FR2955359A1 - Etancheite amont d'un anneau en cmc d'un etage de turbine - Google Patents

Etancheite amont d'un anneau en cmc d'un etage de turbine Download PDF

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Abstract

Etage de turbine de turbomachine, comprenant au moins une roue à aubes (14) entourée par un anneau sectorisé (116) en composite à matrice céramique (CMC) ou analogue qui est porté par un carter (12) en alliage métallique et qui comprend un rebord circonférentiel amont (120) engagé axialement dans une gorge annulaire (24) d'une patte annulaire (26) du carter, cette patte s'étendant radialement vers l'intérieur et entourant avec un jeu radial au montage l'extrémité amont de l'anneau, ce jeu radial étant déterminé pour disparaître en fonctionnement du fait des dilatations thermiques différentielles entre le carter et l'anneau.

Description

1 Etanchéité amont d'un anneau en CMC d'un étage de turbine
La présente invention concerne l'étanchéité amont d'un anneau en un matériau tel qu'un composite à matrice céramique (CMC) dans un étage de turbine d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un 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 à aubes montée rotative en aval du distributeur dans un anneau de forme générale cylindrique ou tronconique, formé par des secteurs qui sont disposés circonférentiellement bout à bout et qui sont accrochés sur le carter de la turbine. Chaque secteur d'anneau comprend une plaque à orientation circonférentielle qui porte un bloc de matière abradable fixé sur la surface interne de la plaque, ce bloc étant par exemple du type en nid d'abeilles et étant destiné à s'user par frottement sur les extrémités radialement externes des aubes de la roue, pour minimiser les jeux radiaux entre la roue et les secteurs d'anneau.
Chaque secteur d'anneau comprend à ses extrémités amont et aval des rebords circonférentiels d'accrochage sur le carter. Le rebord circonférentiel amont du secteur d'anneau est engagé axialement dans une gorge annulaire du carter. Le rebord circonférentiel aval du secteur d'anneau est serré radialement sur un rail annulaire du carter par l'intermédiaire d'un verrou à section sensiblement en C, qui est engagé axialement sur le rail de carter et sur le rebord circonférentiel aval du secteur d'anneau. L'anneau est entouré par une cavité annulaire alimentée en air de ventilation, qui est par exemple prélevé sur le compresseur de la turbomachine. II est important qu'une étanchéité soit assurée entre les secteurs d'anneau, d'une part, et entre les extrémités amont et aval de l'anneau et le carter, d'autre part, pour éviter des fuites d'air de ventilation depuis la cavité radialement vers l'intérieur dans la veine de turbine. L'étanchéité entre les secteurs d'anneau est assurée par des lamelles d'étanchéité montées entre les secteurs d'anneau. L'étanchéité aux extrémités amont et aval de l'anneau est en général assurée par l'appui radial des rebords circonférentiels amont et aval de l'anneau sur des surfaces cylindriques correspondantes du carter. On a déjà proposé de réaliser les secteurs d'anneau en matériau composite à matrice céramique (CMC), pour améliorer notamment leurs propriétés mécaniques et leur résistance thermique. Cependant, du fait que le carter est réalisé en alliage métallique (par exemple en INCO ou en acier), le carter et l'anneau n'ont pas les mêmes dilatations thermiques. Le coefficient de dilatation thermique d'un CMC est environ quatre fois plus faible que celui d'un alliage métallique. L'anneau en CMC se dilate moins que le carter de turbine en alliage métallique et est aussi plus rigide. On a constaté qu'en fonctionnement les secteurs d'anneau en CMC se décambrent et prennent une forme dans laquelle leur concavité est tournée vers l'extérieur. Le carter de turbine a lui tendance à se déformer en fonctionnement et a localement des zones bombées vers l'extérieur et des zones bombées vers l'intérieur. Ces déformations se traduisent notamment par des jeux radiaux de l'ordre de 0,1-0,2mm entre le rebord circonférentiel amont de l'anneau et la surface cylindrique précitée du carter, sur laquelle est destiné à être appliqué ce rebord. Cela se traduit par des fuites d'air de ventilation, qui nécessitent une augmentation des prélèvements d'air sur le compresseur et entraînent une diminution des performances de la turbomachine. II n'est donc pas possible, dans la technique actuelle, de garantir une étanchéité amont d'un anneau en CMC ou analogue dans un étage de turbine.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème.
Elle propose à cet effet un étage de turbine de turbomachine, comprenant au moins une roue à aubes entourée par un anneau sectorisé en matériau ayant un coefficient de dilatation thermique plusieurs fois inférieur à celui d'un carter en alliage métallique qui supporte l'anneau, celui-ci comprenant un rebord circonférentiel amont engagé axialement dans une gorge annulaire d'une patte annulaire du carter, caractérisé en ce que la patte annulaire du carter s'étend radialement vers l'intérieur et entoure avec un jeu radial au montage l'extrémité amont de l'anneau, ce jeu radial étant déterminé pour disparaître en fonctionnement du fait des dilatations thermiques différentielles entre le carter et l'anneau. L'anneau sectorisé est en composite à matrice céramique ou analogue. Selon l'invention, l'étanchéité amont de l'anneau est assurée en fonctionnement par un appui radial de la patte annulaire du carter sur l'extrémité amont de l'anneau, malgré le décambrage de celui-ci en fonctionnement. Le jeu radial prévu à froid entre le bord périphérique interne de la patte annulaire du carter et l'extrémité amont de l'anneau est relativement faible (par exemple de l'ordre de 0,1 mm), et est déterminé et optimisé de façon à disparaître en fonctionnement du fait des dilatations thermiques différentielles entre le carter et l'anneau. En effet, du fait de la dilatation thermique plus importante du carter, la patte annulaire de celui-ci se dilate davantage et s'allonge en direction radiale jusqu'à venir en appui sur l'extrémité amont de l'anneau.
De plus, l'extrémité amont de l'anneau s'étend radialement à l'intérieur de la patte annulaire du carter et la protége des gaz chauds s'écoulant dans la veine de turbine, augmentant ainsi la durée de vie de cette patte. Le bord circonférentiel amont du rebord amont de l'anneau est situé en retrait axial vers l'aval par rapport au bord circonférentiel amont de l'anneau. Le bord circonférentiel amont de l'anneau peut en outre être sensiblement aligné en direction radiale avec une face radiale amont de la patte annulaire du carter. Des moyens d'étanchéité sont montés entre les secteurs d'anneau pour assurer une étanchéité inter-secteurs, ces moyens d'étanchéité comprenant des lamelles 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 des secteurs d'anneau. Avantageusement, ces fentes s'étendent jusqu'au voisinage du bord circonférentiel amont de l'anneau et leurs extrémités amont sont situées dans un plan transversal passant sensiblement par la patte annulaire du carter. Cela permet de limiter les fuites d'air de ventilation entre les secteurs d'anneau, au niveau de leurs extrémités amont. L'invention concerne également un anneau pour un étage de turbine de turbomachine tel que décrit ci-dessus, cet anneau étant réalisé en composite à matrice céramique et comprenant des rebords circonférentiels, caractérisé en ce que l'un des rebords circonférentiels est situé en retrait par rapport au bord correspondant de l'anneau. L'invention concerne enfin une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle 20 comprend un étage de turbine décrit ci-dessus. 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 : 25 - la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale d'un étage de turbine d'une turbomachine, selon la technique antérieure ; - la figure 2 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale d'un étage de turbine d'une turbomachine, selon l'invention ; - la figure 3 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 2. 30 On se réfère d'abord àla figure 1 qui représente un étage de turbine 10 d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Cet étage 10 comprend un distributeur, non visible, formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes portées par un carter 12 de la turbine, et une roue à aubes 14 montée en amont du distributeur et tournant dans un anneau sectorisé 16 formé d'une pluralité de secteurs 18 qui sont portés circonférentiellement bout à bout par le carter 12 de la turbine. L'anneau 16 comprend à ses extrémités amont et aval des rebords circonférentiels 20, 22 d'accrochage sur le carter 12 de la turbine, qui sont parallèles aux bords amont et aval de l'anneau et qui s'étendent au-delà de ces bords. Le rebord circonférentiel amont 20 de l'anneau est orienté vers l'amont et est engagé dans une gorge annulaire 24 orientée vers l'aval du carter 12. Cette gorge annulaire 24 est formée dans une patte annulaire 26 du carter s'étendant radialement vers l'intérieur. Le rebord circonférentiel aval 22 de l'anneau est orienté vers l'aval et est maintenu en appui radial sur un rail cylindrique 28 du carter au moyen de verrous 30 à section en C dont l'ouverture est orientée axialement vers l'amont et qui sont engagés axialement par déformation élastique depuis l'aval sur le rail de carter 28 et le rebord circonférentiel aval 22 de l'anneau. Le carter 12 définit une cavité annulaire 32 autour de l'anneau 16, qui est alimentée par de l'air de ventilation prélevé sur le compresseur et passant à travers des orifices 34 du carter. Pour limiter les fuites d'air de ventilation depuis cette cavité 32 jusque dans la veine de la turbine, le rebord amont 20 de l'anneau est en appui radial sur au moins une des faces latérales de la gorge 24 du carter et son rebord aval 22 est serré radialement sur le rail 28 du carter. De plus, des moyens d'étanchéité sont montés entre les secteurs d'anneau 18. Cependant, comme expliqué dans ce qui précède, lorsque l'anneau est réalisé en composite à matrice céramique (CMC), il se décambre en fonctionnement, ce qui se traduit par des fuites d'air de ventilation (schématiquement représentées par la flèche 36) au niveau de son rebord circonférentiel amont 20.
L'invention permet de remédier à cet inconvénient par une modification de la patte annulaire du carter et du bord amont de l'anneau. Dans l'exemple de réalisation représenté aux figures 2 et 3, l'anneau 116 est réalisé en composite à matrice céramique ou en un matériau analogue ayant un coefficient de dilatation thermique plusieurs fois inférieur à celui de l'alliage métallique du carter et diffère de l'anneau de la figure 1 en ce qu'il est allongé vers l'amont, son extrémité amont étant entourée par la patte annulaire 26 du carter, qui peut être prolongée radialement vers l'intérieur par rapport à celle de la figure 1. Les rebords circonférentiels amont 120 et aval 122 d'accrochage de l'anneau 116 sont identiques à ceux de l'anneau 16 de la figure 1. Le bord circonférentiel amont 140 de l'anneau se trouve alors en amont du bord circonférentiel amont 141 de son rebord amont 120 et est sensiblement aligné en direction radiale avec la face radiale amont 142 de la patte 26 du carter. Le jeu radial J entre le bord périphérique interne 144 de la patte et l'extrémité amont de l'anneau 116 est relativement faible et est déterminé, d'une part, pour autoriser le montage du rebord amont 120 de l'anneau dans la gorge 24 de la patte 26 du carter et, d'autre part, pour disparaître en fonctionnement du fait de la dilatation thermique du carter qui provoque l'allongement en direction radiale de sa patte annulaire. La patte annulaire 26 vient alors en appui par son bord périphérique interne 144 sur toute la circonférence de l'anneau 116 et empêche ainsi l'air de ventilation contenu dans la cavité 32 de s'échapper dans la veine de turbine.
Des moyens d'étanchéité sont en outre prévus entre les secteurs d'anneau 118 et comprennent des lamelles d'étanchéité (non représentées) engagées dans des fentes rectilignes longitudinales 146 et obliques 148 des faces radiales 150 en regard des secteurs d'anneau 118. Les fentes longitudinales 146 s'étendent sensiblement parallèlement à l'axe de l'anneau 116, le long de ses bords longitudinaux. Les extrémités amont des ces fentes 146 sont situées au voisinage de l'extrémité amont de l'anneau et sont situées dans un plan transversal passant sensiblement par la patte annulaire 26 du carter, ce qui permet de limiter les fuites d'air de ventilation entre les secteurs d'anneau, au niveau de leurs extrémités amont.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Etage de turbine de turbomachine, comprenant au moins une roue à aubes (14) entourée par un anneau sectorisé (116) en matériau à coefficient de dilatation thermique plusieurs fois inférieur à celui d'un carter (12) en alliage métallique qui supporte l'anneau, celui-ci comprenant un rebord circonférentiel amont (120) engagé axialement dans une gorge annulaire (24) d'une patte annulaire (26) du carter, caractérisé en ce que la patte annulaire du carter s'étend radialement vers l'intérieur et entoure avec un jeu radial (J) au montage l'extrémité amont de l'anneau, ce jeu radial étant déterminé pour disparaître en fonctionnement du fait des dilatations thermiques différentielles entre le carter et l'anneau.
  2. 2. Etage de turbine selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anneau (116) est en composite à matrice céramique.
  3. 3. Etage de turbine selon la revendication 2, caractérisé en ce que le jeu radial (J) est de l'ordre de 0,1 mm.
  4. 4. Etage de turbine selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le bord circonférentiel amont (141) du rebord amont (120) de l'anneau (116) est situé en retrait axial vers l'aval par rapport au bord circonférentiel amont (140) de l'anneau.
  5. 5. Etage de turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce le bord circonférentiel amont (140) de l'anneau (116) est sensiblement aligné en direction radiale avec une face radiale amont (142) de la patte annulaire (26) du carter (12).
  6. 6. Etage de turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des moyens d'étanchéité sont montés entre les secteurs d'anneau (118) et comprennent des lamelles qui sont logées dans des fentes longitudinales (146) en vis à vis des faces radiales en regard des secteurs d'anneau, ces fentes s'étendant jusqu'au voisinage du bord circonférentiel amont (140) de l'anneau et leurs extrémités amont étantsituées dans un plan transversal passant sensiblement par la patte annulaire (26) du carter (12).
  7. 7. Anneau (116) pour un étage de turbine de turbomachine selon l'une des revendications précédentes, cet anneau étant réalisé en composite à matrice céramique et comprenant des rebords circonférentiels (120, 122) d'accrochage sur un carter, caractérisé en ce que l'un des rebords circonférentiels est situé en retrait par rapport au bord circonférentiel correspondant de l'anneau.
  8. 8. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur 10 d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend un étage de turbine selon l'une des revendications 1 à 6.
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