FR2991372A1 - Roue de turbine dans une turbomachine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une roue de turbine dans une turbomachine comprenant un disque (18) portant une pluralité d'aubes (32) dont les pieds (22) sont engagés axialement et retenus radialement dans des alvéoles longitudinales (20) de la périphérie externe du disque (18), les aubes (32) comportant des plates-formes (26) qui s'étendent circonférentiellement bout à bout et qui sont en vis-à-vis radial de nervures longitudinales (23) du disque délimitant les alvéoles (20). Des organes de protection (38, 68) des flancs des alvéoles (20), formés par des clinquants, sont montés et retenus par coopération de formes sur les nervures (23) du disque (18) et comprennent des moyens d'appui radial des plates-formes (26) des aubes (32) pour l'anti-basculement circonférentiel des aubes (32) et des moyens d'obturation au moins partielle des espaces radiaux entre les nervures (23) et les plates-formes des aubes (32).

Description

ROUE DE TURBINE DANS UNE TURBOMACHINE L'invention concerne une roue de turbine dans une turbomachine ainsi qu'une turbomachine comprenant une turbine équipée d'une telle roue. Dans la technique connue, une roue de turbine comprend un disque comportant à sa périphérie externe une pluralité de nervures régulièrement réparties autour de l'axe de la roue et délimitant entre elles des alvéoles de montage axial et de retenue radiale de pieds d'aubes.

Chaque pied aube comprend une plate-forme s'étendant circonférentiellement et depuis laquelle une pale s'étend radialement vers l'extérieur. Les plates-formes des aubes sont circonférentiellement bout à bout en vis-à-vis radial des nervures du disque et forment une paroi interne délimitant une surface interne d'écoulement d'un flux de gaz chauds sortant d'une chambre de combustion agencée en amont de la turbine. De part et d'autre des pieds d'aubes sont formées des parties en saillie en direction circonférentielle et agencées immédiatement au dessus des nervures du disque. Ces parties en saillie encore appelées murets permettent notamment de limiter la réintroduction de gaz chauds entre les plates-formes et les nervures du disque. Ces murets permettent aussi de limiter les mouvements de basculement des aubes en direction circonférentielle en venant s'appuyer sur les nervures du disque. 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 aube comporte un bord amont et un bord aval orientés perpendiculairement au sens de l'écoulement du flux gazeux. Ces bords amont et aval 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 adjacentes de la roue mobile.

En général, 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 précontrainte 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. Les efforts de contact 10 et de frottement ainsi générés au niveau des talons des aubes permettent de dissiper l'énergie vibratoire résultant du fonctionnement de la turbine. Un tel amortissement des vibrations 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 15 céramique), les contraintes générées par une mise en torsion de l'aube sont trop élevées au regard des capacités du matériau composite. Pour résoudre ces problèmes, la demanderesse a proposé dans sa demande WO2011104457 de monter des amortisseurs de vibrations entre les talons d'aubes adjacentes en matériau composite d'une roue de turbine. 20 Cette solution s'avère particulièrement intéressante pour les aubes en matériau composite. Toutefois, la réalisation des murets anti-basculement est difficile voire impossible pour de telles aubes. En effet, les aubes en matériau composite sont formées par superposition de plusieurs couches de matériau et l'ajout de murets nécessiterait d'ajouter 25 des couches de matériaux supplémentaires qu'il faudrait par la suite usiner, ce qui est long, coûteux et difficile dans le cas des matériaux composites. Ainsi, en l'absence de murets, les aubes peuvent basculer autour d'un axe passant par le pied d'aube, ce qui peut conduire à la désolidarisation des amortisseurs montés entre des talons d'aubes 30 adjacents, ne permettant plus d'assurer une bonne tenue mécanique des aubes aux vibrations. De plus, l'absence de murets crée une cavité longitudinale entre les nervures et les plates-formes en vis-à-vis radial, ce qui conduit à une recirculation de gaz chauds sur les nervures du disque et réduit fortement la durée de vie du disque et du rotor sur lequel il est monté.

Pour limiter le basculement circonférentiel des aubes, il est connu de monter des cales entre les pieds d'aubes et les fonds des alvéoles, ces cales exerçant une force orientée radialement vers l'extérieur pour appliquer les pieds d'aubes sur les flancs des alvéoles. Cependant, ces cales sont difficiles à réaliser du fait que l'espace entre le pied d'aube et le fond de chaque alvéole est réduit, ce qui impose un usinage individuel de chaque cale. De plus, les cales peuvent se déformer en fonctionnement, ce qui ne permet pas de garantir un appui radial permanent des pieds d'aubes sur les flancs des alvéoles. Enfin, l'ajout d'une pièce supplémentaire complique les opérations d'assemblage de la roue de turbine et n'apporte aucune solution au problème de la recirculation d'air chaud entre les plates-formes et les nervures du disque. Pour limiter les phénomènes de fretting entre les pieds d'aubes et le disque, il est connu de monter un organe de protection sur les pieds d'aubes. L'interposition d'un organe de protection, dont la résistance à l'usure est plus faible que celle du pied d'aube et du disque, permet de préserver le pied d'aube. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace aux problèmes décrits ci-dessus de la technique antérieure.

A cette fin, elle propose une roue de turbine dans une turbomachine comprenant un disque portant une pluralité d'aubes dont les pieds sont engagés axialement et retenus radialement dans des alvéoles longitudinales de la périphérie externe du disque, les aubes comportant des plates-formes qui s'étendent circonférentiellement bout à bout et qui sont en vis-à-vis radial de nervures longitudinales du disque délimitant les alvéoles, caractérisée en ce que des organes de protection des flancs des alvéoles formés par des clinquants, sont montés et retenus par coopération de formes sur les nervures du disque et comprennent des moyens d'appui radial des plates-formes des aubes pour l'anti-basculement circonférentiel des aubes et des moyens d'obturation au moins partielle des espaces radiaux entre les nervures et les plates-formes des aubes. A la différence de la technique antérieure, les organes de protection selon l'invention sont montés sur les nervures du disque et non plus sur les pieds d'aubes engagés dans les alvéoles. Ces organes de protection des flancs des alvéoles assurent deux fonctions supplémentaires, à savoir limiter le basculement circonférentiel des aubes et réduire les recirculations de gaz entre les plates-formes et les nervures du disque, ce qui évite l'ajout de pièces supplémentaires dans la turbine. Il est ainsi possible d'intégrer sans risque de désolidarisation des amortisseurs entre les extrémités radialement externes de deux aubes adjacentes de manière à limiter les vibrations en fonctionnement. Avantageusement, chaque organe de protection comprend une première partie à section transverse en C engagée sur une nervure du disque et qui porte une seconde partie s'étendant radialement entre ladite 20 nervure et une plate-forme d'aube, cette seconde partie comprenant au moins une face radialement externe d'appui de ladite plate-forme et au moins une face transverse à son extrémité amont pour l'obturation de l'espace radial entre l'extrémité de la nervure et la plate forme. Dans une première réalisation de l'invention, la seconde partie 25 comprend au moins un élément à section longitudinale en U ouvert radialement vers l'intérieur. Dans cette configuration, une première des parois latérales de l'élément en U est agencée transversalement et permet de limiter les réintroductions de gaz chauds entre une plate-forme et la nervure du disque sur laquelle est monté l'organe de protection. La paroi de 30 jonction des parois latérales de l'élément à section en U permet quant à elle d'assurer un appui radial de la face interne de la plate-forme en vis-à-vis radial, limitant le mouvement de basculement des aubes. Selon une autre caractéristique de l'invention, la seconde partie comprend deux éléments à section en U alignés longitudinalement le long de la nervure.

Dans une deuxième réalisation de l'invention, la seconde partie comprend deux parois radiales s'étendant longitudinalement sur la première partie et raccordées à leurs extrémités amont par une paroi transverse. Les extrémités radialement externes des parois radiales permettent un appui radial de la face interne de la plate-forme et la paroi transverse limite les recirculations de gaz chauds entre la plate-forme et la nervure. Les première et seconde partie de l'organe de protection peuvent être réalisées d'une seule pièce par des opérations successives de pliage et d'emboutissage.

La première partie et la seconde partie de l'organe de protection peuvent en variante être réalisées en deux pièces distinctes solidarisées l'une à l'autre par brasage ou soudage. L'invention est particulièrement intéressante lorsque les aubes sont réalisées en matériau composite à matrice céramique comprenant en particulier des moyens d'amortissement des vibrations. Ainsi, il n'y a plus de risque de désolidarisation des moyens d'amortissement en fonctionnement du fait de l'intégration de moyens d'anti-basculement aux organes de protection. L'invention concerne également une turbomachine, telle qu'un turbopropulseur ou un turboréacteur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine basse pression comprenant au moins une roue du type décrit précédemment. L'invention concerne encore un organe de protection des flancs d'une nervure périphérique d'un disque de turbine dans une turbomachine, caractérisé en ce qu'il comprend une partie à section transverse en C qui porte au moins une paroi transverse en saillie radiale à une extrémité axiale de la partie à section en C. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe d'une turbine de turbomachine selon la technique connue ; la figure 2 est une vue schématique depuis l'amont de la liaison entre les pieds d'aubes et le disque d'une roue de la turbine de la figure 1 ; la figure 3 est une vue schématique de côté de la partie radialement interne d'une aube de turbine selon la technique antérieure ; la figure 4 est une vue schématique depuis l'amont de la liaison entre des pieds d'aubes en matériau composite et le disque d'une roue de turbine selon la technique antérieure ; la figure 5 est une représentation schématique de deux aubes adjacentes et illustrant le basculement circonférentiel des aubes ; la figure 6 est une vue schématique selon le plan de coupe AA de la figure 4 ; les figures 7 et 8 représentent deux modes de réalisation d'un organe de protection selon l'invention ; les figures 9 et 10 illustrent l'utilisation d'un organe de protection selon l'invention avec deux aubes différentes. On se réfère tout d'abord à la figure 1 représentant une turbine 10 dans une turbomachine agencée en aval d'une chambre annulaire de combustion 12. La turbine 10 comprend plusieurs roues 14 disposées en alternance avec des rangées annulaires d'aubes fixes 16. Les roues 14 sont entrainées en rotation par le flux de gaz chauds sortant de la chambre de combustion 12. Une roue 14 comprend un disque 18 comportant sur sa périphérie externe une pluralité d'alvéoles longitudinales 20 en queue d'aronde ou 30 analogue dans lesquelles sont engagés axialement et retenus radialement par coopération de forme des pieds 22 d'aubes. A cette fin, les pieds d'aube 22 ont une forme de bulbe assurant leur retenue radiale dans les alvéoles 20 du disque 18. Les alvéoles sont délimitées latéralement par des nervures 23. Une aube 24 comprend ainsi un pied 22 relié extérieurement à une plate-forme 26 s'étendant circonférentiellement, et une pale 28 recevant le flux de gaz chauds et s'étendant radialement depuis la plate-forme 26. Les plates-formes 26 s'étendent circonférentiellement bout à bout de manière à former une paroi annulaire délimitant intérieurement la veine annulaire d'écoulement des gaz chauds et évitant les réintroductions de gaz chauds au niveau de la périphérie interne du disque 18 (figure 2). Chaque pied d'aube 22 comprend à ses extrémités amont et aval une partie 30 en saillie s'étendant circonférentiellement et agencée immédiatement au dessus d'une nervure 23 du disque 18 (figure 3). Ces parties en saillie ou murets 30 viennent en appui sur les nervures 23 du disque 18, ce qui permet de limiter le basculement en direction circonférentielle des pieds d'aubes 22 en fonctionnement. Ces murets 30 permettent également de limiter la réintroduction de gaz chauds entre les plates-formes 26 et les nervures 23, évitant ainsi un échauffement important du disque 18.

Comme expliqué précédemment, lorsque les aubes 24 sont en matériau composite, tel qu'un composite à matrice céramique, il est très difficile voire impossible de réaliser des murets 30 puisque cela compliquerait et allongerait fortement les étapes de fabrication des aubes 24 (figure 4).

Dès lors, en l'absence de murets 30 comme représenté en figure 4, les aubes 32 peuvent basculer en direction circonférentielle les unes par rapport aux autres comme indiqué sur la figure 5 (flèches A et B), pouvant conduire à la perte, c'est-à-dire à la désolidarisation, des amortisseurs 34 montés entre les extrémités radialement externes ou talons d'aubes 36 adjacents comme expliqué précédemment. De plus, la suppression des murets 30 provoque une recirculation de gaz chauds (flèche C) depuis la veine de flux chaud entre les plates-formes 26 des aubes 32 et les nervures 23 du disque 18, réduisant fortement la durée de vie du disque (figure 6). L'invention permet de résoudre ces problèmes ainsi que ceux mentionnés précédemment en intégrant, à un organe de protection des pieds d'aube, des moyens d'anti-basculement et d'obturation des espaces radiaux entre les nervures et les plates-formes des aubes. En figure 7 est représenté un organe de protection 38 selon l'invention, comprenant une première partie 40 dont la section transversale est en C de manière à assurer le montage axial et la retenue radiale de l'organe de protection 38 sur une nervure 23 du disque 18. Plus précisément, cette première partie 40 comprend une paroi centrale 42 recouvrant la face externe de la nervure 23 et deux parois latérales formées par des premières parois longitudinales 44 s'étendant radialement et raccordées à leur extrémité radialement interne à des parois inclinées 46 s'étendant l'une vers l'autre radialement vers l'intérieur. Ces parois inclinées 46 assurent la retenue radiale de l'organe de protection 38 sur une nervure 23 du disque 18 et forment des surfaces d'appui pour les pieds d'aubes empêchant ainsi tout contact et interaction physico-chimique entre l'aube en matériau composite et le disque en métal. La paroi centrale 42 et les parois radiales 44 de la première partie assurent une protection thermique de la nervure 23 contre le rayonnement thermique du flux de gaz chauds circulant à l'extérieur des plates-formes 26.

L'organe de protection 38 comprend une seconde partie 48 s'étendant radialement entre une nervure 23 et une plate-forme 26 en vis-à-vis radial. Cette seconde partie 48 comporte des moyens d'appui radial des faces radialement internes des plates-formes des aubes et des moyens d'obturation des espaces radiaux entre les nervures et les plates-formes des aubes (figures 7 et 8). Dans une première réalisation de l'invention, la seconde partie 48 comprend deux éléments 50, 52 à section longitudinale en U ouverte radialement vers l'intérieur. Les deux éléments 50, 52 sont alignés longitudinalement le long de la nervure 23. Dans cette réalisation, chaque élément 50, 52 comprend une paroi transverse amont 54, 56 et aval 58, 60.

La paroi transverse amont 54 de l'élément amont 52 est ainsi agencée radialement entre une plate-forme 26 en vis-à-vis radial et une nervure 23 et permet une obturation de l'extrémité de l'espace radial entre la plate-forme 26 et la nervure du disque 18. Chaque élément 50, 52 comprend également une paroi de jonction 62, 64 reliant ses parois transverses 54, 56, 58, 60. Ces parois de jonction 62, 64 servent ainsi de surfaces d'appui radial de la face interne de la plate-forme 26 limitant le basculement de l'aube en fonctionnement. Dans une variante de la réalisation de la figure 7, la seconde partie pourrait être formée d'un seul élément à section longitudinale en U, cet élément s'étendant sur toute la longueur de la nervure 23. Dans une seconde réalisation de l'invention représentée en figure 8, la seconde partie 66 de l'organe de protection 68 est formée par deux parois radiales 70, 72 s'étendant longitudinalement sur la première partie et raccordées à leurs extrémités amont par une paroi transverse 74.

Les extrémités radialement externes des parois radiales 70, 72 forment des faces d'appui radial de la plate-forme 26 en vis-à-vis radial et la paroi transverse 74 assure une obturation de l'espace radial entre la plate-forme 26 et la nervure 23. Les première 38 et seconde 48, 66 parties peuvent être réalisées 25 d'une seule pièce par des opérations successives de pliage et d'emboutissage ou bien être réalisées en deux pièces distinctes solidarisées l'une à l'autre par brasage ou soudage. Les organes de protection 38, 68 peuvent être réalisés dans une tôle mince d'une épaisseur d'environ 0,1 mm, par exemple en alliage à base 30 Nickel tel que l'Hastelloy X ou à base Cobalt tel que celui connu sous la référence HS25.

Si l'invention est particulièrement intéressante dans le cas d'aubes en matériau composite ne permettant pas l'intégration de murets comme dans la technique antérieure, elle est également applicable à des aubes métalliques. La figure 9 représente une aube dont le pied 22 est sensiblement aligné avec un bord 78 de la plate-forme 76. Dans ce cas, la plate-forme 76 comprend un seul bord 78 en vis-à-vis radial d'une nervure 23 et chaque organe de protection 80 ne permet l'anti-basculement des aubes 32 que dans une seule direction circonférentielle (flèche D). La figure 10 représente une aube 32 dont le pied 22 est sensiblement centré sur la plate-forme 82. Chaque plate-forme 82 comprend deux bords latéraux 84, 86 chacun agencé en vis-à-vis radial d'une nervure 23. Dans ce cas, chaque organe de protection 80 permet l'anti-basculement des aubes 32 dans les deux directions circonférentielles (flèches E et F).

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Roue de turbine dans une turbomachine comprenant un disque (18) portant une pluralité d'aubes (32) dont les pieds (22) sont engagés axialement et retenus radialement dans des alvéoles longitudinales (20) de la périphérie externe du disque (18), les aubes (32) comportant des plates-formes (26) qui s'étendent circonférentiellement bout à bout et qui sont en vis-à-vis radial de nervures longitudinales (23) du disque délimitant les alvéoles (20), caractérisée en ce que des organes de protection (38, 68) des flancs des alvéoles (20), formés par des clinquants, sont montés et retenus par coopération de formes sur les nervures (23) du disque (18) et comprennent des moyens d'appui radial des plates-formes (26) des aubes (32) pour l'anti-basculement circonférentiel des aubes (32) et des moyens d'obturation au moins partielle des espaces radiaux entre les nervures (23) et les plates-formes des aubes (32).
2. 2. Roue selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque organe de protection (38, 68) comprend une première partie (40) à section transverse en C engagée sur une nervure (23) du disque (18) et qui porte une seconde partie (48, 66) s'étendant radialement entre ladite nervure (23) et une plate-forme (26) d'aube, cette seconde partie (48, 66) comprenant au moins une face radialement externe d'appui de ladite plate-forme (26) et au moins une face transverse à son extrémité amont pour l'obturation de l'espace radial entre l'extrémité de la nervure (23) et la plate-forme (26).
3. 3. Roue selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que la seconde partie (48) comprend au moins un élément (62, 64) à section longitudinale en U ouvert radialement vers l'intérieur.
4. 4. Roue selon la revendication 3, caractérisée en ce que la seconde partie (48) comprend deux éléments (62, 64) à section en U alignés longitudinalement le long de la nervure (23).
5. 5. Roue selon la revendication 2, caractérisée en ce que la seconde partie (66) comprend deux parois radiales (70, 72) s'étendant longitudinalement sur la première partie et raccordées à leurs extrémités amont par une paroi transverse (74).
6. 6. Roue selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que les première (40) et seconde (48, 66) parties de l'organe de protection sont réalisées d'une seule pièce par des opérations successives de pliage et d'emboutissage.
7. 7. Roue selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que la première (40) partie et la seconde (48, 66) partie de l'organe de protection sont deux pièces distinctes solidarisées l'une à l'autre par brasage ou soudage.
8. 8. Roue selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les aubes (32) sont en matériau composite à matrice céramique.
9. 9. Turbomachine, telle qu'un turbopropulseur ou un turboréacteur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine basse pression comprenant au moins une roue selon l'une des revendications précédentes.
10. 10. Organe de protection des flancs d'une nervure périphérique d'un 20 disque de turbine dans une turbomachine selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend une partie (40) à section transverse en C qui porte au moins une paroi transverse (54, 74) en saillie radiale à une extrémité axiale de la partie à section en C. 25