FR3007065A1 - Anneau abradable pour turbomachine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un anneau abradable (32, 60) à structure alvéolaire pour turbomachine, comprenant au moins une piste interne (68, 70) destinée à coopérer radialement avec une ou plusieurs léchettes (52, 54) annulaires portées sur un élément (50, 56) d'étage de turbomachine afin de créer une liaison étanche. Selon l'invention, les extrémités (82, 84) amont et aval du secteur d'abradable sont recouvertes par des parois planes (100, 102).

Description

ANNEAU ABRADABLE POUR TURBOMACHINE L'invention se rapporte à un anneau abradable à structure alvéolaire ainsi qu'à un étage et une turbomachine comprenant un tel anneau.

Classiquement, une turbine de turbomachine est formée de plusieurs étages de turbine. Chaque étage est formé d'un distributeur comprenant une rangée annulaire d'aubes fixes portées extérieurement par le carter et d'une roue mobile comprenant une rangée annulaire d'aubes tournant à l'intérieur du carter, les aubes fixes et mobiles comprenant chacune des plates-formes internes et externes délimitant une veine annulaire d'écoulement des gaz chaud issus d'une chambre de combustion amont. Afin d'éviter les recirculations de gaz chauds en dehors de la veine, les faces internes des plates-formes internes des aubes fixes portent un anneau abradable à structure alvéolaire coopérant à étanchéité avec des léchettes portées par le rotor de turbine. De même, les plates-formes externes des aubes mobiles comprennent des léchettes annulaires coopérant avec un anneau abradable en vis-à-vis radial porté par la surface interne du carter. Les anneaux abradables sont formés de plusieurs secteurs agencés circonférentiellement bout à bout. Chaque secteur est formé d'une couche d'alvéoles débouchant sensiblement radialement vers l'intérieur, en regard des léchettes, sur une ou plusieurs pistes internes du secteur d'anneau abradable qui sont décalées radialement les unes par rapport aux autres et séparées par des marches annulaires radiales. En fonctionnement, les léchettes pénètrent dans l'abradable et se déplacent par rapport à l'abradable du fait des dilatations thermiques différentielles ainsi que des déformations mécaniques, ce qui conduit à la formation d'une zone de pénétration s'étendant radialement et axialement en regard de chaque léchette. Afin d'assurer une étanchéité complète entre les secteurs d'anneau abradable et les léchettes, il est nécessaire en fonctionnement et à tout moment que les parois des alvéoles forment par coopération entre elles des cloisons continues étanches s'étendant radialement et circonférentiellement intégralement entre les léchettes annulaires d'une part, et au niveau des extrémités amont et aval des secteurs d'abradable d'autre part. Toutefois, ces cloisons continues étanches ont un encombrement en direction axial non nul qui peut être relativement important. L'obtention de ces cloisons continues étanches formées des parois des alvéoles impose donc de laisser au moins une épaisseur axiale d'abradable non nulle entre les extrémités des zones de pénétration des léchettes et les extrémités amont et aval de l'abradable, et entre deux zones de pénétration successives, ce qui impose une augmentation de la dimension axiale de l'anneau abradable et donc de sa masse. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique aux problèmes précités.

A cette fin, elle propose un anneau abradable pour turbomachine comprenant une couche annulaire à structure alvéolaire comportant au moins une piste annulaire destinée à coopérer radialement avec une partie rotorique de la turbomachine et s'étendant selon l'axe de l'anneau entre deux flancs annulaires destinés à former des flancs annulaires amont et aval de la couche à structure alvéolaire, caractérisé en ce que des parois planes annulaires recouvrent les flancs annulaires amont et aval de la couche à structure alvéolaire. Grâce à l'invention, il n'est plus nécessaire d'utiliser les parois des alvéoles afin de former une cloison continue étanche entre les extrémités amont et aval de l'anneau abradable et les zones de pénétration des léchettes. Les parois annulaires planes forment ainsi des cloisons étanches aux extrémités amont et aval de l'anneau abradable, qu'il est possible de former au plus proche des zones de pénétration des léchettes, c'est-à-dire à une distance théorique proche de zéro, tout en conservant une étanchéité optimale. Il est ainsi possible de réduire la dimension axiale de l'anneau abradable d'une distance correspondant à l'étendue axiale de la cloison étanche dans la technique antérieure. Cette réduction de la dimension axiale de l'anneau abradable se traduit par une réduction de la masse de l'anneau, et également par une réduction de la dimension axiale globale de la turbomachine.

Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins une paroi annulaire plane intermédiaire est intercalée entre les extrémités amont et aval de l'anneau et s'étend sur toute l'épaisseur de la couche à structure alvéolaire et forme une marche de séparation entre deux pistes annulaires décalées radialement l'une par rapport à l'autre et chacune destinées à coopérer avec au moins une léchette de la partie rotorique. De la même manière que dans l'art antérieur, la paroi annulaire intermédiaire forme une cloison étanche entre deux zones de pénétration des léchettes formées sur des pistes annulaires successives de l'anneau abradable. Cette paroi supplémentaire améliore l'étanchéité générale entre l'anneau abradable et les léchettes. L'invention permet également de réduire la dimension axiale du secteur d'anneau abradable entre les zones de pénétration associées à chaque piste annulaire et la marche annulaire radiale. Préférentiellement, les parois annulaires amont, aval et intermédiaire sont sensiblement parallèles les unes aux autres. Avantageusement, les parois annulaires amont, aval et intermédiaire s'étendent sensiblement radialement par rapport à l'axe de l'anneau. Dans une réalisation préférée de l'invention, les alvéoles sont à section hexagonale et forment un arrangement en nid d'abeille, les axes des alvéoles étant orientés sensiblement radialement. L'agencement de type hexagonal en nid d'abeille permet d'obtenir le meilleur rapport du nombre d'alvéoles sur la quantité de matière utilisée. Selon une autre caractéristique, l'anneau comprend plusieurs secteurs d'anneau agencés circonférentiellement bout à bout.

Selon une autre caractéristique de l'invention, l'arrangement en nid d'abeille de chaque secteur d'anneau est réalisé par un assemblage de tôles ondulées à motif périodique trapézoïdal. Ce mode de réalisation des secteurs d'anneau abradable est relativement facile à mettre en forme car il implique une superposition de tôles identiques les unes aux autres.

Les tôles peuvent être fixées entre elles par soudure ou par des pions, au niveau de leurs surfaces de contact. Préférentiellement, la ou les pistes annulaires sont formées à l'intérieur de l'anneau. L'invention concerne encore un étage de turbomachine comprenant une rangée annulaire d'aubes de stator et une rangée annulaire d'aubes mobiles entourées par un carter externe, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un anneau du type décrit précédemment, cet anneau étant porté et monté à l'intérieur du carter et coopérant avec des léchettes annulaires de la périphérie externe de la rangée annulaire d'aubes mobiles ou étant porté par la face interne d'une plate-forme annulaire interne de la rangée d'aubes fixes et coopérant avec des léchettes annulaires solidaires en rotation de la rangée d'aubes mobiles. L'invention concerne également une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant au moins un étage du type décrit ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale d'un partie d'une turbine de turbomachine selon la technique connue ; la figure 2 est une vue schématique à plus grande échelle de la zone délimitée en pointillée et référencée II en figure 1 ; la figure 3 est une vue schématique et à plus grande échelle de la zone pointillée référencée III en figure 1 ; les figures 4 et 6 sont des vues schématiques de deux réalisations d'un secteur d'anneau abradable selon la technique antérieure et suivant un plan de coupe identifié AA en figure 3 ; la figure 5 est une vue schématique d'une tôle utilisée pour la réalisation d'un secteur d'anneau abradable ; la figure 7 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation d'un secteur d'anneau abradable selon l'invention et suivant un plan de coupe équivalent à la coupe AA en figure 3 ; la figure 8 est une vue schématique d'un deuxième mode de réalisation d'un secteur d'anneau abradable selon l'invention et suivant un plan de coupe équivalent à la coupe AA en figure 3 ; la figure 9 est une vue schématique en coupe similaire à celle de la figure 2 et comprenant un anneau abradable selon l'invention ; la figure 10 est une vue schématique en coupe axiale similaire à celle de la figure 3 et comprenant un anneau abradable selon l'invention ; la figure 11 est une vue schématique d'une variante de réalisation d'un anneau abradable selon l'invention ; et la figure 12 est une variante de réalisation d'un anneau abradable selon l'invention comprenant des alvéoles à section circulaire. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente une turbine de turbomachine comprenant une succession d'étages chacun constitués d'un distributeur 10 et d'une roue mobile 12. Chaque distributeur 10 est formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes 14 s'étendant radialement à travers une veine annulaire 16 de la turbine. Les extrémités radialement externes des aubes sont reliées à des plates-formes externes 18 comprenant des pattes annulaires 20, 22 de fixation dans des gorges annulaires 21, 23 du carter 24 de la turbine. Chaque aube de distributeur est également reliée à son extrémité radialement interne à une plate-forme interne 26, qui porte une paroi annulaire 28 s'étendant radialement vers l'intérieur et raccordée à son extrémité radialement interne à une paroi cylindrique 30 s'étendant axialement vers l'amont. La face interne de la paroi cylindrique 30 porte un anneau abradable 32. Le distributeur ainsi que l'anneau abradable sont réalisés sous la forme de plusieurs secteurs agencés circonférentiellement bout à bout, un secteur d'anneau s'étendant sur toute la dimension angulaire d'un secteur de distributeur. Chaque roue mobile 12 comprend une rangée annulaire d'aubes 34 s'étendant radialement à travers la veine 16 de turbine et reliées à leurs extrémités radialement internes à des plates-formes 36 et à des pieds d'aubes 38 engagés dans des rainures de la circonférence externe d'un disque 40. Des parois tronconiques 42, 44 s'étendent intérieurement vers l'amont et vers l'aval depuis les faces amont et aval, respectivement de chaque disque et sont raccordées à leurs extrémités amont et aval à des parois annulaires radiales 46. Les parois 46 en vis-à-vis axial de deux disques consécutifs sont fixées ensemble par des boulons 48 et définissent ainsi des zones de bridage situées radialement à l'intérieur des plates-formes internes 26 du distributeur. Une paroi annulaire radiale 50 est intercalée entre les parois 46 d'assemblage des disques et porte extérieurement deux léchettes annulaires 52, 54 espacées axialement l'une de l'autre coopérant avec l'anneau abradable 32 du distributeur. Les aubes mobiles 34 de chaque roue 12 sont reliées à leurs extrémités radialement externes à des plates-formes externes 56 portant deux léchettes annulaires 52, 54 espacées axialement l'une de l'autre et s'étendant en saillie radialement vers l'extérieur. Les léchettes 54 coopèrent avec un anneau abradable sectorisé 60 porté par la surface interne du carter 24. Les secteurs d'anneau abradable 32, 60 comprennent chacun deux étages 64, 66 annulaires d'abradable dont les pistes internes 68, 70 annulaires et sensiblement cylindriques sont décalées radialement l'une par rapport à l'autre, et sont séparées axialement par une marche annulaire radiale 72. La piste amont 68 est située radialement à l'intérieur de la piste aval 70. Chaque piste 68, 70 de l'anneau abradable 32, 60 coopère une léchette annulaire 52, 54. En fonctionnement, les léchettes 52, 54 usinent l'abradable, et leur position relative axiale par rapport à l'anneau abradable peut varier selon les conditions opérationnelles. Ainsi, les zones d'abradable susceptibles d'être usinées par les léchettes sont appelées zones de pénétration 74, 75 (figures 2 et 3). La figure 4 représente un secteur d'anneau abradable comprenant une structure alvéolaire formée d'une pluralité d'alvéoles 76 à section hexagonale, les alvéoles débouchant sur les pistes internes 68, 70 de l'anneau abradable. Les alvéoles forment ainsi un arrangement en nid d'abeille. Chaque secteur d'anneau abradable est formé par un assemblage de tôles élémentaires 78 (figure 5) chacune d'épaisseur d'environ 80 pm et embouties de manière à présenter chacune un motif périodique trapézoïdal dans une direction perpendiculaire à l'axe 80 de la turbine et à un axe radial. Les tôles 78 sont empilées dans la direction de l'axe 80 de la turbomachine avec un décalage d'un demi-motif entre deux tôles successives, les alvéoles formées possédant une dimension selon l'axe de la turbomachine d'environ 1,6 mm, par exemple. Les tôles sont fixées entre elles par soudage par exemple entre leurs surfaces en contact. Cet assemblage de tôle 90 est facilement réalisable et présente une structure rigide adaptée à son utilisation en tant qu'élément abradable dans la turbomachine. Les extrémités ou flancs 82, 84 amont et aval des secteurs d'anneau abradable ont été usinées de telle façon que des branches 86 provenant d'une tôle entamée par l'usinage subsistent aux extrémités 82, 84 du secteur abradable. Afin d'éviter les passages d'air chaud entre les léchettes et chaque secteur d'abradable, il est nécessaire que des cloisons s'étendent continument sur toute la dimension circonférentielle et radiale de la structure alvéolaire, une cloison amont 88 s'étendant entre l'extrémité amont 82 de la structure alvéolaire et la zone de pénétration 74 de la léchette amont 52, une cloison intermédiaire 90 s'étendant entre l'extrémité aval de la zone de pénétration 74 de la léchette amont et la marche radiale 72 et une cloison aval 92 s'étendant entre l'extrémité aval de la zone de pénétration aval 75 (non représentée sur les figures 4, 6, 7, 8, 11 et 12) de la léchette aval 54 et l'extrémité aval 84 de l'abradable. Les cloisons étanches amont 88, intermédiaire 90 et aval 92 sont formées de segments 77 d'alvéoles hexagonaux 76 et possèdent dans cet exemple un motif périodique trapézoïdal. Ces cloisons 88, 90, 92 ont un encombrement axial 94a correspondant à la moitié d'un alvéole 76. Dans cette réalisation, les contraintes d'étanchéité imposent de positionner relativement le secteur d'anneau abradable et les léchettes de telle façon que les zones de pénétration amont et aval 74, 75 soient séparées des extrémités 82, 84 des secteurs d'anneau abradable par les branches 86 des tôles entamées d'extrémités et une cloison étanche 88, 92. Cette distance 96a correspond sensiblement à la longueur d'un alvéole 76. De même, la marche annulaire radiale 72 ne peut être formée qu'après la cloison intermédiaire 90 se situant directement après la zone de pénétration amont 74. Une distance axiale 98a minimum d'une moitié d'alvéole doit donc être respectée entre la zone de pénétration amont 74 et la marche radiale 72. L'exemple de réalisation selon la technique antérieure représenté en figure 6 diffère de celui de la figure 4 en ce que les extrémités amont 82 et aval 84 des secteurs d'anneau abradable n'ont pas été usinées, de telle façon que les secteurs d'anneau abradable se terminent à l'amont et à l'aval par des tôles élémentaires 78 intactes. Il n'y a donc aucune branche 86 comme en figure 4. Dans cet exemple, la distance axiale 86b à respecter entre les extrémités de secteurs d'anneau abradable et les zones de pénétration correspond donc à la moitié d'un alvéole 76. Ainsi, il ressort que l'utilisation des cloisons amont, intermédiaire et aval formées de segments d'alvéoles comme décrit ci-dessus, impose une augmentation de la dimension axiale de l'anneau abradable et augmente sa masse.

La figure 7 représente une première réalisation de l'invention appliquée à la réalisation de l'anneau abradable décrit en figure 4. Deux parois planes annulaires sensiblement radiales 100, 102, par exemple des tôles planes semblables à celles utilisées pour former les alvéoles, recouvrent les extrémités amont 82 et aval 84 de la structure alvéolaire de chaque secteur d'anneau abradable. Ces parois planes 100, 102 constituent des cloisons étanches qui répondent aux contraintes d'étanchéité entre l'abradable et les léchettes. Il est donc possible de positionner relativement les léchettes et les secteurs d'anneau abradable de telle façon que les zones de pénétration 74, 75 soient situées au plus près des parois planes 100, 102, soit à une distance 104 très réduite et de l'ordre du centième de millimètre des extrémités amont 82, 84 et aval de l'anneau abradable. Par rapport à l'art antérieur décrit à la figure 4, la zone de l'anneau abradable s'étendant sur la distance axiale 106a (correspondant à la distance 96a moins la distance axiale 104 précitée) à chacune de ses extrémités peut ainsi coopérer directement avec les léchettes. Il est donc possible de réduire la dimension axiale de l'anneau abradable de deux fois la distance 106a, soit une distance d'environ 3,2 MM. Une paroi intermédiaire 108 plane annulaire radiale est aussi intercalée entre les zones de pénétration 74, 75 amont et aval, et s'étend radialement sur toute l'épaisseur de la structure abradable de manière à former la marche radiale 72 séparant les pistes amont et aval de l'anneau abradable. Cette paroi 108 peut être formée au plus près de l'extrémité aval de la zone de pénétration amont 74 et à une distance axiale 110 très réduite et de l'ordre du centième de millimètre. Il est donc possible de réduire la dimension axiale de l'anneau abradable d'une distance 112a (correspondant à la distance 98a moins la distance 110 précitée) correspondant environ à la moitié d'un alvéole 76 au niveau de la marche radiale, par rapport à l'art antérieur. La figure 8 représente l'invention appliquée à l'exemple de réalisation de l'abradable décrit en figure 6. A la différence de l'exemple décrit à la figure 7, les parois planes 100, 102 selon l'invention formées aux extrémités 82, 84 du secteur d'anneau abradable permettent de réduire la dimension axiale de l'anneau abradable d'une distance 106b correspondant environ à une moitié d'alvéole à chaque extrémité, par rapport à l'art antérieur.

Les figures 9 et 10 sont des vues similaires aux figures 2 et 3 de la technique antérieure comprenant un anneau abradable selon l'invention. On voit, par rapport à l'art antérieur, que les parois 100, 102, 108 selon l'invention permettent de réduire les dimensions axiales des anneaux abradables 32, 60 et de leurs supports 30, 24 associés, car les extrémités amont 82 et aval 84 de l'anneau abradable sont formées au plus proche des zones de pénétration 74, 75 des léchettes 52, 54 dans l'abradable. De même, il a été possible de réduire la distance axiale de l'anneau abradable entre la zone de pénétration amont 74 et la marche radiale 72. La figure 11 représente une réalisation de l'abradable semblable à celle de la figure 7, à la différence près que les tôles embouties 78 à motif périodique trapézoïdal ont été empilées dans une direction perpendiculaire à l'axe de la turbomachine. On voit alors que les cloisons étanches 88, 90, 92 formées par des segments des alvéoles possèdent un motif sinusoïdal triangulaire. Ces cloisons présentent un encombrement 94b selon l'axe de la turbomachine correspondant à environ le quart d'un alvéole 76. Les extrémités amont 82 et aval 84 du secteur d'anneau abradable ont été usinées de manière à ce que des branches 114 de tôles embouties s'étendent axialement depuis les cloisons étanches 88, 92 formées de la succession de segments 77 d'alvéoles situées les plus aux extrémités.

Dans cet exemple, l'intégration de parois planes 100, 102, 108 permet de former les zones de pénétration 74, 75 à une distance 104 réduite des extrémités 82, 84 du secteur d'anneau abradable, ce qui permet de gagner une distance 106c correspondant à environ un alvéole. La zone de pénétration amont 74 est également espacée d'une distance 110 réduite de la marche annulaire radiale 72, ce qui permet de réduire d'une distance 112c correspondant à environ un alvéole la dimension axiale de l'anneau abradable. La figure 11 représente un exemple de réalisation avec des alvéoles 116 à section circulaire. Les cloisons étanches de la technique antérieure 88, 90, 92 sont formées de parois d'alvéoles et possèdent un motif en succession de demi-cercles 118. Ces cloisons ont un encombrement axial 94c correspondant à un rayon d'un alvéole 116. Dans cet exemple, les parois planes de l'invention permettent de former les zones de pénétration 74, 75 à une distance 104 quasi-nulle des extrémités 82, 84 du secteur d'anneau abradable, ce qui permet de gagner une distance 106d correspondant à environ le rayon d'un alvéole 116. Les zones de pénétration sont également formées à une distance 110 quasi-nulle des marches radiales 72, ce qui permet de gagner une distance 112d correspondant à environ le rayon d'un alvéole 116, par rapport à l'art antérieur. 20

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Anneau abradable (32, 60) pour turbomachine comprenant une couche annulaire à structure alvéolaire comportant au moins une piste annulaire (68, 70) destinée à coopérer radialement avec une partie rotorique (34, 56) de la turbomachine et s'étendant selon l'axe de l'anneau entre deux flancs (82, 84) annulaires destinés à former des flancs annulaires amont et aval de la couche à structure alvéolaire, caractérisé en ce que des parois planes annulaires (100, 102) recouvrent les flancs annulaires amont et aval de la couche à structure alvéolaire.
2. 2. Anneau selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une paroi annulaire plane intermédiaire (108) est intercalée entre les flancs (82, 84) amont et aval de l'anneau et s'étend sur toute l'épaisseur de la couche à structure alvéolaire et forme une marche de séparation (72) entre deux pistes annulaires (68, 70) décalées radialement l'une par rapport à l'autre et chacune destinées à coopérer avec au moins une léchette (52, 54) de la partie rotorique.
3. 3. Anneau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les parois annulaires (100, 102, 108) amont, aval et intermédiaire sont sensiblement parallèles les unes aux autres.
4. 4. Anneau selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les parois annulaires amont, aval et intermédiaire s'étendent sensiblement radialement par rapport à l'axe de l'anneau.
5. 5. Anneau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les alvéoles sont à section hexagonale (76) formant un arrangement en nid d'abeille et ont leurs axes orientés sensiblement radialement.
6. 6. Anneau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en 30 ce qu'il comprend plusieurs secteurs d'anneau agencés circonférentiellement bout à bout.
7. 7. Anneau selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que l'arrangement en nid d'abeille de chaque secteur d'anneau est réalisé par un assemblage de tôles (78) ondulées à motif périodique trapézoïdal.
8. 8. Anneau selon la revendication 7, caractérisé en ce que les tôles sont fixées entre elles par soudure ou par des pions, au niveau de leurs surfaces de contact.
9. 9. Anneau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les pistes annulaires sont formées à l'intérieur de l'anneau.
10. 10. Etage de turbomachine comprenant une rangée annulaire d'aubes (14) de stator et une rangée annulaire d'aubes (34) mobiles entourées par un carter externe (24), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un anneau (32, 60) selon l'une des revendications précédentes, cet anneau étant porté et monté à l'intérieur du carter (24) et coopérant avec des léchettes annulaires (52, 54) de la périphérie externe de la rangée annulaire d'aubes mobiles, ou étant porté par la face interne d'une plate-forme (26) annulaire interne de la rangée d'aubes fixes et coopérant avec des léchettes annulaires solidaires en rotation de la rangée d'aubes mobiles.
11. 11. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un étage selon la revendication 10.