FR3084396A1 - Dispositif d'etancheite entre un etage d'aubes fixes et un etage d'aubes mobiles - Google Patents

Abstract

L'agencement d'étanchéité autour d'un rotor (1) pourvu d'aubes mobiles (4) alternant avec des aubes fixes (6) dans un turbomoteur comprend des becquets (32, 33) saillant axialement des plates-formes (76) des aubes (4) dont la forme est particulière, puisqu'ils sont coudés (38, 39) pour posséder une extrémité inclinée dans la direction radiale vers une garniture abradable d'étanchéité (31) montée sur une plateforme annulaire simple (30) à l'extrémité des autres aubes (6). Une étanchéité satisfaisante est obtenue avec ce dispositif très simple, qui se prête bien à une fabrication par moulage.

Description

DISPOSITIF D'ETANCHEITE ENTRE UN ETAGE D'AUBES FIXES

ET UN ETAGE D'AUBES MOBILES

DESCRIPTION

Le sujet de l'invention est un dispositif d'étanchéité disposé entre un étage d'aubes fixes et un étage d'aubes mobiles d'un turbomoteur.

Les compresseurs et les turbines des turbomoteurs comprennent des successions d'étages circulaires d'aubes fixes et mobiles alternés. Les aubes mobiles servent à communiquer de l'énergie à l'air d'entrée pour le comprimer ou au contraire à recueillir l'énergie des gaz après la combustion pour entretenir la rotation du rotor, alors que les aubes fixes, appartenant à des étages dits distributeurs dans les turbines ou redresseurs dans les compresseurs, ont pour fonction de redresser la direction de l'écoulement après le passage de chaque étage d'aubes mobiles. Une étanchéité doit être pratiquée aux extrémités de sommet des aubes pour éviter les fuites de l'écoulement des gaz autour d'elles, qui auraient pour effet de contourner les étages d'aubes et d'échapper donc à l'écoulement utile du moteur.

Un dispositif classique (qu'on retrouve par exemple dans le document FR 2977274 Bl) peut être décrit au moyen des figures 1 et 2. Un rotor 1 d'un turbomoteur est entouré par un carter d'un stator 2, en laissant une veine 3 annulaire d'écoulement des gaz entre eux. Des étages circulaires d'aubes mobiles 4 sont fixés au rotor 1 par des pieds 5 et des étages circulaires d'aubes fixes 6 sont fixés au carter 2 par des dispositifs à crochets 7. On définit une direction axiale X et une direction radiale R, perpendiculaires entre elles du moteur.

Les aubes mobiles 4 sont entourées par des joints d'étanchéité 8 extérieurs qui comprennent une garniture d'abradable 9 annulaire fixée au stator 2 à côté des crochets 7, et des léchettes 10 disposées au sommet des aubes mobiles 4 et qui s'étendent devant la surface libre de l'abradable 9 pour établir un joint à labyrinthe. Les extrémités des léchettes 10 s'étendent à très petite distance de l'abradable 9 et peuvent y pénétrer en l'érodant pendant un rodage du joint puis dans certaines circonstances de fonctionnement du moteur. Le labyrinthe est constitué par le trajet sinueux qui est alors formé à travers le joint d'étanchéité 8 et qui impose des pertes de charge élevées aux écoulements de fuite. Ce joint permet de limiter les fuites de gaz autour d'un côté de révolution extérieur de la veine 3 annulaire, qui est délimité par des plates-formes extérieures 65, porteuses des léchettes 10 et reliant les bords de sommet des aubes mobiles 4, et des plates-formes extérieures 66 des aubes fixes 6, porteuses des crochets 7 (les mots «extérieur» et «intérieur» font référence, dans cette description, à un éloignement plus ou moins grand de l'axe du moteur dans la direction radiale R). La veine 3 est encore délimitée par un second côté de révolution intérieur et qui est formé par des plates-formes intérieures 67 des aubes mobiles 4, adjacentes aux pieds 5, et des platesformes intérieures 68 des aubes fixes 6. Les plates-formes extérieures 65 et 66 et les plates-formes intérieures 67 et 68 s'étendent sur toute la circonférence du turbomoteur et peuvent être continues dans les constructions ou les étages d'aubes sont construits d'un bloc, ou formées de secteurs angulaires juxtaposés et reliés par des joints d'étanchéité dans les constructions où les aubes fixes 6 ou mobiles 4 sont construites individuellement; l'invention pourra être mise en œuvre dans toutes ces variantes de construction. Dans la suite de cette description, on considérera des aubes fixes 6 et mobiles 4 construites individuellement.

Le côté radialement intérieur de la veine 3 doit lui aussi être muni de dispositifs d'étanchéité 13 pour limiter les fuites de gaz qui pourraient le contourner en passant entre les plates-formes intérieures 68 des aubes fixes 6 et le rotor 1. On se reporte plus précisément à la figure 2 pour décrire un agencement existant.

Les plates-formes intérieures 67 des aubes mobiles 4 comprennent des becquets 16 et 17 saillant des deux côtés dans la direction axiale X du turbomoteur en direction des plates-formes intérieures 68 des aubes fixes 6 voisines. Les becquets 16 et 17 peuvent être cylindriques ou légèrement coniques. Les plates-formes intérieures 68 des aubes fixes 6 comprennent alors un anneau extérieur 19 de plus grand rayon que les becquets 16 et 17, un anneau intérieur 20 de plus petit rayon qu'eux, et une entretoise 21 plane s'étendant sensiblement selon la direction radiale R et reliant les anneaux 19 et 20, et passant entre les bords des becquets 16 et 17. L'anneau intérieur 20 porte une

S64611 FRJCI-P garniture d'abradable 22 à sa face radialement intérieure, et des léchettes 23 sont disposées devant sa face libre, sur le rotor 1, en pointant radialement vers l'extérieur. Le rotor 1 peut être composé de disques assemblés entre eux, et les léchettes 23 peuvent alors être placées sur un anneau d'étanchéité 18 assemblé aux disques du rotor 1 par des vis 69 qui unissent aussi ces disques.

Et l'anneau extérieur 19, ainsi que l'anneau intérieur 20, comprennent des capots 24, 25, 26 et 27 à leurs deux extrémités latérales, qui sont dirigés vers les faces opposées des becquets 16 et 17 pour restreindre la section de passage des gaz autour d'eux. Le dispositif d'étanchéité 13 forme donc deux cavités 28 et 29 séparées l'une de l'autre par la garniture abradable 22 et les léchettes 23, qui forment ici aussi un joint à labyrinthe laissant passer peu de débit, et séparées de la veine 3 essentiellement par les becquets 16 et 17, que les gaz doivent traverser pour contourner l'écoulement principal. Les capots 24, 25, 26 et 27 servent à isoler les cavités 28 et 29, sans toutefois contribuer beaucoup eux-mêmes à l'étanchéité à cause des jeux assez importants qui doivent subsister entre eux et les becquets 16 et 17 pour toutes les phases de fonctionnement et les déformations thermiques ou mécaniques (par les forces centrifuges) correspondantes, et aussi pour permettre le montage des pièces. On voit que cette conception est complexe. Elle est aussi pesante à cause du poids des plates-formes intérieures 68 des aubes fixes 6 et de l'anneau d'étanchéité 18.

L'objet de l'invention est de proposer un dispositif d'étanchéité différent dont les avantages principaux sont qu'il est plus simple, moins encombrant, moins pesant, et qu'il est donc moins coûteux, plus facile à assembler et à entretenir. Une réduction des dimensions du moteur peut être envisagée. Enfin, un aspect important de l'invention est que la construction du nouveau dispositif se prête bien à une fabrication facile des aubes par moulage, plus facile que celle du dispositif des figures 1 et 2.

Sous une forme générale, un aspect de l'invention est un agencement de turbomoteur comprenant un ensemble fixe composé notamment d'un stator comprenant une série d'étages circulaires d'aubes fixes , un ensemble tournant autour d'un axe (X) du turbomoteur et composé notamment d'un rotor concentrique au stator comprenant une série d'étages circulaires d'aubes mobiles, les étages circulaires d'aubes fixes et mobiles s'étendant dans une veine annulaire d'écoulement du gaz en alternant dans la direction de l'axe ; la veine étant délimitée par des plates-formes des aubes fixes et mobiles, certaines au moins des plates-formes comprenant des becquets qui sont des structures annulaires à épaisseur sensiblement constante saillant en direction de l'axe (X) du turbomoteur; des joints d'étanchéité à labyrinthe comprenant chacun une garniture d'étanchéité et au moins un élément rigide, mobile par rapport à la garniture et ayant une extrémité adjacente et en regard de la garniture, étant placés le long du côté de révolution et réparties entre le rotor et le stator; caractérisé en ce que les garnitures d'étanchéité sont fixées à certaines des plates-formes et les éléments rigides des joints sont constitués par certains au moins des becquets de l'ensemble, qui ont alors une section coudée avec une portion d'extrémité libre, formant ladite extrémité adjacente à la garniture, plus inclinée vers la garniture qu'une portion complémentaire desdits becquets à section coudée.

Cet agencement s'accompagne d'une diminution importante du volume des éléments d'étanchéité et des éléments qui servent à les soutenir. Les becquets, utilisés à titre accessoire pour contribuer à l'étanchéité dans l'agencement des figures 1 et 2, sont maintenant incorporés au joint à labyrinthe, pour remplacer les léchettes 23 de la conception précédente. L'anneau d'étanchéité 18, qui servait à les monter sur le rotor 1, est alors entièrement supprimé ; la plate-forme porteuse de la garniture d'étanchéité 68 est simplifiée elle aussi, en la remplaçant par un anneau simple; et la garniture d'étanchéité peut désormais être placée, dans la direction radiale, entre cette plateforme et les becquets des plates-formes des aubes voisines. Le joint à labyrinthe est donc adjacent à la veine, puisqu'un de ses éléments est le becquet qui contribue à la délimiter en s'étendant vers l'étage d'aubes voisin, alors qu'il était nettement hors de la veine, à un rayon différent des plates-formes et des becquets, dans la conception des figures 1 et 2. Cette originalité de l'invention explique pourquoi l'agencement qui la caractérise a un volume plus petit, avec donc moins de volumes morts (hors de l'écoulement de la veine 3 et quasi stagnants) de gaz et un rendement meilleur de la machine.

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On distinguera deux conceptions principales, selon que la garniture d'étanchéité dépend des aubes fixes ou des aubes mobiles : dans la première d'entre elles, les becquets à section coudée sont disposés intérieurement à la garniture d'étanchéité dans la direction radiale du turbomoteur, et ils remplacent les becquets 17 et 16 de la réalisation précédente. Dans l'autre des conceptions principales, les becquets à section coudée sont disposés extérieurement à la garniture d'étanchéité dans la direction radiale du turbomoteur, et la garniture d'étanchéité est fixée à d'autres becquets des plates-formes, ici aux becquets 16 et 17 des aubes mobiles 4. Ces deux conceptions sont assez équivalentes en ce qui concerne la simplicité du dispositif et la qualité de l'étanchéité.

Ainsi qu'on l'a dit, certaines des plates-formes, qui sont des platesformes des sommets des aubes d'une première des séries d'aubes, sont avantageusement formées d'un anneau à section essentiellement plate, hormis aux becquets quand elles en sont pourvues.

Avantageusement, la portion d'extrémité des becquets à section coudée fait un angle compris entre 30° et 90° avec une surface libre de la garniture, ce qui garantit une bonne pénétration dans la garniture d'abradable, quand les conditions de fonctionnement du moteur la produisent.

Les becquets ordinaires sont usuellement horizontaux dans la direction axiale X du moteur. Cette condition n'est toutefois pas nécessaire : il peut être au contraire indiqué dans l'invention que la portion complémentaire des becquets à section coudée soit inclinée, par exemple dans la sens radial intérieur, en se dirigeant vers la portion d'extrémité, ce qui, notamment dans le cas où les becquets à section coudée sont aux pieds des aubes, permet un meilleur accès au dispositif d'étanchéité au moment du montage par exemple.

Un autre aspect important de l'invention est la facilité de fabrication du dispositif d'étanchéité. Si les aubes comprenant les becquets à section coudée sont fabriquées par moulage, et que les portions d'extrémités de ces becquets se raccordent à des chenaux de coulée qui sont coupés et retirés des aubes après le moulage, on constate que la qualité de fabrication est améliorée, avec une diminution sensible des rebuts.

D'autres aspects de l'invention seront maintenant décrits en liaison aux figures suivantes, qui en représentent des modes de réalisation donnés à titre purement illustratif :

- les figures 1 et 2, déjà décrites, représentent une vue partielle d'un turbomoteur et d'un dispositif d'étanchéité connu entre étages d'aubes fixes et mobiles ;

- les figures 3 et 4 représentent deux modes de réalisation de l'invention ;

- les figures 5, 6 et 7 représentent des agrandissements ; et

- les figures 8 et 9 illustrent la fabrication d'une aube conforme à l'invention.

On passe au commentaire de la figure 3. Des éléments constitutifs du moteur, tels que le rotor 1, le stator 2, les aubes mobiles 4, les aubes fixes 6 et les platesformes 5 sont semblables ou à peu près à ceux de la conception déjà décrite. Mais la plate-forme intérieure 68 des aubes fixes 6 est remplacée par une plate-forme intérieure 75 composée d'un seul anneau 30, cylindrique ou légèrement conique, porteur de l'abradable 31 à sa face intérieure. Et les becquets 16 et 17 des plates-formes intérieures (désormais 76) des aubes mobiles 4 sont remplacées par des becquets 32 et 33 dont la forme est modifiée, puisqu'ils comportent une première portion 34 ou 35, se raccordant à la plate-forme 5 par une extrémité, et une portion d'extrémité 36 ou 37 prolongeant la précédente, faisant un coude 38 ou 39 avec elle et finissant sur un bord libre 40 ou 41 adjacent à la surface libre 73 de l'abradable 31. Les becquets 16 et 17 contribuent donc à composer les joints à labyrinthe nécessaires à l'étanchéité.

Le coude 38 ou 39 peut consister en une variation brusque ou au contraire progressive de la direction du becquet 32 ou 33. Les deux portions 34 et 36, ou 35 et 37, de chaque becquet 16 ou 17 ont la même épaisseur ou sensiblement.

La réalisation de la figure 4, également conforme à l'invention, diffère de la précédente en ce que les becquets 32 et 33 sont remplacés par des becquets 42 et 43 cylindriques portant chacun une garniture d'abradable 44 ou 45 à leur face radiale extérieure, et la plate-forme intérieure 75' des aubes fixes 6 se distingue de la précédente

S64611 FRJCI-P (75) en ce que l'anneau 30 est maintenant complété par des becquets obliques 46 et 47 dont les bords libres sont adjacents aux surfaces libres 73 de l'abradable 44 ou 45.

Dans ces deux réalisations des figures 3 et 4, on conserve donc les joints à labyrinthe tout en les intégrant différemment au dispositif, puisque les léchettes sont remplacés par des portions de becquets modifiés pour satisfaire à cette fonction et les faire participer à l'étanchéité, ce qui permet de supprimer une grande partie du dispositif d'étanchéité 13 de la figure 2, et notamment de remplacer la plate-forme intérieure 68 par un dispositif beaucoup plus simple et léger, grâce à cette petite modification de forme des becquets. Avec les joints à labyrinthe, les plates-formes 75 et 76, ou 75' et 76', modifiées délimitent encore de façon satisfaisante le côté de révolution de la veine 3. Des réalisations mixtes, conformes à la figure 3 pour un côté (amont ou aval) des aubes fixes 6 et à la figure 4 pour l'autre côté, seraient possibles et appartiendraient aussi à l'invention.

Les figures 5 et 6 illustrent les orientations des portions des becquets 32 et 33. Le becquet 33 sera seul représenté ici, l'autre pouvant être symétrique. La première portion, ici 35, peut être cylindrique, ou comporter, comme le représente la figure 6, une petite inclinaison dans la direction radiale R d'un angle appelé β. L'inclinaison peut être quelconque, mais une inclinaison vers le sens intérieur (à rayon décroissant vers le coude 39) peut être plus pertinente si on veut accéder plus facilement à l'espace entre le becquet 33 et l'abradable 31. L'angle a entre la portion d'extrémité 37 et la surface libre 73 de l'abradable 31 (ou avec la direction axiale X du turbomoteur dans le cas usuel où cette surface libre 73 est également cylindrique) peut être compris entre 30° et 90° pour favoriser la pénétration éventuelle dans l'abradable 31. Et les becquets 46 et 47 du mode de réalisation de la figure 4 peuvent être disposés de façon analogue aux précédents, avec (figure 7) une première portion 48 s'étendant en direction axiale X du moteur ou sensiblement, et une portion d'extrémité 49 inclinée plus fortement dans la direction radiale R après un coude 50, dont le bord libre 74 est adjacent à la surface libre 73 de l'abradable 44 ou 45. Les angles d'inclinaison des portions 48 et 49 peuvent être analogues aux angles a et β déjà rencontrés.

Un avantage important de l'invention va maintenant être développé au moyen des figures 8 et 9.

Les aubes rencontrées ici sont traditionnellement produites par fonderie, généralement par un procédé de cire perdue. La complexité de forme des pièces les rend toutefois assez difficilement moulables. On peut recourir à une empreinte 56 creusée dans un moule pour produire l'aube mobile 4 de la figure 2. L'empreinte 56 comprend une empreinte principale 57 correspondant à la forme de l'aube mobile 4 mais, pour assurer l'entrée de matière fondue dans les becquets de la plate-forme intérieure, on ajoute deux chenaux de coulée latéraux 58 et 59 dont les extrémités inférieures se raccordent respectivement aux portions de l'empreinte principale 57 devant donner les becquets 16 et 17, et dont l'extrémité opposée, en haut de l'empreinte 56, se raccorde aux portions de l'empreinte principale 57 devant donner la plate-forme extérieure 65. Des masselottes 60 et 61 sont ajoutées en haut de l'empreinte 56 pour compenser la rétraction du métal à la solidification. Mais les chenaux de coulée latéraux 58 et 59 ne suffisent pas à supprimer complètement les difficultés de moulage des becquets 16 et 17 traditionnels, qui sont des pièces élancées, fines et horizontales. Des sorties de tolérances dimensionnelles sont fréquemment constatées après le refroidissement et le démoulage des pièces.

La figure 9 représente partiellement une empreinte 62 modifiée pour la fabrication d'une aube mobile conforme à la réalisation de la figure 3 de l'invention. Les becquets 16 et 17 fins et horizontaux étant remplacés par les becquets 32 et 33 plus rigides, des portions d'empreinte 70 et 71 de forme correspondante sont pratiquées, qui facilitent le moulage : les portions 71, correspondant aux portions d'extrémité 36 et 37 des becquets 32 et 33, se raccordent mieux aux chenaux de coulée latéraux 58 et 59, par un angle obtus au lieu d'un angle droit, qui impose une déflexion moins importante à l'écoulement de métal fondu, et les portions 70, correspondant aux premières portions 34 et 35, et horizontales ou à peu près, donc plus difficiles à emplir par un écoulement du métal fondu, sont néanmoins plus courtes que les portions homologues 72 de l'empreinte 56, qui correspondent aux longueurs entières des becquets 16 et 17. De plus, une épaisseur plus importante peut être choisie pour les becquets 32 et 33 que pour les becquets 16 et 17 traditionnels, afin qu'ils soient plus rigides à l'égard des forces centrifuges et plus aptes à pénétrer dans l'abradable 45 quand cela est nécessaire :

S64611 FRJCI-P l'élargissement correspondant des portions 70 et 71 de l'empreinte 62 facilite aussi la coulée. Les formes coudées des becquets 32, 33 ou 46, 47 contribuent aussi à leur rigidité plus grande.

Les aubes sont donc formées en sectionnant et retranchant la matière correspondant aux chenaux de coulée latéraux 58 et 59, notamment à l'extrémité des becquets 32 et 33.

L'invention a été décrite en application au côté radialement intérieur de la veine 3 annulaire ; elle pourrait aussi être appliquée au côté radialement extérieur.

Claims (7)

1) Agencement de turbomoteur comprenant un ensemble fixe composé notamment d'un stator (2) comprenant une série d'étages circulaires d'aubes fixes (6), un ensemble tournant autour d'un axe (X) du turbomoteur et composé notamment d'un rotor (1) concentrique au stator comprenant une série d'étages circulaires d'aubes mobiles (4), les étages circulaires d'aubes fixes (6) et mobiles (4) s'étendant dans une veine (3) annulaire d'écoulement du gaz en alternant dans la direction de l'axe ; la veine (3) étant délimitée par des plates-formes des aubes fixes et mobiles, certaines au moins des plates-formes comprenant des becquets qui sont des structures annulaires à épaisseur sensiblement constante saillant en direction de l'axe (X) du turbomoteur; des joints d'étanchéité à labyrinthe comprenant chacun une garniture d'étanchéité et au moins un élément rigide, mobile par rapport à la garniture et ayant une extrémité adjacente et en regard de la garniture, étant placés le long du côté de révolution et réparties entre le rotor (1) et le stator (2) ; caractérisé en ce que les garnitures d'étanchéité sont fixées à certaines des plates-formes et les éléments rigides des joints sont constitués par certains au moins des becquets de l'ensemble (32, 33, 46,47), qui ont alors une section coudée avec une portion d'extrémité libre, formant ladite extrémité (40, 41, 74) adjacente à la garniture (31, 44, 45), plus inclinée vers la garniture qu'une portion complémentaire desdits becquets à section coudée.

2) Agencement de turbomoteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les becquets (32, 33) à section coudée appartiennent aux aubes mobiles (4) et sont disposés intérieurement aux garnitures (31) d'étanchéité dans une direction radiale (R) du turbomoteur qui sont fixées à des faces radialement intérieures des plates-formes des aubes fixes (6).

3) Agencement de turbomoteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les becquets à section coudée (46, 47) appartiennent aux aubes fixes (6) et sont disposés extérieurement à la garniture (44, 45) d'étanchéité dans une direction radiale (R) du turbomoteur, et la garniture d'étanchéité est fixée à une surface radialement extérieure d'autres becquets (42, 43), qui appartiennent aux aubes mobiles (4).

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4) Agencement de turbomoteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que certaines des plates-formes, qui sont des plates-formes de sommet des aubes d'une première des séries, sont formées d'un anneau à section essentiellement plate hors des becquets.

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5) Agencement de turbomoteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la portion d'extrémité desdits becquets à section coudée fait un angle compris entre 30° et 90° avec une surface libre (73) de la garniture (31, 44, 45).

6) Agencement de turbomoteur selon l'une quelconque des 10 revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la portion complémentaire des becquets à section coudée est inclinée dans en sens intérieur dans la direction radiale en se dirigeant vers la portion d'extrémité.

7) Agencement de turbomoteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les aubes comprenant les becquets à section coudée

15 sont fabriquées par moulage, caractérisé en ce que la portion d'extrémité desdits becquets à section coudée se raccorde à des chenaux de coulée latéraux qui sont coupés et retirés des aubes après le moulage.