FR3092609A1

FR3092609A1 - Ensemble de turbine pour turbomachine d’aeronef a circuit de refroidissement de disque ameliore

Info

Publication number: FR3092609A1
Application number: FR1901396A
Authority: FR
Inventors: Camille Maryse Martine Palomba; Erwan Perrot; Antoine Frédéric Jean SATRE; Marc-Antoine Anatole GOT
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-02-12
Publication date: 2020-08-14
Anticipated expiration: 2039-02-12
Also published as: GB202001886D0; FR3092609B1; US11280197B2; GB2582445A; GB2582445A8; GB2582445B; US20200256193A1

Abstract

L'invention concerne un ensemble de turbine pour turbomachine d’aéronef, comprenant un disque de rotor (17) prolongé axialement par une bride (36) et portant des aubes rotatives (18) délimitant conjointement avec le disque (17) des canaux d’écoulement d’air (43) ; un flasque annulaire (33) incluant une extrémité d’appui (34) et délimitant conjointement avec la bride (36) un passage d’air (42) communiquant avec les canaux d’écoulement d’air (43) ; un organe de retenue (32) axiale des aubes appliqué contre le disque (17) par l’extrémité d’appui (34) ; cet ensemble de turbine étant caractérisé en ce qu’au moins un élément, parmi l’organe de retenue (32) et le flasque (33), comporte une rainure (44) formée en regard de l’autre élément, parmi l’organe de retenue (32) et le flasque (33), et dans laquelle est engagé un joint d’étanchéité (45) contre lequel s’appuie axialement ledit autre élément. Figure pour l’abrégé : Figure 6

Description

ENSEMBLE DE TURBINE POUR TURBOMACHINE D’AERONEF A CIRCUIT DE REFROIDISSEMENT DE DISQUE AMELIORE

L’invention se rapporte à un ensemble de turbine pour turbomachine d’aéronef, et plus spécifiquement à la problématique de refroidissement d’un disque de rotor.

Dans une turbomachine, les aubes de turbine placées en aval de la chambre de combustion sont soumises à des conditions sévères de température. A cet effet, il est connu de refroidir ces aubes avec un fluide de refroidissement, généralement de l'air, admis en pied d'aube pour cheminer le long d'un circuit interne et être évacué hors de l'aube par des perçages répartis sur les parois aérodynamiques de l’aube.

En pratique, les besoins accrus en performances des turbomachines impliquent d’augmenter toujours davantage les températures en sortie de chambre de combustion, conduisant alors à considérer également le refroidissement des disques de turbine portant les aubes. Il est connu du document FR2825748 d’assurer ce refroidissement par de l’air, prélevé en amont de la turbine, qui circule dans des passages délimités entre les pieds d’aubes et des rainures formées dans le disque et dans lesquelles ces pieds sont installés, ainsi que dans un espace défini entre le disque et un flasque annulaire. Ce flasque, solidaire en rotation du disque, participe notamment au maintien en position de l’aube en pressant un anneau de retenue axial contre le disque et le pied des aubes.

Il a cependant été observé que de l’air s’échappe hors des espaces définis pour la propagation de l’air de refroidissement, notamment au niveau de l’interface entre le flasque et l’anneau de retenue. Dès lors que l’air perdu ne participe pas au refroidissement du disque, il est souhaitable de limiter au mieux ces fuites d’air. Cette problématique d’étanchéité est d’autant plus complexe que l’encombrement prévu entre le flasque et le disque est faible.

Le but de l’invention est donc de proposer une solution permettant de limiter ces fuites, autrement dit de contraindre au mieux le flux d’air frais à épouser la surface du disque en empruntant les espaces définis entre ce disque et le flasque.

A cet effet, l’invention a pour objet un ensemble de turbine pour turbomachine d’aéronef, comprenant :

- un disque de rotor qui s’étend autour d’un axe en étant prolongé axialement selon l’axe par une bride, ce disque de rotor portant une pluralité d’aubes radiales comprenant chacune un pied engagé dans une alvéole axiale correspondante formée en périphérie du disque de rotor, de sorte que chaque couple formé d’une alvéole et d’un pied délimite, entre l’alvéole et le pied, un canal axial d’écoulement d’air ;

- un flasque annulaire, solidaire en rotation du disque de rotor, s’étendant axialement vers le disque de rotor, et qui présente une extrémité d’appui s’étendant radialement vers l’extérieur au-delà des canaux d’écoulement d’air en délimitant conjointement avec la bride un passage d’air communiquant avec les canaux d’écoulement d’air ;

- un organe de retenue pour retenir axialement chacune des aubes dans l’alvéole correspondante, cet organe de retenue étant appliqué contre le disque de rotor par l’extrémité d’appui du flasque annulaire ;

cet ensemble de turbine étant caractérisé en ce qu’au moins un élément parmi l’organe de retenue et le flasque annulaire comporte une rainure s’étendant dans une direction circonférentielle et formée en regard de l’autre élément parmi l’organe de retenue et le flasque annulaire, un joint d’étanchéité étant engagé dans la rainure et contre lequel s’appuie axialement ledit autre élément.

L’invention permet ainsi de répondre au besoin formulé ci-dessus, en prévoyant un joint d’étanchéité empêchant ainsi l’air de s’échapper au niveau de l’interface entre le flasque annulaire et l’organe de retenue.

L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel le joint d’étanchéité est monté pré-comprimé dans la rainure.

L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel le joint présente un coefficient de dilation thermique supérieur à celui du disque de rotor, du flasque et de l’organe de retenue.

L’invention concerne également un ensemble ainsi défini,

dans lequel l’organe de retenue comprend au moins une fente qui traverse radialement l’organe de retenue et au niveau de laquelle le flasque annulaire n’est pas en appui contre cet organe de retenue, et dans lequel la rainure est formée dans l’organe de retenue de manière à ce que le joint d’étanchéité s’étende circonférentiellement au moins le long de cette fente.

L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel l’organe de retenue est formé d’une alternance de premiers et seconds segments angulaires agencés circonférentiellement et dans chacun desquels est formé un segment de rainure respectif, de sorte que les segments de rainure respectifs des premiers et seconds segments angulaires s’étendent dans le prolongement circonférentiel les uns des autres pour former la rainure, les segments angulaires délimitant en outre deux à deux une fente.

L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel les premiers et seconds segments angulaires comportent chacun un corps respectif de forme plane, et une partie médiane en saille axiale et disposée circonférentiellement à distance des extrémités circonférentielles du corps.

L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel ladite au moins une fente est équipée d’un organe d’étanchéité la longeant intégralement, l’organe d’étanchéité se présentant sous la forme d’une lamelle métallique en serpentin ayant ses extrémités circonférentielles en appui chacune contre une extrémité circonférentielle de fente.

L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel la rainure est formée au niveau de l’extrémité d’appui du flasque annulaire, cette extrémité d’appui comprenant une première et une seconde portions prévue pour être en appui contre l’organe de retenue en étant situées radialement de part et d’autre de la rainure, et dans lequel la seconde portion d’appui présente une extrémité radialement externe libre et se présente sous la forme d’une languette dont l’épaisseur diminue à mesure qu’elle s’éloigne radialement vers l’extérieur.

L’invention concerne également une turbine pour turbomachine d’aéronef comprenant au moins un ensemble ainsi défini, la turbine étant préférentiellement une turbine basse pression.

L’invention concerne également une turbomachine d’aéronef comprenant au moins une turbine ainsi défini, la turbomachine étant préférentiellement une turbomachine à double corps.

Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels :

est un schéma de principe d'un turboréacteur à double flux en coupe axiale selon l’invention ;

illustre une demi-vue schématique d’une turbine basse pression de turbomachine selon l’invention ;

représente partiellement, en vue éclatée et de manière schématique, un disque équipé d’une aube selon l’invention ;

est une vue de détail de la figure 2 illustrant un ensemble de turbine comprenant une roue mobile suivie d’un distributeur ;

est une vue partielle et en perspective d’un ensemble de turbine avec un organe de retenue axiale d’aube radialement continu qui est soumis à une problématique de fuite ;

représente une vue en section de la figure 5 suivant un plan P1, en illustrant une problématique de fuite ;

est une vue partielle et en perspective d’un ensemble de turbine selon un premier mode de réalisation de l’invention ;

et

représentent des vues en section de la figure 6 suivant le plan P2, avec la figure 6B illustrant en particulier la conservation de l’étanchéité sous variation dimensionnelle ;

est une vue partielle et en perspective d’un ensemble de turbine avec un organe de retenue axiale d’aube issu d’un assemblage de premiers et seconds segments angulaires en alternance, qui est soumis à une problématique de fuite ;

et

représentent respectivement un premier segment et un second segment de la figure 7 ;

et

représentent des vues en section de la figure 7 suivant les plans P3, P4 et P5 respectivement ;

est une vue partielle en perspective d’un ensemble de turbine avec un organe de retenue axiale formé d’une alternance de segments angulaires et équipé d’un joint selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ;

et

représentent en vue éclatée les segments angulaires et le joint de la figure 8 ;

, et

représentent des vues en section de la figure 8 suivant les plans P6, P7 et P8 respectivement ;

et

représentent des vues en section d’un ensemble de turbine selon un troisième mode de réalisation de l’invention ;

et

représentent des vues en section d’un ensemble de turbine selon un quatrième mode de réalisation de l’invention ;

est une vue partielle en perspective d’un ensemble de turbine avec un organe de retenue axiale formé d’une alternance de segments angulaires et équipé d’un organe d’étanchéité selon un cinquième mode de réalisation de l’invention ;

est une vue de détail de l’organe d’étanchéité de la figure 11 ;

représente une vue en section de la figure 11 suivant le plan P9.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

En référence à la figure 1, il est représenté une turbomachine 1 d’aéronef, selon un mode de réalisation préféré de l’invention. Il 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 AX autour duquel s’étendent ses différents composants. Elle comprend, d’amont AM en aval AV 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 7, une turbine haute pression 8 et une turbine basse pression 9.

De manière conventionnelle, après avoir traversé la soufflante, l’air se divise en un flux primaire central 11a et un flux secondaire 11b qui entoure le flux primaire. Le flux primaire 11a s’écoule dans une veine principale 12a de circulation des gaz traversant les compresseurs 4, 6, la chambre de combustion 7 et les turbines 8, 9. Le flux secondaire 11b s’écoule quant à lui dans une veine secondaire 12b délimitée radialement vers l’extérieur par un carter moteur, entouré d’une nacelle 13.

La figure 2 représente une partie de la turbine basse pression 9. Néanmoins, l’invention pourrait également s’appliquer à la turbine haute pression 8, sans sortir du cadre de l’invention. Cette turbine basse pression 9 comprend un rotor 14 incluant une pluralité de roues, ici repérées par 16 et au nombre de quatre à titre d’exemple, fixées les unes aux autres par bridage 15 et comportant chacune un disque de rotor 17, d’axe de révolution AX, portant une cascade d’aubes rotatives 18. Comme cela est mieux visible à la figure 3, ces aubes 18 réparties circonférentiellement autour du disque de rotor 17 comprennent chacune une partie aérodynamique 19, aussi appelée pale, un pied 21, et une plateforme 22 qui relie la pale au pied. Les aubes sont installées sur le disque de rotor 17 en s’engageant dans des alvéoles 23 formées en périphérie de ce dernier, les alvéoles étant régulièrement espacées les unes des autres en délimitant deux à deux des dents repérées par 24. Avec leur surface extérieure 25, les plateformes 22 délimitent ainsi, radialement vers l’intérieur, la veine principale 12a.

La turbine présente notamment, entre chaque couple de deux roues 16 successives, un distributeur 26 comprenant une rangée annulaire d’aubes fixes 27. Ces aubes fixes sont fixées à la turbine basse pression 9, et plus précisément au niveau de leur extrémité radialement externe par rapport à l’axe AX sur un carter externe de turbine 28, et à leur extrémité radialement interne sur un secteur de virole fixe 29.

Pour la suite, il sera décrit dans un sens amont-aval un ensemble de turbine comprenant un disque de rotor 17 suivit d’un distributeur 26 en référence aux figures 4 et 5. Il est à noter que l’invention telle qu’elle va être décrite peut s’appliquer à tous les disques de la turbine, ou bien seulement à certains d’entre eux. De plus, la désignation amont/aval est entendue selon le sens d’insertion des pieds d’aube 21 dans les alvéoles 23 prévues à cet effet, ce qui correspond également à la direction générale des gaz dans la turbomachine.

La plateforme 22 des aubes rotatives 18 présente deux extrémités axiales opposées formant un becquet ou rebord. Il s’agit d’un becquet aval 31 situé en aval de la pale 19 et d’un becquet amont non représenté situé en amont de cette pale 19. Le blocage axial, autrement dit selon AX, des aubes rotatives 18 sur le disque de rotor 17, est assuré par un dispositif de rétention axiale. Ce dispositif de rétention axiale comprend un organe 32 de retenue axiale des aubes qui est centré selon l’axe AX, et appliqué contre une partie aval périphérique du disque de rotor 17, et un flasque annulaire 33. L’organe 32 est fixé axialement sur les aubes au niveau de sa périphérie extérieure 32a, engagée dans une cavité 30 prévue à cette fin au niveau des plateformes 22 d’aube. Il est également pressé axialement contre le disque de rotor 17, et notamment les faces aval des pieds 21, au niveau de sa périphérie intérieure 32b, par le flasque 33. La périphérie intérieure 32b de l’organe 32 est désignée comme la partie la plus proche de l’axe AX, et sa périphérie extérieure est désignée comme sa partie la plus éloignée de l’axe AX.

Le flasque 33 dépasse d’un anneau auxiliaire repéré par 35, en s’étendant axialement vers l’amont et suivant radialement à distance le contour d’une bride aval de fixation 36, et se termine par une extrémité annulaire d’appui 34 évasée et appliquée contre l’organe de retenue 32. Ce flasque 33 est une pièce solidaire en rotation du disque de rotor 17. Plus précisément, la bride aval de fixation 36 dépasse du disque de rotor 17 pour assurer la solidarisation de celui-ci au disque consécutif aval (non représenté) prolongé lui aussi par une bride amont de fixation 37, les brides aval et amont 36 et 37 s’accouplant ensemble en enserrant l’anneau auxiliaire 35.

Dans l’exemple illustré, l’anneau auxiliaire 35 est prolongé vers l’aval par une jupe 38 pourvue de léchettes 38a et 38b qui coopèrent avec un bloc de matériau abradable 41 porté par le secteur de virole 29 associé à l’aube fixe 27 de distributeur de manière à former un joint labyrinthique.

Le flasque 33, en plus d’assurer le maintien de l’organe de retenue 32 en appui serré contre le disque de rotor 17, participe également à une fonction de refroidissement du disque de rotor 17 en délimitant, avec la bride 36, un passage d’écoulement d’air 42 qui communique avec des canaux d’écoulement d’air 43. Ces canaux, s’étendant généralement principalement axialement, sont chacun délimités entre un pied d’aube et l’alvéole correspondante qui est formée dans le disque 17 et dans laquelle le pied est installé. Le passage d’écoulement d’air 42 et les canaux d’écoulement d’air 43, forment conjointement un circuit de refroidissement du disque de rotor 17. Il est entendu ici que l’extrémité annulaire d’appui 34 et l’organe de retenue 32 s’étendent radialement extérieurement aux canaux d’écoulement d’air 43 pour permettre la communication fluidique de ces canaux 43avec le passage 42.

Le disque de rotor 17, l’organe de retenue 32 et le flasque 33 sont dimensionnés de manière à être consécutivement en appui serré une fois installés en série dans la turbomachine. Néanmoins, il a été constaté l’apparition de fuites d’air, repérées par F, s’échappant hors du circuit de refroidissement du disque, notamment au niveau de l’interface entre l’organe de retenue 32 et le flasque 33. En effet, un contact linéique, c’est-à-dire continu circonférentiellement, de l’extrémité d’appui 34 sur l’organe de retenue 32 n’est pas toujours assuré, d’une part, du fait d’éventuelles aspérités de surface, et d’autre part, en raison du phénomène de dilatation différentielle. Dans ce dernier cas, les variations dimensionnelles différentes du disque, de l’organe de retenue, et du flasque, dans la plage de températures de fonctionnement de la turbomachine, peuvent induire un décollement de l’extrémité d’appui 34 et de l’organe de retenue 32, repéré par un jeu J sur la figure 5A.

L’idée à la base de l’invention est ainsi d’assurer une bonne étanchéité du circuit de refroidissement du disque. A cet égard, la particularité majeure de l’invention réside dans la formation d’une rainure, et dans la mise en place d’un joint d’étanchéité dans cette rainure, pour former un obstacle empêchant la quantité d’air F de s’échapper.

En références aux figures 6, 6A et 6B, selon un premier mode de réalisation de l’ensemble de turbine, une rainure repérée par 44 est formée dans l’organe de retenue, laquelle rainure 44 débouchant axialement en regard de l’extrémité d’appui 34. Cette rainure 44, qui s’étend le long de l’étendue circonférentielle de l’organe de retenue 32, reçoit un joint d’étanchéité annulaire 45 qui s’engage par complémentarité de forme dans celle-ci. Le joint d’étanchéité 45 est maintenu en position dans la rainure 44 en s’appuyant contre l’extrémité d’appui 34 du flasque annulaire 33. Le joint 45 assure une continuité de matière entre l’organe de retenue 32 et le flasque 33, et empêche ainsi l’air de s’échapper hors du circuit de refroidissement du disque de rotor 17 au niveau de l’interface entre ces pièces.

De manière non limitative, l’invention prévoit avantageusement que le joint 45 assure sa fonction d’étanchéité dans tout le domaine de température de fonctionnement de l’ensemble de turbine, en conservant un contact avec le flasque annulaire 33 malgré d’éventuelles dilatations différentielles, comme illustré sur la figure 6B.

Selon une première variante, l’invention prévoit à cet effet que ce joint 45 soit comprimé réversiblement lors de son installation, c’est-à-dire une fois engagé dans la rainure 44 et écrasé dans celle-ci par le flasque annulaire 33 qui est pressé contre l’organe de retenue 32. Dans l’exemple des figures, cette compression est obtenue avec la rainure 44 et le joint 45 associé présentant respectivement une section ayant un contour en demi-cercle et en cercle. Avec cet arrangement, il est compris que le contact du joint 45 contre le flasque 33 peut être maintenu en dépit de variations géométriques de l’ensemble de turbine dues aux variations de températures de fonctionnement, avec le joint rattrapant le jeu J en cherchant à retrouver sa forme initiale circulaire. Il est entendu que l’invention n’est pas limitée à cette combinaison de forme de rainure/joint particulière, et permet tout type de forme dès lors que le joint forme une barrière empêchant l’air de s’échapper. L’invention prévoit ainsi, selon cette première variante, de former le joint 45 avec un matériau dont l’indice d’élasticité lui permet de rattraper le jeu J.

La dilation thermique est fonction du domaine de température, du coefficient de dilatation intrinsèque des matériaux utilisés et des dimensions initiales des composants. À cet égard, l’invention prévoit dans une deuxième variante de former le joint 45 avec une épaisseur et un matériau prédéfinis, choisis en fonction de ceux définis pour le disque de rotor 17, l’organe de retenue 32 et le flasque 33, pour former un assemblage athermal, c’est-à-dire dans lequel une dilatation du joint soit suffisante pour rattraper le jeu J dans tout le domaine de température de fonctionnement de l’ensemble de turbine. Avec cette solution, il est entendu que le recours à une déformation du joint lors de son installation n’est pas nécessaire.

De manière générale, les joints d’étanchéité sont fabriqués à base d’élastomères, caractérisés par une faible perméabilité au gaz et par un coefficient de dilatation supérieur à celui des métaux. Etant donné que le disque, le flasque et l’organe de retenue sont des éléments métalliques, il s’ensuit que l’utilisation d’un joint de type élastomère est particulièrement efficace pour tendre vers un assemblage athermal.

Enfin, selon une troisième variante, la nature du joint et son épaisseur, et le dimensionnement de la rainure par voie de conséquence, sont fixés en appréciant les paramètres associés aux deux variantes discutées au-dessus, à savoir en prenant en compte la résultante d’un effet de retour élastique du joint ayant subi une compression pendant l’assemblage et de sa variation dimensionnelle post-assemblage sous température. La prise en compte de ces deux paramètres permet notamment de balayer la plus grande gamme de matériaux éligibles à la formation d’un tel joint 45.

Il peut être souhaité que l’organe de retenue soit sectorisé, autrement dit formé d’une juxtaposition de plusieurs segments en raison d’une fabricabilité simplifiée en comparaison avec un organe monobloc sur 360° utilisé dans le premier mode de réalisation. Selon une telle architecture, comme illustré dans l’exemple des figures 7, 7A et 7B, l’organe de retenue, repéré par 32’, est issu d’un assemblage d’une alternance de premiers et seconds segments angulaires repérés respectivement par 46 et 47. Les premiers et seconds segments angulaires 46 et 47 sont avantageusement semblables, de manière à ne pas remettre en cause l’équilibre global de la turbine. Ces premiers et seconds segments angulaires 46 et 47 comportent chacun un corps 46a, 47a respectif de forme plane, et une partie médiane 46b, 47b en saille axiale, qui s’étend à distance des extrémités circonférentielles du corps respectif 46a, 47a. L’orientation axiale des premiers segments angulaires 46 est l’inverse de celle des seconds segments angulaire 47, de manière à observer un chevauchement des premier et second segments juxtaposés circonférentiellement, au niveau des corps 46a, 47a de part et d’autre de la partie médiane 46b, 47b, comme le montre la figure 7. Autrement dit, chaque corps 46a, 47a comprend deux parties de chevauchement 46a’, 47a’ situées de part et d’autre d’une partie support 46a’’, 47a’’ respective à partir de laquelle s’étend axialement la partie médiane 46b, 47b des premiers et seconds segments 46 et 47. A titre non limitatif, l’invention prévoit avantageusement que l’épaisseur axiale mesurée au niveau du corps 46a, 47a soit la même que celle mesurée au niveau de la partie médiane 46b, 47b, et notamment que les épaisseurs des premiers segments soient identiques à celles des seconds segments. Avec ce dimensionnement, il est compris qu’une fabrication en série des premiers et seconds segments 46 et 47 sur une même ligne de production est possible quel que soit leur emplacement de destination.

Les premiers segments angulaires 46 sont en appui sur le disque au niveau de la partie médiane 46b uniquement, tandis que le contact s’effectue à la fois au niveau du corps 47a et dans le cas des seconds segments angulaires 47. Du fait que le chevauchement des corps 46a, 47a, au niveau des parties de chevauchement 46a’, 47a’ en regard les unes des autres axialement, accroît la surface de contact inter-segments, cette configuration permet une bonne étanchéité malgré le caractère sectorisé de l’organe de retenue 32’. En pratique, l’invention prévoit avantageusement, et à titre non limitatif, que chaque pied d’aube 21 soit axialement en regard d’une partie médiane 46b d’un premier segment 46 ou une partie support 47a’’ de second segment angulaire 47, pour reprendre au mieux la transmission de l’effort presseur du flasque 33 aux pieds 21. Il est entendu que cet agencement a été expliqué en fonction du choix arbitraire de désignation des premiers et seconds segments effectué dans l’illustration des figures.

Cependant, un contact linéique, c’est-à-dire continu radialement, entre la portion médiane de l’un et le corps du suivant ne peut généralement pas être parfaitement assuré. Il s’ensuit que l’extrémité d’appui 34 ne contacte pas l’organe de retenue 32’ entre deux segments angulaire consécutifs, désignées par fentes et repérées par V sur la figure 7C. Avec cette architecture, il est ici compris que la problématique de l’invention reste entière tout en étant exacerbée du fait que de l’air peut s’échapper en tout temps et pour tout domaine de température au niveau des fentes V qui traversent radialement l’organe de retenue 32’, comme illustré par des flèches épaisses sur la figure 7, et visible plus en détail sur la figure 7D. Il devient dès lors primordial d’assurer une bonne étanchéité, en particulier au niveau des fentes V, pour contraindre le flux d’air frais à épouser la surface du disque de rotor 17 en empruntant le passage 42.

Corollairement, il est observé une absence de contact entre l’organe de retenue 32’ et le disque 17, entre deux segments angulaire consécutifs, mais cette particularité n’induit pas de fuite dans la mesure où la périphérie extérieure 32a de l’organe de retenue 32’ est engagée dans la cavité 30 au niveau des plateformes 22 d’aube, comme illustré en détail sur la figure 7E.

Concrètement, le couple rainure/joint d’étanchéité selon l’invention trouve également son application pour une telle architecture d’organe de retenue 32’. A cet égard, selon un deuxième mode de réalisation de l’ensemble de turbine tel qu’illustré sur les figures 8 à 8E, l’organe 32’ de retenue comprend une telle alternance de premiers et second segments angulaires 46 et 47 comme illustré à la figure 7.

Ces premiers et seconds segments 46 et 47 sont pourvus chacun d’un segment de rainure 46c et 47c respectif. Les segments de rainure 46c et 47c sont formés de manière à être dans le prolongement l’un de l’autre une fois l’organe de retenue 32’ assemblé, de sorte que ces segments de rainure constituent une rainure 44 s’étendant le long de l’étendue circonférentielle de l’organe de retenue 32’, comme dans le cas du premier mode de réalisation. Un joint d’étanchéité annulaire 45 dont la conformation est similaire à celle décrite dans le premier mode de réalisation, s’engage dans la rainure 44 et prend appui sur l’extrémité d’appui 34 pour former un obstacle empêchant la quantité d’air F de s’échapper.

En outre, l’invention prévoit avantageusement que ces segments de rainure 46c et 47c soient formés de manière à ce que le joint 45 recouvre intégralement les fentes V comme visible sur la figure 8C. A titre d’exemple, il est compris ici que dans le cadre de segments présentant des épaisseurs mesurées au niveau du corps ou de la portion médiane qui sont identiques, les segments de rainures s’étendent axialement au-delà de la moitié des segments angulaires dans le sens de l’aval AV vers l’amont AM. Plus précisément, dans le cas du premier segment angulaire 46, l’enlèvement de matière opéré s’étend sur toute l’étendue axiale du corps 46a, jusqu’à rogner une partie de la portion médiane corps 46a, comme visible sur la figure 8A. En ce qui concerne le second segment 47, le segment de rainure 47c correspondant s’étend axialement au-delà de la partie médiane 47b en rognant une partie du corps 47a pour former le fond de ce segment de rainure 47c.

Cependant, il est à noter que l’invention n’est pas limitée à cette morphologie de segment de rainure particulière visant à maximiser le recouvrement étanche du joint et ainsi limiter tout risque de fuite, et permet de limiter son étendue axiale dès lors qu’il subsiste toujours un contact entre le joint et le flasque annulaire 33, et ce, même si les fentes V ne sont pas recouvertes dans leur totalité.

Aussi, à l’instar du premier mode de réalisation, l’invention prévoit avantageusement dans le deuxième mode de réalisation que le couple joint/rainure soit adapté pour rattraper un jeu naissant entre flasque annulaire 33 et l’organe de retenue 32 en raison de la dilation différentielle. Le joint 45 présentera de préférence, conformément aux trois variantes énoncées dans le cadre du premier mode, une capacité à la déformation élastique sous sollicitation en compression, et/ou un coefficient de dilation thermique sensiblement supérieur à celui relevé pour le/les matériaux utilisés pour former le disque, le flasque et l’organe de retenue.

Dans le second mode de réalisation, les premiers et seconds segments angulaires 46 et 47 ont été décrits comme se rapportant préférentiellement à un corps prolongé axialement par une portion médiane. Cependant, l’invention ne se limite pas à cet arrangement, entendu que le couple rainure/joint reste applicable dans le cas de segments d’épaisseur constante qui sont disposés bout à bout, avec pour seul contact leur tranche.

Dans les premier et deuxième modes de réalisation, l’invention a été décrite comme se rapportant à un ensemble de turbine caractérisé par l’adjonction d’un couple rainure/joint d’étanchéité, la rainure 44 étant un volume évidé dans l’organe de retenue, et dans laquelle le joint d’étanchéité 45 est engagé en prenant appui contre l’extrémité d’appui 34 du flasque annulaire 33.

Cependant, l’invention ne se limite pas à cet arrangement particulier. Selon un troisième mode de réalisation, l’invention se distingue du premier ou du deuxième mode de réalisation en ce qu’elle prévoit un arrangement du couple rainure/joint d’étanchéité inverse, c’est-à-dire avec une rainure, repérée par 44’, qui est formée dans l’extrémité d’appui 34 et axialement en regard de l’organe de retenue 32, comme représenté à la figure 9A. Le joint d’étanchéité 45 est alors maintenu dans la rainure 44’ en s’appuyant contre l’organe de retenue 32. De la même manière, le joint 45 est avantageusement prévu pour rattraper un jeu J naissant entre l’organe de retenue 32 et le flasque 33, comme représenté sur la figure 9B. A cet effet, la nature et le dimensionnement du joint 45, et indirectement le dimensionnement de la rainure 44’ associée, seront définis à titre non limitatif conformément à l’une des trois variantes exposées dans le premier mode de réalisation. Avec cet arrangement, il est compris que l’invention octroie le même effet d’obturation à l’interface défini entre l’organe de retenu et le flasque, que dans le cadre du premier mode de réalisation.

Dans le cas de cet arrangement inverse du joint, l’invention prévoit de manière non limitative de former l’extrémité d’appui 34 avec une surépaisseur notée E qui est orientée vers l’organe de retenue et dans laquelle est pratiquée la rainure 44’, comme illustré sur les figures 9A et 9B. Il s’ensuit la formation d’une première portion d’appui notée 34a et une seconde portion d’appui 34b situées radialement de part et d’autre de la rainure 44’ et au niveau desquelles le contact organe de retenue/flasque s’effectue. En particulier, la seconde portion d’appui 34b, correspondant à la terminaison radiale de l’extrémité d’appui 34, se présente sous la forme d’une languette qui s’étend radialement de manière à augmenter la surface de contact entre le flasque 33 et l’organe de retenue 32, en comparaison avec une extrémité d’appui 34 exempt de surépaisseur E. Cette particularité permet de favoriser le plaquage du joint 45 contre l’organe de retenue 32. Aussi, l’épaisseur de cette seconde portion 34b, mesurée axialement, diminue à mesure qu’elle s’éloigne de l’axe AX via la formation d’un congé, c’est-à-dire un arrondi, visant ainsi à augmenter la surface de contact sans requérir pour autant un ajout de masse significatif.

Enfin selon un quatrième mode de réalisation, l’ensemble de turbine, en référence aux figure 10A et 10B, présente la particularité d’associer deux rainures en regard l’une de l’autre, avec une rainure 44 formée dans l’organe de retenu et une seconde rainure 44’ formée dans l’extrémité d’appui 34. Les désignations 44 et 44’ correspondent respectivement à celles utilisés dans les autres modes de réalisation avec respectivement une rainure 44 formée dans l’organe de retenue et une rainure 44’ formée dans le flasque annulaire 33. Le joint d’étanchéité 45 est maintenu en position entre l’organe de retenu et l’extrémité d’appui 34 par l’effet conjoint de son appui contre l’organe de retenu et son appui contre l’extrémité d’appui 34 du flasque annulaire 33. On distingue notamment ici une portion amont 45a de joint qui est engagée dans la rainure 44 de l’organe de retenue, et une portion aval 45b de joint qui est engagée dans la rainure 44’ de l’extrémité d’appui 34. Entendu que le joint est ici commun aux deux couples rainure/joint, cet arrangement octroie à la fois un meilleur maintient radial de l’organe de retenue, le joint assurant la conservation de l’alignement axial des rainures 44 et 44’ par complémentarité de forme, et un meilleur recouvrement étanche étant donné que la surface de contact du joint contre l’organe de retenue 32 et le flasque annulaire 33 est étendue. En outre, le quatrième mode de réalisation de l’invention est applicable quelle que soit l’architecture de l’organe de retenue considéré, à savoir qu’il soit formé monobloc sur 360° comme repéré par 32 dans le cas des premier et troisième modes de réalisation, ou qu’il soit sectorisé comme repéré par 32’ dans le cas du deuxième mode de réalisation. Comme visible sur les figures 10A et 10B, l’extrémité d’appui 34 présente de manière non limitative une forme correspondante à celle présentée dans le cas du troisième mode de réalisation afin de favoriser le maintien du joint 45.

Aussi, à l’instar des premier, deuxième et troisième modes de réalisation, l’invention prévoit avantageusement, que le joint 45 rattrape un jeu J naissant entre l’organe de retenue 32 et l’extrémité d’appui 34 selon l’une des trois variantes exposées dans le premier mode de réalisation, comme représenté à la figure 10B.

Dans l’exemple des figures 6 à 10B, la rainure 44, 44’ présente une section ayant un contour en demi-cercle, et le joint présente une section ayant un contour globalement circulaire dans le cas des premier, deuxième et troisième modes de réalisation, ou oblong dans le cas du quatrième mode de réalisation. Il est entendu que l’invention n’est pas limitée à cette combinaison de forme de rainure/joint particulière, et permet tout type de forme, préférentiellement complémentaires, dès lors que le joint forme une barrière empêchant l’air de s’échapper.

Il est également à noter que l’invention n’est pas limitée en ce que la rainure 44, 44’, et le joint d’étanchéité 45 associé, présentent une forme circulaire centré sur l’axe AX comme illustré sur les figures. Concrètement, la rainure 44 peut s’étendre de façon sinueuse, en vue par exemple de contourner un obstacle, tant qu’elle ne dépasse pas radialement au-delà du flasque annulaire 33, entendu que dans le cas contraire un contact entre le joint 45 et l’extrémité d’appui 34 ne pourrait pas être assuré sur toute l’étendue circonférentielle de la rainure. De la même manière, la rainure 44’ peut s’étendre de façon discontinue sur l’extrémité d’appui 34, tant que cette rainure ne dépasse pas radialement au-delà de l’organe de retenue 32 pour conserver un contact entre ce dernier et le joint 45 et ainsi contenir le flux d’air se propageant au sein du circuit de refroidissement du disque de rotor 17. De façon générale, la rainure et le joint correspondant sont libres de forme tant qu’ils conservent une composante selon la direction circonférentielle et respectent une plage d’étendue radiale délimitée entre la périphérie intérieure 32b de l’organe de retenue 32 et la périphérie extérieure du flasque annulaire mesurée au niveau de l’extrémité d’appui 34. Il est compris ici que le joint n’est pas limité à une forme annulaire, entendu que son contour se superpose à celui de la rainure.

Dans le cas des modes de réalisations des figures 6-6B et 8-10B, le joint 45 a été décrit comme se rapportant à un élément formé d’un seul tenant, autrement dit continu sur 360°. Cependant, l’invention ne se limite pas à cet arrangement et prévoit la possibilité que le joint 45 soit issu d’une association de plusieurs éléments d’étanchéité sectorisés, autrement dit s’étendant chacun sur un secteur circonférentiel de sorte que l‘ensemble des éléments d’étanchéité couvre 360°. Quelle que soit la forme de l’organe de retenue adoptée, c’est-à-dire qu’il soit d’étendue circonférentielle constante sur 360° ou qu’il soit issu d’un assemblage de segments angulaires, l’utilisation d’un joint annulaire ou de plusieurs éléments secteurs de joints accolés bout-à-bout reste applicable.

L’invention a été décrite à ce stade comme se rapportant à une association joint/rainure, avec la rainure 44 s’étendant circonférentiellement sur 360° de manière à loger le joint 45 d’étendue également circonférentielle sur 360°, ce joint étant prévu sans discontinuité de matière ou formé de l’assemblage de secteurs de joint. L’étanchéité du circuit de refroidissement du disque 17 est ainsi maintenue malgré d’éventuelles aspérités de surface qui sont recouvertes par le joint 45, malgré la présence des fentes V qui sont obturées également par le joint dans le cas d’un organe sectorisé, et en dépit d’un écartement axial mesuré entre le flasque annulaire et cet organe de retenue en raison de variations de températures.

Néanmoins, il est à noter que la présence de fentes V correspond au cas le plus critique au regard des fuites, entendu que la quantité d’air s’échappant à travers l’une d’elles est significativement plus importante que la quantité d’air s’échappant entre le flasque annulaire et l’organe de retenue du fait des aspérités de surface. A cet égard, il est envisageable d’équiper chaque fente V d’un organe d’étanchéité distinct avec une étendue circonférentielle correspondante pour assurer une étanchéité admissible. Cette particularité est notamment recherchée si le serrage du flasque annulaire sur l’organe de retenue est tel qu’il assure leur maintien axial l’un contre l’autre dans tout le domaine de température de fonctionnement de l’ensemble de turbine.

Ainsi, selon une cinquième variante de réalisation illustrée sur les figures 11, 11A et 11B, l’invention prévoit d’équiper l’organe de retenue 32’ avec autant d’organe d’étanchéité qu’il existe de fentes V pour obstruer uniquement la section de passage d’air au niveau de celles-ci. Chaque organe d’étanchéité, référencé 48, se présente sous la forme d’une lamelle métallique serpentine, autrement dit en accordéon, comprenant une succession de portions linéaires 48a qui s’étendent radialement et de portions courbes 48b, chaque portion courbe reliant deux portions linéaires 48a. L’organe d’étanchéité 48 est plaqué axialement par le flasque annulaire 33 contre l’organe de retenue, et également enserré dans la direction circonférentielle entre un premier et un second segments angulaires 46 et 47 délimitant conjointement la fente V dans laquelle il est logé intégralement pour assurer l’étanchéité au niveau de cette fente V. Les extrémités de joint forment chacune une patte 48c en appui contre une extrémité circonférentielle de fente. Plus précisément une patte prend appui sur la tranche du corps 46a du premier segment 46 et l’autre prend appui sur la tranche de la partie médiane 47b du second segment.

Afin d’opérer un scellement efficace de la fente V dans laquelle l’organe d’étanchéité 48 est logé, l’invention prévoit avantageusement que cet organe d’étanchéité 48 soit monté pré-contraint à la fois dans la direction axiale et plaqué axialement par le flasque annulaire 33 contre l’organe de retenue 32.

Le montage pré-contraint dans la direction axiale traduit que l’épaisseur axiale de l’organe d’étanchéité 48, avant son intégration dans la fente V, est égale ou supérieure à celle de la fente V après intégration, l’organe restant ainsi écrasé entre l’organe de retenue 32’ et l’extrémité d’appui 34 du flasque 33 une fois installé.

Le montage pré-contraint dans la direction circonférentielle signifie que la distance mesurée entre deux portions linéaires 48a avant installation dans la fente V, est supérieure à celle mesurée une fois installé. Avec cet arrangement, il est compris que les pattes 48c de l’organe d’étanchéité restent plaquées contre la tranche du segment 46, 47 associé, le rappel élastique de l’organe d’étanchéité 48 tendant à ce qu’il se déploie pour retrouver sa forme initiale.

En pratique, l’organe d’étanchéité 48 est maintenu en position dans la direction circonférentielle par son élasticité et par le serrage du flasque annulaire 33 sur l’organe de retenue 32’ dans la direction axiale. Il s’ensuit qu’un tel arrangement permet de s’affranchir de la formation d’une rainure de maintien. Il reste néanmoins envisageable de prévoir au moins une butée radiale qui dépasse de l’organe de retenue de manière à empêcher l’organe d’étanchéité 4848 de s’extraire de sa position, par soucis de sureté de fonctionnement.

En particulier, la structure en accordéon et la capacité de déformation de l’organe d’étanchéité 48 lui permettent de se déformer, en se ployant ou se déployant pour rattraper une variation géométrique de la fente V dans la direction circonférentielle, à savoir en cas de de rapprochement/éloignement des tranches de segments 46 et 47 délimitant la fente V. Le rapprochement/éloignement des tranches de segments 46 et 47 traduit le rétreint ou la dilation de l’organe de retenue qui s’effectue librement en fonctionnement, autrement dit sans que l’organe d’étanchéité 48 ne le contraigne du fait de son élasticité.

Les deuxième à cinquième modes de réalisations ont été décrit, ou sont applicable, dans le cas d’un organe de retenue 32’ sectorisé. Il est entendu que l’invention n’est pas limitée à cette morphologie particulière d’organe de retenue issu de l’assemblage d’une alternance de segments angulaires 46 et 47, mais reste applicable à un organe de retenu qui présente au moins une fente V au niveau de laquelle le flasque annulaire 33 n’est pas en appui contre cet organe de retenu.

Concrètement l’adjonction du joint d’étanchéité formant une interface entre l’organe de retenue et le flasque annulaire est adaptée à un environnement de faible encombrement. Il permet de contenir le flux d’air se propageant au sein du circuit de refroidissement du disque et, de ce fait, le rend plus efficace pour une même quantité d’air prélevée en amont de turbine. Avec cette maîtrise du circuit de refroidissement, il devient dès lors possible de réduire ces prélèvements d’air qui ne contribuent pas ou peu à fournir de l’énergie à la turbomachine, voire occasionnent des pertes de rendement, et ce sans impacter la durée de vie des composants.

Il est également à noter que dans le cas de l’association rainure/joint des premier au quatrième modes de réalisation, en plus de constituer une barrière d’étanchéité, assure avantageusement la transmission de l’effort presseur du flasque annulaire sur l’organe de retenue, malgré la dilatation différentielle qui rompt le contact axial entre ces deux pièces. Autrement dit, le joint d’étanchéité 45 s’apparente au prolongement du flasque contre l’organe de retenue 32, pour assurer le maintien de ce dernier contre le disque de rotor 17 dans tout le domaine de températures de fonctionnement de l’ensemble de turbine.

Une réduction de la masse globale de l’ensemble de turbine est également observée dans le cas d’une association rainure/joint. En effet, la masse introduite par le joint 45 reste négligeable au regard de la réduction effective de masse résultant de l’enlèvement de matière pour former la rainure 44, 44’. Autrement dit, l’invention est particulièrement bien adaptée au contexte aéronautique, en s’inscrivant dans la volonté globale de réduction de masse des aéronefs en plus d’assurer une meilleure étanchéité du circuit de refroidissement du disque.

A contrario, l’adjonction de l’organe d’étanchéité 48 dans le cas du cinquième mode de réalisation ne nécessite aucune modification des pièces environnantes. Il s’ensuit qu’une intégration sur un moteur avionné qui en est exempt, c’est-à-dire actuellement en service, est rendu possible sans nécessiter un surcout de remplacement de pièces. En outre, il est à noter que l’invention pourrait prévoir de combiner à la fois l’association rainure/joint avec un organe d’étanchéité sous la forme d’une lamelle métallique équipant chacune des fentes de manière à tendre vers une étanchéité accrue.

Enfin, quel que soit le mode de réalisation considéré, il est envisageable de former au moins un ergot qui dépasse axialement de l’extrémité d’appui 34 du flasque annulaire 33, et complémentairement former un orifice dans l’organe de retenue dans lequel est engagé l’ergot. Cette coopération de forme permet de limiter les mouvements relatifs entre le flasque annulaire et l’organe de retenue 32, 32’, notamment un différentiel de rotation, susceptibles de conduire à une libération intempestive du joint ou encore à une usure prématurée de ce dernier par échauffement. Aussi, un arrangement inverse, à savoir avec au moins un ergot qui dépasse de l’organe de retenue en coopération avec au moins un orifice formé au niveau de l’extrémité d’appui 34, voire mixte, peut être retenu sans sortir du cadre de l’invention.

Claims

Ensemble de turbine pour turbomachine d’aéronef, comprenant :
– un disque de rotor (17) qui s’étend autour d’un axe (AX) en étant prolongé axialement selon l’axe (AX) par une bride (36), ce disque de rotor (17) portant une pluralité d’aubes (18) radiales comprenant chacune un pied (21) engagé dans une alvéole (23) axiale correspondante formée en périphérie du disque de rotor (17), de sorte que chaque couple formé d’une alvéole (23) et d’un pied (21) délimite, entre l’alvéole (23) et le pied (21), un canal d’écoulement d’air (43) ;
– un flasque annulaire (33), solidaire en rotation du disque de rotor (17), s’étendant axialement vers le disque de rotor (17), et qui présente une extrémité d’appui (34) s’étendant radialement vers l’extérieur au-delà des canaux d’écoulement d’air (43) en délimitant conjointement avec la bride (36) un passage d’air (42) communiquant avec les canaux d’écoulement d’air (43) ;
– un organe de retenue (32, 32’) pour retenir axialement chacune des aubes dans l’alvéole (23) correspondante, cet organe de retenue (32, 32’) étant appliqué contre le disque de rotor (17) par l’extrémité d’appui (34) du flasque annulaire (33) ;
cet ensemble de turbine étant caractérisé en ce qu’au moins un élément parmi l’organe de retenue (32, 32’) et le flasque annulaire (33) comporte une rainure (44, 44’) s’étendant dans une direction circonférentielle et formée en regard de l’autre élément parmi l’organe de retenue (32, 32’) et le flasque annulaire (33), un joint d’étanchéité (45) étant engagé dans la rainure (44, 44’) et contre lequel s’appuie axialement ledit autre élément.
Ensemble selon la revendication 1, dans lequel le joint d’étanchéité (45) est monté pré-comprimé dans la rainure (44, 44’).
Ensemble selon la revendication 1, dans lequel le joint (45) présente un coefficient de dilation thermique supérieur à celui du disque de rotor (17), du flasque (33) et de l’organe de retenue (32, 32’).
Ensemble selon la revendication 1,
dans lequel l’organe de retenue (32’) comprend au moins une fente (V) qui traverse radialement l’organe de retenue et au niveau de laquelle le flasque annulaire (33) n’est pas en appui contre cet organe de retenue (32’), et
dans lequel la rainure (44, 44’) est formée dans l’organe de retenue de manière à ce que le joint d’étanchéité (45) s’étende circonférentiellement au moins le long de cette fente (V).
Ensemble selon la revendication 4, dans lequel l’organe de retenue (32’) est formé d’une alternance de premiers et seconds segments angulaires (46, 47) agencés circonférentiellement et dans chacun desquels est formé un segment de rainure (46c, 47c) respectif, de sorte que les segments de rainure (46c, 47c) respectifs des premiers et seconds segments angulaires (46, 47) s’étendent dans le prolongement circonférentiel les uns des autres pour former la rainure (44), les segments angulaires (46, 47) délimitant en outre deux à deux une fente (V).
Ensemble selon la revendication 5, dans lequel les premiers et seconds segments angulaires (46, 47) comportent chacun un corps (46a, 47a) respectif de forme plane, et une partie médiane (46b, 47b) en saille axiale et disposée circonférentiellement à distance des extrémités circonférentielles du corps.
Ensemble selon la revendication 4, dans lequel ladite au moins une fente (V) est équipée d’un organe d’étanchéité (48) la longeant intégralement, l’organe d’étanchéité (48) se présentant sous la forme d’une lamelle métallique en serpentin ayant ses extrémités circonférentielles en appui chacune contre une extrémité circonférentielle de fente (46b, 47a).
Ensemble selon la revendication 1, dans lequel la rainure (44’) est formée au niveau de l’extrémité d’appui (34) du flasque annulaire (33), cette extrémité d’appui comprenant une première et une seconde portions (34a, 34b) prévue pour être en appui contre l’organe de retenue (32, 32’) en étant situées radialement de part et d’autre de la rainure (44’), et dans lequel la seconde portion d’appui (34b) présente une extrémité radialement externe libre et se présente sous la forme d’une languette dont l’épaisseur diminue à mesure qu’elle s’éloigne radialement vers l’extérieur.
Turbine (8, 9) pour turbomachine d’aéronef comprenant au moins un ensemble selon l’une des revendications précédentes, la turbine étant préférentiellement une turbine basse pression (9).
Turbomachine d’aéronef (1) comprenant au moins une turbine (8, 9) selon la revendication précédente, la turbomachine étant préférentiellement une turbomachine à double corps.