FR3072711A1 - Element de repartition d'un fluide de refroidissement et ensemble d'anneau de turbine associe - Google Patents

Element de repartition d'un fluide de refroidissement et ensemble d'anneau de turbine associe Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un élément de répartition d'un fluide de refroidissement (150) destiné à être fixé à une structure de support pour alimenter en fluide de refroidissement une paroi à refroidir, typiquement un secteur d'anneau de turbine, lui faisant face, l'élément de répartition comprenant un corps définissant un volume interne de répartition du fluide de refroidissement et une plaque multi-perforée qui délimite ce volume interne et comprend une pluralité de perforations de sortie traversantes qui mettent en communication le volume interne avec le secteur d'anneau de turbine, l'élément de répartition comprenant en outre un orifice d'entrée débouchant dans le volume interne de répartition du fluide de refroidissement, lequel volume interne comporte des ailettes directionnelles (170, 172, 174, 176, 178) pour diriger ce fluide de refroidissement de cet orifice d'entrée vers les perforations de sortie traversantes.

Description

Arrière-plan de l'invention
L'invention se rapporte à un ensemble d'anneau de turbine comprenant une pluralité de secteurs d'anneau en matériau composite à matrice céramique (matériau CMC) ou en matériau métallique et concerne plus particulièrement un élément de répartition d'un fluide de refroidissement.
Le domaine d'application de l'invention est notamment celui des moteurs aéronautiques à turbine à gaz. L'invention est toutefois applicable à d'autres turbomachines, par exemple des turbines industrielles.
Dans des moteurs aéronautiques à turbine à gaz, l'amélioration du rendement et la réduction de certaines émissions polluantes conduisent à rechercher un fonctionnement à des températures toujours plus élevées. Dans le cas d'ensembles d'anneau de turbine entièrement métalliques, il est nécessaire de refroidir tous les éléments de l'ensemble et en particulier l'anneau de turbine qui est soumis à des flux très chauds. Le refroidissement d'un anneau de turbine métallique nécessite l'utilisation d'une grande quantité de fluide, typiquement d'air, de refroidissement, ce qui a un impact significatif sur la performance du moteur puisque le flux de refroidissement utilisé est prélevé sur le flux principal du moteur.
L'utilisation de secteurs d'anneau en matériau CMC a été proposée afin de limiter la ventilation nécessaire au refroidissement de l'anneau de turbine et ainsi augmenter la performance du moteur.
Toutefois, même si des secteurs d'anneau en CMC sont utilisés, il reste nécessaire d'utiliser une quantité significative de fluide de refroidissement. L'anneau de turbine est, en effet, confronté à une source chaude (la veine dans laquelle s'écoule le flux de gaz chaud) et une source froide (la cavité délimitée par l'anneau et le carter, désignée par la suite par l'expression « cavité anneau »). La cavité anneau doit être à une pression supérieure à celle de la veine afin d'éviter que du gaz provenant de la veine ne remonte dans cette cavité et vienne brûler les pièces métalliques. Cette surpression est obtenue en prélevant du fluide « froid » au niveau du compresseur, qui n'a pas traversé la chambre de combustion, et en l'acheminant jusqu'à la cavité anneau. Le maintien d'une telle surpression rend donc impossible la coupure totale de l'alimentation en fluide « froid » de la cavité anneau.
En outre, des études menées par la Déposante ont montré qu'un anneau, en matériau CMC ou métallique, refroidi par des systèmes de refroidissement connus peut présenter des gradients thermiques pénalisants qui génèrent des contraintes mécaniques défavorables. De surcroît, les technologies de refroidissement utilisées pour un anneau métallique peuvent ne pas être aisément transposables à un anneau en matériau CMC.
Quelle que soit la nature du matériau mis en œuvre pour les secteurs d'anneau, il serait donc souhaitable de perfectionner les systèmes de refroidissement existants afin de limiter les gradients thermiques défavorables dans les secteurs d'anneau refroidis et donc la génération de contraintes défavorables. Il serait, en outre, souhaitable de perfectionner les systèmes de refroidissement existants afin d'optimiser la quantité de fluide de refroidissement effectivement utilisée pour le refroidissement de l'anneau en limitant notamment les fuites de fluide de refroidissement.
L'invention vise spécifiquement à répondre aux besoins précités.
Objet et résumé de l'invention
A cet effet, l'invention propose un élément de répartition d'un fluide de refroidissement destiné à être fixé à une structure de support pour alimenter en fluide de refroidissement une paroi à refroidir lui faisant face, ledit élément de répartition comprenant un corps définissant un volume interne de répartition du fluide de refroidissement et une plaque multi-perforée qui délimite ce volume interne et comprend une pluralité de perforations de sortie traversantes qui mettent en communication ledit volume interne de répartition du fluide de refroidissement avec ladite paroi à refroidir, l'élément de répartition comprenant en outre un orifice d'entrée débouchant dans ledit volume interne de répartition du fluide de refroidissement, caractérisé en ce que ledit volume interne de répartition du fluide de refroidissement comporte des ailettes directionnelles pour diriger le fluide de refroidissement dudit orifice d'entrée vers lesdites perforations de sortie traversantes.
La mise en œuvre, pour chaque secteur d'anneau, d'un élément de répartition du fluide, typiquement de l'air, de refroidissement tel que décrit ci-dessus présente plusieurs avantages.
Tout d'abord, les ailettes directionnelles permettent de mieux distribuer l'alimentation en air « frais » et donc de refroidir de manière homogène la paroi à refroidir, par exemple le secteur d'anneau placé en aval de l'écoulement. Ensuite, l'air de refroidissement étant mieux canalisé, on limite les recirculations inutiles et les pertes de charge ainsi que réchauffement associé du gaz de refroidissement. Enfin, en faisant aussi fonction de piliers de construction, les ailettes simplifient notablement le processus de fabrication en offrant plusieurs orientations de construction (donc de géométries) possibles et en limitant les opérations de post-fusion notamment du fait qu'il n'y a plus de supports à retirer lors de la construction du volume interne selon un procédé de fusion laser sur lit de poudre.
De préférence, ledit corps présente une forme sensiblement pyramidale dont une base est destinée à recevoir ladite plaque multiperforée comportant lesdites perforations de sortie traversantes diffusant le fluide de refroidissement et dont les faces inclinées se rejoignent au sommet au niveau dudit orifice d'entrée de l'air de refroidissement.
Avantageusement, lesdites ailettes directionnelles sont réparties régulièrement à l'intérieur dudit volume interne.
De préférence, lesdites ailettes directionnelles comportent des sommets respectifs formant une voûte assurant le soutien d'une surface en plafond dudit volume interne.
Avantageusement, lesdites ailettes directionnelles comportent une ailette centrale disposée dans un axe central passant par l'axe dudit orifice d'entrée, sensiblement à égale distance dudit orifice d'entrée et de ladite plaque multi-perforée, au moins deux autres ailettes étant réparties identiquement de chaque côté de ladite ailette centrale avec des angles d'inclinaison a et β par rapport au dit axe central allant croissant.
De préférence, ladite première ailette est inclinée par rapport au dit axe central dans une plage de l'ordre de 30 à 44° et ladite deuxième ailette est inclinée par rapport au dit axe central dans une plage de l'ordre de 45 à 59°.
Avantageusement, lesdites ailettes directionnelles sont en un nombre compris entre 3 et 9.
La présente invention vise également un ensemble d'anneau de turbine comprenant une pluralité de secteurs d'anneau formant un anneau de turbine, une structure de support d'anneau et une pluralité d'éléments de répartition tels que précités ainsi qu'une turbomachine comprenant un tel ensemble d'anneau de turbine.
L'invention concerne également un procédé de fusion laser sur lit de poudre pour la fabrication d'un élément de répartition tel que précité, dans lequel lesdites ailettes directionnelles font fonction de support permanent lors de la construction dudit volume interne.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en perspective éclatée d'un ensemble d'anneau de turbine intégrant un élément de répartition de fluide de refroidissement selon l'invention,
- la figure 2 est une vue en bout, plaque multi-perforée ôtée, de l'élément de répartition de fluide de refroidissement de la figure 1, et
- la figure 3 est une vue partielle en coupe de l'élément de répartition de fluide de refroidissement de la figure 1, et
- la figure 4 illustre un exemple d'un dispositif permettant la réalisation d'un élément de répartition.
Description détaillée de modes de réalisation
La figure 1 présente une vue schématique en perspective éclatée d'une partie d'un ensemble d'anneau de turbine haute pression comprenant un anneau de turbine 11 en matériau composite à matrice céramique (CMC) ou en matériau métallique et une structure métallique de support d'anneau 13. Lorsque l'anneau 11 est en CMC, la structure de support d'anneau 13 est en un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique supérieur au coefficient de dilatation thermique du matériau constituant les secteurs d'anneau. L’anneau de turbine 11 entoure un ensemble de pales rotatives (non représentées) et est formé d'une pluralité de secteurs d'anneau 110. La flèche DA indique la direction axiale de l'anneau de turbine 11 tandis que la flèche Dr indique la direction radiale de l'anneau de turbine 11. La flèche Dc indique quant à elle la direction circonférentielle de l'anneau de turbine.
Chaque secteur d'anneau 110 présente, selon un plan défini par les directions axiale DA et radiale Dr, une section sensiblement en forme de la lettre grecque π inversée. Le secteur 110 comprend en effet une base annulaire 112 et des pattes radiales d'accrochage amont et aval 114 et 116. Les termes amont et aval sont utilisés ici en référence au sens d'écoulement du flux gazeux dans la turbine lequel s'effectue le long de la direction axiale DA.
La base annulaire 112 comporte, suivant la direction radiale Dr de l'anneau 11, une face interne 112a et une face externe 112b opposées l'une à l'autre. La face interne 112a de la base annulaire 112 est revêtue d'une couche 113 de matériau abradable formant une barrière thermique et environnementale et définit une veine d'écoulement de flux gazeux dans la turbine.
Les pattes radiales d'accrochage amont et aval 114 et 116 s'étendent en saillie, suivant la direction Dr, à partir de la face externe 112b de la base annulaire 112 à distance des extrémités amont et aval 1121 et 1122 de la base annulaire 112. Les pattes radiales d'accrochage amont et aval 114 et 116 s'étendent sur toute la longueur circonférentielle du secteur d'anneau 110, c'est-à-dire sur tout l'arc de cercle décrit par le secteur d'anneau 110.
La structure de support d'anneau 13 qui est solidaire d'un carter de turbine 130 comprend une couronne centrale 131, s'étendant dans la direction axiale Da, et ayant un axe de révolution confondu avec l'axe de révolution de l'anneau de turbine 11 lorsqu'ils sont fixés ensemble. La structure de support d'anneau 13 comprend en outre une bride radiale annulaire amont 132 et une bride radiale annulaire aval 136 qui s'étendent, suivant la direction radiale Dr, depuis la couronne centrale 31 vers le centre de l'anneau 11 et dans la direction circonférentielle de l'anneau 11.
La bride radiale annulaire aval 136 comprend une première extrémité 1361 libre et une seconde extrémité 1362 solidaire de la couronne centrale 131. La bride radiale annulaire aval 136 comporte une première portion 1363, une seconde portion 1364, et une troisième portion 1365 comprise entre la première portion 1363 et la seconde portion 1364. La première portion 1363 s'étend entre la première extrémité 1361 et la troisième portion 1365, et la seconde portion 1364 s'étend entre la troisième portion 1365 et la seconde extrémité 1362. La première portion 1363 de la bride radiale annulaire 136 est au contact de la patte radiale d'accrochage aval 116. La seconde portion 1364 est amincie par rapport à la première portion 1363 et la troisième portion 1365 de manière à donner une certaine souplesse à la bride radiale annulaire 136 et ainsi ne pas trop contraindre l'anneau de turbine 11.
La structure de support d'anneau 13 comprend également un premier et un second flasques amont 133 et 134 présentant chacun, dans l'exemple illustré, une forme annulaire. Les deux flasques amont 133 et 134 sont fixés ensemble sur la bride radiale annulaire amont 132. En variante, les premier et second flasques amont 133 et 134 pourraient être segmentés en une pluralité de sections d'anneau.
Le premier flasque amont 133 comprend une première extrémité 1331 libre et une seconde extrémité 1332 au contact de la couronne centrale 131. Le premier flasque amont 133 comprend en outre une première portion 1333 s'étendant depuis la première extrémité 1331, une seconde portion 1334 s'étendant depuis la deuxième extrémité 1332, et une troisième portion 1335 s'étendant entre la première portion 1333 et la deuxième portion 1334.
Le second flasque amont 134 comprend une première extrémité 1341 libre et une seconde extrémité 1342 au contact de la couronne centrale 131, ainsi qu'une première portion 1343 et une seconde portion 1344, la première portion 1343 s'étendant entre la première extrémité 1341 et la seconde portion 1344, et la seconde portion 1344 s'étendant entre la première portion 1343 et la seconde extrémité 1342.
La première portion 1333 du premier flasque amont 133 est en appui sur la patte radiale d'accrochage amont 114 du secteur d'anneau 110. Les premier et second flasques amont 133 et 134 sont conformés pour avoir les premières portions 1333 et 1343 distantes l'une de l'autre et les secondes portions 1334 et 1344 en contact, les deux flasques 133 et 134 étant fixés de manière amovible sur la bride radiale annulaire amont
132 à l'aide de vis 160 et d'écrous 161 de fixation, les vis 160 traversant des orifices 13340, 13440 et 1320 prévus respectivement dans les secondes portions 1334 et 1344 des deux flasques amont 133 et 134 ainsi que dans la bride radiale annulaire amont 132. Les écrous 161 sont quant à eux solidaires de la structure de support d'anneau 13, étant par exemple fixés par sertissage à celle-ci.
Le second flasque amont 134 est dédié à la reprise de l'effort du distributeur haute pression (DHP), d'une part, en se déformant, et, d'autre part, en faisant transiter cet effort vers la ligne carter qui est plus robuste mécaniquement, c'est-à-dire vers la ligne de la structure de support d'anneau 13.
Dans la direction axiale DA, la bride radiale annulaire aval 136 de la structure de support d'anneau 13 est séparée du premier flasque amont 133 d'une distance correspondant à l'écartement des pattes radiales d'accrochage amont et aval 114 et 116 de manière à maintenir ces dernières entre la bride radiale annulaire aval 136 et le premier flasque amont 133. Il est possible de réaliser une précontrainte axiale de la bride 136. Cela permet de reprendre les différences de dilatation entre les éléments métalliques et les secteurs d'anneau en CMC lorsque ces derniers sont utilisés.
Pour davantage maintenir en position les secteurs d'anneau 110, et donc l'anneau de turbine 11, avec la structure de support d'anneau 13, l'ensemble d'anneau comprend, dans l'exemple illustré, deux premiers pions 119 coopérant avec la patte d'accrochage amont 114 et le premier flasque amont 133, et deux seconds pions 120 coopérant avec la patte d'accrochage aval 116 et la bride radiale annulaire aval 136.
Pour chaque secteur d'anneau 110 correspondant, la troisième portion 1335 du premier flasque amont 133 comprend deux orifices 13350 de réception des deux premiers pions 119, et la troisième portion 1365 de la bride radiale annulaire 136 comprend deux orifices 13650 configurés pour recevoir les deux seconds pions 120.
Pour chaque secteur d'anneau 110, chacune des pattes radiales d'accrochage amont et aval 114 et 116 comprend une première extrémité, 1141 et 1161, solidaire de la face externe 112b de la base annulaire 112 et une seconde extrémité, 1142 et 1162, libre. La seconde extrémité 1142 de la patte radiale d'accrochage amont 114 comprend deux premières oreilles 117 comportant chacune un orifice 1170 configuré pour recevoir un premier pion 119. De manière similaire, la seconde extrémité 1162 de la patte radiale d'accrochage aval 116 comprend deux secondes oreilles 118 comportant chacune un orifice 1180 configuré pour recevoir un second pion 120. Les premières et secondes oreilles 117 et 118 s'étendent en saillie dans la direction radiale Dr de l'anneau de turbine 11 respectivement de la seconde extrémité 1142 de la patte d'accrochage radiale amont 114 et de la seconde extrémité 1162 de la patte d'accrochage radiale aval 116.
Pour chaque secteur d'anneau 110, les deux premières oreilles 117 sont positionnées à deux positions angulaires différentes par rapport à l'axe de révolution de l'anneau de turbine 11. De même, pour chaque secteur d'anneau 110, les deux secondes oreilles 118 sont positionnées à deux positions angulaires différentes par rapport à l'axe de révolution de l'anneau de turbine 11.
Chaque secteur d'anneau 110 comprend en outre des surfaces d'appuis rectilignes 1110 montées sur les faces des pattes radiales d'accrochage amont et aval 114 et 116 en contact respectivement avec le premier flasque annulaire amont 133 et la bride radiale annulaire aval 136, c'est-à-dire sur la face amont 114a de la patte radiale d'accrochage amont 114 et sur la face aval 116b de la patte radiale d'accrochage aval 116. Dans une variante, les appuis rectilignes pourraient être montés sur le premier flasque annulaire amont 133 et sur la bride radiale annulaire aval 136.
Les appuis rectilignes 1110 permettent d'avoir des zones d'étanchéités maîtrisées. En effet, les surfaces d'appui 1110 entre la patte radiale d'accrochage amont 114 et le premier flasque annulaire amont 133, d'une part, et entre la patte radiale d'accrochage aval 116 et la bride radiale annulaire aval 136 sont compris dans un même plan rectiligne.
Plus précisément, avoir des appuis sur des plans radiaux permet de s'affranchir des effets de décambrage dans l'anneau de turbine 11. Par ailleurs, les anneaux en fonctionnement basculent autour d'une normale au plan (DA, Dr). Un appui curviligne générerait un contact entre l'anneau 11 et la structure de support d'anneau 13 sur un ou deux points. A l'inverse, un appui rectiligne permet un appui sur une ligne.
Conformément à l'invention, l'ensemble d'anneau comprend en outre, pour chaque secteur d'anneau 110, un élément de répartition de fluide de refroidissement 150. Cet élément de répartition 150 constitue un diffuseur de fluide (typiquement dair) permettant l'impact d'un flux de refroidissement Fr sur la face externe 112b du secteur d'anneau 110 (voir la figure 3). L'élément 150 est présent dans l'espace délimité entre l'anneau de turbine 11 et la structure de support d'anneau 13 et plus particulièrement entre le premier flasque annulaire amont 133, la couronne centrale 131 et les pattes radiales d'accrochage amont et aval 114 et 116. L'élément de répartition 150 comprend un corps creux 151 qui définit un volume interne de répartition de l'air de refroidissement ainsi qu'une plaque multi-perforée 152 qui délimite ce volume interne et comprend une pluralité de perforations de sortie traversantes 153A qui mettent en communication le volume interne du corps creux 151 avec l'espace en regard de la face externe 112b du secteur d'anneau 110.
Le corps creux 151 présente avantageusement une forme sensiblement pyramidale (c'est-à-dire progressive avec une entrée moins large que la sortie) dont la base est destinée à recevoir la plaque multiperforée 152 comportant les perforations de sortie traversantes radiales 153A et dont les faces inclinées se rejoignent au sommet au niveau d'un orifice axial d'entrée de l'air de refroidissement 154 (illustré à la figure 3).
La plaque multi-perforée 152 est située en regard (en face) de la face externe 112b du secteur d'anneau 110 et présente dans l'exemple illustré une forme allongée le long de la direction circonférentielle Dc de l'anneau de turbine 11. La plaque multi-perforée 152 comporte également une pluralité de perforations de sortie traversantes latérales 153B qui débouche entre les première 114 et seconde 116 pattes d'accrochage du secteur d'anneau 110. Aucun élément tiers n'est présent entre la plaque multi-perforée 152 et la face externe 112b du secteur d'anneau 110 ou les première 114 et seconde 116 pattes d'accrochage afin de ne pas ralentir ou perturber l'écoulement de l'air de refroidissement traversant la plaque 152 et venant impacter le secteur d'anneau 110. La plaque multi-perforée 152 qui délimite le volume interne du corps creux 151 est située du côté du secteur d'anneau 110 (radialement vers l'intérieur). L'élément de répartition 150 comprend en outre une portion de guidage de l'air de refroidissement 155 qui s'étend à partir du corps 151 à la fois dans la direction radiale Dr et dans la direction axiale DA. La portion de guidage 155 est positionnée radialement vers l'extérieur par rapport à la plaque multi-perforée 152. Cette portion de guidage 155 définit un canal intérieur (illustré par l'orifice d'entrée 154 de la figure 3 qui en définit sa sortie) qui est en communication avec les orifices d'alimentation en air de refroidissement 192 et 190 respectivement ménagés dans les premier 133 et deuxième 134 flasques amont.
Le flux d'air de refroidissement FR prélevé en amont dans la turbine est destiné à traverser les orifices 190 et 192 en vue d'être acheminé jusqu'au secteur d'anneau 110. La portion de guidage 155 définit le canal intérieur que le flux d'air de refroidissement Fr est destiné à traverser en vue d'être transféré au volume intérieur du corps creux 151 et être distribué au secteur d'anneau 110 suite à sa traversée de la plaque multi-perforée 152. Le canal intérieur présente un orifice d'entrée (non visible sur la figure) qui est situé de préférence en regard (en face et au contact) ou dans le prolongement (c'est-à-dire très peu espacé du premier flasque amont 133) de l'orifice d'alimentation 192 et communiquant avec ce dernier. Le canal intérieur débouche par ailleurs dans le volume interne au travers de l'orifice d'entrée 154 qui émerge au sommet du volume pyramidal 151 à une extrémité opposée à la plaque multi-perforée 152. Le canal intérieur de la portion de guidage 155 a pour rôle de canaliser l'air de refroidissement Fr arrivant au travers de l'orifice 192 afin de le transférer dans le volume intérieur puis vers le secteur d'anneau 110 et ainsi minimiser les pertes ou fuites de cet air de refroidissement.
Afin d'assurer un refroidissement homogène du secteur d'anneau 110 et comme l'illustrent les figures 2 et 3, le volume pyramidal intérieur comporte des ailettes directionnelles 170, 172, 174, 176, 178, régulièrement réparties à l'intérieur de ce volume et faisant aussi fonction de supports de fabrication (piliers) permanents permettant la construction de la surface en plafond 180, les faces latérales 182, 184 du volume interne contribuant tout comme les piliers à guider le flux d'air de refroidissement et à maintenir la surface en plafond lors de cette construction.
Ainsi, les sommets respectifs 170A, 172A, 174A, 176A, 178A des ailettes forment une « voûte » assurant le soutien de la surface en plafond 180 pour laquelle les solutions de supportage classiques ne fonctionnement pas avec une telle zone non accessible depuis l'extérieur. Les piliers et la voûte qu’ils forment en leur sommet offrent ainsi une solution de supportage permanent plus performante que les supports génériques classiques en terme de masse et de performance aérodynamique et en outre rendant la géométrie entièrement compatible avec un procédé de fusion laser sur lit de poudre.
En outre, en spécifiant individuellement chaque trou de refroidissement (sections différentes de trou de surface, micro-perforation droite, avec chanfrein ou avec congé, section ronde, losange ou quelconque, axe de trous orthogonal ou incliné par rapport à la surface, distribution de position de trous réglée de façon périodique ou quelconque) en toute zone de la pièce (en zone plane comme dans ses parties latérales (congés) on assure une meilleure distribution de l'écoulement d'air frais servant à refroidir et homogénéiser la température du secteur d'anneau en aval. Les ailettes directionnelles permettent de mieux distribuer l'alimentation en air « frais » et donc de refroidir de manière homogène le secteur d'anneau placé en aval de l'écoulement. Plus particulièrement, l'ailette centrale 170 est disposée dans un axe central passant par l'axe de l'orifice d'entrée 154 sensiblement à égale distance de cet orifice et de la plaque multi-perforée 152. Les autres ailettes sont réparties identiquement de chaque côté de cette ailette centrale préférentiellement avec des angles d'inclinaison a et β par rapport à l'axe central allant croissant en se rapprochant des faces latérales 182, 184. Ainsi, de part et d'autre de cette ailette centrale 170, est disposée une première ailette 172, 174 inclinée par rapport à l'axe central dans une plage de l'ordre de 30° à 44° et une deuxième ailette 176, 178 inclinée dans une plage de l'ordre de 45° à 59°.
On notera que si ces ailettes ont été définies par un seul angle, et peuvent donc être qualifiées de droites, il est bien entendu possible, en fonction de la déviation de flux d’air souhaitée, de faire une géométrie plus complexe, spécifique à l’image d’aubes de turbines avec des inclinaisons et des courbures ayant un angle différent à l’amont comme à l’aval. De même, selon la distribution d’air souhaitée homogène ou non, l'ailette centrale peut ou non être présente. Bien entendu, le nombre d'ailettes directionnelles ne saurait être limitatif et est avantageusement compris entre 3 et 9.
La portion de guidage 155 définit également un logement 156 traversant, dans le cas présent, mais qui pourrait en variante être borgne et dont une vis de fixation 163 destinée à coopérer avec ce logement 156 assure la fixation de l'élément de répartition 150 à la structure de support d'anneau 13. Comme on peut le voir en particulier sur la figure 1, l'élément de répartition 150 comprend, dans l'exemple illustré, une portion additionnelle de maintien 157 distincte de la portion de guidage 155 (la portion 157 ne présentant pas nécessairement de canal intérieur d'acheminement du fluide de refroidissement qui devra alors traverser une paroi interne 186 ouverte entre ces deux portions). Les portions 155 et 157 d'un même élément de répartition 150 sont décalées le long de la direction circonférentielle Dc. La portion de maintien 157 définit elle aussi un logement 158 coopérant avec une vis de fixation 163 afin de permettre la fixation de l'élément 150 à la structure de support d'anneau 13. Dans l'exemple illustré, les vis de fixation 163 s'étendent le long de la direction axiale DA de l'anneau de turbine et traversent les premier 133 et second 134 flasques amont lorsqu'elles sont logées dans les logements 156 et 158.
On décrit maintenant un procédé de réalisation d'un ensemble d'anneau de turbine correspondant à celui représenté sur la figure 1.
Lorsque les secteurs d'anneau 110 sont réalisés en matériau CMC, ces derniers sont réalisés par formation d'une préforme fibreuse ayant une forme voisine de celle du secteur d'anneau et densification du secteur d'anneau par une matrice céramique.
Pour la réalisation de la préforme fibreuse, on peut utiliser des fils en fibres céramique, par exemple des fils en fibres SiC tels que ceux commercialisés par la société japonaise Nippon Carbon sous la dénomination Hi-Nicalon S, ou des fils en fibres de carbone.
La préforme fibreuse est avantageusement réalisée par tissage tridimensionnel, ou tissage multicouches avec aménagement de zones de déliaison permettant d'écarter les parties de préformes correspondant aux pattes 114 et 116 des secteurs 110.
Le tissage peut être de type interlock, comme illustré. D'autres armures de tissage tridimensionnel ou multicouches peuvent être utilisées comme par exemple des armures multi-toile ou multi-satin. On pourra se référer au document WO 2006/136755.
Après tissage, l'ébauche peut être mise en forme pour obtenir une préforme de secteur d'anneau qui est consolidée et densifiée par une matrice céramique, la densification pouvant être réalisée notamment par infiltration chimique en phase gazeuse (CVI) qui est bien connue en soi. Dans une variante, la préforme textile peut être un peu durcie par CVI pour qu'elle soit suffisamment rigide pour être manipulée, avant de faire remonter du silicium liquide par capillarité dans le textile pour faire la densification.
Un exemple détaillé de fabrication de secteurs d'anneau en CMC est notamment décrit dans le document US 2012/0027572.
Lorsque les secteurs d'anneau 110 sont en matériau métallique, ces derniers peuvent par exemple être formés par l'un des matériaux suivants : alliage AMI, alliage C263 ou alliage M509.
La structure de support d'anneau 13 est quant à elle réalisée en un matériau métallique tel qu'un alliage Waspaloy® ou Inconel 718 ou encore C263.
Comme le montre la figure 4, l'élément de répartition 150 est avantageusement réalisé par un procédé de fusion laser sur lit de poudre (LBM pour Laser Beam Melting) qui garantit une meilleure précision géométrique et une réduction de l'entrefer avec l'anneau du fait d'une conception monobloc. Le procédé LBM en réduisant le volume global de supports, les surfaces à reprendre en usinage, ou encore l'encombrement sur le plateau de fabrication, permet d'obtenir une réduction sensible des coûts de fabrication par une diminution de la masse (faible épaisseur) tout en apportant une amélioration sur le plan de la performance (refroidissement, légèreté).
Par un positionnement vertical de la paroi perforée 152 sur le plateau de fabrication 194, on assure une meilleure maîtrise de sa géométrie tout en réduisant son niveau de rugosité (bénéfice tant mécanique que aérodynamique). En outre, en rendant les piliers de construction fonctionnels et permanents (1 ailette = 1 pilier de construction), on créée ainsi une géométrie qui optimise la fonction refroidissement tout en supportant la surface en plafond, assurant ainsi et une meilleure fabricabilité et ceci sans pénaliser la masse.
La réalisation de l'ensemble d'anneau de turbine se poursuit par le montage des secteurs d'anneau 110 sur la structure de support d'anneau 13. Ce montage peut être effectué secteur d'anneau par secteur d'anneau de la manière suivante.
On place d'abord les premiers pions 119 dans les orifices 13350 prévus dans la troisième partie 1335 du premier flasque amont 133, et on monte le secteur d'anneau 110 sur le premier flasque amont 133 en engageant les premiers pions 119 dans les orifices 1170 des premières oreilles de la patte d'accrochage amont 114 jusqu'à ce que la première portion 1333 du premier flasque amont 133 soit en appui contre la surface d'appui 1110 de la face amont 114a de la patte d'accrochage amont 114 du secteur d'anneau 110.
On fixe ensuite le deuxième flasque amont 134 au premier flasque amont 133 et à l'élément de répartition 150 présent entre les pattes 114 et 116 en positionnant les vis de fixation 163 au travers des orifices 13440, 13340, 154 et 158.
Puis les deux seconds pions 120 sont insérés dans les deux orifices 13650 prévus dans la troisième partie 1365 de la bride radiale annulaire 136 de la structure de support d'anneau 13.
L'ensemble comprenant le secteur d'anneau 110, les flasques 133 et 134 et l'élément de répartition 150 précédemment obtenu est ensuite monté sur la structure de support d'anneau 13 en insérant chaque second pion 120 dans chacun des orifices 1180 des secondes oreilles 118 des pattes radiales d'accrochage aval 116 du secteur d'anneau 110. Lors de ce montage, on met la deuxième portion 1334 du premier flasque amont 133 en appui contre la bride radiale annulaire amont 132.
On finalise ensuite le montage du secteur d'anneau en venant insérer les vis de fixations 160 dans les orifices 13440, 13340 encore libres et 1320, coaxiaux, et on serre chacune des vis dans les écrous 161 solidaires de la structure de support d'anneau.
L'exemple de réalisation qui vient d'être décrit comprend, pour chaque secteur d'anneau 110, deux premiers pions 119 et deux seconds pions 120. On ne sort toutefois pas du cadre de l'invention si pour chaque secteur d'anneau, on utilise deux premiers pions 119 et un seul second pion 120 ou un seul premier pion 119 et deux seconds pions 120.
Dans une variante non illustrée, on pourrait encore utiliser un élément de répartition 150 ayant la même structure que celle décrite à la figure 1 et des pions s'étendant dans la direction radiale entre la couronne centrale 131 et les pattes d'accrochage 114 et 116 afin de maintenir ces pattes en position radiale. Selon cette variante, les extrémités de ces pions sont insérées en force dans des orifices réalisés dans la couronne centrale 131 afin d'assurer leur maintien. En variante, ces pions pourraient être 5 montés avec un jeu dans les orifices de la couronne centrale 131 puis être soudés ensuite.
On notera que si la description précitée s'est essentiellement intéressée à un élément de répartition pour secteurs d'anneau de turbine, il est clair qu'un tel élément de répartition de type douche peut trouver 10 aussi application dans tous autres organes de moteurs, par exemple des parois ou surfaces à refroidir, nécessitant une alimentation en air de refroidissement comme un carter.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Elément de répartition d'un fluide de refroidissement (150) destiné à être fixé à une structure de support (13) pour alimenter en fluide de refroidissement une paroi à refroidir (110) lui faisant face, ledit élément de répartition comprenant un corps (151) définissant un volume interne de répartition du fluide de refroidissement et une plaque multiperforée (152) qui délimite ce volume interne et comprend une pluralité de perforations de sortie traversantes (153A, 153B) qui mettent en communication ledit volume interne de répartition du fluide de refroidissement avec ladite paroi à refroidir (110), l'élément de répartition comprenant un orifice d'entrée (154) débouchant dans ledit volume interne de répartition du fluide de refroidissement, caractérisé en ce que ledit volume interne de répartition du fluide de refroidissement comporte des ailettes directionnelles (170, 172, 174, 176, 178) pour diriger le fluide de refroidissement dudit orifice d'entrée vers lesdites perforations de sortie traversantes.
  2. 2. Elément de répartition selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps présente une forme sensiblement pyramidale dont une base est destinée à recevoir ladite plaque multi-perforée comportant lesdites perforations de sortie traversantes diffusant le fluide de refroidissement et dont les faces inclinées se rejoignent à un sommet au niveau dudit orifice d'entrée de l'air de refroidissement.
  3. 3. Elément de répartition selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites ailettes directionnelles sont régulièrement réparties à l'intérieur dudit volume interne.
  4. 4. Elément de répartition selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites ailettes directionnelles comportent des sommets respectifs (170A, 172A, 174A, 176A, 178A) formant une voûte assurant le soutien d'une surface en plafond (180) dudit volume interne.
  5. 5. Elément de répartition selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites ailettes directionnelles comportent une ailette centrale (170) disposée dans un axe central passant par l'axe dudit orifice d'entrée, sensiblement à égale distance dudit orifice d'entrée et de ladite plaque multi-perforée, au moins deux autres ailettes (172, 174 ; 176, 178) étant réparties identiquement de chaque côté de ladite ailette centrale avec des angles d'inclinaison a et β par rapport au dit axe central allant croissant.
  6. 6. Elément de répartition selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite première ailette est inclinée par rapport au dit axe central dans une plage de l'ordre de 30° à 44° et ladite deuxième ailette est inclinée par rapport au dit axe central dans une plage de l'ordre de 45° à 59°.
  7. 7. Elément de répartition selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdites ailettes directionnelles sont en un nombre compris entre 3 et 9.
  8. 8. Ensemble d'anneau de turbine pour turbomachine comprenant une pluralité de secteurs d'anneau (110) formant un anneau de turbine, une structure de support d'anneau (13) et une pluralité d'éléments de répartition (150) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
  9. 9. Turbomachine comprenant un ensemble d'anneau de turbine selon la revendication 8.
  10. 10. Procédé de fusion laser sur lit de poudre pour la fabrication d'un élément de répartition selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel lesdites ailettes directionnelles font fonction de support permanent lors de la construction dudit volume interne.
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