FR2995949A1

FR2995949A1 - Carter de turbomachine

Info

Publication number: FR2995949A1
Application number: FR1258959A
Authority: FR
Inventors: Vincent Paul Gabriel Perrot; Sebastien Cochon
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2014-03-28
Anticipated expiration: 2032-09-25
Also published as: FR2995949B1; EP2901021A1; WO2014049239A1; CA2885650C; CN104704244B; EP2901021B2; JP2015531447A; JP6382821B2; CN104704244A; BR112015006386A2; RU2015115673A; US9982554B2; US20150226078A1; EP2901021B1; RU2727943C2; BR112015006386B1; CA2885650A1

Abstract

Carter (12) de turbomachine, présentant une paroi interne (20) comportant une bande (24) circonférentielle de matériau abradable, délimitée sur un côté aval par une rainure circonférentielle (30). Turbomachine comprenant un tel carter.

Description

L'invention concerne un carter de turbomachine. Un tel carter est habituellement prévu pour abriter une ou plusieurs roues à aubes, montée(s) à rotation relative à l'intérieur du carter. Pour optimiser le rendement de la turbomachine, en général les aubes sont agencées de telle manière que leurs extrémités passent aussi près que possible de la paroi interne du carter. Cela entraîne que parfois, lors des premières heures de fonctionnement d'une turbomachine de moteur d'avion ou d'un turbomoteur d'hélicoptère, les extrémités des aubes rentrent en contact 10 avec la paroi interne du carter, suite notamment à leur dilatation thermique et à leur allongement sous l'effet des forces centrifuges. Pour éviter que ces contacts n'endommagent la paroi du carter, de manière connue en soi la surface interne de carters de turbomachines est dans certains cas équipée d'une bande de matériau abradable (c'est-à- 15 dire, prévu pour subir une abrasion), agencée à l'intérieur du carter au droit de l'extrémité des aubes. La longueur des aubes est alors déterminée de telle sorte que les aubes, à plein régime de la turbomachine, entrent en contact avec la bande de matériau abradable. 20 Sous l'effet de ces frottements, lors des premières heures de fonctionnement de la turbomachine, la bande de matériau abradable s'use jusqu'à atteindre une forme qui permet qu'elle n'entre plus en contact avec les aubes. La forme ainsi obtenue est celle qui permet un jeu minimum entre l'extrémité des aubes et le carter. 25 Cependant, les contacts et frottements qui se produisent entre la bande de matériau abradable et l'extrémité des aubes entraînent une usure, des vibrations voire des chocs préjudiciables à la pérennité et au bon fonctionnement de la turbomachine. Il est donc nécessaire de minimiser l'importance de ceux-ci. 30 Dans ce but, la demande internationale W02012/025357 a présenté un carter comprenant une roue à aubes, et dans lequel l'extrémité des aubes est aménagée de manière à être sensiblement plus courte sur le côté aval que sur le côté amont. Cette solution permet de garantir l'existence d'un jeu au moins entre la partie aval de l'extrémité des aubes 35 et le carter.

Cependant, elle nécessite de réduire la surface des aubes et donc le travail apporté au fluide par celles-ci, diminuant ainsi le rendement de la roue à aubes. L'objectif de l'invention est donc de proposer un agencement de carter et/ou d'aubes qui permette de minimiser le jeu entre les aubes et le carter, qui limite autant que possible les contacts et frottements entre les aubes et le carter, et conserve aux aubes une efficacité maximale. Cet objectif est atteint par un carter de turbomachine, présentant une paroi interne comportant une bande circonférentielle de matériau 10 abradable, dans lequel la bande est délimitée sur un côté aval par une rainure circonférentielle. L'agencement de carter défini ci-dessus, avec une bande en matériau abradable en amont, délimitée du côté aval par une rainure circonférentielle, présente les avantages suivants. 15 La bande de matériau abradable est apte à être placée au droit d'une partie amont de l'extrémité d'aubes d'une roue à aubes disposée dans le carter. Or, c'est au niveau de la partie amont de l'extrémité des aubes que la réduction du jeu entre l'extrémité des aubes et le carter est la plus utile. 20 Par conséquent, c'est dans la partie amont de l'extrémité des aubes que l'utilisation d'une bande de matériau abradable est la plus justifiée. Elle permet, dans cette partie, d'obtenir un jeu minimum entre l'extrémité des aubes et le carter. Inversement, dans la partie aval de l'extrémité des aubes, 25 l'existence d'un jeu entre l'extrémité des aubes et le carter présente moins d'importance. Avantageusement selon l'invention, on privilégie donc dans cette partie la recherche d'une absence de collisions entre l'extrémité des aubes et le carter. Dans ce but, selon l'invention le carter comporte une rainure 30 aménagée immédiatement en aval de la bande de matériau abradable. Le fond de la rainure est donc en creux par rapport à la bande de matériau abradable. En d'autres termes, la rainure présente un rayon plus grand que la bande de matériau abradable (plus précisément, que la surface interne de celle-ci). 35 Cet écart de rayon entraîne que des aubes présentant un rayon sensiblement constant du bord d'attaque au bord de fuite, pourront avoir 2 99594 9 des extrémités ayant une partie amont très proche de la bande de matériau abradable, de manière à user cette bande lors de la mise en oeuvre de la turbomachine, de manière connue en soi, et une partie aval non susceptible d'entrer en contact avec les surfaces de la rainure et donc le carter. Ainsi, le carter ainsi défini présente une surface de contact optimisée, et comporte avantageusement une bande de matériau abradable d'étendue axiale minimale, ce qui permet de minimiser les contacts et frottements entre les aubes et le carter. 10 Les différents perfectionnements suivants peuvent avantageusement être prévus, seuls ou en combinaison : - la rainure, hormis une surface de rainure formée par la bande de matériau abradable, peut présenter une section axiale concave. - un fond de la rainure peut comprendre une portion cylindrique. 15 - la rainure, hormis une surface de rainure formée par la bande de matériau abradable, peut présenter une section axiale concave en tout point de l'amont à l'aval. - la rainure peut être reliée du côté aval à la paroi interne du carter par un congé de raccordement concave, notamment ayant une section en arc de 20 cercle. - la rainure peut être reliée du côté aval à la paroi interne du carter par une surface sensiblement tronconique. - le fond de la rainure peut présenter un rayon inférieur au rayon maximum de la bande de matériau abradable. 25 - une surface de rainure peut être formée par la bande de matériau abradable et être de forme tronconique, l'angle du tronc de cône étant d'au moins 450, et de préférence au moins 60°. Par extension, cette surface de la rainure formée par la bande de matériau abradable peut être formée dans un plan transverse au carter, et être perpendiculaire à l'axe 30 du carter. L'invention vise également un ensemble comportant un carter tel que défini précédemment et une roue à aubes disposée dans celui-ci, et dans lequel la partie en matériau abradable est placée en regard d'aubes montées dans le carter. 35 Dans un tel ensemble, de préférence la bande de matériau abradable recouvre 30% à 70% de l'étendue axiale des aubes.

L'invention vise en outre un compresseur à flux axial de turbomachine, comportant un carter ou l'ensemble (carter et roue à aubes) définis précédemment. L'invention vise enfin une turbomachine comprenant au moins un carter tel que défini précédemment. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une portion de compresseur comprenant un carter selon l'invention ; - la figure 2 est une coupe schématique axiale d'une portion de compresseur, passant par une aube, dans un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une coupe analogue à celle de la figure 2, présentant un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une coupe analogue à celle de la figure 2, présentant un troisième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est une coupe analogue à celle de la figure 2, présentant un quatrième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 6 est une coupe analogue à celle de la figure 2, présentant un cinquième mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 7 est une coupe analogue à celle de la figure 2, présentant un sixième mode de réalisation de l'invention.

La figure 1 représente un compresseur à flux axial de turbomachine 10. Celui-ci comprend un carter 12, à l'intérieur duquel est montée une roue à aubes 14. La roue à aubes 14 comprend elle-même un disque rotor 16, sur lequel sont fixées de manière connue en soi des aubes radiales 18, 30 de manière axisymétrique. La roue à aubes est agencée de manière à pouvoir tourner suivant un axe de rotation A à l'intérieur du carter 12. Le carter 12 présente une paroi interne 20 délimitant une veine de passage de gaz. Cette paroi interne forme une surface de révolution, qui a une forme générale sensiblement conique, et dans le cas présent 35 cylindrique, au niveau (axialement) de la roue à aubes 14.

L'agencement des aubes 18 et de la paroi interne 20 du carter 12 selon l'invention, dans différents modes de réalisation, est présenté dans les figures 2 à 7. Dans les différentes figures, les éléments identiques ou similaires comportent la même référence numérique. En outre, les différents carters présentés respectivement par les figures 3 à 7 sont identiques à celui présenté par la figure 2, à l'exception des différences signalées dans le texte. Sur chacune des figures 2 à 7, le côté amont du carter 12 (par 10 rapport au sens prévu de circulation des gaz dans le carter) est disposé sur le côté gauche de la figure. Chacune des aubes 18 présente un bord d'attaque 18A, un bord de fuite 18B, et une extrémité 19. Au niveau (axialement) de la roue à aubes 14, la partie radialement 15 interne du carter 12 est formée principalement par deux pièces : un manchon sensiblement cylindrique 22 en métal ou alliage métallique (alliage de titane, aluminium, acier, etc...), et une bande 24 en matériau abradable, différent du matériau de la pièce 22, par exemple un alliage à base Al-Si. 20 La bande 24 a comme la pièce 22 une forme de manchon. Elle est disposée dans un logement 26, ayant une forme de révolution autour de l'axe A, formé en creux à l'intérieur de la pièce 22. La limite amont de la surface 25 de la bande 24 est disposée axialement sensiblement au droit du bord d'attaque 18A des aubes 18, 25 voire légèrement en amont de celui-ci. Le logement 26 présente une surface de fond cylindrique 27. La surface radialement intérieure 25 de la bande 24 et la surface radialement intérieure 23 de la pièce 22 constituent la partie de la paroi interne 20 du carter 12 située sensiblement au droit de la roue à aubes 30 14. Le logement 26 et la bande 24 sont prévus de telle sorte que les surfaces 23 et 25 soient dans la continuité l'une de l'autre. Ces deux surfaces ont le même rayon R (figure 2). Ainsi, la différence de rayon entre les surfaces 23 et 27 est égale à l'épaisseur de 35 la bande 24. 2 99594 9 6 Notons que dans le cadre de l'invention, la surface 25 pourrait en amont de la bande 24 présenter une discontinuité (de position et/ou de tangence) par rapport à la surface 23. Par exemple, la bande 24 pourrait présenter un rayon intérieur légèrement inférieur, ou légèrement supérieur, au rayon R de la surface 23 de la pièce 22. La limite aval de la bande 24 est située environ à mi-distance (suivant l'axe A) entre le bord d'attaque 18A et le bord de fuite 18B de l'aube 18. De manière générale, il est préférable que la bande 24 en matériau abradable recouvre 30% à 70% de l'étendue axiale des aubes.

Immédiatement en aval de la bande 24, le carter 12 présente une rainure 30. Celle-ci est délimitée en amont par la bande 24, et au fond et du côté aval par la pièce 22. La rainure 30 comporte, de l'amont vers l'aval, trois parties successives : Une partie amont 32 délimitée par la bande 24, un fond 34, et une partie aval 36. La partie amont est formée par la surface aval de la bande 24. Dans le mode de réalisation de la figure 2, cette surface est disposée dans un plan transverse à l'axe A du carter 12. Par suite, la surface amont 32 forme à l'extrémité amont de la rainure 30 une marche d'escalier 'sortante', au niveau de laquelle le diamètre de passage du fluide augmente brutalement. Le fond 34 est de forme cylindrique. Son rayon est égal à celui de la surface de fond 27 du logement 26. Par suite, les surfaces de fond 27 et 34 respectivement du logement 26 de la bande 24, et de la rainure 30, forment une surface cylindrique unique et continue. Enfin, la surface aval 36 de la rainure 30 est, comme la surface 32, disposée dans un plan transverse à l'axe A du carter 12. Par suite, la surface aval 36 de la rainure 30 forme à l'extrémité aval de la rainure 30 une marche d'escalier 'rentrante', au niveau de laquelle le diamètre de passage du fluide diminue brutalement pour redevenir égal à celui de la surface intérieure de la pièce 22. La limite aval de la surface 36 de la rainure 30 est disposée axialement sensiblement au droit du bord de fuite 18B des aubes 18, voire légèrement en aval de celui-ci. La rainure 30 présente donc une section axiale concave.

2 99594 9 7 Les modes de réalisation des figures 3 et 4 diffèrent de celui de la figure 2 par l'agencement de la surface aval 36 de la rainure 30 : - Dans la rainure représentée sur la figure 3, la surface aval 36 est de forme tronconique, d'axe A. Ainsi, la rainure 30 est reliée du côté aval à la 5 paroi interne 20 du carter par une surface sensiblement tronconique, formant en section axiale une pente constante reliant le fond 34 à la paroi 20 du carter. Cette forme avantageusement limite la formation de turbulences au niveau de la partie aval de l'extrémité des aubes 18. - Dans la rainure représentée sur la figure 4, la surface aval 36 est un 10 congé de raccordement concave, ayant une section en arc de cercle. La limite amont de ce congé de raccordement est en continuité de position et de tangence avec le fond 34 de la rainure 30. Le mode de réalisation de la figure 5 est voisin de celui de la figure 4. La seule différence tient au diamètre de la surface de fond 34.

15 En effet, contrairement au mode de réalisation des figures 2 à 4, dans le mode de réalisation de la figure 5, le fond 34 de la rainure 30 présente un rayon inférieur à celui de la surface de fond 27 du logement 26. La pièce 22 présente donc un épaulement 38 à la jonction entre les 20 surfaces 27 et 34. Cet épaulement contribue à assurer le maintien en position de la bande 34. La figure 6 présente un mode de réalisation dans lequel les surfaces de fond 34 et aval 36 sont continues ; aucune limite entre celles-ci n'est perceptible.

25 La réunion des surfaces 34 et 36 constitue une surface 40. Cette surface 40 présente une section axiale concave (localement) en tout point de l'amont à l'aval. Cette forme est une forme quelconque, qui idéalement est déterminée à l'usage ou par calcul de manière à assurer que dans tous les modes de fonctionnement de la turbomachine, 30 les surfaces 34 et 36 (et donc la surface 40) restent sans contact avec les aubes 18. Enfin, la figure 7 présente un mode de réalisation qui diffère de celui présenté par la figure 3 par la forme de la surface amont 32 de la rainure 30.

2 99594 9 En effet, au lieu que cette surface amont soit perpendiculaire à l'axe A du carter, la surface amont 32 est tronconique, d'axe A. Elle forme avec ce dernier un angle au sommet a de 45°. Pour éviter de surdimensionner inutilement la bande de matériau abradable 24, l'angle ci est de préférence au moins égal à 45°. Dans les différents modes de réalisation présentés, l'extrémité 19 des aubes 18 est située radialement strictement à l'intérieur de la paroi 20. De plus, la longueur des aubes (mesurée suivant la direction radiale) 10 est constante. Aucune de ces deux caractéristiques n'est indispensable à l'invention. Dans le cadre de l'invention, les aubes peuvent avoir une longueur (mesurée suivant la direction radiale) qui varie en fonction de la position 15 considérée sur l'axe de la roue à aubes. Les aubes peuvent ainsi présenter un rayon total (rayon hors tout des aubes montées sur la roue à aubes) axialement variable. Dans le cadre de l'invention, les aubes peuvent par ailleurs présenter un rayon total éventuellement supérieur ou du moins localement 20 supérieur (c'est-à-dire seulement sur un certain intervalle axial suivant l'axe de la roue à aubes) au rayon de la surface interne du carter immédiatement en amont ou en aval de la roue à aubes. L'extrémité des aubes pénètre alors au moins localement à l'intérieur de la paroi du carter. Les aubes peuvent d'autre part présenter un jeu radial non 25 uniforme avec le carter, comme le montrent les modes de réalisation présentés précédemment. Par conséquent, le rayon total des aubes peut être inférieur ou supérieur au rayon intérieur (R) de la surface de carter immédiatement en amont ou en aval des aubes. Le rayon total des aubes peut aussi varier 30 entre l'une et l'autre de ces configurations en fonction de la position sur l'axe de la roue à aubes.

Claims

REVENDICATIONS1. Carter (12) de turbomachine, présentant une paroi interne (20) comportant une bande (24) circonférentielle de matériau abradable, le carter se caractérisant en ce que ladite bande est délimitée sur un côté aval par une rainure circonférentielle (30).
2. Carter selon la revendication 1, dans lequel la rainure, hormis une 10 surface (32) de rainure formée par la bande de matériau abradable, présente une section axiale concave.
3. Carter selon la revendication 1 ou 2, dans lequel un fond (34) de la rainure comprend une portion cylindrique. 15
4. Carter selon la revendication 2, dans lequel la rainure (30), hormis une surface de rainure formée par la bande de matériau abradable, présente une section axiale concave en tout point de l'amont à l'aval. 20
5. Carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la rainure est reliée du côté aval à la paroi interne (20) du carter par un congé de raccordement concave (36), notamment ayant une section en arc de cercle. 25
6. Carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la rainure est reliée du côté aval à la paroi interne du carter par une surface (36) sensiblement tronconique.
7. Carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel un 30 fond (34) de la rainure présente un rayon inférieur au rayon maximum de la bande de matériau abradable.
8. Carter selon l'une quelconque des revendication 1 à 7, dans lequel une surface de rainure formée par la bande de matériau abradable est 35 tronconique, l'angle (ci) du tronc de cône étant d'au moins 450, et de préférence au moins 60°.
9. Ensemble comportant un carter (12) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, et une roue à aubes (14) disposée dans ledit carter ; dans lequel la partie abradable est en regard de ladite roue à aubes, la bande de matériau abradable recouvrant 30% à 70% de l'étendue axiale desdites aubes.
10. Turbomachine comprenant au moins un carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10 15