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Etanchéité d'un anneau de rotor dans un étage de turbine
La présente invention concerne l'étanchéité d'un anneau de rotor
dans un étage de turbine d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou
un turbopropulseur d'avion.
Arrière-plan technologique de l'invention
Typiquement, une turbine de turbomachine comprend au moins un
étage comportant un distributeur formé d'une rangée annulaire d'aubes
fixes et suivi d'une roue de rotor montée à l'intérieur d'un anneau sectorisé.
Le distributeur comprend à son extrémité aval un rebord annulaire qui
s'étend radialement vers l'extérieur et qui porte des moyens d'accrochage
sur un carter de la turbine. L'anneau sectorisé situé en aval comprend un
rebord cylindrique amont qui est maintenu radialement sur un rail du carter
de turbine par l'intermédiaire d'un organe annulaire de verrouillage à
section en forme de C ou de U engagé axialement sur le rail de carter et
sur le rebord cylindrique de l'anneau.
Le rebord cylindrique de l'anneau et le rail de carter sont en général
protégés thermiquement par une tôle annulaire qui est montée entre le
rebord externe du distributeur et l'extrémité amont de l'anneau pour limiter
le passage de gaz depuis la veine de la turbine radialement vers l'extérieur
dans l'espace annulaire de logement du rebord de l'anneau et du rail de
carter.
Toutefois, l'étanchéité n'est pas parfaite et les fuites de gaz chauds
venant de la veine de la turbine peuvent faire monter la température des
crochets de carter et provoquer la formation de criques ou fissures
susceptibles de détruire les crochets.
Par ailleurs, les aubes du distributeur comprennent en général des
canaux d'écoulement d'air de refroidissement prélevé en amont sur le
compresseur de la turbomachine.
Il est connu de prélever une partie de l'air circulant dans les canaux
de ces aubes et de réinjecter cet air dans l'espace annulaire de logement
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du rebord amont de l'anneau et du rail de carter pour réduire leur
température. L'injection d'air dans cet espace permet également de
maintenir cet espace à une pression supérieure à celle des gaz de
combustion passant dans la turbine, ce qui limite l'introduction de ces gaz
dans l'espace annulaire.
Cependant, lorsque l'étanchéité entre le rebord externe du
distributeur et l'extrémité amont de l'anneau n'est pas suffisante, l'air de
refroidissement injecté dans l'espace annulaire de logement du rebord de
l'anneau et du rail de carter, a tendance à passer radialement de l'extérieur
vers l'intérieur dans la veine de turbine et ne participe donc pas au
refroidissement du carter et de l'anneau.
Résumé de l'invention
L'invention a notamment pour but de répondre de manière simple,
efficace et économique à ces problèmes de la technique antérieure.
Elle a pour objet un étage de turbine comportant des moyens
d'étanchéité entre le distributeur et l'anneau sectorisé qui soient simples et
efficaces pour empêcher le passage de gaz en direction radiale entre le
rebord externe du distributeur et l'extrémité amont de l'anneau.
Elle propose à cet effet un étage de turbine d'une turbomachine,
comprenant une roue de rotor montée à l'intérieur d'un anneau sectorisé
porté par un carter de turbine, un distributeur situé en amont de la roue et
formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes, ce distributeur comprenant à
son extrémité aval un rebord annulaire externe comportant des moyens
d'accrochage sur le carter de turbine, des moyens d'étanchéité étant
prévus entre le rebord externe du distributeur et l'extrémité amont de
l'anneau pour limiter le passage de gaz en direction radiale entre le rebord
externe du distributeur et l'anneau, caractérisé en ce que les moyens
d'étanchéité comprennent une tôle annulaire qui s'étend sensiblement
radialement entre le rebord externe du distributeur et l'extrémité amont de
l'anneau et qui comprend, à sa périphérie interne et à sa périphérie
externe, des moyens d'appui axial contre une face aval du rebord externe
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du distributeur, la partie annulaire médiane de cette tôle étant espacée
axialement du rebord externe du distributeur et étant en appui axial contre
l'extrémité amont de l'anneau, la tôle étant précontrainte élastiquement en
direction axiale par l'extrémité amont de l'anneau.
La tôle d'étanchéité selon l'invention est en appui axial en direction
de l'amont, à sa périphérie interne et à sa périphérie externe, sur le rebord
du distributeur, et sa partie annulaire médiane est en appui élastique sur
l'extrémité amont de l'anneau. Les trois zones annulaires d'appui de la tôle
sur le rebord du distributeur et sur l'anneau assurent une bonne étanchéité
entre ces éléments, et empêchent donc le passage de gaz depuis la veine
de turbine vers l'extérieur, dans l'espace annulaire de logement du rebord
de l'anneau et du rail de carter, et les fuites d'air depuis cet espace vers
l'intérieur, dans la veine de turbine.
L'anneau est en butée à son extrémité amont sur la partie médiane
de la tôle, elle-même en appui sur le rebord du distributeur, ce qui peut se
traduire par une légère déformation élastique en flexion de la tôle. Cette
déformation est autorisée par l'espace axial prévu entre le rebord externe
du distributeur et la tôle d'étanchéité, au niveau de la partie annulaire
médiane de cette tôle.
Cette précontrainte axiale est déterminée pour rattraper les
tolérances de fabrication des différentes pièces et pour, en fonctionnement,
conserver les trois appuis précités, en dépit des dilatations thermiques
différentielles des différentes pièces. La déformation en flexion de la tôle
peut donc être plus ou moins importante pendant les différents régimes de
fonctionnement de la turbine.
Préférentiellement, la tôle est fixée, par l'intermédiaire de rivets par
exemple, sur le rebord externe du distributeur. La tôle est par exemple fixée
par sa périphérie interne sur une partie d'extrémité radialement interne du
rebord externe du distributeur.
Dans un mode de réalisation de l'invention, la tôle est sensiblement
plane et est, en position de montage, plaquée sur la face aval du rebord
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externe du distributeur, en recouvrant une gorge annulaire de cette face
aval.
La gorge annulaire de la face aval du rebord externe du distributeur
permet de définir un espace annulaire axial entre le rebord du distributeur
et la partie annulaire médiane de la tôle, autorisant ainsi la déformation
élastique en flexion de la tôle. Cette gorge est sectorisée comme le
distributeur et peut être sensiblement continue sur 360 autour de l'axe de
la turbine et elle est obturée par la tôle prenant appui sur le rebord externe
du distributeur, radialement à l'intérieur et à l'extérieur de cette gorge.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la tôle annulaire
n'est pas plane, mais incurvée avec une concavité tournée vers l'amont.
Elle comprend par exemple une partie annulaire ayant en section une
forme en U ou en V dont l'ouverture est orientée vers l'amont, cette partie
annulaire étant en appui axial contre l'extrémité amont de l'anneau et
définissant un espace annulaire avec la face aval du rebord externe du
distributeur.
La tôle d'étanchéité est sectorisée comme le distributeur et peut
s'étendre sur 360 autour de l'axe de la turbine. Elle est de préférence
métallique.
L'invention concerne également une turbine de turbomachine,
caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un étage tel que décrit ci-
dessus.
L'invention concerne encore une turbomachine, telle qu'un
turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle
comprend au moins un étage de turbine du type précité.
Brève description des dessins
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 en référence aux
dessins annexés dans lesquels :
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- la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale d'une
turbine de turbomachine ;
- la figure 2 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 1,
et
représente un étage de turbine selon la technique antérieure ;
5 - la figure 3 est une vue agrandie du détail 13 de la figure 2;
- la figure 4 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un étage
de turbine selon l'invention ;
- la figure 5 est une vue correspondant à la figure 4 et représentant une
variante de réalisation de l'invention.
Description détaillée
On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente une turbine basse-
pression 10 de turbomachine comprenant quatre étages comportant
chacun un distributeur 12 formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes 14
portées par un carter externe 16 de la turbine, et une roue 18 située en aval
du distributeur 12.
Les roues 18 comprennent des disques 20 assemblés axialement
les uns aux autres par des brides annulaires 22 et portant des aubes
radiales 24. Ces roues 18 sont reliées à un arbre de turbine (non
représenté) par l'intermédiaire d'un cône d'entraînement 26 fixé sur des
brides annulaires 22 des disques.
Chaque roue 18 est entourée extérieurement avec un faible jeu par
un anneau 28 formé par des secteurs fixés circonférentiellement sur le
carter 16 de la turbine par l'intermédiaire d'organes de verrouillage, comme
cela sera décrit plus en détail dans ce qui suit.
Les distributeurs 12 comprennent des parois de révolution interne 30
et externe 32, respectivement, qui délimitent entre elles la veine annulaire
d'écoulement des gaz dans la turbine et entre lesquelles s'étendent
radialement les aubes 14.
La paroi externe 32 du distributeur 16 de l'étage amont, mieux visible
en figure 2, comprend des rebords annulaires radialement externes amont
34 et aval 36 comportant des pattes annulaires axiales 38 d'accrochage,
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orientées vers l'amont et destinées à être engagées dans des gorges
annulaires axiales 40 correspondantes du carter 16 de la turbine.
Les aubes 14 de ce distributeur 12 comprennent des canaux 42 de
circulation d'air de refroidissement provenant d'une enceinte d'alimentation
44 (flèches 46), située radialement à l'extérieur de la paroi 32 du
distributeur. Cet air est en partie évacué dans la veine d'écoulement des
gaz de la turbine par des orifices (non représentés) formés à proximité du
bord de fuite des aubes 14 et débouchant dans leurs canaux 42, et en
partie évacué dans une enceinte 52 situé radialement à l'intérieur de la
paroi 30 du distributeur (flèches 54). L'air de refroidissement est prélevé en
amont sur un compresseur de la turbomachine et amené dans l'enceinte
d'alimentation 44 par des moyens appropriés.
L'anneau 28 situé en aval du distributeur 12 de l'étage amont
comprend à son extrémité amont un crochet annulaire 56 qui est appliqué
sur un rail cylindrique 58 correspondant du carter 16, et qui est maintenu
radialement sur ce rail par un organe annulaire 60 de verrouillage à section
en forme de C ou de U qui est engagé axialement depuis l'amont sur le
crochet 56 et le rail 5 (figure 3).
L'organe 60, le crochet 56 et le rail 58 sont logés dans un espace
annulaire 62 qui s'étend autour de l'anneau 28 entre le carter 16 et le
distributeur 12. L'organe 60 prend appui à son extrémité amont sur une
face aval 64 du rebord annulaire aval 36 du distributeur.
L'organe 60, le rail de carter 58 et le crochet 56 de l'anneau sont
protégés thermiquement par une tôle annulaire 66 qui est montée entre
l'extrémité amont de l'anneau 28 et la face aval 64 du rebord annulaire 36
du distributeur, pour limiter le passage de gaz depuis la veine de la turbine
radialement vers l'extérieur dans l'espace annulaire 62.
Le rail de carter 58 et le crochet 56 de l'anneau sont en
fonctionnement soumis à des températures importantes qui peuvent
provoquer la formation de criques ou fissures susceptibles de les détruire.
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Pour remédier à ces problèmes, on a déjà proposé de prélever une
partie de l'air relativement frais circulant dans les canaux 42 des aubes du
distributeur, et d'amener cet air dans l'espace annulaire 62 pour réduire la
température à l'intérieur de cet espace.
Pour cela, des conduits 68 et 70 sont formés respectivement dans la
paroi externe 32 et dans le rebord externe 36 du distributeur, pour relier les
canaux 42 des aubes à l'espace annulaire 62. Les conduits 68 formés dans
la paroi externe 32 du distributeur communiquent à une de leurs extrémités
avec un canal 42 d'une aube et à l'autre de leurs extrémités avec un
passage annulaire 72 situé radialement à l'extérieur de la paroi 32 du
distributeur et délimité axialement par les rebords annulaires externes 34,
36 du distributeur. Les conduits 70 formés dans le rebord externe 36 du
distributeur 12 sont obliques par rapport à l'axe de la turbine et orientés en
aval vers l'extérieur. Ils débouchent à leurs extrémités amont dans le
passage annulaire 72, et à leurs extrémités aval sur la face aval 64 du
rebord externe 36 du distributeur.
Cependant, la tôle annulaire 66 n'assure pas à elle seule une
étanchéité suffisante entre le distributeur 12 et l'anneau 28, ce qui se
traduit par des fuites de l'air injecté dans l'espace annulaire 62 radialement
vers l'intérieur dans la veine de la turbine.
L'invention permet d'apporter une solution simple à ce problème
grâce à des nouveaux moyens d'étanchéité.
Les moyens d'étanchéité selon l'invention comprennent une tôle
annulaire 80 qui s'étend radialement entre le rebord externe 36 du
distributeur et l'extrémité amont de l'anneau 28 et qui est précontrainte
axialement par appui du côté amont, par sa périphérie interne et sa
périphérie externe, sur la face aval 64 du rebord 36 et par appui du côté
aval, au niveau de sa partie annulaire médiane sur l'extrémité amont de
l'anneau 28.
Dans l'exemple représenté en figure 4, la tôle annulaire 80
d'étanchéité est sensiblement plane et est fixée par des rivets 82 sur le
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rebord externe 36 du distributeur. Les rivets sont sensiblement parallèles à
l'axe de la turbine et passent à travers des orifices 84 formés dans une
partie d'extrémité radialement interne de la tôle 80 et des orifices 86
correspondants formés dans une partie d'extrémité radialement interne du
rebord 36 du distributeur.
La tôle 80 recouvre complètement une gorge annulaire 88 de la face
aval 64 du rebord 36. Cette gorge 88 a une faible profondeur axiale, par
exemple sensiblement égale à l'épaisseur de la tôle, et a une dimension
radiale qui est légèrement inférieure à celle de la tôle 80. Elle est formée
dans les secteurs de distributeur sur toute l'étendue angulaire de ces
secteurs et peut s'étendre sur 360 autour de l'axe de la turbine. La tôle est
formée de secteurs angulaires fixés chacun sur un secteur de distributeur
et peut s'étendre sur 360 autour de l'axe de la turbine.
La périphérie interne de la tôle 80 s'étend sur une circonférence
située radialement à l'intérieur de la gorge 88 et cette périphérie interne
est
en appui axial sur une partie radialement interne de la face aval 64 du
rebord 36. La périphérie externe de la tôle s'étend sur une circonférence
située radialement à l'extérieur de la gorge et cette périphérie est en appui
axial sur une partie radialement externe de la face aval 64 du rebord 36.
Dans l'exemple représenté, les orifices 84 et 86 de montage des
rivets 82 débouchent à une de leurs extrémités dans la gorge annulaire 88
au voisinage de sa périphérie interne, et sont situés radialement à
l'intérieur
de l'anneau 28. L'extrémité amont de l'anneau 28 est en butée axiale sur la
tôle 80 dans une zone située entre les rivets et la périphérie externe de la
gorge 88.
Dans la position de montage, la tôle 80 est précontrainte
élastiquement par l'anneau qui exerce une force suffisante en direction
axiale vers l'amont sur la tôle pour que celle-ci subisse une légère
déformation élastique en flexion. La précontrainte axiale de la tôle 80 est
déterminée d'une part pour rattraper les tolérances de fabrication des
différentes pièces, et pour conserver les trois zones annulaires d'appui
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étanche sur le rebord de distributeur et sur l'anneau, malgré les dilatations
thermiques différentielles des pièces en fonctionnement. La déformation de
la tôle 80 peut donc varier lors d'un cycle de fonctionnement de la
turbomachine.
Les trois zones d'appui assurent une bonne étanchéité entre la veine
de la turbine et l'espace annulaire 62 de logement du rebord amont 56 de
l'anneau et du rail de carter 58. Les appuis en Cl, entre la périphérie
interne de la tôle 80 et le rebord 36 du distributeur, en C2, entre la tôle et
l'extrémité amont de l'anneau 28, et en C3, entre la périphérie externe de la
tôle 80 et le rebord 36 du distributeur, empêchent le passage de gaz depuis
la veine de la turbine vers l'extérieur dans l'espace annulaire 62, et les
fuites d'air depuis l'espace 62 vers l'intérieur dans la veine de turbine.
Les conduits 70 de la figure 3 qui assurent la communication
fluidique entre le passage annulaire 72 et l'espace annulaire 62 sont ici
remplacés par des perçages axiaux 90 formés dans le rebord 36 du
distributeur et des rainures axiales 92 formées dans les pattes annulaires
38 de ce rebord. Les perçages 90 débouchent à leurs extrémités aval
radialement à l'extérieur de la tôle 80. En variante, le rebord 36 du
distributeur peut comprendre des conduits 70 similaires à ceux de la figure
3, ces conduits débouchant à leurs extrémités aval radialement à l'extérieur
de la tôle.
Avant le montage de l'anneau 28 sur le carter de turbine 16, la tôle
80 peut déjà être plaquée au moyen des rivets sur la face aval 64 du rebord
de distributeur. L'anneau 28 est alors monté sur le rail de carter 58 et vient
buter sur la tôle 80 pour la précontraindre axialement.
En variante, avant le montage de l'anneau 28, la tôle 80 est
maintenue par les rivets et s'étend d'amont en aval vers l'extérieur de sorte
que seule sa périphérie interne soit en contact avec la face aval du rebord
36. La fixation de l'anneau sur le carter permet alors de plaquer la
périphérie externe de la tôle sur le rebord externe du distributeur.
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Dans encore une autre variante représentée en figure 5, la tôle
annulaire 80' n'est pas plane mais incurvée avec une concavité orientée
axialement vers l'amont. Dans l'exemple représenté, la tôle 80' comprend
au voisinage de sa périphérie externe une partie annulaire incurvée à
5 section en forme de V ou de U dont l'ouverture est orientée vers l'amont.
Cette tôle 80' est montée de la même manière que la tôle 80 décrit
précédemment, et sa partie incurvée délimite un espace annulaire 94 avec
la face aval 64 du rebord externe 36 du distributeur. Il n'est donc pas
nécessaire de prévoir une gorge annulaire sur cette face 64, comme c'est
10 le cas dans le mode de réalisation de la figure 3. La partie incurvée de la
tôle 80' est en appui contre l'extrémité amont de l'anneau (en C3), cet
anneau exerçant une force suffisante en direction axiale vers l'amont sur la
tôle 80' pour que celle-ci subisse une légère déformation élastique en
flexion, comme cela a été décrit en référence à la figure 3.
La tôle d'étanchéité 80, 80' est réalisée en alliage métallique, et a
une épaisseur relativement faible de l'ordre de un à quelques millimètres
environ.
Bien que la tôle 80, 80' selon l'invention soit associée dans l'exemple
représenté à un distributeur dont le rebord externe 36 comprend des
moyens de communication fluidique entre le passage annulaire 72 et
l'espace annulaire 62, cette tôle pourrait être associée à un distributeur
dépourvu de tels moyens. La tôle pourrait en outre être fixée sur le
distributeur par d'autres moyens de fixation que les rivets 82. Elle pourrait
éventuellement être fixée sur l'extrémité amont de l'anneau 28.
