Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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PLATINE D'ETANCHEITE A FONCTION DE FUSIBLE
DOMAINE DE L'INVENTION
Le domaine de l'invention est celui des platines d'étanchéité de
turbomachine, et des turbomachines comprenant de telles platines.
ETAT DE LA TECHNIQUE
En référence à la figure la, une turbomachine T comprend classiquement
une turbine haute-pression 2 et une turbine basse-pression 3.
La turbine basse-pression comprend plusieurs étages de turbine, parmi
lesquels au moins un étage de rotor 4, c'est-à-dire d'aubage mobile, et un
étage de
stator 5, c'est-à-dire d'aubage fixe de distribution du flux d'air s'écoulant
dans la
turbine.
Le dernier étage de la turbine est un étage de rotor, qui est suivi en aval
par
rapport au flux d'air dans la turbomachine par un aubage fixe appelé carter
d'échappement 6, qui redresse le flux d'air avant son évacuation dans
l'atmosphère
par les tuyères. La circulation des gaz s'effectue d'amont en aval, c'est de
gauche à
droite sur les figures la et lb.
Pour assurer les performances aéronautiques de la turbomachine, et comme
visible sur la figure lb, le carter d'échappement 6 comprend un becquet 60
s'étendant vers l'amont du carter par rapport au flux d'air dans la veine.
Ce becquet coopère avec un ensemble becquet aval 40 sectorisé du dernier
étage de rotor 4 pour former un joint d'étanchéité dynamique, empêchant l'air
s'écoulant dans la veine de la turbine de s'écouler vers l'espace situé sous
les
becquets, et inversement.
L'étanchéité est réalisée grâce au recul naturel du dernier étage de rotor en
fonctionnement, qui amène le becquet aval du rotor à être superposé au becquet
amont du carter d'échappement dans la direction de l'axe de révolution de la
turbomachine. Comme le becquet aval 40 est un ensemble de pièces sectorisées
juxtaposées sur 360 et que le becquet 60 est une pièce monobloc, toutes deux
sont considérées comme deux pièces de révolution autour de cet axe, et il en
résulte un recouvrement non seulement axial mais aussi circonférentiel des
deux
becquets 40, 60.
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En cas de survitesse du dernier étage de rotor de la turbine, le recul de cet
étage peut être supérieur à son recul normal et entrainer un contact entre le
becquet
amont du carter d'échappement et l'étage de rotor.
Pour préserver au maximum l'intégrité de la turbomachine dans un tel cas, il
est prévu une hiérarchie de rupture des pièces, prévoyant notamment que le
becquet amont du carter d'échappement ne doit pas opposer de résistance à
l'étage
de rotor et rompre ou se plier au plus vite en cas de contact avec le rotor.
Cette capacité à rompre ou plier en premier en cas de contact est qualifiée
de fonction de fusible de la pièce.
Or, comme visible sur la figure lb, la géométrie actuelle du becquet amont
du carter d'échappement ne lui permet pas d'assurer cette fonction de fusible
car ce
becquet est trop robuste pour plier en cas de contact pour le rotor.
Cette géométrie n'est donc pas satisfaisante du point de vue de la sécurité
d'utilisation de la turbomachine.
PRESENTATION DE L'INVENTION
L'invention a pour but de pallier aux inconvénients de l'art antérieur, en
proposant un élément permettant d'assurer l'étanchéité entre le carter
d'échappement et un étage de rotor, tout en ayant une fonction fusible.
A cet égard, l'invention a pour objet un ensemble comprenant :
- un carter d'échappement, ledit carter étant de révolution autour d'un axe
moteur de turbomachine, et comprenant une bride de fixation à un support,
et
- une platine d'étanchéité de révolution autour de l'axe,
caractérisé en ce que la platine est rapportée sur la bride de fixation du
carter
d'échappement et présente une section radiale comprenant :
- une partie d'extrémité radialement interne,
- une partie d'extrémité radialement externe, et
- un coude s'étendant entre les deux parties d'extrémité,
lesdites parties formant entre elles un angle compris entre 80 et 100 degrés,
et la
partie d'extrémité radialement externe présentant une longueur dans une
direction
axiale comprise entre 15 et 35% de la hauteur de la platine mesurée dans la
direction radiale autour de l'axe de révolution, et la partie d'extrémité
radialement
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externe s'étendant sensiblement parallèlement audit axe, et en ce que ledit
coude
est angulairement ouvert vers l'aval dans la direction axiale par rapport au
flux d'air
dans la turbomachine.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de l'ensemble
décrit ci-dessus sont les suivantes :
- les parties d'extrémités de la platine forment entre elles un angle de 90
degrés, la partie d'extrémité radialement interne s'étendant sensiblement
radialement par rapport à l'axe de révolution de la platine,
- la platine comprend en outre une partie intermédiaire, le coude reliant
entre
elles la partie d'extrémité radialement externe et la partie intermédiaire la
platine
comprenant en outre un deuxième coude reliant entre elles la partie
intermédiaire et
la partie d'extrémité radialement interne,
- et la partie d'extrémité radialement interne de la platine présente une
longueur comprise entre 25 et 45% de la hauteur de la platine mesurée dans la
direction radiale autour de l'axe de révolution,
- la partie d'extrémité radialement externe de la platine présente un point
milieu sensiblement aligné avec la partie d'extrémité radialement interne,
- la partie intermédiaire de la platine comprend une portion radialement
interne, une portion radialement externe, et un coude formant un troisième
coude de
la platine, ledit coude reliant entre elles les portions interne et externe,
le premier et
le deuxième coude étant ouverts vers un même côté de la platine par rapport à
l'axe, et le troisième coude étant ouvert vers le côté opposé,
- le premier coude de la platine forme un angle, entre la partie
d'extrémité
externe et la portion externe de la partie intermédiaire, compris entre Set 15
degrés,
et le troisième coude forme un angle, entre les deux portions de la partie
intermédiaire, compris entre 60 et 80 degrés,
- le premier coude et le troisième coude de la platine correspondent à des
extrémités dans la direction axiale de la platine, et la distance, mesurée
dans la
direction axiale, entre le premier coude et la partie d'extrémité radialement
interne,
correspond sensiblement au quart de la distance, mesurée dans la direction
axiale,
entre le premier et le troisième coude.
- le carter comprend un becquet en saillie s'étendant parallèlement à
l'axe,
vers l'amont du carter par rapport au flux d'air, et le troisième coude de la
platine se
trouve en aval du becquet par rapport au flux d'air,
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- l'ensemble comprend en outre un support de carter, le carter étant fixé
au
support de carter par la bride de fixation, et la platine de révolution étant
fixée entre
la bride et le support de carter, et
- la hauteur de la platine est comprise entre 15 et 35% de la distance
entre
l'axe de révolution (Y-Y) et la partie d'extrémité radialement externe de la
platine.
Selon un deuxième aspect, l'invention propose également une turbomachine
comprenant un ensemble comme décrit ci-dessus.
La platine d'étanchéité selon l'invention présente une géométrie permettant à
la fois de réaliser une étanchéité entre le carter d'échappement et un étage
de
turbine, et un rôle de fusible.
En effet, le premier coude de la platine permet d'obtenir une portion
d'extrémité externe présentant une superposition dans la direction axiale avec
à la
fois le becquet amont du carter d'échappement, et le becquet aval de l'étage
de
rotor.
Cette géométrie confrère également une flexibilité à la platine, lui
permettant
de reculer vers l'aval par rapport à l'écoulement de l'air dans la
turbomachine, en
cas de recul trop important du rotor, tout en préservant le carter. Elle
assure ainsi un
rôle de fusible.
Le deuxième coude permet de réajuster géométriquement la partie externe
de la platine par rapport au lieu de bridage.
Enfin, le troisième coude permet, en rigidifiant la platine, de modifier ses
fréquences propres de vibration pour les écarter des fréquences de
fonctionnement
de la turbomachine. Une tôle avec trois coudes est en effet plus rigide qu'une
tôle
ne comprenant que deux coudes.
DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la
description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui
doit être lue
en regard des dessins annexés sur lesquels :
- La figure la, déjà décrite, représente schématiquement un exemple
de
turbomachine,
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- La figure lb, déjà décrite également, représente une vue en coupe
partielle d'une turbomachine au niveau d'un carter d'échappement,
- Les figures 2a et 2b représentent une vue en coupe radiale de deux
modes de réalisation d'une platine,
- Les figures 3a et 3b représentent une vue en coupe radiale d'un
ensemble de turbomachine comprenant un carter d'échappement et une
platine, respectivement selon les modes de réalisation des figures 2a et
2b.
- La figure 3c représente la déformation de la platine du mode de
lo réalisation des figures 2b et 3b en cas de recul maximal de l'étage
de
rotor placé en amont.
DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE
L'INVENTION
Conventionnellement, les gaz s'écoulent d'amont en aval à travers une
turbomachine, soit de gauche à droite dans les représentations de la présente
demande.
Sur les figures 3a et 3b, on a représenté un ensemble de turbomachine 1
comprenant un étage de rotor de turbine basse-pression 10 (visible sur la
figure 3b)
et un carter d'échappement 20, ces deux pièces étant de révolution autour d'un
axe
X-X de la turbomachine, représenté schématiquement pour illustrer les
directions
par rapport à cet axe, le carter d'échappement étant placé en aval de l'étage
de
rotor par rapport au flux d'air dans la turbomachine.
Pour assurer l'étanchéité de la veine de l'étage de rotor, par un composant
assurant également une fonction de fusible, l'ensemble de turbomachine
comprend
également une platine d'étanchéité 30, qui est rapportée sur le carter
d'échappement.
Cette platine est une pièce d'un seul tenant, de révolution autour d'un axe Y-
Y qui, lorsque la platine est montée dans l'ensemble, est confondu avec l'axe
X-X
de révolution de la turbomachine.
La platine peut être réalisée par tournage ou par emboutissage. Elle est
avantageusement réalisée en Hastelloy X.
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Sur les figures 2a et 2b, on a représenté une vue en coupe radiale d'une
telle platine, selon deux modes de réalisation, le second mode de réalisation
étant
préféré.
La platine comporte une section radiale identique sur toute sa circonférence.
La section radiale de la platine comprend une partie d'extrémité radialement
interne 32, et une partie d'extrémité radialement externe 34, ces deux parties
formant entre elles un angle compris entre 80 et 100 degrés, et
avantageusement
égal à 90 degrés.
Selon un mode de réalisation préféré, la partie d'extrémité radialement
interne 32 s'étend sensiblement radialement par rapport à l'axe de révolution
de la
platine, et la partie d'extrémité radialement externe 34 s'étend sensiblement
parallèlement à cet axe. Ceci permet, comme décrit dans la suite, lorsque la
platine
est fixée dans un ensemble 1, que la partie d'extrémité externe 34 de la
platine
s'étend parallèlement à l'axe de rotation X-X de la turbomachine et qu'elle
puisse
être superposée à un becquet amont du carter d'échappement.
De retour aux figures 2a et 2b, la platine comprend également un premier
coude 31 s'étendant entre les deux parties d'extrémités.
La partie d'extrémité radialement externe 34 présente une longueur L34
comprise entre 15 et 35% de la hauteur H de la platine, mesurée dans la
direction
radiale par rapport à l'axe de révolution. Avantageusement, la longueur dans
la
direction axiale L34 de la partie 34 est comprise entre 18 et 25%, par exemple
de
l'ordre de 20% de la hauteur de la platine.
La platine présente en outre une faible épaisseur, lui permettant de se
déformer facilement pour assurer sa fonction de fusible. Avantageusement,
l'épaisseur e de la platine est inférieure à 0,5 mm, de préférence comprise
entre 0,3
et 2 mm.
Avantageusement, comme visible sur les figures 2a et 2b, la platine 30
comprend en outre une partie intermédiaire 36, et un deuxième coude 33.
La partie intermédiaire 36 est disposée entre les parties d'extrémités 32, 34,
et le premier coude 33 relie la partie intermédiaire 36 à la partie
d'extrémité
radialement externe 34, et le deuxième coude 33 relie la partie intermédiaire
36 à la
partie d'extrémité radialement interne 32.
Ce deuxième coude 33 permet de réajuster géométriquement la partie
externe de la platine 30 par rapport au lieu de bridage en compensant les
décalages
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axiaux. En variante, la platine 30 pourrait donc être munie d'une partie
radiale
dépourvue de coude 33, ce qui lui conférerait une forme générale en L.
La partie d'extrémité radialement interne 32 présente alors, entre l'extrémité
et le deuxième coude 33, une longueur suivant la direction radiale L32
comprise
entre 25 et 45% de la hauteur totale H de la platine 30 mesurée dans la
direction
radiale, et avantageusement de l'ordre de 30 à 35%.
Les deux coudes 31, 33 de la platine 20 sont ouverts vers des côtés
opposés par rapport à la direction radiale autour de l'axe de révolution de la
platine,
c'est-à-dire que les centres de courbure de la platine au niveau des deux
coudes se
trouvent de part et d'autre d'une direction radiale autour de l'axe.
De préférence, la platine est conformée de sorte que la partie d'extrémité
radialement externe 34 présente un point milieu sensiblement aligné avec la
partie
d'extrémité radialement interne 32, l'alignement étant donc selon une
direction
radiale par rapport à l'axe. Dans un exemple de réalisation, le prolongement
en
direction radiale de partie 32 coupe la partie 34 en un point tel que la
longueur L34
dans la direction axiale est répartit à 47% en amont et 53% en aval.
Ceci est obtenu par exemple pour des valeurs d'angles comme suit :
- l'angle a du premier coude 31, mesuré comme sur la figure 2a entre la
partie d'extrémité radialement externe 34 et la partie intermédiaire 36, est
compris entre 80 et 1000, et
- l'angle p du deuxième coude 33, mesuré entre la partie intermédiaire 36
et la direction radiale par rapport à l'axe, est compris entre 0 et 20 .
Selon un mode de réalisation alternatif représenté en figure 2b, la partie
intermédiaire 36 de la platine 30 comprend une portion radialement interne 36a
et
une portion radialement externe 36b, et un coude 35 reliant ces deux portions,
ce
coude formant un troisième coude 35 pour la platine 30.
Dans ce mode de réalisation, les premier et deuxième coudes 31, 33 sont
ouverts vers un même côté par rapport à la direction radiale par rapport à
l'axe, et le
troisième coude 35 est ouvert vers le côté opposé.
Le premier coude 31 forme alors un angle a', mesuré comme sur la figure 2b
entre la partie d'extrémité radialement externe 34 et la portion externe 36b
de la
partie intermédiaire, compris entre Set 15 degrés, de préférence égal à 10 .
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Le deuxième coude 33 forme un angle 6', mesuré entre la direction radiale et
la portion interne 36a de la partie intermédiaire 36, compris entre 10 et 40
degrés,
de préférence de 30 degrés.
Le troisième coude 35 forme un angle y, mesuré entre les deux portions 36a,
36b de la partie intermédiaire 36, compris entre 60 et 80 , de préférence égal
à 70 .
Avantageusement, la platine est conformée pour que la partie d'extrémité
radialement externe 34 présente toujours un point milieu aligné avec la partie
d'extrémité radialement interne 32. Dans un exemple de réalisation, le
prolongement
en direction radiale de partie 32 coupe la partie 34 en un point tel que la
longueur
L34 dans la direction axiale est répartie à 47% en amont et 53% en aval.
De plus, la platine 30 présente, dans la direction axiale, deux extrémités
correspondant respectivement au premier et au troisième coude 31, 35.
Avantageusement, la distance dl, mesurée dans la direction axiale, entre le
premier
coude 31 et la partie d'extrémité radialement interne 32, correspond
sensiblement
au quart de la distance D, mesurée dans la direction axiale, entre le premier
31 et le
troisième coude 33. Par conséquent la distance d2, mesurée dans la direction
axiale, entre la partie d'extrémité radialement interne 32 et le troisième
coude 35
correspond aux trois-quarts de la distance entre le premier 31 et le troisième
35
coude. Les rapports dl/D et d2/D définis précédemment s'entendent avec une
marge
de l'ordre de 20%, soit 0.2 dl 0.3 et 0.7 d2/D 0.8, sachant que d1+d2=D.
En référence aux figures 3a et 3b, on va maintenant décrire un ensemble 1
de turbomachine T comprenant une telle platine 30.
Cet ensemble comprend un carter d'échappement 20, comprenant une
pluralité d'aubes fixes montées sur une couronne de support 21. Le carter
comprend en outre un becquet circonférentiel 22 s'étendant en amont de la
couronne et des aubes par rapport au flux d'air dans la turbomachine.
L'ensemble comprend en outre un aubage mobile 10, formant un étage de
rotor de la turbomachine. Cet aubage comprend une pluralité d'aubes montées
sur
une couronne de support 11.
Cet aubage comporte en outre un ensemble de becquets sectorisés (un
becquet par aube) formant un becquet 12 s'étendant en aval de la couronne et
des
aubes par rapport à la direction du flux d'air dans la turbomachine.
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L'ensemble comprend également un support de carter d'échappement 42.
Le carter d'échappement comprend une bride de fixation 23, par laquelle le
carter
est monté sur le support 42 par boulonnage.
Enfin, l'ensemble comporte une platine 30, qui est rapportée sur le carter au
niveau de la bride de fixation. Le fait que la platine présente une extension
radiale
importante et soit liée au carter au niveau de la bride de fixation lui
confère une
flexibilité importante.
Avantageusement, pour limiter le nombre de perçages dans la bride de
fixation, la platine est avantageusement montée en étant serrée entre la bride
et le
support 42.
Une fois en place, la hauteur H (pris selon la direction radiale par rapport à
l'axe X-X) de la platine est comprise entre 15 et 35 % de la distance Dx entre
l'axe
de révolution X-X et la partie d'extrémité radialement externe de la platine.
La platine d'étanchéité permettant de réaliser l'étanchéité de la veine, le
becquet du carter n'a pas besoin de présenter une extension axiale importante
pour
être superposé au becquet aval du rotor lors du fonctionnement de celui-ci.
Par
conséquent, le becquet amont du carter peut présenter une extension axiale
réduite
jusqu'à 50 % par rapport à l'art antérieur.
Enfin, le premier coude 31 de la platine est angulairement ouverte vers l'aval
par rapport au flux d'air dans la turbomachine, et la platine est dimensionnée
pour
que, dans la direction radiale, le becquet amont 22 du carter 20 soit situé
radialement intérieurement par rapport à la partie d'extrémité radialement
externe
34 de la platine 30, et avantageusement en regard du premier coude dans la
direction axiale. Ceci permet à la platine 30 de reculer vers le carter
d'échappement
20 en cas de contact de l'étage de rotor, sans pour autant entrer en contact
avec le
carter.
Dans le mode de réalisation où la platine comprend deux coudes 31, 33
(figure 2a), le deuxième coude 33 est alors angulairement ouvert vers l'amont
par
rapport au flux d'air.
On constate donc que la géométrie de la platine est avantageuse lors du
fonctionnement de la turbomachine, pour les aspects suivants :
- la partie d'extrémité radialement externe assure l'étanchéité de
la veine
du rotor car, en fonctionnement, elle est superposée axialement et
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circonférentiellement à un becquet aval de rotor et au becquet amont de
rotor,
- la
flexibilité de la platine lui permet d'assurer un rôle fusible en cas de
survitesse du rotor suscitant un déplacement trop important de ce
dernier.
Dans le mode de réalisation où la platine comprend un troisième coude 35
(figure 2b), ce coude est angulairement ouvert vers l'amont par rapport au
fluxõ
tandis que le deuxième coude 33 est ouvert vers l'aval. Le troisième coude 35
est
avantageusement positionné, comme sur la figure 3b, radialement intérieurement
par rapport au becquet amont 22 du carter d'échappement 20, c'est-à-dire, en
se
référant à la figure 3b, sous le becquet (tournée vers l'axe X-X) dans une
direction
radiale, et en aval du becquet 22 par rapport au flux d'air.
Le troisième coude 35 rigidifie la platine 30, ce qui permet de modifier ses
fréquences propres pour les écarter des fréquences de fonctionnement du
moteur.
Ainsi on évite des vibrations trop importantes de la platine lors du
fonctionnement de
la turbomachine.
En référence à la figure 3c, on a représenté la déformation de la platine 30
en cas de survitesse du rotor causant un déplacement anormal de ce dernier. On
constate que la platine n'entre pas en contact avec le carter d'échappement
grâce à
sa géométrie détaillée ci-avant.
