FR3072413A1 - Element abradable de turbomachine - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un élément abradable pour turbine de turbomachine, comportant une partie formée d'un matériau abradable (14) à structure de type nid d'abeille formant des puits parallÚles (15), cet élément abradable comportant une face abradable (F) dans laquelle débouchent les puits (15), caractérisé en ce que chaque puits (15) comporte au moins une paroi pourvue d'au moins un marquage contigu à la face abradable et en ce que ce marquage forme un témoin d'usure (17a ; 17b ; 17c).

Description

Elément abradable de turbomachine
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne la mesure de l'usure d'un élément abradable équipant une turbomachine, comme en particulier une turbine basse pression de turboréacteur.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Une turbine de turbomachine telle qu'un turboréacteur, dont une partie est représentée sur la figure 1, comporte un rotor portant une ou plusieurs séries d'aubes radiales 1, 2 entouré par une portion de stator 3, cette turbine étant entraînée en rotation par détente d'un gaz traversant les aubes de son rotor.
Dans un tel agencement, il existe un jeu, mesuré radialement entre les extrémités des aubes et la face interne du stator qui les entoure, et qui présente une incidence significative sur le rendement de la turbine.
Compte tenu des dilatations différentielles intervenant lorsque le moteur est en service, et qui conditionnent en partie ce jeu, la face interne du stator 3 est généralement couverte par des éléments abradables 4, 6 situés au droit des extrémités des aubes 1 et 2.
Les éléments abradables 4, 6 comportent en général une couche de matériau à structure alvéolaire de type nid d'abeille à base hexagonale délimitant des puits s'étendant radialement, une telle structure étant appelée couramment « Nida », portée par un support. La structure alvéolaire est fixée au support par exemple selon le procédé de brasage décrit dans le brevet EP 1 786 586, au paragraphe [0031] en relation avec la figure 10.
En fonctionnement, les extrémités des aubes 1, 2 peuvent frotter contre les éléments abradables 4, 6 de telle manière que le jeu radial entre les extrémités des aubes et la face interne des éléments abradables s'ajuste à la valeur minimale nécessaire, vis-à-vis des différentes conditions de fonctionnement.
En pratique, les extrémités des aubes 1, 2 sont pourvues de léchettes 7, 8 qui creusent un ou plusieurs sillon annulaire dans les éléments abradables 4, 6, tels que le sillon 9 représenté symboliquement sur la figure 2.
Lors du développement d'un moteur, l'évaluation de la profondeur de ces sillons permet de garantir la performance de la turbine, et de déterminer les jeux de la turbine en fonctionnement. Concrètement, des gaz passant dans le jeu radial fonctionnel existant entre les léchettes et le matériau abradable pénalisent le rendement de la turbine.
Cette évaluation est faite à partir d'endoscopies, c'est-à-dire de photographies du ou des sillons 9, qui sont réalisées selon une inclinaison par rapport à l'axe longitudinal du moteur, cette inclinaison repérée par 11 sur la figure 2 n'étant généralement pas connue ni enregistrée lorsque l'endoscopie est réalisée.
Comme visible sur la figure 3 qui reproduit la vue en perspective que constitue une telle photographie, l'incertitude importante existant quant à l'orientation de cette vue, rend difficile une évaluation fiable de la profondeur des sillons d'usure selon la direction radiale. Dans l'exemple de la figure 3, le sillon 9 formé dans l'élément abradable 6 est à peu près visible mais l'évaluation de sa profondeur selon l'axe radial AR reste délicate, voire hasardeuse.
L'estimation des profondeurs des sillons formés dans les éléments abradables est donc incertaine, ce qui entrave le travail d'analyse des jeux de fonctionnement et donc des erreurs sur l'analyse des performances du moteur.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention a pour objet un élément abradable pour turbine de turbomachine, comportant une partie formée d'un matériau abradable à structure de type nid d'abeille définissant des puits parallèles qui débouchent à travers une face d'usure du matériau abradable, caractérisé en ce qu'au moins un puit comporte au moins une paroi témoin pourvue d'un témoin d'usure contigu à la face abradable.
Avec cet agencement, la profondeur d'usure peut être mesurée précisément à partir d'une photo issue d'endoscopie sans devoir connaître l'angle d'inclinaison selon lequel cette photo a été prise.
L'invention concerne également un élément abradable ainsi défini, dans lequel au moins un témoin d'usure comporte plusieurs marques agencées pour permettre de déterminer un niveau d'usure de la paroi témoin.
L'invention concerne également un élément abradable ainsi défini, dans lequel les marques sont ponctuelles dans la paroi témoin.
L'invention concerne également un élément abradable ainsi défini, dans lequel au moins un témoin d'usure est formé de marques linéaires dans la paroi témoin.
L'invention concerne également un élément abradable ainsi défini, dans lequel au moins un témoin d'usure est formé par poinçonnage de la paroi témoin.
L'invention concerne également un élément abradable ainsi défini, dans lequel au moins un témoin d'usure comporte plusieurs marques disposées en étages.
L'invention concerne également un élément abradable ainsi défini, dans lequel la distance entre deux étages est comprise entre 0,1 et 5mm.
L'invention concerne également un élément abradable ainsi défini, dans lequel le témoin d'usure est à une distance prédéterminée du bord libre qui de préférence correspond à la distance entre deux étages.
L'invention concerne également un élément abradable ainsi défini, dans lequel le témoin d'usure comporte plusieurs marques agencées selon un motif triangulaire.
L'invention a également pour objet une turbomachine comprenant une turbine comprenant une turbine basse pression comprenant un élément abradable selon l'une des revendications précédentes.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un élément abradable selon l'une des revendications précédentes, comportant les opérations de :
- emboutissement de plusieurs tôles pour leur conférer un profil crénelé ;
- poinçonnage d'extrémités de ces tôles pour y former des témoins d'usure ;
- superposition et solidarisation des tôles les unes aux autres pour former un matériau abradable, dans lequel deux tôles contiguës délimitent conjointement une série de puits ;
- fixation du matériau abradable à une embase pour constituer l'élément abradable.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 est une vue en coupe transversale d'une portion de turboréacteur équipé d'éléments abradable de l'Etat de la technique ;
La figure 2 est une représentation schématique en perspective représentative de l'incidence de l'angle d'orientation d'une endoscopie sur l'évaluation de la profondeur d'un sillon conformément à l'Etat de la technique ;
La figure 3 est une représentation schématique d'une photographie issue d'un contrôle par endoscopie selon l'Etat de la technique ;
La figure 4 est une vue en perspective d'une portion de matériau abradable conformément à l'invention ;
La figure 5 est une vue locale d'une paroi de puits portant un témoin d'usure à l'état neuf conformément à un premier mode de réalisation de l'invention ;
La figure 6 est une vue locale d'une paroi de puits portant un témoin d'usure à l'état usé conformément au premier mode de réalisation de l'invention ;
La figure 7 est une vue locale d'une paroi de puits portant un témoin d'usure à l'état neuf conformément à un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
La figure 8 est une vue locale d'une paroi de puits portant un témoin d'usure à l'état usé conformément au deuxième mode de réalisation de l'invention ;
La figure 9 est une vue locale d'une paroi de puits portant un témoin d'usure à l'état neuf conformément à un troisième mode de réalisation de l'invention ;
La figure 10 est une vue locale d'une paroi de puits portant un témoin d'usure à l'état usé conformément au troisième mode de réalisation de l'invention ;
La figure 11 est une représentation schématique en coupe d'une tôle plane destinée à former un matériau abradable selon l'invention ;
La figure 12 est une représentation schématique en coupe d'une tôle emboutie pour former un matériau abradable selon l'invention ;
La figure 13 est une représentation schématique en coupe d'une tôle emboutie et poinçonnée pour former un matériau abradable selon l'invention ;
La figure 14 est une représentation schématique en coupe d'un ensemble de tôles assemblées formant un matériau abradable selon l'invention ;
La figure 15 est une représentation schématique en coupe d'un élément abradable selon l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
L'idée à la base de l'invention est de prévoir un marquage dans la tôle constituant la structure en nid d'abeille pour que chaque puits comporte un témoin d'usure permettant de déterminer par simple visualisation d'une image d'endoscopie la profondeur d'usure.
Sur la figure 4, une portion de matériau abradable 14 de type nid d'abeille délimite une face abradable F, sensiblement plane à l'échelle de la figure 4. Cette portion de matériau abradable comprend des puits 15, ici à section hexagonale, orientés parallèlement les uns par rapport aux autres selon une orientation AR normale à celle de la face abradable F dans laquelle ils se terminent. L'orientation AR s'étend radialement par rapport à l'axe longitudinal du stator lorsque ce matériau abradable 14 est installé dans ce stator.
Ce matériau abradable 14 est fabriqué par assemblage de plusieurs tôles mises en forme par emboutissage ou pliage avant d'être solidarisées ensemble pour délimiter les puits. Préalablement à l'assemblage, chaque tôle a été poinçonnée le long de son bord libre, c'est-à-dire le bord délimitant la face abradable F que ce bord libre délimite avec les autres tôles après assemblage.
Chaque puits 15 comporte au moins une paroi témoin 16 portant un témoin d'usure 17a, formé par un motif poinçonné qui est contigu au bord libre de l'une des tôles qui le délimite. Ce témoin d'usure 17a est constitué de plusieurs poinçonnages ponctuels ou linéaires selon un motif prédéterminé. Les marques formées par les poinçonnages ponctuels ou linéaires ne traversent pas la tôle dans laquelle ils sont formés, de façon à ne pas en altérer l'étanchéité de l'abradable.
Plusieurs motifs de témoins d'usure peuvent être envisagés, comme illustré sur les figures 5 à 10, en étant prévus pour permettre une lecture visuelle aisée et précise du degré d'usure du puit 15 correspondant, c'est-à-dire de l'usure du bord libre de la tôle délimitant ce puits.
Dans l'exemple des figures 5 et 6, le témoin d'usure 17a a une forme générale de triangle isocèle. Ce triangle isocèle a ici une base 19, orientée parallèlement au bord libre 21 de la portion de tôle constituant la paroi témoin 16 dans laquelle il est formé, en étant à distance de ce bord libre 21, et un sommet qui est contigu à ce bord libre 21 lorsque l'usure est nulle.
Le témoin d'usure 17a qui est triangulaire est délimité par sept colonnes matérialisées chacune par des poinçonnages ponctuels alignés perpendiculairement au bord 21, les différents poinçonnages ponctuels étant repérés par 18 sur les figures.
Ce témoin 17a est matérialisé par une colonne centrale 22 s'étendant depuis la base 19 jusqu'au bord 21, qui est longée d'un côté par trois colonnes latérales 23, 24 et 26 et de l'autre par trois autres colonnes latérales qui sont les symétriques des colonnes 23, 24 et 26 par rapport à la colonne centrale.
Comme visible sur la figure 5, les colonnes 22, 23, 24 et 26 comportent respectivement cinq, quatre, trois, deux et un poinçonnage, chaque colonne partant de la base 19 et se terminant à une distance du bord 21 d'autant plus importante que cette colonne est éloignée de la colonne centrale 22.
Dans l'exemple des figures 7 et 8, le témoin d'usure, repéré par 17b a la même forme de triangle isocèle que le témoin 17a, et il est aussi matérialisé par sept colonnes disposées de la même manière que dans le témoin 17a, mais chaque colonne est matérialisée par un poinçonnage linéaire 27 et non pas par une série de poinçonnages ponctuels.
Dans l'exemple des figures 9 et 10, le témoin d'usure, repéré par 17c, a une forme générale de losange présentant l'intérêt d'avoir une hauteur totale correspondant au double de la hauteur des témoins triangulaires 17a et 17b.
Chaque colonne 22, 23, 24 et 26 s'étend symétriquement de part et d'autre de la base 19 qui est située à même distance du bord libre 21 que dans le cas des témoins 17a et 17b. Autrement dit, le témoin 17c a une forme correspondant à celle de deux triangles isocèles accolés par une base commune 19 parallèle au bord libre 21 en s'étendant symétriquement de part et d'autre de cette base. Dans l'exemple des figures 9 et 10, chaque colonne formant le témoin est matérialisée par une série de points alignés perpendiculairement au bord 21, mais chaque colonne peut aussi bien être matérialisée par un poinçonnage linéaire, comme dans le cas du témoin 17b.
Comme visible sur les figures 6, 8 et 10, lorsque l'élément abradable est érodé, une visualisation des poinçonnages du témoin d'usure permet de constater que l'usure de l'élément vaut sensiblement la moitié de la hauteur du témoin d'usure le long de l'axe radial AR. Comme on le comprend, l'agencement des poinçonnages selon l'invention qui délimitent le témoin d'usure permet de déterminer le niveau d'usure pour la paroi considérée, c'est-à-dire la profondeur d'usure dans la zone considérée.
Ainsi, la hauteur du témoin d'usure le long de l'axe AX étant une valeur prédéterminée connue, ces témoins permettent de chiffrer directement l'usure du matériau au niveau d'un sillon, par simple visualisation d'une photo issue d'endoscopie, quelle que soit l'orientation de cette photo.
Les marques poinçonnées sont avantageusement disposées en étages, repérés par el à e7 sur les figures 5 à 10. Cette disposition permet d'associer un niveau d'usure à chaque étage, la distance entre deux étages consécutifs définissant une profondeur prédéterminée, cette distance étant préférentiellement comprise entre 0,1 et 5mm. Les poinçonages présentent un rayon R et sont espacés les uns des autres d'une distance r, les valeurs de r et R étant comprises entre 0,05 et 2,5mm.
Le choix d'un témoin d'usure formé de marques agencées selon un motif triangulaire permet par ailleurs de déduire la profondeur d'usure de la largeur du motif triangulaire prise à la jonction avec la face abradable F.
Le témoin d'usure est avantageusement placé à une distance prédéterminée du bord libre, de façon à permettre de quantifier précisément l'usure effective. Ainsi, l'usure effective peut être déterminée, comme étant la somme de la distance prédéterminée et du produit du nombre d'étages disparus par leurs hauteurs qui est également connue.
La fabrication d'un matériau abradable selon l'invention est réalisée à partir d'un ensemble de tôles métalliques minces planes telles que la tôle 31 de la figure 11, qui sont embouties pour leur conférer des profils crénelés en formes de demihexagones comme illustré sur la figure 12. Les extrémités de ces tôles sont ensuite poinçonnées, comme représenté schématiquement sur la figure 12.
Ces différentes tôles 31, une fois embouties et poinçonnées, sont superposées et solidarisées les unes aux autres par exemple par soudage par résistance électrique, de manière à former le matériau abradable 14, deux tôles contigües 31 délimitant conjointement une série de puits parallèles.
Ce matériau abradable 14 est ensuite fixé à une embase 32, par exemple par brasure, de manière à former l'élément abradable, repéré par 33, qui est destiné à être installé et fixé sur une face interne du stator de turbine basse pression, en vis-à-vis des aubes ou pales du rotor correspondant.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    1. Elément abradable (33) pour turbine de turbomachine, comportant une partie formée d'un matériau abradable (14) à structure de type nid d'abeille définissant des puits parallèles (15) qui débouchent à travers une face d'usure (F) du matériau abradable, caractérisé en ce qu'au moins un puit (15) comporte au moins une paroi témoin (16) pourvue d'un témoin d'usure (17a ; 17b ; 17c) contigu à la face abradable (F).
  2. 2. Elément abradable (33) selon la revendication 1, dans lequel au moins un témoin d'usure comporte plusieurs marques (18; 27) agencées pour permettre de déterminer un niveau d'usure de la paroi témoin (16).
  3. 3. Elément abradable (33) selon la revendication 2, dans lequel les marques (18) sont ponctuelles dans la paroi témoin (16).
  4. 4. Elément abradable (33) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel au moins un témoin d'usure (17a ; 17b; 17c) est formé de marques linéaires (27) dans la paroi témoin (16).
  5. 5. Elément abradable (33) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins un témoin d'usure (17a ; 17b ; 17c) est formé par poinçonnage de la paroi témoin (16).
  6. 6. Elément abradable (33) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins un témoin d'usure (17a; 17b; 17c) comporte plusieurs marques disposées en étages (el-e7).
  7. 7. Elément abradable (33) selon la revendication 6, dans lequel la distance entre deux étages (el-e7) est comprise entre 0,1 et 5mm.
  8. 8. Elément abradable (33) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le témoin d'usure (17a, 17b) est à une distance prédéterminée du bord libre (21) de la paroi témoin (16) et dans lequel de préférence la distance prédéterminée correspond à la distance entre deux étages.
  9. 9. Elément abradable (33) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le témoin d'usure (17a, 17b) comporte plusieurs marques (18, 27) agencées selon un motif triangulaire.
  10. 10. Turbomachine comprenant une turbine basse pression comprenant un élément abradable (33) selon l'une des revendications précédentes.
  11. 11. Procédé de fabrication d'un élément abradable (33) selon l'une des revendications précédentes, comportant les opérations de :
    - emboutissement de plusieurs tôles (31) pour leur conférer un profil crénelé ;
    - poinçonnage d'extrémités de ces tôles (31) pour y former des témoins d'usure (17a, 17b, 17c) ;
    - superposition et solidarisation des tôles les unes aux autres pour former un matériau abradable (14), dans lequel deux tôles contiguës délimitent conjointement une série de puits ;
    - fixation du matériau abradable (14) à une embase (32) pour constituer l'élément abradable (33).
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