FR2973434A1 - Distributeur de turbine en cmc adapte au support d'un carter interne de turbine metallique par un contact radial - Google Patents

Abstract

Aube de distributeur de turbine, réalisée en matériau composite, comportant une pale (10) apte à être traversée par un fluide de ventilation et s'étendant entre une plateforme supérieure (11) et une plateforme inférieure (12), ladite plateforme supérieure étant conformée pour se fixer sur un ou des carters de turbine (6, 7) d'une turbomachine et ladite plateforme inférieure étant conformée pour assurer une jonction avec un carter interne (5) de turbine, caractérisée en ce que sa plateforme inférieure (12) est réalisée en texture de délié et comporte une patte de délié du côté amont externe (122) et une patte de délié du côté aval externe (124), les extrémités des deux pattes du côté externe s'étendant radialement en référence à l'axe de rotation de la turbomachine pour former un moyen de support et de centrage dudit carter interne.

Description

DISTRIBUTEUR DE TURBINE EN CMC ADAPTÉ AU SUPPORT D'UN CARTER INTERNE DE TURBINE MÉTALLIQUE PAR UN CONTACT RADIAL

Le domaine de la présente invention est celui des turbomachines et, plus particulièrement celui des distributeurs de turbine basse pression de ces turbomachines. Elle se rapporte plus précisément à un distributeur de turbine en matériau composite à matrice céramique, désigné ci-après par matériau CMC. Les matériaux CMC sont typiquement formés d'un renfort fibreux en fibres réfractaires, telles que des fibres de carbone ou de céramique, densifié par une matrice en céramique, ou au moins partiellement en céramique. Les turbomachines modernes sont classiquement réalisées sous la forme d'un assemblage de modules comportant soit des parties mobiles soit des parties fixes. Elles comprennent tout d'abord, en partant de l'amont, un ou plusieurs modules de compresseur disposés en série, qui compriment de l'air aspiré dans une entrée d'air. L'air est ensuite introduit dans une chambre de combustion où il est mélangé à un carburant et brûlé. Les gaz de combustion passent à travers un ou plusieurs modules de turbine qui entraînent le ou les compresseurs. Les gaz sont enfin éjectés soit dans une tuyère pour produire une force de propulsion soit sur une turbine libre pour produire de la puissance qui est récupérée sur un arbre de transmission. En sortie de la chambre de combustion la turbomachine comporte généralement un ensemble d'aubes fixes ou distributeur de turbine haute pression (HP), qui permet de redresser l'écoulement des gaz en direction d'une roue de turbine haute pression, mobile ; il est en général suivi, vers l'aval, d'un distributeur basse pression (BP), fixe, qui redresse l'écoulement en sortie de la turbine HP vers une roue de turbine BP mobile. Les aubes de distributeurs de turbine BP sont des pièces massives comportant une pale s'étendant entre deux plateformes positionnées à ses extrémités supérieure et inférieure ; elles sont généralement munies d'une ventilation spécifique, celle-ci étant réalisée au détriment du bilan énergétique du moteur. A l'heure actuelle les distributeurs BP sont réalisés dans des alliages métalliques, ce qui nécessite de les refroidir. Pour cela ils sont traversés par un air de ventilation qui est ensuite dirigé vers des injecteurs de refroidissement des parties tournantes. Le débit d'air qui

2 traverse le distributeur est donc important puisqu'il doit permettre à la fois de refroidir le distributeur et d'alimenter ces injecteurs. Or, le débit d'air de ventilation nuit aux performances du moteur puisqu'il est obtenu au détriment de la puissance délivrée par le moteur.

L'amélioration des performances et la diminution des émissions polluantes conduit, par ailleurs, à envisager des températures de combustion de plus en plus élevées, qui sollicitent donc de plus en plus les parties chaudes des turbomachines, c'est-à-dire les parties situées en aval de la chambre de combustion. Il est alors souhaitable d'utiliser, dans la mesure du possible, des matériaux CMC pour les pièces fixes, en raison de leurs très bonnes propriétés thermo-structurales. Les pièces en CMC présentent en effet l'avantage d'associer des propriétés mécaniques intéressantes, ce qui les rend aptes à constituer des éléments de structure, à celui de conserver ces propriétés mécaniques aux températures élevées. Pour limiter les impacts en masse et en débit d'air sur les distributeurs BP, l'emploi des CMC permet, d'une part, par leur faible masse volumique, de limiter la masse du distributeur et, d'autre part par leur bonne tenue à la température, de supprimer, ou tout au moins de réduire très sensiblement, leur ventilation de refroidissement. Toutefois, l'intégration des CMC est technologiquement difficile car ce matériau se dilate moins que les matériaux métalliques qui l'entourent.

Plusieurs projets de distributeurs BP en CMC ont donc été étudiés, dont un exemple est donné dans la demande de brevet n° FR 1059315 de la demanderesse. Le dispositif correspondant comprend des pales de distributeur réalisées en CMC et un carter interne de turbine réalisé en matériau métallique, les deux pièces étant attachées à une virole extérieure métallique au moyen d'un tube qui assure, outre cette fonction de support structurel, une fonction de guidage du flux de ventilation du carter interne. L'inconvénient de cette solution est, en premier lieu, de donner un trop grand rôle structural au tube d'alimentation en air de refroidissement, ce qui complique sa réalisation, et, en second lieu, de mal assurer le centrage du carter interne du fait du grand allongement de ce tube. Il a paru donc intéressant de séparer ces deux fonctions et de ne laisser au tube de ventilation que la seule fonction d'approvisionnement du carter interne en air de refroidissement, la fonction de maintien du carter interne étant alors transférée à une autre pièce.

La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des dispositifs de l'art antérieur en proposant un distributeur de turbine BP, réalisé en composite à matrice céramique, qui ne nécessite pas, ou que peu, de débit de refroidissement et qui soit mécaniquement compatible des pièces métalliques qui l'environnent.

A cet effet, l'invention a pour objet une aube de distributeur de turbine, réalisée en matériau composite, comportant une pale apte à être traversée par un fluide de ventilation et s'étendant entre une plateforme supérieure et une plateforme inférieure, ladite plateforme supérieure étant conformée pour se fixer sur un ou des carters de turbine d'une turbomachine et ladite plateforme inférieure étant conformée pour assurer une jonction avec un carter interne de turbine de façon à assurer le transfert dudit fluide de ventilation vers ledit carter interne, caractérisée en ce que sa plateforme inférieure est réalisée en texture de délié et comporte, d'une part une patte de délié du côté amont interne et une patte de délié du côté aval interne, les deux pattes du côté interne formant la veine de gaz et, d'autre part, une patte de délié du côté amont externe et une patte de délié du côté aval externe, les extrémités des deux pattes du côté externe s'étendant radialement en référence à l'axe de rotation de la turbomachine pour former un moyen de support et de centrage dudit carter interne.

L'orientation radiale donnée aux pattes de déliés inférieures externes permet de laisser le carter interne se dilater en utilisation en le munissant de brides orientées, elles aussi, de façon radiale. On assure ainsi la compatibilité d'une pièce en CMC comme le distributeur BP avec un carter interne en matériau métallique. Avantageusement la plateforme supérieure est réalisée en texture de délié et comporte d'une part une patte de délié du côté amont interne et une patte de délié du côté aval interne, les deux pattes du côté interne formant la veine de gaz et, d'autre part, une patte de délié du côté amont externe et une patte de délié du côté aval externe, les deux pattes externes étant destinées à assurer la fixation de ladite aube sur la structure de la turbomachine. La similitude des formes données aux deux plateformes facilite leur réalisation. Dans un mode particulier de réalisation la pale est creuse et les plateformes supérieure et inférieure sont percées d'un trou pour laisser le passage à un tube de ventilation destiné à l'acheminement de l'air de ventilation au carter interne.

L'invention porte également sur un distributeur de turbine constitué par un assemblage d'aubes telles que décrites ci-dessus. Elle porte encore sur un ensemble constitué d'un distributeur de turbine tel que décrit ci-dessus et d'un carter interne de turbine en matériau métallique, ledit carter interne comportant deux brides orientées radialement conformées pour assurer son support et son centrage par coopération avec les pattes de déliés inférieures externes des aubes dudit distributeur. Avantageusement, dans un tel ensemble, le carter interne comporte en outre une extension longitudinale conformée pour former une butée radiale à une des pattes inférieure externe d'au moins une aube de distributeur et permettre le déplacement relatif, selon la direction axiale, entre l'aube et le carter interne dû à leurs dilatations différentielles. L'invention porte également sur un ensemble constitué d'un distributeur de turbine constitué par un assemblage d'aubes tel que décrit plus haut, par un carter de turbine en matériau métallique, ledit carter interne comportant deux brides orientées radialement conformées pour assurer son support et son centrage par coopération avec les pattes de déliés inférieures externes des aubes dudit distributeur, et par au moins un tube de ventilation traversant lesdits trous d'une aube, le carter interne comportant en outre un moyen de maintien dudit tube dans les directions axiale et circonférentielle et laissant un degré de liberté audit tube en translation dans la direction radiale. Avantageusement, dans un tel ensemble, le carter interne comporte en outre une extension longitudinale conformée pour former une butée radiale à une des pattes inférieure externe d'au moins une aube de distributeur et permettre le déplacement relatif, selon la direction axiale, entre l'aube et le carter interne dû à leurs dilatations différentielles. L'invention porte enfin sur un module de turbine de turbomachine comportant un ensemble tel que décrit ci-dessus et sur une turbomachine comportant un tel module.

L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue générale en coupe d'un module de turbine montrant un distributeur BP dans son environnement, - la figure 2 est une vue en coupe d'un distributeur de turbine BP selon un mode de réalisation de l'invention. Dans la suite de la description les termes axial ou radial se rapportent à la direction de l'axe de rotation de la turbomachine. Les termes amont et aval se rapportent, quant à eux, au sens d'écoulement de l'air ou des gaz brûlés dans la veine de cette turbomachine, qui est représenté par des flèches épaisses sur la figure 1. Les termes supérieur et inférieur se rapportent à la distance radiale plus ou moins grande de l'élément considéré. Enfin les termes externe et interne se rapportent à une distance plus ou moins grande de l'axe médian de la veine de gaz.

En se référant à la figure 1, on voit les composants principaux des parties chaudes d'une turbomachine comprenant une aube de turbine HP 1 et une aube de turbine BP 2, entourant une aube de distributeur de turbine BP 3. Ces parties chaudes comprennent également un distributeur de turbine HP, en amont de l'aube HP 1, non représenté.

L'aube de distributeur BP 3 est fixé par sa partie supérieure à des pièces structurales dénommées carters de turbine HP 6 et BP 7, par l'intermédiaire de crochets s'intégrant dans des gorges prévues à cet effet sur lesdits carters de turbine. Cette aube de distributeur est creuse pour laisser passer l'air nécessaire au refroidissement du carter interne de turbine BP et des aubes mobiles de turbine HP 1 et BP 2. Du fait de sa structure en CMC elle ne nécessite pas de refroidissement et ne comporte donc pas de perforations sur la surface de sa pale qui est baignée par le flux de gaz chauds de la turbomachine. Une conduite de ventilation 4, en provenance d'un piquage de prélèvement d'air sur le compresseur, est fixée en vis-à-vis de l'extrémité supérieure du distributeur pour assurer l'alimentation en air de refroidissement des différentes pièces des parties chaudes. Parmi celles-ci figure un carter interne de turbine 5 qui a pour fonction de solidariser entre eux les pieds des aubes de distributeur BP 3 et de diriger l'air de refroidissement vers les aubes de turbine mobiles 1 et 2. L'air de refroidissement circule ainsi, de la conduite de ventilation 4, via l'intérieur de la pale du distributeur de turbine 3 vers le carter interne de turbine 5 qu'il refroidit, puis il se divise pour traverser les cavités internes de refroidissement des aubes mobiles 1 et 2. Il est ensuite réinjecté dans la veine en traversant les orifices de ventilation de ces aubes. En se référant maintenant à la figure 2, on voit une aube 3 de distributeur de turbine BP comportant une pale 10 assurant le redressement du flux de gaz en sortie de la roue d'aubes de turbine HP 1, avant son entrée dans la roue de turbine BP 2. Cette pale se prolonge à sa partie supérieure par une plateforme supérieure 11 et à sa partie inférieure par une plateforme inférieure 12. L'aube de distributeur 3 est réalisée en totalité en un matériau composite CMC et ne présente donc pas de perforation sur sa pale 10 pour évacuer l'air de refroidissement, le matériau utilisé étant suffisamment résistant aux températures élevées et ne nécessitant pas d'être balayé par un film de refroidissement. Les deux plateformes supérieure 11 et inférieure 12 sont elles aussi réalisées en CMC, de façon monobloc avec la pale 10, avec une texture de délié à l'amont et à l'aval de chaque plateforme. Une texture en délié se caractérise par une séparation, dans son épaisseur, de la nappe des fibres formant la plateforme pour former deux nappes distinctes, dénommées pattes de déliés, qui s'écartent radialement l'une de l'autre, tout en restant reliées par la matrice céramique. Les plateformes présentent ainsi, tant à leur extrémité amont qu'à leur extrémité aval, deux pattes de déliées, l'une reconstituant la veine de gaz en amont ou en aval de la pale 10 et l'autre servant soit à l'accrochage de l'aube de distributeur 3 sur les carters de turbine soit à la fixation du carter interne 5. La plateforme supérieure 11 se divise vers l'amont en deux pattes de déliés, une patte amont supérieure interne 111 qui forme la partie supérieure du canal de la veine en amont de la pale10 et une patte amont supérieure externe 112 qui vient s'implanter dans un crochet 61 porté par le carter de turbine HP 6 pour assurer le portage de l'aube de distributeur 3 du côté amont. Vers l'aval elle se divise également en deux pattes de déliés, une patte aval supérieure interne 113 qui forme la partie supérieure du canal de la veine en aval de la pale 10 et une patte aval supérieure externe 114 qui vient s'implanter dans un crochet 71 porté par le carter de turbine BP 7 pour assurer le portage de l'aube de distributeur 3 du côté aval. De la même façon, la plateforme inférieure 12 se divise vers l'amont en deux pattes de déliés, une patte amont inférieure interne 121 qui forme la partie inférieure du canal de la veine en amont de la pale 10 et une patte amont inférieure externe 122 qui assure le centrage et le maintien axial du carter interne 5, pour son côté amont, par une coopération avec la bride amont 51 de ce carter interne. Vers l'aval elle se divise également en deux pattes de déliés, une patte aval inférieure interne 123 qui forme la partie inférieure du canal de la veine en aval de la pale 10 et une patte aval inférieure externe 124 qui assure le centrage et le maintien axial du carter interne 5, pour son côté aval, par une coopération avec la bride aval 52 de ce carter interne. Les pattes de déliés externes, à l'amont ou à l'aval, permettent, d'une part par les pattes supérieures 112 et 114, le positionnement du distributeur BP 3 dans son environnement moteur, comme le faisaient les crochets des distributeurs métalliques dans l'art antérieur, et, d'autre part par les pattes inférieures 122 et 124, le maintien en position du carter interne 5 par rapport au distributeur de turbine BP. Les deux pattes inférieures externes 122 et 124 sont coudées et prennent une direction radiale au niveau de leur jonction avec les brides terminales 51 et 52 du carter interne 5, qui sont elles aussi orientées radialement, pour permettre un coulissement de ce carter interne sur les parois cylindriques formées par lesdites pattes inférieure externes. Cette configuration permet de prendre en compte les différences de dilatation radiale qui existent entre le distributeur BP, réalisé en matériau CMC, et le carter interne 5, réalisé en matériau métallique. Le carter interne 5 comporte également une extension longitudinale 50, s'étendant axialement, le long de laquelle peut glisser la patte inférieure externe 124 de l'aube de distributeur BP 3 pour conserver un bon maintien du carter interne 5 par le distributeur BP 3 malgré les différences de dilatation axiale des deux pièces. La figure 2 montre également un tube de ventilation 8 qui traverse la pale 10 du distributeur 3 et conduit l'air de ventilation, en provenance de la conduite de ventilation 4, vers le carter interne 5 et les cavités internes de refroidissement des aubes mobiles 1 et 2. Cet air ne fait que traverser la pale creuse 10, sans s'échapper du tube 8 ni refroidir la pale 10, qui est justement réalisée en CMC pour résister aux températures du flux gazeux. Ce tube de ventilation 8 est porté, à sa partie supérieure, par une virole extérieure 9, en matériau métallique, qui est portée, elle aussi, par les crochets 61 et 71 des carters de turbine HP 6 et BP 7. Sa partie inférieure est simplement tenue de façon coulissante par une extension du carter interne 5 ayant la forme d'une cheminée 53 orientée radialement. Le tube 8 présente des renflements à ses deux extrémités, ce qui lui donne une forme dite en os de chien, pour faciliter son maintien en position. L'extrémité externe 8e est tenue par un anneau élastique ouvert, communément appelé circlips, qui prend appui dans une gorge pratiquée à cet effet dans la virole extérieure 9, alors que l'extrémité interne 8i n'est que guidée radialement par la cheminée 53 du carter interne, dans laquelle elle est libre de se dilater sous l'action de la chaleur. Pour cela un jeu radial, délimité toutefois par un épaulement, est prévu dans la cheminée 53 pour permettre la dilatation du tube 8 à travers l'aube de distributeur BP 3 et le carter interne 5.

On va maintenant décrire la façon dont est assuré le maintien structural des pièces d'un module de turbine comportant un distributeur de turbine BP réalisé en matériau CMC et conforme à l'invention.

L'aube de distributeur 3 est portée par ses pattes de déliés supérieures externes 112 et 114 qui sont introduites dans les crochets 6 et 7 des carters de turbine HP et BP. Ce faisant les pattes de déliés supérieures internes 111 et 113 se positionnent naturellement de façon à assurer la continuité de la veine de gaz entre la sortie de la roue de turbine HP 1 et l'entrée de celle de la turbine BP 2. Dans ces crochets est également installée la virole extérieure 9 qui assure le portage du tube de ventilation 8. Cette virole extérieure est crabotée sur le carter de turbine HP 6, ce qui permet d'assurer son anti-rotation autour de l'axe moteur. Un jeu axial est prévu entre le carter de turbine HP 6 et l'ensemble constitué par la patte de délié amont supérieure externe 112 et l'extrémité amont de la virole métallique 9, de façon à permettre, sous chargement thermique, les dilatations différentielles entre le CMC du distributeur BP et le métal de la virole extérieure 9. Le tube de ventilation 8 est porté par la virole extérieure 9, par l'intermédiaire de son anneau élastique ouvert, et ne présente pas de liaison rigide à sa partie inférieure avec le carter interne 5, ce qui supprime toute action structurale à ce tube de ventilation. Sa fixation sur cette virole extérieure et son passage au travers de trous pratiqués dans la plateforme supérieure 11 du distributeur 3 assure cependant la fonction d'anti-rotation du distributeur 3 autour de l'axe de la turbomachine. Cette fonction structurale donnée au tube de ventilation 8 reste cependant limitée, le point d'application des efforts au niveau des trous de la plateforme supérieure 11 étant proche du point d'attache du tube sur la virole extérieure. Le carter interne 5 est positionné et centré sur le distributeur BP, sans intervention du tube de ventilation 8. Les pattes inférieures externes, amont 122 et aval 124, de l'aube de distributeur BP 3 sont plaquées respectivement sur les brides amont 51 et aval 52 du carter interne 5, qui permettent par leur orientation radiale que le carter interne métallique 5 puisse se dilater radialement vis à vis du distributeur BP en CMC. Par ailleurs la patte aval inférieure externe 124 de l'aube de distributeur BP 3 est positionnée radialement contre l'extension longitudinale 50 du carter interne 5, ce qui assure le centrage radial du carter interne sur le distributeur BP et autorise les dilatations provoquées par l'échauffement du carter interne. Au final la solution fournie par l'invention consiste à donner une fonction structurale au distributeur BP en ce qui concerne la tenue et le centrage du carter interne 5. Celui-ci est ainsi tenu radialement et axialement par le distributeur BP en CMC ; il est également arrêté en rotation suivant l'axe moteur par la virole extérieure 9, à travers le tube de ventilation 8.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Aube de distributeur de turbine, réalisée en matériau composite, comportant une pale (10) apte à être traversée par un fluide de ventilation et s'étendant entre une plateforme supérieure (11) et une plateforme inférieure (12), ladite plateforme supérieure étant conformée pour se fixer sur un ou des carters de turbine (6, 7) d'une turbomachine et ladite plateforme inférieure étant conformée pour assurer une jonction avec un carter interne (5) de turbine de façon à assurer le transfert dudit fluide de ventilation vers ledit carter interne, caractérisée en ce que sa plateforme inférieure (12) est réalisée en texture de délié et comporte, d'une part une patte de délié du côté amont interne (121) et une patte de délié du côté aval interne (123), les deux pattes du côté interne formant la veine de gaz et, d'autre part, une patte de délié du côté amont externe (122) et une patte de délié du côté aval externe (124), les extrémités des deux pattes du côté externe s'étendant radialement en référence à l'axe de rotation de la turbomachine pour former un moyen de support et de centrage dudit carter interne.
2. 2. Aube de distributeur selon la revendication 1 dans laquelle la plateforme supérieure est réalisée en texture de délié et comporte d'une part une patte de délié du côté amont interne (111) et une patte de délié du côté aval interne (113), les deux pattes du côté interne formant la veine de gaz et, d'autre part, une patte de délié du côté amont externe (112) et une patte de délié du côté aval externe (114), les deux pattes externes étant destinées à assurer la fixation de ladite aube sur la structure de la turbomachine (6, 7).
3. 3. Aube de distributeur selon l'une des revendications 1 ou 2 dans laquelle la pale (10) est creuse et dans laquelle les plateformes supérieure (11) et inférieure (12) sont percées d'un trou pour laisser le passage à un tube de ventilation (8) destiné à l'acheminement de l'air de ventilation au carter interne (5).
4. 4. Distributeur de turbine constitué par un assemblage d'aubes selon l'une des revendications 1 à 3.
5. 5. Ensemble constitué d'un distributeur de turbine selon la revendication 4 et d'un carter interne de turbine (5) en matériau métallique, ledit carter interne comportant deux brides orientées radialement (51, 52) conformées pour assurer son support et son centrage par coopération avec les pattes de déliés inférieures externes (122, 124) des aubes (3) dudit distributeur.
6. 6. Ensemble selon la revendication 5 dans lequel le carter interne (5) comporte en outre une extension longitudinale (50) conformée pour former une butée radiale à une des pattes inférieure externe (124) d'au moins une aube de distributeur (3) et permettre le déplacement relatif, selon la direction axiale, entre l'aube (3) et le carter interne (5) dû à leurs dilatations différentielles.
7. 7. Ensemble constitué d'un distributeur de turbine constitué par un assemblage d'aubes selon la revendication 3, par un carter de turbine (5) en matériau métallique, ledit carter interne comportant deux brides orientées radialement (51, 52) conformées pour assurer son support et son centrage par coopération avec les pattes de déliés inférieures externes (122, 124) des aubes (3) dudit distributeur, et par au moins un tube de ventilation (8) traversant lesdits trous d'une aube (3), le carter interne (5) comportant en outre un moyen de maintien (53) dudit tube dans les directions axiale et circonférentielle et laissant un degré de liberté audit tube en translation dans la direction radiale.
8. 8. Ensemble selon la revendication 7 dans lequel le carter interne (5) comporte en outre une extension longitudinale (50) conformée pour former une butée radiale à une des pattes inférieure externe (124) d'au moins une aube de distributeur (3) et permettre le déplacement relatif, selon la direction axiale, entre l'aube (3) et le carter interne (5) dû à leur dilatations différentielles.
9. 9. Module de turbine de turbomachine comportant un ensemble selon l'une des revendications 7 ou 8.
10. 10. Turbomachine comportant un module de turbine selon la revendication 9.