FR3069014A1 - Partie de turbomachine a tole ressort - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une partie de turbomachine comprenant un carter (211) annulaire, un distributeur (208), une tôle (230) de protection thermique interposée radialement entre le carter et le distributeur. Il est prévu que ladite tôle de protection comprend une tôle à effet ressort en appui contre le distributeur et le carter externe (211), pour lutter contre une bascule du distributeur (208) et le maintenir en appui radial et axial contre des parties (301, 302, 305, 306) du carter (211).

Description

La présente invention concerne le domaine des turbomachines pour aéronef et vise une partie de turbomachine comprenant un distributeur, tel en particulier un distributeur annulaire de turbine axiale.

Dans le présent texte, est axial ce qui s’étend suivant ou parallèlement à l’axe longitudinal (X) de rotation de la partie concernée de la turbomachine, lequel axe sera a priori l’axe général de rotation de cette turbomachine. Sera radial ce qui s’étend radialement à cet axe. Par ailleurs, les références amont et aval sont à considérer en liaison la direction de l’écoulement des gaz dans la (partie de) turbomachine considérée : ces gaz entrent à l’amont et sortent à l’aval, en circulant globalement parallèlement à l’axe longitudinal de rotation précité.

En se référant d’abord à la figure 1, on voit schématiquement un moteur à turbine à gaz 1 pour aéronef, du type à turbosoufflante connu. Cette turbomachine comprend, de l'amont (AM) vers l'aval (AV), le long de l’axe longitudinal X, axe de rotation : une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6 et une turbine basse pression 7. Sur la figure 1, la flèche Fp marque la veine 1a d’air primaire qui s’engouffre dans le compresseur 3 et les éléments qui le suivent. La flèche Fs marque la veine 1b d’air secondaire qui entoure la veine primaire 1a.

La turbine basse pression 7 peut comprendre plusieurs étages mobiles sur un même rotor et ainsi entraîner, par l'intermédiaire d'un arbre central, l'ensemble formé par la soufflante 2 et le compresseur basse pression 3.

La turbine haute pression 6 entraîne de façon indépendante le compresseur haute pression 4.

Comme illustré sur la figure 2, qui correspond à l’art antérieur du document FR 3039201, la section de turbine basse pression 7 comprend un distributeur 8 ou stator.

Ce distributeur 8 est en amont d'une roue pourvue d’aubes mobiles et disposée à l'intérieur du carter 10 de la turbine. La roue mobile tourne autour de l'axe X (figure 1 ), à l'intérieur d'un anneau de turbine 9'.

Le distributeur 8 est formé d'aubes fixes disposées en une roue divisée, autour de l’axe X, en une pluralité de secteurs 80a,80b (figure 3) répartis autour de l'axe de la machine, circonférentiellement. Chaque secteur comprend plusieurs aubes fixes adjacentes solidaires d'un élément en secteur d'anneau 81 définissant une plateforme extérieure pour le distributeur (figure 2), donc une zone qui, avec les plateformes extérieures 90 des aubes mobiles 9 et celles des autres distributeurs, limite en périphérie extérieure la veine primaire 1a.

Comme les autres secteurs, le secteur 80a de distributeur est maintenu à l'amont par une nervure en forme de rail 101 s'étendant axialement depuis une branche sensiblement radiale 103 de la paroi interne du carter 10. Un crochet ou becquet amont 82 solidaire de l'élément en secteur d'anneau 81 est en appui contre une face radialement externe du rail 101. A l'aval, l'élément 81 comprend une nervure radiale périphérique 83, perpendiculaire à l'axe (X) du distributeur, qui s'appuie par une face radialement extérieure 83a et une face aval 83b d’un becquet aval 84 sur des faces correspondantes d'un rail annulaire 102 qui s'étend avec un rebord axialement depuis la paroi intérieure du carter 10 avec un bord aval tourné vers l'axe.

L’un parmi une série de pions anti-rotation 20 disposés circonférentiellement, est logé dans un logement 11, ici radial, du carter 10. Le pion 20 est en saillie à l'intérieur du carter et s’engage dans un cran 83c usiné dans la nervure 83 du secteur 80a (figure 3).

Le pion 20 est ajusté serré dans le logement 11 du carter mais aussi dans le cran 83c. Il comporte deux flancs qui sont glissés entre les flancs du cran usinés parallèlement à l'axe du distributeur. Le cran est ouvert à l'amont et est situé au centre du secteur. De cette manière chaque secteur est maintenu fixe en rotation par rapport au carter tout en pouvant se dilater circonférentiellement, de part et d'autre du pion, et se mouvoir axialement dans une certaine mesure.

Une tôle de protection thermique 30 est disposée entre le secteur d'anneau 81 de chaque secteur, tel ici celui 80a, et la paroi interne du carter.

La tôle a une forme générale en secteur d'anneau qui à l'amont s'appuie contre une surface de butée ménagée dans le carter qui peut être au niveau du rail amont 101. A l'aval, la tôle de protection 30 est découpée en une série d’échancrures suivant le contour de la saillie 83' de la nervure correspondante (figure 3). Une languette 30a dans le fond de l'échancrure prend appui contre le pion anti-rotation 20 considéré.

Sur la figure 4, qui qui correspond encore au document FR 3039201, les pièces identiques, dans leur fonction et/ou leur structure, à celles précitées ont reçu la même référence augmentée d’une centaine (ainsi 83 devient 830).

Ainsi, une épingle 12 parmi ici une série d’épingles identiques est fixée à la tôle 300 de protection thermique et s’étend localement autour d’elle, pour caler radialement cette tôle 300 de protection thermique entre le carter 100 et certains au moins des secteurs du distributeur 800 et/ou des pions 200. Chaque épingle 12 est un raidisseur de la tôle de protection et ne joue aucun rôle dans le maintien du distributeur.

La tôle 300 va pouvoir être radialement maintenue plus précisément dans l’espace annulaire 13 qui s’étend radialement entre le carter 100 et les secteurs du distributeur 800. Les épingles 12 vont recentrer la tôle 300 sur le distributeur, en limitant les jeux entre celle-ci et ce distributeur.

On retrouve dans cette solution, un carter 100 annulaire présentant un logement 110 pour le pion 200 illustré. Et une pluralité de secteurs (tel celui 800a figure 5) de distributeur 800, chacun en forme de secteur d'anneau, sont répartis circonférentiellement autour de l’axe X.

Pour caler en rotation les secteurs du distributeur 800, les pions 200 peuvent être montés comme sur la figure 3.

La tôle 300 de protection thermique est toujours interposée radialement entre une paroi interne du carter 100 et une paroi externe du secteur, ici 800a, du distributeur.

Pour caler la tôle 300, chaque épingle 12 vient en butée radiale contre le pion et le secteur de distributeur considérés, comme illustré.

Vers l’amont, chaque épingle 12 vient axialement en butée contre la face intérieure 140 d’un rebord 14 de la tôle 300, et, vers l’aval, s’étend à proximité immédiate de la nervure périphérique 830, sensiblement radiale, qui se dresse sur l'élément en secteur d'anneau 810. Un jeu axial J réduit est établi avec cette partie sensiblement radiale, permettant ainsi de limiter un éventuel débattement axial de l’épingle en cas de perte de serrage de l’épingle sur la tôle 300.

Ainsi, est connue à ce jour une partie de turbomachine présentant un axe longitudinal de rotation et comprenant :

- un carter annulaire,

- un distributeur disposé radialement à l'intérieur du carter et comprenant une pluralité de secteurs disposés circonférentiellement autour de l’axe longitudinal,

- au moins une tôle de protection thermique interposée radialement entre le carter et le distributeur.

Parmi les problèmes persistants existants dans une telle partie, on peut noter le nombre de cotes (typiquement entre 5 et 10 suivant les étages) à prendre en compte pour les montages/démontages possibles et les jeux à respecter pour les étanchéités, ainsi que le caractère délicat du calcul des tolérances.

On peut aussi noter le problème de blocage de rotor (rotor look), en particulier, lors d’un arrêt moteur, quand, après un laps de temps, les léchettes de rotor, typiquement prévues notamment en extrémités extérieures des aubes mobiles, viennent en contact avec les revêtements abradables, typiquement prévus sur le stator, en face interne du carter extérieur qui entoure les aubes mobiles et les distributeurs, ce contact étant provoqué par la différence de vitesse de refroidissement entre le rotor et le stator.

On constate également, durant la rotation du moteur, des freinages, lors de certaines phases, dus aux efforts de frottement, trop importants en pied de distributeur, entre les léchettes et les abradables.

De fait, si on sait globalement déterminer la position des léchettes suivant les différentes phases de fonctionnement du moteur, on ne sait pas suffisamment déterminer précisément la position des distributeurs. Une raison peut être en partie due à leur mode de montage (montage en bascule) qui nécessite un minimum de jeu. Une partie de jeu est résiduelle lorsque le distributeur est en place.

Eliminer/réduire encore ce jeu résiduel est donc une voie qui a été explorée.

Aussi, afin de solutionner tout ou partie des problèmes ci-avant, est-il ici proposé que la tôle de protection thermique précitée comprenne une tôle à effet ressort en appui contre le distributeur et le carter externe.

Ainsi, on va lutter contre une bascule du distributeur, sans modifier un possible montage en bascule, et maintenir ce distributeur en appui radial et axial contre les parties (environnantes) concernées du carter. Par là même, on va maîtriser la position des abradables ce qui permettra de connaître la position relative des léchettes du rotor et des abradables du stator à tout moment du fonctionnement de la turbine et donc pouvoir éviter le phénomène de rotor-lock (blocage rotor).

Pour appliquer les efforts là où il est préférable et pouvoir réaliser de façon relativement simple, en série, la tôle à effet ressort, avec des conditions de montages/démontages relativement aisées, il est conseillé que la tôle à effet ressort présente une première forme en épingle axiale pour une élasticité radiale et une seconde forme en épingle radiale pour une élasticité axiale.

Ainsi, lors du montage du distributeur, la tôle de protection (qui est solidaire au distributeur) sera légèrement écrasée entre le distributeur et le carter annulaire concerné (qui peut être celui de la turbine basse pression).

Cette déformation temporaire doit se faire dans la limite élastique du matériau afin que la tôle puisse conserver sa fonction (plaquer le distributeur sur ses appuis).

Pour des effets comparables, il est par ailleurs conseillé que :

- à l’endroit de la première forme en épingle axiale, ladite tôle à effet ressort soit en appui contre le carter externe, et,

- vers une première extrémité proche de ladite forme en épingle axiale, la tôle à effet ressort soit en appui contre le distributeur, avec une composante essentiellement radiale, et,

- vers une seconde extrémité proche de ladite forme en épingle radiale, la tôle à effet ressort soit aussi en appui contre le distributeur, avec une composante essentiellement axiale.

La fonction ressort de la tôle permet d’éliminer (du moins réduire au maximum) le jeu résiduel entre le distributeur et le carter. Ce jeu est essentiel au montage dit en bascule. Une telle construction sera en particulier efficace, de par les formes et zones concernées si, comme conseillé:

- vers la première forme en épingle axiale, le distributeur est en appui contre une première desdites parties du carter qui définit une nervure essentiellement axiale d’appui pour un becquet d’une plateforme extérieure du distributeur, et

- que, vers la seconde forme en épingle radiale, le distributeur est en appui contre une seconde desdites parties du carter qui définit une autre nervure essentiellement axiale et/ou radiale d’appui pour un autre becquet de la plateforme extérieure du distributeur.

Et, dans ce cadre, il est même prévu et recommandé:

- que, vers là où la tôle à effet ressort est donc en appui contre le distributeur, avec ladite composante essentiellement radiale, le distributeur soit en appui contre une première desdites parties du carter qui définit une nervure essentiellement axiale d’appui pour un becquet d’une plateforme extérieure du distributeur, et

- que, vers là où la même tôle est aussi en appui contre le distributeur, avec ladite composante essentiellement axiale, le distributeur soit en appui contre une seconde desdites parties du carter qui définit une autre nervure essentiellement axiale et/ou radiale d’appui pour un autre becquet de la plateforme extérieure du distributeur. En maintenant le distributeur sur ses appuis, la tôle ressort permet de garantir une position plus stable du distributeur aussi bien en radial qu’en axial.

Il est aussi proposé qu’entre ladite autre nervure essentiellement axiale et/ou radiale d’appui qui définit un crochet radial, et ledit autre becquet de la plateforme extérieure du distributeur qui s’étend sensiblement axialement, soit interposée une cale.

Une telle cale pourra permettre un réglage opérationnel et ainsi positionner tous les distributeurs d’une même couronne complète à une même station d’intervention.

Selon un autre aspect, des encoches seront ménagés dans la plateforme du distributeur et y seront reçues les extrémités des tôles à effet ressort.

Ainsi, de façon simple, leur tension et leurs calages seront optimisés et conformes entre les tôles.

En particulier, l’invention pourra s’appliquer lorsque la tôle à effet ressort est sectorisée, comme l’est le distributeur.

Si nécessaire, l’invention sera encore mieux comprise et d’autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit, faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

- la figure 1 est un schéma en coupe axiale d’un moteur à turbine à gaz connu sur lequel la solution à épingle(s) de l’invention peut s’appliquer ;

- la figure 2 est une vue partielle en coupe axiale d’une section de turbine axiale basse pression selon la figure 1, au niveau de sa circonférence extérieure;

- la figure 3 est une vue en direction de l'axe du moteur du distributeur de la figure 2 avec une partie arrachée;

- la figure 4 est une coupe comme la figure 2, plus localisée, d’une autre solution connue où la tôle de protection, l’un des pions anti-rotation et une épingle sont illustrés;

- la figure 5 est une coupe comme la figure 2, mais d’une solution conforme à l’invention, avec une vue de détail figure 6 (partie entourée de la figure 5);

- les figures 7,8,9 montrent trois détails, et la figure 10 une telle solution, montée.

Sur les figures 5 et suivantes, ce n’est donc plus l’art antérieur, mais un montage possible conforme à l’invention, étant précisé que les pièces identiques, dans leur fonction et/ou leur structure, à celles précitées ont de nouveau reçu la même référence augmentée de deux cent par rapport aux références des figures 2,3 (ainsi 101 devient 301).

Dans l’exemple illustré (figures 5,10), la tôle de protection thermique, qui est donc interposée radialement entre le carter externe 211 et le distributeur 208, comprend une tôle 230 à effet ressort en appui contre le distributeur 208 et le carter externe 211, et qui maintient le distributeur en appui radial et axial (axes respectifs Z et X) contre des parties 301,302,303,304 du carter externe, et lutte contre une bascule de ce distributeur 208.

Pour assurer ces effets, il est proposé, dans la réalisation préférée présentée, que la tôle 230 à effet ressort présente une première forme 231 en épingle axiale, pour une élasticité radiale, et une seconde forme 232 en épingle radiale (axe Z), pour une élasticité axiale (axe X).

De la sorte, une fois montée et comme montré figure 5 :

- à l’endroit de la première forme 231 en épingle axiale, la tôle 230 pourra venir en appui contre le carter externe 211, et,

- vers (ou à) une première extrémité 233 proche de ladite forme 231 en épingle axiale, la tôle 230 à effet ressort pourra venir en appui contre le distributeur 208, avec une composante essentiellement radiale R, et

- vers une seconde extrémité 234 proche de ladite forme 232 en épingle radiale, la même tôle 230 pourra aussi venir en appui contre le distributeur 208, avec une composante essentiellement axiale A.

De manière un peu comparable à la solution de la figure 2, il pourra être favorable que, vers la première forme 231 en épingle axiale, le distributeur 208 soit en appui contre une première 301 desdites parties du carter 211.

Cette première partie 301 définit une nervure essentiellement axiale d’appui pour le becquet 282 de la plateforme extérieure 281 du distributeur 208. Le becquet 282 est, pour le distributeur 208, un becquet amont. La première partie 301 est issue de la branche sensiblement radiale 303 de la paroi interne du carter.

Radialement en face de la nervure d’appui 301, on trouve une paroi 302 du carter externe 211, dirigée vers l’aval, de façon que soit créé une cavité 303a ouverte vers l’aval, où est engagé le becquet 282.

Le becquet 282 est tourné vers l’amont, tandis que la nervure 301 est tournée vers l’aval et est située radialement plus à l’intérieur que le becquet 282.

Par ailleurs, vers la seconde forme 232 en épingle radiale, le distributeur est en outre en appui contre une seconde 305,306 desdites parties du carter 211.

Cette seconde partie 305,306, double, définit une autre nervure qui, elle, est essentiellement d’abord axiale, en 305, puis radiale - crochet 306 afin de servir de double appui pour l’autre becquet 284 de la plateforme extérieure 281 du distributeur. Le becquet 284 est, pour le distributeur 208, un becquet aval.

En outre, ce becquet 284 est tourné vers l’aval, tandis que la nervure double 305,306 est issue d’une branche 304 interne du carter externe 211 et s’étend vers l’aval, d’abord comme extension axiale 305, puis comme extension radiale 306, tournée radialement vers l’intérieur.

Autour de ladite seconde partie, ou nervure, double 305,306, on trouve un anneau en « c » 307 ouvert vers l’amont où sont engagés le becquet 284 et la nervure, double 305,306.

Distributeur 208 monté, le becquet 284 est en appui contre l’extension axiale 305 qui appuie contre la branche extérieure de l’anneau en « c » 307. Et une cale 308 est interposée entre le crochet radial 306 et l’extrémité aval du becquet aval sensiblement axial 284.

Ainsi, on va faciliter un réglage entre eux des secteurs du distributeur de turbine axiale 208 et pouvoir réaliser au mieux la couronne complète.

Et de fait, avec la solution ci-avant, on va pouvoir monter le tout de sorte:

- que vers ladite première extrémité proche de la forme en épingle axiale 231, où la tôle 230 à effet ressort est en appui contre le distributeur 208, avec donc une composante essentiellement radiale, le distributeur soit en appui contre ladite nervure 301 essentiellement axiale d’appui pour le becquet 282,

- et que, vers la seconde extrémité proche de la forme en épingle radiale 232 où la tôle 230 est aussi en appui contre le distributeur, avec donc une composante essentiellement axiale, le distributeur 208 soit en appui contre la double seconde nervure 305,306 du carter 211 d’appui du becquet aval 284.

Par ses extrémités opposées en appui, chaque tôle 230 sectorisée à effet ressort pousse le secteur correspondant du distributeur 208 :

- en plaquant le becquet amont 282 contre la nervure essentiellement axiale 301,

- et en plaquant le becquet aval 284 contre le crochet radial 306, via la cale 308.

Une sectorisation et une forme possible de la tôle 230 sont représentées en figures 7 et 10. Toutefois la tôle pourrait ne pas être sectorisée et s’étendre autour de l’ensemble des secteurs du distributeur.

Cette configuration de la tôle permet de faciliter le montage de l’ensemble des distributeurs.

Pour son montage et maintien, chaque tôle 230 sera favorablement reçue, à ses extrémités, dans des encoches 310 de la plateforme du distributeur, comme montré figure 9. En répartissant ces encoches sur la longueur du secteur concerné, on équilibrera les efforts et zones de tension, comme on le comprend avec la figure 10.

A noter également, comme schématisé figures 7 et 10, la tôle 230 peut comprendre des échancrures 312 qui permettent d’effectuer des opérations d’endoscopie. En fonctionnement un bouchon (non représenté) est disposé dans l’échancrure de la tôle contre un orifice 313 du distributeur.

Claims (8)

1. Partie de turbomachine présentant un axe longitudinal (X) de rotation et comprenant :

- un carter externe (211) annulaire,

- un distributeur (208) disposé radialement à l'intérieur du carter externe (211) et comprenant une pluralité de secteurs circonférentiellement disposés autour de l’axe longitudinal (X),

- une tôle (230) de protection thermique interposée radialement entre le carter et le distributeur (208), caractérisée en ce que la tôle (230) de protection thermique comprend une tôle à effet ressort en appui contre le distributeur (208) et le carter externe (211), pour lutter contre une bascule du distributeur (208) et le maintenir en appui radial et axial contre des parties (301,302,305,306) du carter (211).

2. Partie de turbomachine selon la revendication 1, dans laquelle la tôle (230) à effet ressort présente une première forme en épingle axiale (231) pour une élasticité radiale et une seconde forme en épingle radiale (232) pour une élasticité axiale.

3. Partie de turbomachine selon la revendication 2 dans laquelle :

- à l’endroit de la première forme en épingle axiale (231), la tôle est en appui contre le carter externe (211), et,

- vers une première extrémité proche de ladite forme en épingle axiale (231) , la tôle (230) à effet ressort est en appui contre le distributeur (208), avec une composante essentiellement radiale, et

- vers une seconde extrémité proche de ladite forme en épingle radiale (232) , la tôle à effet ressort est aussi en appui contre le distributeur (208), avec une composante essentiellement axiale.

4. Partie de turbomachine selon l’une des revendications 2,3, dans laquelle :

- vers la première forme en épingle axiale (231), le distributeur (208) est en appui contre une première (301) desdites parties du carter qui définit une nervure essentiellement axiale d’appui pour un becquet (282) d’une plateforme extérieure (281) du distributeur (208), et

- vers la seconde forme en épingle radiale (232), le distributeur (208) est en appui contre une seconde (305,307) desdites parties du carter (211) qui définit une autre nervure essentiellement axiale et/ou radiale d’appui pour un autre becquet (284) de la plateforme extérieure du distributeur (208).

5. Partie de turbomachine selon la revendication 2, dans laquelle :

- vers ladite première extrémité proche de la forme en épingle axiale (231) où la tôle (230) à effet ressort est en appui contre le distributeur (208), avec une composante essentiellement radiale, le distributeur (208) est en appui contre une première (301) desdites parties (301,304) du carter (211) qui définit une nervure (301) essentiellement axiale d’appui pour un becquet (282) d’une plateforme extérieure (281) du distributeur (208), et

- vers la seconde extrémité proche de la forme en épingle radiale (232) où la tôle (230) à effet ressort est aussi en appui contre le distributeur (800), avec une composante essentiellement axiale, le distributeur (208) est en appui contre une seconde (304) desdites parties (301,304) du carter (211) qui définit une autre nervure (304) essentiellement axiale d’appui pour un autre becquet (284) de la plateforme extérieure (281) du distributeur.

6. Partie de turbomachine selon la revendication 4 dans laquelle, entre ladite autre nervure (305,307) essentiellement axiale et/ou radiale d’appui qui définit un crochet radial, et ledit autre becquet (284) de la plateforme extérieure (281) du distributeur (208) qui s’étend sensiblement axialement, est interposée une cale (308).

7. Partie de turbomachine selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la tôle (230) à effet ressort est sectorisée.

8. Partie de turbomachine selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle ladite partie est un distributeur de turbine axiale (7).