FR3040735A1 - Carter de turbine haute-pression d'une turbomachine a refroidissement localise - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un carter (2) de turbine haute-pression d'une turbomachine, comprenant une paroi annulaire (6) à partir de laquelle s'étendent radialement vers l'intérieur une patte amont (8) et une patte aval (10) espacées axialement l'une de l'autre et sur lesquelles est assemblée une pluralité de secteurs angulaires d'anneau de turbine (12), l'espace délimité, d'une part radialement entre la paroi annulaire du carter et les secteurs d'anneau de turbine, et d'autre part axialement entre les pattes amont et aval du carter définissant une cavité annulaire de ventilation (18). Le carter comprend en outre une pluralité de tubes de ventilation (26) traversant axialement l'une des pattes du carter pour déboucher à l'intérieur de la cavité de ventilation et muni chacun une pluralité d'orifices (28) calibrés débouchant en regard de la paroi annulaire du carter pour la refroidir entre les pattes amont et aval.

Description

Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au domaine général du carter externe de la turbine haute-pression d'une turbomachine d'aéronef sur lequel est assemblé un anneau de turbine en matériau composite à matrice céramique (CMC).
Une turbine haute-pression de turbomachine comprend une pluralité d'aubes mobiles qui sont entourées par un anneau de turbine se présentant typiquement sous la forme d'une pluralité de secteurs angulaires d'anneau. Ces secteurs d'anneau de turbine sont montés sur un carter annulaire externe par l'intermédiaire de pattes radiales s'étendant radialement vers l'intérieur depuis une surface interne d'une paroi annulaire du carter.
Afin de piloter le jeu en sommet des aubes de la turbine haute-pression qui varie en fonction des conditions de fonctionnement de la turbomachine, il est connu de refroidir le carter externe pendant certaines phases de vol pour en provoquer sa contraction, et par conséquence celle de l'anneau de turbine. A cet effet, de l'air frais est typiquement projeté à partir d'un boîtier de pilotage sur des bosses radiales du carter s'étendant radialement vers l'extérieur depuis une surface externe de la paroi annulaire dudit carter. Sur d'autres moteurs, il est aussi connu d'envoyer de l'air chaud sur le carter externe pour le faire se dilater et ainsi ouvrir le jeu en sommet d'aubes (typiquement en prévision de l'accélération du moteur pour le décollage) et éviter de venir user le sommet d'aubes.
Par ailleurs, il a été proposé de remplacer l'anneau de turbine, généralement métallique, par un anneau de turbine en CMC. En effet, un anneau de turbine en CMC présente une température maximale supérieure à celle d'un anneau de turbine métallique, ce qui permet de limiter les besoins en air de refroidissement et ainsi d'augmenter les performances du moteur. On pourra par exemple se référer au document WO 2010/103213 qui décrit un exemple de réalisation d'un tel anneau de turbine en CMC.
Avec un anneau de turbine en CMC, les différentes faces de l'anneau sont soumises à des échanges thermiques avec de l'air à différentes températures, ce qui, associé à la conduction thermique, génère une répartition de température qui n'est pas homogène, et donc des gradients thermiques. Ce phénomène peut se trouver renforcé par la circulation d'air de refroidissement dans la cavité ménagée entre le carter et l'anneau de turbine. Or, les gradients thermiques provoquent des contraintes thermomécaniques trop importantes dans le carter. En effet, le carter a un déplacement radial qui est différent selon les zones de celui-ci (ce déplacement est typiquement faible au niveau des bosses radiales du carter et élevé entre ces bosses). Cette différence de déplacement radial du carter entraîne une contrainte de flexion trop élevée dans la patte radiale aval du carter.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un carter de turbine haute-pression d'une turbomachine, comprenant une paroi annulaire à partir de laquelle s'étendent radialement vers l'intérieur une patte amont et une patte aval espacées axialement l'une de l'autre et sur lesquelles est assemblée une pluralité de secteurs angulaires d'anneau de turbine, l'espace délimité, d'une part radialement entre la paroi annulaire du carter et les secteurs d'anneau de turbine, et d'autre part axialement entre les pattes amont et aval du carter définissant une cavité annulaire de ventilation, le carter comprenant en outre, conformément à l'invention, une pluralité de tubes de ventilation traversant axialement l'une des pattes du carter pour déboucher à l'intérieur de la cavité de ventilation et muni chacun d'une pluralité d'orifices calibrés débouchant en regard de la paroi annulaire du carter pour la refroidir entre les pattes amont et aval. L'invention est remarquable en ce qu'elle propose un refroidissement localisé de différentes zones préalablement choisies de la paroi annulaire du carter grâce aux tubes de ventilation. Notamment, il est aisé de choisir spécifiquement les zones du carter que l'on souhaite refroidir (typiquement entre les bosses radiales de celui-ci). De la sorte, le carter peut être refroidi de manière non homogène localement en choisissant de refroidir davantage certaines zones en particulier, ce qui a pour effet de permettre de réduire les contraintes thermomécaniques subies par le carter.
De plus, le système de refroidissement selon l'invention par l'ajout de tubes de ventilation est facile à intégrer au sein de la cavité de ventilation. En particulier, il ne nécessite pas de pièces supplémentaires (telles que des tôles ou des vis par exemple) et ne requiert aucun perçage de la paroi annulaire du carter (un tel perçage étant problématique pour l'étanchéité de l'ensemble).
Les secteurs angulaires d'anneau de turbine peuvent être réalisés en matériau composite à matrice céramique (CMC). De préférence, les tubes de ventilation s'étendent axialement depuis l'une des pattes qu'ils traversent vers l'autre patte. Une telle disposition des tubes de ventilation est notamment avantageuse en termes d'intégration au sein de la cavité de ventilation.
Le nombre de tubes de ventilation est de préférence proportionnel au nombre de secteurs d'anneau de turbine, ce qui garantit l'obtention d'une homogénéité de refroidissement du carter sur toute sa circonférence. Par exemple, le carter peut comprendre un tube de ventilation par secteur d'anneau de turbine.
Les tubes de ventilation peuvent être réalisés chacun en deux parties distinctes ; une partie d'attache sur une patte du carter et une partie munie des orifices. Dans ce cas, les parties d'attache des tubes de ventilation sont avantageusement munies d'un système d'anti-rotation afin d'éviter toute rotation des tubes de ventilation autour de leur axe longitudinal.
Les orifices des tubes de ventilation peuvent présenter des diamètres compris entre 0,3 mm et 2,5 mm. Les tubes de ventilation peuvent traverser axialement la patte amont. L'invention a également pour objet une turbomachine comprenant un carter de turbine haute-pression tel que défini précédemment.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue en coupe d'un carter externe selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue agrandie et en perspective d'un tube de ventilation du carter externe de ia figure 1 ; et - la figure 3 est une vue en perspective d'un tube de ventilation d'un carter externe selon un autre mode de réalisation de l'invention.
Description détaillée de l'invention
La figure 1 représente un carter externe 2 de turbine haute-pression d'une turbomachine aéronautique selon un mode de réalisation de l'invention.
De façon connue, le carter externe 2 est un carter annulaire qui est centré sur un axe longitudinal X-X de la turbine haute-pression et qui entoure une pluralité d'aubes mobiles 4 de ladite turbine haute-pression (ces aubes sont partiellement représentées sur la figure 1).
Plus précisément, le carter externe 2 comprend une paroi annulaire 6 centrée sur l'axe longitudinal X-X. A partir de la surface interne 6a de cette paroi 6, s'étendent radialement vers l'intérieur deux pattes, à savoir une patte amont 8 et une patte aval 10 décalée axialement par rapport à la patte amont.
Les pattes amont 8 et aval 10 du carter externe servent à l'assemblage d'un anneau de turbine typiquement constitué d'une pluralité de secteurs angulaires d'anneau 12 mis bout à bout circonférentiellement. Cet anneau de turbine peut être muni, au niveau de sa surface interne 12a, d'un revêtement en matériau abradable destiné à venir en contact avec le sommet 14 des aubes mobiles 4 de la turbine haute-pression.
Les secteurs d'anneau de turbine 12 sont fixés sur les pattes 8, 10 du carter externe par tout moyen connu en soi, par exemple par l'intermédiaire de tiges de fixation 16 venant traverser l'une des pattes du carter (ici la patte aval 10) et des pattes radiales complémentaires des secteurs d'anneau de turbine.
Le carter externe 2 peut être métallique tandis que les secteurs d'anneau de turbine 12 sont ici réalisés en CMC (matériau composite à matrice céramique), par exemple au moyen d'un procédé de fabrication tel que celui décrit dans le document WO 2010/103213.
Dans une telle configuration, le carter externe et l'anneau de turbine délimitent entre eux une cavité annulaire de ventilation 18. De façon plus précise, cette cavité de ventilation est délimitée, d'une part radialement entre la surface interne 6a de la paroi annulaire 6 du carter externe et la surface externe des secteurs d'anneau de turbine 12, et d'autre part axialement entre les pattes amont 8 et aval 10 du carter.
Par ailleurs, pour régler le jeu J entre le sommet 14 des aubes mobiles 4 de la turbine haute-pression et la surface interne 12a des secteurs d'anneau de turbine 12, il peut être prévu de projeter de l'air froid ou chaud sur des bossages 20 s'étendant radialement vers l'extérieur depuis une surface externe 6b de la paroi annulaire 6 du carter externe (ces bossages 20 s'étendent typiquement dans le même plan radial que les pattes amont et aval destinées à l'assemblage des secteurs d'anneau de turbine). A cet effet, la turbine haute-pression comporte en outre un boîtier de pilotage 22 positionné autour du carter externe 2 et muni par exemple de rampes 24 disposées axialement de part et d'autre des bossages 20. Ces rampes sont typiquement alimentées en air froid ou chaud provenant d'un prélèvement sur un compresseur ou en entrée de chambre de combustion de la turbomachine et présentent des perforations en regard des bossages pour refroidir ou réchauffer ces derniers par impact.
Si l'air prélevé est de l'air froid, son impact par les rampes 24 du boîtier de pilotage sur les bossages 20 du carter externe a pour effet de refroidir ce dernier de sorte que son diamètre diminue par contraction. Le jeu J peut ainsi être diminué pendant certaines phases de fonctionnement de la turbomachine. A l'inverse, si l'air prélevé est chaud, son impact sur les bossages 20 du carter externe a pour effet de réchauffer celui-ci de sorte à le faire se dilater. De la sorte, le jeu J peut être augmenté pendant certaines phases de fonctionnement (typiquement en prévision de l'accélération du moteur pour le décollage).
Par ailleurs, il est à noter que la présence des bossages 20 sur lesquels est projeté l'air prélevé est optionnelle, l'air prélevé pouvant être projeté directement sur la surface externe 6b de la paroi annulaire 6 du carter externe.
Selon l'invention, il est par ailleurs prévu d'injecter de l'air de refroidissement sur la surface interne 6a de la paroi annulaire 6 du carter externe au niveau de la zone délimitée radialement entre les deux bossages 20. A cet effet, le carter externe comprend une pluralité de tubes de ventilation 26 traversant axialement l'une des pattes du carter (sur les figures il s'agit de la patte amont 8) pour déboucher à l'intérieur de la cavité de ventilation 18.
Chaque tube de ventilation 26 est muni d'une pluralité d'orifices 28 calibrés qui débouchent entre les pattes amont 8 et aval 10 en regard de la surface interne 6a de la paroi annulaire 6 du carter externe pour la refroidir par impact.
Les tubes de ventilation 26 peuvent s'étendre axialement chacun depuis la patte qu'ils traversent de part en part (ici la patte amont 8) jusqu'à l'autre patte (ici la patte aval 10), ce qui permet d'injecter de l'air de refroidissement sur toute la largeur de la bande de paroi annulaire située entre ces pattes.
De plus, les tubes de ventilation 26 sont alimentés en air de refroidissement prélevé par exemple au niveau d'un compresseur ou en entrée de chambre de combustion de la turbomachine et cheminant d'amont en aval à l'intérieur du carter externe en amont de la patte amont 8 de celui-ci (l'air prélevé contourne la chambre de combustion jusqu'à l'entrée des tubes de ventilation).
Les orifices 28 des tubes de ventilation sont disposés le long du tube et calibrés selon les besoins spécifiques de refroidissement de la paroi annulaire 6 du carter externe. Par exemple, comme représenté sur la figure 2, un tube de ventilation 26 de forme cylindrique pourra comporter trois rangées de quatre orifices 28 alignés le long du tube et décalées angulairement les uns des autres autour d'un axe de révolution du tube, les orifices ayant un diamètre compris entre 0,3 mm et 2,5 mm. D'autres formes de tubes de ventilation 26 et d'autres dispositions des orifices 28 peuvent bien entendu être envisagées. Par exemple, les tubes de ventilation peuvent avoir une section droite rectangulaire, carrée, oblong, etc.
De même, les tubes de ventilation 26 peuvent être monoblocs ou réalisés en deux parties distinctes assemblées entre elles comme représenté sur la figure 3. Ainsi, dans ce mode de réalisation, le tube de ventilation 26' comprend une partie d'attache 26a destinée à maintenir le tube de ventilation sur la patte du carter externe qu'elle traverse, et une partie 26b qui est munie des orifices 28. Cette disposition permet ainsi de faciliter le montage du tube de ventilation dans le carter externe.
Dans ce cas, de préférence, la partie d'attache 26a du tube de ventilation 26' présente un système d'anti-rotation l'empêchant de pivoter autour de son axe principal. Par exemple, ce système d'anti-rotation peut se présenter sous la forme d'une fixation par brasage de la partie d'attache du tube de ventilation sur la patte du carter externe qu'elle traverse.
On notera également que le tube de ventilation 26' représenté sur la figure 3 présente une forme différente de celui illustré sur les figures 1 et 2, à savoir qu'il a une forme de pommeau.
Selon une disposition avantageuse, le nombre de tubes de ventilation 26 est proportionnel au nombre de secteurs d'anneau de turbine 12 de sorte à refroidir la paroi annulaire du carter externe de manière la plus homogène possible. Par exemple, on pourra utiliser un tube de ventilation par secteur d'anneau de turbine.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    1. Carter (2) de turbine haute-pression d'une turbomachine, comprenant une paroi annulaire (6) à partir de laquelle s'étendent radialement vers l'intérieur une patte amont (8) et une patte aval (10) espacées axialement l'une de l'autre et sur lesquelles est assemblée une pluralité de secteurs angulaires d'anneau de turbine (12), l'espace délimité, d'une part radialement entre la paroi annulaire du carter et les secteurs d'anneau de turbine, et d'autre part axialement entre les pattes amont et aval du carter définissant une cavité annulaire de ventilation (18), caractérisé en ce qu'il comprend en outre une pluralité de tubes de ventilation (26 ; 260 traversant axialement l'une des pattes du carter pour déboucher à l'intérieur de la cavité de ventilation et muni chacun une pluralité d'orifices (28) calibrés débouchant en regard de la paroi annulaire du carter pour la refroidir entre les pattes amont et aval.
  2. 2. Carter selon la revendication 1, caractérisé en ce que les secteurs angulaires d'anneau de turbine (12) sont réalisés en matériau composite à matrice céramique.
  3. 3. Carter selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les tubes de ventilation s'étendent axialement depuis l'une des pattes qu'ils traversent vers l'autre patte.
  4. 4. Carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le nombre de tubes de ventilation est proportionnel au nombre de secteurs d'anneau de turbine.
  5. 5. Carter selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un tube de ventilation par secteur d'anneau de turbine.
  6. 6. Carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les tubes de ventilation (26') sont réalisés chacun en deux parties distinctes ; une partie d'attache (26a) sur une patte du carter et une partie (26b) munie des orifices (28).
  7. 7. Carter selon la revendication 6, caractérisé en ce que les parties d'attache des tubes de ventilation sont munies d'un système d'antirotation.
  8. 8. Carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les orifices des tubes de ventilation présentent des diamètres compris entre 0,3 mm et 2,5 mm.
  9. 9. Carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les tubes de ventilation traversent axialement la patte amont.
  10. 10. Carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la paroi annulaire du carter est dépourvue de perçage.
  11. 11. Turbomachine comprenant un carter de turbine haute-pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.
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