FR3070429A1

FR3070429A1 - Secteur d'un distributeur annulaire d'une turbine de turbomachine

Info

Publication number: FR3070429A1
Application number: FR1758011A
Authority: FR
Inventors: Henri Jacques Quennehen Lucien; Serge Francis Congratel Sebastien; Claude Michel Etienne Danis Antoine; Clement Jarrossay; Paul Tableau Nicolas
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2017-08-30
Publication date: 2019-03-01
Anticipated expiration: 2037-08-30
Also published as: FR3070429B1; US11021979B2; US20190063244A1

Abstract

Secteur (12) d'un distributeur (9) annulaire sectorisé d'une turbine (1) de turbomachine (2) comprenant une plate-forme externe (13) comportant une paroi externe (14) reliée à une paroi interne coaxiale avec ladite paroi externe (14) via au moins une aube fixe de redressement (10), ladite plateforme externe (13) comprenant des moyens d'accrochage (16) de la plateforme externe (13) à un carter fixe (17) de turbine, caractérisé en ce que la plate-forme externe (13) comprend une enveloppe circulaire externe (18) axialement décalée par rapport à la paroi externe (14) et venue de matière avec la paroi externe (14), et en ce que ladite enveloppe externe (18) est destinée à entourer une portion angulaire d'une roue de rotor (6).

Description

SECTEUR D’UN DISTRIBUTEUR ANNULAIRE D’UNE TURBINE DE TURBOMACHINE

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne le domaine des turbomachines telles qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion, et plus particulièrement un distributeur d’une turbine d’une telle turbomachine.

ETAT DE L’ART

Il est connu des documents FR-A1-2913050, FR-A1-2919345 ou FRAI-2923528 au nom de la demanderesse, une turbine de turbomachine comprenant au moins un étage comportant un distributeur annulaire sectorisé présentant une rangée d'aubes fixes de redressement et une roue de rotor (également appelée roue à aubes) mobile en rotation, la roue de rotor étant montée en aval du distributeur dans un anneau qui est externe, cylindrique et sectorisé.

Plus précisément, le distributeur comprend deux parois de révolution coaxiales, respectivement interne et externe, entre lesquelles s'étendent les aubes fixes de redressement. La paroi externe et la paroi interne définissent une portion d’une veine. La paroi externe du distributeur comprend des moyens d’accrochage à un carter fixe de turbine.

L’anneau entoure la roue de rotor avec un jeu de fonctionnement adapté, de manière à éviter des frottements avec des extrémités externes des aubes de la roue de rotor tout en maximisant le rendement de la turbine. L’anneau externe est généralement fixé au carter de turbine via un support annulaire placé radialement entre l’anneau et le carter de turbine. Le support comprend à son extrémité externe une bride de fixation au carter de turbine. L’anneau externe comprend des moyens d’accrochage au support annulaire.

Le carter de turbine définit respectivement avec la paroi externe d’un distributeur et l’anneau différentes enceintes annulaires de refroidissement des distributeurs et anneaux, ces enceintes annulaires entourant la veine et étant généralement alimentées en air de ventilation et de refroidissement provenant des compresseurs de la turbomachine.

Des moyens d’étanchéité (par exemple des languettes) sont en outre notamment placés entre les secteurs du distributeur et les secteurs de l’anneau. Ces moyens d’étanchéité sont prévus pour limiter les fuites de gaz radiales depuis la veine vers les enceintes, et inversement.

Malgré la présence de tels moyens d’étanchéité, on constate la présence de fuites de gaz radiales manifestes diminuant significativement le rendement de la turbine. On note l’importance de ces fuites en déterminant notamment au niveau de chaque fuite le paramètre « W25 >> correspondant au quotient entre le débit massique de la fuite et le débit massique dans la veine.

L’objectif de la présente invention est donc de réduire les fuites de gaz radiales depuis la veine vers les enceintes, et inversement, et ainsi accroître les performances de la turbine.

EXPOSE DE L’INVENTION

L’invention propose à cet effet un secteur d’un distributeur annulaire sectorisé d’une turbine de turbomachine comprenant une plate-forme externe comportant une paroi externe reliée à une paroi interne coaxiale avec ladite paroi externe via au moins une aube fixe de redressement, ladite plate-forme externe comprenant des moyens d’accrochage de la plate-forme externe à un carter fixe de turbine, caractérisé en ce que la plate-forme externe comprend une enveloppe circulaire externe axialement décalée par rapport à la paroi externe et venue de matière avec la paroi externe, et en ce que ladite enveloppe externe est destinée à entourer une portion angulaire d’une roue de rotor.

En comparaison à l’art antérieur présenté, une telle plate-forme externe destinée à entourer une portion angulaire d’une roue de rotor comprend une portion qui est destinée à s’étendre à la jonction entre les aubes du distributeur et les aubes de la roue du rotor, ce qui permet de réduire les fuites de gaz radiales au niveau de cette jonction, et par voie de conséquence d’accroître les performances de la turbine, et de manière plus générale de la turbomachine.

En outre, en comparaison à l’art antérieur présenté, un tel secteur n’exige plus l’emploi de pièces intermédiaires (tels que le support annulaire présenté dans l’art antérieur) pour fixer les secteurs au carter de turbine, au bénéfice notamment de la simplicité de montage, de la masse et de la compacité de la turbine.

Le secteur selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :

- les moyens d’accrochage comprennent un rebord circulaire amont et un rebord circulaire aval s’étendant axialement, lesdits rebords amont et aval étant respectivement configurés pour s’accrocher à un crochet amont et un crochet aval dudit carter de turbine ;

- lesdits rebords amont et aval sont orientés dans le même sens.

Avantageusement, ladite plate-forme externe comprend une collerette circulaire amont et une collerette circulaire aval s’étendant radialement vers l’extérieur, lesdits rebords axiaux amont et aval étant respectivement solidaires desdites collerettes amont et aval, les rebords axiaux amont et aval étant respectivement placés à l’extrémité radialement externe des collerettes amont et aval, les rebords axiaux amont et aval étant respectivement venus de matière avec lesdites collerettes amont et aval.

Une telle configuration des rebords permet une reprise efficace des charges par le distributeur et contribue ainsi à limiter les fuites en garantissant le bon maintien en position des pièces.

L’invention a pour deuxième objet un distributeur annulaire sectorisé d’une turbine de turbomachine comprenant une pluralité de secteurs de distributeur tels que précédemment décrits, les secteurs étant disposés circonférentiellement bout à bout, les enveloppes externes des plates formes externes des secteurs de distributeur définissant un anneau externe destiné à entourer la roue de rotor.

Le distributeur selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :

- le distributeur comprend des moyens d’étanchéité qui s’étendent circonférentiellement entre deux secteurs de distributeur aboutés ;

- lesdits moyens d’étanchéité comprennent au moins une première léchette d’étanchéité qui s’étend axialement dans deux enveloppes externes et au moins une deuxième léchette d’étanchéité qui s’étend axialement dans deux parois externes ;

- lesdits moyens d’étanchéité comprennent au moins une léchette d’étanchéité centrale qui s’étend axialement dans deux plates-formes externes entre la paroi externe et l’enveloppe externe des deux plateformes externes ;

- au moins une première et/ou une deuxième léchette d’étanchéité chevauche l’au moins une léchette centrale au moins partiellement dans une direction radiale.

L’invention a pour troisième objet une turbine de turbomachine comprenant un distributeur tel que précédemment décrit, et une roue de rotor montée à l’intérieur dudit anneau externe sectorisé dudit distributeur, la turbine comprenant en outre un carter de turbine auquel est fixé ledit distributeur.

L’invention a pour quatrième objet une turbomachine comprenant une turbine telle que précédemment décrite.

DESCRIPTION DES FIGURES

L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d’une turbine d’une turbomachine.

DESCRIPTION DETAILLEE

Sur la figure 1 est représentée une partie d’une turbine 1 d'une turbomachine 2 telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'aéronef, cette turbine 1 étant disposée en aval d'une chambre de combustion par rapport au sens de circulation des gaz dans la turbomachine 2.

La turbine 1 comprend une turbine amont communément appelée « turbine haute pression >> comportant ici un unique étage haute pression 3 et une turbine aval partiellement représentée communément appelée « turbine basse pression >> comportant ici plusieurs étages basse pression

4. Seul un étage basse pression 4 est représenté sur la figure 1.

Plus précisément, l’étage haute pression 3 comprend un distributeur annulaire sectorisé haute pression 5 présentant une rangée d'aubes fixes de redressement et une roue de rotor haute pression 6 mobile en rotation autour d’un axe moteur X, la roue de rotor haute pression 6 étant montée en aval du distributeur haute pression 5. La roue de rotor haute pression 6 comprend une pluralité d’aubes 7 présentant chacune une extrémité externe 8.

De la même manière, l’étage basse pression 4 comprend un distributeur annulaire sectorisé basse pression 9 présentant une rangée d'aubes fixes de redressement 10 et une roue de rotor basse pression (non représentée) mobile en rotation autour de l’axe X, la roue de rotor basse pression étant montée en aval du distributeur basse pression 9.

Par convention dans la présente demande, on entend par « axial >> ou « axialement >> toute direction parallèle à l’axe X, et par « radial >> ou « radialement >> toute direction perpendiculaire à l’axe X. De même, par convention dans la présente demande, les termes « interne », « externe >>, « intérieur >> ou « extérieur >> sont définis radialement par rapport à l’axe X. Enfin, les termes « amont >> et « aval >> sont définis par rapport au sens de circulation des gaz dans la turbomachine 2.

Le distributeur basse pression 9 de la turbine 1 comprend une pluralité de secteurs 12 disposés circonférentiellement bout à bout autour de l’axe X.

Chaque secteur 12 de distributeur basse pression 9 comprend une plate-forme externe 13 comportant une paroi externe 14 reliée à une paroi interne (non représentée) coaxiale avec la paroi externe 14 via au moins une aube fixe de redressement 10 sensiblement radiale (par exemple trois), la plate-forme externe 13 comprenant des moyens d’accrochage 16 à un carter fixe 17 de turbine. La plate-forme externe 13 comprend en outre une enveloppe circulaire externe 18 axialement décalée vers l’amont par rapport à la paroi externe 14 et venue de matière avec cette dernière, l’enveloppe externe 18 étant destinée à entourer une portion angulaire de la roue de rotor haute pression 6.

L’ensemble des enveloppes externes 18 des plates-formes externes des secteurs 12 du distributeur basse pression 9 définissent un anneau externe 19 dans lequel est montée la roue de rotor haute pression 6 de l’étage haute pression 3.

L’exemple illustré sur la figure 1 n’est en rien limitatif, le distributeur basse pression 9 présenté ci-dessus pourrait être un distributeur haute pression. En outre, l’anneau externe 19 du distributeur présenté ci-dessus pourrait être configuré pour entourer la roue de rotor du même étage que le distributeur. Dans un tel cas, l’enveloppe externe 18 serait alors décalée axialement vers l’aval par rapport à la paroi externe 14.

La paroi interne et la plate-forme externe 13 définissent une portion d’une veine 20 traversée par le flux de gaz.

Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 1, la paroi externe est tronconique et s’évase de l’amont vers l’aval. L’enveloppe externe 18 (respectivement l’anneau externe 19) est cylindrique et présente une surface interne 21 cylindrique centrée sur l’axe X. Les extrémités externes 8 des aubes 7 de la roue de rotor haute pression 6 sont en regard de la surface interne 21 cylindrique. La surface interne 21 cylindrique entoure les extrémités externes 8 des aubes 7 de la roue de rotor haute pression 6 avec un jeu radial de fonctionnement prédéterminé permettant de maximiser le rendement tout en limitant les frottements. La paroi externe 14 présente une épaisseur (mesurée suivant une direction radiale c’est-à-dire perpendiculaire à l’axe X) supérieure à celle de l’enveloppe externe 18.

Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 1, les moyens d’accrochage 16 comprennent un rebord circulaire amont 22 et un rebord circulaire aval 23 s’étendant axialement, les rebords amont et aval 22, 23 étant respectivement configurés pour s’accrocher à un crochet amont 24 et un crochet aval 25 dudit carter 17 de turbine.

Chaque rebord amont 22 présente une surface interne cylindrique d’appui avec une face externe cylindrique du crochet amont 24. De la même manière, chaque rebord aval 23 présente une surface interne cylindrique d’appui avec une face externe cylindrique du crochet aval 25. Les crochets amont et aval 24, 25 s’étendent radialement vers l’intérieur et sont orientés vers l’amont. Les crochets amont et aval 24, 25 sont venus de matière avec le carter 17 de turbine mais ils pourraient être rapportés via des moyens de fixation tels que des boulons.

Une telle orientation des rebords 22, 23 et des crochets 24, 25 permet en fonctionnement de mieux reprendre les efforts exercés par les gaz ainsi que de limiter les fuites de gaz.

Lorsque la turbomachine 2 est en fonctionnement, sous l’action des gaz, un épaulement cylindrique externe de la plate-forme externe 13 vient en appui avec une face interne cylindrique du crochet aval 25, l’épaulement étant placé en regard de la surface interne du rebord aval 23.

La plate-forme externe 13 comprend une collerette circulaire amont 26 et une collerette circulaire aval 27 s’étendant radialement vers l’extérieur. La collerette amont 26 fait saillie de la plate-forme externe 13 à proximité de l’extrémité amont de la plate-forme externe 13. La collerette aval 27 fait saillie de la plate-forme externe 13 au niveau de l’extrémité aval de la plate-forme externe 13. Les rebords axiaux amont et aval 22, 23 sont respectivement placés à l’extrémité radialement externe des collerettes amont et aval 26, 27. Les rebords axiaux amont et aval 22, 23 sont orientés vers l’aval. Les rebords axiaux amont et aval 22, 23 sont respectivement venus de matière avec les collerettes amont et aval 26, 27 mais ils pourraient être rapportés via des moyens de fixation tels que des boulons.

L’appui axial de la collerette 27 sur le crochet 25 permet d’empêcher tout déplacement axial du distributeur basse pression 9, lorsque ce dernier est soumis aux efforts axiaux générés par les gaz présents dans la veine

20.

Tel qu’illustré sur la figure 1, la turbine 1 comprend une enceinte 28 annulaire d’axe X de refroidissement des crochets 24, 25 et des collerettes 26, 27. Le refroidissement des crochets 24, 25 et des collerettes 26, 27 permet notamment de maintenir un jeu radial de fonctionnement optimisé entre la roue de rotor haute pression 6 et l’anneau externe 19. L’enceinte 28 est délimitée intérieurement par les plates-formes externes 13 et extérieurement par le carter 17 de turbine. En outre, l’enceinte 28 est délimitée à l’amont par les collerettes amont 26 et le crochet amont 24, et à l’aval par les collerettes aval 27 et le crochet aval 25. L’enceinte 28 est alimentée en air de refroidissement et de ventilation via un conduit d’alimentation 29 débouchant dans l’enceinte 28 et venu de matière avec le carter 17 de turbine. L’air de refroidissement et de ventilation provient par exemple de compresseurs placés en amont de la chambre de combustion par rapport au sens de circulation des gaz dans la turbomachine 2.

Le distributeur basse pression 9 comprend des moyens d’étanchéité 30 qui s’étendent circonférentiellement entre deux secteurs 12 de distributeur aboutés. Ces moyens d’étanchéité 30 permettent de limiter les fuites de gaz radiales depuis la veine 20 vers l’enceinte 28, et inversement, au bénéfice du rendement de la turbine 1.

Tel qu’illustré sur la figure 1, ces moyens d’étanchéité 30 comprennent des léchettes d’étanchéité 31a, 31b, 31c, 31 d qui s’étendent circonférentiellement entre deux secteurs 12 de distributeur aboutés au niveau de la plate-forme externe 13.

Plus précisément, ces moyens d’étanchéité 30 comprennent une léchette d’étanchéité amont 31a s’étendant axialement dans les enveloppes externes 18 et deux léchettes d’étanchéité aval 31b, 31c s’étendant dans les parois externes 14.

La léchette amont 31a comprend une portion axiale s’étendant dans les enveloppes externes 18 et une portion radiale s’étendant dans les collerettes amont 26. Une première léchette aval 31 b est inclinée suivant la direction des parois externes 14, cette première léchette aval 31b comprenant un tronc à partir duquel s’étendent une branche interne orientée vers l’amont et deux branches externes orientées vers l’aval. Une seconde léchette aval 31c s’étend axialement, cette seconde léchette aval 31c comprenant une extrémité amont placée entre les deux branches externes et une seconde extrémité située à proximité de l’extrémité aval des plates-formes externes 13.

Les moyens d’étanchéité 30 comprennent une léchette d’étanchéité centrale 31 d s’étendant axialement dans les plates-formes externes 13 entre les parois externes 14 et les enveloppes externes 18 des platesformes externes 13. La léchette centrale 31 d chevauche partiellement la léchette d’étanchéité amont 31a et la première léchette aval 31b dans la direction radiale.

Tel qu’illustré sur la figure 1, la turbine 1 comprend un flasque annulaire amont 32 et un flasque annulaire aval 33 entre une couronne externe 34 du distributeur haute pression 5 et la plate-forme externe 13 du distributeur basse pression 9. La turbine 1 comprend une cavité 35 annulaire d’axe X de refroidissement de la couronne externe 34 du distributeur haute pression 5. La cavité 35 est délimitée intérieurement par la couronne externe 34 et extérieurement par le carter de turbine. En outre, la cavité 35 est délimitée à l’aval par le flasque amont 32.

Les aubes du distributeur haute pression 5 peuvent être radialement percées de manière à ce que de l’air de refroidissement de la cavité 35 pénètre à l’intérieur des aubes.

Les flasques amont et aval 32, 33 présentent un diamètre extérieur légèrement supérieur au diamètre intérieur du carter 17 de turbine de manière à avoir un frettage radial et donc assurer une bonne étanchéité. Les flasques amont et aval 32, 33 sont en appui axial l’un contre l’autre sous l’action du distributeur haute pression 5. Les flasques amont et aval 32, 33 comprennent chacun un retrait 36 orienté respectivement vers l’amont et l’aval. La face amont du retrait 36 du flasque amont 32 est en appui axial avec une crête 37 radiale de la couronne externe 34. La face aval du retrait 36 du flasque aval 33 est en appui axial avec les collerettes amont 26 des plates-formes externes 13. L’ensemble de ces contacts permet de garantir une bonne étanchéité. Des moyens d’étanchéité 38 sont en outre placés dans une rainure 39 annulaire de la crête 37, ces moyens d’étanchéité 38 prenant appui sur une griffe 40 en saillie axiale vers l’amont depuis le retrait 36 du flasque amont 32. Une telle disposition permet de limiter les fuites de gaz radiales depuis la veine 20 vers l’enceinte 28 et la cavité 35, et inversement, au bénéfice du rendement de la turbine 1. Les flasques amont et aval 32, 33 sont sectorisés.

Avantageusement, chaque secteur 12 de distributeur basse pression 9 est en composite à matrice céramique (CMC), à savoir un matériau comprenant une matrice céramique et des fibres céramiques. La matrice est par exemple réalisée en carbone ou en carbure de silicium. La matrice est par exemple déposée sur une préforme de fibres céramiques via un procédé connu sous l’acronyme anglais « Ml >> pour « Melt Infiltration >> (par voie liquide après une consolidation par voie gazeuse) ou via un dépôt chimique en phase vapeur (DCV) plus connu sous l’acronyme anglais « CVD >> pour « Chemical Vapor Déposition >>.

Claims

REVENDICATIONS

1. Secteur (12) d’un distributeur (9) annulaire sectorisé d’une turbine (1) de turbomachine (2) comprenant une plate-forme externe (13) comportant une paroi externe (14) reliée à une paroi interne coaxiale avec ladite paroi externe (14) via au moins une aube fixe de redressement (10), ladite plate-forme externe (13) comprenant des moyens d’accrochage (16) de la plate-forme externe (13) à un carter fixe (17) de turbine, caractérisé en ce que la plate-forme externe (13) comprend une enveloppe circulaire externe (18) axialement décalée par rapport à la paroi externe (14) et venue de matière avec la paroi externe (14), et en ce que ladite enveloppe externe (18) est destinée à entourer une portion angulaire d’une roue de rotor (6).
2. Secteur (12) de distributeur (9) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d’accrochage (16) comprennent un rebord circulaire amont (22) et un rebord circulaire aval (23) s’étendant axialement, lesdits rebords amont et aval (22, 23) étant respectivement configurés pour s’accrocher à un crochet amont (24) et un crochet aval (25) dudit carter (17) de turbine.
3. Secteur (12) de distributeur (9) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite plate-forme externe (13) comprend une collerette circulaire amont (26) et une collerette circulaire aval (27) s’étendant radialement vers l’extérieur, lesdits rebords axiaux amont et aval (22, 23) étant respectivement solidaires desdites collerettes amont et aval (26, 27), les rebords axiaux amont et aval (22, 23) étant respectivement placés à l’extrémité radialement externe des collerettes amont et aval (26, 27), les rebords axiaux amont et aval (22, 23) étant respectivement venus de matière avec lesdites collerettes amont et aval (26, 27).
4. Secteur (12) de distributeur (9) selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdits rebords amont et aval (22, 23) sont orientés dans le même sens.
5. Distributeur (9) annulaire sectorisé d’une turbine (1) de turbomachine (2) comprenant une pluralité de secteurs (12) de distributeur (9) selon l’une des revendications 1 à 4, les secteurs (12) étant disposés circonférentiellement bout à bout, les enveloppes externes (18) des platesformes externes (13) des secteurs (12) de distributeur (9) définissant un anneau externe (19) destiné à entourer la roue de rotor (6).
6. Distributeur (9) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu’il comprend des moyens d’étanchéité (30) qui s’étendent circonférentiellement entre deux secteurs (12) de distributeur (9) aboutés.
7. Distributeur (9) selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens d’étanchéité (30) comprennent au moins une première léchette d’étanchéité (31a) qui s’étend axialement dans deux enveloppes externes (18) et au moins une deuxième léchette d’étanchéité (31b, 31c) qui s’étend axialement dans deux parois externes (14).
8. Distributeur (9) selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que lesdits moyens d’étanchéité (30) comprennent au moins une léchette d’étanchéité centrale (31 d) qui s’étend axialement dans deux plates-formes externes (13) entre la paroi externe (14) et l’enveloppe externe (18) des deux plateformes externes (13).
9. Distributeur (9) selon la revendication 8 en dépendance avec la revendication 7, caractérisé en ce qu’au moins une première et/ou une deuxième léchette d’étanchéité chevauche l’au moins une léchette centrale (31 d) au moins partiellement dans une direction radiale.
10. Turbine (1) de turbomachine (2) comprenant un distributeur (9) selon l’une des revendications 5 à 9, et une roue de rotor (6) montée à l’intérieur dudit anneau externe (19) sectorisé dudit distributeur (9), la turbine (1)

5 comprenant en outre un carter (17) de turbine auquel est fixé ledit distributeur (9).
11. Turbomachine (2) comprenant une turbine (1) selon la revendication

10.