EP4656843A1 - Turbine pour turbomachine - Google Patents

Turbine pour turbomachine

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Publication number
EP4656843A1
EP4656843A1 EP25305716.0A EP25305716A EP4656843A1 EP 4656843 A1 EP4656843 A1 EP 4656843A1 EP 25305716 A EP25305716 A EP 25305716A EP 4656843 A1 EP4656843 A1 EP 4656843A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
downstream
upstream
annular
flange
sealing means
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP25305716.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Thomas VANDELLOS
Eric Conete
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Ceramics SA
Original Assignee
Safran Ceramics SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran Ceramics SA filed Critical Safran Ceramics SA
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Pending legal-status Critical Current

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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F01D25/246—Fastening of diaphragms or stator-rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/005—Sealing means between non relatively rotating elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator
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    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/603—Composites; e.g. fibre-reinforced
    • F05D2300/6033—Ceramic matrix composites [CMC]

Definitions

  • This description relates to a turbine for a turbomachine. This description also relates to a turbomachine comprising such a turbine.
  • the turbomachine 10 typically has a longitudinal axis X1, which corresponds to the axis of rotation of the rotating parts.
  • the turbomachine 10 comprises, from upstream AM to downstream AV in the direction of gas flow, a blower 11, a low-pressure compressor 12, a high-pressure compressor 13, a combustion chamber 14, a high-pressure turbine 15, and a low-pressure turbine 16.
  • the air from the blower 11 is divided into a primary flow in a primary annular stream and a secondary flow in a secondary annular stream surrounding the primary annular stream.
  • the low-pressure compressor 12, the high-pressure compressor 13, the combustion chamber 14, the high-pressure turbine 15, and the low-pressure turbine 16 are located within the primary stream.
  • the rotor of the high-pressure turbine 15 and the rotor of the high-pressure compressor 13 are rotationally coupled via a first shaft 17 to form a high-pressure unit.
  • the rotor of the low-pressure turbine 16 and the rotor of the low-pressure compressor 12 are rotationally coupled via a second shaft 18 to form a low-pressure unit, the blower 11 being able to be connected directly to the rotor of the low-pressure compressor or, for example, via an epicyclic gear train.
  • the rotor of the low-pressure turbine 16 or the high-pressure turbine 15 comprises a plurality of blade wheels surrounded by a turbine ring 30 externally delimiting the gas flow path.
  • the ring 30 includes an annular platform 31, an internal radial surface of which may have an abradable coating intended to limit the circulation of parasitic air between the external radial end of the blades and the ring 30.
  • the coating also provides a thermal barrier function.
  • the ring 30 comprises an upstream annular flange 32 and a downstream annular flange 33, located axially upstream and downstream respectively, and by which it is fixed to an annular outer casing 20 of the turbine.
  • the upstream annular flange 32 and the downstream annular flange 33 each extend radially outwards from the annular platform 31. Furthermore, each ring 30 is constrained between, upstream, a radial annular flange 23 and, downstream, a radial annular wall 22 of the outer casing 20.
  • the upstream annular flange 32 and the downstream annular flange 33 of the ring 30 are respectively positioned bearing, in the longitudinal direction X, against the radial annular flange 23 and the radial annular wall 22 of the outer casing 20.
  • the ring 30 is generally formed by a plurality of ring sectors 30 arranged circumferentially end-to-end around the longitudinal axis X1.
  • Each ring sector 30 comprises a sector of the annular platform 31, a sector of the upstream annular flange 32 and a sector of the downstream annular flange 33.
  • Each ring 30 is made of a ceramic matrix composite (CMC), while the flange and outer casing are generally made of metallic material.
  • CMC materials are known for their mechanical properties, enabling them to maintain their mechanical integrity at high temperatures. Furthermore, CMC materials have a lower density than traditionally used metallic alloys.
  • CMC materials have a lower coefficient of thermal expansion than metallic materials. Consequently, during turbomachine operation, a relative displacement was observed in the circumferential and radial directions between the sectors of the ring 30 and, on the one hand, the flange 23 upstream and the radial annular wall 22 downstream. This displacement causes wear on the upstream annular flanges 32 and downstream annular flanges 33 of the ring 30, the flange 23, and the radial annular wall 22 of the outer casing 30, creating radial passages upstream between the flange and the upstream annular flange, and downstream between the downstream annular flange and the radial annular wall of the outer casing. These passages allow radial outward leakage of gases circulating in the stream, resulting in a loss of turbomachine performance and a risk of damage to the external casing 20 subjected to high gas temperatures.
  • intermediate thermal expansion coefficient refers to a coefficient that can take any value within an interval defined by and including the limits formed by the thermal expansion coefficients of the two opposing parts, upstream or downstream respectively.
  • the thermal expansion coefficient of the upstream sealing elements can be equal to the thermal expansion coefficient of the flange; and/or the thermal expansion coefficient of the downstream sealing elements can be equal to the thermal expansion coefficient of the radial annular wall of the external casing.
  • the coefficient of thermal expansion of the upstream sealing means and/or the downstream sealing means can be between 6.10 -6 C -1 and 15.10 -6 C -1 .
  • the upstream and/or downstream sealing means may be made of a ceramic matrix oxide/oxide composite material or a monolithic ceramic matrix oxide composite material, or alternatively of a metallic material.
  • the metallic material may be a titanium alloy.
  • the coefficient of thermal expansion of the ring can be between 1.5 x 10 ⁇ 6 C ⁇ 1 and 6 x 10 ⁇ 6 C ⁇ 1 .
  • the coefficient of thermal expansion of the ring can be between 3.5 x 10 ⁇ 6 C ⁇ 1 and 5 x 10 ⁇ 6 C ⁇ 1 .
  • the coefficient of thermal expansion of the flange and/or the external annular housing can be between 12 x 10 ⁇ 6 C ⁇ 1 and 15 x 10 ⁇ 6 C ⁇ 1 .
  • the ring can be made of a silicon carbide-based ceramic matrix composite material.
  • the flange and/or the external annular housing can be made of a metallic material.
  • the upstream sealing means may include an upstream annular disc which has an upstream face which is, in whole or in part, supported, preferably in a sealing manner, longitudinally on a downstream face of the flange and a downstream face which is, in whole or in part, supported, preferably in a sealing manner, longitudinally on an upstream face of the upstream annular flange of the ring, the upstream disc preferably also having, in whole or in part, a trapezoidal shape in a cutting plane comprising the longitudinal axis, a long side of the trapezoid coinciding with a downstream face of the upstream disc and a short side of the trapezoid coinciding with an upstream face of the upstream disc.
  • disk is to be understood in its broadest sense, namely a substantially axisymmetric element (possibly sectored, the sectors together forming a substantially axisymmetric entity), of small thickness (along the longitudinal X-axis) compared to its diameter.
  • This definition includes, in particular, discs with openings in their center, such as rings, open discs, flanges, cups, etc.
  • Upstream sealing means may include one or more upstream scallops projecting radially outwards from the upstream disc.
  • the upstream disc can have a dimension along the longitudinal direction of between 0.05 mm and 0.3 mm.
  • the downstream sealing means may include an annular downstream disc which has an upstream face which is, in whole or in part, supported, preferably in a sealing manner, longitudinally on a downstream face of the downstream annular flange of the ring and a downstream face which is, in whole or in part, supported, preferably in a sealing manner, longitudinally on an upstream face of the radial annular wall of the external annular housing, the downstream disc preferably also having, in whole or in part, a trapezoidal shape in a cutting plane comprising the longitudinal axis, a long side of the trapezoid coinciding with an upstream face of the downstream disc and a short side of the trapezoid coinciding with a downstream face of the downstream disc.
  • Downstream sealing means may include one or more downstream scallops projecting radially outwards from the downstream disc.
  • the downstream disc can have a dimension along the longitudinal direction of between 0.05 mm and 0.3 mm.
  • the upstream sealing means may comprise a plurality of sectors arranged circumferentially end to end around the longitudinal axis and/or the downstream sealing means may comprise a plurality of sectors arranged circumferentially end to end around the longitudinal axis.
  • a turbomachine comprising a turbine as described above.
  • FIG. 3 And 4 partially represent a turbine for a longitudinal axis turbomachine X1.
  • the longitudinal direction X1 corresponds to the direction of the longitudinal axis X1.
  • the longitudinal axis X1 coincides with an axis of rotation of the rotor parts of the turbomachine.
  • Orientation qualifiers such as “longitudinal,” “radial,” or “circumferential” are defined, unless otherwise specified, with reference to the longitudinal axis X1.
  • a radial direction is a direction perpendicular to the direction of the longitudinal axis X1.
  • a circumferential direction, at a point far from the longitudinal axis X1, corresponds to a direction perpendicular to both the longitudinal X1 and radial directions.
  • the adjectives “inner,” “internal,” “outer,” and “external” are used with reference to a radial direction, such that the inner/internal part, i.e., radially inner/internal, of an element is closer to the longitudinal axis X1 than the outer/external part, i.e., radially outer/external, of the same element.
  • the relative qualifiers “upstream” and “downstream” are defined in relation to the normal flow direction of the fluid from upstream to downstream in the turbomachine.
  • the turbine includes an external annular housing 100.
  • the external annular housing includes a radial annular wall 102.
  • the housing may include a cylindrical wall 101 with longitudinal axis X1.
  • the radial annular wall 102 of the external annular housing 100 may extend radially inwards from the cylindrical wall 101, in particular from a downstream end portion of the cylindrical wall 101.
  • the turbine includes a radial flange 110 fixed to the external annular housing 100.
  • the flange 110 can be connected, preferably fixedly, to the external annular housing 100.
  • the turbine further comprises a ring 120.
  • the ring 120 can be designed to surround an annular row of turbine blades.
  • the ring 120 can radially delimit on the outside a primary annular gas flow channel V within the turbine.
  • the ring 120 includes an annular platform 121.
  • the annular platform 121 can have a radially internal face adapted to support an abradable material 122 of the turbine.
  • the abradable material 122 can be suitable for sealing with the blades, particularly with the blade tips.
  • the radially internal face of the annular platform 121 can radially delimit on the outside the primary annular flow channel V.
  • the ring 120 can comprise a plurality of ring 120 sectors. The sectoring of the ring 120 further facilitates the manufacturing of the ring 120 and its integration into the turbine.
  • Each sector of ring 120 can extend between a first end and a second end in the circumferential direction.
  • the ring 120 further includes an upstream annular flange 123 extending radially outwards from the annular platform 121, the upstream annular flange 123 having an upstream face that is opposite, in the longitudinal direction X1, the flange 110 of the outer casing.
  • the ring 120 includes a downstream annular flange 124 extending radially outwards from the annular platform 121, the downstream annular flange 124 having a downstream face that is opposite, in the longitudinal direction X1, a radial annular wall 102 of the outer casing.
  • the turbine includes upstream sealing means 140 interposed longitudinally between the upstream face of the upstream annular flange 123 of the ring 120 and the flange 110, the upstream sealing means 140 having a coefficient of thermal expansion intermediate between a coefficient of thermal expansion of the flange 110 and a coefficient of thermal expansion of the upstream annular flange 123.
  • the term "intermediate” is to be understood as including the limits delimiting the interval, or including at least the limit dictated by the housing: the coefficient of thermal expansion of the upstream sealing means is contained within an interval bounded by and including the coefficients of thermal expansion of the flange 110 and the upstream annular flange 123.
  • the coefficient of thermal expansion of the upstream sealing means can be equal to the coefficient of thermal expansion of the flange.
  • the turbine includes downstream sealing means 150 interposed longitudinally between the downstream face of the downstream annular flange 124 of the ring 120 and the radial annular wall 102 of the outer casing, the downstream sealing means 150 having a coefficient of thermal expansion intermediate between a coefficient of thermal expansion of the radial annular wall 102 of the outer annular casing 100 and a coefficient of thermal expansion of the downstream annular flange 124.
  • the term "intermediate" is to be understood as including the limits delimiting the interval, or including at least the limit dictated by the casing: the coefficient of thermal expansion of the downstream sealing means is contained within an interval bounded by and including the coefficients of thermal expansion of the downstream annular flange 124 and the annular wall. radial 102.
  • the coefficient of thermal expansion of the downstream sealing means can be equal to the coefficient of thermal expansion of the radial annular wall of the external casing.
  • the upstream sealing means 140 thus form an intermediate interface between the flange 110 and the upstream annular flange 123.
  • the displacements induced by differences in thermal coefficient are thereby reduced, on the one hand, between the flange 110 and the upstream sealing means 140, and on the other hand, between the upstream sealing means 140 and the upstream annular flange 123. Consequently, reduced wear of the flange 110 and the upstream annular flange 123 was observed, thus reducing the formation of a gap between the radial flange 110 and the upstream annular flange 123, and therefore the risk of radial gas leakage to the outside towards the external annular casing 100.
  • the coefficient of thermal expansion of the upstream sealing means 140 is equal to that of the flange, then, although there is no Although there are no longer two differences in thermal expansion but only one, there is nevertheless a larger contact area between the sealing means 140 and the upstream annular flange 123, which also reduces leakage. The absence of leakage is thus confirmed over the entire interval, including terminals, formed between the values of the coefficients of thermal expansion of the upstream annular flange 123 and the flange 110.
  • downstream sealing means 150 form an intermediate interface between the radial annular wall 102 of the external annular housing 100 and the downstream annular flange 124.
  • the displacements induced by differences in thermal coefficient are thus reduced, on the one hand, between the downstream annular flange 124 and the downstream sealing means 150, and on the other hand, between the downstream sealing means 150 and the radial annular wall 102 of the external annular housing 100.
  • the upstream sealing means 140 can be clamped longitudinally between the upstream face of the upstream annular flange 123 of the ring 120 and the flange 110.
  • the downstream sealing means 150 can be positioned longitudinally between the downstream face of the downstream annular flange 124 of the ring 120 and the radial annular wall 102 of the outer casing.
  • the ring 120 is thus held in the longitudinal direction X1 by being interposed between the flange 110 and the radial annular wall 102 of the outer annular casing 100, here by means of the upstream and downstream sealing means 140.
  • the upstream sealing means 140 can be configured to limit, or even prevent, longitudinal gas leakage between the upstream face of the upstream annular flange 123 of the ring 120 and the flange 110.
  • the downstream sealing means 150 can be configured to limit, or even prevent, longitudinal gas leakage between the downstream face of the downstream annular flange 124 of the ring 120 and the radial annular wall 102 of the external housing.
  • the coefficient of thermal expansion of ring 120 can range from 1.5 x 10 ⁇ 6 C ⁇ 1 to 6 x 10 ⁇ 6 C ⁇ 1 , preferably from 3.5 x 10 ⁇ 6 C ⁇ 1 to 5.0 x 10 ⁇ 6 C ⁇ 1 .
  • Ring 120 can be made of a silicon carbide-based ceramic matrix composite material. Ceramic matrix composite materials (CMCs) can withstand temperatures up to 1400°C. Due to their superior high-temperature resistance, CMCs require less cooling. Since this cooling is traditionally drawn from the compressor, which impacts turbomachine efficiency, CMC materials improve engine efficiency, thereby reducing fuel consumption.
  • CMCs Ceramic matrix composite materials
  • ceramic matrix composite materials helps to optimize the performance of turbomachines, particularly by reducing the overall mass of the turbomachine, which further contributes to a decrease in fuel consumption and therefore to a significant reduction in pollutant emissions.
  • the coefficient of thermal expansion of the flange 110 and/or the external annular housing 100 can be between 12 x 10 ⁇ 6 C ⁇ 1 and 15 x 10 ⁇ 6 C ⁇ 1 .
  • the flange 110 and/or the external annular housing 100 can be made of a metallic material.
  • the coefficient of thermal expansion of the upstream sealing means 140 and/or the downstream sealing means 150 can be between 6 x 10 ⁇ 6 C ⁇ 1 and 15 x 10 ⁇ 6 C ⁇ 1 .
  • the upstream sealing means 140 and/or the downstream sealing means 150 can be made of a material with a coefficient of thermal expansion less than or equal to 6 x 10 ⁇ 6 C ⁇ 1 : a ceramic matrix oxide/oxide composite material or a monolithic ceramic matrix oxide composite material.
  • one or both of the sealing means (upstream and/or downstream) can be made of a material with a coefficient of thermal expansion between 6 x 10 ⁇ 6 C ⁇ 1 and 15 x 10 ⁇ 6 C ⁇ 1 : for example, a metallic material, e.g., a titanium alloy.
  • the upstream sealing means 140 may include an annular upstream disc 141.
  • the upstream disc 141 can be interposed longitudinally between the upstream face of the upstream annular flange 123 of the ring 120 and the flange 110. In other words, the upstream disc 141 can be clamped longitudinally between the upstream face of the upstream annular flange 123 of the ring 120 and the flange 110.
  • the upstream disc 141 may include an upstream face that is, in whole or in part, supported, preferably in a sealing manner, longitudinally on a downstream face of the flange 110.
  • the upstream disc 141 may include a downstream face that is, in whole or in part, supported, preferably in a sealing manner, longitudinally on an upstream face of the upstream annular flange 123 of the ring 120. Equivalently, the upstream disc 141 may correspond to an annular radial wall of the upstream sealing means 140.
  • the upstream sealing means 140 may include one or more upstream scallops 144 projecting radially outwards from the upstream disc 141.
  • the term "scallop" is understood to mean A relief projecting radially outwards from a radially external end of the upstream disc 141.
  • Each upstream scallop 144 may include a base by which it is connected to the upstream disc 141.
  • Each upstream scallop 144 may include a free edge.
  • Each upstream scallop 144 may have a trapezoidal cross-section in a plane of section perpendicular to the longitudinal axis X1.
  • each upstream scallop 144 may have a rounded cross-section in a plane of section perpendicular to the longitudinal axis X1.
  • Each upstream scallop 144 includes a through hole along the longitudinal direction X1.
  • the flange 110 may include one or more holes.
  • the upstream annular flange 123 may include one or more holes.
  • the turbine may include one or more upstream pins 131.
  • Each upstream pin 131 may extend longitudinally through, from upstream to downstream along the longitudinal direction X1, one or more of said holes through the flange 110, the hole through one or more of said upstream scallops 144 of the upstream sealing means 140, and one or more of said holes through the upstream annular flange 123. This allows for the radial retention of the ring 120 relative to the flange 110 and also the radial retention of the upstream sealing means 140 relative to the flange 110 and the ring 120.
  • the upstream sealing means 140 may include an internal upstream rim 142 extending longitudinally upstream from the upstream disc 141 and bearing, preferably in a watertight manner, radially outwards on a radially internal face of the flange 110.
  • the upstream sealing means 140 may also include an external upstream rim 143 extending radially upstream from the upstream disc 141 and bearing, preferably in a watertight manner, radially inwards on a radially external face of the flange 110. This ensures better upstream longitudinal sealing between the upstream sealing means 140 and the flange 110.
  • an upstream labyrinth is formed longitudinally between, on the one hand, the flange 110 and, on the other hand, the internal upstream rim 142, the disc, and the external upstream rim. 143, thus further limiting radial outward gas leakage longitudinally between the flange 110 and the upstream annular flange 123.
  • the internal upstream rim 142 and/or the external upstream rim 143 further improve the radial retention of the upstream sealing means 140 relative to the flange 110.
  • the inner upstream rim 142 and/or the outer upstream rim 143 may be annular.
  • the external upstream rim 143 can be connected to a radially external end portion of the upstream disk 141.
  • the internal upstream rim 142 can be connected to a radially internal end portion of the upstream disk 141.
  • the external upstream rim 143 can be arranged radially outside with respect to the internal upstream rim 142.
  • the upstream disc 141 can be made of material, i.e. monobloc, with the internal upstream rim 142 and/or the external upstream rim 143.
  • the upstream disc 141 may have, in whole or in part, a trapezoidal shape in a cross-sectional plane including the longitudinal axis X1, with one long side of the trapezoid coinciding with a downstream face of the upstream disc 141 and a small side of the trapezoid coinciding with an upstream face of the upstream disc 141.
  • a shape of the upstream disc 141 allows better diffusion of the clamping forces along the longitudinal axis X1 in the upstream annular flange 123, thus reducing mechanical stresses.
  • the upstream disc 141 can have a dimension along the longitudinal direction X1 between 0.05 mm and 0.3 mm.
  • the upstream sealing means 140 may comprise a plurality of sectors arranged circumferentially end to end around the longitudinal axis X1.
  • Each sector of upstream sealing means 140 may in particular comprise an upstream disc sector 141, and preferably an internal upstream rim sector 142 and/or an external upstream rim sector 143.
  • Each sector of upstream sealing means 140 may further comprise one or more of said one or more festoons.
  • Each sector of the upstream sealing means 140 can be associated with at least one, preferably only one, of the ring sectors 120.
  • each upstream disc sector 141, and where applicable each internal upstream rim sector 142 and/or external upstream rim sector 143, can extend circumferentially between a first end and a second end which are longitudinally aligned with the first end and the second end of one of the ring sectors 120.
  • each sector of the upstream sealing means 140 can extend circumferentially over the entire circumferential length of one of the ring sectors 120.
  • the downstream sealing means 150 may include an annular downstream disc 151.
  • the downstream disc 151 can be interposed longitudinally between the downstream face of the downstream annular flange 124 of the ring 120 and the radial annular wall 102 of the external annular housing 100. In other words, the downstream disc 151 can be clamped longitudinally between the downstream face of the downstream annular flange 124 of the ring 120 and the radial annular wall 102 of the external annular housing 100.
  • the downstream disc 151 may include an upstream face that is, in whole or in part, supported, preferably in a sealed manner, longitudinally on a downstream face of the downstream annular flange 124 of the ring 120.
  • the downstream disc 151 may include a downstream face that is, in whole or in part, supported, preferably in a sealed manner, longitudinally on an upstream face of the radial annular wall 102 of the external annular housing 100. Equivalently, the downstream disc 151 may correspond to an annular radial wall of the downstream sealing means 150.
  • the downstream sealing means 150 may include one or more downstream scallops 154 projecting radially outward from the downstream disc 151.
  • the term "scallop" is understood to mean a relief projecting radially outward from a radially external end of the downstream disc 151.
  • Each downstream scallop 154 may include a base by which it is connected to the downstream disc 151.
  • Each downstream scallop 154 may include a free edge.
  • Each downstream scallop 154 may have a trapezoidal cross-section in a cutting plane perpendicular to the longitudinal axis X1.
  • each downstream scallop 154 may have a cross-section with a shape rounded in a cutting plane perpendicular to the longitudinal axis X1.
  • Each downstream scallop 154 includes a through hole along the longitudinal direction X1.
  • the radial annular wall 102 of the external annular housing 100 may include one or more holes.
  • the downstream annular flange 124 may include one or more holes.
  • the turbine may include one or more downstream pins 132. Each downstream pin 132 may extend longitudinally by passing through, from upstream to downstream along the longitudinal direction X1, one or more holes through the downstream annular flange 124 of the ring 120, the hole through one or more downstream scallops 154 of the downstream sealing means 150, and one or more holes through the radial annular wall 102 of the outer annular housing 100. This allows the radial retention of the ring 120 relative to the outer annular housing 100 and also the radial retention of the downstream sealing means 150 relative to the outer annular housing 100 and to the ring 120.
  • the downstream sealing means 150 may include an internal downstream rim 152 extending longitudinally downstream from the downstream disc 151 and bearing, preferably in a sealed manner, radially outwards on a radially internal face of the radial annular wall 102 of the external annular housing 100.
  • the downstream sealing means 150 may also include an external downstream rim 153 extending radially downstream from the downstream disc 151 and bearing, preferably in a sealed manner, radially inwards on a radially external face of the radial annular wall 102 of the external annular housing 100. This ensures better downstream longitudinal sealing between the downstream sealing means 150 and the radial annular wall 102 of the external annular housing 100.
  • a downstream labyrinth is formed longitudinally between, on the one hand, the radial annular wall 102 of the external annular housing 100 and on the other hand the internal downstream rim 152, the disc and the external downstream rim 153, thus further limiting a radial outward longitudinal gas leak between the external annular housing 100 and the downstream annular flange 124.
  • the internal downstream rim 152 and/or the external downstream rim 153 also improve the radial retention of the downstream sealing means 150 relative to the flange 110.
  • the internal downstream rim 152 and/or the external downstream rim 153 may be annular.
  • the external downstream rim 153 can be connected to a radially external end portion of the downstream disc 151.
  • the internal downstream rim 152 can be connected to a radially internal end portion of the downstream disc 151.
  • the external downstream rim 153 can be arranged radially outside with respect to the internal downstream rim 152.
  • the downstream disc 151 can be made of material, i.e. monobloc, with the internal downstream rim 152 and/or the external downstream rim 153.
  • the downstream disk 151 may have, in whole or in part, a trapezoidal shape in a cutting plane comprising the longitudinal axis X1, a long side of the trapezoid coinciding with an upstream face of the downstream disk 151 and a short side of the trapezoid coinciding with a downstream face of the downstream disk 151.
  • a shape of the downstream disc 151 allows for better diffusion of clamping forces along the longitudinal axis X1 in the downstream annular flange 124, thus reducing mechanical stresses.
  • downstream disc 151 can have a dimension along the longitudinal direction X1 between 0.05 mm and 0.3 mm.
  • the downstream sealing means 150 may comprise a plurality of sectors arranged circumferentially end to end around the longitudinal axis X1.
  • Each sector of the downstream sealing means 150 may in particular comprise a downstream disc sector 151, and preferably an internal downstream rim sector 152 and/or an external downstream rim sector 153.
  • Each sector of the downstream sealing means 150 may further comprise one or more of said one or more downstream festoons 154.
  • Each sector of the downstream sealing means 150 can be associated with at least one, preferably only one, of the ring sectors 120.
  • each downstream disc sector 151, and where applicable each internal downstream rim sector 152 and/or external downstream rim sector 153, can extend circumferentially between a first end and a second end which are longitudinally aligned with the first end and the second end of one of the ring sectors 120.
  • each sector of the downstream sealing means 150 can extend circumferentially over the entire circumferential length of one of the ring sectors 120.

Landscapes

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Abstract

Turbine comprenant :- un carter annulaire externe (100) comprenant une paroi annulaire radiale (102),- un flasque (110) radial fixé au carter annulaire externe (100),- un anneau (120) comprenant une bride annulaire amont (123) et une bride annulaire aval (124),- des moyens d'étanchéité amont (140) intercalés longitudinalement entre la bride annulaire amont (123) de l'anneau (120) et le flasque (110), et présentant un coefficient de dilatation thermique entre celui du flasque (110) et celui de la bride annulaire amont (123), et /ou- des moyens d'étanchéité aval (150) intercalés longitudinalement entre la bride annulaire aval (124) de l'anneau (120) et la paroi annulaire radiale (102) du carter externe, les moyens d'étanchéité aval (150) présentant un coefficient de dilatation thermique entre celui de la paroi annulaire radiale (102) du carter annulaire externe (100) et celui de la bride annulaire aval (124).

Description

    Domaine technique
  • La présente description se rapporte à une turbine pour turbomachine. La présente description se rapporte également à une turbomachine comprenant une telle turbine.
    • Technique antérieure
  • Une turbomachine 10, telle que représentée à la figure 1, présente classiquement un axe longitudinal X1 qui correspond à l'axe de rotation des parties tournantes. Dans ce qui suit, les termes axial et radial sont définis par rapport à l'axe longitudinal X1. La turbomachine 10 comporte, de l'amont AM vers l'aval AV dans le sens d'écoulement des gaz, une soufflante 11, un compresseur basse-pression 12, un compresseur haute-pression 13, une chambre de combustion 14, une turbine haute-pression 15 et une turbine basse-pression 16. L'air issu de la soufflante 11 est divisé en un flux primaire s'écoulant dans une veine annulaire primaire, et un flux secondaire s'écoulant dans une veine annulaire secondaire entourant la veine annulaire primaire. Le compresseur basse-pression 12, le compresseur haute-pression 13, la chambre de combustion 14, la turbine haute-pression 15 et la turbine basse-pression 16 sont ménagés dans la veine primaire.
  • Le rotor de la turbine haute-pression 15 et le rotor du compresseur haute-pression 13 sont couplés en rotation par l'intermédiaire d'un premier arbre 17 de manière à former un corps haute pression. Le rotor de la turbine basse-pression 16 et le rotor du compresseur basse-pression 12 sont couplés en rotation par l'intermédiaire d'un second arbre 18 de manière à former un corps basse pression, la soufflante 11 pouvant être reliée directement au rotor du compresseur basse pression ou par exemple par l'intermédiaire d'un train d'engrenage épicycloïdal.
  • Classiquement, le rotor de la turbine basse-pression 16 ou de la turbine haute-pression 15 comprend une pluralité de roues à aubes entourées par un anneau 30 de turbine délimitant extérieurement la veine d'écoulement des gaz.
  • Comme représenté à la figure 2, l'anneau 30 comporte une plateforme 31 annulaire dont une surface radialement interne peut comporter un revêtement abradable destiné à limiter la circulation d'air parasite entre l'extrémité radialement externe des aubes et l'anneau 30. Le revêtement assure, en outre, une fonction de barrière thermique.
  • L'anneau 30 comprend une bride annulaire amont 32 et une bride annulaire aval 33, situées axialement à l'amont et à l'aval respectivement, et par lesquelles il est fixé à un carter externe 20 annulaire de la turbine. La bride annulaire amont 32 et la bride annulaire aval 33 s'étendent chacune radialement vers l'extérieur depuis la plateforme 31 annulaire. En outre, chaque anneau 30 est contraint entre, à l'amont, un flasque 23 annulaire radial et, à l'aval, une paroi annulaire radiale 22 du carter externe 20. Pour ce faire, la bride annulaire amont 32 et la bride annulaire aval 33 de l'anneau 30 sont respectivement disposées en appui, dans la direction longitudinale X, contre le flasque 23 annulaire radial et la paroi annulaire radiale 22 du carter externe 20.
  • Par ailleurs, pour faciliter sa fabrication, l'anneau 30 est généralement formé par une pluralité de secteurs d'anneau 30 disposés circonférentiellement bout-à-bout autour de l'axe longitudinal X1. Chaque secteur d'anneau 30 comprend un secteur de la plateforme 31 annulaire, un secteur de la bride annulaire amont 32 et un secteur de la bride annulaire aval 33.
  • Chaque anneau 30 est un matériau composite à matrice céramique, ou CMC, tandis que le flasque et le carter externe sont généralement réalisés en matériau métallique. Les matériaux CMC sont connus pour leurs propriétés mécaniques les rendant aptes à conserver leur intégrité mécanique à des températures élevées. Par ailleurs, les matériaux CMC ont une masse volumique inférieure à celles des alliages métalliques traditionnellement utilisés.
  • Toutefois, les matériaux CMC présentent un coefficient de dilatation thermique inférieur à un coefficient de dilatation thermique des matériaux métalliques. En conséquence, lors du fonctionnement de la turbomachine, il a été constaté un déplacement relatif dans la direction circonférentielle et radiale entre les secteurs de l'anneau 30 et d'une part le flasque 23 à l'amont et la paroi annulaire radiale 22 à l'aval. Ces déplacements génèrent une usure des brides annulaires amont 32 et aval 33 de l'anneau 30, du flasque 23 et de la paroi annulaire radiale 22 du carter externe 30, ce qui forme des passages radialement à l'amont entre le flasque et la bride annulaire amont et à l'aval entre la bride annulaire aval et la paroi annulaire radiale du carter externe. Ces passages permettent des fuites radialement vers l'extérieur des gaz circulant dans la veine, engendrant une perte de performance de la turbomachine et un risque d'endommagement du carter 20 externe soumis aux températures élevées des gaz.
    • Résumé
  • Il est proposé une turbine pour turbomachine d'axe longitudinal, la turbine comprenant :
    • un carter annulaire externe comprenant une paroi annulaire radiale,
    • un flasque radial fixé au carter annulaire externe,
    • un anneau comprenant :
      • -- une plateforme annulaire,
      • -- une bride annulaire amont s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la plateforme annulaire, la bride annulaire amont présentant une face amont qui est en vis-à-vis, dans la direction longitudinale, du flasque,
      • -- une bride annulaire aval s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la plateforme annulaire, la bride annulaire aval présentant une face aval qui est en vis-à-vis, dans la direction longitudinale, de la paroi annulaire radiale du carter externe,
        remarquable en ce qu'elle comprend :
        • des moyens d'étanchéité amont intercalés longitudinalement entre la face amont de la bride annulaire amont de l'anneau et le flasque, les moyens d'étanchéité amont présentant un coefficient de dilatation thermique intermédiaire entre un coefficient de dilatation thermique du flasque et un coefficient de dilatation thermique de la bride annulaire amont, et /ou
        • des moyens d'étanchéité aval intercalés longitudinalement entre la face aval de la bride annulaire aval de l'anneau et la paroi annulaire radiale du carter externe, les moyens d'étanchéité aval présentant un coefficient de dilatation thermique intermédiaire entre un coefficient de dilatation thermique de la paroi annulaire radiale du carter annulaire externe et un coefficient de dilatation thermique de la bride annulaire aval.
  • Par « coefficient de dilatation thermique intermédiaire entre », il convient de comprendre un coefficient qui peut prendre toute valeur d'un intervalle délimité par et incluant les bornes constituées des coefficients de dilatation thermique des deux pièces en regard respectivement en amont ou en aval. Ainsi, le coefficient de dilatation thermique des moyens d'étanchéité amont peut être égal au coefficient de dilatation thermique du flasque ; et/ou le coefficient de dilatation thermique des moyens d'étanchéité aval peut être égal au coefficient de dilatation thermique de la paroi annulaire radiale du carter externe.
  • Le coefficient de dilatation thermique des moyens d'étanchéité amont et/ou des moyens d'étanchéité aval peut être compris entre 6.10-6 C-1 et 15.10-6 C-1.
  • Les moyens d'étanchéité amont et/ou les moyens d'étanchéité aval peuvent être réalisés en un matériau composite à matrice céramique oxyde/oxyde ou en un matériau composite à matrice céramique en oxyde monolithique, ou alternativement en un matériau métallique. Le matériau métallique peut être un alliage de titane.
  • Le coefficient de dilatation thermique de l'anneau peut être compris entre 1.5.10-6 C-1 et 6.10-6 C-1. De manière préférée, le coefficient de dilatation thermique de l'anneau peut être compris entre 3.5.10-6 C-1 et 5.10-6 C-1. Le coefficient de dilatation thermique du flasque et/ou du carter annulaire externe peut être compris entre 12.10-6 C-1 et 15.10-6 C-1.
  • L'anneau peut être réalisé en un matériau composite à matrice céramique à base de carbure de silicium. Le flasque et/ou le carter annulaire externe peuvent être réalisés en un matériau métallique.
  • Les moyens d'étanchéité amont peuvent comprendre un disque amont annulaire qui comporte une face amont qui est, en tout ou partie, en appui, de préférence de manière étanche, longitudinalement sur une face aval du flasque et une face aval qui est, en tout ou partie, en appui, de préférence de manière étanche, longitudinalement une face amont de la bride annulaire amont de l'anneau, le disque amont présentant de préférence encore, en tout ou partie, une forme trapézoïdale dans un plan de coupe comprenant l'axe longitudinal, un grand côté du trapèze coïncidant avec une face aval du disque amont et un petit côté du trapèze coïncidant avec une face amont du disque amont.
  • Dans la présente divulgation, le terme « disque » est à comprendre dans son acception large, à savoir un élément sensiblement axisymétrique (éventuellement sectorisé, les secteurs formant, ensemble, une entité sensiblement axisymétrique), de faible épaisseur (selon l'axe longitudinal X) en comparaison de son diamètre. Cette définition comprend notamment les disques ajourés en leur centre, tels que des anneaux, des disques ouverts, des flasques, des coupelles, etc.
  • Les moyens d'étanchéité amont peuvent comprendre :
    • un rebord amont interne s'étendant longitudinalement vers l'amont depuis le disque amont et en appui, de préférence de manière étanche, radialement vers l'extérieur sur une face radialement interne du flasque ; et/ou
    • un rebord amont externe s'étendant radialement vers l'amont depuis le disque amont et en appui, de préférence de manière étanche, radialement vers l'intérieur sur une face radialement externe du flasque.
  • Les moyens d'étanchéité amont peuvent comprendre un ou plusieurs festons amont faisant saillie radialement vers l'extérieur du disque amont.
  • Le disque amont peut présenter une dimension selon la direction longitudinale comprise entre 0.05 mm et 0.3 mm.
  • Les moyens d'étanchéité aval peuvent comprendre un disque aval annulaire qui comporte une face amont qui est, en tout ou partie, en appui, de préférence de manière étanche, longitudinalement sur une face aval de la bride annulaire aval de l'anneau et une face aval qui est, en tout ou partie, en appui, de préférence de manière étanche, longitudinalement une face amont de la paroi annulaire radiale du carter annulaire externe, le disque aval présentant de préférence encore, en tout ou partie, une forme trapézoïdale dans un plan de coupe comprenant l'axe longitudinal, un grand côté du trapèze coïncidant avec une face amont du disque aval et un petit côté du trapèze coïncidant avec une face aval du disque aval.
  • Les moyens d'étanchéité aval peuvent comprendre :
    • un rebord aval interne s'étendant longitudinalement vers l'aval depuis le disque aval et en appui, de préférence de manière étanche, radialement vers l'extérieur sur une face radialement interne de la paroi annulaire radiale du carter annulaire externe ; et/ou
    • un rebord aval externe s'étendant radialement vers l'aval depuis le disque aval et en appui, de préférence de manière étanche, radialement vers l'intérieur sur une face radialement externe de la paroi annulaire radiale du carter annulaire externe.
  • Les moyens d'étanchéité aval peuvent comprendre un ou plusieurs festons aval faisant saillie radialement vers l'extérieur du disque aval.
  • Le disque aval peut présenter une dimension selon la direction longitudinale comprise entre 0.05 mm et 0.3 mm.
  • Les moyens d'étanchéité amont peuvent comprendre une pluralité de secteurs disposés circonférentiellement bout à bout autour de l'axe longitudinal et/ou les moyens d'étanchéité aval comprennent une pluralité de secteurs disposés circonférentiellement bout à bout autour de l'axe longitudinal.
  • Selon un autre aspect, il est proposé une turbomachine comprenant une turbine telle que décrite ci-avant.
    • Brève description des dessins
  • D'autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l'analyse des dessins annexés, sur lesquels :
    • Figure 1 est une vue schématique en coupe qui représente une turbomachine selon l'état de la technique ;
    • Figure 2 est une vue schématique en coupe qui représente un carter de turbine et un anneau de turbine de la turbomachine de la figure 1 ;
    • Figure 3 est une vue schématique en coupe qui représente un carter de turbine, un anneau de turbine pour turbomachine et des moyens d'étanchéité amont et aval selon une première configuration de la présente description ;
    • Figure 4 est une vue schématique de face de l'anneau de turbine et des moyens d'étanchéité aval de la figure ;
    • Figure 5 est une vue schématique en coupe qui représente un carter de turbine, un anneau de turbine pour turbomachine et des moyens d'étanchéité amont et aval selon une deuxième configuration de la présente description ;
    • Figure 6 est une vue schématique en perspective qui représente les moyens d'étanchéité amont et aval selon la deuxième configuration ;
    • Figure 7 est une vue schématique en perspective qui représente des moyens d'étanchéité amont et aval selon une troisième configuration.
    Description des modes de réalisation
  • Il est maintenant fait référence d'abord aux figures 3 et 4 qui représentent partiellement une turbine pour turbomachine d'axe longitudinal X1.
  • Dans le présent exposé, la direction longitudinale X1 correspond à la direction de l'axe longitudinal X1. L'axe longitudinal X1 coïncide avec un axe de rotation des parties rotoriques de la turbomachine. Les qualificatifs d'orientation, tels que « longitudinal », « radial » ou « circonférentiel » sont définis sauf précision contraire par référence à l'axe longitudinal X1. Une direction radiale est une direction perpendiculaire à la direction de l'axe longitudinal X1. Une direction circonférentielle, en un point éloigné de l'axe longitudinal X1, correspond à une direction perpendiculaire aux directions longitudinale X1 et radiale. Par ailleurs, sauf précision contraire, les adjectifs « intérieur », « interne », « extérieur » et « externe » sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie intérieure/interne, i.e. radialement intérieure/interne, d'un élément est plus proche de l'axe longitudinal X1 que la partie extérieure/externe, i.e. radialement extérieure/externe, du même élément. Enfin, les qualificatifs relatifs « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du fluide de l'amont vers l'aval dans la turbomachine.
  • En particulier, la turbine comprend un carter annulaire externe 100. Le carter annulaire externe comprend comprenant une paroi annulaire radiale 102. Le carter peut comprendre une paroi cylindrique 101 d'axe longitudinal X1. La paroi annulaire radiale 102 du carter annulaire externe 100 peut s'étendre radialement vers l'intérieur depuis la paroi cylindrique 101, notamment depuis une portion d'extrémité aval de la paroi cylindrique 101.
  • La turbine comprend un flasque 110 radial fixé au carter annulaire externe 100. Le flasque 110 peut être relié, de préférence fixement, au carter annulaire externe 100.
  • La turbine comprend encore un anneau 120. L'anneau 120 peut être destiné à entourer une rangée annulaire d'aubes mobiles de la turbine. L'anneau 120 peut délimiter radialement à l'extérieur une veine annulaire primaire V de circulation des gaz dans la turbine. L'anneau 120 comprend une plateforme annulaire 121. La plateforme annulaire 121 peut présenter une face radialement interne adaptée pour supporter un matériau abradable 122 de la turbine. Le matériau abradable 122 peut être apte à coopérer à étanchéité avec les aubes mobiles, notamment avec des léchettes des aubes mobiles. La face radialement interne de la plateforme annulaire 121 peut délimiter radialement à l'extérieur la veine annulaire primaire V. L'anneau 120 peut comprendre une pluralité de secteurs d'anneau 120. La sectorisation de l'anneau 120 permet en outre de faciliter la fabrication de l'anneau 120 et son intégration dans la turbine. Chaque secteur d'anneau 120 peut s'étendre entre une première extrémité et une seconde extrémité dans la direction circonférentielle.
  • L'anneau 120 comprend encore une bride annulaire amont 123 s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la plateforme annulaire 121, la bride annulaire amont 123 présentant une face amont qui est en vis-à-vis, dans la direction longitudinale X1, du flasque 110 du carter externe. Similairement, l'anneau 120 comprend une bride annulaire aval 124 s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la plateforme annulaire 121, la bride annulaire aval 124 présentant une face aval qui est en vis-à-vis, dans la direction longitudinale X1, d'une paroi annulaire radiale 102 du carter externe.
  • De manière remarquable, la turbine comprend des moyens d'étanchéité amont 140 intercalés longitudinalement entre la face amont de la bride annulaire amont 123 de l'anneau 120 et le flasque 110, les moyens d'étanchéité amont 140 présentant un coefficient de dilatation thermique intermédiaire entre un coefficient de dilatation thermique du flasque 110 et un coefficient de dilatation thermique de la bride annulaire amont 123. Le terme « intermédiaire » est à comprendre comme incluant les bornes délimitant l'intervalle, ou incluant au moins la borne dictée par le carter : le coefficient de dilatation thermique des moyens d'étanchéité amont est compris dans un intervalle borné par et incluant les coefficients de dilatation thermique du flasque 110 et de la bride annulaire amont 123. En particulier, le coefficient de dilatation thermique des moyens d'étanchéité amont peut être égal au coefficient de dilatation thermique du flasque.
  • Alternativement ou au surplus, la turbine comprend des moyens d'étanchéité aval 150 intercalés longitudinalement entre la face aval de la bride annulaire aval 124 de l'anneau 120 et la paroi annulaire radiale 102 du carter externe, les moyens d'étanchéité aval 150 présentant un coefficient de dilatation thermique intermédiaire entre un coefficient de dilatation thermique de la paroi annulaire radiale 102 du carter annulaire externe 100 et un coefficient de dilatation thermique de la bride annulaire aval 124. Ici aussi, le terme « intermédiaire » est à comprendre comme incluant les bornes délimitant l'intervalle, ou incluant au moins la borne dictée par le carter : le coefficient de dilatation thermique des moyens d'étanchéité aval est compris dans un intervalle borné par et incluant les coefficients de dilatation thermique de la bride annulaire aval 124 et de la paroi annulaire radiale 102. En particulier, le coefficient de dilatation thermique des moyens d'étanchéité aval peut être égal au coefficient de dilatation thermique de la paroi annulaire radiale du carter externe.
  • Les moyens d'étanchéité amont 140 forment ainsi une interface intermédiaire entre le flasque 110 et la bride annulaire amont 123. Les déplacements induits par les différences de coefficient thermique sont ainsi réduits d'une part entre le flasque 110 et les moyens d'étanchéité amont 140, et d'autre part entre les moyens d'étanchéité amont 140 et la bride annulaire amont 123. Consécutivement, il a été constaté une usure réduite du flasque 110 et de la bride annulaire amont 123, réduisant ainsi la formation de passage entre le flasque 110 radial et la bride annulaire amont 123 et donc les risques de fuite de gaz radialement à l'extérieur vers le carter annulaire externe 100. Dans le cas où, par exemple, le coefficient de dilatation thermique des moyens d'étanchéité amont 140 est égal à celui du flasque, alors, bien qu'il n'y ait plus deux différences de dilatation thermique mais une seule, il y a néanmoins une surface de contact plus étendue entre les moyens d'étanchéité 140 et la bride annulaire amont 123, ce qui réduit également les fuites. L'absence de fuite est ainsi confirmée sur tout l'intervalle, bornes incluses, formé entre les valeurs des coefficients de dilatation thermique de la bride annulaire amont 123 et du flasque 110.
  • Similairement, les moyens d'étanchéité aval 150 forment une interface intermédiaire entre la paroi annulaire radiale 102 du carter annulaire externe 100 et la bride annulaire aval 124. Les déplacements induits par les différences de coefficient thermique sont ainsi réduits d'une part entre la bride annulaire aval 124 et les moyens d'étanchéité aval 150, et d'autre part entre les moyens d'étanchéité aval 150 et la paroi annulaire radiale 102 du carter annulaire externe 100. Consécutivement, il a été constaté une usure réduite de la bride annulaire aval 124 et de la paroi annulaire radiale 102 du carter annulaire externe 100, réduisant ainsi la formation de passage entre la bride annulaire aval 124 et la paroi annulaire radiale 102 du carter annulaire externe 100, et donc réduisant les risques de fuite de gaz radialement à l'extérieur vers le carter annulaire externe 100. Dans le cas où, par exemple, le coefficient de dilatation thermique des moyens d'étanchéité aval 150 est égal à celui de la paroi annulaire radiale 102, alors, bien qu'il n'y ait plus deux différences de dilatation thermique mais une seule, il y a néanmoins une surface de contact plus étendue entre les moyens d'étanchéité 150 et la bride annulaire aval 124, ce qui réduit également les fuites. L'absence de fuite est ainsi confirmée sur tout l'intervalle, bornes incluses, formé entre les valeurs des coefficients de dilatation thermique de la bride annulaire aval 124 et de la paroi annulaire radiale 102.
  • Selon une autre formulation, les moyens d'étanchéité amont 140 peuvent être serrés longitudinalement entre la face amont de la bride annulaire amont 123 de l'anneau 120 et le flasque 110. De même, les moyens d'étanchéité aval 150 peuvent être longitudinalement entre la face aval de la bride annulaire aval 124 de l'anneau 120 et la paroi annulaire radiale 102 du carter externe. L'anneau 120 est ainsi maintenu selon la direction longitudinale X1 en étant intercalé entre le flasque 110 et la paroi annulaire radiale 102 du carter annulaire externe 100, ici par l'intermédiaire des moyens d'étanchéité amont 140 et aval.
  • Les moyens d'étanchéité amont 140 peuvent être configurés pour limiter, voire empêcher, une fuite des gaz longitudinalement entre la face amont de la bride annulaire amont 123 de l'anneau 120 et le flasque 110. De même, les moyens d'étanchéité aval 150 peuvent être configurés pour limiter, voire empêcher, une fuite des gaz longitudinalement entre la face aval de la bride annulaire aval 124 de l'anneau 120 et la paroi annulaire radiale 102 du carter externe.
  • Le coefficient de dilatation thermique de l'anneau 120 peut être compris entre 1.5.10-6 C-1 et 6.10-6 C-1, préférentiellement entre 3.5. 10-6 C-1 et 5.0 10-6 C-1. L'anneau 120 peut être réalisé en un matériau composite à matrice céramique à base de carbure de silicium. Les matériaux composites à matrice céramique CMC supportent des températures allant jusqu'à 1400°C. De par leur meilleure résistance aux hautes températures, les CMC nécessitent moins de refroidissement. Ce refroidissement étant traditionnellement issu d'un prélèvement dans le compresseur qui impacte le rendement de la turbomachine, les matériaux CMC permettent donc d'améliorer le rendement moteur ce qui réduit la consommation de carburant.
  • Par ailleurs, l'utilisation des matériaux composites à matrice céramique contribue à optimiser les performances des turbomachines notamment par la baisse de la masse globale de la turbomachine qui contribue encore à une diminution de la consommation carburant et donc à la réduction significative des émissions polluantes.
  • Le coefficient de dilatation thermique du flasque 110 et/ou du carter annulaire externe 100 peut être compris entre 12.10-6 C-1 et 15.10-6 C-1. Le flasque 110 et/ou le carter annulaire externe 100 peuvent être réalisés en un matériau métallique.
  • Le coefficient de dilatation thermique des moyens d'étanchéité amont 140 et/ou des moyens d'étanchéité aval 150 peut être compris entre 6.10-6 C-1 et 15.10-6 C-1. Dans une première variante, les moyens d'étanchéité amont 140 et/ou les moyens d'étanchéité aval 150 peuvent être réalisés en un de coefficient de dilatation thermique inférieur ou égal à 6.10-6 C-1 : matériau composite à matrice céramique oxyde/oxyde ou en un matériau composite à matrice céramique en oxyde monolithique. Dans une seconde variante, l'un et/ou l'autre des moyens d'étanchéité (amont et/ou aval) peut être réalisé en un matériau de coefficient de dilatation thermique compris entre 6.10-6 C-1 et 15.10-6 C-1: par exemple un matériau métallique, e.g., un alliage de titane.
  • Les moyens d'étanchéité amont 140 peuvent comprendre un disque amont 141 annulaire. Le disque amont 141 peut être intercalé longitudinalement entre la face amont de la bride annulaire amont 123 de l'anneau 120 et le flasque 110. Autrement dit, le disque amont 141 peut être serré longitudinalement entre la face amont de la bride annulaire amont 123 de l'anneau 120 et le flasque 110. Le disque amont 141 peut comprendre une face amont qui est, en tout ou partie, en appui, de préférence de manière étanche, longitudinalement sur une face aval du flasque 110. Le disque amont 141 peut comprendre une face aval qui est, en tout ou partie, en appui, de préférence de manière étanche, longitudinalement une face amont de la bride annulaire amont 123 de l'anneau 120. De manière équivalente, le disque amont 141 peut correspondre à une paroi radiale annulaire des moyens d'étanchéité amont 140.
  • Les moyens d'étanchéité amont 140 peuvent comprendre un ou plusieurs festons amont 144 faisant saillie radialement vers l'extérieur du disque amont 141. Il est entendu par le terme « feston », un relief en saillie radialement vers l'extérieur depuis une extrémité radialement externe du disque amont 141. Chaque feston amont 144 peut comprendre une base par laquelle il est relié au disque amont 141. Chaque feston amont 144 peut comprendre un bord libre. Chaque feston amont 144 peut présenter une section ayant une forme trapézoïdale dans un plan de coupe perpendiculaire à l'axe longitudinal X1. Alternativement, chaque feston amont 144 peut présenter une section ayant une forme arrondie dans un plan de coupe perpendiculaire à l'axe longitudinal X1. Chaque feston amont 144 comprend un trou traversant selon la direction longitudinale X1.
  • Le flasque 110 peut comprendre un ou plusieurs trous. La bride annulaire amont 123 peut comprendre un ou plusieurs trous. La turbine peut comprendre un ou plusieurs pions amont 131. Chaque pion amont 131 peut s'étendre longitudinalement en passant au travers, d'amont en aval selon la direction longitudinale X1, de l'un desdits un ou plusieurs trous à travers à le flasque 110, du trou à travers l'un desdits un ou plusieurs festons amont 144 des moyens d'étanchéité amont 140 et de l'un desdits un ou plusieurs trous à travers la bride annulaire amont 123. Cela permet le maintien radial de l'anneau 120 par rapport au flasque 110 et aussi le maintien radial des moyens d'étanchéité amont 140 par rapport au flasque 110 et à l'anneau 120.
  • Selon une variante représentée aux figures 5 et 6, les moyens d'étanchéité amont 140 peuvent comprendre un rebord amont interne 142 s'étendant longitudinalement vers l'amont depuis le disque amont 141 et en appui, de préférence de manière étanche, radialement vers l'extérieur sur une face radialement interne du flasque 110. Les moyens d'étanchéité amont 140 peuvent comprendre un rebord amont externe 143 s'étendant radialement vers l'amont depuis le disque amont 141 et en appui, de préférence de manière étanche, radialement vers l'intérieur sur une face radialement externe du flasque 110. Cela permet d'assurer une meilleure étanchéité à l'amont longitudinalement entre les moyens d'étanchéité amont 140 et le flasque 110. En effet, un labyrinthe amont est formé longitudinalement entre d'une part le flasque 110 et d'autre part le rebord amont interne 142, le disque et le rebord amont externe 143, limitant ainsi encore plus une fuite de gaz radialement vers l'extérieur longitudinalement entre le flasque 110 et la bride annulaire amont 123. Le rebord amont interne 142 et/ou le rebord amont externe 143 améliorent en outre le maintien radial des moyens d'étanchéité amont 140 par rapport le flasque 110.
  • Le rebord amont interne 142 et/ou le rebord amont externe 143 peuvent être annulaires.
  • Le rebord amont externe 143 peut être relié à une portion d'extrémité radialement externe du disque amont 141. Le rebord amont interne 142 peut être relié à une portion d'extrémité radialement interne du disque amont 141. Le rebord amont externe 143 peut être agencé radialement à l'extérieur par rapport au rebord amont interne 142.
  • Le disque amont 141 peut être venu de matière, c'est-à-dire monobloc, avec le rebord amont interne 142 et/ou le rebord amont externe 143.
  • Selon une autre variante représentée à la figure 7 et non exclusive de la variante des figures 5 et 6, le disque amont 141 peut présenter, en tout ou partie, une forme trapézoïdale dans un plan de coupe comprenant l'axe longitudinal X1, un grand côté du trapèze coïncidant avec une face aval du disque amont 141 et un petit côté du trapèze coïncidant avec une face amont du disque amont 141. Une telle forme du disque amont 141 permet de mieux diffuser les efforts de serrage selon l'axe longitudinal X1 dans la bride annulaire amont 123, réduisant ainsi les contraintes mécaniques.
  • De manière générale, le disque amont 141 peut présenter une dimension selon la direction longitudinale X1 comprise entre 0.05 mm et 0.3 mm.
  • Les moyens d'étanchéité amont 140 peuvent comprendre une pluralité de secteurs disposés circonférentiellement bout à bout autour de l'axe longitudinal X1. Chaque secteur de moyens d'étanchéité amont 140 peut notamment comprendre un secteur de disque amont 141, et de préférence un secteur de rebord amont interne 142 et/ou un secteur de rebord amont externe 143. Chaque secteur de moyens d'étanchéité amont 140 peut encore comprendre un ou plusieurs parmi lesdits un ou plusieurs festons.
  • Chaque secteur des moyens d'étanchéité amont 140 peut être associé à au moins l'un, de préférence un seul, des secteurs d'anneau 120. En particulier, chaque secteur de disque amont 141, et au cas échéant chaque secteur de rebord amont interne 142 et/ou secteur de rebord amont externe 143, peut s'étendre circonférentiellement entre une première extrémité et une seconde extrémité qui sont longitudinalement alignés avec la première extrémité et la seconde extrémité de l'un des secteurs d'anneau 120. En d'autres termes encore, chaque secteur des moyens d'étanchéité amont 140 peut s'étendre circonférentiellement sur toute la longueur circonférentielle de l'un des secteurs d'anneau 120.
  • Les moyens d'étanchéité aval 150 peuvent comprendre un disque aval 151 annulaire. Le disque aval 151 peut être intercalé longitudinalement entre la face aval de la bride annulaire aval 124 de l'anneau 120 et la paroi annulaire radiale 102 du carter annulaire externe 100. Autrement dit, le disque aval 151 peut être serré longitudinalement entre la face aval de la bride annulaire aval 124 de l'anneau 120 et la paroi annulaire radiale 102 du carter annulaire externe 100. Le disque aval 151 peut comprendre une face amont qui est, en tout ou partie, en appui, de préférence de manière étanche, longitudinalement sur une face aval de la bride annulaire aval 124 de l'anneau 120. Le disque aval 151 peut comprendre une face aval qui est, en tout ou partie, en appui, de préférence de manière étanche, longitudinalement une face amont de la paroi annulaire radiale 102 du carter annulaire externe 100. De manière équivalente, le disque aval 151 peut correspondre à une paroi radiale annulaire des moyens d'étanchéité aval 150.
  • Les moyens d'étanchéité aval 150 peuvent comprendre un ou plusieurs festons aval 154 faisant saillie radialement vers l'extérieur du disque aval 151. Il est entendu par le terme « feston », un relief en saillie radialement vers l'extérieur depuis une extrémité radialement externe du disque aval 151. Chaque feston aval 154 peut comprendre une base par laquelle il est relié au disque aval 151. Chaque feston aval 154 peut comprendre un bord libre. Chaque feston aval 154 peut présenter une section ayant une forme trapézoïdale dans un plan de coupe perpendiculaire à l'axe longitudinal X1. Alternativement, chaque feston aval 154 peut présenter une section ayant une forme arrondie dans un plan de coupe perpendiculaire à l'axe longitudinal X1. Chaque feston aval 154 comprend un trou traversant selon la direction longitudinale X1.
  • La paroi annulaire radiale 102 du carter annulaire externe 100 peut comprendre un ou plusieurs trous. La bride annulaire aval 124 peut comprendre un ou plusieurs trous. La turbine peut comprendre un ou plusieurs pions aval 132. Chaque pion aval 132 peut s'étendre longitudinalement en passant au travers, d'amont en aval selon la direction longitudinale X1, de l'un desdits un ou plusieurs trous à travers à la bride annulaire aval 124 de l'anneau 120, du trou à travers l'un desdits un ou plusieurs festons aval 154 des moyens d'étanchéité aval 150 et de l'un desdits un ou plusieurs trous à travers la paroi annulaire radiale 102 du carter annulaire externe 100. Cela permet le maintien radial de l'anneau 120 par rapport au carter annulaire externe 100 et aussi le maintien radial des moyens d'étanchéité aval 150 par rapport au carter annulaire externe 100 et à l'anneau 120.
  • Selon une variante représentée aux figures 5 et 6, les moyens d'étanchéité aval 150 peuvent comprendre un rebord aval interne 152 s'étendant longitudinalement vers l'aval depuis le disque aval 151 et en appui, de préférence de manière étanche, radialement vers l'extérieur sur une face radialement interne de la paroi annulaire radiale 102 du carter annulaire externe 100. Les moyens d'étanchéité aval 150 peuvent aussi comprendre un rebord aval externe 153 s'étendant radialement vers l'aval depuis le disque aval 151 et en appui, de préférence de manière étanche, radialement vers l'intérieur sur une face radialement externe de la paroi annulaire radiale 102 du carter annulaire externe 100. Cela permet d'assurer une meilleure étanchéité à l'aval longitudinalement entre les moyens d'étanchéité aval 150 et la paroi annulaire radiale 102 du carter annulaire externe 100. En effet, un labyrinthe aval est formé longitudinalement entre d'une part la paroi annulaire radiale 102 du carter annulaire externe 100 et d'autre part le rebord aval interne 152, le disque et le rebord aval externe 153, limitant ainsi encore plus une fuite de gaz radialement vers l'extérieur longitudinalement entre le carter annulaire externe 100 et la bride annulaire aval 124. Le rebord aval interne 152 et/ou le rebord aval externe 153 améliorent en outre le maintien radial des moyens d'étanchéité aval 150 par rapport le flasque 110.
  • Le rebord aval interne 152 et/ou le rebord aval externe 153 peuvent être annulaires.
  • Le rebord aval externe 153 peut être relié à une portion d'extrémité radialement externe du disque aval 151. Le rebord aval interne 152 peut être relié à une portion d'extrémité radialement interne du disque aval 151. Le rebord aval externe 153 peut être agencé radialement à l'extérieur par rapport au rebord aval interne 152.
  • Le disque aval 151 peut être venu de matière, c'est-à-dire monobloc, avec le rebord aval interne 152 et/ou le rebord aval externe 153.
  • Selon une autre variante représentée à la figure 7 et non exclusive de la variante des figures 5 et 6, le disque aval 151 peut présenter, en tout ou partie, une forme trapézoïdale dans un plan de coupe comprenant l'axe longitudinal X1, un grand côté du trapèze coïncidant avec une face amont du disque aval 151 et un petit côté du trapèze coïncidant avec une face aval du disque aval 151. Une telle forme du disque aval 151 permet de mieux diffuser les efforts de serrage selon l'axe longitudinal X1 dans la bride annulaire aval 124, réduisant ainsi les contraintes mécaniques.
  • De manière générale, le disque aval 151 peut présenter une dimension selon la direction longitudinale X1 comprise entre 0.05 mm et 0.3 mm.
  • Les moyens d'étanchéité aval 150 peuvent comprendre une pluralité de secteurs disposés circonférentiellement bout à bout autour de l'axe longitudinal X1. Chaque secteur des moyens d'étanchéité aval 150 peut notamment comprendre un secteur de disque aval 151, et de préférence un secteur de rebord aval interne 152 et/ou un secteur de rebord aval externe 153. Chaque secteur des moyens d'étanchéité aval 150 peut encore comprendre un ou plusieurs parmi lesdits un ou plusieurs festons aval 154.
  • Chaque secteur des moyens d'étanchéité aval 150 peut être associé à au moins l'un, de préférence un seul, des secteurs d'anneau 120. En particulier, chaque secteur de disque aval 151, et au cas échéant chaque secteur de rebord aval interne 152 et/ou secteur de rebord aval externe 153, peut s'étendre circonférentiellement entre une première extrémité et une seconde extrémité qui sont longitudinalement alignés avec la première extrémité et la seconde extrémité de l'un des secteurs d'anneau 120. En d'autres termes encore, chaque secteur des moyens d'étanchéité aval 150 peut s'étendre circonférentiellement sur toute la longueur circonférentielle de l'un des secteurs d'anneau 120.

Claims (15)

  1. Turbine pour turbomachine d'axe longitudinal (X1), la turbine comprenant :
    - un carter annulaire externe (100) comprenant une paroi annulaire radiale (102),
    - un flasque (110) radial fixé au carter annulaire externe (100),
    - un anneau (120) comprenant :
    -- une plateforme annulaire (121),
    -- une bride annulaire amont (123) s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la plateforme annulaire (121), la bride annulaire amont (123) présentant une face amont qui est en vis-à-vis, dans la direction longitudinale (X1), du flasque (110)
    -- une bride annulaire aval (124) s'étendant radialement vers l'extérieur depuis la plateforme annulaire (121), la bride annulaire aval (124) présentant une face aval qui est en vis-à-vis, dans la direction longitudinale (X1), de la paroi annulaire radiale (102) du carter externe,
    caractérisée en ce qu'elle comprend :
    - des moyens d'étanchéité amont (140) intercalés longitudinalement entre la face amont de la bride annulaire amont (123) de l'anneau (120) et le flasque (110), les moyens d'étanchéité amont (140) présentant un coefficient de dilatation thermique intermédiaire entre un coefficient de dilatation thermique du flasque (110) et un coefficient de dilatation thermique de la bride annulaire amont (123), et /ou
    - des moyens d'étanchéité aval (150) intercalés longitudinalement entre la face aval de la bride annulaire aval (124) de l'anneau (120) et la paroi annulaire radiale (102) du carter externe, les moyens d'étanchéité aval (150) présentant un coefficient de dilatation thermique intermédiaire entre un coefficient de dilatation thermique de la paroi annulaire radiale (102) du carter annulaire externe (100) et un coefficient de dilatation thermique de la bride annulaire aval (124).
  2. Turbine selon la revendication précédente, dans laquelle le coefficient de dilatation thermique des moyens d'étanchéité amont (140) et/ou des moyens d'étanchéité aval (150) est compris entre 6.10-6 C-1 et 15.10-6 C-1.
  3. Turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les moyens d'étanchéité amont (140) et/ou les moyens d'étanchéité aval (150) sont réalisés en un matériau composite à matrice céramique oxyde/oxyde ou en un matériau composite à matrice céramique en oxyde monolithique, ou alternativement en un matériau métallique.
  4. Turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le coefficient de dilatation thermique de l'anneau (120) est compris entre 1.5.10-6 C-1 et 6.10-6 C-1 et/ou dans laquelle le coefficient de dilatation thermique du flasque (110) et/ou du carter annulaire externe (100) est compris entre 12.10-6 C-1 et 15.10-6 C-1.
  5. Turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'anneau (120) est réalisé en un matériau composite à matrice céramique à base de carbure de silicium et/ou dans laquelle le flasque (110) et/ou le carter annulaire externe (100) sont réalisés en un matériau métallique.
  6. Turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les moyens d'étanchéité amont (140) comprennent un disque amont (141) annulaire qui comporte une face amont qui est, en tout ou partie, en appui, de préférence de manière étanche, longitudinalement sur une face aval du flasque (110) et une face aval qui est, en tout ou partie, en appui, de préférence de manière étanche, longitudinalement une face amont de la bride annulaire amont (123) de l'anneau (120), le disque amont (141) présentant de préférence encore, en tout ou partie, une forme trapézoïdale dans un plan de coupe comprenant l'axe longitudinal (X1), un grand côté du trapèze coïncidant avec une face aval du disque amont (141) et un petit côté du trapèze coïncidant avec une face amont du disque amont (141).
  7. Turbine selon la revendication précédente, dans laquelle les moyens d'étanchéité amont (140) comprennent :
    - un rebord amont interne (142) s'étendant longitudinalement vers l'amont depuis le disque amont (141) et en appui, de préférence de manière étanche, radialement vers l'extérieur sur une face radialement interne du flasque (110) ; et/ou
    - un rebord amont externe (143) s'étendant radialement vers l'amont depuis le disque amont (141) et en appui, de préférence de manière étanche, radialement vers l'intérieur sur une face radialement externe du flasque (110).
  8. Turbine selon la revendication 6 ou 7, dans laquelle les moyens d'étanchéité amont (140) comprennent un ou plusieurs festons amont (144) faisant saillie radialement vers l'extérieur du disque amont (141).
  9. Turbine selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans laquelle le disque amont (141) présente une dimension selon la direction longitudinale (X1) comprise entre 0.05 mm et 0.3 mm.
  10. Turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les moyens d'étanchéité aval (150) comprennent un disque aval (151) annulaire qui comporte une face amont qui est, en tout ou partie, en appui, de préférence de manière étanche, longitudinalement sur une face aval de la bride annulaire aval (124) de l'anneau (120) et une face aval qui est, en tout ou partie, en appui, de préférence de manière étanche, longitudinalement une face amont de la paroi annulaire radiale (102) du carter annulaire externe (100), le disque aval (151) présentant de préférence encore, en tout ou partie, une forme trapézoïdale dans un plan de coupe comprenant l'axe longitudinal (X1), un grand côté du trapèze coïncidant avec une face amont du disque aval (151) et un petit côté du trapèze coïncidant avec une face aval du disque aval (151).
  11. Turbine selon la revendication précédente, dans laquelle les moyens d'étanchéité aval (150) comprennent :
    - un rebord aval interne (152) s'étendant longitudinalement vers l'aval depuis le disque aval (151) et en appui, de préférence de manière étanche, radialement vers l'extérieur sur une face radialement interne de la paroi annulaire radiale (102) du carter annulaire externe (100) ; et/ou
    - un rebord aval externe (153) s'étendant radialement vers l'aval depuis le disque aval (151) et en appui, de préférence de manière étanche, radialement vers l'intérieur sur une face radialement externe de la paroi annulaire radiale (102) du carter annulaire externe (100).
  12. Turbine selon la revendication 9 ou 10, dans laquelle les moyens d'étanchéité aval (150) comprennent un ou plusieurs festons aval (154) faisant saillie radialement vers l'extérieur du disque aval (151).
  13. Turbine selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans laquelle le disque aval (151) présente une dimension selon la direction longitudinale (X1) comprise entre 0.05 mm et 0.3 mm.
  14. Turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les moyens d'étanchéité amont (140) comprennent une pluralité de secteurs disposés circonférentiellement bout à bout autour de l'axe longitudinal (X1) et/ou les moyens d'étanchéité aval (150) comprennent une pluralité de secteurs disposés circonférentiellement bout à bout autour de l'axe longitudinal (X1).
  15. Turbomachine comprenant une turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US11492978B2 (en) * 2019-11-26 2022-11-08 Raytheon Technologies Corporation Seal assembly with secondary retention feature
FR3131597A1 (fr) * 2022-01-06 2023-07-07 Safran Ceramics Turbine pour turbomachine
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