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CA 02777370 2012-04-11
WO 2011/073570 PCT/FR2010/052721
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ETAGE DE TURBINE DANS UNE TURBOMACHINE
La présente invention concerne un étage de turbine dans une
turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur.
Une turbomachine comprend essentiellement d'amont en aval un
compresseur, une chambre de combustion et une turbine, le compresseur
alimentant la chambre de combustion en air sous pression, et la turbine
recevant les gaz chauds provenant de la chambre de combustion pour en
extraire de l'énergie.
Classiquement, un étage de turbine basse pression comprend un
redresseur formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes s'étendant
radialement entre deux plates-formes annulaires interne et externe et une
roue de rotor montée en aval du redresseur à l'intérieur d'un anneau
sectorisé porté par un carter entourant l'étage de turbine.
Chaque secteur d'anneau porte sur une face interne une garniture
d'étanchéité coopérant avec les périphéries externes des aubes de la roue
de rotor et comprend sur une face externe des moyens d'accrochage sur le
carter formés par des rebords circonférentiels amont et aval. Le rebord
circonférentiel amont est engagé axialement dans une gorge annulaire
portée par une patte annulaire amont du carter et le rebord circonférentiel
aval est serré radialement sur une patte annulaire aval du carter par un
organe de verrouillage à section en C engagé axialement depuis l'aval sur
le rebord circonférentiel aval et la patte annulaire aval.
Une cavité annulaire est définie entre l'anneau et le carter et
délimitée en amont et aval par les pattes annulaires du carter. La patte
annulaire amont comprend des orifices alimentant cette cavité en air
prélevé sur un étage de compression de la turbomachine.
L'introduction d'air de refroidissement dans une cavité au droit de
l'anneau de turbine permet d'éviter une ouverture importante du jeu en
sommet d'aubes, c'est-à-dire entre les extrémités radialement externes des
aubes et la garniture d'étanchéité, pour minimiser le passage d'air sous
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pression en dehors de la zone balayée par les aubes et éviter ainsi que les
performances de la turbine ne soient pénalisées.
Il est connu de réaliser les secteurs d'anneau en matériau composite
à matrice céramique pour tirer parti de leurs bonnes propriétés mécaniques
à des températures élevées tandis que le carter est généralement réalisé
dans un matériau métallique. L'anneau est donc plus rigide que le carter et
possède un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui du carter
métallique, ce qui conduit à des différences de dilatation entre l'anneau et
le carter.
Dans sa demande FR0951446, la demanderesse a proposé de
bloquer axialement l'anneau sur la patte annulaire aval par engagement
radial de formes complémentaires prévues sur l'anneau et sur la patte
annulaire, un jonc annulaire étant monté dans une gorge annulaire d'une
face de la patte annulaire en regard du rebord circonférentiel aval de
l'anneau et compressé sur ce rebord.
Toutefois, en fonctionnement, chaque secteur d'anneau se dilate et
se déforme en prenant une forme incurvée concave dans la direction
circonférentielle, avec une concavité tournée vers l'extérieur (phénomène
de décambrage). Ainsi, on observe la formation d'espacements radiaux
entre la patte annulaire aval du carter et les rebords circonférentiels aval
des secteurs d'anneau.
Ces espacements radiaux sont tels que le jonc annulaire s'avère
insuffisant pour réaliser l'étanchéité du rebord circonférentiel aval sur la
patte annulaire du carter et des fuites d'air de refroidissement se produisent
entre les rebords circonférentiels aval des secteurs d'anneau et la patte
annulaire aval du carter.
Dans d'autres réalisations où l'anneau n'est pas en matériau
composite, l'étanchéité de la fixation aval entre le rebord circonférentiel
aval de l'anneau et la patte annulaire aval du carter est réalisée par une
précontrainte axiale de la patte annulaire aval sur une face radiale du
rebord circonférentiel aval qui est opposée à l'organe de verrouillage.
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Cependant, ce montage avec précontrainte axiale à froid n'est pas
envisageable dans le cas d'un anneau en composite du fait de sa rigidité
importante et de sa faible dilatation thermique.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple,
économique et efficace à ces problèmes, permettant d'éviter les
inconvénients de la technique connue.
A cette fin, elle propose un étage de turbine pour une turbomachine,
comprenant une roue à aubes tournant à l'intérieur d'un anneau sectorisé
en matériau composite porté par un carter, chaque secteur d'anneau
comprenant un rebord circonférentiel aval maintenu en appui radial sur une
patte annulaire du carter par un verrou en C, caractérisé en ce que la patte
annulaire du carter est engagée radialement dans une rainure annulaire du
rebord circonférentiel aval de l'anneau avec un jeu axial à froid défini pour
s'annuler à chaud en fonctionnement et permettre un serrage axial étanche
de la patte annulaire du carter dans la rainure annulaire du secteur
d'anneau.
Selon l'invention, l'étanchéité du rebord circonférentiel aval de
l'anneau en fonctionnement est assurée par le serrage axial des extrémités
amont et aval de la patte annulaire aval du carter dans la rainure annulaire,
du fait de la dilatation plus importante du carter par rapport à l'anneau en
composite. La courbure concave de l'anneau et de son rebord
circonférentiel aval est ainsi compensée par le serrage axial de la patte
annulaire garantissant l'étanchéité de la fixation aval de l'anneau.
Avantageusement, la patte annulaire du carter comprend des faces
radiales amont et aval destinées à venir en appui à chaud sur des flancs
radiaux de la rainure. En fonctionnement, les faces radiales de la patte
annulaire et les flancs radiaux de la rainure conservent leur forme radiale
assurant un contact annulaire entre les faces radiales de l'anneau et les
flancs radiaux de la rainure.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le jeu axial précité à
froid est de l'ordre du dixième de millimètre.
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Il est également possible de prévoir un jonc annulaire d'étanchéité
logé dans une gorge annulaire de la face de la patte annulaire qui est
appliquée sur le fond de la rainure annulaire du secteur d'anneau.
Avantageusement, le matériau composite est du type à matrice
céramique et le carter est réalisé en matériau métallique.
L'invention concerne également une turbomachine, telle qu'un
turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant un étage de
turbine haute pression du type décrit précédemment.
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et
caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description
suivante faite à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins
annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un étage
de turbine selon la technique antérieure ,
- la figure 2 est une vue schématique en coupe transversale selon le plan
de coupe A-A indiqué sur la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un étage
de turbine à froid selon l'invention et selon un plan de coupe ne
passant pas par un organe de verrouillage ;
- la figure 4 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'un étage
de turbine à chaud selon l'invention et selon un plan de coupe passant
par un organe de verrouillage.
On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente une partie d'un
étage de turbine 10 dans une turbomachine qui comprend un étage
distributeur comportant une pluralité d'aubes fixes et agencé en amont
d'une roue mobile comportant une pluralité d'aubes et tournant à l'intérieur
d'un anneau 12 porté par un carter externe 14.
L'anneau 12 est formé d'une pluralité de secteurs d'anneau
sensiblement cylindriques juxtaposés circonférentiellement bout à bout.
Chaque secteur d'anneau comprend une partie cylindrique 16 portant sur
sa face interne une garniture d'étanchéité 18 en matériau abradable
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coopérant avec les périphéries externes des aubes de la roue de rotor.
Chaque secteur d'anneau comprend deux pattes annulaires amont 18 et
aval 20 d'accrochage sur le carter 14. L'extrémité externe de la patte
annulaire amont 18 comprend un rebord circonférentiel 22 orienté vers
5 l'amont et engagé axialement dans une gorge annulaire 24 tournée vers
l'aval formée dans une patte annulaire radiale 26 du carter. L'extrémité
externe de la patte annulaire aval 20 de l'anneau comprend un rebord
circonférentiel 28 orienté vers l'aval et serré radialement sur une partie
cylindrique 30 d'une patte annulaire 32 du carter 14 grâce à un organe de
verrouillage 32 à section en C engagé axialement sur le rebord
circonférentiel aval 28 et sur la partie cylindrique 30 de la patte annulaire
aval 32 du carter 14.
Chaque rebord circonférentiel aval 20 d'un secteur d'anneau
comprend au moins une encoche alignée radialement avec une encoche
de la partie cylindrique 30 de la patte annulaire 32 aval du carter 14 et dont
la largeur est suffisante pour permettre l'engagement axial de l'organe de
verrouillage 32 et la fixation de l'anneau 12 sur le carter 14.
Une cavité annulaire 34 est définie entre l'anneau 12 sectorisé et le
carter 14 et délimitée en amont par les pattes annulaires amont 18, 26 de
l'anneau 14 et du carter 14, respectivement, et en aval par les pattes
annulaires aval 20, 32 de l'anneau 12 et du carter 14, respectivement.
La patte annulaire amont 26 du carter 14 comprend des orifices 36
de passage d'air de refroidissement provenant d'un espace de
contournement de la chambre de combustion, c'est-à-dire de l'air circulant
entre le carter externe de la chambre de combustion et la paroi de
révolution externe de la chambre de combustion. Pour éviter des fuites d'air
de refroidissement entre la partie cylindrique 30 de la patte annulaire aval
32 du carter 14 et le rebord circonférentiel aval 20 de l'anneau 12, un jonc
annulaire d'étanchéité 38 est monté dans une gorge annulaire 40 de la face
interne de la partie cylindrique 30. Ce jonc 38 est comprimé radialement
dans la gorge annulaire 40 et sur le rebord circonférentiel aval 28 de
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l'anneau 12. La face interne de la partie cylindrique 30 comprend une
nervure 42 engagée radialement dans un évidement annulaire du rebord
circonférentiel aval 28 de l'anneau 12 pour assurer le blocage axial de
l'anneau 12 sur le carter 14.
Les faces radiales des extrémités circonférentielles de chaque
secteur d'anneau comprennent chacune trois fentes 44, 46, 48 logeant
chacune une lamelle d'étanchéité. Une première fente 44 est formée dans
la partie cylindrique 16 de l'anneau 12 et s'étend sensiblement sur toute la
longueur de l'anneau 12 et est parallèle à l'axe longitudinal de l'anneau 12.
Les deux autres fentes 46, 48 sont obliques et formées chacune dans la
patte annulaire amont 18 et la patte annulaire aval 20 de l'anneau,
respectivement. Les extrémités radialement internes des deux fentes 46,
48 obliques débouchent dans une partie médiane de la fente longitudinale
44 et leurs extrémités radiales débouchent au niveau des faces externes
des rebords circonférentiels amont 22 et aval 28. Chaque lamelle est
insérée pour moitié dans une fente 44, 46, 48 d'un secteur et pour l'autre
moitié dans une fente correspondante en vis-à-vis formée dans une face
radiale d'un secteur d'anneau adjacent.
Toutefois, comme expliqué précédemment, chaque secteur
d'anneau en composite se déforme sous l'effet de la chaleur et adopte une
forme incurvée concave à concavité tournée vers l'extérieur (figure 2). Le
carter 14 subit également une déformation et comporte des ondulations
circonférentielles. Il s'ensuit, du fait des dilatations différentielles entre
l'anneau 12 en composite et le carter 14, la formation d'un espace radial R
entre chaque rebord circonférentiel 28 et la partie cylindrique 30 d'une patte
aval 32 du carter 14 conduisant à des fuites de l'air de ventilation de la
cavité annulaire 34 vers la veine de gaz de la turbine.
L'invention permet de remédier à ce problème ainsi qu'à ceux
mentionnés précédemment en formant une rainure annulaire 50 dans la
face cylindrique externe du rebord circonférentiel aval 52 de l'anneau 54,
dans laquelle est engagée radialement la partie cylindrique aval 55 de la
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patte annulaire aval 56 du carter 14 avec un jeu axial j à froid destiné à
s'annuler en fonctionnement du fait de la dilatation plus importante du
carter 14 et de sa patte annulaire aval 56 par rapport à la dilatation de
l'anneau 54 en composite (figure 3).
La rainure annulaire 50 comprend deux flancs annulaires radiaux
amont 58 et aval 60. La partie cylindrique aval 55 de la patte annulaire aval
56 du carter 14 comprend deux faces radiales amont 62 et aval 64. En
fonctionnement à chaud, les faces radiales 62, 64 de la patte annulaire aval
56 du carter 14 viennent en appui sur les flancs radiaux 58, 60 de la rainure
50, du fait de la dilatation différentielle entre l'anneau 54 en composite et
le
carter 14, ce qui assure un serrage axial de la patte annulaire 56 dans la
rainure 50 et réalise une étanchéité à l'air de ventilation circulant dans la
cavité 34. Ce serrage axial permet d'assurer en même temps le blocage
axial de l'anneau 54 sur le carter 14.
La profondeur de la rainure 50 est choisie de manière à être
supérieure à l'écart radial R maximal en fonctionnement entre la face
interne 66 de la partie cylindrique aval 55 de la patte aval 56 du carter 14
et
la paroi de fond 68 de la rainure 50, afin d'assurer en permanence un
serrage axial étanche à chaud et éviter une désolidarisation axiale de
l'anneau 54 par rapport au carter 14.
Le montage d'un secteur d'anneau est réalisé en insérant le rebord
circonférentiel amont 22 de l'anneau 54 dans la gorge annulaire de la patte
amont 18 du carter 14 puis l'extrémité aval de l'anneau est basculée vers
l'extérieur pour que la partie cylindrique 55 s'applique dans le fond de la
rainure 50. Le jeu axial j à froid permet de faciliter le basculement vers
l'extérieur de l'anneau 54 sur le carter 14.
Un jonc annulaire 38 est logé dans une gorge annulaire 40 de la face
66 de la patte annulaire aval 56 du carter qui est appliquée sur le fond 68
de la rainure 50.
De manière similaire à la technique antérieure, chaque rebord
circonférentiel aval 52 d'un secteur d'anneau comprend une encoche
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alignée radialement avec une encoche de la partie cylindrique de la patte
annulaire aval du carter pour le montage axial de l'organe de verrouillage
32 à section en C.
Les moyens d'étanchéité inter-secteurs sont similaires à ceux de la
technique antérieure. On notera toutefois, que selon l'invention, la fente
oblique de la patte annulaire aval 64 de l'anneau 54 débouche dans la
rainure 50 et au niveau du jonc 38.
Dans une réalisation particulière de l'invention, le jeu axial à froid est
de l'ordre de 0,1 millimètre.
L'anneau 54 peut être réalisé en matériau composite à matrice
céramique résistant bien aux températures élevées telles que celles
régnant dans une turbine haute pression et le carter 14 est réalisé dans un
matériau métallique tel que de l'INCO ou de l'acier.
