FR3055147A1 - Ensemble d'anneau de turbine - Google Patents

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Sebastien Serge Francis CONGRATEL
Clement Jean Pierre DUFFAU
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Abstract

Un ensemble d'anneau de turbine comprenant des secteurs d'anneau (10) en CMC formant un anneau (1) et une structure de support d'anneau (3), chaque secteur (10) ayant une base annulaire (12) avec, dans une direction radiale (DR), une face interne (12a) et une face externe (12b) depuis laquelle s'étendent deux pattes d'accrochage (14, 16) maintenue entre deux pattes radiales de la structure (3). L'ensemble comprend, pour chaque secteur (10), au moins deux pions (19, 20) coopérant avec l'une des pattes d'accrochage (14, 16) et la patte radiale correspondante, et au moins un pion (20, 19) coopérant avec l'autre patte d'accrochage (16, 14) et la patte radiale correspondante. La première patte radiale comprend une première portion radiale annulaire (32) solidaire de la structure (3), une seconde portion radiale annulaire amovible s'étendant radialement vers le centre de l'anneau (1) sur une partie plus importante que ladite première portion radiale annulaire (32), la partie s'étendant au-delà de la première portion radiale annulaire (32) comportant des orifices (3350) de réception d'un des pions (19).

Description

© N° de publication : 3055147 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)
©) N° d’enregistrement national : 16 57826 ® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE
COURBEVOIE © Int Cl8 : F 01 D 25/24 (2017.01), F 01 D 11/08, 11/18, 9/04
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
©) Date de dépôt : 19.08.16. © Demandeur(s) : SAFRAN AIRCRAFT ENGINES
(© Priorité : Société par actions simplifiée — FR.
@ Inventeur(s) : QUENNEHEN LUCIEN HENRI
JACQUES, CONGRATEL SEBASTIEN SERGE
(43) Date de mise à la disposition du public de la FRANCIS, DUFFAU CLEMENT JEAN PIERRE et
demande : 23.02.18 Bulletin 18/08. TABLEAU NICOLAS PAUL.
©) Liste des documents cités dans le rapport de
recherche préliminaire : Se reporter à la fin du
présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux ® Titulaire(s) : SAFRAN AIRCRAFT ENGINES Société
apparentés : par actions simplifiée.
©) Demande(s) d’extension : © Mandataire(s) : CABINET BEAU DE LOMENIE.
FR 3 055 147 - A1 (04? ENSEMBLE D'ANNEAU DE TURBINE.
©) Un ensemble d'anneau de turbine comprenant des secteurs d'anneau (10) en CMC formant un anneau (1) et une structure de support d'anneau (3), chaque secteur (10) ayant une base annulaire (12) avec, dans une direction radiale (Dr), une face interne (12a) et une face externe (12b) depuis laquelle s'étendent deux pattes d'accrochage (14, 16) maintenue entre deux pattes radiales de la structure (3). L'ensemble comprend, pour chaque secteur (10), au moins deux pions (19,20) coopérant avec l'une des pattes d'accrochage (14, 16) et la patte radiale correspondante, et au moins un pion (20, 19) coopérant avec l'autre patte d'accrochage (16, 14) et la patte radiale correspondante.
La première patte radiale comprend une première portion radiale annulaire (32) solidaire de la structure (3), une seconde portion radiale annulaire amovible s'étendant radialement vers le centre de l'anneau (1) sur une partie plus importante que ladite première portion radiale annulaire (32), la partie s'étendant au-delà de la première portion radiale annulaire (32) comportant des orifices (3350) de réception d'un des pions (19).
Figure FR3055147A1_D0001
Figure FR3055147A1_D0002
Arrière-plan de l'invention
L'invention concerne un ensemble d'anneau de turbine comprenant une pluralité de secteurs d'anneau en matériau composite à matrice céramique ainsi qu'une structure de support d'anneau.
Le domaine d'application de l'invention est notamment celui des moteurs aéronautiques à turbine à gaz. L'invention est toutefois applicable à d'autres turbomachines, par exemple des turbines industrielles.
Dans le cas d'ensembles d'anneau de turbine entièrement métalliques, il est nécessaire de refroidir tous les éléments de l'ensemble et en particulier l'anneau de turbine qui est soumis aux flux les plus chauds. Ce refroidissement a un impact significatif sur la performance du moteur puisque le flux de refroidissement utilisé est prélevé sur le flux principal du moteur. En outre, l'utilisation de métal pour l'anneau de turbine limite les possibilités d'augmenter la température au niveau de la turbine, ce qui permettrait pourtant d'améliorer les performances des moteurs aéronautiques.
Afin de tenter de résoudre ces problèmes, il a été envisagé de réaliser des secteurs d'anneau de turbine en matériau composite à matrice céramique (CMC) afin de s'affranchir de la mise en œuvre d'un matériau métallique.
Les matériaux CMC présentent de bonnes propriétés mécaniques les rendant aptes à constituer des éléments de structures et conservent avantageusement ces propriétés à températures élevées. La mise en œuvre de matériaux CMC a avantageusement permis de réduire le flux de refroidissement à imposer lors du fonctionnement et donc à augmenter la performance des turbomachines. En outre, la mise en œuvre de matériaux CMC permet avantageusement de diminuer la masse des turbomachines et de réduire l'effet de dilatation à chaud rencontré avec les pièces métalliques.
Toutefois, les solutions existantes proposées peuvent mettre en œuvre un assemblage d'un secteur d'anneau en CMC avec des parties d'accrochage métalliques d'une structure de support d'anneau, ces parties d'accrochage étant soumises au flux chaud. Par conséquent, ces parties d'accrochage métalliques subissent des dilatations à chaud, ce qui peut conduire à une mise sous contrainte mécanique des secteurs d'anneau en CMC et à une fragilisation de ces derniers.
On connaît par ailleurs les documents FR 2 540 939, GB 2 480 766, EP 1 350 927, US 2014/0271145, US 2012/082540 et FR 2 955 898 qui divulguent des ensembles d'anneau de turbine.
Il existe un besoin pour améliorer les ensembles d'anneau de turbine existants mettant en œuvre un matériau CMC afin de réduire l'intensité des contraintes mécaniques auxquelles les secteurs d'anneau en CMC sont soumis lors du fonctionnement de la turbine.
Objet et résumé de l'invention
L'invention vise à proposer un ensemble d'anneau de turbine permettant le maintien de chaque secteur d'anneau d'une façon déterministe, c'est-à-dire de manière à maîtriser sa position et éviter qu'il se mette à vibrer, d'une part, tout en permettant au secteur d'anneau, et par extension à l'anneau, de se déformer sous les effets des montées en température et des variations de pression, et ce notamment indépendamment des pièces métalliques en interface, et, d'autre part, tout en améliorant l'étanchéité entre le secteur hors veine et le secteur veine et en simplifiant les manipulations et en réduisant leur nombre pour le montage de l'ensemble d'anneau.
Un objet de l'invention propose un ensemble d'anneau de turbine comprenant une pluralité de secteurs d'anneau en matériau composite à matrice céramique formant un anneau de turbine et une structure de support d'anneau, chaque secteur d'anneau ayant, selon un plan de coupe défini par une direction axiale et une direction radiale de l'anneau de turbine, une partie formant base annulaire avec, dans la direction radiale de l'anneau de turbine, une face interne définissant la face interne de l'anneau de turbine et une face externe à partir de laquelle s'étendent une première et une seconde pattes d'accrochage, la structure de support d'anneau comportant une première et une seconde pattes radiales entre lesquelles sont maintenues les première et seconde pattes d'accrochage de chaque secteur d'anneau, et l'ensemble d'anneau comprenant, pour chaque secteur d'anneau, au moins trois pions pour maintenir radialement le secteur d'anneau en position, au moins deux des pions coopérant avec l'une des première ou seconde pattes d'accrochage du secteur d'anneau et la première ou seconde patte radiale correspondante de la structure de support d'anneau, et au moins un des pions coopérant avec l'autre patte d'accrochage du secteur d'anneau et la patte radiale correspondante de la structure de support d'anneau.
Selon une caractéristique générale de l'objet, la première patte radiale comprend une première portion radiale annulaire solidaire de la structure de support d'anneau, une seconde portion radiale annulaire amovible s'étendant radialement vers le centre de l'anneau de turbine sur une partie plus importante que ladite première portion radiale annulaire, la partie s'étendant au-delà de la première portion radiale annulaire comportant des orifices de réception d'un pion.
Le caractère amovible de la seconde portion radiale annulaire de la première la seconde portion radiale annulaire par rapport à la première portion radiale annulaire solidaire de la structure de support d'anneau permet d'avoir un accès axial à la cavité de l'anneau de turbine. Cela permet d'assembler les secteurs d'anneau ensemble à l'extérieur de la structure de support d'anneau et ensuite de venir glisser axialement l'ensemble ainsi assemblé dans la cavité de la structure de support d'anneau jusqu'à venir en appui contre la seconde patte radiale annulaire, avant de fixer la seconde portion radiale annulaire sur la première portion radiale annulaire.
Lors de l'opération de fixation de l'anneau de turbine sur la structure de support de l'anneau, il est possible d'utiliser un outil comportant un cylindre ou un anneau sur lequel sont appuyés ou ventousés les secteurs d'anneau pendant leur assemblage en couronne.
La solution définie ci-dessus pour l'ensemble d'anneau permet ainsi de maintenir chaque secteur d'anneau de façon déterministe, c'est-àdire de maîtriser sa position et d'éviter qu'il se mette à vibrer, tout en améliorant l'étanchéité entre le secteur hors veine et le secteur veine, en simplifiant les manipulations et en réduisant leur nombre pour le montage de l'ensemble d'anneau, et en permettant à l'anneau de se déformer sous les effet de température et de pression notamment indépendamment des pièces métalliques en interface.
Selon un premier aspect de l'ensemble d'anneau de turbine, la seconde portion radiale annulaire amovible comprend un premier flasque annulaire comportant une première portion en appui contre la première patte d'accrochage de l'anneau, une seconde portion en appui contre fixée de manière amovible à la première portion radiale annulaire, et une troisième portion positionnée entre la première et la seconde portions et comportant les orifices de réception d'un pion, la première portion et la troisième portion du premier flasque annulaire s'étendant au-delà de la première portion radiale annulaire de la première patte radiale.
Etant donné que la première portion et la troisième portion du premier flasque annulaire s'étendent au-delà de la première portion radiale annulaire de la première patte radiale, l'espace restant libre lorsque le flasque est enlevé permet une introduction axiale de l'anneau dans la structure de support d'anneau.
Selon un deuxième aspect de l'ensemble d'anneau de turbine, premier flasque annulaire est un flasque annulaire en une seule pièce.
Le fait d'avoir un flasque annulaire en une pièce, c'est-à-dire décrivant l'intégralité d'un anneau sur 360°, permet, par rapport à un flasque annulaire sectorisé, de limiter le passage du flux d'air entre le secteur hors veine et le secteur veine, dans la mesure où toutes les fuites inter-secteurs sont supprimées, et donc de maîtriser l'étanchéité.
Selon un troisième aspect de l'ensemble d'anneau de turbine, les première et seconde pattes d'accrochage de chaque secteur d'anneau comprennent chacune une première extrémité solidaire de la face externe de la base annulaire, une seconde extrémité libre, au moins une oreille de réception d'un pion, chaque oreille s'étendant en saillie de la seconde extrémité d'une des première ou seconde pattes d'accrochage dans la direction radiale de l'anneau de turbine, chaque oreille de réception comportant un orifice de réception d'un pion.
Les oreilles réalisées en saillie radiale des extrémités libres des première et seconde pattes d'accrochage permettent de déporter la zone de maintien des pattes d'accrochage par rapport aux zones d'appui comprises entre les deux extrémités des pattes d'accrochage et destinées à réaliser un contact étanche, d'une part, avec la première portion du premier flasque annulaire, et, d'autre part, avec la seconde patte radiale de la structure de support d'anneau.
Selon un quatrième aspect de l'ensemble d'anneau de turbine, la seconde patte de la structure de support d'anneau comprend une bride annulaire comportant une première portion en appui contre la deuxième patte d'accrochage, une seconde portion amincie par rapport à la première portion, et une troisième portion positionnée entre la première et la seconde portion et comportant des orifices de réception d'un pion.
La réduction de l'épaisseur de la deuxième portion de la bride annulaire, c'est-à-dire la bride aval, permet de fournir de la souplesse à la bride secondaire et ainsi de ne pas trop contraindre le matériau composite à matrice céramique du secteur d'anneau.
Il est possible également de réaliser une précontrainte axiale de la seconde bride annulaire en faisant une interférence de quelques dixièmes de millimètres. Cela permet de reprendre les différences de dilatation entre les éléments en matériau composite à matrice céramique et les éléments métalliques.
De plus, séparer la zone de réception des pions et les zones d'appuis des pattes d'accrochage de l'anneau contre le flasque annulaire, d'une part, et contre la bride annulaire, d'autre part, permet d'optimiser l'étanchéité en réduisant les coupures dans la zone d'appui.
Selon un cinquième aspect de l'ensemble d'anneau de turbine, chaque secteur d'anneau comprend des surfaces d'appuis rectilignes montées sur les faces des première et seconde pattes d'accrochage en contact respectivement avec la bride annulaire et le premier flasque annulaire.
Les appuis rectilignes permettent d'avoir des zones d'étanchéités maîtrisées car un appui sur une ligne continue permet de ne pas avoir de fuites. Plus précisément, avoir des appuis sur des plans radiaux permet de s'affranchir des effets de décambrage dans l'anneau de turbine. Cet alignement des zones de contact sur des plans rectilignes parallèles permet en effet de conserver des lignes d'étanchéité en cas de bascule de l'anneau et de conserver les mêmes zones de contact aussi bien à froid qu'à chaud.
En fonctionnement, les secteurs d'anneau basculent autour d'un axe correspondant à la normale au plan formé entre la direction axiale et la direction radiale de l'anneau de turbine. Dans le cas d'un appui curviligne, comme dans l'art antérieur, les pattes des secteurs d'anneau sont en contact avec la structure de support d'anneau sur un ou deux points seulement tandis que, dans la présente invention, les appuis rectilignes des pattes de chaque secteur d'anneau permettent un appui sur une ligne entière, ce qui améliore l'étanchéité entre les secteurs d'anneau et la structure de support d'anneau.
Dans une variante, pour chaque secteur d'anneau, les faces de la bride annulaire et du premier flasque annulaire en contact respectivement avec les première et seconde pattes d'accrochage comprennent des surfaces d'appuis rectilignes.
Dans un aspect de cette variante, chaque surface d'appui rectiligne peut comprendre une gorge creusée sur toute la longueur de la surface d'appui et un joint inséré dans la gorge pour améliorer l'étanchéité.
Selon un sixième aspect de l'ensemble d'anneau de turbine, la première patte radiale de la structure de support d'anneau comprend en outre un second flasque annulaire comportant une première portion et une seconde portion, la seconde portion étant couplée à la première portion radiale annulaire et à la seconde portion du premier flasque annulaire, la première portion du second flasque annulaire étant distante, dans la direction axiale de l'anneau de turbine, de la première portion du premier flasque annulaire.
Le second flasque annulaire est dédié à la reprise de l'effort du distributeur haute pression, aussi noté DHP. Ce flasque annulaire permet de reprendre cet effort, d'une part, en se déformant, et, d'autre part, en faisant transiter cet effort vers la ligne carter qui est plus robuste mécaniquement.
En effet, laisser un espace entre la première portion du second flasque annulaire et la première portion du premier flasque annulaire permet de dévier l'effort reçu par le second flasque annulaire, en amont du premier flasque annulaire par rapport au sens du flux de gaz, et de le faire transiter directement vers la couronne centrale de la structure de support d'anneau via la seconde portion du second flasque annulaire, sans impacter la première portion du premier fiasque annulaire en appui contre la première patte d'accrochage de l'anneau. La première portion du premier flasque annulaire ne subissant pas d'effort, l'anneau de turbine est ainsi préservé de cet effort axial.
Selon un septième aspect de l'ensemble d'anneau de turbine,
L'ensemble d'anneau peut comprendre en outre, pour chaque secteur d'anneau, au moins une vis de fixation traversant les premier et second flasques annulaires et la première portion radiale annulaire, et au moins un écrou de fixation coopérant avec ladite au moins une vis de fixation pour fixer les premier et second flasques annulaires à la première portion radiale annulaire.
Un autre de l'objet propose une turbomachine comprenant un ensemble d'anneau de turbine tel que défini ci-dessus.
Brève description des dessins.
L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un mode de réalisation d'un ensemble d'anneau de turbine selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique en perspective éclatée de l'ensemble d'anneau de turbine de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue schématique en coupe de l'ensemble d'anneau de turbine de la figure 1 ;
- la figure 4 est une vue schématique en perspective du premier flasque amont de l'ensemble d'anneau de turbine de la figure 1.
Description détaillée de modes de réalisation
La figure 1 montre un ensemble d'anneau de turbine haute pression comprenant un anneau de turbine 1 en matériau composite à matrice céramique (CMC) et une structure métallique de support d'anneau
3. L'anneau de turbine 1 entoure un ensemble de pales rotatives (non représentées). L'anneau de turbine 1 est formé d'une pluralité de secteurs d'anneau 10, la figure 1 étant une vue en section radiale. La flèche DA indique la direction axiale de l'anneau de turbine 1 tandis que la flèche DR indique la direction radiale de l'anneau de turbine 1. Pour des raisons de simplifications de présentation, la figure 1 est une vue partielle de l'anneau de turbine 1 qui est en réalité un anneau complet.
Comme illustré sur la figure 2 qui présente une vue schématique en perspective éclatée de l'ensemble d'anneau de turbine de la figure 1, chaque secteur d'anneau 10 présente, selon un plan défini par les directions axiale DA et radiale Dr, une section sensiblement en forme de la lettre grecque π inversée. La section comprend en effet une base annulaire 12 et des pattes radiales d'accrochage amont et aval 14 et 16. Les termes amont et aval sont utilisés ici en référence au sens d’écoulement du flux gazeux dans la turbine représenté par la flèche F sur la figure 1. Les pattes du secteur d'anneau 10 pourraient avoir une autre forme, la section du secteur d'anneau présentant un autre forme que π, comme par exemple une forme en k.
La base annulaire 12 comporte, suivant la direction radiale Dr de l'anneau 1, une face interne 12a et une face externe 12b opposées l'une à l'autre. La face interne 12a de la base annulaire 12 est revêtue d'une couche 13 de matériau abradable formant une barrière thermique et environnementale et définit une veine d'écoulement de flux gazeux dans la turbine.
Les pattes radiales d'accrochage amont et aval 14 et 16 s'étendent en saillie, suivant la direction Dr, à partir de la face externe 12b de la base annulaire 12 à distance des extrémités amont et aval 121 et 122 de la base annulaire 12. Les pattes radiales d'accrochage amont et aval 14 et 16 s'étendent sur toute la largeur du secteur d'anneau 10, c'està-dire sur tout l'arc de cercle décrit par le secteur d'anneau 10, ou encore sur toute la longueur circonférentielle du secteur d'anneau 10.
Comme cela est illustré sur les figures 1 et 2, la structure de support d'anneau 3 qui est solidaire d'un carter de turbine 30 comprend une couronne centrale 31, s'étendant dans la direction axiale DA, et ayant un axe de révolution confondu avec l'axe de révolution de l'anneau de turbine 1 lorsqu'ils sont fixés ensemble. La structure de support d'anneau 3 comprend en outre une bride radiale annulaire amont 32 et une bride radiale annulaire aval 36 qui s'étendent, suivant la direction radiale Dr, depuis la couronne centrale 31 vers le centre de l'anneau 1 et dans la direction circonférentielle de l'anneau 1.
Comme cela est illustré sur les figures 1 et 2, la bride radiale annulaire aval 36 comprend une première extrémité 361 libre et une seconde extrémité 362 solidaires de la couronne centrale 31. La bride radiale annulaire aval 36 comporte une première portion 363, une seconde portion 364, et une troisième portion 365 comprise entre la première portion 363 et la seconde portion 364. La première portion 363 s'étend entre la première extrémité 361 et la troisième portion 365, et la seconde portion 364 s'étend entre la troisième portion 365 et la seconde extrémité
362. La première portion 363 de la bride radiale annulaire 36 est au contact de la patte radiale d'accrochage aval 16. La seconde portion 364 est amincie par rapport à la première portion 363 et la troisième portion 365 de manière à donner une certaine souplesse à la bride radiale annulaire 36 et ainsi ne pas trop contraindre l'anneau de turbine 1 en CMC.
Comme cela est illustré sur les figures 1 et 2, ainsi que sur la figure 3 qui présente une vue en coupe de l'ensemble d'anneau de turbine de la figure 1 selon un plan comprenant la direction axiale DA de l'anneau de turbine 1 et la direction radiale Dr de l'anneau de turbine 1, la structure de support d'anneau 3 comprend en outre un premier et un second flasques amont 33 et 34 présentant chacun, dans ce mode de réalisation, une forme d'anneau, les deux flasques amont 33 et 34 étant fixés ensemble sur la bride radiale annulaire amont 32. La figure 4 présente une vue en perspective du premier flasque amont 33 réalisé en une seule pièce annulaire. Dans une variante, les premier et second flasques amont 33 et 34 pourraient être segmentés en une pluralité de sections d'anneau.
Le premier flasque amont 33 comprend une première extrémité 331 libre et une seconde extrémité 332 au contact de la couronne centrale
31. Le premier flasque amont 33 comprend en outre une première portion 333 s'étendant depuis la première extrémité 331, une seconde portion 334 s'étendant depuis la deuxième extrémité 332, et une troisième portion 335 s'étendant entre la première portion 333 et la deuxième portion 334.
Le second flasque amont 34 comprend une première extrémité 341 libre et une seconde extrémité 342 au contact de la couronne centrale 31, ainsi qu'une première portion 343 et une seconde portion 344, la première portion 343 s'étendant entre la première extrémité 341 et la seconde portion 344, et la seconde portion 344 s'étendant entre la première portion 343 et la seconde extrémité 342.
La première portion 333 du premier flasque amont 33 est en appui sur la patte radiale d'accrochage amont 14 du secteur d'anneau 10. Les premier et second flasques amont 33 et 34 sont conformés pour avoir les premières portions 333 et 343 distantes l'une de l'autre et les secondes portions 334 et 344 en contact, les deux flasques 33 et 34 étant fixés de manière amovible sur ia bride radiale annulaire amont 32 à l'aide de vis 60 et d'écrous 61 de fixation, les vis 60 traversant des orifices 3340, 3440 et
320 prévus respectivement dans les secondes portions 334 et 344 des deux flasques amont 33 et 34 ainsi que dans la bride radiale annulaire amont 32.
Le second flasque amont 34 est dédié à la reprise de l'effort du distributeur haute pression (DHP), d'une part, en se déformant, et, d'autre part, en faisant transiter cet effort vers la ligne carter qui est plus robuste mécaniquement, c'est-à-dire vers la ligne de la structure de support d'anneau 3 comme cela est illustré par les flèches E d'effort présentées sur la figure 3.
Dans la direction axiale DA, la bride radiale annulaire aval 36 de la structure de support d'anneau 3 est séparée du premier flasque amont 33 d'une distance correspondant à l'écartement des pattes radiales d'accrochage amont et aval 14 et 16 de manière à maintenir ces dernières entre la bride radiale annulaire aval 36 et le premier flasque amont 33.
Pour maintenir en position les secteurs d'anneau 10, et donc l'anneau de turbine 1, avec la structure de support d'anneau 3, l'ensemble d'anneau comprend deux premiers pions 19 coopérant avec la patte d'accrochage amont 14 et le premier flasque amont 33, et deux seconds pions 20 coopérant avec la patte d'accrochage aval 16 et la bride radiale annulaire aval 36.
Pour chaque secteur d'anneau 10 correspondant, la troisième portion 335 du premier flasque amont 33 comprend deux orifices 3350 de réception des deux premiers pions 19, et la troisième portion 365 de la bride radiale annulaire 36 comprend deux orifices 3650 configurés pour recevoir les deux seconds pions 20.
Pour chaque secteur d'anneau 10, chacune des pattes radiales d'accrochage amont et aval 14 et 16 comprend une première extrémité, 141 et 161, solidaire de la face externe 12b de la base annulaire 12 et une seconde extrémité, 142 et 162, libre. La seconde extrémité 142 de la patte radiale d'accrochage amont 14 comprend deux premières oreilles 17 comportant chacune un orifice 170 configuré pour recevoir un premier pion 19. De manière similaire, la seconde extrémité 162 de la patte radiale d'accrochage aval 16 comprend deux secondes oreilles 18 comportant chacune un orifice 180 configuré pour recevoir un second pion 20. Les premières et secondes oreilles 17 et 18 s'étendent en saillie dans la direction radiale Dr de l'anneau de turbine 1 respectivement de la seconde extrémité 142 de la patte d'accrochage radiale amont 14 et de la seconde extrémité 162 de la patte d'accrochage radiale aval 16.
Pour chaque secteur d'anneau 10, les deux premières oreilles 17 sont positionnées à deux positions angulaires différentes par rapport à l'axe de révolution de l'anneau de turbine 1. De même, pour chaque secteur d'anneau 10, les deux secondes oreilles 18 sont positionnées à deux positions angulaires différentes par rapport à l'axe de révolution de l'anneau de turbine 1.
Chaque secteur d'anneau 10 comprend en outre des surfaces d'appuis rectilignes 110 montées sur les faces des pattes radiales d'accrochage amont et aval 14 et 16 en contact respectivement avec le premier flasque annulaire amont 33 et la bride radiale annulaire aval 36, c'est-à-dire sur la face amont 14a de la patte radiale d'accrochage amont 14 et sur la face aval 16b de la patte radiale d'accrochage aval 16. Dans une variante, les appuis rectilignes pourraient être montés sur le premier flasque annulaire amont 33 et sur la bride radiale annulaire aval 36.
Les appuis rectilignes 110 permettent d'avoir des zones d'étanchéités maîtrisées. En effet, les surfaces d'appui 110 entre la patte radiale d'accrochage amont 14 et le premier flasque annulaire amont 33, d'une part, et entre la patte radiale d'accrochage aval 16 et la bride radiale annulaire aval 36 sont compris dans un même plan rectiligne.
Plus précisément, avoir des appuis sur des plans radiaux permet de s'affranchir des effets de décambrage dans l'anneau de turbine 1.
On décrit maintenant un procédé de réalisation d'un ensemble d'anneau de turbine correspondant à celui représenté sur la figure 1.
Chaque secteur d'anneau 10 décrit ci-avant est réalisé en matériau composite à matrice céramique (CMC) par formation d'une préforme fibreuse ayant une forme voisine de celle du secteur d'anneau et densification du secteur d'anneau par une matrice céramique.
Pour la réalisation de la préforme fibreuse, on peut utiliser des fils en fibres céramique, par exemple des fils en fibres SiC tels que ceux commercialisés par la société japonaise Nippon Carbon sous la dénomination Hi-NicalonS, ou des fils en fibres de carbone.
La préforme fibreuse est avantageusement réalisée par tissage tridimensionnel, ou tissage multicouches avec aménagement de zones de déliaison permettant d'écarter les parties de préformes correspondant aux pattes 14 et 16 des secteurs 10.
Le tissage peut être de type interlock, comme illustré. D'autres armures de tissage tridimensionnel ou multicouches peuvent être utilisées comme par exemple des armures multi-toile ou multi-satin. On pourra se référer au document WO 2006/136755.
Après tissage, l’ébauche peut être mise en forme pour obtenir une préforme de secteur d'anneau qui est consolidée et densifiée par une matrice céramique, la densification pouvant être réalisée notamment par infiltration chimique en phase gazeuse (CVI) qui est bien connue en soi. Dans une variante, la préforme textile peut être un peu durcie par CVI pour qu'elle soit suffisamment rigide pour être manipulée, avant de faire remonter du silicium liquide par capillarité dans le textile pour faire la densification (« Melt Infiltration »).
Un exemple détaillé de fabrication de secteurs d'anneau en CMC est notamment décrit dans le document US 2012/0027572.
La structure de support d'anneau 3 est quant à elle réalisée en un matériau métallique tel qu'un alliage Waspaloy® ou inconel 718® ou encore C263®.
La réalisation de l'ensemble d'anneau de turbine se poursuit par le montage des secteurs d'anneau 10 sur la structure de support d'anneau
3.
Pour cela, les secteurs d'anneau 10 sont assemblés ensemble sur un outil annulaire de type « araignée » comportant, par exemple, des ventouses configurées pour maintenir chacune un secteur d'anneau 10. L'assemblage des secteurs d'anneau 10 est réalisé en insérant des languettes d'étanchéité intersectorielle entre chaque paire de secteurs d'anneau.
Puis les deux seconds pions 20 sont insérés dans les deux orifices 3650 prévus dans la troisième partie 365 de la bride radiale annulaire 36 de la structure de support d'anneau 3.
L'anneau 1 est ensuite monté sur ia structure de support d'anneau 3 en insérant chaque second pion 20 dans chacun des orifices 180 des secondes oreilles 18 des pattes radiales d'accrochage aval 16 de chaque secteur d'anneau 10 composant l'anneau 1.
Les orifices 170 et 180 peuvent être circulaires ou oblongs. De préférence l'ensemble des orifices 170 et 180 comprend une portion d'orifices circulaires et une portion d'orifices oblongs. Les orifices circulaires permettent d'indexer tangentiellement les anneaux et d'empêcher qu'ils puissent se déplacer tangentiellement (notamment en cas de touche par l'aube). Les orifices oblongs permettent d'accommoder les dilatations différentielles entre le CMC et le métal. Le CMC a un coefficient de dilatation très inférieur à celui du métal. A chaud, les longueurs dans le sens tangentiel du secteur d'anneau et de la portion de carter en vis-à-vis vont donc être différentes. Si il n'y avait que des orifices circulaires, le carter métallique imposerait ses déplacements à l'anneau en CMC, ce qui serait source de contraintes mécaniques très élevées dans le secteur d'anneau. Avoir des trous oblongs dans l'ensemble d'anneau permet au pion de coulisser dans ce trou et d'éviter le phénomène de sur-contrainte mentionné ci-dessus. Dès lors, deux schémas de perçages peuvent être imaginés : un premier schéma de perçage, pour un cas à trois oreilles, comprendrait un orifice oblong radial sur une patte radiale d'accrochage et deux orifices oblongs tangentiels sur l'autre patte radiale d'accrochage, et un deuxième schéma de perçage, pour un cas à au moins quatre oreilles, comprendrait un orifice circulaire et un orifice oblong par patte radiale d'accrochage en vis-à-vis à chaque fois. D'autres cas annexes peuvent être envisagés également.
On retire ensuite l'outil annulaire et on place tous les premiers pions 19 dans les orifices 3350 prévus dans la troisième partie 335 du premier flasque amont 33, et on monte le premier flasque amont 33 sur l'ensemble d'anneau en en engageant les premiers pions 19 dans les orifices 170 des premières oreilles de la patte d'accrochage amont 14 jusqu'à ce que la première portion 333 du premier fiasque amont 33 soit en appui contre la surface d'appui 110 de la face amont 14a de la patte d'accrochage amont 14 de l'anneau 1 et que la deuxième portion 334 du premier flasque amont 33 soit en appui contre la bride radiale annulaire amont 32.
On dispose ensuite le second flasque amont 34 sur l'ensemble d'anneau de turbine en mettant en appui la seconde portion 344 du second flasque amont 34 contre la deuxième portion 334 du premier flasque amont 33.
Pour fixer les deux flasques amont 33 et 34 ensemble à la structure de support d'anneau 3, on insère des vis 60 dans les orifices 3440, 3340 et 320, coaxiaux, prévus dans la seconde portion 344 du second flasque amont 34, dans la deuxième portion 334 du premier flasque et dans la bride radiale annulaire amont 32 et on serre chacune des vis 60 à l'aide d'un écrou 61.
L'anneau 1 est ainsi maintenu en position axialement à l'aide du premier flasque amont 33 et de la bride radiale annulaire 36 en appui respectivement en amont et en aval sur les surfaces d'appuis 110 rectilignes des pattes radiales d'accrochages respectivement amont 14 et aval 16. Et l'anneau 1 est maintenu en position radialement à l'aide des premiers et seconds pions 19 et 20 coopérant avec les premières et secondes oreilles 17 et 18 et les orifices 3350 et 3650 du premier flasque amont 33 et de la bride radiale annulaire 36.
L'invention fournit ainsi un ensemble d'anneau de turbine permettant le maintien de chaque secteur d'anneau d'une façon déterministe tout en permettant, d'une part, au secteur d'anneau, et par extension à l'anneau, de se déformer sous les effets des montées en température et des variations de pression, et ce notamment indépendamment des pièces métalliques en interface, et, d'autre part, tout en améliorant l'étanchéité entre le secteur hors veine et le secteur veine et en simplifiant les manipulations et en réduisant leur nombre pour le montage de l'ensemble d'anneau.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Ensemble d'anneau de turbine comprenant une pluralité de secteurs d'anneau (10) en matériau composite à matrice céramique formant un anneau de turbine (1) et une structure de support d'anneau (3), chaque secteur d'anneau (10) ayant, selon un plan de coupe défini par une direction axiale (Da) et une direction radiale (Dr) de l'anneau de turbine (1), une partie formant base annulaire (12) avec, dans ia direction radiale (DR) de l'anneau de turbine (1), une face interne (12a) définissant la face interne de l'anneau de turbine (1) et une face externe (12b) à partir de laquelle s'étendent une première et une seconde pattes d'accrochage (14, 16), la structure de support d'anneau (3) comportant une première et une seconde pattes radiales entre lesquelles sont maintenues les première et seconde pattes d'accrochage (14, 16) de chaque secteur d'anneau (10), et l'ensemble d'anneau comprenant, pour chaque secteur d'anneau (10), au moins trois pions (19, 20) pour maintenir radialement le secteur d'anneau (10) en position, au moins deux des pions (19, 20) coopérant avec l'une des première ou seconde pattes d'accrochage (14,16) du secteur d'anneau (10) et la première ou seconde patte radiale correspondante de la structure de support d'anneau (3), et au moins un des pions (20, 19) coopérant avec l'autre patte d'accrochage (16, 14) du secteur d'anneau (10) et l'autre patte radiale correspondante de la structure de support d'anneau (3), caractérisé ce que la première patte radiale comprend une première portion radiale annulaire (32) solidaire de la structure de support d'anneau (3), une seconde portion radiale annulaire amovible s'étendant radialement vers le centre de l'anneau de turbine (1) sur une partie plus importante que ladite première portion radiale annulaire (32), la partie s'étendant au-delà de la première portion radiale annulaire (32) comportant des orifices (3350) de réception d'un des pions (19).
  2. 2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel la seconde portion radiale annulaire amovible comprend un premier flasque annulaire (33) comportant une première portion (333) en appui contre la première patte d'accrochage (14), une seconde portion (334) fixée de manière amovible à la première portion radiale annulaire (32), et une troisième portion (335) positionnée entre la première et la seconde portions (333 et 334) et comportant les orifices (3350) de réception d'un des pions (19), la troisième portion (335) et la première portion (333) du premier flasque annulaire (33) s'étendant au-delà de la première portion radiale annulaire (32).
  3. 3. Ensemble selon la revendication 2, dans lequel ledit premier flasque annulaire (33) est un flasque annulaire en une seule pièce.
  4. 4. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les première et seconde pattes d'accrochage (14, 16) de chaque secteur d'anneau (10) comprennent chacune une première extrémité (141, 161) solidaire de la face externe (12b) de la base annulaire (12), une seconde extrémité (142, 162) libre, au moins une oreille (17,18) de réception d'un des pions (19, 20), chaque oreille (17, 18) s'étendant en saillie de la seconde extrémité (142, 162) d'une des première ou seconde pattes d'accrochage (14,16) dans la direction radiale (Dr) de l'anneau de turbine (1), chaque oreille de réception (17, 18) comportant un orifice (170, 180) de réception d'un des pions (19, 20).
  5. 5. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la seconde patte de la structure de support d'anneau (3) comprend une bride annulaire (36) comportant une première portion (363) en appui contre la deuxième patte d'accrochage (16), une seconde portion (364) amincie par rapport à la première portion (363), et une troisième portion (365) positionnée entre la première et la seconde portion (363 et 364) et comportant des orifices (3650) de réception d'un des pions (20).
  6. 6. Ensemble selon la revendication 5 lorsqu'elle est combinée avec la revendication 2, dans lequel chaque secteur d'anneau (10) comprend des surfaces d'appuis rectilignes (110) montées sur les faces des première et seconde pattes d'accrochage (14, 16) en contact respectivement avec la bride annulaire (36) et le premier flasque annulaire (33).
  7. 7. Ensemble selon la revendication 5 lorsqu'elle est combinée avec la revendication 2, dans lequel, pour chaque secteur d'anneau (10), les faces de la bride annulaire (36) et du premier flasque annulaire (33) en contact respectivement avec les première et seconde pattes d'accrochage (14,16) comprennent des surfaces d'appuis rectilignes.
  8. 8. Ensemble selon l'une des revendications 3 à 7 lorsqu'elle est combinée avec la revendication 2, dans lequel la première patte radiale de la structure de support d'anneau (3) comprend en outre un second flasque annulaire (34) comportant une première portion (343) et une seconde portion (344), la seconde portion (344) étant couplée à la première portion radiale annulaire (32) et à la seconde portion (334) du premier flasque annulaire (33), la première portion (343) du second flasque annulaire (34) étant distante, dans la direction axiale (Da) de l'anneau de turbine (1), de la première portion (333) du premier flasque annulaire (33).
  9. 9. Ensemble selon la revendication 8, comprenant, pour chaque secteur d'anneau (10), au moins une vis de fixation (60) traversant les premier et second flasques annulaires (33, 34) et la première portion radiale annulaire (32), et au moins un écrou de fixation (61) coopérant avec ladite au moins une vis de fixation (60) pour fixer les premier et second flasques annulaires (33, 34) à la première portion radiale annulaire (32).
  10. 10. Turbomachine comprenant un ensemble d'anneau de turbine (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
    1/3 oc
    Q
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