec une virole intérieure du stator, ledit joint comportant une pluralité d'unités constitutives, chaque unité constitutive comportant sur sa première surface abradable une marche circonférentielle créant un obstacle dans la direction circonférentielle de la virole intérieure.
  • Selon des modes particuliers de l'invention, le joint comporte au moins une ou une combinaison appropriée des caractéristiques suivantes:
    • chaque unité constitutive comporte en outre sur sa première surface abradable une marche axiale créant un obstacle dans la direction axiale de la turbomachine;
    • la marche circonférentielle et la marche axiale de l'unité constitutive définissent les contours d'un profil qui peut revêtir une pluralité de formes distinctes;
    • les unités constitutives ont des profils et/ou des dimensions variables selon la direction circonférentielle de la virole intérieure;
    • les profils des différentes unités constitutives sont décalés selon la direction axiale de la turbomachine;
    • les unités constitutives ont un même profil se répétant périodiquement le long de la circonférence de la virole intérieure, formant alors des unités répétitives;
    • chaque unité répétitive couvre dans la direction circonférentielle de la virole intérieure un secteur angulaire correspondant à quatre à dix pas des aubes rotoriques entraînées par ladite partie rotorique;
    • la partie rotorique en regard de la première surface abradable comporte des léchettes solidaires d'un tambour;
    • le joint est en silicone ou époxy.
  • La présente invention se rapporte également à un stator de turbomachine comportant au moins un joint d'étanchéité tel que décrit ci-dessus.
    • Brève description des figures
  • La figure 1 représente une coupe partielle et axiale d'une turbomachine selon l'état de la technique.
  • La figure 2 représente une partie d'un abradable selon l'état de la technique.
  • La figure 3 représente huit unités constitutives d'un abradable selon l'invention.
  • La figure 4 représente une pluralité de formes que peut revêtir le profil des unités constitutives de la piste de l'abradable selon l'invention.
    • Légende:
    1. (1) Aube rotorique
    2. (2) Aube statorique
    3. (3) Virole intérieure
    4. (4) Virole extérieure
    5. (5) Tambour
    6. (6) Léchette
    7. (7) Abradable ou joint d'étanchéité
    8. (8) Marche axiale de la piste de l'abradable
    9. (9) Marche circonférentielle de la piste de l'abradable
    10. (10) Unité constitutive de l'abradable
    Description détaillée de l'invention
  • Comme déjà mentionné, l'efficacité du labyrinthe créé par le système léchettes/abradables est conditionnée par les pertes de charge générées au travers de ce dernier. Un des mécanismes utilisés pour augmenter les pertes de charge est de créer des marches dans l'abradable qui forcent la création de tourbillons générateurs de pertes. La présente invention se base sur le fait que l'écoulement dans la cavité n'est pas strictement axial mais possède une forte composante giratoire issue de l'écoulement principal dans la veine.
  • Ainsi, selon l'invention, l'abradable 7, et plus précisément la piste de l'abradable, c'est-à-dire la face en regard des léchettes, comporte également des marches dans le sens circonférentiel (c.à.d. selon la direction circonférentielle de la virole intérieure) afin d'augmenter encore les pertes de charge. La figure 3 présente une partie de l'abradable 7 selon l'invention comportant huit marches axiales 8 et huit marches circonférentielles 9 sur la piste d'abradable. L'abradable 7 dans son entièreté est constitué d'une pluralité d'unités constitutives 10 comportant chacune une marche axiale 8 et une marche circonférentielle 9. Dans l'exemple de la figure 3, huit unités constitutives 10 de l'abradable 7 sont ainsi représentées.
  • La marche circonférentielle 9 et la marche axiale 8 de l'unité constitutive 10 définissent les contours d'un profil qui peut revêtir plusieurs formes. A titre indicatif et non limitatif pour la présente invention, la figure 4 présente six profils différents des unités constitutives de la piste d'abradable. Selon l'invention, tout abradable comportant des marches circonférentielles permettant de générer une perte de charge convient.
  • Les unités constituant l'abradable peuvent présenter sur leurs pistes d'abradable un même profil ou des profils différents tout comme elles peuvent être de même dimension dans le sens circonférentiel ou de dimensions différentes. A la figure 3, les profils des unités 10 sont identiques ou similaires et alignés selon la direction circonférentielle. Selon l'invention, les profils peuvent être également décalés l'un par rapport à l'autre selon la direction axiale de la turbomachine. Préférentiellement, les unités constitutives présentent une répétitivité cyclique vu le caractère cyclique de la virole, on parlera alors d'unité répétitive. Toujours préférentiellement selon l'invention, l'unité répétitive couvre un secteur angulaire correspondant à quatre à dix pas des aubes mobiles entraînées par le tambour.
  • Les profils des unités constitutives ne peuvent généralement pas être réalisés par tournage, comme c'est actuellement le cas. Par contre, le profil peut facilement être obtenu par moulage à cote(s) finie(s) ou quasiment finie(s), notamment sur des secteurs de viroles.
  • Préférentiellement, l'abradable est en silicone ou en époxy.
  • La présente invention s'étend également à des joints d'étanchéité abradables dont chaque unité constitutive est dépourvue d'une marche axiale et comporte donc uniquement une marche circonférentielle.
    • Avantages de l'invention
  • La composante circonférentielle de l'écoulement de fuite étant généralement nettement plus importante que la composante axiale, l'obstacle formé par les marches circonférentielles selon l'invention permet une perte de charge plus importante et donc une efficacité accrue par rapport aux formes traditionnelles.

Claims (10)

  1. Joint d'étanchéité (7) d'un stator de turbomachine, ledit joint (7) comportant une première surface abradable en regard d'une partie rotorique de la turbomachine et une seconde surface en contact avec une virole intérieure (3) du stator, ledit joint (7) comportant une pluralité d'unités constitutives (10), chaque unité constitutive (10) comportant sur sa première surface abradable une marche circonférentielle (9) créant un obstacle dans la direction circonférentielle de la virole intérieure (3).
  2. Joint d'étanchéité (7) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque unité constitutive (10) comporte en outre sur sa première surface abradable une marche axiale (8) créant un obstacle dans la direction axiale de la turbomachine.
  3. Joint d'étanchéité (7) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la marche circonférentielle (9) et la marche axiale (8) de l'unité constitutive (10) définissent les contours d'un profil qui peut revêtir une pluralité de formes distinctes.
  4. Joint d'étanchéité (7) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les unités constitutives (10) ont des profils et/ou des dimensions variables selon la direction circonférentielle de la virole intérieure (3).
  5. Joint d'étanchéité (7) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les profils des différentes unités constitutives (10) sont décalés selon la direction axiale de la turbomachine.
  6. Joint d'étanchéité (7) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les unités constitutives (10) ont un même profil se répétant périodiquement le long de la circonférence de la virole intérieure (3), formant alors des unités répétitives.
  7. Joint d'étanchéité (7) selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque unité répétitive couvre dans la direction circonférentielle de la virole intérieure (3) un secteur angulaire correspondant à quatre à dix pas des aubes rotoriques (1) entraînées par ladite partie rotorique.
  8. Joint d'étanchéité (7) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie rotorique en regard de la première surface abradable comporte des léchettes (6) solidaires d'un tambour (5).
  9. Joint d'étanchéité (7) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit joint (7) est en silicone ou époxy.
  10. Stator de turbomachine comportant au moins un joint d'étanchéité (7) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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