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CA 02582401 2007-03-28
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Dispositif de fixation de secteurs d'anneau autour d'une roue de
turbine d'une turbomachine
La présente invention concerne un dispositif de fixation de secteurs
d'anneau autour d'une roue de turbine dans une turbomachine, telle en
particulier qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion.
Une turbine de turbomachine comprend plusieurs étages comportant
chacun un distributeur formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes portées
par un carter de la turbine et une roue montée rotative en aval du
distributeur dans une enveloppe cylindrique ou tronconique formée par des
secteurs d'anneau fixés circonférentiellement bout à bout sur le carter de la
turbine.
Les secteurs d'anneau comprennent à leurs extrémités amont des
rebords circonférentiels engagés avec un petit jeu axial dans une gorge
annulaire radialement interne d'un rail annulaire de carter et maintenus
radialement dans cette gorge par un organe annulaire de verrouillage à
section en C qui est engagé axialement depuis l'amont sur le rail de carter
et sur les rebords circonférentiels des secteurs d'anneau. Ces secteurs
sont maintenus axialement par butée de leurs rebords circonférentiels sur
des faces amont et aval respectivement de la gorge du rail.
Les rebords des secteurs d'anneau sont décambrés par rapport
au rail de carter et à l'organe de verrouillage, c'est-à-dire que les rebords
des secteurs d'anneau ont un rayon de courbure supérieur à celui du rail de
carter et de l'organe de verrouillage, ce qui permet de monter les rebords
des secteurs d'anneau avec une certaine précontrainte radiale entre le fond
de la gorge du rail et l'organe de verrouillage et de limiter ainsi les
déplacements axiaux des rebords des secteurs d'anneau dans la gorge.
En fonctionnement, les dilatations thermiques différentielles des
secteurs d'anneau et du carter entraînent une augmentation de cette
précontrainte radiale qui est appliquée en des zones de contact ponctuelles
entre les rebords des secteurs d'anneau et le rail de carter. Mais cette
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précontrainte disparaît progressivement dans le temps par usure des
rebords des secteurs d'anneau et du carter dans ces zones de contact.
Lorsque cette précontrainte radiale est nulle, les rebords des secteurs
d'anneau peuvent se déplacer axialement dans la gorge du carter et user
par frottement les faces amont et aval de la gorge du carter.
Lorsque cette usure dépasse une certaine valeur, les rebords des
secteurs d'anneau peuvent, en se déplaçant vers l'aval dans la gorge, se
désengager de l'organe de verrouillage, ce qui se traduit par un
basculement des secteurs d'anneau vers l'axe de la turbine et un risque de
contact entre les secteurs d'anneau et la roue de turbine, susceptible de
provoquer une destruction des secteurs d'anneau et de la roue.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple,
efficace et économique à ce problème.
Elle propose à cet effet un dispositif de fixation de secteurs d'anneau
autour d'une roue de turbine dans une turbomachine, chaque secteur
d'anneau comprenant une paroi tronconique qui porte un bloc de matière
abradable fixé sur sa surface interne et qui comporte à son extrémité amont
un rebord circonférentiel engagé dans une gorge annulaire radialement
interne d'un rail annulaire de carter et maintenu radialement dans cette
gorge par un organe annulaire de verrouillage à section en C qui est
engagé axialement depuis l'amont sur le rail de carter et sur les rebords
circonférentiels des secteurs d'anneau, caractérisé en ce que chaque
secteur d'anneau comprend à son extrémité aval une pièce rapportée et
fixée sur la paroi tronconique et sur le bloc de matière abradable du secteur
d'anneau, cette pièce pouvant venir en appui axial contre un élément fixe
de la turbine pour empêcher le désengagement du rebord amont de la
paroi de l'organe de verrouillage, le jeu axial entre la pièce d'appui et
l'élément fixe étant inférieur à la longueur axiale de l'appui du rebord amont
de la paroi sur l'organe de verrouillage.
Grâce à l'invention, la pièce d'appui prévue à l'extrémité aval de
chaque secteur d'anneau limite le recul possible du rebord amont du
d I NI I
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secteur d'anneau dans la gorge du rail de carter et évite le désengagement
de ce rebord de l'organe de verrouillage.
Même en cas d'usure importante du rail de carter, les secteurs
d'anneau sont maintenus axialement en amont par appui de leurs rebords
amont sur une face correspondante du rail de carter et en aval par appui de
la pièce sur l'élément fixe.
La pièce d'appui comprend avantageusement des moyens pouvant
venir en appui radial sur l'élément fixe.
Chaque secteur d'anneau est ainsi retenu en direction axiale et en
direction radiale sur l'élément fixe.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la pièce d'appui est
fixée sur l'extrémité aval de la paroi et sur le bloc de matière abradable par
brasage ou soudage.
Il est avantageux, du point de vue économique, que la pièce d'appui
soit sur le secteur d'anneau, car cela évite de modifier les moules de
fabrication de ces secteurs. De plus, le dispositif selon l'invention permet
d'accrocher des secteurs d'anneau sur un rail de carter indépendamment
de l'usure de celui-ci.
Le jeu axial entre la pièce d'appui et l'élément fixe est inférieur à la
longueur axiale de l'appui du rebord amont du secteur d'anneau sur
l'organe de verrouillage. Cela permet de s'assurer que la position de recul
maximal du secteur d'anneau est définie par l'appui axial de la pièce sur
l'élément fixe. Ce jeu axial entre la pièce d'appui et l'élément fixe est par
exemple compris entre 0,3 et 1,2mm environ.
Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, la pièce d'appui
a une section en F et comprend deux rebords en portion de cylindre qui
s'étendent vers l'aval, un de ces rebords étant fixé sur une surface
radialement interne de la paroi du secteur d'anneau et l'autre de ces
rebords pouvant venir en appui radial sur une face radialement externe
d'un rebord cylindrique de l'élément fixe.
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L'élément fixe de la turbomachine est avantageusement constitué
par un distributeur de turbine situé en aval du secteur d'anneau.
L'invention concerne également une turbine de turbomachine et une
turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion,
comprenant au moins un dispositif tel que décrit ci-dessus.
L'invention concerne enfin un secteur d'anneau pour une turbine de
turbomachine, comprenant une paroi tronconique qui porte un bloc de
matière abradable fixé sur sa surface interne et qui comporte à son
extrémité amont un rebord d'accrochage sur un carter, caractérisé en ce
qu'il comprend à son extrémité aval une pièce d'appui axial et radial
rapportée et fixée sur la paroi et sur le bloc de matière abradable du
secteur d'anneau.
La pièce d'appui est préférentiellement fixée par soudure ou brasure
sur le bloc de matière abradable et sur l'extrémité aval de la paroi du
secteur d'anneau.
Selon un aspect, l'invention se rapporte à 01412] ci-dessous :
[1] Dispositif de fixation de secteurs d'anneau autour d'une roue de
turbine dans une turbomachine, chaque secteur d'anneau comprenant :
une paroi tronconique qui porte un bloc de matière abradable fixé sur une
surface radialement interne de la paroi tronconique; un rebord circonférentiel
engagé à une extrémité amont du secteur d'anneau et engagé dans une
gorge annulaire radialement interne d'un rail annulaire de carter et maintenu
radialement dans cette gorge par un organe annulaire de verrouillage à
section C qui est engagé axialement depuis l'amont sur le rail de carter et
sur les rebords circonférentiels des secteurs d'anneau; et une pièce d'appui
disposée à une extrémité aval de la paroi tronconique qui est rapportée et
fixée sur la surface radialement interne de la paroi tronconique et sur le
bloc
de matière abradable du secteur d'anneau, dans lequel la pièce d'appui
vient en appui radial sur un élément fixe de la turbine, empêchant le
désengagement de l'extrémité amont du rebord circonférentiel de la paroi de
l'organe de verrouillage, et dans lequel un jeu axial entre la pièce d'appui
et
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l'élément fixe est inférieur à la longueur axiale d'une surface d'appui de
l'extrémité amont de la paroi sur l'organe de verrouillage.
[2] Dispositif selon [1], dans lequel une portion de la pièce d'appui
vient
en appui radial sur l'élément fixe.
[3] Dispositif selon [1] ou [2], dans lequel la pièce d'appui est fixée sur
la
surface radialement interne de l'extrémité aval de la paroi et sur le bloc de
matière abradable par brasage ou soudage.
[4] Dispositif selon l'une quelconque [1] à [3], dans lequel le jeu axial
entre la pièce d'appui et l'élément fixe est compris entre 0,3 et 1,2 mm
environ.
[5] Dispositif selon l'une quelconque [1] à [4], dans lequel la pièce
d'appui a une section en F.
[6] Dispositif selon [5], dans lequel la pièce d'appui comprend un premier
et deuxième rebords en portion de cylindre qui s'étendent vers l'aval, le
premier rebord étant fixé sur la surface radialement interne de la paroi du
secteur d'anneau et le deuxième rebord pouvant venir en appui radial sur
une face radialement externe d'un rebord cylindrique de l'élément fixe.
[7] Dispositif selon l'une quelconque [1] à [6], dans lequel l'élément fixe
fait partie d'un distributeur de turbine.
[8] Dispositif selon l'une quelconque [1] à [7], dans lequel une surface
radialement interne de la pièce d'appui vient d'appui sur l'élément fixe de la
turbine, et une surface radialement externe de la pièce d'appui est rapportée
et fixée sur la surface radialement interne de la paroi tronconique.
[9] Turbomachine comprenant au moins un dispositif tel que décrit à
l'une quelconque [1] à [8].
[10] Turbomachine selon [9], qui est un turboréacteur ou un
turbopropulseur.
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[11] Secteur d'anneau pour une turbine de turbomachine, comprenant :
une paroi tronconique qui porte un bloc de matière abradable fixé sur une
surface radialement interne de la paroi tronconique; un rebord engagé à une
extrémité amont du secteur d'anneau pour couplage à un carter; et une
pièce d'appui axiale et radiale engagée à une extrémité amont du secteur
d'anneau qui est rapportée et fixée sur la surface radialement interne de la
paroi tronconique et sur le bloc de matière abradable du secteur d'anneau.
[12] Secteur d'anneau selon [11], dans lequel la pièce d'appui est fixée
par soudure ou brasure sur le bloc de matière abradable et sur l'extrémité
aval de la paroi du secteur d'anneau.
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 non limitatif et en référence
aux
dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un
dispositif de fixation de secteurs d'anneau selon la technique antérieure ;
- la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un
dispositif de fixation de secteurs d'anneau selon l'invention.
La turbine 10 partiellement représentée en figure 1 comprend
plusieurs étages comportant chacun un distributeur 12, 13 formé d'une
rangée annulaire d'aubes fixes 14 portées par un carter 16 de la turbine, et
une roue 18 montée en aval du distributeur 12, 13 et tournant dans une
enveloppe sensiblement tronconique formée par des secteurs d'anneau 20
portés circonférentiellement bout à bout par le carter 16 de la turbine.
Les distributeurs 12, 13 comprennent des parois de révolution
externe 22 et interne (non visible), respectivement, qui délimitent entre
elles
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la veine annulaire d'écoulement des gaz dans la turbine et entre lesquelles
s'étendent radialement les aubes 14. Les moyens de fixation des
distributeurs comprennent au moins un rebord cylindrique externe 24
orienté vers l'amont et destiné à être engagé dans une rainure annulaire 26
5 orientée vers l'aval du carter 16.
Les roues 18 sont portées par un arbre de turbine (non représenté).
Elles comprennent des viroles externes 28 et internes (non visible),
respectivement, la virole externe 28 de chaque roue comprenant des
nervures annulaires externes 30 entourées extérieurement avec un faible
jeu par les secteurs d'anneau 20.
Chaque secteur d'anneau 20 comprend une paroi tronconique 32 et
un bloc 34 de matière abradable fixé par brasage et/ou soudage sur la
surface radialement interne de la paroi 32, ce bloc 34 étant du type en nid
d'abeilles et étant destiné à s'user par frottement sur les nervures 30 de la
roue pour minimiser les jeux radiaux entre la roue et les secteurs d'anneau
20.
Les extrémités aval des secteurs d'anneau 20 sont engagées depuis
l'amont dans un espace annulaire 36 délimité par un rebord cylindrique 38
orienté vers l'amont de la paroi externe 22 du distributeur 13 situé en aval
des secteurs d'anneau, d'une part, et par un rebord cylindrique 39 du carter
sur lequel est accroché ce distributeur, d'autre part.
Les secteurs d'anneau 20 sont maintenus radialement à leurs
extrémités aval par appui radial vers l'extérieur de leurs parois 32 sur une
face cylindrique radialement interne du rebord 39 du carter, et par appui
radial vers l'intérieur de leurs blocs 34 de matière abradable sur une face
cylindrique radialement externe du rebord cylindrique 38 du distributeur.
Les parois 32 des secteurs d'anneau comprennent chacune à leurs
extrémités aval une patte 40 s'étendant axialement vers l'aval et destinée à
être engagée dans une cavité 42 correspondante du distributeur aval 13
pour immobiliser en rotation les secteurs d'anneau 20 autour de l'axe de
turbine.
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Les parois tronconiques 32 des secteurs d'anneau 20 comprennent
égaiement à leurs extrémités amont des rebords cylindriques 44 orientés
vers l'amont qui sont engagés avec un jeu axial faible dans une gorge
annulaire radialement interne 46 d'un rail annulaire 48 du carter 16. Ces
rebords 44 sont maintenus radialement dans cette gorge au moyen d'un
organe de verrouillage 50 formé d'un anneau fendu à section en C engagé
depuis l'amont sur le rail annulaire 48 du carter et sur les rebords amont 44
des secteurs d'anneau.
L'organe de verrouillage 50 comprend deux branches cylindriques
52 et 54 s'étendant vers l'aval, radialement externe et radialement interne
respectivement, qui sont reliées entre elles à leurs extrémités amont par
une paroi radiale 56, et qui sont appliquées respectivement sur une face
cylindrique radialement externe du rail 48 et sur les rebords circonférentiels
44 des secteurs d'anneau 20.
Dans l'exemple représenté, l'organe de verrouillage 50 est empêché
de se déplacer axialement vers l'amont par appui axial de sa paroi radiale
56 sur un rebord annulaire radial 58 de la paroi externe 22 du distributeur
12 situé en amont des secteurs d'anneau 20.
Le rayon de courbure de l'organe de verrouillage 50 et du rail 48 est
inférieur à celui des rebords 44 des secteurs d'anneau 20, ce qui permet de
monter avec une certaine précontrainte radiale les rebords 44 des secteurs
d'anneau dans la gorge 46 du rail, ces secteurs d'anneau étant localement
en appui radial sur le fond de la gorge et sur la branche radialement interne
54 de l'organe de verrouillage, respectivement.
En fonctionnement, les rebords 44 des secteurs d'anneau 20 vibrent
axialement et viennent user par frottement les faces amont et aval de la
gorge 46 du rail.
Lorsque la face aval de la gorge 46 est très usée (comme cela est
représenté en traits pointillés 60), les rebords 44 peuvent se déplacer vers
l'aval en glissant sur la branche radialement interne 54 de l'organe de
verrouillage, et se désengager de l'organe de verrouillage, ce qui peut
i..0
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entraîner notamment la destruction des blocs 34 de matière abradable des
secteurs d'anneau qui viennent en contact avec les nervures annulaires 30
de la roue 18.
L'invention permet d'apporter une solution simple à ce problème
grâce à une pièce d'appui rapportée et fixée sur l'extrémité aval de chaque
secteur d'anneau.
Dans un mode de réalisation de l'invention représenté en figure 2, la
pièce d'appui 70 a une section en F et comprend deux rebords 72 et 74 en
portion de cylindre orientés vers l'aval, radialement externe et radialement
interne respectivement, qui sont reliés entre eux à leurs extrémités amont
par une paroi radiale 76.
La face radialement externe du rebord externe 72 est appliquée et
fixée par soudage ou brasage sur une partie d'extrémité aval de la surface
radialement interne de la paroi 32 du secteur d'anneau, et la paroi radiale
76 est appliquée et fixée par brasage ou soudage sur une face radiale du
bloc 34 de matière abradable du secteur d'anneau 20.
Chaque secteur d'anneau est maintenu radialement à son extrémité
aval par appui radial du rebord interne 74 de la pièce 70 sur le rebord
cylindrique 38 du distributeur aval, et par appui radial de sa paroi 32 sur la
face radialement interne du rebord cylindrique 39 du carter 16.
Les secteurs d'anneau sont maintenus axialement à leurs extrémités
amont comme précédemment décrit en référence à la figure 1, et à leurs
extrémités aval par appui axial vers l'aval de la paroi radiale 76 de la pièce
sur l'extrémité amont du rebord cylindrique 38 du distributeur aval 13.
Les parois radiales 76 des pièces 70 sont séparées du rebord
cylindrique 38 du distributeur 13 par un jeu axial 78 qui est inférieur à la
longueur axiale 80 sur laquelle les rebords 44 des secteurs d'anneau sont
en appui sur l'organe de verrouillage 50, de manière à ce que, en cas
d'usure importante de la face aval de la gorge 46 du rail, les parois radiales
76 de la pièce 70 viennent en appui axial sur le rebord cylindrique 38 du
distributeur et limite le recul possible des rebords 44 des secteurs d'anneau
,
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dans la gorge en les empêchant de se désengager de l'organe de
verrouillage 50. Le jeu axial est par exemple compris entre 0,3 et 1,2mm
environ.
Aussi longtemps que le rail de carter 48 n'est pas usé ou est
faiblement usé, les secteurs d'anneau 20 sont maintenus axialement sur le
carter 16, comme précédemment décrit en référence à la figure 1, c'est-à-
dire par appui axial des rebords 44 des secteurs d'anneau sur les faces
amont et aval respectivement de la gorge 46 du rail.
Lorsque la face orientée vers l'amont de la gorge est fortement usée
ou a même complètement disparu (comme représenté en traits pointillés
82), les secteurs d'anneau 20 sont maintenus axialement vers l'aval par
appui axial des parois radiales 76 des pièces 70 sur le rebord cylindrique
38 du distributeur aval.
La pièce 70 peut être rapportée et fixée sur l'extrémité aval d'un
secteur d'anneau existant de la technique antérieure. Il suffit pour cela de
supprimer une partie d'extrémité aval du bloc 34 de matière abradable du
secteur d'anneau et d'y fixer à la place par brasage ou soudage une pièce
70 d'appui axial et radial.
En variante, la pièce d'appui peut comprendre uniquement des
moyens d'appui axial sur le rebord amont 38 du distributeur, les secteurs
d'anneau étant maintenus radialement vers l'intérieur à leurs extrémités
aval par appui radial des blocs 34 sur ce rebord amont, comme c'est le cas
dans la technique antérieure.
