FR3066533B1 - Ensemble d'etancheite pour une turbomachine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un ensemble (1) pour une turbomachine, comportant : un stator (14) ; un rotor (15) mobile en rotation par rapport au stator (14) autour d'un axe (X) ; des moyens d'étanchéité entre le rotor (15) et le stator (14), lesdits moyens d'étanchéité comportant au moins une léchette (11, 12) engagée dans une gorge de forme complémentaire de façon à former un joint de type labyrinthe, la léchette (11, 12) s'étendant depuis le rotor (15), la gorge étant formée par le stator (14), ou inversement ; caractérisé en ce que le rotor (15) comporte au moins un premier aimant disposé au niveau de la léchette (11, 12), le stator comportant au moins un second aimant disposé au niveau de la gorge, lesdits aimants et coopérant de façon à centrer axialement ou radialement la léchette (11, 12) dans la gorge.

Description

Ensemble d’étanchéité pour une turbomachine

DOMAINE

La présente invention concerne un ensemble d’étanchéité pour une turbomachine, telle par exemple qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion.

CONTEXTE

Une turbomachine, en particulier une turbomachine à double corps, comporte classiquement, d'amont en aval, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression.

Par convention, dans la présente demande, les termes " amont " et " aval " sont définis par rapport au sens de circulation de l'air dans la turbomachine. De même, par convention dans la présente demande, les termes " intérieur " et " extérieur ", " inférieur " et " supérieur " et " interne " et " externe " sont définis radialement par rapport à l'axe de la turbomachine.

Une turbine basse pression de turbomachine comprend un arbre de turbine sur lequel sont montés plusieurs étages successifs comportant chacun une roue à aubes et un distributeur. Chaque roue à aubes comprend un disque portant à sa périphérie externe des aubes sensiblement radiales, les disques des différentes roues étant reliés coaxialement les uns aux autres et à l'arbre d'entraînement du rotor de la turbine par des moyens appropriés. Chaque distributeur comprend une virole annulaire interne et une virole annulaire externe entre lesquelles s'étendent des pales sensiblement radiales. La virole externe du distributeur comprend des moyens d'accrochage et de fixation sur un carter externe de la turbine. L'ensemble des distributeurs forme la partie fixe du moteur appelée stator.

Les aubes de chaque roue du rotor comportent classiquement des léchettes à leur périphérie radialement externe, coopérant avec un anneau de matériau abradable de façon à former des moyens d’étanchéité de type joint à labyrinthe.

Une telle structure est par exemple connue du document FR 2 879 649.

Afin de garantir un rendement élevé de la turbomachine, il est nécessaire de contrôler les jeux au niveau desdits joints et limiter les débits de fuite à l’interface entre les léchettes des aubes et l’anneau en matériau abradable.

Afin d’améliorer encore l’efficacité de tels joints labyrinthe ainsi que le montage de la turbine, la demande de brevet FR 16/61045 au nom de la Demanderesse, propose une turbine pour turbomachine, notamment pour un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion, comportant un stator ou carter et un rotor comprenant des aubes dont la périphérie radialement externe comporte des léchettes s’étendant radialement vers l’extérieur. Un anneau sectorisé en matériau abradable s’étend autour des aubes. L’extrémité radialement externe de chaque léchette est engagée dans une gorge de l’anneau en matériau abradable de manière à former un joint de type labyrinthe. Ledit anneau est formé de plusieurs secteurs angulaires contigus.

Les léchettes forment ainsi un joint de type labyrinthe avec les parois des gorges correspondantes, ledit joint permet une perte de charge importante et limite ainsi la circulation d’air entre les léchettes et les gorges correspondantes.

En fonctionnement, les léchettes peuvent frotter contre les parois latérales des gorges, ce qui peut engendrer une détérioration prématurée des léchettes et de l’anneau et nuire aux performances de tels moyens d’étanchéité et de la turbomachine.

Le document US 2016/0326889 divulgue une turbine comportant un rotor comportant des aubes dont la périphérie radialement interne comporte au moins une léchette s’étendant axialement, engagée dans une gorge d’un distributeur situé à l’amont, de manière à former un joint de type labyrinthe. Comme précédemment, il existe un risque de frottement et donc de dégradation prématurée entre la léchette du rotor et le distributeur.

Il existe un besoin d’augmenter encore l’efficacité d’un tel joint labyrinthe tout en évitant les frottements précités en fonctionnement.

RESUME DE L’INVENTION A cet effet, la présente invention propose un ensemble pour une turbomachine, comportant : un stator, un rotor mobile en rotation par rapport au stator autour d’un axe, des moyens d’étanchéité entre le rotor et le stator, lesdits moyens d’étanchéité comportant au moins une léchette engagée dans une gorge de forme complémentaire de façon à former un joint de type labyrinthe, la léchette s’étendant depuis le rotor, la gorge étant formée par le stator, ou inversement, caractérisé en ce que le rotor comporte au moins un premier moyen de répulsion sans contact, par exemple un aimant, disposé au niveau de la léchette, le stator comportant au moins un second moyen de répulsion sans contact, par exemple un aimant, disposé au niveau de la gorge, lesdits moyens de répulsion sans contact coopérant de façon à centrer axialement ou radialement la léchette dans la gorge.

Le centrage axial ou radial de la léchette dans la gorge à l’aide des moyens de répulsion sans contact permet d’éviter les frottements entre ladite léchette et les parois latérales de la gorge et, par conséquent, d’éviter toute dégradation prématurée des éléments précités. Par ailleurs, il est possible d’utiliser des léchettes et des gorges de grande dimension, de façon à ce que la léchette pénètre dans la gorge sur une distance importante, de façon à maximiser les pertes de charge et donc l’efficacité de ces moyens d’étanchéité.

Les moyens de répulsion sans contact peuvent être des aimants permanents ou tout autre moyen de répulsion sans contact de type magnétique ou pneumatique.

La gorge peut être délimitée par deux léchettes s’étendant depuis le stator ou respectivement depuis le rotor.

La léchette et la gorge peuvent s’étendre radialement ou axialement.

Le stator peut comporter une première partie fixe et une seconde partie mobile axialement ou radialement en translation par rapport à la première partie.

Les deux premiers aimants peuvent être disposés axialement ou radialement de part et d’autre d’au moins une léchette, deux seconds aimants étant disposés dans la gorge, axialement ou radialement de part et d’autre de la léchette et des deux premiers aimants. Ainsi, en disposant deux premiers et seconds aimants de part et d’autre d’au moins une léchette, l’effet de centrage est effectué en amont et aval de la léchette ce qui permet de réduire encore plus efficacement les frottements entre la léchette et la gorge.

Les moyens d’étanchéité peuvent comporter au moins une première léchette et une seconde léchette, engagées respectivement dans une première gorge et dans une seconde gorge, les deux premiers aimants étant disposés respectivement sur les première et seconde léchettes et orientés axialement ou radialement à l’opposé l’un de l’autre, les deux seconds aimants étant disposés respectivement au niveau de la première gorge et de la seconde gorge, en regard du premier aimant correspondant.

La léchette peut s’étendre radialement et être engagée dans la gorge correspondante sur une distance radiale d’environ un tiers de sa hauteur.

La léchette peut s’étendre axialement et être engagée dans la gorge correspondante sur une distance axiale d’environ un tiers de sa longueur.

Chaque léchette peut être montée avec un jeu axial ou respectivement radial dans la gorge correspondante, ledit jeu correspondant à trois fois son épaisseur.

Les inventeurs ont pu constater que ces proportions sont avantageuses pour augmenter les pertes de charge entre la léchette et la gorge de sorte que l’étanchéité de la turbomachine est améliorée. L’invention concerne également une turbine pour une turbomachine comportant au moins un ensemble tel que décrit ci-dessus. L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif en référence aux dessins annexés.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES - la figure 1 est une demi-vue en coupe axiale, d’une turbine basse-pression d’une turbomachine, selon un mode de réalisation de l’invention ; - la figure 2 est une vue de détail d’une partie de la turbine basse-pression de la figure 1, - la figure 3 est une vue de détail d’une partie de la turbine basse-pression de la figure 1, - les figures 4 et 5 sont des vues schématiques, de détail, illustrant une variante de réalisation de l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE

Les figures 1 à 3 représentent une partie 1 d’une turbine basse-pression d’une turbomachine d’axe X, telle par exemple qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion.

Une turbine basse-pression comporte classiquement un arbre de turbine sur lequel sont montés plusieurs étages successifs comportant chacun une roue à aubes et un distributeur 2. Chaque roue à aubes comprend un disque portant à sa périphérie externe des aubes 10 sensiblement radiales, les disques des différentes roues étant reliés coaxialement les uns aux autres et à l'arbre d'entraînement du rotor de la turbine, autour de l’axe X, par des moyens appropriés.

Chaque roue à aubes est intercalée axialement entre un distributeur amont 2a et un distributeur aval 2b.

Chaque distributeur 2 comprend une virole annulaire interne 3 et une virole annulaire externe 4 entre lesquelles s'étendent des pales 10 sensiblement radiales.

Sur la figure 1 notamment, seule une partie d’une roue à aubes est représentée. Par ailleurs, seule la virole interne 3 du distributeur amont 2a et seule la virole externe 4 du distributeur aval 2b sont représentées.

La virole externe 4 de chaque distributeur 2 comprend des moyens d'accrochage et de fixation sur un carter externe de la turbine, en particulier sur une paroi tronconique 5 radialement externe du carter.

La paroi tronconique 5 du carter comporte notamment une bride amont 5a et une bride aval 5b. La bride amont 5a s’étend radialement vers l’intérieur depuis la paroi tronconique 5 et comporte une gorge 5c débouchant vers l’aval. La bride aval 5b comporte une partie s’étendant radialement vers l’intérieur depuis la paroi tronconique 5 et une partie 5d en portion de cylindre s’étendant depuis la partie radiale.

La virole externe 4 du distributeur aval 2b comporte une paroi tronconique 4a délimitant la périphérie radialement externe d’une veine de circulation de gaz, une paroi amont 4b et une paroi aval 4c s’étendant radialement vers l’extérieur depuis la paroi tronconique 4a. La paroi amont 4b comporte une gorge 4f radialement externe et une gorge 4d radialement interne débouchant axialement vers l’amont.

La partie 5d de la bride aval 5b du carter est engagée dans la gorge radialement externe de la virole externe 4 de façon à assurer la fixation de ladite virole 4 sur le carter.

Le rebord aval 5e comporte une partie en portion de cylindre s’étendant radialement vers l’aval, destinée à être reliée ou fixée au carter par des moyens non représentés.

La virole interne 3 du distributeur amont 2a comporte une paroi tronconique 3a délimitant la périphérie radialement interne de la veine de circulation de gaz, une partie 3b s’étendant radialement vers l’intérieur depuis la paroi tronconique 3a, et une partie s’étendant axialement depuis la périphérie radialement interne de la partie radiale. Ladite partie radiale comporte une zone annulaire en renfoncement, une gorge 3c radialement externe et une gorge 3d radialement interne. Lesdites gorges 3c et 3d débouchent radialement l’une en regard de l’autre, dans la zone annulaire en renfoncement.

Un premier organe d’étanchéité 6 est monté sur la paroi conique 5. Le premier organe d’étanchéité 6 appartient au stator 14 et comporte une paroi radialement externe 6a en portion de cylindre à partir de laquelle des léchettes 7 s’étendent radialement vers l’intérieur. Dans le cas de la forme de réalisation des figures 1 à 3, le premier organe d’étanchéité 6 comporte trois léchettes 7a, 7b et 7c, écartées axialement l’une de l’autre d’une distance correspondante à trois fois l’épaisseur de la léchette. L’extrémité amont 6b de la paroi cylindrique 6a est engagée dans la gorge 5c de la bride amont 5a du carter. L’extrémité aval 6c de la paroi cylindrique 6a du carter est prolongée par une partie 6d s’étendant radialement vers l’extérieur depuis ladite extrémité aval 6c. La partie radiale 6d est elle-même prolongée par une partie s’étendant axialement vers l’aval, engagée dans la gorge 4d radialement interne de la virole externe aval 4.

La forme des gorges 4d et 4f et du premier organe d’étanchéité 6 permet d’assurer le maintien radial en position du premier organe d’étanchéité 6 par rapport au carter et à la virole externe aval 4, tout en autorisant une translation axiale dudit premier organe d’étanchéité 6 par rapport au carter et à la virole externe aval 4.

Le premier organe d’étanchéité 6 est par exemple apte à se déplacer en translation sur une distance comprise entre 5 et 15 mm par rapport au carter et à la virole externe aval 4 correspondant aux déplacements en fonctionnement de la turbine.

Un second organe d’étanchéité 8 est monté sur la virole interne 3 du distributeur amont 2a. Le second organe d’étanchéité 8 comporte une paroi 8a s’étendant radialement à partir de laquelle des léchettes 9 en forme de portion de cylindre s’étendent axialement vers l’aval. Dans le cas de la forme de réalisation des figures 1 à 3, le second organe d’étanchéité 8 comporte trois léchettes 9a, 9b et 9c, écartées radialement l’une de l’autre d’une distance comprise correspondante à trois fois l’épaisseur de la léchette.

La périphérie radialement interne de la paroi radiale 8a est engagée dans la gorge radialement interne 3d de la virole interne amont 3. La périphérie radialement externe de la paroi radiale 8a est engagée dans la gorge 3c radialement externe de la virole interne amont 3.

La paroi radiale 8a est logée, au moins en partie, dans le renfoncement de la virole interne amont 3.

La forme des gorges 3c et 3d et du second organe d’étanchéité 8 permet d’assurer le maintien axial en position du second organe d’étanchéité 8 par rapport à la virole interne amont 3, tout en autorisant une translation radiale dudit second organe d’étanchéité 8 par rapport à la virole interne amont 3.

Le second organe d’étanchéité 8 est par exemple apte à se déplacer en translation sur une distance comprise entre 5 et 15 mm par rapport à la virole interne amont 3 correspondante à la dilatation et à l’effort centrifuge que subit le rotor. L'ensemble des distributeurs 2a et 2b, en particulier les viroles interne et externe 3 et 4, ainsi que le carter, forment la partie fixe du moteur appelée stator 14.

Les aubes de l’une au moins des roues du rotor 15 comportent, à leur périphérie radialement externe, une plate-forme externe 10a de forme tronconique à partir de laquelle au moins une léchette 11 s’étend radialement vers l’extérieur. Dans la forme de réalisation représentée aux figures 1 à 3, chaque aube 10 comporte deux léchettes 11a et 11b, écartées axialement l’une de l’autre d’une distance comprise entre 3 et 8 mm par exemple correspondant à trois fois l’épaisseur de la léchette.

La partie radialement interne 10b des aubes 10 comporte au moins une léchette 12 en forme de portion de cylindre, s’étendant axialement vers l’amont. Dans la forme de réalisation représentée aux figures 1 à 3, chaque aube 10 comporte deux léchettes 12a et 12b, écartées radialement l’une de l’autre d’une distance comprise entre 3 et 8 mm par exemple correspondant à trois fois l’épaisseur de la léchette.

Les léchettes 11 des aubes 10 sont engagées chacune axialement entre deux léchettes 7 du premier organe d’étanchéité 6. En d’autres termes, chaque léchette 11 de l’aube 10 pénètre radialement, par exemple sur une distance comprise entre 3 et 10 mm, correspondant à un tiers de sa hauteur dans la gorge ou l’espace annulaire formé entre deux léchettes 7 du premier organe d’étanchéité 6.

Les léchettes 12 des aubes 10 sont engagées chacune radialement entre deux léchettes 9 du second organe d’étanchéité 8. En d’autres termes, chaque léchette 12 de l’aube 10 pénètre axialement, par exemple sur une distance comprise entre 5 et 15 mm, correspondant à un tiers de sa longueur dans la gorge ou l’espace annulaire formé entre deux léchettes 9 du second organe d’étanchéité 8.

De tels agencements des léchettes forment des moyens d’étanchéité de type joint à labyrinthe.

En effet, les léchettes délimitent entre elles des canaux en forme de labyrinthe, générant des pertes de charge importantes de façon à réduire le débit de fuite circulant dans lesdits canaux.

De tels pertes de charge, et donc l’efficacité de ces moyens d’étanchéité, sont d’autant plus importantes que la distance de pénétration des léchettes dans les gorges formées par les léchettes opposées est importante.

Afin d’éviter ou de limiter les frottements entre les léchettes en fonctionnement, des aimants sont montés sur les léchettes.

En particulier, dans la forme de réalisation des figures 1 à 3, au moins un aimant 13a est fixé sur la face aval de la léchette amont et au moins un aimant 13a est fixé sur la face amont de la léchette aval 7c. On notera que la léchette médiane 7b, située axialement entre la léchette amont 7a et la léchette aval 7c, est dépourvue d’aimant. Par ailleurs, un aimant 13b est fixé sur la face amont de la léchette amont 7a, et un aimant 13b est fixé sur la face aval de la léchette aval 7c. Les aimants 13a et 13b sont montés de façon à se repousser deux à deux, de manière à centrer axialement les léchettes 11 de l’aube dans les gorges formées entre les léchettes 7 du premier organe d’étanchéité 6. Selon une variante non représentée, des aimants peuvent être présents sur la léchette médiane 7b.

Par ailleurs, au moins un aimant 13a est fixé sur la face radialement externe de la léchette 9a radialement interne et au moins un aimant 13a est fixé sur la face radialement interne de la léchette 9c radialement externe. On notera que la léchette médiane 9b, située radialement entre la léchette 9a radialement interne et la léchette 9c radialement externe, est dépourvue d’aimant. Par ailleurs, un aimant 13b est fixé sur la face radialement interne de la léchette 12a radialement interne, et un aimant 13b est fixé sur la face radialement externe de la léchette 12b radialement externe. Les aimants 13a et 13b sont montés de façon à se repousser deux à deux, de façon à centrer radialement les léchettes 12 de l’aube dans les gorges formées entre les léchettes 9 du second organe d’étanchéité 8.

Un jeu axial ou respectivement radial est ménagé entre les léchettes 11 et/ou les aimants 13b de l’aube 10 et les léchettes 12 et/ou les aimants 13b du premier ou du second organe d’étanchéité 6 ou 8. Ce jeu est par exemple compris entre 1 et 5 mm.

La figure 4 illustre une variante de réalisation, qui diffère de celle exposée précédemment en ce que l’aube 10 comporte une seule léchette 11 radiale, engagée dans une gorge formée par deux léchettes radiales 7 du premier organe d’étanchéité 6.

Dans ce cas, la léchette radiale 11 de l’aube 10 comporte au moins un aimant 13b fixé sur la face amont de la léchette 11 et au moins un aimant 13b fixé sur la face aval de la léchette 11. Par ailleurs, un aimant 13a est fixé sur la face aval de la léchette amont 7a du premier organe d’étanchéité 6 et un aimant 13a est fixé sur la face amont de la léchette aval 7c du premier organe d’étanchéité 6.

Comme précédemment, les aimants 13a et 13b sont montés de façon à se repousser deux à deux, de manière à centrer axialement la léchette 11 de l’aube 10 dans la gorge formée entre les léchettes 7a et 7c du premier organe d’étanchéité 8.

Par ailleurs, et comme illustré dans la figure 5, l’aube 10 comporte une seule léchette axiale 12, engagée dans une gorge formée par deux léchettes axiales 9 du second organe d’étanchéité 8.

Dans ce cas, la léchette axiale 12 de l’aube 10 comporte au moins un aimant 13b fixé sur la face radialement interne de la léchette 12 et au moins un aimant 13b fixé sur la face radialement externe de la léchette 12. Par ailleurs, un aimant 13a est fixé sur la face radialement externe de la léchette 9a radialement interne du second organe d’étanchéité 8 et un aimant 13a est fixé sur la face radialement interne de la léchette 9c radialement externe du second organe d’étanchéité 8.

Dans le présent exposé il est prévu que les aimants 13a et 13b présentent des polarités similaires afin de permettre le centrage des léchettes dans leur gorge respective. Toutefois d’autres modes de réalisation pourraient être prévus par l'homme du métier sans s’écarter de la portée de l’invention.

Par ailleurs, le nombre de léchettes peut également varier en fonction des applications.

Comme précédemment, les aimants 13a et 13b sont montés de façon à se repousser deux à deux, de manière à centrer radialement la léchette 12 de l’aube 10 dans la gorge formée entre les léchettes 9 du second organe d’étanchéité 8.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Ensemble d’étanchéité (1) pour une turbomachine, comportant : - un stator (14), - un rotor (15) mobile en rotation par rapport au stator (14) autour d’un axe (X), - des moyens d’étanchéité entre le rotor (15) et le stator (14), lesdits moyens d’étanchéité comportant au moins une léchette (11, 12) engagée dans une gorge de forme complémentaire de façon à former un joint de type labyrinthe, la léchette (11, 12) s’étendant depuis le rotor (15), la gorge étant formée par le stator (14), ou inversement, caractérisé en ce que le rotor (15) comporte au moins un premier moyen de répulsion sans contact (13b), par exemple un aimant, disposé au niveau de la léchette (11, 12), le stator comportant au moins un second moyen de répulsion sans contact (13a), par exemple un aimant, disposé au niveau de la gorge, lesdits moyens de répulsion sans contact (13a, 13b) coopérant de façon à centrer axialement ou radialement la léchette (11, 12) dans la gorge.
2. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gorge est délimitée par deux léchettes (7, 9) s’étendant depuis le stator (14) ou respectivement depuis le rotor (15).
3. 3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la léchette (11, 12) et la gorge s’étendent radialement ou axialement.
4. 4. Ensemble selon l’une des revendication 1 à 3, caractérisé en ce que le stator (14) comporte une première partie fixe et une seconde partie mobile axialement ou radialement en translation par rapport à la première partie, la seconde partie mobile comprenant la gorge.
5. 5. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que deux premiers aimants (13b) sont disposées axialement ou radialement de part et d’autre d’au moins une léchette (11,12), deux seconds aimants (13a) étant disposés dans la gorge, axialement ou radialement de part et d’autre de la léchette (11, 12) et des deux premiers aimants (13b).
6. 6. Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d’étanchéité comportent au moins une première léchette (11a, 12a) et une seconde léchette (11b, 12b), engagées respectivement dans une première gorge et dans une seconde gorge, les deux premiers aimants (13b) étant disposés respectivement sur les première et seconde léchettes et orientés axialement ou radialement à l’opposé l’un de l’autre, les deux seconds aimants (13a) étant disposés respectivement au niveau de la première gorge et de la seconde gorge, en regard du premier aimant (13b) correspondant.
7. 7. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque léchette (11, 12) s’étend radialement et est engagée dans la gorge correspondante sur une distance radiale comprise entre 3 et 10 mm.
8. 8. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque léchette (11, 12) s’étend axialement et est engagée dans la gorge correspondante sur une distance axiale comprise entre 5 et 15 mm.
9. 9. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque léchette (11, 12) est monté avec un jeu axial ou respectivement radial dans la gorge correspondante, ledit jeu étant compris entre 1 et 5 mm.
10. 10. Turbine pour une turbomachine comportant au moins un ensemble selon l’une des revendications 1 à 9.