FR3061929A1 - Turbine de turbomachine comprenant un etage distributeur en materiau composite a matrice ceramique - Google Patents

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Abstract

Une turbine (1) de turbomachine comprenant un carter (4) et un étage distributeur de turbine (2), l'étage distributeur (2) de turbine (1) étant en matériau composite à matrice céramique et comportant une pluralité de secteurs (20) annulaires formant une couronne présentant une virole intérieure (240) et une virole extérieure (260), chaque secteur (20) annulaire ayant une plateforme intérieure (24) formant une partie de la virole intérieure (240), une plateforme extérieure (26) formant une partie de la virole extérieure (260), et au moins une pale (28) s'étendant entre la plateforme extérieure (26) et la plateforme intérieure (24) et solidaire de celles-ci, ladite pale (28) présentant un profil creux définissant un logement interne (280) s'étendant entre la plateforme intérieure (24) et la plateforme extérieure (26), et les plateformes intérieure et extérieure (26, 28) présentant chacune un orifice (245, 265) communiquant avec ledit logement (280) interne de la pale (28). Chaque secteur (20) annulaire de l'étage distributeur (2) comprend au moins un mât (6) traversant lesdits orifices (245, 265) des plateformes et le logement interne (280) de ladite au moins une pale (28), ledit mât étant fixé audit carter (4) d'une part et en liaison avec ledit secteur (20) annulaire d'autre part, et deux pions (63).

Description

@ Titulaire(s) : SAFRAN AIRCRAFT ENGINES.
® Mandataire(s) : CABINET BEAU DE LOMENIE.
FR 3 061 929 - A1 ® TURBINE DE TURBOMACHINE COMPRENANT UN MATRICE CERAMIQUE.
@) Une turbine (1) de turbomachine comprenant un carter (4) et un étage distributeur de turbine (2), l'étage distributeur (2) de turbine (1 ) étant en matériau composite à matrice céramique et comportant une pluralité de secteurs (20) annulaires formant une couronne présentant une virole intérieure (240) et une virole extérieure (260), chaque secteur (20) annulaire ayant une plateforme intérieure (24) formant une partie de la virole intérieure (240), une plateforme extérieure (26) formant une partie de la virole extérieure (260), et au moins une pale (28) s'étendant entre la plateforme extérieure (26) et la plateforme intérieure (24) et solidaire de celles-ci, ladite pale (28) présentant un profil creux définissant un logement interne (280) s'étendant entre la plateforme intérieure (24) et la plateforme extérieure (26), et les plateformes intérieure et extérieure (26, 28) présentant chacune un orifice (245, 265) communiquant avec ledit logement (280) interne de la pale (28).
Chaque secteur (20) annulaire de l'étage distributeur (2) comprend au moins un mât (6) traversant lesdits orifices (245, 265) des plateformes et le logement interne (280) de ladite au moins une pale (28), ledit mât étant fixé audit carter (4) d'une part et en liaison avec ledit secteur (20) annulaire d'autre part, et deux pions (63).
ETAGE DISTRIBUTEUR EN MATERIAU COMPOSITE A
Figure FR3061929A1_D0001
Figure FR3061929A1_D0002
Arrière-plan de l'invention
L'invention concerne des turbomachines, notamment des turbomoteurs aéronautiques ou des turbines industrielles, et plus particulièrement un étage distributeur de turbine en matériau composite à matrice céramique ou à matrice au moins partiellement en céramique, désigné ci-après par matériau CMC.
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.
L'amélioration des performances des turbomachines et la réduction de leurs émissions polluantes conduit à envisager des températures de fonctionnement de plus en plus élevées.
Pour des éléments de parties chaudes de turbomachines, il a donc été proposé d'utiliser des matériaux composites à matrice céramique noté CMC par la suite.
Les matériaux CMC sont typiquement formés d'un renfort fibreux en fibres réfractaires, telles que des fibres de carbone ou de céramique, densifié par une matrice en céramique ou au moins partiellement en céramique.
Ces matériaux possèdent des propriétés thermo-structurales remarquables, c'est-à-dire des propriétés mécaniques qui les rendent aptes à constituer des éléments de structure et la capacité à conserver ces propriétés à des températures élevées. De surcroît, les matériaux CMC ont une masse volumique bien inférieure à celle des matériaux métalliques utilisés traditionnellement pour des éléments de parties chaudes de turbomachines.
Ainsi, les documents WO 2010/061140, WO 2010/116066 et WO 2011/080443 décrivent la réalisation d'aubes de roues mobiles de turbomachines en CMC à plate-forme et talon intégrés. L'utilisation de matériaux CMC pour des distributeurs de turbine a aussi été proposée, notamment dans les documents WO 2010/146288, FR 2 979 662 et EP 2 443 318.
Un étage distributeur de turbine métallique traditionnel présente une forme de couronne composée de plusieurs secteurs assemblés, chaque secteur comprenant une plateforme intérieure, une plateforme extérieure et une pluralité de pales s'étendant entre les plateformes intérieure et extérieure et solidaires de celles-ci. Les plateformes intérieures juxtaposées forment une virole intérieure et les plateformes extérieures juxtaposées forment une virole extérieure. Les viroles intérieure et extérieure délimitent la veine d'écoulement de gaz dans l'étage distributeur.
Introduire un étage distributeur, par exemple un étage distributeur haute pression, en CMC permet d'augmenter la température maximale tolérée par rapport à un étage distributeur métallique, et ainsi de diminuer la quantité d'air de refroidissement utilisée. Cela permet ainsi d'augmenter les performances de la turbomachine.
Toutefois, le CMC, par ses propriétés très différentes du métal est plus sensible à certaines contraintes mécaniques. En effet le CMC présente une plus grande rigidité et une plus faible dilatation. Il se comporte mieux en compression, mais ses contraintes admissibles en traction sont plus faibles que celles du métal.
De plus, l'intégration dans un environnement métallique d'une pièce en CMC est délicate en raison des dilatations thermiques différentielles entre le CMC et le métal. Cela est d'autant plus délicat dans une turbomachine, et plus particulièrement dans une partie à haute pression de la turbomachine, car l'environnement est très chaud, ce qui exacerbe les différences de coefficients de dilatation thermique entre les matériaux, les efforts aérodynamiques subis par un étage distributeur haute pression étant en outre très élevés dans cette zone de turbine.
Il est connu un étage distributeur haute pression comprenant des secteurs annulaires maintenus en position, d'une part, à l'aide de deux pions traversant un trou rond et un trou oblong réalisé dans une portion inférieure de la plateforme intérieure, la portion inférieure s'étendant selon une direction radiale depuis une face intérieure de la virole intérieure formée par l'étage distributeur, et, d'autre part, à l'aide d'une butée montée sur une face extérieure de la plateforme extérieure, la portion supérieure s'étendant en saillie de la plateforme extérieure dans la direction radiale de la couronne annulaire.
Cette architecture génère une contrainte d'intégration car il est impossible d'accrocher les secteurs annulaires par le haut, c'est-à-dire de les accrocher au carter externe.
La pale d'un distributeur est soumise aux importants efforts des gaz de combustion. Lorsque le distributeur est accroché par le haut, c'està-dire par le carter, ou par le bas, les gaz de combustion mettent la pale en flexion et sont donc sources de contraintes.
Il est connu des documents US 2008/279679 et EP 3 009 601 des turbines dotés d'un étage distributeur ayant des secteurs annulaires dont les aubes sont traversées par des mâts couplés au carter.
Objet et résumé de l’invention
L’invention vise à pallier les inconvénients ci-dessus et à passer outre les difficultés mentionnées ci-dessus en proposant une turbine de turbomachine comprenant un étage distributeur de turbine en CMC dont le montage est simplifié et adapté pour maintenir les secteurs annulaires de façon déterministe tout en permettant au secteur annulaire de se déformer indépendamment des pièces métalliques en interface.
Un objet de l'invention propose une turbine de turbomachine comprenant un carter et un étage distributeur de turbine, l'étage distributeur de turbine étant en matériau composite à matrice céramique et comprenant une pluralité de secteurs annulaires formant une couronne présentant une virole intérieure, une virole extérieure, chaque secteur annulaire ayant une plateforme intérieure formant une partie de la virole intérieure, une plateforme extérieure formant une partie de la virole extérieure, et au moins une pale s'étendant entre la plateforme extérieure et la plateforme intérieure et solidaire de celles-ci, et l'anneau métallique comprenant au moins un secteur au moins partiellement annulaire, ladite pale présentant un profil creux définissant un logement interne s'étendant entre la plateforme intérieure et la plateforme extérieure, et les plateformes intérieure et extérieure présentant chacune un orifice communiquant avec logement interne de la pale.
Selon une caractéristique générale de l'invention, chaque secteur annulaire de l'étage distributeur comprend un mât traversant lesdits orifices des plateformes et le logement interne de la pale, le mât étant fixé audit carter d'une part et en liaison avec ledit secteur annulaire d'autre part.
Le mât permet de fournir un moyen de fixation d'un secteur annulaire d'un étage distributeur en CMC par le haut, c'est-à-dire au carter, tout en minimisant le moment de flexion, dans la mesure où la longueur de flexion est diminuée de moitié environ de par le mât traversant le secteur annulaire.
Chaque secteur annulaire de l'étage distributeur est ainsi maintenu de façon déterministe, c'est-à-dire de manière à éviter que le secteur annulaire se mette à vibrer et en maîtrisant sa position, et cela tout en permettant au secteur annulaire de se déformer sous les effets de la température et de la pression entre autre indépendamment des pièces métalliques en interface.
Selon un premier aspect de la turbine, la turbine comprend en outre un manchon emmanché dans le logement interne de la pale et fixé au mât pour maintenir la pale en position.
Le manchon définit une rotule permettant de minimiser l'effort dû au moment aérodynamique sans modifier l'intégration du secteur d'anneau dans la turbine. En effet, la rotule formée par le manchon fixé à l'intérieur de la pale laisse la pale libre de ses mouvements autour de l'axe définit par le mât.
Selon un deuxième aspect de la turbine, la turbine comprend en outre un premier et un second pions, la plateforme intérieure comportant une portion en saillie vers l'intérieure de la couronne de l'étage distributeur présentant un premier orifice circulaire configuré pour recevoir le premier pion et un deuxième orifice oblong configuré pour recevoir le second pion, le mât comportant en outre un troisième et un quatrième orifices circulaires , le premier pion traversant le premier orifice et le troisième orifice et le second pion traversant le deuxième orifice et le quatrième orifice pour fixer le mât au secteur annulaire.
La forme oblongue du deuxième orifice permet une dilatation différentielle entre le mat et le secteur annulaire.
Selon un mode de réalisation du deuxième aspect de la turbine, la plateforme extérieure peut comprendre une butée s'étendant en saillie de la face de la plateforme extérieure en regard du carter en direction du carter, et le carter peut comprendre une nervure annulaire s'étendant en saillie vers la plateforme extérieure et coopérant avec ladite butée.
La butée et la nervure permettent d'empêcher que le secteur annulaire ne bascule autour de l'axe entre les deux pions sous l'effort des gaz.
Dans un troisième aspect de la turbine, le mât est en matériau métallique de manière à offrir une bonne tenue mécanique, le mât reprenant tous les efforts aérodynamiques pour les transférer au carter.
Le mât peut être réalisé en tout autre matériau.
Dans un quatrième aspect de la turbine, lequel le mât est réalisé en une seule pièce avec le carter. En variante, le mat peut être vissé, ou soudé au carter.
Dans un cinquième aspect de la turbine, lequel chaque secteur annulaire comprend une pluralité de pâles et un mât pour chaque pâle du secteur annulaire.
L'invention a également pour objet, une turbomachine comprenant au moins une turbine de turbomachine telle que définie cidessus.
L'invention a aussi pour autre objet, un aéronef comprenant au moins une turbomachine 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 coupe d'une portion d'une turbine de turbomachine selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
- la figure 2 présente schématiquement une vue de dessus de la portion de turbine de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue schématique en coupe d'une portion d'une turbine de turbomachine selon un second mode de réalisation de l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation
Sur les figures 1 et 2 sont respectivement illustrée une vue schématique en coupe et une vue schématique de dessus d'une turbine de turbomachine selon un premier mode de réalisation de l'invention.
Une turbine 1 haute pression d'une turbomachine, par exemple un turbomoteur aéronautique, telle que montrée partiellement sur la figure 1, comprend une pluralité d'étages distributeurs fixes 2 qui alternent avec des roues mobiles 3 dans le sens d'écoulement, indiqué par une flèche sur la figure 1, du flux gazeux F dans la turbine 1 et qui sont montés dans un carter 4 de turbine.
Chaque roue mobile 3 comprend une pluralité d'aubes 32 ayant une virole intérieure 34, et au moins une pale 38 s'étendant depuis la virole intérieure 34 et liée à celle-ci. Du côté intérieure de la virole intérieure 34, l'aube se prolonge par un pied engagé dans un logement d'un disque 33. Du côté extérieur, le sommet des aubes 32 est en regard d'un matériau abradable porté par un anneau 36 pour assurer l'étanchéité aux sommets des aubes 32.
Dans tout le présent texte, les termes « intérieur » et « extérieur » sont utilisés en référence à la position ou l'orientation par rapport à l'axe de rotation X de la turbine 1.
Les aubes 32 peuvent être des aubes métalliques traditionnelles ou des aubes en matériau CMC obtenues par exemple comme décrit dans les documents WO 2010/061140, WO 2010/116066, WO 2011/080443.
Au moins l'un des étages distributeurs, tel que l'étage distributeur 2 de la figure 1 est formé par réunion de plusieurs secteurs annulaires 20 en matériau CMC comme illustré sur la figure 2 qui présente une vue en perspective de la portion de turbine de la figure 1.
Chaque secteur 20 annulaire de l'étage distributeur 2 comprend une plateforme intérieure 24, une plateforme extérieure 26 et une pale 28 s'étendant entre les plateformes intérieure et extérieure 24 et 26 et solidaires de celles-ci. En variante, plusieurs pales pourraient s'étendre entre les plateformes intérieure et extérieure d'un même secteur de distributeur. Une fois assemblés avec le carter 4 de la turbine 1, les secteurs 20 forment une unique couronne de distributeurs 2 présentant une virole intérieure 240 formée par la juxtaposition des plateformes intérieures 24 des secteurs 20 et une virole extérieure 260 formée par la juxtaposition des plateformes extérieures 26 des secteurs 20.
La virole intérieure 240 de l'étage distributeur 2 présente une surface extérieure 24e et une surface intérieure 24i, et la virole extérieure 260 de l'étage distributeur 2 présente également une surface extérieure 26e et une surface intérieure 26i. Les secteurs 20 formant l'étage distributeur 2, la plateforme intérieure 24 de chaque section 20 présente donc une portion de la surface extérieure 24e et une portion de la surface intérieure 24i de la virole extérieure 240, et la plateforme extérieure 26 de chaque secteur 20 présente également une portion de la surface extérieure 26e et une portion de la surface intérieure 26i de la virole intérieure 260. La pale 28 de chaque secteur 20 s'étend entre la surface extérieure 24e de la virole intérieure 240 et la surface intérieure 26i de la virole extérieure 260, et plus particulièrement entre la portion de surface extérieure 24e correspondante et la portion de surface intérieure 24i correspondante.
Les surfaces extérieures 24e et 34e des viroles intérieures 240 et 34 de l'étage distributeur 2 et des roues mobiles 3 et les surfaces intérieures 26i et 36i de la virole extérieure 260 de l'étage distributeur 2 et de l'anneau d'étanchéité 36 des roues mobiles 3 délimitent une veine 45 d'écoulement de flux gazeux F dans la turbine 1.
Dans tout le texte, les termes « amont » et « aval » sont utilisés en référence au sens d'écoulement de flux gazeux F dans la veine 45 indiqué par une flèche.
Chaque pale 28 possède un profil creux présentant un logement intérieur 280 s'étendant sur toute la hauteur de la pale 28, c'est-à-dire entre la plateforme intérieure 24 et la plateforme extérieure 26 du secteur 20 annulaire. La plateforme intérieure 24 de chaque section annulaire 20 comprend un orifice 245 dont la forme correspond à la section du logement intérieur 280 dans le plan dans lequel s'étend la plateforme intérieure 24. De même, la plateforme extérieure 26 de chaque section annulaire 20 comprend un orifice 265 dont la forme correspond à la section du logement intérieur 280 dans le plan dans lequel s'étend la plateforme intérieure 26. Les orifices 245 et 265 des plateformes intérieure 24 et extérieure 26 sont réalisés dans le prolongement du logement intérieur 280 de la pale 28.
La turbine 1 comprend en outre, pour chaque secteur 20 annulaire, un mât 6 soudé au carter 4 et s'étendant dans la direction radiale, vers l'axe de révolution de la turbine 1 qui correspond à l'axe de révolution du carter 4. La mât 6 est configuré pour traverser les orifices 245 et 265 des plateformes intérieure 24 et extérieure 26 et le logement intérieur 280 de la pale 28 correspondante
Dans le cas où chaque secteur annulaire comprenait plusieurs pales, la turbine comprendrait, au plus, un nombre de mâts correspondant pour chaque secteur annulaire de distributeur.
Dans ce premier mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, chaque pale 28 comprend en outre un manchon 62 introduit et fixé à l'intérieur du logement intérieur 280. Le manchon 62 est configuré pour être traversé par le mât 6 sans le bloquer en rotation autour de l'axe de révolution du mât 6. Le manchon 62 définit ainsi une rotule avec le mât 6 qui permet de rigidifier la pale 28 dans le plan radiale de la turbine 1.
Le montage est réalisé en fixant un à un chaque secteur 20 annulaire sur le mât 6 correspondant du carter 4 et en maintenant les secteurs 20 annulaires ainsi montés en position à l'aide d'un outil spécifique jusqu'à ce que tous les secteurs annulaires 20 soient montés et forment une couronne annulaire de distribution.
Sur la figure 3 est illustrée une vue schématique en coupe d'une portion d'une turbine de turbomachine selon un second mode de réalisation de l'invention.
Les éléments identiques au premier mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 2 portent les mêmes références numériques.
Le second mode de réalisation diffère du premier mode de réalisation en ce que, pour chaque secteur annulaire 20 de l'étage distributeur 2, la liaison entre le mât 6 et le secteur 20 annulaire est réalisée non pas avec un manchon, mais à l'aide d'un premier pion 63 et d'un second pion non visible sur la vue en coupe de la figure 3 étant donné qu'il est caché par le premier pion 63 .
Dans ce mode de réalisation, la plateforme intérieure 24 de chaque secteur 20 annulaire présente une portion 242 en saillie depuis sa surface intérieure 24i vers l'intérieur de la couronne de l'étage distributeur
2. La portion en saillie 242 présente un premier orifice 244 circulaire configuré pour recevoir le premier pion 63 et un deuxième orifice oblong configuré pour recevoir le second pion.
Le mât 6 comporte en outre un troisième orifice 66 circulaire et un quatrième orifice circulaire, le premier pion 63 traversant le premier orifice 244 et le troisième orifice 66 et le second pion traversant le deuxième orifice et le quatrième orifice pour fixer le mât 6 au secteur annulaire 20.
En outre, comme cela est illustré sur la figure 3, les premier et second pions 63 traversent également respectivement un premier et un second orifice d'un anneau métallique interne 5 pour fixer l'anneau métallique à l'étage distributeur 2.
La plateforme extérieure 26 du secteur 20 annulaire comprend en outre une butée 7 s'étendant en saillie de la surface extérieure 26e de la plateforme extérieure 26 en direction du carter 4, et le carter 4 comprend une nervure 8 annulaire s'étendant en saillie vers la plateforme extérieure 26, c'est-à-dire vers l'intérieur de la couronne de la turbine 1, et coopérant avec la butée 7.
La butée 7 et la nervure 8 permettent ainsi d'empêcher que le secteur 20 annulaire ne bascule autour de l'axe entre les deux pions 63 sous l'effort des gaz. Les pions 63 et la butée 7 avec la nervure 8 permettent de positionner radialement et tangentiellement la pale 28 du distributeur 2 et de rigidifîer la pale 28 dans le plan radial de la turbine. Sous l'effet de l'effort des gaz, le secteur va basculer autour de l'axe formé par les premier et deuxième trous rond et oblong 244. La butée va alors empêcher que le distributeur ne bascule.
L'invention fournit ainsi une turbine de turbomachine comprenant un étage distributeur de turbine en CMC dont le montage est simplifié et adapté pour maintenir les secteurs annulaires de façon déterministe tout en permettant au secteur annulaire de se déformer indépendamment des pièces métalliques en interface.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS
    1. Turbine (1) de turbomachine comprenant un carter (4) et un étage distributeur de turbine (2), l'étage distributeur (2) de turbine (1) étant en matériau composite à matrice céramique et comportant une pluralité de secteurs (20) annulaires formant une couronne présentant une virole intérieure (240) et une virole extérieure (260), chaque secteur (20) annulaire ayant une plateforme intérieure (24) formant une partie de la virole intérieure (240), une plateforme extérieure (26) formant une partie de la virole extérieure (260), et au moins une pale (28) s'étendant entre la plateforme extérieure (26) et la plateforme intérieure (24) et solidaire de celles-ci, ladite pale (28) présentant un profil creux définissant un logement interne (280) s'étendant entre la plateforme intérieure (24) et la plateforme extérieure (26), et les plateformes intérieure et extérieure (24, 26) présentant chacune un orifice (245, 265) communiquant avec ledit logement (280) interne de la pale (28), caractérisée ce que chaque secteur (20) annulaire de l'étage distributeur (2) comprend au moins un mât (6) traversant lesdits orifices (245, 265) des plateformes et le logement interne (280) de ladite au moins une pale (28), ledit mât étant fixé audit carter (4) d'une part et en liaison avec ledit secteur (20) annulaire d'autre part, et un premier et un second pions (63), la plateforme intérieure (24) comportant une portion (242) en saillie vers l'intérieure de la couronne de l'étage distributeur (2) présentant un premier orifice (244) circulaire configuré pour recevoir le premier pion (63) et un deuxième orifice oblong configuré pour recevoir le second pion, le mât (6) comportant en outre un troisième orifice (66) et un quatrième orifice circulaires, le premier pion (63) traversant le premier orifice (244) et le troisième orifice (66) et le second pion traversant le deuxième orifice et le quatrième orifice pour fixer le mât (6) au secteur annulaire (20).
  2. 2. Turbine (1) selon la revendication 1, dans lequel la plateforme extérieure (26) comprend une butée (7) s'étendant en saillie de la face (24e) de la plateforme extérieure (26) en regard du carter (4) en direction du carter (4), et le carter (4) comprend une nervure annulaire (8) s'étendant en saillie vers la plateforme extérieure (26) et coopérant avec ladite butée (7).
  3. 3. Turbine (1) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans 5 lequel le mât (6) est en matériau métallique.
  4. 4. Turbine (1) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le mât (6) est réalisé en une seule pièce avec le carter (4).
    10
  5. 5. Turbine (1) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel chaque secteur (20) annulaire comprend une pluralité de pâles (28) et un mât (6) pour chaque pâle (28) du secteur (20) annulaire.
  6. 6. Turbomachine comprenant au moins une turbine (1) de 15 turbomachine selon l'une des revendications 1 à 5.
  7. 7. Aéronef comprenant au moins une turbomachine selon la revendication 6.
    I
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