Sur la maîtrise de l'étanchéité par segments au sein d'une turbine à gaz

par Baptiste Hallouin

Thèse de doctorat en Génie énergétique

Soutenue le 14-03-2013

à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux (laboratoire) .

Le président du jury était Gérard Louis Vignoles.

Le jury était composé de Sakir Amiroudine, Didier Lasseux, Gérard Senger.

Les rapporteurs étaient Harold Auradou, Noël Brunetière.


  • Résumé

    Au sein des parties statiques d’une turbine à gaz, l’étanchéité du système d’air derefroidissement est couramment assurée par un montage de segments. De par sa rigiditéélevée, ce type de joint s’adapte mal aux pièces avec lesquelles il entre en contact. Uneméthodologie, associant métrologie et calcul éléments finis, a effectivement montré quel’ouverture, à l’interface entre un segment et sa piste, est très supérieure à celle qui caractériseun contact simplement rugueux. Une analyse en ordres de grandeur a révélé que lesmécanismes d’écoulement du gaz, sur un champ d’ouverture typique de l’interface entre la pisteet le segment, sont conditionnés par deux nombres adimensionnels. Trois régimes peuvent êtredistingués en fonction des valeurs prises par ces nombres. L’un d’eux, le régime laminairecompressible inertiel, est particulièrement intéressant car il est présent dans les zones de laturbine où l’étanchéité est cruciale. Un modèle quasi analytique a été développé pour décrire cerégime. En l’associant à un modèle de déformation, on aboutit à un outil prédictif du débit degaz induit par un segment. Des essais sur banc partiel ont permis de le valider et de démontrersa précision. L’outil développé fournit le moyen de quantifier l’impact du champ de température,du champ de pression et des écarts géométriques, propres à un stator de turbine, sur lesperformances de l’étanchéité. Ce travail a débouché sur des règles de dimensionnement et deconception qui portent notamment sur l’obturation du jeu inter-extrémités, sur le choix dunombre de segments et du sens de serrage.

  • Titre traduit

    On mastery of sealing by piston rings in a gas turbine


  • Résumé

    The sealing of gas turbine static parts is usually performed using piston rings.Because of its high stiffness, this type of gasket does not adapt itself to the parts with which it isdue to be in contact. A method involving metrology and a FEM actually revealed that the ringboreor ring-piston contact aperture is far larger than the one within a rough contact. Using ascale analysis, we showed that gas flow mechanisms, through the aperture field of the contactbetween the ring and the inner or outer part (i.e. the piston or the bore), depend on twodimensionless numbers. Three regimes can be distinguished depending on the values of thesenumbers. One of them, the compressible inertial laminar regime, is of particular interestbecause of its relevance in turbine areas where sealing is strongly critical. A quasi analyticalmodel was developed to describe this regime. By a coupling with a strain model, it wasupgraded to a predictive tool of leakage through a piston-ring or bore-ring contact. Acomparison with measurements carried out on a partial test rig allowed to prove its accuracy.This tool made it possible to quantify the influence of temperature field, pressure field andgeometrical defects, which are typical of a turbine stator, on sealing performance. This worklead us to propose design rules concerning, in particular, the ring gap type, number of rings tobe mounted and choice of tightening direction.



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