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WO 2009/144191
PCT/EP2009/056279
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TURBINE HAUTE PRESSION D'UNE TURBOMACHINE
AVEC MONTAGE AMELIORE DU BOITIER DE PILOTAGE DES JEUX
RADIAUX D'AUBES MOBILES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR
La présente invention concerne une turbine
haute-pression dans une turbomachine telle qu'un
turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion.
Une turbine haute-pression de turbomachine
comprend au moins un étage comportant un distributeur
formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes de
redressement et une roue à aubes montée rotative en
aval du distributeur dans un ensemble cylindrique ou
tronconique de secteurs d'anneau disposés bout à bout
circonférentiellement. Ces secteurs
d'anneau
comprennent à leurs extrémités amont et aval des moyens
d'accrochage sur un support annulaire qui est fixé à un
carter externe de la turbine.
Les jeux radiaux entre les aubes mobiles de
la roue et les secteurs d'anneau doivent être minimisés
pour améliorer le rendement de la turbomachine tout en
évitant un frottement des extrémités des aubes sur les
secteurs d'anneau, qui se traduirait par une usure de
ces extrémités et par une dégradation du rendement de
la turbomachine à tous les régimes de fonctionnement.
Pour minimiser ces jeux radiaux, il a déjà
été proposé d'implanter des couronnes annulaires
entourant l'anneau fixe qui sont parcourues par de
l'air prélevé sur d'autres parties de la turbomachine.
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L'air prélevé est ainsi injecté sur la surface externe
de l'anneau fixe et provoque des dilatations ou
contractions thermiques de ce dernier en faisant ainsi
varier son diamètre. Les dilatations et contractions
thermiques sont commandées selon le régime de
fonctionnement de la turbine par l'intermédiaire d'une
vanne dont la commande permet de commander le débit et
la température de l'air alimentant les conduites.
L'ensemble constitué par les conduites et la vanne est
appelé communément boitier de pilotage du jeu en sommet
d'aubes.
La demanderesse a ainsi proposé, dans la
demande de brevet FR 2 865 237, un boitier de pilotage
particulièrement performant car l'air injecté permet un
refroidissement efficace et homogène.
Un exemple de montage de boitier de
pilotage sur le carter externe de la turbine haute
pression de turbomachine est montré en figures 1 et 1A.
Sur ces figures, on peut distinguer qu'une paroi 400 du
boitier de pilotage 40 est fixée au carter externe 22
de la turbine 10 en deux points diamétralement opposés
par l'intermédiaire d'une bague filetée 45.
Les inventeurs ont constaté que lors du
fonctionnement de la turbomachine équipé de la turbine
haute pression, le boitier de pilotage est soumis à des
vibrations qui peuvent être endommageantes au niveau de
ses points de fixation. En effet, il apparaît un risque
de criques au niveau de ses points de fixation.
Le but de l'invention est alors de proposer
une solution qui permette d'éviter les sollicitations
gênantes au niveau des points de fixation du boitier de
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pilotage au carter externe, lors du fonctionnement de
la turbine haute pression d'une turbomachine.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Pour ce faire, l'invention a pour objet une
turbine haute pression de turbomachine comprenant :
- un carter externe,
- au moins un distributeur formé d'une
rangée annulaire d'aubes fixes de redressement,
- une roue à aubes montée rotative en aval
du distributeur,
- un ensemble formant anneau disposé à la
circonférence des aubes rotatives,
- un dispositif de contrôle de jeu radial
entre les sommets des aubes rotatives et l'anneau
comprenant un boitier de pilotage supportant des rampes
annulaires percées et fixé au carter externe en au
moins deux points distants,
- un support annulaire portant l'anneau et
fixé au carter externe, caractérisée en ce qu'elle
comprend en outre un élément annulaire présentant une
flexibilité prédéterminée avec une extrémité fixée au
support annulaire et avec l'autre extrémité en appui
simple axial avec une pression donnée contre l'amont du
boitier de pilotage, l'élément annulaire à flexibilité
prédéterminée et en appui avec pression donnée
constituant ainsi un amortisseur d'au moins une partie
des vibrations du boitier générées lors du
fonctionnement de la turbomachine.
Un exemple avantageux du boitier de
pilotage utilisable dans l'invention est celui divulgué
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dans le mode de réalisation de la demande de brevet
FR 2 865 237. Le contenu de cette demande antérieure
est donc intégralement compris dans la présente
demande.
On prévoit selon l'invention une
dissipation de l'énergie des vibrations du boitier
générées par des modes d'excitations de la turbomachine
par combinaison de frottement au niveau de l'appui
axial et de freinage du boitier de pilotage grâce à la
flexion de l'élément annulaire supplémentaire.
Ainsi, on évite le risque d'apparitions de
criques au niveau des points de fixation en ne rendant
plus néfastes certaines sollicitations vibratoires.
En d'autres termes, grâce à l'élément
amortisseur selon l'invention, on perturbe
l'installation de modes de vibration néfastes.
On améliore en conséquence la durée de vie
du boitier de pilotage.
Selon un mode de réalisation, l'élément
amortisseur est un profilé métallique obtenu par
usinage ou par formage de tôle
Avantageusement, la forme géométrique de
l'élément amortisseur est composée d'une couronne
continue fixée au support annulaire et prolongée d'une
pluralité de lames identiques, régulièrement espacées
et inclinées par rapport à la couronne et dont
l'extrémité recourbée constitue l'appui par pression
avec l'amont du boitier.
Le nombre de lames de l'élément amortisseur
est de préférence égal à un multiple de dix-huit. Des
études ont montré qu'un tel choix, comme par exemple un
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nombre de soixante douze lames réparties régulièrement
circonférentiellement pour un diamètre de 0.680m ont
donné pleinement satisfaction.
Selon une variante de
réalisation
5 avantageuse, le boitier de pilotage et l'élément
amortisseur sont réalisés dans le même matériau.
Selon une autre variante, un matériau
anti-usure est intercalé dans la zone d'appui entre
l'élément amortisseur et l'amont du boitier afin de
diminuer l'usure par frottement de l'amortisseur ou du
boitier. De préférence, une couche de matériau anti-
usure est déposée sur l'amont du boitier dans la zone
d'appui avec l'élément amortisseur.
Selon une variante de réalisation,
l'élément amortisseur est constitué d'au moins deux
secteurs angulaires fixés en bout à bout et réalisant
la forme annulaire complète de l'amortisseur. Ainsi, de
préférence, l'élément amortisseur est constitué d'un
nombre de deux, six ou dix-huit secteurs angulaires
fixés en bout en bout et réalisant la forme annulaire
complète de l'amortisseur.
De préférence, l'élément amortisseur est
fixé au support annulaire par l'intermédiaire de vis
qui servent également à la fixation de pièces de butée
axiale d'entretoise. Ces pièces sont généralement
appelées tôles d'arrêt.
L'invention concerne également un profilé
métallique pour turbine haute pression de turbomachine,
comprenant au moins un secteur angulaire de couronne
continue prolongé d'une pluralité de lames identiques,
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régulièrement espacées et inclinées par rapport au
secteur de couronne et dont l'extrémité est recourbée.
L'invention concerne enfin une turbomachine
comprenant une turbine haute pression décrite ci-
dessus.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres avantages et caractéristiques de
l'invention ressortiront mieux à la lecture de la
description détaillée faite, à titre d'exemple, en
référence aux figures suivantes parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue schématique en
coupe transversale d'une turbine haute pression de
turboréacteur réalisée au niveau des points de fixation
du boitier de pilotage avec le carter externe,
- la figure 1A est une vue de détail de la
figure 1 montrant une zone de fixation du boitier de
pilotage avec le carter externe,
- la figure 2 est une demi-vue schématique
partielle en coupe longitudinale d'une turbine haute
pression de turboréacteur selon l'invention,
- la figure 3 est une vue de détail en
perspective d'un élément amortisseur selon l'invention,
- la figure 4 est une vue en coupe
partielle et en perspective d'une turbine haute
pression selon l'invention réalisée au niveau des
points de fixation du boitier de pilotage avec le
carter externe.
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EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La figure 1 représente de manière
schématique une partie d'une turbomachine telle qu'un
turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion comprenant
une turbine haute-pression 10 agencée en aval d'une
chambre de combustion 12, et en amont d'une turbine
basse-pression 14 de la turbomachine.
La chambre de combustion 12 comprend une
paroi de révolution externe 50 reliée à son extrémité
aval à une extrémité radialement interne d'une paroi
tronconique 58 qui comporte à son extrémité radialement
externe une bride annulaire radialement externe 60 de
fixation sur une bride annulaire 62 correspondante d'un
carter externe 64 de la chambre.
La turbine haute-pression 10 comprend un
seul étage de turbine comportant un distributeur 16
formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes de
redressement, et une roue à aubes 18 montée rotative en
aval du distributeur 16.
La turbine basse-pression 14 comprend
plusieurs étages de turbine, chacun de ces étages
comportant également un distributeur et une roue à
aubes, seul le distributeur 47 de l'étage basse-
pression amont étant visible en figure 1.
La roue 18 de la turbine haute-pression 10
tourne à l'intérieur d'un ensemble sensiblement
cylindrique de secteurs d'anneau 20 qui sont disposés
circonférentiellement bout à bout et suspendus à un
carter externe de turbine 22 par l'intermédiaire d'un
support annulaire 24. Ce support annulaire 24 comprend
à sa périphérie interne des moyens 26 d'accrochage des
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secteurs d'anneau 20 et comprend une paroi 28 qui
s'étend vers l'amont et vers l'extérieur et qui est
reliée à son extrémité radialement externe à une bride
annulaire radialement externe 30 de fixation le carter
externe de turbine 22. La bride 60 est intercalée
axialement entre la bride 30 et la bride 62 du carter
de turbine 22 et est serrée axialement entre ces brides
par des moyens appropriés du type vis-écrou 7.
Le support annulaire 24 comprend à sa
périphérie interne deux parois annulaire radiales 34,
36, respectivement amont et aval, qui sont reliées
l'une à l'autre par une paroi cylindrique 38. Les
parois radiales 34, 36 comprennent à leurs extrémités
radialement internes des rebords cylindriques 90
orientés vers l'aval qui coopèrent avec des crochets
circonférentiels 92, 94 prévus aux extrémités amont et
aval des secteurs d'anneau 20. Un organe annulaire de
verrouillage 96 à section en C est engagé axialement
depuis l'aval sur le rebord cylindrique aval 90 du
support et sur les crochets aval 94 des secteurs
d'anneau pour assurer le verrouillage de l'ensemble.
La paroi 28 du support annulaire 24 définit
avec la paroi tronconique 58 de la chambre une enceinte
annulaire 80 qui est alimentée en air de ventilation et
de refroidissement par des orifices 82 formés dans la
paroi tronconique 58. Des orifices non représentés sont
formés dans la paroi radiale amont 34 du support
annulaire 24 pour établir une communication fluidique
entre l'enceinte 80 et une cavité annulaire 86 de
refroidissement des secteurs d'anneau 20 délimitée
extérieurement par la paroi cylindrique 38 du support
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annulaire.
La paroi externe 66 du distributeur
comprend à chacune de ses extrémités amont et aval une
rainure annulaire 74 débouchant radialement vers
l'extérieur. Des garnitures annulaires d'étanchéité 76
sont logées dans ces rainures 74 et coopèrent avec des
nervures cylindriques 78 formées sur la paroi
tronconique 58 et sur la paroi radiale amont 34 du
support annulaire 24, respectivement, pour empêcher le
passage de gaz depuis la veine de la turbine
radialement vers l'extérieur de la paroi externe 66, et
inversement, le passage d'air depuis l'enceinte 80
radialement vers l'intérieur dans la veine de la
turbine.
En outre, afin d'accroître le rendement de
la turbine, il est nécessaire de réduire autant que
possible le jeu radial entre le sommet des aubes
mobiles 18 et l'anneau 20.
Un dispositif de contrôle de jeu
supplémentaire D est donc prévu. Ce dispositif D
comprend un boîtier circulaire de pilotage 40 entourant
l'anneau fixe 20, et plus précisément le support
annulaire 24.
Selon les régimes de fonctionnement de la
turbomachine, le boîtier de pilotage 40 est destiné à
refroidir ou à réchauffer les ailettes amont 240 et
aval 242 du support annulaire 24 par décharge (ou
impact) d'air sur celles-ci. Sous l'effet de cette
décharge d'air, le support annulaire 24 se rétracte ou
se dilate, ce qui diminue ou augmente le diamètre des
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segments d'anneau fixe 20 de la turbine afin d'ajuster
le jeu en sommet d'aubes 18.
Le boîtier de pilotage 40 supporte au moins
trois rampes annulaires de circulation d'air 41, 42 et
5 43 qui entourent le support annulaire 24 de l'ensemble
à anneau fixe. Ces rampes sont espacées axialement
l'une de l'autre et sont sensiblement parallèles les
unes par rapport aux autres. Elles sont disposées de
part et d'autre de faces latérales de chacune des
10 ailettes 240, 242 dont elles épousent approximativement
la forme.
Le boîtier de pilotage 40 comporte
également un tube collecteur d'air non représenté pour
alimenter en air les rampes de circulation d'air 41, 42
et 43. Ce tube collecteur d'air entoure les rampes 41,
42 et 43 et les alimente en air par l'intermédiaire de
conduites d'air 44.
Dans le mode de réalisation illustré, un
tel boitier de pilotage 40 est constitué de deux demi-
coquilles bridées entre elles et est fixé au carter
externe 22 au moyen de bagues filetées 45 en deux
points diamétralement opposés (figure 1).
Les inventeurs ont constaté que lors du
fonctionnement de la turbomachine comprenant la turbine
haute pression 10 tel qu'illustrée précédemment, il
pouvait y avoir un risque d'apparitions de criques au
niveau des points de fixation 45.11s ont mis en
évidence que cela était du au fait que le boitier de
pilotage 40 est soumis à des vibrations néfastes qui
peuvent être endommageantes au niveau de ses points de
fixation 45.
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Sur les figures 1 et 1A, on a représenté
schématiquement par des contours elliptiques les zones
précises Z d'apparition du risque de criques aux abords
des bouches de fixation 46.
Pour pallier ce risque de criques, selon
l'invention, un élément annulaire 5 à flexibilité
prédéterminée est implanté dans la cavité délimitée par
le support annulaire 24 et le carter externe 22 en
amont du boitier de pilotage 40 (figures 2 et 4).
Son implantation est réalisée telle que
l'une de ses extrémités 51 est fixée au support
annulaire 14 par l'intermédiaire d'un système de
vis/écrou 29 et l'autre extrémité 52 est en appui
simple axial avec une pression donnée contre l'amont
401 du boitier de pilotage 40.
Cet élément annulaire 5 à flexibilité
prédéterminée et en appui avec pression donnée
constitue ainsi un amortisseur d'au moins une partie
des vibrations du boitier de pilotage 40 générées lors
du fonctionnement de la turbine.
L'amortissement ainsi prévu selon
l'invention est une dissipation d'énergie des
vibrations du boitier 40 générées lors du
fonctionnement de la turbomachine par combinaison de
frottement au niveau de l'appui axial 51 et de freinage
du boitier de pilotage 40 grâce à la flexion de
l'élément annulaire entre ses extrémités 51, 52 lors du
fonctionnement de la turbomachine. En d'autres termes,
l'élément amortisseur 5 améliore la dissipation
d'énergie et l'amortissement dynamique des rampes 41,
42, 43 de pilotage du jeu radial des aubes rotatives 18.
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L'élément amortisseur 5 ainsi prévu permet
d'éviter les sollicitations mécaniques vibratoires du
boitier de pilotage 40 sans avoir à modifier son mode
de fixation au carter externe 22 (figure 4).
Dans le mode de réalisation illustré,
chaque secteur angulaire constituant l'élément
amortisseur 5 est un profilé métallique obtenu par
formage de tôle.
Tel qu'illustré en figure 3, la forme
géométrique de l'élément amortisseur 5 est composée
d'une couronne continue 51 fixée au support annulaire
et prolongée d'une pluralité de lames identiques 510,
régulièrement espacées et inclinées par rapport à la
couronne 51 et dont l'extrémité 52 recourbée constitue
l'appui par pression avec l'amont 401 du boitier. Ces
lames 510 qui permettent d'obtenir l'appui par pression
sur l'amont du boitier peuvent par exemple être
réalisées dans un profilé métallique continu par des
usinages de type traits de scie schématisés par
l'espacement 53 entre deux lames 510 consécutives.
Suivant le besoin, notamment en fonction de la pression
d'appui donnée que l'on cherche à obtenir sur le
boitier, le nombre de lames 510 sur toute la
circonférence peut être adapté par modification de la
largeur du trait de scie effectuée. Le nombre de lames
de l'élément amortisseur 5 est égal à un multiple de
dix-huit. Par exemple, un nombre de soixante douze
lames est souhaitable. Il est envisageable également
d'implanter trente-six ou cent quarante quatre lames.
Le boîtier de pilotage 40 et l'élément amortisseur 5
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sont de préférence réalisés dans le même matériau. Il
peut s'agir d'un alliage de type HastelloyE X.
Afin d'éviter l'usure prématurée du boitier
de pilotage 40 ou de l'élément amortisseur 5 en
frottement mutuel et d'améliorer la dissipation
d'énergie par frottement, il est préférable
d'intercaler un matériau anti-usure dans la zone
d'appui 52 entre l'élément amortisseur 5 et l'amont 401
du boitier 40. Il peut s'agir d'un alliage de type
TribaloyE 800 ou du TribaloyE 800 avec du CoCrAlYSi. Le
matériau intercalé peut avantageusement être une couche
de matériau anti-usure déposée sur l'amont 401 du
boitier 40 dans la zone d'appui 52 avec l'élément
amortisseur 5. En réalisant ainsi un dépôt rugueux on
change le coefficient de frottement et on améliore la
dissipation d'énergie.
L'élément amortisseur 5 est constitué d'au
moins deux secteurs angulaires fixés en bout en bout et
réalisant la forme annulaire complète de l'amortisseur.
Un minimum de deux secteurs angulaires répond aux
contraintes de montage et de dilatation différentielle
rencontrées au niveau de zone de fixation 51 avec le
support annulaire 24 de la turbine haute pression. Le
nombre de secteurs angulaires peut être augmenté à
souhait. Il peut par exemple être constitué d'un nombre
de deux, six ou dix-huit secteurs angulaires fixés en
bout à bout et réalisant la forme annulaire complète de
l'amortisseur. Un nombre de dix-huit secteurs
angulaires identiques est particulièrement avantageux
car il permet la fixation de chacun d'entre eux au
support annulaire par l'intermédiaire de vis/écrou 29
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qui servent également à la fixation de pièces de butée
axiale des entretoises 88. Ces pièces sont généralement
appelées tôles d'arrêt.
Ainsi, selon l'invention, le nombre de
secteurs angulaires et le nombre de lames doivent être
un multiple du nombre de vis de fixation dans le but
d'avoir des secteurs identiques.
Ainsi, toute réalisation de secteurs
angulaires qui permet leur fixation par les systèmes
vis/écrous 29 déjà existants pour fixer les pièces de
butée axiale est avantageuse car aucun moyen de
fixation supplémentaire de l'élément amortisseur n'est
à prévoir dans le cadre de l'invention.
L'invention qui vient d'être décrite est
avantageuse car elle permet de répondre au problème de
sollicitations mécaniques gênantes subies par le
boitier de pilotage lors du fonctionnement de la
turbomachine qui en est équipée grâce à un élément
amortisseur :
* - simple de réalisation (profilé métallique
5 au montage aisé),
- adaptable à une turbine haute-pression
existante sans modification de l'environnement
(fixation du profilé dans une cavité structurelle
existante entre carter externe 22 et support annulaire
au moyen de vis/écrou déjà prévus pour fixer d'autres
pièces ; aucune modification du mode de fixation du
boitier de pilotage).
