FR2961848A1 - Etage de turbine - Google Patents

Abstract

Etage de turbine pour une turbomachine, comprenant une roue (105) de rotor montée à l'intérieur d'un anneau sectorisé (106) porté par un carter externe (104), et un distributeur sectorisé (102) fixé sur le carter en aval de la roue, chaque secteur d'anneau ayant une extrémité aval qui est maintenue en appui radial vers l'extérieur sur un rail cylindrique (122) du carter par l'intermédiaire du distributeur, ce rail comportant une rangée annulaire d'encoches radiales traversantes (130) réduisant les surfaces d'échange thermique par conduction entre le carter et les secteurs d'anneau et entre le carter et le distributeur.

Description

1 Etage de turbine

La présente invention concerne un étage de turbine d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion.

Une turbine de turbomachine, en particulier une turbine basse-pression, comprend plusieurs étages comportant chacun une roue à aubes montée rotative dans un anneau cylindrique ou tronconique formé par des secteurs fixés circonférentiellement bout à bout sur un carter externe de la turbine, et un distributeur disposé en aval de la roue et formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes portées par le carter externe (FR-A1-2 899 273 de la Déposante). Des gaz chaud sous pression sortant de la chambre de combustion de la turbomachine passent entre les aubes des distributeurs et s'écoulent sur les aubes des roues de la turbine, ce qui a pour effet d'élever la température des anneaux. De manière connue en soi, chaque secteur d'anneau présente une extrémité aval qui est maintenue en appui radial sur un rail cylindrique de carter par l'intermédiaire du distributeur. Ce distributeur comporte un rebord cylindrique amont d'accrochage sur le rail de carter, ce rebord étant en appui radial sur une surface cylindrique externe du rail dont la surface cylindrique interne est en appui radial sur les extrémités aval des secteurs d'anneau. L'appui radial du rail de carter sur les extrémités aval des secteurs d'anneau assure un positionnement radial des secteurs d'anneau vis-à-vis du carter. De plus, les extrémités aval des secteurs d'anneau sont en appui axial sur le rail de carter pour assurer une étanchéité en fonctionnement. Les surfaces de contact entre le rail de carter et les secteurs d'anneau et entre le rail de carter et les secteurs de distributeur sont relativement importantes et forment des moyens de conduction thermique entre l'anneau et le carter et entre le distributeur et le carter. Le carter peut ainsi atteindre une température importante susceptible de le fragiliser et de réduire sa durée de vie. Par ailleurs, en fonctionnement, les secteurs de distributeur transmettent des efforts au rail de carter, qui est soumis à des contraintes tangentielles relativement importantes au niveau de sa partie d'extrémité aval, ce qui provoque un phénomène de fluage du rail de carter. Ces contraintes tangentielles s'ajoutent aux contraintes thermiques précitées et réduisent de manière notable la durée de vie du rail de carter. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, 10 efficace et économique à ces problèmes. Elle propose à cet effet un étage de turbine pour une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant une roue de rotor montée à l'intérieur d'un anneau sectorisé porté par un carter externe, et un distributeur sectorisé fixé sur le carter en aval de la roue, 15 chaque secteur d'anneau ayant une extrémité aval qui est maintenue en appui radial vers l'extérieur sur un rail cylindrique du carter par l'intermédiaire du distributeur, caractérisé en ce que le rail de carter comporte une rangée annulaire d'encoches radiales traversantes réduisant les surfaces d'échange thermique par conduction entre le carter et les 20 secteurs d'anneau et entre le carter et le distributeur. Le rail du carter externe selon l'invention est ainsi du type festonné, c'est-à-dire qu'il comprend des encoches ou parties creuses séparées circonférentiellement les unes des autres par des parties pleines. La réalisation d'encoches radiales traversantes dans le rail 25 cylindrique du carter permet de réduire les surfaces de contact entre le rail de carter et les secteurs d'anneau et entre les rail de carter et les secteurs d'anneau et ainsi de limiter en fonctionnement l'échauffement par conduction thermique du rail de carter et, plus généralement, du carter externe. De plus, ces encoches permettent d'alléger le carter et de 30 concentrer les contraintes tangentielles précitées au niveau de leurs fonds, c'est-à-dire dans des zones qui sont éloignées de la partie d'extrémité du rail et qui sont ainsi moins exposées aux fortes températures. Par ailleurs, les fonctions de positionnement radial et d'étanchéité des secteurs d'anneau sont conservées dans la présente invention car les appuis radial et axial des extrémités aval des secteurs d'anneau sur le rail de carter sont inchangés. Le nombre d'encoches du carter peut être égal au nombre de secteurs de distributeur, et est par exemple compris entre 16 et 20. Ces encoches sont de préférence régulièrement réparties autour de l'axe longitudinal de la turbine. Elles sont par exemple réalisées par fraisage. Chaque encoche a de préférence une étendue circonférentielle inférieure à celle d'un secteur de distributeur et est alignée axialement avec ce secteur. Chaque secteur de distributeur peut ainsi être accroché sur le rail de carter par l'intermédiaire de ses parties d'extrémités circonférentielles. Chaque encoche peut avoir une étendue circonférentielle de l'ordre de 10-20° environ. Chaque encoche a par exemple une forme générale en U. Le distributeur comprend un rebord cylindrique amont d'accrochage sur le rail de carter, ce rebord étant en appui radial vers l'intérieur sur une surface cylindrique externe du rail de carter. La dimension axiale de la zone d'appui entre le rebord et le carter est de préférence inférieure à la profondeur ou dimension axiale des encoches. Lorsque le rail de carter s'étend vers l'aval, les encoches sont formées dans sa partie d'extrémité aval. Avantageusement, les parois de fond des encoches sont inclinées d'amont en aval vers l'extérieur de façon à mieux maîtriser la répartition des contraintes tangentielles précitées. L'invention concerne également un carter externe pour un étage de turbine tel que décrit ci-dessus, comprenant des rails cylindriques d'accrochage de distributeurs, caractérisé en ce qu'au moins un de ces rails comporte une rangée annulaire d'encoches radiales traversantes. L'invention concerne en outre une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un étage de turbine selon l'invention. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une demi vue schématique partielle en coupe axiale d'une turbine basse-pression de l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue agrandie d'une partie de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue correspondant à la figure 1 et illustrant l'invention ; - la figure 4 est une vue agrandie d'une partie de la figure 3 ; - les figures 5 et 6 sont des vues schématiques partielles et en perspective du carter externe de la figure 3 ; - la figure 7 est une vue schématique partielle et en perspective du carter externe et d'un secteur de distributeur de la figure 3 ; et - la figure 8 est une vue schématique partielle et en perspective du carter externe et du secteur de distributeur de la figure 7, dans une direction orientée radialement vers l'extérieur. Les figures 1 et 2 représentent une turbine basse-pression 1 de turbomachine de l'art antérieur, comprenant plusieurs étages comportant chacun un distributeur 2 porté par un carter externe 4 de la turbine, et une roue à aubes 5 montée en amont du distributeur 2 et tournant dans un anneau sensiblement tronconique formé par des secteurs 6 portés circonférentiellement bout à bout par le carter 4 de la turbine. Les distributeurs 2 comprennent des parois de révolution interne (non visible) et externe 7 qui délimitent entre elles une veine annulaire 8 d'écoulement des gaz dans la turbine et qui sont reliées radialement par des aubes 3.

Les roues à aubes 5 sont solidaires d'un arbre de turbine, non représenté, et comprennent chacune des viroles externe 9 et interne (non visible), la virole externe 9 comprenant des nervures radiales externes 10 entourées extérieurement avec un faible jeu par les secteurs d'anneau 6.

Chaque secteur d'anneau 6 comporte une paroi tronconique 11 et un bloc de matière abradable 12 fixé par brasage et/ou soudage sur la surface radialement interne de la paroi tronconique 11, ce bloc 12 étant du type en nid d'abeille et étant destiné à s'user par frottement sur les nervures 10 de la roue 5 pour minimiser les jeux radiaux entre la roue 5 et les secteurs d'anneau 6. La paroi tronconique 11 du secteur d'anneau 6 est solidaire à l'amont d'un organe d'accrochage 13 à section en C qui a une orientation circonférentielle et dont l'ouverture est orientée axialement vers l'amont. Cet organe 13 est destiné à être engagé axialement depuis l'aval sur un premier rail cylindrique 14 du carter s'étendant vers l'aval et sur un rebord circonférentiel aval 15 d'un distributeur 2 situé en amont, de façon à maintenir radialement ce distributeur sur le rail de carter. La paroi tronconique 11 du secteur d'anneau comporte à l'aval une cavité annulaire ouverte vers l'extérieur et délimitée par une face annulaire amont 16, une face annulaire aval 17 et une paroi de fond 18, les faces annulaires 16, 17 et la paroi de fond 18 s'étendant sur toute la circonférence du secteur d'anneau 6. La partie d'extrémité aval de chaque secteur d'anneau 6 est engagée dans un espace annulaire 19 délimité entre deux rebords annulaires de la paroi externe 7 du distributeur 2 situé en aval, respectivement un rebord radialement interne 20 et un rebord radialement externe 21, orientés vers l'amont. Le carter externe 4 comporte un second rail cylindrique 22 s'étendant vers l'aval, qui est engagé dans la cavité de la paroi tronconique 11 du secteur d'anneau 6 et maintenu dans celle-ci par les rebords 20, 21 du distributeur 2.

La face annulaire amont 16 de la cavité du secteur 6 forme des moyens d'appui axial sur l'extrémité amont du rail cylindrique 22, cet appui assurant en fonctionnement une étanchéité entre le secteur 6 et le carter 4. La paroi de fond 18 de la cavité du secteur 6 forme des moyens d'appui radial sur la surface cylindrique interne du rail de carter 22, cet appui définissant une position radiale correcte du secteur d'anneau. Plus particulièrement, le rail 22 présente une surface annulaire radialement externe qui est en appui contre le rebord radialement externe 21 du distributeur, et une surface annulaire radialement interne qui est en appui contre la paroi de fond 18 du secteur d'anneau. Un jeu axial j1 est ménagé entre l'extrémité amont du rebord radialement externe 21 et la zone de raccordement 23 entre le rail 22 et le carter externe 4. Ce jeu j1 permet de compenser les effets de dilatation et peut devenir quasiment nul lors du fonctionnement de la turbomachine.

La dimension axiale de l'appui radial précité entre le rail de carter 22 et la paroi de fond 18 de la cavité de la paroi 11 est imposée et est égale à la somme du jeu j1, de l'épaisseur e2 en direction axiale de la zone de raccordement 23 précitée, et de la dimension axiale d3 de la surface d'appui du rebord externe 21 du distributeur sur le rail de carter 22.

En fonctionnement, les gaz issus de la chambre de combustion chauffent les secteurs d'anneau 6 et les secteurs de distributeur 2, la chaleur étant ensuite transmise par conduction au rail cylindrique 22 du carter, qui peut atteindre une température critique. De plus, l'appui du rebord externe 21 du distributeur sur le rail de carter 22 génère des contraintes tangentielles relativement importantes au niveau de la partie d'extrémité aval du rail. Cette partie du rail qui est en contact avec le distributeur 2 et l'anneau 6 est très chaude en fonctionnement, et l'addition des contraintes tangentielles à ces contraintes thermiques dans cette partie du carter réduit de manière notable la durée de vie du rail et donc du carter.

Une turbine de turbomachine selon l'invention est illustrée aux figures 3 à 6 et diffère de celle décrite précédemment en ce que le rail 122 du carter externe 104 est du type festonné et comprend une pluralité d'encoches radiales traversantes 130.

Dans l'exemple représenté, ces encoches 130 sont régulièrement réparties autour de l'axe longitudinal de la turbine et leur nombre est égal au nombre de secteurs de distributeur 102, qui peut être égal au nombre de secteurs d'anneau 106. Le nombre d'encoches 130 est par exemple compris entre 16 et 20.

Les encoches 130 sont alignées axialement avec les secteurs de distributeur 102 et ont une étendue angulaire inférieure à celle des secteurs de distributeur, de façon à ce que seules les parties d'extrémité circonférentielles du rebord annulaire 121 radialement externe de chaque secteur de distributeur soient en appui radial sur le rail de carter 122, comme cela est visible aux figures 7 et 8. L'étendue angulaire de chaque encoche 130 est par exemple de l'ordre de 15 à 20° environ. Les encoches 130 ont une profondeur ou dimension axiale p supérieure à la dimension d3 précitée, de façon à supprimer tout contact entre la partie médiane du rebord 121 de chaque secteur de distributeur et le rail de carter 122, limitant ainsi les échanges thermiques entre le distributeur et le carter. La longueur axiale du rail de carter 122 est inchangée par rapport à la technique antérieure car elle est imposée, comme expliqué dans ce qui précède.

Le rail de carter 122 est en appui radial sur des parties d'extrémité aval des secteurs d'anneau 106, sur sensiblement toute sa dimension axiale en dehors des encoches et sur une dimension axiale relativement faible au niveau de ses encoches, ce qui permet de réduire l'échauffement du carter par conduction thermique.

Dans le cas où les encoches 130 sont alignées axialement avec les secteurs d'anneau 106 et ont une étendue angulaire inférieure à celle des secteurs d'anneau, le rail de carter est en appui radial sur toute sa dimension axiale sur les parties d'extrémité circonférentielles de l'extrémité aval de chaque secteur d'anneau. Les encoches 130 ont une forme générale en U, comme cela est visible aux figures 6 et 8. La paroi de fond 132 de chaque encoche est reliée au bord circonférentiel aval du rail de carter par des zones de raccordement 134 à grand rayon de courbure. La paroi de fond 132 de chaque encoche est inclinée d'amont en aval vers l'extérieur (figures 3 et 4), ce qui permet de mieux répartir les contraintes tangentielles induites par le distributeur en fonctionnement. Ces contraintes se concentrent au niveau des parois de fond 132 des encoches et sont donc éloignées des parties d'extrémité aval plus chaudes du rail de carter qui sont en contact avec le distributeur et l'anneau. Le carter externe 104 de la turbine peut comprendre un rail cylindrique 122 festonné pour l'accrochage du distributeur de chaque étage de turbine. La figure 5 montre deux rails 122 festonnés du carter 104 qui peut en comprendre jusqu'à quatre, cinq, voire plus. Dans un cas particulier, l'invention permet d'augmenter la durée de vie du carter externe d'une turbine jusqu'à 500 000 cycles, alors que sa durée de vie n'est que de 1000 cycles dans la technique antérieure. Il permet en outre de réduire le débit des rampes 140 de refroidissement du carter externe 104 (visibles en figure 3) et donc d'augmenter les performances de la turbine.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Etage de turbine pour une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant une roue de rotor (105) montée à l'intérieur d'un anneau sectorisé (106) porté par un carter externe (104), et un distributeur sectorisé (102) fixé sur le carter en aval de la roue, chaque secteur d'anneau ayant une extrémité aval qui est maintenue en appui radial vers l'extérieur sur un rail cylindrique (122) du carter par l'intermédiaire du distributeur, caractérisé en ce que le rail de carter comporte une rangée annulaire d'encoches radiales traversantes (130) réduisant les surfaces d'échange thermique par conduction entre le carter et les secteurs d'anneau et entre le carter et le distributeur.
2. 2. Etage de turbine selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre d'encoches (130) du carter (122) est égal au nombre de secteurs de distributeur (102), et est par exemple compris entre 16 et 20.
3. 3. Etage de turbine selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque encoche (130) a une étendue circonférentielle inférieure à celle d'un secteur de distributeur (102) et est alignée axialement avec ce secteur.
4. 4. Etage de turbine selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque encoche (130) a une étendue circonférentielle de l'ordre de 10-20° environ.
5. 5. Etage de turbine selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque encoche (130) a une forme générale en U.
6. 6. Etage de turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rail de carter (122) s'étend vers l'aval et les encoches (130) sont formées dans sa partie d'extrémité aval.
7. 7. Etage de turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le distributeur (102) comprend un rebord annulaire amont d'accrochage sur le rail de carter (122), ce rebord étant en appui radial vers l'intérieur sur une surface cylindrique externe du rail de carter etla dimension axiale (d3) de la zone d'appui entre le rebord et le carter étant inférieure à la profondeur ou dimension axiale (p) des encoches (130).
8. 8. Etage de turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parois de fond (132) des encoches (130) sont inclinées d'amont en aval vers l'extérieur.
9. 9. Carter externe (104) pour un étage de turbine selon l'une des revendications précédentes, comprenant des rails cylindriques (122) d'accrochage de distributeurs (102), caractérisé en ce qu'au moins un de ces rails comporte une rangée annulaire d'encoches radiales traversantes (130).
10. 10. Turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un étage de turbine selon l'une des revendications 1 à 8.15