FR3071427A1 - Carter de turbomachine - Google Patents

Abstract

Carter annulaire (6) de turbomachine (1), caractérisé en ce qu'il comprend une partie externe (8) assurant la tenue mécanique du carter (6), et une partie interne (7) comprenant au moins une zone (12, 12', 15) résistant au feu, et en ce qu'il comprend un circuit d'air de refroidissement (9) apte à refroidir au moins une (12, 12') de ladite au moins une zone (12, 12', 15).

Description

Carter de turbomachine

DOMAINE TECHNIQUE

L’invention se rapporte à des carters de turbomachines, et en particulier à des carters externes de compresseurs et de turbines de turbomachines.

ETAT DE L’ART

Un moteur à turbine à gaz comprend au moins un ensemble rotatif ou corps formé d’un arbre reliant un rotor de compresseur à l’amont, et un rotor de turbine à l’aval, l’amont et l’aval étant définis dans la suite de la présente description par rapport à la direction d'écoulement de l’air dans la turbomachine.

Chacun des compresseur et turbine de ce corps peut être composé d’un ou plusieurs étages. Les rotors de compresseur et de la turbine sont reliés mécaniquement l’un à l’autre par un arbre, et sont agencés de part et d'autre d'une chambre de combustion de la turbomachine qui entoure ledit arbre. La chambre de combustion reçoit l’air comprimé par le compresseur, et délivre des gaz de combustion à haute énergie à la turbine. Le moteur peut comprendre plusieurs corps, comportant chacun au moins un compresseur et au moins une turbine, à plusieurs étages ou non, dont les arbres sont agencés concentriquement les uns aux autres et dont les compresseurs et turbines sont disposés de part et d'autre de la chambre de combustion.

Un tel moteur comporte des éléments de carter structuraux internes supportant notamment les arbres par des paliers de type roulement. Les étages de compresseurs et de turbines sont portés par des viroles qui sont montées tournantes dans des carters annulaires externes qui entourent les aubes des étages de compresseur ou de turbine, ces carters annulaires définissant avec ces viroles une veine d'écoulement des gaz de la turbomachine.

Les carters annulaires sont réalisés généralement dans des matériaux différents selon qu'ils sont prévus pour être mis en œuvre pour une application de compresseur ou de turbine.

Certains de ces carters sont réalisés à base d'alliage de titane à cause des propriétés particulières de ces alliages, en particulier de tenue mécanique, en température, et à la corrosion pour une densité moindre que celle d'un acier ou que celle d'autres alliages comme ceux à base de nickel ou à base de cobalt.

Toutefois, étant donné que généralement plusieurs éléments de rotor, tels que par exemple des aubes ou des disques sont également en alliage de titane, ce type d’alliage n’est pas employé pour les carters pour des raisons de feu titane. Le feu titane est une inflammation provoquée par une élévation brutale de température. En effet, sous l’effet d’un frottement intense, les alliages de titane classiques prennent feu et autoalimentent ce feu. Le carter doit ainsi être capable de contenir ce feu titane.

Ainsi, les carters de compresseur, notamment de compresseur basse pression, sont en général en acier uniquement pour cette fonction de résistance au feu, de manière à remplir cette fonction de résistance au feu, avec pour conséquence un carter beaucoup plus lourd qu’un carter en titane.

Diverses solutions ont été développées pour empêcher l’inflammation du titane dans un environnement à haute température. Ces solutions, comme décrit par exemple dans le document FR 2 978 076, consistent à fixer sur la pièce en alliage de titane une pièce en un autre alliage qui est destinée à être exposée aux températures plus élevées et formant un écran entre ces températures élevées et la pièce en alliage de titane.

Une solution consiste à fixer à l’aide de douilles une coque en un alliage tel qu’un acier, un superalliage à base nickel ou cobalt, ou un autre alliage, sur la surface de la pièce en alliage de titane qui est exposée aux températures les plus élevées.

Une autre solution consiste à effectuer un colaminage à chaud d’une ébauche en un autre alliage qu’un alliage de titane sur l’ébauche en alliage de titane.

Une autre solution consiste à plaquer la deuxième coque sur la première coque en titane, par plaquage hydraulique ou par plaquage par explosion.

La présente invention propose un carter annulaire externe de turbomachine optimisé, permettant :

- d’étendre l’utilisation du matériau léger du carter (par exemple le titane) sur une plus grande partie du carter,

- d’éviter un changement de matériau pour des températures du moteur plus élevées, tout en le faisant travailler dans son domaine de fonctionnement nominal,

- de réduire la classe de tenue en température des matériaux utilisés,

- de résister au feu titane, dans le cas notamment d’un étage de rotor en titane.

EXPOSE DE L’INVENTION

L’invention a ainsi pour objet un carter annulaire de turbomachine.

Le carter selon l’invention comprend une partie externe assurant la tenue mécanique du carter, et une partie interne comprenant au moins une zone résistant à des températures élevées, et notamment au feu.

Le carter selon l’invention comprend en outre un circuit d’air de refroidissement apte à refroidir au moins une de ladite au moins une zone.

Ainsi, le positionnement d’une ou plusieurs zones de refroidissement dans la partie interne du carter, au plus près de la veine d’écoulement des gaz de la turbomachine, permet de confiner la zone chaude du carter dans un volume réduit. La température de la partie externe du carter est donc plus basse, et on peut ainsi utiliser un matériau avec une plus faible limite thermique d’utilisation.

La partie externe peut comprendre un alliage de titane, en particulier dans le cas d’un carter de compresseur haute pression.

Ladite au moins une zone résistant à des températures élevées est typiquement une zone résistant au feu, par exemple une zone résistant au feu titane, notamment dans le cas d’un carter de compresseur haute pression. Ladite au moins une zone résistant à des températures élevées peut ainsi comprendre un alliage résistant au feu titane.

Ladite au moins une zone refroidie par le circuit d’air de refroidissement peut comprendre un écran thermique, par exemple métallique, muni d’une paroi interne, d’une paroi externe, ainsi que d’une structure aérée disposée entre la paroi interne et la paroi externe.

L’écran thermique peut comprendre des conduits d’air frais configurés pour acheminer de l’air de refroidissement depuis la paroi externe vers la paroi interne, et des conduits d’air réchauffé configurés pour acheminer de l’air de refroidissement réchauffé depuis la paroi interne vers la paroi externe.

La structure aérée peut être un treillis métallique.

Au moins un écran thermique peut être configuré pour être positionné en vis-à-vis d’une aube mobile de la turbomachine.

Au moins un écran thermique peut être en contact thermique avec une face interne d’au moins une aube statorique du carter.

Le circuit d’air de refroidissement peut comprendre un conduit d’entrée d’air configuré pour prélever de l’air de refroidissement au niveau d’une veine d’écoulement du flux d’air primaire de la turbomachine, et un conduit de sortie d’air configuré pour évacuer l’air de refroidissement vers la veine d’écoulement du flux d’air.

La partie interne peut comprendre au moins une barrière résistant à des températures élevées, et notamment une barrière résistant au feu, notamment au feu titane (typiquement dans le cas d’un carter de compresseur haute pression).

Ladite au moins une barrière résistant à des températures élevées peut être configurée pour être positionnée en vis-à-vis d’une aube mobile de la turbomachine ou peut être disposée en contact thermique avec une face interne d’une aube statorique du carter.

Le carter peut être un carter de compresseur basse pression, un carter de compresseur haute pression ou un carter de turbine basse pression. Le matériau de ladite au moins une zone résistant à des températures élevées, et notamment le matériau de la barrière résistant à des températures élevées doit pouvoir résister à la température la plus forte vue par la zone refroidie, soit typiquement des températures comprises entre 250°C et 450°C pour un carter de compresseur basse pression, comprises entre 600°C et 750°C pour un carter de compresseur haute pression, et comprises entre 650°C et 900°C pour uncarter de turbine basse pression. Le matériau de la partie externe et le matériau de la barrière résistant à des températures élevées peuvent être identiques ou différents.

La partie externe est avantageusement formée sur la partie interne par un procédé de fabrication additive.

L’invention a également pour objet un ensemble de turbomachine. L’ensemble de turbomachine selon l’invention comprend un carter décrit cidessus, à l’intérieur duquel est disposée une suite d’étages axiaux disposés en série et comprenant chacun une rangée d’aubes mobiles suivie d’une rangée d’aubes statoriques du carter.

L’invention a également pour objet une turbomachine. La turbomachine selon l’invention comprend un carter décrit ci-dessus.

DESCRIPTION DES FIGURES

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 et en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue partielle en coupe longitudinale d’une turbomachine munie d’un carter selon l’invention, et

- la figure 2 est une vue schématique en perspective d’un écran thermique mis en œuvre dans le carter selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE

Une turbomachine pour un aéronef comprend généralement, d'amont en aval dans le sens de l'écoulement des gaz, une soufflante, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d'échappement des gaz. A chaque compresseur peut correspondre une turbine, les deux étant reliés par un arbre, formant ainsi, par exemple, un corps haute pression et un corps basse pression. Un compresseur d'un turboréacteur est composé de plusieurs étages successifs de compression, chaque étage comportant deux ensembles à aubes, à savoir un rotor mobile et un redresseur fixe, ou stator. Le redresseur comporte, de façon usuelle, des aubes qui sont agencées côte à côte et qui s'étendent entre une virole interne et une virole externe coaxiales, auxquelles elles sont raccordées par leurs extrémités.

Les compresseurs coaxiaux sont bien connus en soi et sont utilisés dans plusieurs types d'application. En particulier, ils sont utilisés dans les moteurs double corps, turbofans ou turboréacteurs. On note aussi leur présence dans les centrales électriques. Ces compresseurs basse ou haute pression sont essentiellement constitués de plusieurs étages d'aubes tournantes ou étages rotoriques séparés par des étages statoriques ou redresseurs qui ont pour but de repositionner (redresser) le vecteur vitesse du fluide sortant de l'étage précédent avant de l'envoyer vers le compartiment suivant.

En se référant à la figure 1, on voit en coupe longitudinale une vue partielle d’une turbomachine 1, illustrant un compresseur axial 2, typiquement un compresseur basse pression, muni d’un carter de compresseur 6. L’invention peut toutefois s’appliquer à d’autres types de carter, comme un carter de compresseur haute pression ou encore un carter de turbine basse pression.

Le compresseur 2 comprend une suite d’étages axiaux disposés en série et comprenant chacun une rangée d’aubes mobiles 3 (les aubes rotoriques) suivie d’une rangée d’aubes statoriques 4 (les aubes de redresseur). Les dimensions cumulées de ces étages dictent la longueur du compresseur. L’aubage mobile est constitué d’un disque circulaire 5 sur lequel sont fixées les aubes mobiles 3 et qui tourne devant l’aubage fixe redresseur 4.

Le compresseur 2 est muni du carter annulaire externe 6, appelé carter de compresseur, qui supporte les aubes de redresseur 4 et qui entoure les rangées d’aubes mobiles 3. Le carter de compresseur 6 définit du côté de l’intérieur du carter 6 une veine 16 d’écoulement des gaz de la turbomachine 1. Le carter 6 comprend une face interne 17.

Le carter de compresseur 6 comprend une partie externe 8, par exemple en acier, qui est la partie structurale du carter 6, ainsi qu’une partie interne 7 qui a pour fonction de résister au feu. Les termes « interne >> et « externe >> sont définis par rapport à l’axe du moteur X, la partie interne 7 étant proximale de l’axe X, tandis que la partie externe 8 est distale de l’axe X. La partie externe 8 est avantageusement disposée directement sur la partie interne 7. La partie interne 7 est située du côté de la veine 16 d’écoulement des gaz et est avantageusement en contact thermique avec celle-ci.

Conformément à l’invention, la partie externe 8 du carter 6 comprend un circuit 9 d’air de refroidissement, qui achemine de l’air de refroidissement depuis l’extérieur de la partie externe 8 jusqu’à la partie interne 7, et en particulier jusqu’à au moins une zone de refroidissement 12, 12’ située à proximité de la veine 16 d’écoulement des gaz. Le circuit 9 comprend un conduit d’entrée d’air 10 qui prélève de l’air frais, par exemple de l’air du flux primaire d'air frais issu de la soufflante. Une turbomachine à double flux comprend en effet une entrée d'air à l'amont qui alimente un flux d'air primaire passant dans des étages de compression basse et haute pression puis dans une chambre de combustion, et un flux d'air secondaire contournant les étages de compression et la chambre de combustion et rejoignant en sortie le flux d'air primaire pour augmenter la poussée. Ainsi, le compartiment moteur d'une turbomachine à double flux est balayé côté intérieur par le flux primaire d'air chaud issu de la chambre de combustion et côté extérieur par le flux secondaire d'air froid issu de la soufflante.

L’air frais issu de la veine d’écoulement du flux primaire est ensuite acheminé vers la partie interne 7 du carter 6. Un conduit de sortie d’air 11 permet d’évacuer vers la veine d’écoulement du flux d’air l’air qui a été réchauffé lors de son passage dans la partie interne 7 du carter 6. Des conduits 13 relient le conduit d’entrée d’air 10 au conduit de sortie d’air 11 via les zones de refroidissement 12, 12’.

L’air frais peut être acheminé vers un ou plusieurs écrans thermiques annulaires 12, 12’. Des écrans thermiques 12 (au nombre de trois sur la figure 1) peuvent être disposés en vis-à-vis d’une aube mobile 3, au niveau de la face interne 17 du carter 6. L’écran thermique 12 peut être une structure dite lattice en langue anglaise. Une structure dite lattice est un volume qui n’est pas plein, le matériau utilisé pouvant ne représenter que la moitié du volume total, voire moins. Tel qu’illustré à la figure 2, un écran thermique 12 peut comprendre une paroi interne 12a, une paroi externe 12b, ainsi qu’une structure aérée 12c, telle qu’un treillis métallique, disposée entre la paroi interne 12a et la paroi externe 12b. Des conduits d’air frais 12d acheminent l’air frais issu du conduit d’entrée d’air 10 depuis la paroi externe 12b vers la paroi interne 12a, dans le sens indiqué par les flèches dirigées vers les conduits 12d, tandis que des conduits d’air réchauffé 12e acheminent l’air frais réchauffé depuis la paroi interne 12a vers la paroi externe 12b, dans le sens indiqué par les flèches dirigées hors des conduits 12e. L’air ainsi réchauffé est ensuite dirigé vers le conduit de sortie d’air 11. L’écran thermique 12 est typiquement obtenu par fusion sélective par laser (Sélective Laser Melting en langue anglaise), qui est une technique de fabrication additive permettant d'imprimer en 3D des pièces métalliques. Une poudre métallique est fusionnée par l'action d'un laser qui fait fondre la poudre aux endroits choisis.

La structure aérée 12c permet d’isoler thermiquement la paroi interne 12a et la paroi externe 12b, de transmettre les efforts, d’assurer une surface d’échange maximale, et d’accommoder la différence de dilatation entre la partie interne 7 et la partie externe 8. La paroi externe 12b permet d’évacuer la poudre après la fabrication de l’écran thermique 12 par fusion sélective par laser, de supporter les premières couches de cordon lors de la fabrication du carter externe 6, ainsi que de permettre le passage de l’air en fonctionnement nominal. La paroi interne 12a permet quant à elle d’assurer l’étanchéité avec la circulation d’air et d’assurer le lien avec les autres éléments de flux comme par exemples les redresseurs.

La partie externe 8 du carter 6 permet d’acheminer et de distribuer l’air de refroidissement vers la structure aérée 12c de l’écran thermique 12. Elle permet également de collecter et d’évacuer l’air chaud provenant de la structure aérée, ainsi que de supporter les premières couches de cordon lors de la fabrication du carter 6.

L’épaisseur de la structure lattice 12 est avantageusement comprise entre 1 et 10 mm. L’épaisseur de la paroi externe 12b peut être supérieure à 0.3 mm. L’épaisseur de la paroi interne 12a peut être comprise entre 0.3 et 3 mm.

En variante ou en complément de la disposition vis-à-vis d’une aube mobile 3, des écrans thermiques 12’ (au nombre de deux sur la figure 1) peuvent être disposés en contact thermique avec une aube statorique 4, par exemple sur une face interne d’une aube statorique 4, dans une zone 14 située entre l’aube statorique 4 et le circuit 9 d’air de refroidissement. Les écrans thermiques 12’ présentent la même structure que les écrans thermiques 12 décrits ci-dessus.

Le carter 6 peut également comprendre une barrière annulaire 15 résistant au feu, et notamment au feu titane. La barrière 15 peut être disposée en vis-à-vis d’une aube mobile 3, sur toute la circonférence de la face interne 17 du carter 6, et/ou sur la face interne d’une aube statorique 4. La barrière 15 est avantageusement réalisée en un alliage à base de nickel. On peut notamment utiliser les alliages commercialisés sous la dénomination Inconel® par la société Spécial Metals Corporation, et notamment l’alliage Inconel® 783 ou l’alliage Inconel® 718.

La barrière 15 résistant au feu titane permet d’éviter le contact entre le titane de l’aube mobile 3 et le titane du carter 6. Elle permet également, lors de la fabrication du carter 6, de supporter les premières couches de cordons. L’épaisseur de la barrière 15 est typiquement comprise entre 0.3 et 2 mm. La barrière 15 peut être fabriquée par secteurs ou non.

Le carter 6 permet de maintenir entre elles les barrières anti-feu 15 lorsqu’elles sont réalisées par secteur. Il permet également de maintenir les éléments de chaque étage entre eux, et de transmettre les efforts d’un étage précédent à un étage suivant.

Chaque élément de la partie interne 7, qu’il soit un écran thermique 12, 12’ ou une barrière 15, est avantageusement disposé sur tout le pourtour du carter 6.

La partie interne 7 peut être constituée par l’ensemble des zones 12, 12’, et 15.

La partie externe 8 est typiquement fabriquée par un procédé de fabrication additive tel qu’un dépôt génératif de poudres métalliques par laser (Laser Métal Déposition en langue anglaise). Un laser ou une autre source énergétique crée un bain de fusion à la surface de la partie interne. Une buse ajoute automatiquement du métal sous forme de poudre ou de fil. Des cordons soudés entre eux sont ainsi créés et forment la partie externe 8 sur la partie interne 7.

Dans les cas où le matériau de la partie externe 8 et le matériau de la partie interne 7 sont identiques, la fabrication peut être réalisée par le procédé de fusion de lit de poudre seul.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Carter annulaire (6) de turbomachine (1), caractérisé en ce qu’il comprend une partie externe (8) assurant la tenue mécanique du carter (6), et une partie interne (7) comprenant au moins une zone (12, 12’, 15) résistant au feu, et en ce qu’il comprend un circuit d’air de refroidissement (9) apte à refroidir au moins une (12, 12’) de ladite au moins une zone (12, 12’, 15).
2. 2. Carter (6) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite au moins une zone (12, 12’) refroidie par le circuit d’air de refroidissement (9) comprend un écran thermique muni d’une paroi interne (12a), d’une paroi externe (12b), ainsi que d’une structure aérée (12c) disposée entre la paroi interne (12a) et la paroi externe (12b).
3. 3. Carter (6) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’écran thermique (12, 12’) comprend des conduits d’air frais (12d) configurés pour acheminer de l’air de refroidissement depuis la paroi externe (12b) vers la paroi interne (12a), et des conduits d’air réchauffé (12e) configurés pour acheminer de l’air de refroidissement réchauffé depuis la paroi interne (12a) vers la paroi externe (12b).
4. 4. Carter (6) selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la structure aérée (12c) est un treillis métallique.
5. 5. Carter (6) selon l’une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu’au moins un écran thermique (12) est configuré pour être positionné en vis-à-vis d’une aube mobile (3) de la turbomachine (1).
6. 6. Carter (6) selon l’une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu’au moins un écran thermique (12’) est en contact thermique avec une face interne d’au moins une aube statorique (4) du carter (6).
7. 7. Carter (6) selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le circuit d’air de refroidissement (9) comprend un conduit d’entrée d’air (10) configuré pour prélever de l’air de refroidissement au niveau d’une veine d’écoulement du flux d’air primaire de la turbomachine, et un conduit de sortie d’air (11) configuré pour évacuer l’air de refroidissement vers la veine d’écoulement du flux d’air.
8. 8. Carter (6) selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la partie interne (7) comprend au moins une barrière (15) résistant au feu

   5 titane.
9. 9. Carter (6) selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite au moins une barrière (15) résistant au feu titane est configurée pour être positionnée en vis-à-vis d’une aube mobile (3) de la turbomachine (1) ou est disposée en contact thermique avec une face interne d’une aube
10. 10 statorique (4) du carter (6).

    10. Turbomachine (1), caractérisée en ce qu’elle comprend un carter (6) selon l’une des revendications 1 à 9.