FR2957969A1 - Dispositif d'etancheite entre les talons d'aubes adjacentes en materiau compositie d'une roue mobile de turbomachine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'étanchéité entre les talons (24) d'aubes (14) adjacentes en matériau composite d'une roue mobile de turbomachine, comprenant une lamelle (100) destinée à être insérée dans le sens de sa largeur dans des encoches (32) qui sont pratiquées en regard l'une de l'autre dans les talons de deux aubes adjacentes en matériau composite d'une roue mobile de turbomachine.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des aubes en matériau composite d'une roue mobile de turbomachine. Elle concerne plus particulièrement l'étanchéité entre les talons de deux aubes adjacentes d'une roue mobile. Une roue mobile de turbomachine, comme par exemple une roue mobile d'un étage de turbine basse-pression d'un turboréacteur, comprend un disque sur lequel sont montées une pluralité d'aubes. Au niveau de leur extrémité radiale libre, les aubes présentent chacune un élément transversal, appelé talon, qui a notamment pour fonction de délimiter à l'extérieur la veine d'écoulement du flux gazeux traversant la turbine. Le talon d'une telle aube comporte un bord amont et un bord aval orientés perpendiculairement au sens d'écoulement du flux gazeux.

Ces bords sont reliés entre eux par l'intermédiaire de deux bords latéraux avec lesquels le talon de l'aube vient en contact avec les talons des deux aubes de la roue mobile qui lui sont directement adjacentes. Généralement, dans le cas d'aubes métalliques, ces bords latéraux ont un profil dit en Z, c'est-à-dire qu'ils comportent chacun deux portions axiales reliées entre elles par une portion sensiblement transversale. En effet, afin d'amortir les vibrations auxquelles elles sont soumises lors du fonctionnement de la turbine, il est connu de monter les aubes sur le disque avec une contrainte de torsion autour de leur axe principal. Au niveau du talon d'une aube particulière, cette contrainte de torsion se traduit par une mise en contact des portions transversales du talon de l'aube avec les portions transversales des talons des aubes voisines. Cette mise en contact entre les talons des aubes assure également une étanchéité efficace au niveau des talons contre les gaz s'écoulant dans la veine d'écoulement du flux gazeux traversant la turbine. Cette solution pour assurer une étanchéité entre les talons des aubes n'est cependant pas applicable aux roues mobiles dont les aubes sont en matériau composite. En particulier, dans le cas d'une aube en CMC (composite à matrice céramique), les contraintes générées par une mise en torsion de l'aube sont trop élevées au regard des capacités du matériau composite. Pour de telles aubes, un besoin existe donc de disposer d'une solution alternative pour assurer l'étanchéité entre les talons des aubes.

Objet et résumé de l'invention La présente invention répond à ce besoin par un dispositif d'étanchéité entre les talons d'aubes adjacentes en matériau composite d'une roue mobile de turbomachine, comprenant une lamelle destinée à être insérée dans le sens de sa largeur dans des encoches qui sont pratiquées en regard l'une de l'autre dans les talons de deux aubes adjacentes en matériau composite d'une roue mobile de turbomachine. Corrélativement, l'invention a également pour objet un élément de roue mobile de turbomachine comprenant une paire d'aubes adjacentes en matériau composite comprenant chacune à une extrémité radiale libre un talon portant du côté externe deux léchettes espacées axialement l'une de l'autre, chaque talon ayant une encoche qui s'étend axialement au moins entre les deux léchettes, les encoches des talons débouchant sur des bords adjacents des talons en regard l'une de l'autre, et une lamelle d'étanchéité insérée dans le sens de sa largeur dans les encoches des talons des aubes, la lamelle s'étendant axialement au moins entre les deux léchettes des talons des aubes. En fonctionnement, la lamelle qui s'étend axialement entre les léchettes des talons des aubes permet d'assurer une étanchéité efficace contre les gaz s'écoulant dans la veine d'écoulement du flux gazeux traversant la roue mobile.

La lamelle du dispositif d'étanchéité peut comprendre des extrémités repliées qui sont destinées à venir épouser le profil de léchettes portées par les talons des aubes. Dans ce cas, l'une des extrémités repliées de la lamelle peut comprendre une plaque s'étendant de façon sensiblement perpendiculaire à la lamelle et destinée à venir s'intercaler tangentiellement entre des bords latéraux de léchettes portées par les talons des aubes. La lamelle du dispositif d'étanchéité peut être sensiblement plane ou présenter un profil bombé au niveau de ses deux bords latéraux. La présence de bords latéraux bombés présente l'avantage de garantir une parfaite étanchéité et d'éviter le désengagement de la lamelle des encoches des talons des aubes.

La masse de la lamelle du dispositif d'étanchéité est avantageusement comprise entre 2 et 6% de la masse d'une aube de façon à assurer un amortissement des vibrations entre les talons des aubes.

L'invention concerne encore une roue mobile de turbomachine comprenant une pluralité d'éléments tels que définis précédemment. Enfin, l'invention concerne aussi une turbomachine comprenant au moins une telle roue mobile.

Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 montre de façon schématique le montage d'un dispositif d'étanchéité entre les talons d'aubes adjacentes en matériau composite selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue de dessus de deux aubes adjacentes avec le dispositif de la figure 1 entre les talons de ces aubes ; - la figure 3 est une vue en coupe selon III-III de la figure 2 ; et - les figures 4 à 8 montrent de façon schématique le montage de dispositifs d'étanchéité dans le talon d'une aube selon des variantes de réalisation de l'invention.

Description détaillée de modes de réalisation L'invention est applicable à différents types d'aubes de turbomachine, notamment des aubes de compresseur et de turbine de différents corps de turbines à gaz, par exemple à une aube de roue mobile d'un étage de turbine basse-pression, telle que celle illustrée par la figure 1. De façon bien connue en soi, la roue mobile 10 d'un étage de turbine basse-pression comprend un rotor de turbine 12 (partiellement représenté) d'axe de rotation X-X et sur lequel sont montées plusieurs aubes 14 sensiblement identiques les unes aux autres (en terme de composition, masse, dimensions et forme géométrique). Pour des raisons de simplification, une seule aube est représentée sur la figure 1.

L'aube 14 de la figure 1 comprend une pale 16, un pied 18, par exemple à section en forme de bulbe, prolongé par une échasse 20, une plateforme intérieure 22 située entre l'échasse et la pale, et un talon 24 situé au voisinage de l'extrémité libre de la pale.

La pale 16 s'étend en direction longitudinale entre la plateforme 22 et le talon 24 et présente en section transversale un profil incurvé entre son bord d'attaque 16a et son bord de fuite 16b. L'aube 14 est montée sur le rotor de turbine 12 par engagement de son pied 18 dans un logement 26 de forme correspondante aménagé à la périphérie du rotor.

A son extrémité radiale externe, la pale 16 se raccorde au talon 24 sur une face intérieure 28 du talon qui délimite, à l'extérieur, la veine d'écoulement du flux gazeux traversant la turbine. Du côté externe, le talon porte des léchettes 30 à profil en forme de dents dont les extrémités peuvent pénétrer dans une couche de matériau abradable d'un anneau de turbine (non représenté) pour réduire le jeu entre le sommet d'aube et l'anneau de turbine. Le talon 24 de l'aube est de forme sensiblement parallélépipédique avec un bord amont 24a et un bord aval 24b orientés perpendiculairement au sens d'écoulement f du flux gazeux et reliés par des deux bords latéraux 24c avec lesquels le talon vient en contact avec les talons des deux aubes de la roue mobile qui lui sont directement adjacentes. L'aube illustrée sur la figure 1 est réalisée en matériau composite, par exemple en CMC, à partir d'un procédé de fabrication tel que celui décrit par exemple dans la demande de brevet français n° 08 58090 déposée conjointement par Snecma et Snecma Propulsion Solide et dont le contenu est incorporé ici par référence. Le procédé décrit dans cette demande de brevet présente la particularité que l'ébauche fibreuse réalisée par tissage tridimensionnel est mise en forme pour obtenir une préforme fibreuse en une seule pièce ayant une première partie formant préforme de pale 16 et pied 18 d'aube et une deuxième partie formant préforme de plateforme 22 ou de talon 24. Ainsi, après densification de la préforme, on obtient une aube en matériau composite ayant un renfort fibreux constitué par la préforme et densifié par la matrice, et formant une seule pièce avec plateforme et/ou talon intégrés.

Bien entendu, d'autres procédés de fabrication d'une aube en matériau composite peuvent être utilisés pour la réalisation des aubes. En fonctionnement, il est nécessaire d'assurer une étanchéité des talons des aubes contre les gaz afin d'éviter du gaz s'écoulant dans la turbine ne vienne s'échapper de la veine d'écoulement en passant entre deux talons d'aubes adjacents. A cet effet, il est prévu, selon l'invention, d'insérer des lamelles 100 dans le sens de leur largeur dans des encoches 32 qui sont pratiquées en regard l'une de l'autre dans les talons de deux aubes adjacentes.

Chaque lamelle 100 vient donc s'intercaler transversalement entre les talons de deux aubes adjacentes. Les encoches 32 réalisées dans les talons des aubes débouchent sur les bords latéraux 24c des talons en regard l'une de l'autre. De plus, ces encoches 32 s'étendent axialement au moins entre les deux léchettes 30 du talon des aubes. Elles peuvent être réalisées dans l'épaisseur du talon (cas des figures 1 à 3) ou entre deux couches du talon le cas échéant (cas de la figure 7) par une opération de fraisage / sciage. Par ailleurs, comme représenté sur la figure 3, chaque encoche 32 présente une profondeur telle qu'il subsiste un jeu ]1 entre le fond de l'encoche et l'extrados ou le bord de fuite 16b de la pale 16 de l'aube. De même, l'épaisseur 32 de chaque encoche est calculée de sorte à prendre en compte l'épaisseur maximale de la lamelle 100, les tolérances maximales de l'encoche et la valeur de décalage maximum de la veine externe entre les deux talons d'aubes adjacents.

Chaque lamelle 100 se présente sous forme d'un rectangle sensiblement plan dont les grands côtés sont insérés dans les encoches 32 des aubes. Les lamelles peuvent être métalliques et posséder une longueur correspondant sensiblement à celles des encoches 32, c'est-à-dire qu'en position, elles s'étendent axialement au moins entre les deux léchettes 30 du talon des aubes. En fonctionnement, les lamelles 100 ainsi positionnées transversalement entre les talons des aubes empêchent le flux gazeux s'écoulant dans la veine de venir s'échapper radialement vers l'extérieur. Par ailleurs, ces lamelles peuvent aussi servir à amortir les vibrations auxquelles sont soumises en fonctionnement les aubes. En donnant à chaque lamelle une masse comprise entre 2 et 6% - et de préférence égale à 5% - de la masse d'une aube, il est en effet possible de réaliser une telle fonction. Avec une telle masse, en fonctionnement, sous l'effet de la force centrifuge résultant de la rotation de la roue, la lamelle va venir se plaquer radialement contre les parois internes des encoches des talons des aubes et frotter contre ces parois pour dissiper l'énergie vibratoire. Selon une variante de réalisation représentée sur la figure 4, la lamelle 200 du dispositif d'étanchéité comprend des extrémités 202 repliées qui viennent épouser le profil de léchettes 30 portées par le talon de l'aube correspondante. Une telle forme de la lamelle permet de réaliser une étanchéité au niveau des léchettes des talons des aubes. Par ailleurs, ces extrémités repliées peuvent s'étendre radialement jusqu'au sommet des léchettes. Selon une autre variante de réalisation représentée sur les figures 5 et 6, l'une des extrémités 302 repliées de la lamelle 300 du dispositif d'étanchéité comprend une plaque 304 qui s'étend de façon sensiblement perpendiculaire à la lamelle. En position, cette plaque est destinée à venir s'intercaler tangentiellement entre des bords latéraux des léchettes 30 portées par les talons des aubes.

La présence d'une telle plaque permet de contrer les efforts de torsion dus à l'effort de rotation et auxquels sont soumis les extrémités repliées de la lamelle. Elle évite également aux talons adjacents de venir frotter l'un contre l'autre ce qui pourrait provoquer une détérioration de la couche de cicatrisation et une oxydation des fibres limitant fortement la durée de vie des aubes. Selon encore une autre variante de réalisation représentée sur les figures 7 et 8, la lamelle 400 du dispositif d'étanchéité présente un profil bombé au niveau de ses deux bords latéraux 406. Comme illustré sur la figure 8 qui est une vue en coupe radiale, la forme en oméga de la lamelle (dans le sens de sa largeur) permet de conserver un contact permanent entre la lamelle et les parois internes des encoches des talons des aubes ce qui garantit une parfaite étanchéité en toutes circonstances. Par ailleurs, cette forme permet d'éviter tout désengagement de la lamelle hors des encoches.

On notera que l'encoche 32 pratiquée dans le talon des aubes pour recevoir une lamelle 100 à 400 du dispositif d'étanchéité selon les différentes variantes de réalisation de l'invention peut être débouchant à l'extérieur comme représenté sur la figure 7 (c'est-à-dire qu'elle se présente sous la forme d'une empreinte).

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif d'étanchéité entre les talons (24) d'aubes (14) adjacentes en matériau composite d'une roue mobile de turbomachine, comprenant une lamelle (100 à 400) destinée à être insérée dans le sens de sa largeur dans des encoches (32) qui sont pratiquées en regard l'une de l'autre dans les talons de deux aubes adjacentes en matériau composite d'une roue mobile de turbomachine.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la lamelle (200 ; 300) comprend des extrémités repliées (202 ; 302) qui sont destinées à venir épouser le profil de léchettes (30) portées par les talons des aubes.
3. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans laquelle l'une des extrémités repliées (302) de la lamelle (300) comprend une plaque (304) s'étendant de façon sensiblement perpendiculaire à la lamelle et destinée à venir s'intercaler tangentiellement entre des bords latéraux des léchettes portées par les talons des aubes.
4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la lamelle est sensiblement plane.
5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la lamelle (400) présente un profil bombé au niveau de ses deux bords latéraux (406).
6. 6. Elément de roue mobile de turbomachine comprenant : une paire d'aubes (14) adjacentes en matériau composite comprenant chacune à une extrémité radiale libre un talon (24) portant du côté externe deux léchettes (30) espacées axialement l'une de l'autre, chaque talon ayant une encoche (32) qui s'étend axialement au moins entre les deux léchettes, les encoches des talons débouchant sur des bords adjacents des talons en regard l'une de l'autre, etune lamelle d'étanchéité (100 à 400) insérée dans le sens de sa largeur dans les encoches (32) des talons des aubes, la lamelle s'étendant axialement au moins entre les deux léchettes des talons des aubes.
7. 7. Elément selon la revendication 6, dans lequel la lamelle (200 ; 300) comprend des extrémités repliées (202 ; 302) qui viennent épouser au moins en partie le profil extérieur des léchettes portées par les talons des aubes.
8. 8. Elément selon la revendication 7, dans lequel l'une des extrémités repliées (302) de la lamelle (300) comprend une plaque (304) s'étendant de façon sensiblement perpendiculaire à la lamelle et venant s'intercaler tangentiellement entre des bords latéraux des léchettes portées par les talons des aubes.
9. 9. Elément selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans laquelle la lamelle est sensiblement plane.
10. 10. Elément selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans laquelle la lamelle (400) présente un profil bombé au niveau de ses deux bords latéraux (406).
11. 11. Elément selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, dans lequel la masse de la lamelle est comprise entre 2 et 6% de la masse d'une aube.
12. 12. Elément selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, dans lequel les aubes sont en matériau composite à matrice céramique et la lamelle est métallique.
13. 13. Roue mobile (10) de turbomachine comprenant une pluralité d'éléments selon l'une quelconque des revendications 6 à 12.
14. 14. Turbomachine comprenant au moins une roue mobile selon 35 la revendication 13.30