FR2977274A1 - Joint d'etancheite a labyrinthe pour turbine d'un moteur a turbine a gaz - Google Patents

Joint d'etancheite a labyrinthe pour turbine d'un moteur a turbine a gaz Download PDF

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Abstract

L'invention porte sur une turbine (10) comprenant au moins un distributeur de turbine (25) et un rotor de turbine (11), ledit distributeur de turbine (25) comprenant au moins une plate-forme annulaire interne (26), ladite plate-forme interne (26) comprenant une paroi radiale (30) ménageant une cavité amont (31a) et une cavité avale (31b) entre le distributeur de turbine (25) et le rotor de turbine (11), le rotor de turbine (11) comprenant un becquet amont (40, 42) et un becquet aval (40, 42) disposés substantiellement axialement et définissant chacun une chicane d'étanchéité dans leur cavité respective (31a, 31b), turbine (10) caractérisée par le fait que le distributeur de turbine (25) comprend au moins un élément en matériau abradable (44) apte à coopérer avec au moins un becquet (42) du rotor de turbine (11) de manière à former un joint d'étanchéité à labyrinthe.

Description

La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz tel qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, et plus particulièrement un dispositif d'étanchéité pour une turbine d'un tel moteur.
Un moteur à soufflante avant et à double corps, par exemple, comprend, d'amont en aval, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression.
Par convention, dans la présente demande, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation de l'air dans le turboréacteur. De même, par convention dans la présente demande, les termes « intérieur » et « extérieur », « inférieur » et « postérieur » et « interne » et « externe » sont définis radialement par rapport à l'axe du moteur. Ainsi, un cylindre s'étendant selon l'axe du moteur comporte une face intérieure tournée vers l'axe du moteur et une surface extérieure, opposée à sa surface intérieure.
Une turbine de moteur à turbine à gaz comprend plusieurs étages comportant chacun un rotor pourvu d'aubes et un distributeur. Chaque rotor comprend un disque portant à sa périphérie externe des aubes sensiblement radiales, les disques des différentes roues étant reliés coaxialement les uns aux autres et à l'arbre d'entraînement du rotor de la turbine par des moyens appropriés. Chaque distributeur comprend une plate-forme annulaire interne et une plate-forme annulaire externe entre lesquelles s'étendent des ailettes sensiblement radiales. La plate-forme externe du distributeur comprend des moyens d'accrochage et de fixation sur un carter externe de la turbine.
La plate-forme interne comprend une paroi s'étendant radialement et une couronne annulaire reliée à la paroi. La paroi et la couronne annulaire ménageant ainsi une cavité amont et une cavité aval entre le distributeur de turbine et le rotor de turbine. La couronne, la paroi radiale et la plate-forme interne du distributeur sont généralement formées de secteurs, chacun avec une seule pièce de fonderie.
En fonctionnement, les ailettes du distributeur sont exposées aux gaz chauds s'écoulant dans la veine de la turbine. La température des gaz dans la veine est relativement élevée, typiquement de l'ordre de 900 degrés Celsius, tandis que la température dans la zone comprise entre la plate-forme interne du distributeur et le rotor est plus faible et par exemple d'environ 700 degrés Celsius.
Afin de consolider cette différence de température, on connaît un rotor de turbine comprenant un becquet amont et un becquet aval définissant chacun une chicane d'étanchéité dans, respectivement, la cavité amont et la cavité avale ménagées par la paroi et la couronne annulaire de façon à former un joint d'étanchéité du type à effet chicane. L'utilisation de tels becquets ne permet cependant pas d'assurer une étanchéité suffisante étant donné que le flux de gaz peut toujours passer dans les chicanes d'étanchéité formées en amont et en aval entre le distributeur et le rotor. En particulier, des vortex ou tourbillons de recirculation de l'air se forment et pénètrent dans les cavités.
On connaît par ailleurs une couronne annulaire de distributeur de turbomachine comprenant en outre, radialement sur sa partie externe, un ou plusieurs éléments annulaires en matériau abradable destinés à coopérer avec des éléments lamellaires, appelés léchettes, annulaires externes d'un élément du rotor, disposées radialement, de façon à former un joint d'étanchéité de type à labyrinthe. Un tel joint d'étanchéité permet de piloter le débit d'air passant axialement à travers l'espace annulaire situé entre la périphérie interne du distributeur et le rotor de la turbine. Ainsi, lors de la rotation du rotor de turbine, les léchettes du joint labyrinthe sont entraînées en rotation tout en conservant un jeu aussi faible que possible avec les éléments abradables qui demeurent fixes.
Cependant, un tel positionnement des éléments abradables au niveau de la partie externe de la couronne annulaire dans le prolongement de la paroi leur confère une inertie thermique importante qui, combinée à la température plus faible à laquelle ils sont soumis, contrarie la dilatation thermique des ailettes du distributeur qui sont alors sujettes à des contraintes mécaniques importantes. Il peut en résulter l'apparition de fissures sur ces ailettes dont la durée de vie est réduite de façon sensible.
Afin d'éliminer au moins en partie ces inconvénients, l'invention concerne une turbine d'un moteur à turbine à gaz comprenant au moins un distributeur de turbine et un rotor de turbine, ledit distributeur de turbine comprenant au moins une plate-forme annulaire interne, ladite plate-forme interne comprenant une paroi radiale ménageant une cavité amont et une cavité avale entre le distributeur de turbine et le rotor de turbine, le rotor de turbine comprenant un becquet amont et un becquet aval disposés substantiellement axialement et définissant chacun une chicane d'étanchéité dans leur dite cavité respective. La turbine est remarquable par le fait que le distributeur de turbine comprend au moins un élément en matériau abradable apte à coopérer avec au moins un becquet du rotor de turbine de manière à former un joint d'étanchéité à labyrinthe.
i o Un joint d'étanchéité à labyrinthe est ainsi réalisé dans la cavité au plus près de la veine du flux d'air à travers les ailettes du distributeur. Ce joint permet une meilleure étanchéité et a un impact ainsi direct sur la durée de vie des pièces environnantes.
De préférence, l'élément en matériau abradable est apte à coopérer avec au moins un 15 becquet aval du rotor de turbine de manière à former un joint d'étanchéité à labyrinthe. Ceci permet de réaliser le joint d'étanchéité dans le cas où l'ensemble statique formé des distributeurs (stator), ou bien localement par un ou des distributeurs, recule par rapport à l'ensemble mobile formé par le rotor de turbine, ce qui est souvent le cas.
20 Le plan défini par la surface de contact du becquet avec l'élément en matériau abradable est, de préférence, substantiellement perpendiculaire à l'axe du rotor de turbine. Ceci permet de réaliser un joint d'étanchéité axiale apte à se trouver au plus près de la veine du flux d'air (contrairement aux joints d'étanchéité radiaux des solutions existantes). 25 Avantageusement, l'élément en matériau abradable est monté sur la paroi radiale du distributeur de turbine. Ceci évite l'ajout d'éléments supplémentaires tel qu'un support. L'épaisseur de l'élément abradable est alors adaptée pour que celui-ci affleure avec le becquet du rotor. Selon une caractéristique de l'invention, le montage est réalisé par brasage de l'élément en matériau abradable sur la paroi radiale. 30 Selon une autre caractéristique de l'invention, le distributeur de turbine comprend en outre des moyens de support montés sur la paroi radiale et agencés pour supporter l'élément en matériau abradable. Ceci permet de positionner l'élément abradable quelque soit son épaisseur de sorte qu'il affleure avec le becquet du rotor. Selon un aspect de l'invention, le becquet comprend au moins un orifice agencé pour évacuer une surpression d'air de la cavité correspondante.
Selon une autre caractéristique de l'invention, le becquet du rotor de turbine comprend 10 une pluralité d'éléments agencés dans le prolongement les uns des autres, chacun des éléments étant apte à coopérer avec l'élément en matériau abradable. Ceci permet de mieux utiliser, gérer et optimiser l'abradable et d'éviter ainsi que le becquet ne se coince dans ledit abradable.
15 De préférence, chacun des éléments comprend en outre un orifice d'évacuation de la surpression d'air de la cavité correspondante.
L'invention concerne aussi un distributeur de turbine d'une turbine telle que définie ci-dessus, ledit distributeur de turbine comprenant au moins un élément en matériau 20 abradable apte à coopérer avec au moins un becquet d'un rotor de turbine de ladite turbine de manière à former un joint d'étanchéité à labyrinthe.
L'invention concerne aussi un rotor de turbine d'une turbine telle que définie ci-dessus, dans lequel au moins un becquet est apte à coopérer avec un élément en matériau 25 abradable d'un distributeur de turbine d'un joint d'étanchéité à labyrinthe.
De préférence, la rigidité de l'extrémité du becquet a été renforcée par traitement thermique ou ajout de dépôt durcissant. Un tel renforcement renforce notamment la pointe du becquet et améliore l'abrasion du becquet sur l'élément abradable. L'invention concerne aussi un procédé de renforcement d'un becquet de rotor d'une turbine telle que définie ci-dessus, ledit becquet étant disposé substantiellement radialement par rapport à l'axe de rotation du rotor de la turbine, le procédé étant remarquable par le fait qu'il comprend une étape de durcissement du becquet par 30 traitement thermique ou par dépôt durcissant. Un tel renforcement rend le becquet plus solide et améliore la qualité de l'abrasion du becquet sur l'élément abradable.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront lors de la description qui suit faite en regard des figures annexées données à titre d'exemples non limitatifs (des références identiques étant données à des objets semblables) et dans lesquelles : - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un premier rotor selon l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue en coupe axiale d'un rotor comprenant une première forme de réalisation selon l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupe axiale d'un rotor comprenant une seconde forme de réalisation selon l'invention; - la figure 4 est une vue en coupe axiale d'un rotor comprenant une troisième forme de réalisation selon l'invention ; - la figure 5 est une vue en coupe axiale d'un rotor comprenant une quatrième forme de réalisation selon l'invention, et - la figure 6 est une vue en coupe axiale d'un rotor comprenant une cinquième forme de réalisation selon l'invention ; - la figure 7 est une vue partielle en coupe d'un rotor de turbine comprenant un becquet amont et un becquet aval ; - la figure 8 est une vue partielle de dessus du rotor de turbine de la figure 7 comprenant une pluralité de becquet amont et avals ; - la figure 9 est une vue partielle en coupe du rotor de la figure 7 selon le plan de coupeA - A; - la figure 10a est une vue partielle en perspective du rotor de la figure 7 ; - la figure 10b est une vue partielle en perspective d'un élément du rotor de la figure 7 ; - la figure 10c est une vue partielle en perspective du rotor de la figure 7 ; - la figure 11 est une vue partielle en coupe du rotor de la figure 7 selon le plan de coupe A - A, les becquets amont comprenant en outre une pluralité d'orifices
- la figure 12 est une vue partielle de dessus du rotor de la figure 11.
La présente invention est décrite en référence à une turbine de turbomachine d'un aéronef mais s'applique à tout type de turbine d'un moteur à gaz fonctionnant de manière similaire.
On se réfère d'abord à la figure 1 qui est une demi-vue schématique en coupe d'une turbine 10 basse-pression de moteur à turbine à gaz, selon un plan passant par l'axe de rotation 13 du rotor 11 de la turbine 10. Le rotor 11 de la turbine 10 comprend des disques 12 assemblés coaxialement les uns aux autres par des brides annulaires 14 et portant des rangées annulaires d'aubes mobiles 16 montées par des pieds d'aubes, i o par exemple en queue d'aronde ou analogue, à leurs extrémités radialement internes sur la périphérie externe des disques 12. Le rotor 11 est relié à un arbre de turbine par l'intermédiaire d'un cône d'entraînement 18 fixé au moyen d'une bride annulaire 20 entre les brides annulaires 14 des disques 12. Des flasques annulaires 22 de retenue axiale des aubes mobiles 16 sur les disques 12 sont en outre montées entre les 15 disques 12 et comprennent chacun une paroi radiale 24 serrée axialement entre les brides annulaires 14 de deux disques adjacents 12. Entre les rangées d'aubes mobiles 16 se trouvent des distributeurs 25 qui comportent chacun deux plates-formes annulaires, respectivement interne 26 et externe (non représentée), reliées entre elles par une rangée annulaire de ailettes fixes 28. Les plates-formes externes des 20 distributeurs 25 sont accrochées par des moyens appropriés sur un carter de la turbine 10 basse-pression. Les plates-formes internes 26 des distributeurs 25 comprennent chacune une paroi radiale 30 qui s'étend, radialement, vers l'intérieur depuis une surface interne de la plate-forme 26 et qui est reliée à sa périphérie interne à une couronne cylindrique de support 32 d'éléments annulaires 34 en matériau abradable. 25 Les régions définies entre la paroi interne 26, la paroi radiale 30 et la couronne annulaire 32 forment ainsi deux cavités 31a et 31b.
Ces éléments abradables 34 sont agencés radialement à l'extérieur et en regard de léchettes annulaires externes 36 portées par les flasques 22. Les léchettes 36 sont 30 destinées à coopérer avec les éléments abradables 34 de façon à former des joints à labyrinthe dont le plan de joint est parallèle à l'axe de rotation 13 du rotor de turbine 11, limitant ainsi le passage d'air en direction axiale à travers ces joints. La couronne cylindrique 32 comprend en amont et en aval des rebords annulaires 38 qui s'étendent sensiblement axialement du côté opposé à la paroi radiale 30 de la plate-forme interne 26 du distributeur 25. Des becquets 40 amont et aval sensiblement cylindriques sont formés en saillie axiale sur les pieds 17 des aubes mobiles 16, s'étendant dans les cavités 31a et 31b et coopérant ainsi par effet de chicane avec ces rebords annulaires 38 et avec les bords amont et aval des plates-formes internes 26 pour limiter les recirculations (vortex) de gaz chauds depuis la veine de la turbine 10 radialement vers l'intérieur au niveau des joints à labyrinthe. La couronne 32 et la paroi radiale 30 de chaque distributeur 25 peuvent être formées d'une seule pièce de fonderie avec la plate-forme interne 26 de ce distributeur 25.
Comme décrit ci-avant, un inconvénient du rotor 11 selon l'art antérieur, décrit à la figure 1, concerne le passage d'un flux d'air chaud entre les becquets 40 amont et aval et la paroi radiale 30 du distributeur 25 et cela même lorsque les extrémités du becquet 40 aval et du rebord annulaire 38 se recouvrent partiellement. Ainsi, afin de résoudre ce problème, un joint de type à labyrinthe est réalisé au niveau d'au moins un des becquets amont ou aval ou au niveau des deux becquets amont et aval situés de part et d'autre d'une même paroi radiale 30 de distributeur.
20 Les figures 2 à 6 décrivent cinq formes de réalisation de l'invention dans lesquelles un élément en matériau abradable 44 est monté sur la paroi radiale 30 de distributeur ou sur des moyens de support 46 montés sur la paroi radiale 30 de distributeur 25 et dans lesquels l'un des becquets 40 est remplacé par un becquet 42 apte à remplir une fonction léchette pour former un joint de type à labyrinthe dont le plan de joint est 25 perpendiculaire à l'axe de rotation 13 du rotor de turbine 11, limitant ainsi le flux d'air chaud au plus près de la veine du flux d'air circulant à travers les aubes 16 du rotor 11 et les ailettes 28 des distributeurs 25.
Contrairement à une léchette non durcie ou renforcée, un tel becquet 42 reste 30 substantiellement rigide.
L'extrémité d'un tel becquet 42 peut être durcie ou renforcée afin de venir affleurer l'élément en matériau abradable tout en évitant de coincer le becquet 42 dans le matériau abradable 44.15 En fonctionnement, le becquet 42 est susceptible de pénétrer ainsi dans l'abradable et vient assurer une étanchéité sur mesure pour chaque cavité.
La section de l'abradable 44 peut être de différentes formes et affleure avec le becquet avec lequel il forme le joint d'étanchéité.
Comme illustré par la figure 2, le matériau abradable 44 peut être en forme de L inversé et monté directement sur la paroi radiale 30 ou bien en forme de L et monté directement sur la paroi radiale 30, comme illustré par la figure 4.
Le matériau abradable 44 peut aussi être substantiellement rectangulaire comme illustré par les figures 3, 5 et 6.
L'élément abradable 44 peut être monté, par exemple par brasage, directement sur la paroi radiale 30 du distributeur 25, comme illustré par les figures 2, 3 et 4.
L'élément abradable 44 peut aussi être monté sur des moyens de support 46 fixés à la paroi radiale 30 du distributeur 25, tels qu'un tôle déformée en forme de U, de Z ou tout autre forme permettant de former un joint de type à labyrinthe entre l'élément abradable 44 et l'un des becquets, comme illustré par les figures 5 et 6.
La figure 7 décrit une vue en coupe partielle d'un rotor 11 de turbine 10 comprenant un becquet amont 42 apte à usiner un abradable 44.
On a représenté aux figures 8 à 10c un rotor 11 comprenant une pluralité de becquets 42 dans le prolongement les uns des autres, c'est à dire disposés côte à côte. Chacun des becquets 42 est apte à usiner un abradable. Pour cela, chaque becquet amont 42 comprend un coin d'attaque 51 agencé de sorte à attaquer l'abradable 44 lorsque le 3o rotor 11 tourne dans le sens de rotation R. Chaque becquet amont 42 comprend en outre un coin de fuite 53 situé en retrait du coin d'attaque 51, c'est à dire configuré de sorte que le coin de fuite 53 se trouve plus proche de l'axe X, traversant les aubes 16 du rotor 11 en leur milieu, que le coin d'attaque 51.
Le coin d'attaque 51 est donc un épaississement radial très localisé du becquet 42 dans l'optique de faire une trace franche et nette dans l'abradable 44.
Un dépôt durcissant peut être déposé sur le coin d'attaque 51 ou un traitement thermique bien être effectué sur les becquets 42 de manière à les durcir.
Un chanfrein 57 peut être réalisé pour renforcer la solidité du coin d'attaque 51.
La pluralité de becquets 42 illustrés pas les figures 8 à 12 permet de mieux utiliser, i o gérer et optimiser l'abradable 44, évitant ainsi que le becquet 42 ne se coince dedans.
Par ailleurs, en fonctionnement de la turbine 10, un débit d'air passe entre l'abradable 44 et le labyrinthe formé dans la cavité amont 31b. Si ce débit n'est pas évacué, une 15 surpression se créée dans la cavité avale 31b du distributeur provoquant un échauffement important. Les figures 11 et 12 illustrent ainsi le rotor des figures 7 à 10c comprenant en outre des orifices 55 d'évacuation de la surpression de la cavité avale 31b permettant d'évacuer le débit dans la veine du flux de la turbine. Pour faciliter cette purge, les orifices 55 peuvent être inclinés, comme illustré par la figure 11, vers le sens 20 opposé au sens de rotation R pour une meilleure écope. Ces trous peuvent être dimensionnés selon les besoins aérothermiques. 25 30

Claims (12)

  1. REVENDICATIONS1- Turbine (10) d'un moteur à turbine à gaz comprenant au moins un distributeur de turbine (25) et un rotor de turbine (11), ledit distributeur de turbine (25) comprenant au moins une plate-forme annulaire interne (26), ladite plate-forme interne (26) comprenant une paroi radiale (30) ménageant une cavité amont (31a) et une cavité aval (31b) entre le distributeur de turbine (25) et le rotor de turbine (11), le rotor de turbine (11) comprenant un becquet amont (40, 42) et un becquet aval (40, 42) disposés substantiellement axialement et définissant chacun une chicane d'étanchéité dans leur dite cavité respective (31a, 31b), turbine (10) caractérisée par le fait que le distributeur de turbine (25) comprend au moins un élément en matériau abradable (44) apte à coopérer avec au moins un desdits becquets (42) du rotor de turbine (11) de manière à former un joint d'étanchéité à labyrinthe.
  2. 2- Turbine (10) selon la revendication 1, dans laquelle l'élément en matériau abradable (44) est apte à coopérer avec au moins un becquet aval (42) du rotor de turbine (11) de manière à former un joint d'étanchéité à labyrinthe.
  3. 3- Turbine (10) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le plan (45) défini par la surface de contact du becquet (42) avec l'élément en matériau abradable (44) est substantiellement perpendiculaire à l'axe du rotor de turbine (11).
  4. 4- Turbine (10) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'élément en matériau abradable (44) est monté, notamment par brasage sur la paroi radiale (30) de la plate forme interne du distributeur de turbine (25).
  5. 5- Turbine (10) selon l'une des revendications 1 à 3, le distributeur de turbine (25) comprenant en outre des moyens de support (46) de l'élément abradable (44) montés sur la dite paroi radiale (30) et agencés pour supporter l'élément en matériau abradable (44).
  6. 6- Turbine (10) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le becquet (42) comprend au moins un orifice (55) agencé pour évacuer une surpression d'air de la cavité (31b) correspondante.35
  7. 7- Turbine (10) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le becquet *du rotor (11) de turbine (10) comprend une pluralité d'éléments (42) agencés dans le prolongement les uns des autres, chacun des éléments (42) étant apte à coopérer avec l'élément en matériau abradable (44).
  8. 8- Turbine (10) selon la revendication 7, dans laquelle chacun des éléments comprend en outre un orifice d'évacuation (55) de la surpression d'air de la cavité (31b) correspondante. 10
  9. 9- Distributeur de turbine (25) d'une turbine (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, ledit distributeur de turbine (25) comprenant au moins un élément en matériau abradable (44) apte à coopérer avec au moins un becquet (42) d'un rotor de turbine (11) de ladite turbine (10) de manière à former un joint d'étanchéité à labyrinthe. 15
  10. 10-Rotor de turbine (11) d'une turbine (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel au moins un becquet (42) est apte à coopérer avec un élément en matériau abradable (44) d'un distributeur de turbine (25) d'un joint d'étanchéité à labyrinthe.
  11. 11-Rotor de turbine selon la revendication 10, dans lequel la rigidité de l'extrémité du becquet (42) du distributeur de turbine (25) a été renforcée par traitement thermique ou par dépôt durcissant. 25
  12. 12-Becquet de rotor (11) d'une turbine (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 ou d'un rotor selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, ledit becquet (42) étant disposé substantiellement axialement par rapport à l'axe de rotation (13) du rotor de la turbine (10), becquet caractérisé par le fait qu'il a été durci par traitement thermique ou par dépôt durcissant. 20
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