FR2919345A1

FR2919345A1 - Anneau pour une roue de turbine de turbomachine.

Info

Publication number: FR2919345A1
Application number: FR0705456A
Authority: FR
Inventors: Alain Dominique Gendraud; Vincent Philippot
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2009-01-30
Anticipated expiration: 2027-07-26
Also published as: FR2919345B1

Abstract

Anneau pour une roue de turbine de turbomachine, comprenant des secteurs d'anneau (118) disposés bout à bout et des moyens d'étanchéité montés entre les secteurs d'anneau, les moyens d'étanchéité comprenant des lamelles internes et externes logées dans des fentes (158, 162) en vis à vis des faces radiales (156) en regard des secteurs d'anneau, les secteurs d'anneau comportant des canaux (168) d'éjection d'air débouchant sur ces faces radiales, les fentes (162) de logement des lamelles internes s'étendant sensiblement sur toute la longueur axiale des secteurs d'anneau, entre les débouchés des canaux d'éjection d'air et les bords longitudinaux internes (166) de ces faces radiales.

Description

Anneau pour une roue de turbine de turbomachine

La présente invention concerne un anneau pour une roue de turbine ou de compresseur d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un 5 turbopropulseur d'avion. Une turbine de turbomachine 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 montée rotative en aval du distributeur dans un anneau de forme générale cylindrique ou 10 tronconique formée par des secteurs qui sont disposés circonférentiellement bout à bout et qui sont accrochés sur le carter de la turbine. Des moyens d'étanchéité sont prévus entre les secteurs d'anneau pour limiter les fuites de gaz chauds venant de la turbine dans les cavités 15 inter-secteurs, qui se traduiraient par une diminution des performances de la turbomachine et par la formation de criques ou de fissures sur les secteurs d'anneau et le carter. Ces moyens d'étanchéité comprennent des lamelles dont les bords sont logés dans des fentes en vis-à-vis des faces radiales en regard des 20 secteurs d'anneau. Ces lamelles sont engagés avec jeu dans les fentes des secteurs d'anneau ce qui ne permet pas d'avoir une étanchéité parfaite entre les secteurs d'anneau. Par ailleurs, en fonctionnement, les lamelles vibrent et se déplacent à l'intérieur des fentes ce qui se traduit par une usure précoce des lamelles et donc par une réduction de leur durée de vie. 25 Il est connu de monter plusieurs lamelles d'étanchéité dans une cavité inter-secteurs. Cependant, ces lamelles ne permettent pas à elles seules d'assurer une étanchéité efficace entre les secteurs d'anneau. Une solution à ce problème consiste à alimenter en air de refroidissement sous pression les cavités inter-secteurs, cet air limitant 30 l'introduction de gaz chauds dans les cavités inter-secteurs. II est connu pour cela de former des canaux d'éjection d'air dans chaque secteur d'anneau, ces canaux débouchant à une extrémité sur une face radiale du secteur d'anneau et étant reliés à une autre extrémité à un circuit d'amenée d'air de refroidissement. L'air éjecté par les canaux d'un secteur d'anneau vient en outre impacter sur la face radiale en regard d'un secteur d'anneau adjacent pour assurer son refroidissement et éviter un gradient de température entre les bords longitudinaux interne et externe de cette face radiale. Les débouchés de ces canaux d'éjection sont en général formés à proximité du bord longitudinal interne de la face radiale du secteur d'anneau, entre ce bord et une fente de logement d'une lamelle d'étanchéité. Cependant, cette solution n'est pas entièrement satisfaisante car on a constaté un dépôt de suie sur les parties des faces latérales comportant les débouchés de ces canaux, et une obstruction au moins partielle de ces débouchés, empêchant le gavage des cavités inter-secteurs par l'air de refroidissement. De plus, les lamelles d'étanchéité situées au-dessus des débouchés des canaux d'éjection sont à une distance radiale relativement importante de la roue de rotor entourée par cet anneau, ce qui se traduit par des débits d'air non travaillants qui passent entre les sommets des aubes de la roue et les lamelles d'étanchéité des cavités inter-secteurs.

L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à l'ensemble des problèmes de la technique antérieure. Elle propose à cet effet un anneau pour une roue de turbine de turbomachine, comprenant des secteurs d'anneau disposés circonférentiellement bout à bout, et des moyens d'étanchéité montés entre les secteurs d'anneau pour limiter les passages de gaz chauds, les moyens d'étanchéité comprenant des lamelles externes et des lamelles internes qui sont logées dans des fentes en vis à vis des faces radiales en regard des secteurs d'anneau et qui s'étendent le long des bords longitudinaux externes et internes des faces radiales, les secteurs d'anneau comportant des canaux d'éjection d'air de refroidissement débouchant sur ces faces radiales, caractérisé en ce que les fentes de logement des lamelles internes s'étendent sensiblement sur toute la longueur axiale des secteurs d'anneau, entre les débouchés des canaux d'éjection d'air et les bords longitudinaux internes de ces faces radiales.

Selon l'invention, les débouchés des canaux d'éjection d'air des secteurs d'anneau sont disposés à l'extérieur des fentes de logement des lamelles internes et non plus à l'intérieur de ces fentes, comme c'était le cas dans la technique antérieure. Cette invention présente de nombreux avantages : - l'air injecté dans les cavités inter-secteurs permet de refroidir efficacement les faces radiales des secteurs d'anneau et d'augmenter la durée de vie de ces secteurs ; les lamelles internes s'étendent sensiblement sur toute la longueur axiale des secteurs d'anneau, ce qui permet d'assurer une bonne étanchéité entre les secteurs d'anneau ; les lamelles internes délimitent intérieurement les cavités inter-secteurs dans lesquelles est injecté de l'air de refroidissement sous pression. Le gavage des cavités inter-secteurs par cet air de refroidissement permet de solliciter radialement vers l'intérieur les lamelles internes et de les maintenir plaquées en position inférieure dans les fentes des secteurs d'anneau. Les lamelles internes sont ainsi empêchées de se déplacer et de vibrer en fonctionnement de la turbine, ce qui permet de limiter l'usure de ces lamelles et d'augmenter de manière significative leur durée de vie. L'air injecté dans les cavités inter-secteurs assure donc, en plus du refroidissement des faces radiales des secteurs d'anneau, l'immobilisation des lamelles internes dans leurs fentes. Les fentes de logement des lamelles internes sont avantageusement situées au voisinage immédiat des bords longitudinaux internes des faces radiales des secteurs d'anneau et sont rectilignes. Ainsi, les lamelles internes sont rapprochées au plus près de la roue de rotor entourée par l'anneau, ce qui limite les passages d'air non travaillants entre cette roue et les lamelles, et se traduit par une augmentation des performances de la turbomachine. Selon un mode de réalisation de l'invention, les secteurs d'anneau comprennent sur chacune de leurs faces radiales une seconde fente de logement d'une lamelle externe, cette seconde fente s'étendant sensiblement parallèlement à la première fente le long du bord longitudinal externe de la face radiale du secteur d'anneau, et une troisième fente de logement d'une lamelle intermédiaire, cette troisième fente étant disposée de manière oblique entre les première et seconde fentes, de sorte que les fentes forment un rnotif en Z ou en Z inversé. Ces fentes disposées en Z permettent d'assurer une bonne étanchéité entre les secteurs d'anneau. L'extrémité radialement interne de la troisième fente est avantageusement reliée à la première fente, au niveau d'une des extrémités de cette première fente. Le fait de relier les première et troisième fentes entre elles permet de rapprocher les lamelles logées dans ces fentes, l'une de l'autre, et d'améliorer ainsi l'étanchéité entre les secteurs d'anneau. Les débouchés des canaux d'éjection d'air sont avantageusement situés entre les première et troisième fentes. Ces débouchés sont préférentiellement alignés sensiblement parallèlement à la première fente et à l'axe de l'anneau. Un, deux ou trois canaux d'éjection d'air, voire plus, peuvent déboucher sur chacune des faces radiales des secteurs d'anneau. L'invention concerne également une turbine de turbomachine, comprenant au moiins une roue de rotor, caractérisée en ce que cette roue est entourée par un anneau tel que décrit précédemment. L'invention concerne enfin une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine de ce type. 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 vue schématique partielle en coupe axiale d'une turbine haute-pression de turbomachine ; - la figure 2 est une vue schématique d'un secteur d'anneau de turbine selon la technique antérieure, vu de côté ; - la figure 3 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'une turbine haute-pression de turbomachine équipée d'un d'anneau selon l'invention. La figure 1 représente de manière schématique une partie d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion comprenant une turbine 10 haute-pression agencée en aval d'une chambre de combustion 12 et en amont d'une turbine basse-pression non représentée. Cette turbine haute-pression 10 comporte un étage composé d'un distributeur 14 formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes de redressement, et d'une roue à aubes 16 montée en aval du distributeur 14 et tournant à l'intérieur d'un anneau sensiblement cylindrique formée par des secteurs 18 à orientation circonférentielle disposés circonférentiellement bout à bout et suspendus à un carter de turbine 20 par l'intermédiaire d'un support annulaire 22. Ce support annulaire 22 comprend à sa périphérie interne des moyens d'accrochage des secteurs d'anneau 18 et comprend une paroi tronconique 26 qui :s'étend vers l'amont et vers l'extérieur et qui est reliée à son extrémité radialement externe à une bride annulaire radialement externe 28 de fixation sur une bride annulaire 30 correspondante du carter de turbine 20. Cette bride 28 est intercalée axialement entre une bride d'une paroi de suspension 32 de la chambre de combustion 12 et la bride 30 du carter de turbine 20 et est serrée axialement entre ces brides par des moyens appropriés du type vis-écrou.

Le support annulaire 22 comprend à sa périphérie interne deux parois annulaires radiales 34, 36, respectivement amont et aval, qui sont reliées l'une à l'autre par une paroi tronconique 38. Les parois radiales 34, 36 comprennent à leurs extrémités radialement internes des rebords cylindriques 40 orientés vers l'aval qui coopèrent avec des crochets circonférentiels 42, 44 prévus aux extrémités amont et aval des secteurs d'anneau 18. Un organe annulaire de verrouillage 46 à section en C est engagé axialement depuis l'aval sur le rebord cylindrique aval 40 du support 22 et sur les crochets aval 44 des secteurs d'anneau 18 pour assurer le verrouillage de l'ensemble. La paroi tronconique 26 du support annulaire 22 définit avec la paroi de suspension 32 de la chambre une enceinte annulaire 48 qui est alimentée en air de ventilation et de refroidissement par des orifices 50 formés dans la paroi de suspension 32, cet air étant prélevé en amont sur un étage du compresseur de la turbomachine. Des orifices 52 sont formés dans la paroi radiale amont 34 du support annulaire 22 pour établir une communication fluidique entre l'enceinte 48 et un espace annulaire 54 délimité extérieurement par la paroi 38 du support annulaire. Cet espace annulaire est relié à des moyens de circulation d'air formés dans chacun des secteurs d'anneau 18 pour assurer la ventilation et le refroidissement de ces secteurs.

Il est important d'assurer une étanchéité optimale entre les secteurs d'anneau 18 pour empêcher des fuites des gaz chauds passant dans la turbine, radialement de l'intérieur vers l'extérieur, dans les cavités inter-secteurs (non visibles). Ces fuites de gaz entraînent en effet une diminution des performances de la turbine et de la turbomachine, et peuvent faire monter la température des secteurs 18, du support 22 et du carter 20 et provoquer la formation de criques ou de fissures sur ces éléments susceptibles de les détruire. L'étanchéité entre les secteurs d'anneau 18 est réalisée au moyen de lamelles (non représentées) montées dans les cavités inter-secteurs, ces lamelles d'étanchéité ayant des bords engagés dans des fentes en vis- à-vis des faces radiales en regard des secteurs d'anneau. Les faces radiales de deux secteurs d'anneau adjacents sont en général situées à une faible distance l'une de l'autre, en direction circonférentielle. Le secteur d'anneau 18, visible en figure 2, représente la technique antérieure à la présente invention.

Les faces radiales 56 de ce secteur d'anneau comportent chacune trois fentes rectilignes 58, 60, 62 de logement de trois lamelles d'étanchéité. Une première fente externe 58 est formée à proximité du bord longitudinal radialennent externe 64 de la face 56 et s'étend sensiblement parallèlement à l'axe de l'anneau et aux bords longitudinaux interne 66 et externe 64 de la face 56 du secteur d'anneau. Une seconde fente intermédiaire 60 s'étend en oblique et en aval vers l'extérieur, entre les bords interne 66 et externe 64 de la face 56 du secteur, l'extrémité radialement interne de cette fente 60 étant située à proximité de l'extrémité amont du bord interne 66 de la face, et son extrémité radialement externe étant située à proximité de l'extrémité aval du bord externe 64 de la face 56. Une troisième fente interne 62 s'étend en oblique et en aval vers l'intérieur, entre la seconde fente 60 et le bord interne 66 de la face, l'extrémité radialement externe de la troisième fente 62 étant située au niveau de la partie médiane de la seconde fente 60 et son extrémité radialement interne étant située à proximité de l'extrémité aval du bord interne 66 de la face 56. Les fentes intermédiaire 60 et interne 62 sont ainsi agencées en chevron et n'interdisent pas l'introduction de gaz chauds dans la cavité inter-secteurs par un effet d'écope et le dépôt de suie sur la face radiale 56. Des canaux 68 d'éjection d'air débouchent sur la face radiale 56 du secteur d'anneau, entre les fentes 60, 62 d'une part, et le bord interne 66 de la face d'autre part. Les canaux 68 sont reliés aux moyens de circulation d'air formés dans le secteur d'anneau, pour alimenter en air de refroidissement sous pression la cavité inter-secteurs. Cet air prélevé sur le compresseur de la turbomachine permet de gaver la cavité inter-secteurs et de limiter l'introduction de gaz chauds dans cette cavité. Cependant, les moyens d'étanchéité et de refroidissement de la technique antérieure qui sont montés dans les cavités inter-secteurs ne sont pas entièrement satisfaisants pour les raisons exposées plus haut. L'invention permet de remédier à l'ensemble de ces problèmes grâce à un nouvel agencement des lamelles d'étanchéité entre les secteurs d'anneau. On a représenté un mode de réalisation de l'invention en figure 3, dans laquelle les éléments des secteurs d'anneau déjà décrits en référence à la figure 2 sont désignés par les mêmes chiffres augmentés d'une centaine. Les secteurs d'anneau 118 comprennent sur chacune de leurs faces radiales 156 trois fentes rectilignes de logement de trois lamelles d'étanchéité 170 également rectilignes. Les fentes externe 158 et intermédiaire 160 sont quasi-identiques aux fentes externe 58 et intermédiaire 60 décrites en référence à la figure 2. La fente interne 162 est ici parallèle au bord longitudinal interne 166 de la face radiale 156 du secteur d'anneau, et est à une faible distance radiale de ce bord 166. L'extrémité amont de la fente 162 est située à faible distance axiale de l'extrémité amont du secteur d'anneau, et son extrémité aval est située à faible distance axiale de l'extrémité aval du secteur d'anneau. La fente 166 s'étend donc sur la quasi-totalité de la dimension axiale du secteur d'anneau 118. La fente intermédiaire 160 est reliée à son extrémité radialement interne à la fente interne 162, au voisinage de son extrémité amont. La fente intermédiaire 160 pourrait éventuellement être reliée à son extrémité radialement externe à l'extrémité aval de la fente externe 158.

Les lamelles d'étanchéité 170 sont rectilignes et engagées avec jeu dans les fentes 158, 160 et 162. Les lamelles s'étendent sur la quasi- totalité de la longueur de leurs fentes de logement respectives. La lamelle engagée dans la fente intermédiaire 160 a son extrémité radialement interne qui affleure la lamelle logée dans la fente interne 162, ce qui permet d'éviter l'introduction de gaz chauds dans la cavité inter-secteurs et le dépôt de suie sur la face radiale 156 par l' effet d'écope précité. Les fentes 158, 160, 162, ainsi que les lamelles, forment un motif en Z (ou en Z inversé selon que l'on regarde l'une ou l'autre des faces radiales 156 du secteur d'anneau). Les canaux 168 d'éjection d'air débouchent sur la face radiale 156 entre la fente interne 162 et la fente intermédiaire 160, sensiblement au niveau des parties médianes de ces fentes. L'air éjecté par ces canaux permet de gaver la cavité inter-secteurs et d'augmenter la pression de l'air entre les lamelles interne et intermédiaire et d'appliquer sur la lamelle interne une force dirigée radialement vers l'intérieur qui sollicite cette lamelle vers l'intérieur et la maintient plaquée en position intérieure dans la fente interne 162 (et dans la fente correspondante d'un secteur d'anneau adjacent). Ceci permet d'assurer une bonne étanchéité entre les secteurs d'anneau, et ce sur toute leur dimension axiale. Les canaux 168 sont au nombre de deux dans l'exemple représenté mais peuvent être plus nombreux. Les débouchés de ces canaux 168 sont préférentiellement alignés le long d'une ligne s'étendant parallèlement à la fente interne 162 et à l'axe de l'anneau. En variante, les lamelles 170 peuvent avoir une certaine courbure pour pouvoir être emboîtées dans leurs fentes respectives avec une certaine précontrainte en direction radiale, ce qui permet de limiter leur déplacement en fonctionnement. Cette précontrainte s'ajoute à la sollicitation exercée par l'air injecté dans la cavité inter-secteurs, dans le cas de la lamelle interne logée dans la fente 162. Comme cela est visible en figure 3, l'invention permet de réduire la distance radiale D entre les sommets des aubes mobiles 16 et les lamelles internes logées dans les fentes 162, par rapport à la technique antérieure.

5 De plus, cette distance radiale D est constante sur toute la dimension axiale de l'anneau, ce qui permet d'améliorer les performances de la turbine et de limiter les débits d'air non travaillants entre les secteurs d'anneau. 10

Claims

REVENDICATIONS

1. Anneau pour une roue de turbine de turbomachine, comprenant des secteurs d'anneau (118) disposés circonférentiellement bout à bout, et des moyens d'étanchéité montés entre les secteurs d'anneau pour limiter les passages de gaz chauds, les moyens d'étanchéité comprenant des lamelles externes et des lamelles internes (170) qui sont logées dans des fentes (158, 162) en vis à vis des faces radiales (156) en regard des secteurs d'anneau et qui s'étendent le long des bords longitudinaux externes et internes (166, 164) des faces radiales, les secteurs d'anneau comportant des canaux (168) d'éjection d'air de refroidissement débouchant sur ces faces radiales, caractérisé en ce que les fentes (162) de logement des lamelles internes s'étendent sensiblement sur toute la longueur axiale des secteurs d'anneau, entre les débouchés des canaux d'éjection d'air et les bords longitudinaux internes de ces faces radiales.

2. Anneau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fentes (162) de logement des lamelles internes sont au voisinage immédiat des bords longitudinaux internes (166) des faces radiales.

3. Anneau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les fentes (162) de logement des lamelles internes sont rectilignes.

4. Anneau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les secteurs d'anneau (118) comprennent sur chacune de leurs faces radiales (156) une seconde fente (158) de logement d'une lamelle externe, cette seconde fente s'étendant sensiblement parallèlement à la première fente (162) le long du bord longitudinal externe (164) de la face radiale, et une troisième fente (160) de logement d'une lamelle intermédiaire, cette troisième fente étant disposée de manière oblique entre les première et seconde fentes (158, 162), de sorte que les fentes forment un motif en Z ou en Z inversé.

5. Anneau selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'extrémité radialement interne de la troisième fente (160) est reliée à la première fente (162), au niveau d'une des extrémités de cette première fente.

6. Anneau selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que les débouchés des canaux (168) d'éjection d'air sont situés entre les première et troisième fentes (162, 160).

7. Anneau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les débouchés des canaux (168) d'éjection d'air sont alignés sensiblement parallèlement à la première fente (162) et à l'axe de l'anneau.

8. Turbine de turbomachine, comprenant au moins une roue de rotor, caractérisée en ce que cette roue de rotor est entourée par un anneau selon l'une des revendications précédentes.

9. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine selon la revendication 8.