FR3098246A1 - Turbine de turbomachine à distributeur en CMC avec reprise d’effort - Google Patents

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Abstract

Turbine de turbomachine à distributeur en CMC avec reprise d’effort Turbine (1) comprenant un carter (4), une virole métallique externe (9) solidaire du carter (4), une virole métallique interne (5), et un distributeur (2) annulaire comportant une pluralité de secteurs (20) d’anneau en CMC formant une couronne s’étendant entre la virole métallique externe (9) et la virole métallique interne (5), chaque secteur (20) comportant un mât (6), une plateforme intérieure (24), une plateforme extérieure (26) et au moins une pale (28) présentant un profil creux définissant un logement interne (280), les plateformes intérieure et extérieure (24, 26) présentant chacune un orifice (245, 265) communiquant avec ledit logement interne (280), et le mât (6) traversant lesdits orifices (245, 265) et le logement interne (280) et étant fixé audit carter (4) et en liaison avec ledit secteur (20) annulaire. La turbine (1) comprend, pour chaque pale (28), des moyens de maintien radial (7) configurés pour solidariser selon la direction radiale (DR) la pale (28) avec la virole interne de support (5), le mât (6) de chaque pale (28) étant radialement désolidarisé de la virole interne de support (5). Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Turbine de turbomachine à distributeur en CMC avec reprise d’effort
L’invention concerne des turbomachines, notamment des turbomoteurs aéronautiques ou des turbines industrielles, et plus particulièrement un distributeur de turbine en matériau composite à matrice céramique ou à matrice au moins partiellement en céramique, désigné ci-après par matériau CMC.
Le domaine d'application de l'invention est notamment celui des moteurs aéronautiques à turbine à gaz. L'invention est toutefois applicable à d'autres turbomachines, par exemple des turbines industrielles.
L'amélioration des performances des turbomachines et la réduction de leurs émissions polluantes conduit à envisager des températures de fonctionnement de plus en plus élevées.
Pour des éléments de parties chaudes de turbomachines, il a donc été proposé d'utiliser des matériaux composites à matrice céramique noté CMC par la suite.
Les matériaux CMC sont typiquement formés d'un renfort fibreux en fibres réfractaires, telles que des fibres de carbone ou de céramique, densifié par une matrice en céramique ou au moins partiellement en céramique.
Ces matériaux possèdent des propriétés thermo-structurales remarquables, c'est-à-dire des propriétés mécaniques qui les rendent aptes à constituer des éléments de structure et la capacité à conserver ces propriétés à des températures élevées. De surcroît, les matériaux CMC ont une masse volumique bien inférieure à celle des matériaux métalliques utilisés traditionnellement pour des éléments de parties chaudes de turbomachines.
Ainsi, les documents WO 2010/061140, WO 2010/116066 et WO 2011/080443 décrivent la réalisation d'aubes de roues mobiles de turbomachines en CMC à plate-forme et talon intégrés. L'utilisation de matériaux CMC pour des distributeurs de turbine a aussi été proposée, notamment dans les documents WO 2010/146288, FR 2 979 662 et EP 2 443 318.
Un distributeur de turbine métallique traditionnel présente une forme de couronne composée de plusieurs secteurs assemblés, chaque secteur comprenant une plateforme intérieure, une plateforme extérieure et une pluralité de pales s'étendant entre les plateformes intérieure et extérieure et solidaires de celles-ci. Les plateformes intérieures juxtaposées forment une virole intérieure et les plateformes extérieures juxtaposées forment une virole extérieure. Les viroles intérieure et extérieure délimitent la veine d'écoulement de gaz dans l’étage distributeur.
Introduire un distributeur, par exemple un distributeur haute pression, en CMC permet d’augmenter la température maximale tolérée par rapport à un étage distributeur métallique, et ainsi de diminuer la quantité d’air de refroidissement utilisée. Cela permet ainsi d’augmenter les performances de la turbomachine.
Toutefois, le CMC, par ses propriétés différentes du métal est plus sensible à certaines contraintes mécaniques. En effet le CMC présente une plus grande rigidité et une plus faible dilatation. Il se comporte mieux en compression, mais ses contraintes admissibles en traction sont plus faibles que celles du métal.
De plus, l’intégration dans un environnement métallique d’une pièce en CMC est délicate en raison des dilatations thermiques différentielles entre le CMC et le métal. Cela est d’autant plus délicat dans une turbomachine, et plus particulièrement dans une partie à haute pression de la turbomachine, car l’environnement est très chaud, ce qui exacerbe les différences de coefficients de dilatation thermique entre les matériaux, les efforts aérodynamiques subis par un étage distributeur haute pression étant en outre élevés dans cette zone de turbine.
Il est connu des distributeurs en CMC comme par exemple un distributeur de turbine comportant une virole externe de support solidaire d’un carter, une virole interne de support, et une pluralité de secteurs d’anneau en CMC formant une couronne s’étendant entre la virole externe de support et la virole interne de support. Chaque secteur d’anneau est en appui sur les viroles interne et externe de support et comporte une plateforme intérieure, une plateforme extérieure, et au moins une pale s’étendant entre la plateforme extérieure et la plateforme intérieure et solidaire de celles-ci.
Toutefois, il existe un besoin d’améliorer les solutions connues en ce qui concerne la solidarisation déterministe du secteur d’anneau en CMC avec la virole interne, notamment en termes de maintien au moins axial du secteur d’anneau et en termes de reprise des efforts aérodynamiques.
Par ailleurs, un important différentiel de pressions est exercé sur le carter sous le distributeur dans la direction radiale. Ce carter sert à créer une étanchéité entre le rotor et le stator. Cet écart de pression est source d’un effort qui, s’il était exercé sur le CMC, serait trop élevé compte tenu des admissibles du matériau.
Il est connu également, notamment des documents FR 3 061 928 et FR 2 973 435, le distributeur tel que décrit ci-dessus et comportant en outre un mât de renforcement s’étendant radialement à l’intérieur des aubes entre les deux plateformes permettant au distributeur d’être maintenu au carter par le mât.
Cependant, une telle solution reprend aussi bien via le mât les efforts relatifs au différentiel de pression sous le distributeur que les efforts aérodynamiques sur la couronne en CMC. En outre, pour les raisons évoquées ci-dessus relatives au comportement mécanique différent entre CMC et matériau métallique, il est difficile de positionner la partie CMC sur l’environnement métallique en la bridant.
Lors du fonctionnement de la turbine, un jeu radial important est généré entre le mât et la pale qu’il traverse. Plus particulièrement, la dilation du mât étant supérieure à la dilatation de la pale en CMC un jeu radial supérieur à 0,5 mm, voire supérieur à 1 mm, peut apparaître entre le mât et la pale qu’il traverse. Ce jeu radial génère une incertitude sur la position de la pale, le plaquage aérodynamique devenant aléatoire vers le haut ou le bas selon la résultante radiale de l’effort aérodynamique.
Il existe donc un besoin d’améliorer le maintien déterministe du distributeur en CMC de cette solution.
L'invention vise à pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus et à passer outre les difficultés mentionnées ci-dessus en proposant une turbine de turbomachine comprenant un étage distributeur de turbine au moins en partie en CMC dont le montage est simplifié et adapté pour maintenir ses secteurs d’anneau de façon déterministe tout en permettant aux secteurs de se déformer indépendamment des pièces métalliques en interface, et en garantissant une étanchéité satisfaisante.
Plus particulièrement, l’invention vise à limiter, voire annuler, le jeu radial s’ouvrant en fonctionnement entre le mât et la pale en CMC.
Un objet de l’invention propose une turbine de turbomachine comprenant un carter, une virole externe de support en métal solidaire du carter, une virole interne de support en métal, et un distributeur annulaire de turbine définissant une direction axiale et une direction radiale et comportant une pluralité de secteurs de distributeur en matériau composite à matrice céramique formant une couronne s’étendant entre la virole externe de support et la virole interne de support.
En outre, chaque secteur comporte un mât métallique, une plateforme intérieure, une plateforme extérieure et au moins une pale s’étendant radialement entre les plateformes intérieure et extérieure et présentant un profil creux définissant un logement interne s’étendant radialement, les plateformes intérieure et extérieure présentant chacune un orifice communiquant avec ledit logement interne de la pale, et le mât traversant lesdits orifices et le logement interne et étant fixé audit carter d’une part et en liaison avec ledit secteur annulaire d’autre part.
Selon une caractéristique générale de l’invention, la turbine comprend, pour chaque pale, des moyens de maintien radial configurés pour solidariser selon la direction radiale la pale avec la virole interne de support, le mât de chaque pale étant radialement désolidarisé de la virole interne de support, pour qu’ainsi, chaque pale soit radialement solidaire de la virole interne de support tandis que le mât de ladite pale est radialement désolidarisé de la virole interne de support.
L’invention permet ainsi de limiter voire d’annuler le jeu radial s’ouvrant en fonctionnement entre le mât métallique et la pale en CMC et ainsi de réduire voire de supprimer l’incertitude sur la position de la pale.
Le maintien de la pale en partie basse, c’est-à-dire sur la virole interne de support, avec un maintien du mat en partie haute, c’est-à-dire sur la virole externe de support par exemple, permet d’offrir plus de liberté de déplacement entre la pale et le mat, tout en réduisant le jeu à froid entre la pale en CMC et le mat métallique et en réduisant, voire en annulant, l’ouverture de jeu en fonctionnement.
En fonctionnement normal, la résultante des efforts aérodynamiques sur la pale en CMC permet de plaquer le fairing en CMC sur une des viroles, interne ou externe, et ainsi de le positionner radialement. L’invention permet d’ajouter des solutions de positionnement radial déterministes, s’appuyant sur des sur-longueurs de la plateforme en CMC, et ainsi de maîtriser la position de l’aube en CMC dans tous les types de fonctionnement du moteur.
Selon un premier aspect de la turbine, les moyens de maintien radial peuvent comprendre un pion, un premier orifice réalisé dans la plateforme intérieure et un second orifice réalisé dans la virole interne de support en regard du premier orifice, le pion traversant le premier orifice et le second orifice.
Selon un deuxième aspect de la turbine, pour chaque pale, le premier orifice de la pale peut présenter une forme oblongue avec la longueur s’étendant selon la direction axiale ou selon une direction circonférentielle.
L’orifice ne s’étend pas radialement pour permettre un maintien en position radiale déterministe de l’aube en CMC.
La forme oblongue de l’orifice selon la direction axiale permet à l’aube en CMC d’avoir une certaine liberté axiale puisque le maintien en position axial est d’ores et déjà assuré par d’autres éléments, comme par exemple des ergots de mise en position sur le mât en contact avec l’aube en CMC.
La forme oblongue de l’orifice selon la direction circonférentielle permet à l’aube en CMC d’avoir une certaine liberté tangentielle puisque le maintien en position selon la direction circonférentielle est d’ores et déjà assuré autrement, par exemple à l’aide d’ergots de mise en position sur le mât.
Selon un troisième aspect de la turbine, les moyens de maintien radial de chaque pale peuvent comprendre un premier épaulement et un second épaulement coopérant avec le premier épaulement, le premier épaulement comportant une première portion s’étendant en saillie radiale depuis la plateforme intérieure vers la virole interne de support et une seconde portion s’étendant en direction axiale en saillie depuis la première portion et s’insérant entre le second épaulement et la virole interne de support, et le second épaulement s’étendant en saillie selon la direction axiale depuis la virole interne de support vers la première portion du premier épaulement et étant conformé pour s’insérer au moins partiellement entre la plateforme intérieure et la seconde portion du premier épaulement.
Selon un quatrième aspect de la turbine, la virole interne de support peut comprendre une virole amont et une virole aval, la virole aval comportant le second épaulement.
Ces différents modes de réalisation permettent de positionner radialement l’aube en CMC vis-à-vis de la structure métallique.
Selon un cinquième aspect de la turbine, le premier épaulement et le second épaulement sont chacun segmentés en au moins deux segments séparés, un premier desdits au moins deux segments étant disposé entre le second épaulement et la virole interne de support dans un premier plan de section comprenant la direction radiale et la direction axiale, et un second desdits au moins deux segments étant disposé entre le second épaulement et la plateforme intérieure de la pale dans un second plan de section parallèle au premier plan de section. Plus particulièrement, un premier segment du premier épaulement étant agencé radialement sous un premier segment du second épaulement et un second segment du premier épaulement étant agencé radialement sur un second segment du second épaulement.
Ce cinquième aspect de la turbine permet d’éviter la formation d’un jeu en fonctionnement dû à la dilatation différentielle entre le CMC et le métal qui pourrait sinon induire une incertitude sur le positionnement.
Selon un sixième mode de réalisation de la turbine, le mât peut être creux. Le mât permet ainsi d’amener de l’air dans la cavité radialement à l’extérieur de la virole externe afin de la pressuriser et ainsi éviter que l’air circulant dans la veine s’étendant entre les plateformes internes et externes des secteurs d’anneau soit réintroduit hors de cette veine et ne réduise ainsi la performance et n’augmente le risque de surchauffe des pièces.
Selon un septième mode de réalisation de la turbine, le mât peut comprendre au moins une portion en saillie dans la direction axiale en liaison avec la pale pour maintenir la pale en position.
Dans un autre mode de réalisation de la turbine, la virole métallique externe peut comprendre un orifice pour chaque mât, et, pour chaque secteur, le mat peut traverser lesdits orifices des plateformes intérieure et extérieure, ledit logement interne, et un des orifices de la virole métallique externe, et comprendre au moins une saillie d’accrochage ayant au moins une portion s’étendant depuis une extrémité radialement externe dans une direction à l’opposé du centre du mât et dans, ou tangentiellement à, un plan orthogonal à la direction radiale, ladite au moins une saillie d’accrochage coopérant avec une face radialement externe de la virole externe de support. Cette liaison à l’étanchéité améliorée permet également de supprimer de nombreuses zones d’interface.
En outre, la virole externe de support peut être réalisée en une seule pièce, c’est-à-dire être non sectorisée. Cela permet de monter le mât radialement depuis l’extérieur de la virole externe de support et de limiter au maximum les fuites qui seraient présentes dans le cas d’une virole sectorisée.
Ladite au moins une saillie d’accrochage du mât de chaque pale peut également s’étendre dans un plan, et la face radialement externe de la virole externe de support peut comprendre une facette de réception d’une saillie d’accrochage pour chaque pale, chaque facette étant plane, c’est-à-dire s’étendant dans un plan défini par seulement deux directions non circulaires. Les facettes réalisées pour chacune des pales permettent de présenter un contact plan/plan entre le mât et la virole, améliorant ainsi l’étanchéité entre les deux éléments facilitant le positionnement du mât. La virole est usinée de manière à présenter autant de « facettes » que de pales et donc que de mâts.
La virole externe de support peut comprendre une extrémité amont et une extrémité aval selon la direction axiale, et un épaulement s’étendant dans la direction radiale depuis l’une des extrémités amont ou aval de la virole externe sur toute la circonférence de la virole externe de support, et le mât de chaque pale peut comprendre une saillie d’anti-rotation du mât par rapport à la pale s’étendant dans la direction axiale depuis l’extrémité radialement externe du mât et formant un appui s’étendant dans une direction circonférentielle de la virole externe de support venant en appui dans la direction axiale contre l’épaulement de la virole externe de support. L’appui du mât sur l’épaulement de la virole externe de support permet de maintenir le mât et ainsi la pale de toute rotation autour d’un axe radial.
La virole externe de support peut comprendre en outre, pour chaque pale, un pion de centrage s’étendant en saillie radiale depuis ladite face radialement externe, et le mât de chaque pale peut comprendre un orifice de centrage configuré pour coopérer avec un pion de centrage. Le pion de centrage sur la virole externe de support et l’orifice de centrage prévu sur le mât, par exemple sur une saillie de centrage s’étendant depuis l’extrémité radiale externe du mât ou directement sur une ou la saillie d’accrochage, permet de fournir un premier point d’anti-rotation.
De préférence, le pion de centrage est prévu sur une portion aval de la virole externe de support par rapport au sens du flux gazeux destiné à traverser la veine définie par le distributeur annulaire en CMC.
Dans une variante, la virole externe de support peut comprendre une extrémité amont et une extrémité aval selon la direction axiale, et des vis associées à des moyens de maintien en position radiale et des orifices taraudés maintenant une portion du mât sur la virole externe de support, et de préférence sur une portion amont de la virole externe ou à la fois sur une portion amont et une portion aval de la virole externe.
Le mât peut aussi comprendre au moins une portion en saillie dans la direction axiale en liaison avec la pale pour maintenir la pale en position.
De préférence, pour chaque secteur, les vis et les orifices taraudés sont disposées en aval de l’orifice de réception du mât et le pion de centrage est disposé en amont de l’orifice de réception du mât. Les orifices taraudés sont préférentiellement réalisés dans des oreilles prévues dans la saillie d’accrochage.
L’invention a également pour objet, une turbomachine comprenant une turbine de turbomachine telle que définie ci-dessus.
L’invention a aussi pour objet, un aéronef comprenant au moins une turbomachine telle que définie ci-dessus.
La figure 1 est une vue schématique en coupe d’un secteur d’une turbine selon un premier mode de réalisation de l’invention.
La figure 2 est une vue schématique assemblée d’une virole externe de support et un mât de la turbine de la figure 1.
La figure 3 représente une vue schématique éclatée d’une virole externe de support et un mât de la turbine de la figure 1.
La figure 4 présente une vue en perspective du secteur de turbine de la figure 1.
La figure 5 représente une vue schématique en coupe selon un plan comprenant la direction axiale et la direction radiale d’un secteur de turbine selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
La figure 6 représente une vue schématique en coupe selon un plan comprenant la direction axiale et la direction radiale d’un secteur de turbine selon un troisième mode de réalisation de l’invention.
La figure 7 représente une vue schématique en coupe selon un plan comprenant la direction axiale et la direction radiale d’un secteur de turbine selon un quatrième mode de réalisation de l’invention.
La figure 8a représente une vue schématique en coupe selon un plan comprenant la direction axiale et la direction radiale d’un secteur de turbine selon un cinquième mode de réalisation de l’invention et les figures 8a et 8b présentent deux vues en section selon un plan VIII de la figure 8a selon deux variantes de réalisation des moyens de maintien radial.
Sur la figure 1 est illustrée une vue schématique en coupe d’un secteur d’une turbine selon un mode de réalisation de l’invention.
Une turbine 1 haute pression d’une turbomachine, par exemple un turbomoteur aéronautique, telle que montrée partiellement sur la figure 1, comprend une pluralité de distributeurs fixes 2 qui alternent avec des roues mobiles dans le sens d’écoulement du flux gazeux F, indiqué par une flèche sur la figure 1, dans la turbine 1 et qui sont montés dans un carter 4 de turbine (illustré sur les figures 5 à 8).
Chaque roue mobile comprend une pluralité d’aubes ayant une virole intérieure, et au moins une pale s’étendant depuis la virole intérieure et liée à celle-ci. Du côté intérieur de la virole intérieure, l’aube se prolonge par un pied engagé dans un logement d’un disque. Du côté extérieur, le sommet des aubes est en regard d’un matériau abradable porté par un anneau pour assurer l’étanchéité aux sommets des aubes.
Dans tout le présent texte, les termes « intérieur » ou « interne » et « extérieur » ou « externe » sont utilisés en référence à la position ou l’orientation par rapport à l’axe de rotation de la turbine 1 qui définit la direction axiale DAde la turbine 1.
Les aubes de la roue mobile peuvent être des aubes métalliques traditionnelles ou des aubes en matériau CMC obtenues par exemple comme décrit dans les documents WO 2010/061140, WO 2010/116066, WO 2011/080443.
Au moins l’un des distributeurs 2 de la turbine 1 est formé par réunion de plusieurs secteurs de distributeurs 20 en matériau CMC pour former un anneau complet. La flèche DAindique la direction axiale du distributeur 2 tandis que la flèche DRindique la direction radiale du distributeur 2 et le repère DCindique la direction circonférentielle.
Chaque secteur 20 de distributeur du distributeur 2 comprend une plateforme intérieure 24, une plateforme extérieure 26 et une pale 28 s’étendant entre les plateformes intérieure et extérieure 24 et 26 et solidaires de celles-ci. En variante, plusieurs pales pourraient s’étendre entre les plateformes intérieure et extérieure d’un même secteur de distributeur. Une fois assemblés avec le carter 4 de la turbine 1, les secteurs 20 forment une unique couronne de distributeurs 2 présentant une virole intérieure formée par la juxtaposition des plateformes intérieures 24 des secteurs 20 et une virole extérieure formée par la juxtaposition des plateformes extérieures 26 des secteurs 20.
La virole intérieure formée par les plateformes intérieures 24 et la virole extérieure formée par les plateformes extérieures 26 forment entre elles une veine 45 d’écoulement de fluide à l’intérieur de laquelle le flux gazeux F s’écoule lors du fonctionnement de la turbine 1.
Dans tout le texte, les termes « amont » et « aval » sont utilisés en référence au sens d’écoulement de flux gazeux F dans la veine 45 indiqué par une flèche.
Les plateformes intérieures 24 présentent chacune une surface extérieure 24e destinée à être en contact avec le flux gazeux F, et donc disposée radialement en regard des plateformes extérieures 26 formant la virole extérieure. Les plateformes intérieures 24 présentent en outre une surface intérieure 24i disposée en regard de l’axe de rotation de la turbine 1.
Les plateformes extérieures 26 présentent chacune une surface extérieure 26e disposée en regard du carter 4 et formée par la surface de la seconde portion 262 des plateformes extérieures 26 orientée radialement vers l’extérieure. Les plateformes extérieures 26 présentent en outre une surface intérieure 26i destinée à être en contact avec le flux gazeux F, et donc disposée radialement en regard des plateformes intérieures 24 formant la virole intérieure et en regard de l’axe de rotation de la turbine 1.
Le distributeur 2 est maintenu entre une virole métallique interne 5 et une virole métallique externe 9 entre lesquelles s’étend la couronne formée par l’assemblage des secteurs d’anneau 20 du distributeur 2. La virole métallique externe 9 est solidaire du carter 4 et présente une surface intérieure 91 et une surface extérieure 92 selon la direction radiale DR.
Comme cela est illustré sur la figure 1, chaque pale 28 possède un profil creux présentant un logement intérieur 280 s’étendant sur toute la hauteur de la pale 28, c’est-à-dire entre la plateforme intérieure 24 et la plateforme extérieure 26 du secteur d’anneau 20. La plateforme intérieure 24 de chaque secteur de distributeur 20 comprend un orifice 245 dont la forme correspond à la section du logement intérieur 280 dans le plan dans lequel s’étend la plateforme intérieure 24. De même, la plateforme extérieure 26 de chaque secteur de distributeur 20 comprend un orifice 265 dont la forme correspond à la section du logement intérieur 280 dans le plan dans lequel s’étend la plateforme intérieure 26. Les orifices 245 et 265 des plateformes intérieure 24 et extérieure 26 sont réalisés dans le prolongement du logement intérieur 280 de la pale 28.
Le logement intérieur 280 de la pale 28 et les orifices 245 et 265 des plateformes intérieure 24 et extérieure 26 peuvent être raccordés à un système de refroidissement délivrant un flux d’air de refroidissement depuis le carter 4 jusque dans la pale 28 et les plateformes intérieure 24 et extérieure 26.
Comme cela est illustré sur la figure 1 et sur les figures 2 et 3 qui présentent deux vues schématiques d’une virole externe de support 9 et d’un mât 6 de la turbine 1 de la figure 1, la turbine 1 comprend en outre, pour chaque secteur de distributeur 20, un mât 6 s’étendant dans la direction radiale DR. Sur la figure 2, la virole métallique externe 9 et le mât 6 sont assemblés, et sur la figure 3, la virole métallique externe 9 et le mât 6 sont éclatés.
Comme cela est illustré sur les figures 1 à 3, le mât 6 comprend une tête de mât 61 en appui sur la surface extérieure 92 de la virole métallique externe 9, et un corps 62 s’étendant en saillie depuis la tête 61 dans la direction radiale DRvers l’intérieur et configuré pour traverser la virole métallique externe 9, le logement intérieur 280 de la pale 28 et les orifices 245 et 265 des plateformes intérieure 24 et extérieure 26 étant alignés avec le logement intérieur 280 de la pale 28.
En d’autres termes, le mât 6 comprend une première extrémité 6i radialement interne et une seconde extrémité 6e radialement externe, un corps 62 s’étendant sensiblement selon la direction radiale DRentre les première et seconde extrémités 6i et 6e du mât 6, et une tête de mât 61 s’étendant en saillie dans un plan orthogonal à la direction radiale DRdepuis la seconde extrémité 6e du mât 6. La tête de mât 61 forme un appui plan s’étendant dans un plan orthogonal à la direction radiale DR.
Le mât 6 est creux pour amener de l’air dans la cavité radialement à l’intérieur de la virole interne afin de la pressuriser et ainsi éviter que l’air circulant dans la veine s’étendant entre les plateformes internes et externes des secteurs de distributeur soit réintroduit hors de cette veine et ne réduise ainsi la performance et n’augmente le risque de surchauffe des pièces. Le mât 6 comprend ainsi un logement interne 60 s’étendant dans la direction radiale DRentre les première et seconde extrémités 6i et 6e du mât 6.
La virole métallique externe 9 comprend des orifices 90 de réception du mât 6 conformés pour être traversés par un mât 6, et des facettes 93 planes pour recevoir chacune une tête de mât 61 en appui.
La virole métallique externe 9 comprend une extrémité amont 94 et une extrémité aval 95 selon la direction axiale DA. Sur son extrémité aval 95, la virole métallique externe 9 comprend un épaulement 96 s’étendant dans la direction radiale DRsur toute la circonférence de la virole métallique externe 9. La virole métallique externe 9 comprend en outre, pour chaque pale 28, et donc pour chaque mât 6, un pion de centrage 97 s’insérant dans un orifice 98 prévu dans la virole métallique externe 9. Lorsque le pion de centrage 97 est inséré dans l’orifice 98, le pion 97 s’étend en saillie dans la direction radiale DRdepuis la face radialement externe 92 de la virole métallique externe 9. Les pions de centrage 97 sont disposés, dans ce mode de réalisation, sur une portion aval de la virole métallique externe 9, c’est-à-dire à proximité de l’extrémité aval 95 de la virole métallique externe 9, entre l’épaulement 96 et l’extrémité amont 94.
L’extrémité aval 95 de la virole métallique externe 9 forme un crochet ouvert vers l’aval pour la fixation de la virole métallique externe 9 au carter.
La tête de mât 61 comprend un appui d’anti-rotation 64 s’étendant dans la direction circonférentielle DCvenant en appui dans la direction axiale DAcontre l’épaulement 96 de la virole métallique externe 9 pour maintenir le mât 6 et ainsi la pale 28 avec laquelle le mât 6 coopère à l’encontre de toute rotation autour d’un axe radial. Chaque mat 6 comprend en outre un orifice de centrage 65 conformé pour coopérer avec un des pions de centrage 97 de la virole métallique externe 9.
Dans le mode de réalisation illustré, la virole métallique externe 9 comprend en outre, pour chaque mât 6, des orifices taraudés 99 sur une portion amont et chaque mât 6 comprend des orifices de fixation amont 66 configurés pour se superposer aux orifices taraudés 99 de la virole métallique externe 9 lorsque le mât 6 est monté sur la virole métallique externe 9. La virole métallique externe 9 comprend des vis 990 traversant chacune un orifice de fixation amont 66 du mât 6 et un orifice taraudé pour fixer le mât 6 à la virole métallique externe 9. Les vis 990 sont associées à des moyens de maintien en position radiale pour maintenir une portion du mât 6 sur une portion amont de la virole métallique externe 9.
Pour maintenir la pale 28 en position, le mât 6 comprend en outre deux portions en saillie 63 s’étendant dans un plan transverse à la direction radiale DR. Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 1 à 3, une première portion en saillie 63 forme un premier appui à une première position radiale et une seconde portion en saillie 63 forme un second appui à une seconde position radiale. La première position radiale est située radialement à l’intérieure de la seconde position radiale, c’est-à-dire entre le centre de révolution de la turbine 1 et la seconde position radiale.
Le premier et le second appuis forment deux ergots s’étendant sensiblement selon la direction axiale DAsur une portion du mât 6 destinée à être inséré dans le logement intérieur 280 de la pale 28. Les deux portions en saillie 63 du mât 6 forment chacune une excroissance dont au moins une partie est en contact avec la pale 28 pour maintenir la pale 28 en position.
En outre, la virole interne de support 5 comprend des orifices configurés pour recevoir les mâts 6. Le mât 6 permet de fournir un moyen de fixation du secteur 20 de distributeur en CMC par le haut, c’est-à-dire au carter, tout en minimisant le moment de flexion, dans la mesure où la longueur de flexion est diminuée de moitié environ de par le mât 6 traversant le secteur de distributeur. Chaque secteur 20 de distributeur du distributeur est ainsi maintenu de façon déterministe, c’est-à-dire de manière à éviter que le secteur de distributeur 20 se mette à vibrer et en maîtrisant sa position, et cela tout en permettant au secteur de distributeur 20 de se déformer sous les effets de la température et de la pression entre autre indépendamment des pièces métalliques en interface.
Dans le cas où chaque secteur de distributeur comprend plusieurs pales, la turbine comprend, au plus, un nombre de mâts correspondant pour chaque secteur de distributeur.
Dans une variante, la tête de mât 61 peut comprendre une pluralité de saillies s’étendant depuis la seconde extrémité 6e du mât 6, certaines d’entre elles comprenant au moins l’un des éléments pour le maintien ou le centrage du mât 6.
Comme cela est illustré sur la figure 1 et sur la figure 4 qui représente une vue en perspective du secteur de turbine de la figure 1, la plateforme intérieure 24 comprend une première portion 242 s’étendant principalement dans un plan comprenant les directions axiale DAet circonférentielle DCet définissant la veine 45 avec la plateforme extérieure 26, et une seconde portion 246 s’étendant en saillie radiale depuis la surface interne 24i de la plateforme intérieure 24, c’est-à-dire depuis la surface interne 24i de la première portion 242 de la plateforme intérieure 24, vers l’intérieur, c’est-à-dire vers l’axe de rotation de la turbine 1.
La seconde portion 246 de la plateforme intérieure 24 s’étend dans un plan comprenant la direction circonférentielle DCet la direction radiale DR. Elle comprend un premier orifice 71 disposé en regard d’un second orifice 72 réalisé dans la virole interne de support 5 et présentant une forme circulaire.
La pale 28 comprend en outre un pion 70 traversant selon la direction axiale DAle premier orifice 71 et le second orifice 72 offrant ainsi un maintien radial déterministe de la pale 28 sur la virole interne de support 5 tandis que le mât 6 est solidaire de la virole externe de support 9 mais non fixée à la pale 28.
Comme cela est illustré sur la figure 4, le premier orifice 71 de la plateforme intérieure 24 présente une forme oblongue avec une longueur tangente à la direction circonférentielle DCsupérieure à la hauteur s’étendant selon la direction radiale DR.
Le pion 70 et les premier et second orifices 71 et 72 forment des moyens de maintien radial déterministes de la pale 28 sur la virole interne de support 5.
Sur la figure 5 est illustrée une vue schématique en coupe d’un secteur de turbine selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Le plan de coupe comprend la direction axiale DAet la direction radiale DR.
Le deuxième mode de réalisation illustré sur la figure 5 diffère du premier mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 4 en ce que la seconde portion 246 de la plateforme intérieure 24 s’étend en saillie de la première portion 242 dans un plan comprenant la direction radiale DRet la direction axiale DAet comprend un premier orifice 71 oblong présentant une longueur selon la direction axiale DAsupérieure à la hauteur s’étendant selon la direction radiale DR, et disposé en regard d’un second orifice 72 réalisé dans la virole interne de support 5 et présentant une forme circulaire adaptée au pion 70.
Dans le deuxième mode de réalisation, le pion 70 traverse le premier orifice 71 et le second orifice 72 selon une direction tangente à la direction circonférentielle DCoffrant ainsi un maintien radial déterministe de la pale 28 sur la virole interne de support 5 tandis que le mât 6 est solidaire de la virole externe de support 9 mais non fixée à la pale 28.
Sur la figure 6 est représentée une vue schématique en coupe d’un secteur de turbine selon un troisième mode de réalisation de l’invention. Le plan de coupe comprend la direction axiale DAla direction radiale DR.
Le troisième mode de réalisation diffère du premier et du deuxième modes de réalisation en ce qu’au lieu d’avoir un pion 70 coopérant avec deux orifices 71 et 72, les moyens de maintien radial 7 comprennent un premier épaulement 73 sur la plateforme intérieure 24 et un second épaulement 74 sur la virole interne de support 5 coopérant avec le premier épaulement 73.
Le premier épaulement 73 comporte une première portion 730 s’étendant en saillie radiale depuis la surface interne 24i de la plateforme intérieure 24 vers la virole interne de support 5 et une seconde portion 735 s’étendant selon la direction axiale DAen saillie depuis la première portion 730 du premier épaulement 73 dans le sens du flux F.
Le second épaulement 74 est formé d’une portion 740 en saillie axiale d’une partie de la virole interne de support 5 dans le sens opposé au sens du flux F. Le second épaulement 74 forme, avec une autre partie de la virole interne de support 5 s’étendant parallèlement à la direction axiale DA, un logement axial 745 ouvert à une extrémité axiale et conformée pour recevoir le premier épaulement 73.
Sur la figure 7 est représentée une vue schématique en coupe d’un secteur de turbine selon un quatrième mode de réalisation de l’invention. Le plan de coupe comprend la direction axiale DAet la direction radiale DR.
Le quatrième mode de réalisation illustré sur la figure 7 diffère du troisième mode de réalisation illustré sur la figure 6 uniquement en ce que la virole interne de support 5 comprend deux viroles 50 et 52 assemblées ensembles pour faciliter le montage.
La virole interne de support 5 comprend une virole amont 50 et une virole aval 52. La virole aval 52 comporte le logement axial 745 et le second épaulement radial 74.
Sur la figure 8a est représentée une vue schématique en coupe d’un secteur de turbine selon un cinquième mode de réalisation de l’invention. Le plan de coupe comprend la direction axiale DAet la direction radiale DR.
Tout comme dans le quatrième mode de réalisation, le cinquième mode de réalisation illustré sur la figure 8a comprend également une virole amont 50 et une virole aval 52 assemblées ensemble et formant la virole interne de support 5.
Le cinquième mode de réalisation illustré sur la figure 8a diffère du quatrième mode de réalisation illustré sur la figure 7 uniquement en ce que le premier épaulement 73 et le second épaulement sont chacun divisés en au moins deux segments d’épaulement, et en l’occurrence en trois segments d’épaulement sur l’exemple illustré.
Comme illustré sur les figures 8b et 8c qui présentent deux vues en section de la figure 8 selon deux variantes de réalisation des moyens de maintien radial 7 pour le cinquième mode de réalisation de l’invention, le plan de section VIII des figures 8b et 8c comprenant la direction radiale DRet la direction circonférentielle DC, le premier épaulement 73 et le second épaulement 74 sont divisés respectivement en trois segments 731, 732 et 733, dits segments d’aube, et trois segments 741, 742 et 743, dits segments de virole.
Les trois segments d’aube 731 à 733 et les trois segments de virole 741 à 743 sont répartis successivement selon la direction circonférentielle DC. Le premier segment d’aube 731 est disposé selon la direction radiale DRentre le premier segment de virole 741 et la surface intérieure 24i de la plateforme intérieure 24. Le deuxième segment d’aube 732 est disposé selon la direction radiale DRentre le deuxième segment de virole 742 et la virole interne de support 5. En d’autres termes, le deuxième segment de virole 742 est disposé selon la direction radiale DRentre le deuxième segment d’aube 732 et la surface intérieure 24i de la plateforme intérieure 24. Le troisième segment d’aube 733 est disposé selon la direction radiale DRentre le troisième segment de virole 743 et la surface intérieure 24i de la plateforme intérieure 24.
Le premier épaulement 73 est ainsi radialement entrelacé avec le second épaulement 74 le long de la direction circonférentielle DC.
Dans la première variante illustrée sur la figure 8b, les trois segmentes d’aube 731 à 733 sont séparés dans la direction circonférentielle DCet les trois segments de virole 741 à 743 sont séparés dans la direction circonférentielle DC.
Dans la seconde variante illustrée sur la figure 8c, les trois segments de virole 741 à 743 sont séparés dans la direction circonférentielle DC, et le premier épaulement 73 est réalisé en une seule pièce conformée pour avoir trois segments d’aube 731 à 733 formant une ondulation radiale.
La turbine de turbomachine selon l’invention comprend un distributeur de turbine au moins en partie en CMC dont le montage est simplifié et adapté pour maintenir ses secteurs de distributeur de façon déterministe tout en permettant aux secteurs de se déformer indépendamment des pièces métalliques en interface, en améliorant l’étanchéité entre le mât et la virole métallique externe, et en limitant, voire en annulant, le jeu radial s’ouvrant en fonctionnement entre le mât et la pale en CMC.

Claims (10)

  1. Turbine (1) de turbomachine comprenant un carter (4), une virole externe de support (9) en métal solidaire du carter (4), une virole interne de support (5) en métal, et un distributeur (2) annulaire de turbine définissant une direction axiale (DA) et une direction radiale (DR) et comportant une pluralité de secteurs (20) de distributeur en matériau composite à matrice céramique formant une couronne s’étendant entre la virole externe de support (9) et la virole interne de support (5),
    chaque secteur (20) comportant un mât (6) métallique, une plateforme intérieure (24), une plateforme extérieure (26) et au moins une pale (28) s’étendant radialement entre les plateformes intérieure et extérieure (24, 26) et présentant un profil creux définissant un logement interne (280) s’étendant radialement, les plateformes intérieure et extérieure (24, 26) présentant chacune un orifice (245, 265) communiquant avec ledit logement interne (280) de la pale (28), et le mât (6) traversant lesdits orifices (245, 265) et le logement interne (280) et étant fixé audit carter (4) d’une part et en liaison avec ledit secteur (20) d’autre part,
    caractérisée en ce qu’elle comprend, pour chaque pale (28), des moyens de maintien radial (7) configurés pour solidariser selon la direction radiale (DR) la pale (28) avec la virole interne de support (5), le mât (6) de chaque pale (28) étant radialement désolidarisé de la virole interne de support (5).
  2. Turbine (1) selon la revendication 1, dans lequel les moyens de maintien radial (7) comprennent un pion (70), un premier orifice (71) réalisé dans la plateforme intérieure (24) et un second orifice (72) réalisé dans la virole interne de support (5) en regard du premier orifice (71), le pion (70) traversant le premier orifice (71) et le second orifice (72).
  3. Turbine (1) selon la revendication 2, dans laquelle, pour chaque pale (28), le premier orifice (71) présente une forme oblongue s’étendant principalement selon une direction circonférentielle (DC).
  4. Turbine (1) selon la revendication 1, dans laquelle les moyens de maintien radial (7) de chaque pale (28) comprennent un premier épaulement (73) et un second épaulement (74) coopérant avec le premier épaulement (73), le premier épaulement (73) comportant une première portion (730) s’étendant en saillie radiale depuis la plateforme intérieure (24) vers la virole interne de support (5) et une seconde portion (735) s’étendant en direction axiale (DA) en saillie depuis la première portion et s’insérant entre le second épaulement (74) et la virole interne de support (5), et le second épaulement (74) s’étendant en saillie selon la direction axiale (DA) depuis la virole interne de support (5) vers la première portion (730) du premier épaulement (73) et étant conformé pour s’insérer au moins partiellement entre la plateforme intérieure (24) et la seconde portion (735) du premier épaulement (73).
  5. Turbine (1) selon la revendication 4, dans laquelle la virole interne de support (5) comprend une virole amont (50) et une virole aval (52), la virole aval (52) comportant le second épaulement (74).
  6. Turbine (1) selon l’une des revendications 4 ou 5, dans laquelle le premier épaulement (73) et le second épaulement (74) sont chacun segmentés en au moins deux segments, un premier segment du premier épaulement (73) étant agencé radialement sous un premier segment du second épaulement (74) et un second segment du premier épaulement (73) étant agencé radialement sur un second segment du second épaulement (74).
  7. Turbine (1) selon l’une des revendications 1 à 6, dans laquelle le mât (6) est creux.
  8. Turbine (1) selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle le mât (6) comprend au moins une portion (63) en saillie dans la direction axiale qui coopère avec la pale (28) pour maintenir la pale (28) en position par rapport au mât (6).
  9. Turbomachine comprenant une turbine (1) selon l’une des revendications 1 à 8.
  10. Aéronef comprenant au moins une turbomachine selon la revendication 9.
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