FR3102506A1

FR3102506A1 - Aube avec organe d’étanchéité amélioré

Info

Publication number: FR3102506A1
Application number: FR1911903A
Authority: FR
Inventors: Nicolas Xavier TRAPPIER; Guillaume François Emile PORCHER; Gilles Marcel JEANNIN; Laurent Cédric ZAMAI
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2039-10-24
Also published as: FR3102506B1

Abstract

L’invention concerne un ensemble de turbine comprenant un disque de rotor s’étendant autour d’un axe portant à sa périphérie au moins une première et une deuxième aube (16, 16’) consécutives et un organe d’étanchéité (37), chaque aube (16, 16’) comprenant un pied prolongé par une échasse terminée par une plateforme portant une pale. L’organe d’étanchéité (37) est monté dans une cavité (40) qui s’étend radialement sous la plateforme de la première aube (16) et sous la plateforme de la deuxième aube (16’) et qui s’étend circonférentiellement entre le pied de la première aube (16) et le pied de la deuxième aube (16’). La plateforme de la première aube (16) comporte une portée primaire (47), la plateforme de la deuxième aube (16’) comporte une portée secondaire (48) inclinée par rapport à la portée primaire (47) selon un angle (A). L’organe d’étanchéité (37) est engagé dans la cavité (40) et comprend une portion amont (38) insérée au moins partiellement entre la portée primaire (47) et la portée secondaire (48). Figure pour abrégé :Fig. 4

Description

Aube avec organe d’étanchéité amélioré

L’invention concerne une roue de turbine de turbomachine, telle qu’une turbine basse pression, comprenant un disque pourvu à sa périphérie d’alvéoles portant des aubes.

Comme illustré sur la figure 1, dans une telle roue de turbine 1, chaque aube 2 comprend un pied 3 de fixation prolongé par une échasse 4 terminée par une plateforme 6 qui porte une pale 7, et des alvéoles 8 ou rainures régulièrement réparties en périphérie du disque 9 qui définissent entre elles des dents 11.

Lorsque la roue est assemblée, les plates-formes des aubes s’étendent circonférentiellement les unes à côté des autres autour du disque, en étant espacées les unes des autres par de faibles jeux J séparant leurs flancs respectifs.

Il est connu de monter entre les plates-formes des organes d'étanchéité pour limiter les fuites entre les plates-formes, correspondant à du gaz circulant d’amont en aval du disque sans entraîner de pale. Ces organes peuvent également être conçus pour assurer un amortissement des vibrations auxquelles les aubes sont soumises en fonctionnement.

Chaque organe d'étanchéité 12, encore appelé « bonbon », est engagé dans une cavité 13 délimitée par deux demi-cavités latérales 14 de deux aubes circonférentiellement adjacentes. En fonctionnement, l’organe d’étanchéité 12 est plaqué par effet centrifuge contre des faces internes des plateformes des deux aubes contigües, de manière à limiter les fuites de gaz à travers le jeu J séparant les flancs de ces deux aubes circonférentiellement adjacentes. Néanmoins, il apparaît que l’étanchéité qu’il procure est imparfaite, de sorte que des fuites de gaz se produisent entre les aubes.

De telles fuites correspondent d’une part à du gaz, repéré par la flèche F1 sur la figure 2 qui longe axialement l’espace séparant les flancs des aubes au lieu d’engendrer une poussée sur les pales, et d’autre part à du gaz repéré par la flèche F2 qui quitte la veine primaire et vient réchauffer le disque portant les aubes.

Ainsi, les fuites à travers le jeu séparant deux aubes circonférentiellement adjacentes correspond à une perte de performance d’une part en ce qu’il ne génère pas de force motrice et d’autre part en ce qu’il réchauffe les dents du disque ce qui nécessite d’accroître leur refroidissement avec du gaz frais supplémentaire prélevé en amont, ce qui induit une baisse de performance supplémentaire.

L’objet de l’invention est d’apporter une solution pour remédier à cet inconvénient.

A cet effet, l’invention a pour objet un ensemble de turbine comprenant un disque de rotor s’étendant autour d’un axe portant à sa périphérie au moins une première et une deuxième aube circonférentiellement adjacentes et un organe d’étanchéité, et dans lequel :

– chaque aube comprend un pied de fixation au rotor prolongé par une échasse terminée par une plateforme portant une pale ;

– l’organe d’étanchéité comporte une portion amont montée dans une cavité qui s’étend radialement sous les plateformes de la première et de la deuxième aube et qui s’étend circonférentiellement entre les échasses de la première et de la deuxième aube ;

– la plateforme de la première aube comporte une portée primaire, la plateforme de la deuxième aube comportant une portée secondaire disposée de façon inclinée et circonférentiellement en regard par rapport à la portée primaire selon un angle ;

– la portion amont de l’organe d’étanchéité est disposée dans la cavité en étant insérée au moins partiellement entre la portée primaire et la portée secondaire.

Avec cet agencement, la portion amont est pressée par effet centrifuge contre les portées des aubes inclinées, de façon à d’une part exercer sur celles-ci une pression significative assurant un niveau d’étanchéité accru et à d’autre part tendre continuellement à les écarter l’une de l’autre pour limiter leurs éventuels modes vibratoires.

L’invention concerne un ensemble ainsi défini, dans lequel la portion aval présente dans un plan normal à l’axe une section correspondant sensiblement à la section de la cavité.

L’invention concerne un ensemble ainsi défini, dans lequel la portion aval présente dans un plan parallèle à l’axe une section ayant une forme correspondant à la lettre U comprenant une base prolongée par deux branches parallèles, la base ayant une orientation oblique par rapport aux branches, la cavité ayant une forme configurée pour coopérer par complémentarité de formes avec la portion aval.

L’invention concerne un ensemble ainsi défini, dans lequel chaque plateforme est prolongée par une paroi aval s’étendant vers le pied, et dans lequel l’organe d’étanchéité comporte une portion aval agencée pour venir en appui contre les parois aval de la première et de la deuxième aube.

L’invention concerne un ensemble ainsi défini, dans lequel les portions amont et aval sont des éléments distincts en appui l’un sur l’autre.

L’invention concerne un ensemble ainsi défini, dans lequel la portion amont comporte une face aval par laquelle elle est en appui plan sur plan sur une face amont de la portion aval.

L’invention concerne un ensemble ainsi défini, dans lequel la portion amont comprend une face d’appui primaire et une face d’appui secondaire inclinées l’une par rapport l’autre d’un angle correspondant à l’angle formé par la portée primaire et la portée secondaire, les faces d’appui primaire et secondaire étant disposées respectivement contre les portées primaire et secondaire.

L’invention concerne un ensemble ainsi défini, dans lequel la face d’appui primaire et la portée primaire sont planes, et dans lequel la face d’appui secondaire et la portée secondaire ont des formes planes.

L’invention concerne un ensemble ainsi défini, dans lequel chaque plateforme est orientée selon une direction principale inclinée par rapport à l’axe pour être plus éloignée du pied au niveau de la paroi aval, dans lequel les portées s’étendent selon la direction principale, afin que la portion amont coulisse selon la direction principale pour presser la portion aval contre la paroi aval par effert centrifuge.

L’invention concerne également une turbine basse pression de turboréacteur comprenant un système d’aubes et d’organes d’étanchéité ainsi défini.

L’invention concerne également un turboréacteur comprenant une turbine basse pression ainsi définie.

déjà décrite est une vue partielle en coupe transversale d’une roue de turbine ;

déjà décrite est une vue latérale d’une aube ;

est une vue partielle en perspective d’une aube de turbine du côté de son flanc primaire avec son organe d’étanchéité selon l’invention ;

est une vue partielle en perspective montrant une aube de turbine du côté de son flanc secondaire avec son organe d’étanchéité selon l’invention ;

est une vue partielle en coupe transversale d’une roue de turbine selon l’invention montrant deux aubes avec un organe d’étanchéité selon l’invention ;

est une vue en perspective d’un organe d’étanchéité selon l’invention représenté seul ;

est une vue en coupe orthoradiale d’un organe d’étanchéité selon l’invention représenté seul ;

est une vue en coupe orthoradiale d’un organe d’étanchéité selon l’invention installé entre deux aubes ;

est une vue latérale d’une aube montrant l’étendue de l’étanchéité procurée par l’organe d’étanchéité selon l’invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

L’idée à la base de l’invention est de prévoir un organe d’étanchéité comportant une portion en forme de coin venant se caler précisément au niveau de la jonction des plateformes entre deux aubes circonférentiellement adjacentes entre lesquelles il est intercalé, par effet centrifuge, pour conférer une étanchéité améliorée.

Sur la figure 3, une aube 16 comporte un pied 17 de fixation à un disque non représenté, ce pied 17 étant prolongé par une échasse 18 centrale terminée par une plateforme 19 portant une pale 21. Comme visible sur la figure 3, la plateforme 19 est prolongée vers l’amont AM par un paroi amont 22, et elle est prolongée vers l’aval par une paroi aval 23, qui s’étendent principalement perpendiculairement à l’axe de rotation AX de la pale en service. Comme visible sur cette figure 3, la plateforme s’étend selon une direction principale Dp qui est inclinée par rapport à l’axe AX, cette plateforme étant plus éloignée de l’axe AX au niveau de son extrémité aval qu’au niveau de son extrémité amont.

L’échasse 18 est une paroi centrale s’étendant selon un plan passant par l’axe AX, et elle délimite conjointement avec la plateforme 19 et les parois 22 et 23 une demi-cavité primaire 24 de cette aube visible sur la figure 3, et une demi-cavité secondaire 26, opposée à la demi-cavité primaire et apparaissant sur la figure 4.

L’aube 16 est délimitée latéralement par un flanc primaire 27 apparaissant sur la figure 3, généralement plan et passant par l’axe AX ou à une faible distance de celui-ci, et par un flanc secondaire 28 apparaissant sur la figure 4, opposé au flanc primaire 27 et sensiblement parallèle à celui-ci.

Comme il ressort de la figure 3, le flanc primaire 27 correspond à un bord primaire 29 de la plateforme 19 prolongé par un bord primaire 31 de la paroi amont 22 et par un bord primaire 32 de la paroi aval 23. De manière analogue, le flanc secondaire 28 correspond à un bord secondaire 33 de la plateforme prolongé par un bord secondaire 34 de la paroi amont 22 et par un bord secondaire 36 de la paroi aval 23. En pratique, la plateforme ainsi que les parois amont et aval ont des formes sensiblement rectangulaires et leurs bords primaire et secondaire sont des bords opposés de leurs contours rectangulaires respectifs.

L’organe d’étanchéité selon l’invention, repéré par 37, comprend une portion amont 38 rectiligne qui longe l’espace séparant les bords des plateformes des deux aubes entre lesquelles il est monté, et une portion aval 39 s’étendant dans le prolongement de cette portion amont pour venir en appui sur les faces internes des parois aval de ces deux aubes. La portion amont 38 et la portion aval 39 sont des composants distincts prévus pour être liés l’un à l’autre essentiellement par un appui plan en fonctionnement de la turbomachine.

Plus particulièrement, cet organe d’étanchéité 37 est logé dans une cavité 40 délimitée par les demi-cavités 24 et 26 des deux aubes qu’il équipe, de sorte que sa portion amont 38 étanche l’espace ou jeu séparant les bords des plateformes des aubes entre lesquelles il est monté alors que sa portion aval 39 étanche l’espace séparant les bords des deux parois aval de ces aubes.

L’étanchéité entre les bords des deux plateformes est améliorée grâce à la forme en coin de la portion amont 38 qui vient en appui sur des portée complémentaires prévues au niveau des bords 29 et 31 de la plateforme 19.

Comme visible sur la figure 6, la portion amont 38 a une forme générale rectligne délimitée circonférentiellement par cinq faces. Ces cinq faces comprennent consécutivement une face radialement externe 41, une face latérale constituant une face d’appui primaire 42, une face radialement interne 43 parallèle à la face radialement externe 41, et une autre face latérale 44 opposée à la face d’appui primaire 42 et prolongée par une face d’appui secondaire 46.

La face latérale opposée 44 est plane et parallèle à la face d’appui primaire 42 qui est aussi plane, mais la face d’appui secondaire 46 qui la prolonge a une orientation oblique, de sorte que les deux faces d’appui 42 et 46 sont inclinées l’une par rapport à l’autre en étant séparées l’une de l’autre par la face radialement externe 41. La partie supérieure de la portion amont 38 a ainsi une forme de générale de coin.

Complémentairement, l’aube 16 comporte d’une part une portée primaire 47 plane prolongeant le bord primaire 29 de sa plateforme et qui est orientée selon le flanc primaire 27, et d’autre part une portée secondaire 48 prolongeant le bord secondaire 33 de sa plateforme, mais en étant inclinée par rapport au flanc secondaire 28. La portée secondaire 48 est inclinée par rapport au flanc secondaire 28 pour s’étendre vers l’échasse 18, c’est-à-dire vers l’intérieur de la demi-cavité secondaire 26. L’angle d’inclinaison A de la portée secondaire 48 par rapport à la portée primaire 47 correspond à l’angle que forment la face d’appui primaire 42 et la face d’appui secondaire 46 de la portion amont 38 : elles sont agencées de façon complémentaire. Ces deux portées ainsi que leur plateforme respective s’étendent globalement selon la direction principale Dp de la plateforme 19.

Lorsque l’organe d’étanchéité 37 est en place, il est engagé dans la cavité 40 formée par les deux demi-cavités 24 et 26 d’une première aube 16 et d’une deuxième aube 16’ circonférentiellement adjacentes. Dans ce cas, comme visible sur la figure 5, sa portion amont 38 a sa face d’appui primaire 42 qui est plaquée contre la portée primaire 47 de la première aube, et sa face d’appui secondaire 46 qui est plaquée contre la portée secondaire 48 de l’autre aube. Lorsque les aubes sont en service, c’est-à-dire en rotation, les efforts centrifuges tendent à écarter l’organe 37 de l’axe de rotation, de sorte que ses faces d’appui exercent un effort radial sur les portées de la première aube 16 et de le deuxième aube 16’ de façon à se plaquer efficacement contre ces portées.

Autrement dit, grâce à la disposition en coin des faces d’appui 42 et 46 de la portion amont 38 et à l’effort centrifuge, ces faces d’appui viennent se presser efficacement contre les portées 47 et 48 orientées de façon complémentaire afin d’interdire le passage de gaz entre les bords des plateformes des deux aubes, malgré le jeu J qui sépare ces bords.

Dans l’exemple des figures, la face d’appui primaire 42 et la portée primaire 47 sont planes. La face d’appui secondaire 46 est préférentiellement plane. Toutefois, pour garantir l’étanchéité via un contact plan sur plan avec la portée 48, la face d’appui secondaire 46 pourrait présenter une forme bombée convexe et la portée secondaire 48 a également une forme bombée concave sensiblement complémentaire de celle de la face d’appui secondaire 46. Plus précisément, la face 46 et la portée 48 ont avantageusement des formes de portions de cônes pour garantir l’étanchéité.

Comme visible sur les figures 3 et 4, les plateformes 19 des aubes sont orientées selon des directions principales Dp qui sont sensiblement inclinées par rapport à l’axe AX, de sorte que leurs extrémités amont sont plus proches de l’axe AX que leurs extrémités aval. Les portées 47 et 48 s’étendent ainsi selon les directions principales Dp qui sont obliques par rapport à l’axe AX.

Ainsi, sous l’effet des efforts centrifuges, la portion amont 38 étant apte à glisser le long des portées selon la direction Dp pour s’éloigner de l’axe AX, elle tend à glisser vers l’aval pour pousser la portion aval 39 sur les parois aval 23 des deux aubes entre lesquelles elle est montée. Cet effet supplémentaire permet d’accroître l’étanchéité conférée par la portion aval 39 qui comble alors le jeu séparant les bords 32 et 36 des deux parois aval des aubes entre lesquelles l’organe d’étanchéité est installé, de façon à empêcher le passage de gaz à travers ce jeu.

Comme visible sur la figure 6, la portion aval 39 a une forme générale de capuchon ayant un contour sensiblement rectangulaire à sommets arrondis, qui correspond à la section de la cavité 40 dans laquelle est engagé l’organe d’étanchéité. Autrement dit, dans un plan de section normal à l’axe AX, la portion aval 39 et la cavité 40 sont sensiblement identiques, ce qui permet à la portion aval 39 d’étanchéifier au mieux le jeu entre séparant les bords 32 et 36.

Plus particulièrement, et comme visible sur la figure 7, la portion aval 39 présente dans un plan orthoradial, c’est-à-dire parallèle à l’axe AX une section ayant une forme correspondant à la lettre U. Elle comporte une base 39a prolongée par deux branches 39b, 39c parallèles, la base 39a ayant une orientation oblique par rapport aux branches latérales 39b, 39c. Comme on le comprend, la partie aval de la cavité 40 coopère la portion aval 39 pour que cette portion aval améliore l’étanchéité en partie aval de la cavité 40 lorsque cette portion aval 39 est appliquée, en fonctionnement, contre les parois aval de deux aubes délimitant cette cavité 40.

Comme indiqué plus haut, la portion amont 38 et la portion aval 39 sont deux éléments distincts formant l’organe d’étanchéité 37. Lorsque l’ensemble est monté, et comme visible sur la figure 8, ainsi que sur les figures 6 et 7, la portion amont 38 est en appui par sa face d’extrémité aval 49 sur une face amont 51 de la portion aval 39. Ceci permet à la portion amont 38 de plaquer la portion aval 39 contre les faces internes des parois aval des deux aubes 16 et 16’ afin d’étanchéifier le jeu entre les bords 32 et 36.

Autrement dit, lorsque les aubes sont en rotation, d’une part la portion amont de l’organe d’étanchéité se plaque sur les portées 47 et 48 pour étancher le jeu séparant les bords des deux plateformes, mais d’autre part la portion aval 39 se plaque vers l’aval sur les parois aval des deux aubes pour étancher le jeu séparant les bords de ces parois aval. Ainsi, et comme illustré schématiquement sur la figure 9, l’organe d’étanchéité permet avec sa portion amont et sa portion aval d’apporter à lui seul une étanchéité entre les plateformes mais également entre les parois aval des deux aubes entre lesquelles il est monté.

Sur la figure 9, l’étendue de l’étanchéité apportée par les portions amont et aval composant l’organe 37, est représentée par un trait pointillé. On comprend que l’organe d’étanchéité 37 permet de s’opposer d’une part au passage de gaz quittant la veine primaire vers l’axe AX entre les deux plateformes, et d’autre part au passage de gaz longeant axialement l’espace séparant les flancs des aubes entre les parois aval de ces aubes.

Claims

Ensemble de turbine comprenant un disque de rotor s’étendant autour d’un axe (AX) portant à sa périphérie au moins une première et une deuxième aube (16, 16’) circonférentiellement adjacentes et un organe d’étanchéité (37), et dans lequel :
– chaque aube (16) comprend un pied (17) de fixation au rotor prolongé par une échasse (18) terminée par une plateforme (19) portant une pale (21) ;
– l’organe d’étanchéité (37) comporte une portion amont (38) montée dans une cavité (40) qui s’étend radialement sous les plateformes (19) de la première et de la deuxième aube (16, 16’) et qui s’étend circonférentiellement entre les échasses (18) de la première et de la deuxième aube (16, 16’) ;
– la plateforme (19) de la première aube (16) comporte une portée primaire (47), et la plateforme (19) de la deuxième aube (16’) comporte une portée secondaire (48) disposée de façon inclinée et circonférentiellement en regard par rapport à la portée primaire (47) selon un angle (A) ;
– la portion amont (38) de l’organe d’étanchéité (37) est disposée dans la cavité (40) en étant insérée au moins partiellement entre la portée primaire (47) et la portée secondaire (48).
Ensemble selon la revendication 1, dans lequel chaque plateforme (19) comporte une extrémité aval prolongée par une paroi aval (23) s’étendant vers le pied (17), et dans lequel l’organe d’étanchéité (37) comporte une portion aval (39) agencée pour venir en appui contre les parois aval (23) de la première et de la deuxième aube (16, 16’).
Ensemble selon la revendication 2, dans lequel la portion aval (39) de l’organe d’étanchéité (37) présente dans un plan normal à l’axe (AX) une section correspondant sensiblement à la section de la cavité (40).
Ensemble selon la revendication 3, dans lequel la portion aval (39) de l’organe d’étanchéité (37) présente dans un plan parallèle à l’axe (AX) une section ayant une forme correspondant à la lettre U comprenant une base (39a) prolongée par deux branches (39b, 39c) parallèles, la base (39a) ayant une orientation oblique par rapport aux branches (39b, 39c), la cavité (40) ayant une forme configurée pour coopérer par complémentarité de formes avec la portion aval (39).
Ensemble selon la revendication 2, dans lequel les portions amont (38) et aval (39) de l’organe d’étanchéité (37) sont des éléments distincts et en appui l’un sur l’autre.
Ensemble selon la revendication 5, dans lequel la portion amont (38) de l’organe d’étanchéité (37) comporte une face aval (49) par laquelle elle est en appui plan sur plan sur une face amont (51) de la portion aval (39) de l’organe d’étanchéité (37).
Ensemble selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la portion amont (38) de l’organe d’étanchéité (37) comprend une face d’appui primaire (42) et une face d’appui secondaire (46) inclinées l’une par rapport l’autre d’un angle correspondant à l’angle formé par la portée primaire (47) et la portée secondaire (48), les faces d’appui primaire (42) et secondaire (46) étant disposées respectivement contre les portées primaire (47) et secondaire (48).
Ensemble selon la revendication 7, dans lequel la face d’appui primaire (42) et la portée primaire (47) sont planes, et dans lequel la face d’appui secondaire (46) et la portée secondaire (48) sont planes.
Ensemble selon la revendication 8, dans lequel chaque plateforme (19) est orientée selon une direction principale (Dp) inclinée par rapport à l’axe (AX) pour être plus éloignée du pied (17) au niveau de la paroi aval (23), dans lequel les portées (47, 48) s’étendent selon la direction principale (Dp), afin que la portion amont (38) coulisse selon la direction principale (Dp) pour presser la portion aval (39) contre la paroi aval (23) par effert centrifuge.
Turbine basse pression de turboréacteur comprenant ensemble selon l’une des revendications précédentes.
Turboréacteur comprenant une turbine basse pression selon la revendication 10.