FR2980235A1

FR2980235A1 - Anneau pour une turbine de turbomachine

Info

Publication number: FR2980235A1
Application number: FR1158362A
Authority: FR
Inventors: Jean-Luc Soupizon; Romain Nicolas Lunel
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-03-22
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: FR2980235B1

Abstract

Turbine de turbomachine, comprenant au moins une roue (116) à aubes destinée à tourner à l'intérieur d'un anneau (118) dans un carter (114) de turbine, caractérisée en ce que l'anneau est formé d'une seule pièce sur 360°, et est retenu dans le carter par des moyens (152, 154, 170, 172) de retenue axiale et circonférentielle, l'anneau étant guidé radialement sur le carter pour que le carter puisse se déformer librement en direction radiale, par exemple par dilatation thermique, sans contraindre l'anneau.

Description

Anneau pour une turbine de turbomachine La présente invention concerne une turbine d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, ainsi qu'un anneau pour une turbine de ce type. Une turbine de ce type comprend en général plusieurs étages comportant chacun un distributeur formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes portées par un carter de la turbine, et une roue à aubes montée rotative en aval du distributeur dans un anneau cylindrique ou tronconique, qui est en général sectorisé et formé par des secteurs qui sont disposés circonférentiellement bout à bout et qui sont accrochés sur le carter de la turbine. Chaque secteur d'anneau comprend une plaque métallique à orientation circonférentielle qui porte un bloc de matière abradable fixé sur la surface interne de la plaque, ce bloc étant par exemple du type en nid d'abeille et étant destiné à s'user par frottement sur des léchettes annulaires externes des aubes de la roue de turbine, pour former un joint d'étanchéité à labyrinthe et minimiser les jeux radiaux entre la roue et les secteurs d'anneau.

Chaque secteur d'anneau comprend à ses extrémités amont et aval des moyens d'accrochage sur le carter. Le secteur d'anneau peut être solidaire à son extrémité amont d'un organe à section sensiblement en C, qui est engagé axialement sur un rail annulaire du carter. L'extrémité aval du secteur d'anneau peut être serrée radialement sur un autre rail annulaire du carter par l'intermédiaire de moyens d'accrochage du distributeur situé en aval de la roue. Les systèmes d'accrochage des secteurs d'anneau sur le carter rendent les secteurs d'anneau solidaires radialement du carter. On a déjà proposé (par exemple dans la demande FR 10/00400) de réaliser les secteurs d'anneau en matériau composite à matrice céramique (CMC), pour améliorer notamment leurs propriétés mécaniques et leur résistance thermique. Cependant, du fait que le carter est réalisé en alliage métallique (par exemple en INCO ou en acier), le carter et l'anneau n'ont pas les mêmes dilatations thermiques. Le coefficient de dilatation thermique d'un CMC (qui est par exemple de l'ordre de 4,66 E-06 1/°C entre 600 et 1050°C) est environ trois fois plus faible que celui d'un alliage métallique (qui est par exemple de 14,6 E-06 11°C - vers 600°C). L'anneau en CMC se dilate beaucoup moins que le carter de turbine en alliage métallique et est aussi plus rigide. Dans la technique actuelle, les secteurs d'anneau qui sont solidaires radialement du carter suivent les déformations radiales du carter par dilatation thermique. Le carter contraint ainsi les secteurs d'anneau à se déformer radialement en fonctionnement, ce qui accentue les jeux radiaux entre les léchettes de la roue et les blocs de matière abradable des secteurs d'anneau, et se traduit donc par des fuites plus importantes aux sommets des aubes de la roue et par une réduction des performances de la turbine. Ce phénomène est d'autant plus important que la différence entre les coefficients de dilatation thermique du carter et des secteurs d'anneau est grande. Il n'est donc pas possible, dans la technique actuelle, de garantir une bonne étanchéité entre les sommets des aubes d'une roue et un anneau d'un carter de turbine d'une turbomachine, en particulier lorsque cet anneau a un coefficient de dilatation thermique inférieur à celui du carter. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème. Elle propose à cet effet une turbine de turbomachine, comprenant au moins une roue à aubes destinée à tourner à l'intérieur d'un anneau monté à l'intérieur d'un carter de turbine, caractérisée en ce que l'anneau est formé d'une seule pièce et s'étend sans discontinuité sur 360°, et en ce qu'il est retenu dans le carter par des moyens de retenue axiale et circonférentielle, l'anneau étant guidé radialement sur le carter pour que le carter puisse se déformer librement en direction radiale, par exemple par dilatation thermique, sans contraindre l'anneau.

Dans la turbine selon l'invention, les moyens de montage de l'anneau dans le carter ne comprennent pas de moyens de retenue radiale, au contraire de la technique antérieure. Les déplacements et les déformations en direction radiale du carter n'entraînent donc pas de contraintes dans l'anneau qui garde ainsi une position et une configuration optimales pour coopérer avec les sommets des aubes de la roue et garantir une bonne étanchéité au niveau de ces sommets. L'invention permet donc d'améliorer les performances d'une turbine de turbomachine. L'anneau peut porter des blocs de matière abradable fixés sur sa surface radialement interne, ces blocs étant destinés à coopérer avec les sommets des aubes de la roue. En variante, dans le cas où les jeux radiaux entre les sommets des aubes de la roue et l'anneau sont destinés à rester positifs, c'est-à-dire lorsque les sommets des aubes ne sont pas destinés à frotter sur l'anneau, la surface radialement interne de l'anneau peut être revêtue d'une couche de matière abradable de faible épaisseur. Le matériau abradable est par exemple du type en nid d'abeille. L'invention est particulièrement adaptée mais non exclusivement au montage d'un anneau dont le coefficient de dilatation thermique est au moins deux fois inférieur à celui du carter. Cet anneau est par exemple 20 réalisé en composite à matrice céramique (CMC). Les moyens de retenue circonférentielle de l'anneau comprennent de préférence des pions qui sont formés en saillie sur l'anneau et sont engagés dans des évidements de forme complémentaire du carter. Les pions peuvent être formés d'une seule pièce avec l'anneau et 25 dans le même matériau que l'anneau. En variante, les pions peuvent être rapportés et fixés sur l'anneau. Dans une autre variante, les pions comprennent chacun une partie qui est noyée dans le matériau de l'anneau lors de sa fabrication. L'anneau peut comprendre des pions qui sont formés en saillie sur 30 une surface annulaire externe de l'anneau et qui s'étendent radialement vers l'extérieur, ces pions étant engagés dans des encoches axiales d'un rail annulaire du carter. L'anneau peut comprendre des pions qui sont formés en saillie sur une surface annulaire amont de l'anneau et s'étendent axialement vers l'amont, ces pions étant engagés dans des encoches radiales d'un rail annulaire du carter. Avantageusement, l'anneau comprend des pions radiaux et axiaux tels que décrits ci-dessus. Ces pions sont de préférence régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal de l'anneau. L'anneau comprend par exemple trois pions radiaux et trois pions axiaux. Dans ce dernier cas, les pions axiaux sont situés à 120° les uns des autres et sont chacun alignés axialement avec un pion radial. Les pions peuvent être montés libres dans les évidements du carter. Le carter peut alors se dilater sans contraindre l'anneau.

Les moyens de retenue axiale de l'anneau vers l'amont peuvent être formés par un rail annulaire du carter, sur une face radiale aval duquel l'anneau peut venir en appui. Les moyens de retenue axiale de l'anneau vers l'aval peuvent être formés par un jonc annulaire fendu engagé dans une gorge annulaire formé dans le carter, en aval de l'anneau, et débouchant radialement vers l'intérieur. En variante, ces moyens sont formés par un distributeur fixé sur le carter en aval de l'anneau et de la roue, ce distributeur comportant une face radiale amont d'appui de l'anneau. La présente invention concerne également un anneau pour une turbine de turbomachine du type précité, caractérisé en ce qu'il est formé d'une seule pièce et s'étend sans discontinuité sur 360°, et en ce qu'il comprend des pions de retenue qui sont formés en saillie radiale sur une surface annulaire externe de l'anneau et des pions de retenue qui sont formés en saillie axiale sur une surface annulaire de l'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 demi-vue schématique partielle en coupe axiale d'une turbine de turbomachine, selon la technique antérieure ; - la figure 2 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale d'une turbine de turbomachine, selon l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique partielle en perspective d'un anneau et d'une aube de rotor de la turbine de la figure 2, vus de l'amont et de côté ; - la figure 4 est une vue très schématique partielle en coupe transversale d'un anneau en CMC selon l'invention ; et - les figures 5 et 6 sont des vues schématiques partielles en perspective du carter, de l'anneau et d'une aube de rotor de la turbine de la figure 2, qui sont vus de l'amont et de côté en figure 5 et de l'aval et de côté en figure 6.

On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente une turbine basse- pression 10 d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, cette turbine comportant plusieurs étages comportant chacun un distributeur 12 ou 13 formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes portées par un carter 14 de la turbine, et une roue à aubes 16 montée en amont du distributeur 13 et tournant dans un anneau 18 accroché au carter 14. Dans la technique actuelle, l'anneau 18 est sectorisé et formé de plusieurs secteurs qui sont portés circonférentiellement bout à bout par le carter 14 de la turbine.

Chaque secteur d'anneau 18 comprend une paroi tronconique 20 et un bloc 22 de matière abradable fixé par brasage et/ou soudage sur la surface radialement interne de la paroi 20, ce bloc 22 étant du type en nid d'abeille et étant destiné à s'user par frottement sur des léchettes annulaires externes 24 des aubes de la roue 16 pour minimiser les jeux radiaux entre la roue et les secteurs d'anneau 18.

Chaque secteur d'anneau 18 comprend à son extrémité amont un organe circonférentiel 32 à section en C dont l'ouverture débouche vers l'amont et qui est engagé axialement depuis l'aval sur un rebord cylindrique 34 orienté vers l'aval du distributeur 12 situé en amont des secteurs d'anneau 18, d'une part, et sur un rail cylindrique 36 du carter 14 sur lequel est accroché ce distributeur, d'autre part. L'organe 32 de chaque secteur d'anneau 18 comprend deux branches cylindriques 38 et 40 s'étendant vers l'amont, radialement externe et radialement interne respectivement, qui sont reliées entre elles à leurs extrémités amont par une paroi radiale 42, et qui sont appliquées respectivement sur une face cylindrique radialement externe du rail 36 et sur le rebord cylindrique 34 du distributeur. Les extrémités aval des secteurs d'anneau 18 sont serrées radialement sur un rail cylindrique 30 du carter par le distributeur 13 situé en aval des secteurs d'anneau. Les secteurs d'anneau 18 sont en appui radial vers l'extérieur sur une face cylindrique radialement interne du rail 30 du carter, et vers l'intérieur sur une face cylindrique radialement externe d'un rebord cylindrique 28 du distributeur 13.

En fonctionnement, le carter 14 se déforme et se déplace radialement par dilatation thermique et contraint les secteurs d'anneau 18 à suivre ces déplacements car l'anneau est solidaire radialement du carter du fait du montage précité. Les déplacements des secteurs d'anneau 18 entraînent des augmentations des jeux radiaux J entre les léchettes annulaires 24 de la roue 16 et les blocs 22 de matière abradable, ce qui crée des passages de gaz dans ces zones et diminue les performances de la turbine. Plus la différence entre les coefficients de dilatation thermique du carter 14 et de l'anneau 18 est grande et plus ce phénomène est important. Il est donc très difficile voire impossible de garantir une étanchéité au niveau des sommets des aubes d'une roue de turbine, lorsque le carter est réalisé en alliage métallique (et a typiquement un coefficient de dilatation thermique de 14,6 E-06 1/°C vers 600°C) et que l'anneau est réalisé en composite à matrice céramique (qui a un coefficient de dilatation thermique d'environ 4,66 E-06 1/°C entre 600 et 1050°C). La présente invention permet de remédier à cet inconvénient grâce au montage d'un anneau monobloc, c'est-à-dire formé d'une seule pièce, à l'intérieur du carter, sans moyen d'immobilisation radiale de l'anneau sur le carter de telle sorte que le carter soit libre de se déformer et de se déplacer librement en direction radiale, sans contraindre l'anneau. Les figures 2, 3, 5 et 6 représentent un mode de réalisation de l'invention dans lequel l'anneau 118 est réalisé en CMC et est monté à l'intérieur d'un carter 114 en alliage métallique. L'anneau 118 est formé d'une seule pièce non fendue et s'étend sans discontinuité sur 360°. Il entoure une roue de turbine 116 portant des aubes dont une seule est représentée aux figures 3, 5 et 6.

Dans l'exemple représenté, l'anneau ne porte pas de blocs de matière abradable du type de ceux de la technique antérieure. Sa surface annulaire radialement interne 150 est recouverte d'une couche fine (par exemple inférieure à 1 mm d'épaisseur) d'un matériau abradable. Comme cela est visible en figure 3, l'anneau 118 comprend des 20 pions 152, 154 en saillie qui servent ici à la fois à la retenue circonférentielle de l'anneau et à son centrage et son guidage radial dans le carter 114. L'anneau 118 comprend deux types de pions : des premiers pions 152 qui s'étendent radialement vers l'extérieur depuis la surface annulaire 25 radialement externe 156 de l'anneau et qui sont destinés à être engagés dans des encoches axiales 158 d'un rail annulaire aval 160 du carter, et des seconds pions 154 qui s'étendent axialement vers l'amont depuis la surface annulaire amont 162 de l'anneau et qui sont destinés à être engagés dans des encoches radiales 164 d'un rail annulaire amont 166 du 30 carter (figures 2, 5 et 6). Les pions radiaux 152 sont ici situés au voisinage de l'extrémité aval de l'anneau 118. Les encoches axiales 158 traversent axialement le rail 160 et les encoches radiales 164 traversent radialement le rail 166. Les pions 152, 154 ont une forme sensiblement parallélépipédique dans l'exemple représenté. Ils sont avantageusement régulièrement répartis autour de l'axe longitudinal de l'anneau 118. Chaque pion radial 152 est de préférence situé dans un plan passant par l'axe de l'anneau 118 et par un pion axial 154. Autrement dit, chaque pion radial 152 est de préférence aligné axialement avec un pion axial 154. L'anneau 118 comporte par exemple trois pions radiaux 152 et trois pions axiaux 154, qui sont situés à 4h, 8h et 12h par analogie avec le cadran d'une montre, c'est-à-dire à 120° les uns des autres. Les pions 152, 154 ont des dimensions circonférentielles qui peuvent être sensiblement égales à celles des encoches 158, 164 du carter. Les dimensions radiales des pions radiaux 152 sont inférieures à celles des encoches 158 de façon à autoriser les déformations radiales précitées du carter en fonctionnement. Lors de ces déformations, les pions axiaux et radiaux 152, 154 coulissent radialement dans les encoches 158, 164 et frottent sur les parois latérales des encoches. Les pions 152, 154 sont formés d'une seule pièce avec l'anneau 118 et dans le même matériau (CMC) que l'anneau aux figures 2, 3, 5 et 6. Dans la variante représentée en figure 4, chaque pion 152', 154' comprend une partie d'ancrage 168' qui est noyée dans le matériau de l'anneau 118 lors de sa fabrication. Dans une autre variante non représentée, les pions sont rapportés et fixés sur l'anneau.

L'anneau 118 est monté dans le carter 114 par translation depuis l'aval. Lors du montage, l'anneau 118 est aligné sur l'axe du carter 114 et est positionné de sorte que ses pions radiaux 152 soient alignés axialement avec les encoches axiales 158 du rail de carter 160. L'anneau 118 est ensuite déplacé axialement vers l'amont jusqu'à ce que ses pions 152, 154 soient engagés dans les encoches 158, 164 du carter.

L'extrémité amont de l'anneau 118 peut en fonctionnement venir en appui axial sur une face radiale aval 170 du rail de carter 166, qui forme ainsi des moyens de retenue axiale de l'anneau vers l'amont. Dans l'exemple représenté, les moyens de retenue de l'anneau 118 vers l'aval comprennent un jonc annulaire 172 qui est engagé dans une gorge annulaire 174 formée à l'extrémité aval du rail de carter 160 et débouchant radialement vers l'intérieur en aval de l'anneau 118. Ce jonc 172 est fendu et doit être contraint, en réduisant son diamètre, pour être monté dans la gorge 174 du carter 114. L'anneau 118 peut venir en appui axial vers l'aval sur ce jonc en fonctionnement. En variante, les moyens de retenue de l'anneau axialement vers l'aval peuvent être formés par le distributeur aval 113 dont le rebord cylindrique amont 128 peut être prolongé vers l'amont jusqu'au voisinage de l'anneau et former ainsi des moyens d'appui axial vers l'aval de l'anneau en fonctionnement (voir les traits pointillés en figure 2).

Claims

REVENDICATIONS1. Turbine de turbomachine, comprenant au moins une roue (116) à aubes destinée à tourner à l'intérieur d'un anneau (118) monté à l'intérieur d'un carter (114) de turbine, caractérisée en ce que l'anneau est formé d'une seule pièce et s'étend sans discontinuité sur 360°, et en ce qu'il est retenu dans le carter par des moyens (152, 154, 170, 172) de retenue axiale et circonférentielle, l'anneau étant guidé radialement sur le carter pour que le carter puisse se déformer librement en direction radiale, par exemple par dilatation thermique, sans contraindre l'anneau.
2. Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'anneau (118) a un coefficient de dilatation thermique au moins deux fois inférieur à celui du carter (114), et est par exemple réalisé en composite à matrice céramique (CMC).
3. Turbine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens de retenue circonférentielle de l'anneau comprennent des pions (152, 154) qui sont formés en saillie sur l'anneau (118) et sont engagés dans des évidements (158, 164) de forme complémentaire du carter (114).
4. Turbine selon la revendication 3, caractérisée en ce que les pions (152, 154) sont formés d'une seule pièce avec l'anneau (118) et dans le même matériau que l'anneau, ou sont rapportés et fixés sur l'anneau, ou comprennent chacun une partie (168') qui est noyée dans le matériau de l'anneau (118') lors de sa fabrication.
5. Turbine selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que l'anneau (114) comprend des pions (152) qui sont formés en saillie sur une surface annulaire externe de l'anneau et qui s'étendent radialement vers l'extérieur, ces pions étant engagés dans des encoches axiales (158) d'un rail annulaire (160) du carter (114).
6. Turbine selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que l'anneau (118) comprend des pions (154) qui sont formés en saillie sur une surface annulaire amont (162) de l'anneau et s'étendent axialementvers l'amont, ces pions étant engagés dans des encoches radiales (164) d'un rail annulaire (166) du carter (114).
7. Turbine selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisée en ce que les pions (152, 154) sont montés avec ajustement serré en direction circonférentielle dans les évidements (158, 164) du carter (114), de façon à ce que les faces latérales des pions frottent sur les faces latérales correspondantes des évidements du carter lors des déformations précitées du carter.
8. Turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de retenue axiale de l'anneau (118) vers l'amont sont formés par un rail annulaire (166) du carter (114), sur une face radiale aval (170) duquel l'anneau peut venir en appui.
9. Turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de retenue axiale de l'anneau (118) vers l'aval sont formés par un jonc annulaire (172) fendu engagé dans une gorge annulaire (174) formé dans le carter (114), en aval de l'anneau, et débouchant radialement vers l'intérieur, ou par un distributeur (113) fixé sur le carter en aval de l'anneau et de la roue (116).
10. Anneau (118) pour une turbine de turbomachine selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est formé d'une seule pièce et s'étend sans discontinuité sur 360°, et en ce qu'il comprend des pions de retenue (152) qui sont formés en saillie radiale sur une surface annulaire externe (156) de l'anneau, et des pions de retenue (154) qui sont formés en saillie axiale sur une surface annulaire (162) de l'anneau.25