FR3075869A1 - Roue mobile de turbine pour turbomachine d'aeronef, comprenant un anneau d'etancheite retenu radialement par des excroissances sur l'echasse des aubes - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une roue mobile de turbine (20) pour turbomachine d'aéronef, la roue comprenant un disque de turbine (21), une pluralité d'aubes (18) équipées d'un becquet aval (46) comportant une gorge (50) s'ouvrant radialement vers l'intérieur, un anneau (16) formant butée axiale pour les pieds d'aubes (24) et formant aussi une barrière d'étanchéité, l'extrémité radialement externe (86) de l'anneau étant logée dans la gorge (50) du becquet aval de chaque aube, et une entretoise (15) équipée d'une paroi amont (80) dont une extrémité amont (80a) plaque l'anneau (16) contre la partie périphérique (60) du disque (21). Selon l'invention, une partie inférieure de l'échasse (26) de chaque aube présente une excroissance axiale vers l'aval (88) formant une butée radiale vers l'extérieur pour l'anneau (16) comprenant une rainure annulaire (94), dans laquelle sont logées ces excroissances axiales (88) des aubes.

Description

ROUE MOBILE DE TURBINE POUR TURBOMACHINE D'AERONEF, COMPRENANT UN ANNEAU D'ETANCHEITE RETENU RADIALEMENT PAR

DES EXCROISSANCES SUR L'ECHASSE DES AUBES

DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne le domaine des aubes mobiles de turbine pour turbomachine d'aéronef, et plus généralement les roues mobiles de turbine équipées de telles aubes, comme par exemple les roues décrites dans le document EP 1 264 964 Al. L'invention s'applique à tout type de turbomachine, tel qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

Les roues mobiles de turbine ont fait l'objet de nombreux développements, notamment au niveau de leurs aubes dont le profil est optimisé en permanence afin d'accroître les performances aérodynamiques. Ces optimisations concernent par exemple le bord de fuite de l'aube, dont l'épaisseur est réduite afin d'améliorer les performances globales de la turbomachine.

Or la réduction de l'épaisseur du bord de fuite rend ce dernier plus vulnérable aux différentes sollicitations mécaniques dont il fait l'objet. En particulier, la roue mobile comporte habituellement un anneau d'arrêt axial des aubes, qui remplit également une fonction d'étanchéité en limitant les fuites d'air vers l'aval, entre les cavités. Cet anneau, agencé en aval du disque de turbine, présente une extrémité radialement externe logée dans une gorge de l'aube pratiquée sous et à proximité du bord de fuite. En fonctionnement, l'anneau exerce par effet centrifuge un effort radial conséquent dans le fond de la gorge, sollicitant ainsi mécaniquement le bord de fuite dont la durée de vie se trouve ainsi altérée.

RESUME DE L'INVENTION

Pour répondre au moins partiellement à l'inconvénient mentionné ci-dessus, l'invention a pour objet une roue mobile de turbine pour turbomachine d'aéronef, la roue comprenant : - un disque de turbine comportant une partie périphérique pourvue de rainures de logement d'aubes, le disque comportant également une bride de fixation aval r - une pluralité d'aubes comprenant chacune une pale, une plateforme, une échasse et un pied, le pied étant agencé dans l'une des rainures de logement du disque, et la plateforme présentant deux extrémités axiales opposées formant respectivement un becquet amont et un becquet aval, ledit becquet aval comportant une gorge s'étendant autour d'un axe central de la roue et s'ouvrant radialement vers l'intérieur ; - un anneau agencé en aval de la partie périphérique du disque, l'anneau formant d'une part une butée axiale vers l'aval pour les pieds d'aubes, et d'autre par une barrière d'étanchéité limitant les fuites d'air vers l'aval, l'extrémité radialement externe de l'anneau étant logée dans la gorge du becquet aval de chaque aube ; - une entretoise présentant une bride de fixation montée sur la bride de fixation aval du disque, l'entretoise comportant également une paroi amont dont une extrémité amont plaque l'anneau contre la partie périphérique du disque.

Selon l'invention, une partie inférieure de l'échasse de chaque aube coopère avec l'anneau selon une liaison par complémentarité de forme, de manière à former une butée radiale vers l'extérieur pour l'anneau. L'invention permet ainsi d'assurer la rétention radiale de l'anneau au moins partiellement au niveau de la partie inférieure de l'échasse, à savoir à distance du bord de fuite. Celui-ci s'avère par conséquent moins sollicité mécaniquement par l'anneau, ce qui contribue à augmenter sa durée de vie sans dégrader les performances globales de la roue de turbine.

En outre, l'invention se révèle simple à mettre en oeuvre, avec un outillage classique. Elle est également avantageuse en ce qu'elle s'insère facilement dans son environnement, sans nécessiter de modifications substantielles sur ses éléments adjacents. L'invention comporte de préférence au moins l'une quelconque des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison.

La liaison par complémentarité de forme comporte d'une part, sur la partie inférieure de l'échasse de l'aube, une excroissance axiale s'étendant vers l'aval et formant une butée radiale vers l'extérieur pour l'anneau, et d'autre part, sur cet anneau, une rainure annulaire dans laquelle sont logées les excroissances axiales des aubes.

La rainure annulaire de l'anneau forme une séparation entre une partie radialement externe de l'anneau et une partie radialement interne de l'anneau, cette dernière présentant une épaisseur plus faible que la partie radialement externe, et/ou il est prévu un jeu axial entre la partie radialement externe de l'anneau et un flanc amont de la gorge. La réduction de l'épaisseur de partie radialement externe de l'anneau, et/ou son jeu axial avec le flanc amont de la gorge, permet de faciliter le montage de l'anneau malgré la présence des excroissances axiales sur les échasses des aubes.

En configuration de repos, un jeu radial est prévu entre l'extrémité radialement externe de l'anneau et le fond de la gorge du becquet aval de chaque aube. Ce jeu peut être consommé en tout ou partie en fonctionnement, du fait de l'effort centrifuge et de la dilatation thermique des pièces. Cependant, il est par exemple fait en sorte que durant le fonctionnement, seulement un maximum de 10% de l'effort radial développé par l'anneau soit transmis dans la gorge du becquet aval de l'aube. La plus grande partie de cet effort transite effectivement par les excroissances axiales de l'échasse, prévues à cet effet et à distance du bord de fuite.

De préférence, l'anneau est fendu, comme un circlip.

Une extrémité radialement interne de l'anneau se situe radialement vers l'extérieur par rapport au fond des rainures de logement d'aubes du disque de turbine.

Ladite paroi amont de l'entretoise délimite avec le disque de turbine une cavité d'air alimentée par de l'air transitant entre le fond des rainures de logement d'aubes du disque de turbine, et le pied des aubes. L'excroissance axiale présente une longueur circonférentielle supérieure à l'épaisseur circonférentielle moyenne de l'échasse. L'excroissance axiale se situe au niveau de l'extrémité radialement interne de l'échasse, c'est-à-dire au plus loin du bord de fuite à préserver. L'invention a également pour objet une turbine pour turbomachine d'aéronef, comprenant au moins une roue mobile telle que celle décrite ci-dessus, la turbine étant préférentiellement une turbine basse pression.

Enfin, l'invention a pour objet une turbomachine d'aéronef comprenant au moins une telle turbine, la turbomachine étant préférentiellement une turbomachine à double corps. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ; - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un turboréacteur à double flux selon l'invention ; - la figure 2 représente une vue en demi-coupe axiale d'une roue mobile de turbine basse pression, selon un mode de réalisation préféré de l'invention ; - la figure 3 représente une vue en perspective d'une aube de turbine de la roue mobile montrée sur la figure 2 ; - la figure 4 représente une vue en perspective similaire à celle de la figure 3, selon un autre angle de vue ; et - la figure 5 est une vue schématique en demi-coupe axiale d'une partie de la roue mobile de turbine montrée sur la figure 2, montrant les efforts appliqués par l'anneau contre les aubes durant le fonctionnement du turboréacteur.

EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS

En référence tout d'abord à la figure 1, il est représenté une turbomachine 1 d'aéronef, selon un mode de réalisation préféré de l'invention. II s'agit ici d'un turboréacteur à double flux et à double corps. Néanmoins, il pourrait s'agir d'une turbomachine d'un autre type, par exemple un turbopropulseur, sans sortir du cadre de l'invention.

La turbomachine 1 présente un axe central longitudinal 2 autour duquel s'étendent ses différents composants. Elle comprend, d'amont en aval selon une direction principale 5 d'écoulement des gaz à travers cette turbomachine, une soufflante 3, un compresseur basse pression 4, un compresseur haute pression 6, une chambre de combustion 11, une turbine haute pression 7 et une turbine basse pression 8.

De manière conventionnelle, après avoir traversé la soufflante, l'air se divise en un flux primaire central 12a et un flux secondaire 12b qui entoure le flux primaire. Le flux primaire 12a s'écoule dans une veine principale 14a de circulation des gaz traversant les compresseurs 4, 6, la chambre de combustion 11 et les turbines 7, 8. Le flux secondaire 12b s'écoule quant à lui dans une veine secondaire 14b délimitée radialement vers l'extérieur par un carter moteur, entouré d'une nacelle 9.

En référence à présent aux figures 2 à 4, il est décrit une roue mobile de turbine 20, cette roue faisant partie intégrante de la turbine basse pression du turboréacteur. La roue mobile de turbine 20 comporte globalement un disque 21, une pluralité d'aubes 18 portées par le disque 20, un anneau 16 d'étanchéité et d'arrêt axial des aubes, ainsi qu'une entretoise 15 agencée en aval du disque 21.

Les aubes 18 sont réparties circonférentiellement autour du disque 21. En référence plus spécifiquement aux figures 3 et 4, chaque aube 18 comporte dans une direction radiale 22 en rapport avec l'axe central 2, en allant de l'intérieur vers l'extérieur, un pied d'aube 24, une échasse 26, une plateforme 28 et une pale 30 constituant la partie aérodynamique de l'aube. Le pied d'aube 24 présente une forme extérieure dite « en sapin » ou « en bulbe », permettant son insertion dans une rainure correspondante du disque de turbine. L'échasse 26 présente habituellement une épaisseur faible selon une direction circonférentielle 32, tandis que la plateforme 28 s'étend de part et d'autre de l'échasse 26 selon cette même direction circonférentielle 32.

Plus précisément, la plateforme 28 s'étend circonférentiellement au-delà de l'intrados 34 et de l'extrados 36 de la pale 30, et s'étend également au-delà d'un bord d'attaque 38 et d'un bord de fuite 40 de la pale, selon une direction axiale 42.

Avec sa surface extérieure 29, la plateforme 28 délimite radialement vers l'intérieur la veine principale 14a. La plateforme 28 présente deux extrémités axiales opposées, chacune formant un becquet. II s'agit d'un becquet amont 44 situé en amont du bord d'attaque 38, et d'un becquet aval 46 situé en aval du bord de fuite 40 de la pale 30.

Dans sa partie inférieure, le becquet aval 46 définit une gorge 50 qui s'étend autour de l'axe central longitudinal de la roue 20, en étant centrée sur ce même axe. La gorge 50 s'ouvre radialement vers l'intérieur en étant définie par un fond 52, un flanc amont 54 et un flanc aval 56 de longueur radiale inférieure à celle du flanc amont 54. Selon la direction axiale 42, la gorge 50 se situe sensiblement au même niveau que le bord de fuite 40, voire légèrement vers l'amont par rapport à ce dernier.

De retour à la figure 2, il est observé que le pied 24 de chaque aube 18 est agencé et retenu radialement dans une rainure de logement d'aube 58 d'orientation axiale ou oblique, pratiquée à travers une partie périphérique 60 du disque de turbine 21. Chaque rainure de logement d'aube 58 s'avère ainsi ouverte radialement vers l'extérieur pour laisser passer l'échasse 26 de l'aube, comme cela est connu de l'art antérieur.

Le disque 21 est également équipé d'une bride de fixation aval 62, qui est assemblée à une bride de fixation centrale 64 de l'entretoise 15. L'assemblage s'effectue par des boulons 66, qui enserrent également une bride de fixation amont 68 d'un disque de turbine appartenant à une roue mobile 20' située en aval de la roue 20.

Entre les deux roues mobiles 20, 20', il est prévu un distributeur de turbine 70 comprenant des aubes fixes 72. Au niveau d'une virole intérieure de ce distributeur 70, il est prévu un revêtement abradable 74 coopérant avec des léchettes d'étanchéité 76 portées par un bras 78 faisant partie intégrante de l'entretoise 15. Celle-ci comporte également une paroi amont 80 qui longe le disque 21, pour délimiter avec ce dernier une cavité d'air 81. Cette cavité 81 est alimentée par de l'air transitant vers l'aval entre le fond des rainures de logement d'aube 58, et le pied 24 des aubes 18, comme cela a été schématisé par la flèche 82 sur la figure 2. L'extrémité amont 80a de la paroi 80 adopte une orientation radiale, et permet de plaquer l'anneau 16 contre la partie périphérique 60 du disque de turbine 21. Plus précisément, cette extrémité amont 80a coopère avec une partie radialement interne 16b de l'anneau, qui est préférentiellement un anneau fendu tel un circlip.

Comme évoqué ci-dessus, l'anneau 16 présente deux fonctions principales. La première fonction a trait à l'étanchéité, puisqu'il forme une barrière limitant les fuites vers l'aval, essentiellement vis-à-vis de l'air circulant sous la plateforme de l'aube. La seconde fonction réside dans la butée axiale vers l'aval pour les pieds d'aubes 24, étant donné que sa partie radialement interne 16b se trouve en regard axialement de ces pieds 24. Néanmoins, il est noté que l'extrémité radialement interne 83 de l'anneau 16 est agencée radialement vers l'extérieur par rapport au fond 84 des rainures 58, et également par rapport à l'extrémité interne des pieds d'aubes 24. A partir de cette extrémité radialement interne 83, l'anneau 16 s'étend radialement vers l'extérieur de façon sensiblement droite, jusqu'à une extrémité radialement externe 86 appartenant à une partie radialement externe 16a de cet anneau. L'extrémité radialement externe 86 se trouve logée dans la gorge 50 du becquet aval 46. De préférence, au repos, c'est-à-dire lorsque la roue mobile de turbine 20 ne tourne pas, un jeu radial est prévu entre l'extrémité radialement externe 86 et le fond 52 de la gorge 50 de chacune des aubes 18. Ce jeu est préférentiellement faible, par exemple de l'ordre de 0,1 à 0,5 mm, et typiquement de 0,2 mm. Au repos, la rétention radiale de l'anneau 16 ne s'effectue donc pas via la gorge 50 située à proximité du bord de fuite 40 de l'aube, mais par des moyens spécifiques à l'invention qui vont à présent être décrits.

Tout d'abord, il est prévu sur chaque aube 18 une excroissance axiale 88, qui s'étend vers l'aval à partir d'une extrémité radialement interne de l'échasse 26. Cette excroissance 88 forme un bossage qui s'étant non seulement axialement, mais également selon la direction circonférentielle 32, comme cela est visible sur les figures 3 et 4. En effet, l'excroissance 88 s'étend de part et d'autre de l'échasse 26 selon cette direction circonférentielle 32, de façon sensiblement symétrique. La longueur circonférentielle « Le » de l'excroissance 88 est ainsi supérieure à l'épaisseur circonférentielle moyenne « Ec » de l'échasse 26, un rapport supérieur à 2 pouvant être retenu entre ces deux valeurs. Chaque excroissance 88 délimite alors une surface d'extrémité aval 90 sensiblement plane et s'inscrivant dans un plan défini par les directions radiale 22 et circonférentielle 32, ainsi qu'une surface de butée radiale 92 orientée radialement vers l'intérieur.

Pour compléter ces moyens de rétention radiale, l'anneau 16 est pourvu sur sa surface orientée vers l'amont d'une rainure annulaire 94 centrée sur l'axe 2, et s'ouvrant vers l'amont. Sa section peut être de forme sensiblement carrée ou rectangulaire.

La rainure annulaire 94 reçoit les excroissances axiales 88 des aubes 18, comme cela va maintenant être détaillé en référence à la figure 5. La surface de butée radiale 92 de chaque excroissance axiale 88 se trouve au contact d'un flanc inférieur 96 de la rainure 94, afin d'aboutir à la fonction de rétention radiale de l'anneau 16, vers l'extérieur. L'interface entre la surface 92 et le flanc 96 peut s'étendre sur une longueur axiale de l'ordre de 1 à 1,5 mm, et typiquement de l'ordre de 1,2 mm. A cet égard, il est noté que la surface d'extrémité aval 90 de l'excroissance 88 peut se trouver au contact du fond de la rainure 94, ou délimiter un jeu axial avec ce même fond.

Au repos et en fonctionnement, la partie radialement interne 16b de l'anneau reste plaquée contre la partie périphérique 60 du disque de turbine, et éventuellement aussi contre les pieds d'aubes 24 logés dans cette partie 60. Ce contact est observé jusqu'à la rainure annulaire 94, qui sépare les deux parties 16a, 16b de l'anneau 16. A partir de cette rainure 94, la partie radialement externe 16a s'étend vers l'extérieur avec une épaisseur axiale plus faible que celle de la partie 16b. Cela génère la présence d'un jeu axial « J » entre cette partie radialement externe 16a et le flanc amont 54 de la gorge 50. Le jeu « J » peut être de l'ordre de quelques millimètres. Le rapport entre l'épaisseur de la partie radialement externe 16a, et la largeur de la gorge 50, peut être de l'ordre de 1,5 à 2.

En prévoyant une telle réduction d'épaisseur de l'anneau sur la partie externe 16a, sa mise en place dans la gorge 50 reste aisée malgré la présence des excroissances axiales 88. D'ailleurs, il est noté que le flanc aval 56 de cette gorge 50 peut également voir sa forme modifiée pour faciliter encore davantage l'insertion de l'anneau 16, par exemple en évasant ce flanc 56 afin qu'il s'ouvre vers l'aval. Enfin, il est noté qu'un jeu axial peut également être observé entre la partie radialement externe 16a et le flanc aval 56 de la gorge 50, comme cela a été représenté sur la figure 5.

En fonctionnement, le jeu radial entre l'extrémité radialement externe 86 de l'anneau 16 et le fond 52 de la gorge 50 peut être consommé, en tout ou partie. Les causes de cette consommation du jeu résident dans l'effort centrifuge auquel est soumis l'anneau 16, et dans la dilatation thermique des pièces. Cependant, même si en fonctionnement l'extrémité 86 de l'anneau 16 est susceptible d'appliquer un effort radial « f » sur le fond de gorge 52 situé à proximité du bord de fuite 40, cet effort « f » reste faible par rapport à l'effort radial « F » appliqué par le flanc inférieur 96 de la rainure 94, sur la surface de butée radiale 92 de l'excroissance 88. Par exemple, l'effort « f » ne représente pas plus de 10% de l'effort radial total transmis par l'anneau 16 à chaque aube 18. Cela permet avantageusement de préserver le bord de fuite 40 réputé sensible.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs et dont la portée est définie par les revendications annexées.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Roue mobile de turbine (20) pour turbomachine d'aéronef, la roue comprenant : - un disque de turbine (21) comportant une partie périphérique (60) pourvue de rainures (58) de logement d'aubes, le disque comportant également une bride de fixation aval (62) ; - une pluralité d'aubes (18) comprenant chacune une pale (30), une plateforme (28), une échasse (26) et un pied (24), le pied étant agencé dans l'une des rainures de logement (58) du disque, et la plateforme (28) présentant deux extrémités axiales opposées formant respectivement un becquet amont (44) et un becquet aval (46), ledit becquet aval comportant une gorge (50) s'étendant autour d'un axe central (2) de la roue et s'ouvrant radialement vers l'intérieur ; - un anneau (16) agencé en aval de la partie périphérique (60) du disque, l'anneau formant d'une part une butée axiale vers l'aval pour les pieds d'aubes (24), et d'autre part une barrière d'étanchéité limitant les fuites d'air vers l'aval, l'extrémité radialement externe (86) de l'anneau étant logée dans la gorge (50) du becquet aval de chaque aube ; - une entretoise (15) présentant une bride de fixation (64) montée sur la bride de fixation aval (62) du disque, l'entretoise comportant également une paroi amont (80) dont une extrémité amont (80a) plaque l'anneau (16) contre la partie périphérique (60) du disque, caractérisée en ce qu'une partie inférieure de l'échasse (26) de chaque aube coopère avec l'anneau (16) selon une liaison par complémentarité de forme (88, 94), de manière à former une butée radiale vers l'extérieur pour l'anneau (16).
2. 2. Roue mobile selon la revendication 1, caractérisée en ce que la liaison par complémentarité de forme comporte d'une part, sur la partie inférieure de l'échasse (26) de l'aube, une excroissance axiale (88) s'étendant vers l'aval et formant une butée radiale vers l'extérieur pour l'anneau (16), et d'autre part, sur cet anneau (16), une rainure annulaire (94) dans laquelle sont logées les excroissances axiales (88) des aubes.
3. 3. Roue mobile selon la revendication 2, caractérisée en ce que la rainure annulaire (94) de l'anneau forme une séparation entre une partie radialement externe (16a) de l'anneau et une partie radialement interne (16b) de l'anneau, cette dernière présentant une épaisseur plus faible que la partie radialement externe, et/ou en ce qu'il est prévu un jeu axial (J) entre la partie radialement externe (16a) de l'anneau et un flanc amont (54) de la gorge (50).
4. 4. Roue mobile selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'en configuration de repos, un jeu radial est prévu entre l'extrémité radialement externe (86) de l'anneau et le fond (52) de la gorge (50) du becquet aval de chaque aube.
5. 5. Roue mobile selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une extrémité radialement interne (83) de l'anneau se situe radialement vers l'extérieur par rapport au fond (84) des rainures de logement d'aubes (58) du disque de turbine.
6. 6. Roue mobile selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite paroi amont (80) de l'entretoise (15) délimite avec le disque de turbine (21) une cavité d'air (81) alimentée par de l'air transitant entre le fond (84) des rainures de logement d'aubes (58) du disque de turbine, et le pied (24) des aubes.
7. 7. Roue mobile selon l'une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 2, caractérisée en ce que l'excroissance axiale (88) présente une longueur circonférentielle (Le) supérieure à l'épaisseur circonférentielle moyenne (Ec) de l'échasse.
8. 8. Roue mobile selon l'une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 2, caractérisée en ce que l'excroissance axiale (88) se situe au niveau de l'extrémité radialement interne de l'échasse (26).
9. 9. Turbine (7, 8) pour turbomachine d'aéronef, comprenant au moins une roue mobile (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes, la turbine étant préférentiellement une turbine basse pression.
10. 10. Turbomachine d'aéronef (1) comprenant au moins une turbine (7, 8) selon la revendication précédente, la turbomachine étant préférentiellement une turbomachine à double corps.