FR3108938A1

FR3108938A1 - Anneau d’étanchéité pour un rotor de turbine de turbomachine

Info

Publication number: FR3108938A1
Application number: FR2003321A
Authority: FR
Inventors: Jérôme Claude George LEMONNIER; Franck Davy BOISNAULT
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2020-04-02
Filing date: 2020-04-02
Publication date: 2021-10-08
Anticipated expiration: 2040-04-02
Also published as: FR3108938B1

Abstract

L’invention décrit un anneau d’étanchéité (3) pour un rotor (1, 2) de turbine de turbomachine, l’anneau d’étanchéité (3) étant configuré pour être fixé entre le disque de rotor amont (11) et à le disque de rotor aval (21), ledit anneau d’étanchéité (3) s’étendant circonférentiellement autour d’un axe longitudinal (X), l’anneau d’étanchéité (3) comprenant au moins une lunule (34) de circulation d’un flux de refroidissement (F) formée en creux dans une face (312) de l’anneau d’étanchéité (3), ladite lunule (34) présentant une entrée (341) et une sortie (342), l’entrée (341) étant radialement plus proche de l’axe longitudinal (X) que la sortie (342),l’anneau d’étanchéité (3) étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre une protubérance (35) de séparation du flux de refroidissement (F) disposée à la sortie (342) de la lunule (34). Figure pour l’abrégé : Fig. 3a

Description

Anneau d’étanchéité pour un rotor de turbine de turbomachine

DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne un anneau d’étanchéité pour un rotor de turbine de turbomachine, en particulier de turbine basse pression. Des domaines d’application de l’invention sont les turboréacteurs et turbopropulseurs d’avions.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Une turbomachine comprend, d’amont en aval dans le sens d’écoulement du flux à travers la turbomachine, un compresseur, une chambre de combustion et une turbine.

Un exemple d’une portion de turbomachine au niveau de sa turbine basse pression connue de l’état de la technique est illustré en figures 1 et 2.

Une turbine de turbomachine, en particulier une turbine basse pression, comprend classiquement plusieurs étages de turbine. Chaque étage de turbine comprend une roue d’aubes de rotor 12, 22 mobiles en rotation autour d’un axe longitudinal X de la turbomachine et solidaires d’un disque de rotor 11, 21, et un distributeur 42 formant une couronne d’aubes fixes et comprenant à son extrémité radialement interne un pied pourvu d’un élément abradable 41. Les aubes fixes du distributeur 42 sont configurées pour redresser le flux de gaz lors du fonctionnement de la turbine.

Un distributeur 42 est donc axialement interposé entre deux disques de rotor 11, 21 consécutifs. Le distributeur 42 dévie le flux de gaz en provenance de la chambre de combustion ou des aubes de rotor amont 12 vers les aubes de rotor aval 22, à un angle et une vitesse appropriés afin d’entraîner en rotation les aubes de rotor aval 22.

Le rotor 1, 2 de la turbine est soumis à un environnement thermique chaud, bien supérieur aux températures maximales admissibles par les pièces du rotor 1, 2.

La turbine comprend donc un anneau d’étanchéité 3 tournant, qui est une virole annulaire disposée entre deux disques de rotor 11, 21 consécutifs et fixée à ceux-ci. L’anneau d’étanchéité 3 est ainsi solidaire en rotation autour de l’axe longitudinal X des deux disques de rotor 11, 21 consécutifs.

L’anneau d’étanchéité comprend une bride radiale 31 et une virole axiale 32. La virole axiale 32 s’étend entre le disque de rotor amont 11 et le disque de rotor aval 21, est sensiblement orthogonale à la bride radiale 31 et s’étend de part et d’autre de la bride radiale 31. La bride radiale 31 est fixée d’une part à un bras aval 13 du disque de rotor amont 11, et d’autre part à un bras amont 23 du disque de rotor aval 21.

L’anneau d’étanchéité 3 comprend en outre des léchettes d’étanchéité 33 externes au niveau de la virole axiale 32. Les léchettes 33 sont disposées radialement au droit d’un pied du stator 4, le pied de stator 4comportant l’élément en matériau abradable 41. Le matériau abradable et les léchettes forment un joint d’étanchéité à labyrinthe configuré pour limiter un écoulement de fuite radialement sous le pied de stator 4.

L’anneau d’étanchéité 3 permet ainsi de limiter le débit de fuite entre le flux d’air chaud en provenance de la veine d’air à passer radialement sous le pied de stator 4. Plus précisément, L’anneau d’étanchéité 3 assure l’étanchéité entre d’une part une chambre amont 61 située entre le disque de rotor amont 11 et l’élément abradable 41, et d’autre part une chambre aval 62 située entre l’élément abradable 41 et le disque de rotor aval 21, les chambres amont 61 et aval 62 étant externes par rapport à l’anneau d’étanchéité 3.

Classiquement, les disques de rotor 11, 21 de la turbine sont refroidis par une ventilation spécifique, en particulier au niveau de rainures périphériques 24, nommées alvéoles, formées à la périphérie externe du disque de rotor 11, 21 et dans lesquelles les aubes de rotor 12, 22 sont montées. L’air de refroidissement F des disques de rotor 11, 21 est de l’air pressurisé, qui peut être prélevé par exemple au niveau du compresseur, typiquement du compresseur haute pression.

Afin d’amener le flux d’air de refroidissement F pressurisé jusqu’au disque de rotor aval 21, des rainures radiales, appelées lunules 34, sont formées en creux dans une face aval 312 de la bride radiale 31 annulaire de l’anneau d’étanchéité 3.

La lunule 34 est formée par une rainure, réalisée dans la masse de la bride radiale 31 de l’anneau d’étanchéité 3, 21. Lorsque l’anneau d’étanchéité 3 est mis en place entre deux disques de rotor 11, 21, la bride radiale 31 de l’anneau d’étanchéité 3 est plaquée contre le bras amont 23 du disque de rotor aval 21, de sorte que la rainure de la bride radiale 31 forme avec le bras amont 23 du disque de rotor aval 21 un canal de circulation du flux d’air de refroidissement 34.

La lunule 34 est classiquement un évidement s’étendant radialement entre une entrée de lunule 341 et une sortie de lunule 342, et présentant une forme de demi-cylindre de révolution, ou de demi-cylindre elliptique.

La lunule 34 débouche dans une cavité de ventilation 63 délimitée par le bras amont 23 du disque de rotor aval 21 et l’anneau d’étanchéité 3. La cavité de ventilation 63 est en communication fluidique avec les alvéoles 24 du disque de rotor aval 21 à refroidir.

La section totale de l’ensemble des lunules 34 est fixée par le débit total de flux de refroidissement F nécessaire au refroidissement du disque de rotor aval 21, afin de ne prélever que la quantité d’air pressurisé nécessaire au refroidissement du rotor aval 2, pour ne pas dégrader les performances de la turbomachine.

Le disque de rotor amont 11 peut être refroidi d’une manière similaire au disque de rotor aval 21, à l’aide d’un anneau d’étanchéité et de lunules situés en amont du rotor amont 1. En variante, le disque de rotor amont 11 peut être refroidi par des trous de décharge situés sur la virole axiale 32, en amont de la bride radiale 31.

Chaque lunule 34 présente un rayon minimum en-dessous duquel la durée de vie de la lunule 34 serait réduit et les coûts et la complexité de fabrication importants. Par conséquent, le nombre de lunules 34 formées dans l’anneau d’étanchéité 3 est limité et une distance minimum existe entre deux lunules 34.

L’anneau d’étanchéité 3 étant mobile, l’air de refroidissement F passant dans la lunule 34 est entraîné par le rotor 1, 2 et présente donc une vitesse élevée en sortie 342 de lunule 34. Il en résulte un effet centrifuge qui tend à plaquer l’air de refroidissement F en sortie 342 de lunule 34 contre la bride radiale 31 de l’anneau d’étanchéité mobile 3.

Par conséquent, l’air de refroidissement F longe la bride radiale 31 en sortie 342 de la lunule 34, puis impacte la paroi de l’anneau d’étanchéité 3 au niveau d’une zone d’impact Zi située à la jonction entre la bride radiale 31 et la virole axiale 32.

L’impact du jet de refroidissement F sur l’anneau d’étanchéité mobile 3 entraîne un refroidissement local conséquent de la paroi de l’anneau d’étanchéité 3 au niveau du point d’impact en regard des lunules 34. Les zones de la paroi de l’anneau d’étanchéité 3 situées entre deux lunules 34 sont au contraire peu refroidies. Par conséquent, le refroidissement de l’anneau d’étanchéité 3 n’est pas homogène sur toute sa circonférence, le gradient thermique sur la circonférence de l’anneau d’étanchéité 3 est important, et l’anneau d’étanchéité 3 subit une importante distorsion thermique azimutale.

La température évolue le long de la circonférence de l’anneau d’étanchéité 3 de manière sensiblement sinusoïdale, avec une fréquence qui dépend de la distance entre deux lunules 34 adjacentes, et cette température varie en amplitude. En particulier, la valeur crête à crête entre la température minimale au droit des lunules 34 et la température maximale entre deux lunules 34 pouvant aller jusqu’à environ 80°.

Cette distorsion thermique entraîne une différence de contrainte importante dans l’anneau d’étanchéité 3. En effet, les zones de l’anneau d’étanchéité 3 qui sont les plus refroidies, à savoir les zones situées en regard des lunules 34, se contractent et subissent des efforts de traction, tandis que les zones les moins refroidies, à savoir les zones situées entre deux lunules 34, se dilatent et subissent des efforts de compression.

Cette distorsion thermique importante peut déclencher ou favoriser l’apparition de fissures dans les zones les moins refroidies entre deux lunules 34, en particulier sur les léchettes 33 de l’anneau d’étanchéité 3. L’anneau d’étanchéité 3 est donc fragilisé et sa durée de vie réduite.

Les documents FR 3 019 584 A1 et FR 2 954 797 décrivent un anneau d’étanchéité comprenant des lunules de circulation d’un flux de refroidissement.

Le document WO2018/065739 A1 décrit un anneau d’étanchéité comprenant des lunules permettant une circulation d’air de refroidissement d’un disque de turbine. L’air de refroidissement en sortie de lunule impacte l’anneau d’étanchéité au niveau de la jonction entre la bride radiale et une paroi externe orthogonale à la bride radiale.

Un but de l’invention est de proposer un anneau d’étanchéité pour un rotor de turbine de turbomachine configuré pour subir un gradient thermique moindre en fonctionnement de sorte à présenter une durée de vie augmentée par rapport à l’art antérieur.

Selon un premier aspect, l’invention concerne un anneau d’étanchéité pour un rotor de turbine de turbomachine, ledit rotor comprenant un disque de rotor amont et un disque de rotor aval, l’anneau d’étanchéité étant configuré pour être fixé entre le disque de rotor amont et le disque de rotor aval, ledit anneau d’étanchéité s’étendant circonférentiellement autour d’un axe longitudinal.

L’anneau d’étanchéité comprend au moins une lunule de circulation d’un flux de refroidissement formée en creux dans une face de l’anneau d’étanchéité, ladite lunule présentant une entrée et une sortie, l’entrée étant radialement plus proche de l’axe longitudinal que la sortie.

L’anneau d’étanchéité comprend en outre une protubérance de séparation du flux de refroidissement disposée à la sortie de la lunule, la sortie de la lunule débouchant sur la protubérance.

Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de l’anneau d’étanchéité décrit ci-dessus sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :

la protubérance de séparation du flux de refroidissement est à champ de la sortie de la lunule ;
la protubérance de séparation du flux de refroidissement a la forme d’une calotte sphérique ou d’une portion d’ovoïde ;
la protubérance de séparation du flux de refroidissement présente une largeur maximale supérieure à une largeur maximale de la lunule ;
la protubérance de séparation du flux de refroidissement présente une hauteur maximale supérieure à une largeur maximale de la lunule ;
la protubérance de séparation du flux de refroidissement est monolithique avec l’anneau d’étanchéité et est obtenue par déformation locale de l’anneau d’étanchéité ;
la protubérance de séparation du flux de refroidissement est rapportée et fixée sur l’anneau d’étanchéité par brasage ;
l’anneau d’étanchéité comprend une bride radiale présentant une face amont et une face aval, dans lequel la lunule est formée dans la face aval de la bride radiale, et dans lequel la lunule s’étend globalement radialement entre une entrée radialement interne et une sortie radialement externe de la face aval ;
la lunule présente un fond arrondi ;
l’anneau d’étanchéité comprend plusieurs orifices de fixation répartis sur la circonférence de l’anneau d’étanchéité, et la lunule est positionnée entre deux orifices de fixation circonférentiellement adjacents de l’anneau d’étanchéité.

Selon un deuxième aspect, l’invention concerne une turbomachine comprenant une turbine basse pression comprenant un anneau d’étanchéité selon le premier aspect.

Selon un troisième aspect, l’invention concerne un aéronef comprenant une turbomachine selon le deuxième aspect.

DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, donnée à titre d’exemple non limitatif, qui sera illustrée par les figures suivantes :

La figure 1, déjà commentée, représente une vue de côté schématique d’une partie d’un rotor de turbine connu de l’état de la technique.

La figure 2, déjà commentée, représente une vue en perspective schématique d’un anneau d’étanchéité connu de l’état de la technique.

Les figures 3a et 3b représentent des vues en perspective schématiques d’un anneau d’étanchéité selon un mode de réalisation de l’invention.

Les figures 3c et 3d représentent des vues en perspective schématiques d’un anneau d’étanchéité selon un autre mode de réalisation de l’invention.

La figure 4 représente une un graphe illustrant une variation de température azimutale subie par un anneau d’étanchéité connu de l’état de la technique et selon un mode de réalisation de l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Notions préliminaires

Dans la suite de la demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal des gaz à travers la turbomachine en fonctionnement. Par ailleurs, on appelle axe longitudinal X, l'axe autour duquel s’étend la turbomachine. La direction axiale correspond à la direction de l'axe longitudinal X, et une direction radiale est une direction perpendiculaire à cet axe et passant par lui. La direction transversale est une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal X et ne passant pas par lui. Sauf précision contraire, les termes interne et externe, respectivement, sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie ou la face interne d'un élément est plus proche de l'axe longitudinal X que la partie ou la face externe du même élément.

L’invention va être décrite tout particulièrement en référence à une turbine basse pression comprenant un ou plusieurs étages, la turbine basse pression comprenant un rotor 1, 2 mobile et un stator 4 fixe.

Le stator 4 comprend un distributeur 42 formant une couronne d’aubes fixes et qui présente à son extrémité radialement interne un pied pourvu d’un élément abradable 41. Le distributeur 42 est à son extrémité radialement externe monté sur le carter. Le distributeur 42 est généralement formé par un ensemble de secteurs montés circonférentiellement bout-à-bout pour former la couronne d’aubes fixes.

Le rotor 1, 2 présente un axe de rotation qui correspond à l’axe longitudinal X de la turbomachine. Le rotor 1, 2 comprend un ou plusieurs disques de rotor 11, 21, et une ou plusieurs roues d’aubes mobiles 12, 22. Chaque disque de rotor 11, 21 comprend des rainures périphériques externes 24, nommées alvéoles, dans lesquelles les aubes de rotor 12, 22 sont montées de sorte à être solidaire en rotation du disque de rotor 11, 21 correspondant.

La turbine comprend ainsi une série de distributeurs 42 alternés selon l’axe longitudinal X de rotation de la turbomachine avec une série de disques mobiles de rotor 11, 21. Ceci n’est cependant pas limitatif, dans la mesure où l’invention trouve aussi bien application dans tout rotor de turbomachine, telle qu’un rotor de turbine haute pression pouvant être mono- ou multi-étages ou encore un rotor de compresseur haute pression ou basse pression.

Les différents disques de rotor 11, 21 peuvent notamment être assemblés de manière coaxiale, en particulier par boulonnage via une liaison boulonnée 5. Chaque disque de rotor 11, 21 peut être relié à un disque de rotor 11, 21 adjacent par l’intermédiaire d’une virole annulaire, appelée anneau d’étanchéité 3. En particulier, un disque de rotor amont 11 peut comprendre un bras aval 13 s’étendant vers l’aval depuis sa face aval, et un disque de rotor aval 21 peut comprendre un bras amont 23 s’étendant vers l’amont depuis sa face amont. Le bras aval 13 du disque de rotor amont 11 peut être fixé au bras amont 23 du disque de rotor aval 21 par boulonnage.

Afin de ventiler les disques de rotor 11, 21, un flux d’air de refroidissement F pressurisé peut être prélevé en amont de la turbine, typiquement au niveau du compresseur de la turbomachine, en particulier de son compresseur haute pression, et être introduit dans les disques de rotor 11, 21, en particulier au niveau des alvéoles 24 à proximité avec la jonction avec les aubes de rotor aval 22.

Anneau d’étanchéité 3

Un anneau d’étanchéité 3 pour un rotor 1, 2 de turbomachine, partiellement illustré à titre d’exemple non limitatif en figures 3a et 3b, est configuré pour être fixé entre le disque de rotor amont 11 et le disque de rotor aval 21. L’anneau d’étanchéité 3 est donc solidaire en rotation autour de l’axe longitudinal X des disques de rotor amont 11 et aval 21. L’anneau d’étanchéité 3 s’étend circonférentiellement autour d’un axe longitudinal, qui peut correspondre à l’axe longitudinal X de la turbomachine. L’anneau d’étanchéité 3 assure l’étanchéité du passage du flux d’air de refroidissement F des disques de rotor 11, 21.

L’anneau d’étanchéité 3 comprend au moins une lunule 34 de circulation d’un flux de refroidissement F formée en creux dans une face de l’anneau d’étanchéité 3. La lunule 34 présente une entrée 341 et une sortie 342, l’entrée 341 étant radialement plus proche de l’axe longitudinal X que la sortie 342.

L’anneau d’étanchéité 3 comprend en outre une protubérance 35 de séparation du flux de refroidissement F. La protubérance 35 est disposée à la sortie 342 de la lunule 34, la sortie 342 de la lunule 34 débouchant sur la protubérance 35.

L’anneau d’étanchéité 3 décrit ci-dessus permet de diminuer le gradient thermique subi par l’anneau d’étanchéité 3 en homogénéisant la température le long de la paroi de l’anneau d’étanchéité 3. Ainsi, la distorsion thermique (gradient thermique), donc les contraintes, subies par l’anneau d’étanchéité 3, sont réduites. Ainsi, le risque d’apparition de fissures dans l’anneau d’étanchéité 3 du fait de la distorsion thermique, en particulier entre deux lunules 34, est réduit. La durée de vie de l’anneau d’étanchéité 3 est ainsi augmentée.

En effet, l’air de refroidissement F passant dans la lunule 34 est entraîné par le rotor 1, 2 et présente donc une vitesse élevée en sortie 342 de lunule 34. Du fait de l’effet centrifuge résultant, l’air de refroidissement F est plaqué contre la paroi de l’anneau d’étanchéité 3, et impacte donc la protubérance 35 qui est disposée à la sortie 342 de la lunule 34.

La pression statique du flux de refroidissement F est augmentée au niveau de la protubérance 35 de séparation du flux de refroidissement F. L’air de refroidissement F en sortie 342 de la lunule 34 a donc tendance à contourner la protubérance 35, se divisant ainsi de part et d’autre de la protubérance 35, où la pression statique est plus faible. La protubérance 35 permet ainsi de diviser le flux de refroidissement F sortant de la lunule 34 en plusieurs portions de flux de refroidissement F.

Du fait de la force centrifuge engendrée par l’entraînement de l’anneau d’étanchéité 3 par le rotor 1, 2, les portions de flux de l’air de refroidissement F restent plaqués contre la paroi de l’anneau d’étanchéité 3 et restent localisées contre la paroi de l’anneau d’étanchéité 3. Les zones de la paroi situées sur la trajectoire des portions de flux de refroidissement F sont donc davantage refroidies que les zones situées entre deux portions de flux de refroidissement F.

La multiplication des portions de flux de refroidissement F, séparées par la protubérance 35, entraîne une multiplication des zones de l’anneau d’étanchéité 3 qui sont refroidies par le flux de refroidissement F. Ainsi, la distorsion thermique (le gradient thermique), subie par l’anneau d’étanchéité 3 est réduite, la température des parois de l’anneau d’étanchéité 3 étant plus uniforme.

Par ailleurs, la multiplication des portions de flux de refroidissement F entraîne une division correspondante du débit sortant de la lunule 34. Par conséquent, le refroidissement de l’anneau d’étanchéité 3 par une portion donnée du flux de refroidissement F est diminué. L’amplitude de la variation de température engendrée sur l’anneau d’étanchéité 3 mobile par le flux de refroidissement F est ainsi diminuée, ce qui tend à augmenter l’homogénéité de la température des parois de l’anneau d’étanchéité 3 et à diminuer ainsi la distorsion thermique qu’il subit.

L’anneau d’étanchéité 3 peut comprendre une bride sensiblement axiale, appelée virole axiale 32. La virole axiale 32 est mise en place et le cas échéant fixée respectivement sur le disque de rotor amont 11 et sur le disque de rotor aval 21, en une position radialement externe par rapport respectivement au bras aval 13 du disque de rotor amont 11 et au bras amont 23 du disque de rotor aval 21.

L’anneau d’étanchéité 3 peut en outre comprendre une bride principalement radiale, appelée bride radiale 31. La bride radiale 31 peut être sensiblement orthogonale à la virole axiale 32, et présenter une face amont 311 et une face aval 312. La bride radiale 31 peut être monolithique avec la virole axiale 32 ou être rapportée et fixée sur la virole axiale 32. La bride radiale 31 peut être positionnée sensiblement radialement au droit du pied du distributeur 42, en particulier radialement au droit de l’élément abradable 41, la virole axiale 32 s’étendant de part et d’autre de la bride radiale 31.

La bride radiale 31 peut être fixée, par exemple par une liaison boulonnée 5, d’une part au bras aval 13 du disque de rotor amont 11 et d’autre part au bras amont 23 du disque de rotor aval 21. L’anneau d’étanchéité 3 peut comprendre plusieurs orifices de fixation 36 répartis sur la circonférence de l’anneau d’étanchéité 3. En particulier, les orifices de fixation 36 peuvent être répartis circonférentiellement et de manière régulière sur la bride radiale 31 de l’anneau d’étanchéité 3. Les orifices de fixation 36 permettent une fixation de l’anneau d’étanchéité 3 au bras aval 13 du disque de rotor amont 11 et au bras amont 23 du disque de rotor aval 21, par exemple par le biais d’une liaison boulonnée 5.

La virole axiale 32 de l’anneau d’étanchéité 3 définit ainsi avec le bras amont 23 du disque de rotor aval 21 et avec la bride radiale 31 une cavité de ventilation 63 du disque de rotor aval 21. La cavité de ventilation 63 est radialement interne par rapport à l’anneau d’étanchéité 3, et radialement externe par rapport au bras amont 23 du disque de rotor aval 21. La cavité de ventilation 63 est en communication fluidique avec d’une part une arrivée d’air de refroidissement F pressurisé et d’autre part le disque de rotor aval 21, en particulier via les alvéoles 24 du disque de rotor aval 21.

Du fait de la force centrifuge engendrée par l’entraînement de l’anneau d’étanchéité 3 par le rotor 1, 2, le flux de l’air de refroidissement F en sortie de lunule 342 reste plaqué contre la bride radiale 31 de part et d’autre de la protubérance 35, jusqu’à ce qu’il impacte l’anneau d’étanchéité 3 en une zone d’impact Zi située au niveau de la jonction entre la bride radiale 31 et la virole axiale 32. Plus précisément, Le flux d’air se divise en des portions de flux de refroidissement F qui s’étendent de part et d’autre de la protubérance 35 et entraînent une multiplication de zones d’impact Zi circonférentiellement décalées les unes par rapport aux autres.

L’anneau d’étanchéité 3 peut en outre comprendre des léchettes 33 radialement externes, disposées radialement en regard de l’élément abradable 41 du distributeur 42. Les léchettes 33 externes peuvent être rapportées sur la virole axiale 32 de l’anneau d’étanchéité 3, ou être monolithiques avec ladite virole axiale 32. Une extrémité radialement externe des léchettes 33 est située à proximité immédiate de l’élément abradable 41, de sorte à assurer l’étanchéité entre d’une part une chambre amont 61 située entre le disque de rotor amont 11 et l’élément abradable 41, et d’autre part une chambre aval 62 située entre l’élément abradable 41 et le disque de rotor aval 21. Les chambres amont 61 et aval 62 sont radialement externes par rapport à l’anneau d’étanchéité 3.

Lunule 34

La communication fluidique entre la cavité de ventilation 63 et l’arrivée d’air de refroidissement F pressurisé peut être effectuée au moyen d’au moins une lunule 34 de circulation d’un flux de refroidissement F. La lunule 34 est formée en creux sur une face de l’anneau d’étanchéité 3, et forme un canal de circulation d’un flux de refroidissement F.

Le flux de refroidissement F est adapté pour circuler depuis une entrée 341 de la lunule 34, en communication fluidique avec une arrivée de flux de refroidissement F, vers une sortie 342 de la lunule 34, en communication fluidique avec un disque de rotor aval 21, en particulier avec les alvéoles 24 du disque de rotor aval 21.

En particulier, la sortie 342 de la lunule 34 peut déboucher dans la cavité de ventilation 63, et la cavité de ventilation 63 peut déboucher dans les alvéoles 24 du disque de rotor aval 21. Ainsi, le flux de refroidissement F prélevé passe à travers la lunule 34 puis débouche dans la cavité de ventilation 63, puis dans les alvéoles du disque de rotor aval 21, de sorte à assurer le refroidissement du disque de rotor aval 21.

La lunule 34 peut résulter de l’assemblage d’une face de l’anneau d’étanchéité 3 et d’une face d’un bras 13, 23 d’un disque de rotor 11, 21. La lunule 34 peut être formée à proximité de la fixation 5 de l’anneau d’étanchéité 3 aux bras 13, 23 des disques de rotor 11, 21.La sortie 342 de lunule 34 peut être agencée en une position radialement externe par rapport à ladite fixation 5.

Une rainure peut être formée sur une face de l’anneau d’étanchéité 3, et peut être usinée dans la masse de l’anneau d’étanchéité 3. La rainure peut en particulier être formée dans une face aval 312 de la bride radiale 31 de l’anneau d’étanchéité 3. La rainure est agencée de sorte à venir en regard d’une face amont 311 du bras amont 23 du disque de rotor aval 21 lorsque ce dernier est plaqué contre la bride radiale 31. Ainsi, la face amont 311 du bras amont 23 forme avec la rainure de la face aval 312 de la bride radiale 31 un canal, appelée lunule 34, de circulation d’un flux de refroidissement F.

La lunule 34 peut être formée dans une face aval 312 de la bride radiale 31 de l’anneau d’étanchéité 3. La lunule 34 peut s’étendre globalement radialement entre une entrée 341 radialement interne et une sortie 342 radialement externe de la face aval 312.

La lunule 34 peut présenter toute forme adaptée pour autoriser un écoulement du flux de refroidissement F. La lunule 34 présente une longueur l correspondant à une distance entre l’entrée de la lunule 34 et la sortie 342 de la lunule 34. La lunule 34 peut s’étendre longitudinalement selon une direction de longueur l, et peut s’étendre de manière sensiblement rectiligne entre l’entrée de la lunule 341 et la sortie de la lunule 342.

La lunule 34 peut présenter un fond arrondi, une intersection entre le fond de la lunule 34 et un plan perpendiculaire à la direction de la longueur l de la lunule 34 étant une ligne courbe. La paroi délimitant le fond de la lunule 34 ne présente pas de discontinuité de courbure. Une telle forme de lunule 34 courbe permet de limiter les perturbations aérodynamiques de l’écoulement du flux d’air de refroidissement F dans la lunule 34.

Plus particulièrement, la lunule 34 peut présenter une forme sensiblement en portion de cylindre, la génératrice du cylindre reliant l’entrée 341 de la lunule 34 et la sortie 342 de la lunule 34. La longueur l de la lunule 34 correspond à une distance entre l’entrée 341 et la sortie 342 de la lunule 34 le long de la génératrice. La génératrice du cylindre peut correspondre à un axe radial. En particulier, la lunule 34 peut être formée par un évidement en forme de demi-cylindre de révolution, ainsi qu’illustré à titre d’exemple non limitatif sur les figures 3a à 3d, ou de demi-cylindre elliptique. Une telle disposition et forme de lunule 34 permet d’amener l’air de refroidissement F vers la cavité de ventilation 63 avec une efficacité élevée.

Une largeur est prise transversalement à la direction de longueur l de la lunule 34.

La lunule 34 présente une largeur correspondant à une dimension de la lunule 34 dans la direction transversale. La largeur maximale L de la lunule 34 correspond à la plus grande largeur de lunule 34. En particulier, la largeur maximale L de la lunule 34 peut correspondre à un diamètre du demi-cylindre de révolution, ou à un diamètre maximal du demi-cylindre elliptique de lunule 34.

La lunule 34 peut être positionnée entre deux orifices de fixation 36 circonférentiellement adjacents de l’anneau d’étanchéité 3.

Plusieurs lunules 34 peuvent être formées dans l’anneau d’étanchéité 3. En particulier, des lunules 34 peuvent être positionnées entre chaque paire d’orifices de fixation 36 circonférentiellement adjacents de l’anneau d’étanchéité 3. Les lunules 34 peuvent être réparties circonférentiellement sur l’anneau d’étanchéité 3 avec un espacement angulaire régulier, la distance entre deux lunules 34 étant fixe.

La température de l’anneau d’étanchéité 3 au niveau des zones d’impact du flux de refroidissement F présente alors un profil sensiblement sinusoïdal, l’anneau d’étanchéité 3 présentant une température minimale au niveau des zones d’impact Zi des portions de flux de refroidissement F divisées par les protubérances 35, et une température maximale entre deux zones d’impact Zi. La fréquence de la sinusoïde est fonction de la distance entre deux zones d’impact Zi, et l’amplitude de la sinusoïde correspond à la différence entre la température maximale et la température minimale, c’est-à-dire à la valeur crête-à-crête de la sinusoïde.

Protubérance 35 de séparation du flux

La protubérance 35 peut être adaptée pour séparer le flux de refroidissement F en plusieurs portions, par exemple en deux portions de flux de refroidissement F. La séparation du flux en différentes portions de flux permet d’augmenter la fréquence de la variation de température, en particulier de la multiplier par le nombre de portions générés par la protubérance 35, et d’en réduire l’amplitude.

La protubérance 35 de séparation du flux de refroidissement F peut être à champ, c’est-à-dire s’étendre à partir, de la sortie 342 de la lunule 34. La protubérance 35 est alors placée immédiatement en sortie 342 de chaque lunule 34, collée à celle-ci, en une position radialement externe par rapport à la lunule 34 dans le cas d’une lunule 34 radiale.

Ainsi, le flux de refroidissement F circulant dans la lunule 34 entre directement en contact avec la protubérance 35, dès la sortie 342 de la lunule 34. Une telle disposition de la protubérance 35 améliore l’efficacité de la séparation du flux de refroidissement F en plusieurs portions de flux de refroidissement F.

Une protubérance 35 peut être située en sortie 342 de chaque lunule 34, l’anneau d’étanchéité 3 comprenant le même nombre de protubérances 35 que de lunules 34. Ainsi, le gradient thermique est diminué de manière homogène sur toute la circonférence de l’anneau d’étanchéité 3.

La protubérance 35 peut présenter un profil sensiblement symétrique par rapport à l’axe de la lunule 34. Ainsi, la protubérance 35 est propre à séparer le flux de refroidissement F en deux portions sensiblement identiques, la séparation étant réalisée de manière sensiblement équitable en termes de débit de part et d’autre de la protubérance 35.

La figure 4 illustre à titre d’exemple non limitatif l’évolution azimutale de la température sur l’anneau d’étanchéité 3 mobile en fonction de la position angulaire, pour un anneau d’étanchéité 3 sans protubérance 35 (courbe 1) et pour un anneau d’étanchéité 3 avec protubérance 35 (courbe 2). Dans l’exemple illustré en figure 5, l’anneau d’étanchéité 3 comprend plusieurs lunules 34 radiales, et une protubérance 35 disposée en sortie 342 de chaque lunule 34 divise le flux de refroidissement F en deux portions sensiblement égales.

La fréquence de la sinusoïde correspondant à la variation de température subie par l’anneau d’étanchéité 3 avec protubérance 35 (courbe 2) est multipliée par deux par rapport à celle de l’anneau d’étanchéité 3 sans protubérance 35 (courbe 1).

L’amplitude de la sinusoïde est divisée par plus de deux, du fait de la division par deux du débit de chaque portion de flux, ce qui réduit sensiblement le coefficient de convection local au niveau de la zone d’impact Zi du flux de refroidissement F sur l’anneau d’étanchéité 3. La distorsion thermique subie par l’anneau d’étanchéité 3 est donc significativement réduite du fait de la présence de la protubérance 35.

Une périphérie P de la protubérance 35 correspond sensiblement à un contour de la protubérance 35 dans le plan de la bride radiale 31, c’est-à-dire à une courbe fermée délimitant sensiblement la protubérance 35 dans le plan formé par la bride radiale 31 de l’anneau d’étanchéité 3 au niveau de la protubérance 35.

Le flux d’air de refroidissement F sortant de la lunule 34 contourne donc la protubérance 35, chaque portion de flux de refroidissement F divisé par la protubérance 35 longeant la périphérie P de la protubérance 35 de part et d’autre de la protubérance 35.

Une largeur de la périphérie P de la protubérance 35 correspond à une distance entre deux droites parallèles (ou « lignes d’appui) qui sont tangentes à la courbe fermée formée par la périphérie P de la protubérance 35 en deux points distincts. Une largeur maximale de la périphérie P de la protubérance 35, appelée largeur maximale de protubérance Lp, correspond alors à la plus grande largeur de la périphérie P.

Une hauteur de protubérance 35 correspond à une dimension de la protubérance 35 dans une direction sensiblement perpendiculaire au plan formé par la bride radiale 31 au niveau de la protubérance 35. Une hauteur maximale hmax de protubérance 35 correspond à la plus grande hauteur de protubérance 35.

La périphérie P de la protubérance peut être sensiblement circulaire, ainsi qu’illustré à titre d’exemple non limitatif en figures 3a et 3b, la largeur maximale de la périphérie Lp de la protubérance 35 étant alors égale au diamètre du cercle. En variante, la périphérie P de la protubérance 35 peut être sensiblement elliptique ou oblongue, la largeur maximale de la périphérie Lp correspondant à un plus grand diamètre de périphérie P. En variante, la périphérie P de la protubérance 35 peut être carrée ou rectangulaire, la largeur maximale de la protubérance Lp correspondant à leur diagonale.

En variante, la périphérie P de la protubérance peut être ovoïde tel qu’illustré à titre d’exemple non limitatif en figures 3c et 3d. L’ovoïde est défini par deux largeurs maximales, une première largeur maximale Lp1 correspondant à la plus grande des deux largeurs maximales, et une deuxième largeur maximale Lp2 correspondant à la plus petite des deux largeurs maximales. Une direction de la première largeur maximale Lp1 peut être alignée avec la lunule 34 dans le prolongement de celle-ci, en particulier orientée selon la direction radiale. Une direction de la deuxième largeur maximale Lp2 peut être sensiblement perpendiculaire à la direction de la première largeur maximale Lp1, en particulier orientée selon la direction transversale.

Dans un premier mode de réalisation, la protubérance 35 de séparation du flux de refroidissement F présente une surface sensiblement en forme de calotte sphérique, c’est-à-dire une forme de portion de sphère limitée par un plan. La calotte sphérique de protubérance 35 peut être limitée par un plan tangent à la bride radiale 31 de l’anneau d’étanchéité 3 au niveau de la protubérance 35. La périphérie P de la protubérance 35 est alors sensiblement circulaire. Pour une sphère présentant un rayon r, la largeur maximale de la périphérie de la protubérance Lp, qui correspond au diamètre du cercle formé par la périphérie P, est inférieure ou égale à deux fois le rayon de sphère r.

La hauteur maximale hmax de la protubérance 35 peut être égale au rayon r de la sphère, auquel cas la protubérance 35 est en forme d’hémisphère et la largeur maximale de la protubérance Lp est égale à deux fois le rayon de sphère r. En variante, la hauteur maximale hmax de la protubérance 35 peut être inférieure au rayon r de la sphère, auquel cas la largeur maximale de la protubérance Lp est inférieure à deux fois le rayon r de la sphère.

Dans un deuxième mode de réalisation, la protubérance 35 de séparation du flux de refroidissement F présente une surface en forme de portion d’ovoïde, c’est-à-dire d’ovoïde limitée par un plan. La portion d’ovoïde de protubérance 35 peut être limité par un plan tangent à la bride radiale 31 de l’anneau d’étanchéité 3 au niveau de la protubérance 35. La périphérie P de la protubérance 35 présente alors une forme sensiblement ovoïde.

Dans un troisième mode de réalisation, la protubérance 35 présente une surface sensiblement cylindrique ou tronconique.

Dans un mode de réalisation compatible des premier, deuxième et troisième modes de réalisation, une extrémité de la protubérance 35 opposée à la bride radiale 31, c’est-à-dire opposée à une extrémité de la protubérance 35 définissant la périphérie P de la protubérance 35, peut être sensiblement plate. L’extrémité opposée à la bride radiale 31 est alors délimitée par un plan, qui peut être sensiblement parallèle au plan tangent à la bride radiale 31 au niveau de la protubérance 35. Dans le cas d’une protubérance 35 en forme de calotte sphérique ou de portion d’ovoïde, l’extrémité opposée à la bride radiale 31 est alors respectivement en forme circulaire ou elliptique.

La protubérance 35 de séparation du flux de refroidissement F peut comprendre une largeur maximale Lp, Lp1, Lp2, c’est-à-dire une largeur maximale de la périphérie P de la protubérance 35, supérieure à la largeur maximale L de la lunule 34. Ainsi, la protubérance 35 présente une périphérie P de dimensions suffisamment importantes pour assurer une séparation efficace du flux de refroidissement F de part et d’autre de la périphérie P. En effet, la périphérie P de la protubérance 35 présente alors une largeur maximale Lp suffisante pour que les portions de flux de refroidissement F après séparation soient suffisamment éloignées l’une de l’autre pour engendrer deux zones d’impact Zi distinctes sur l’anneau d’étanchéité 3 au niveau de la jonction entre la bride radiale 31 et la virole axiale 32.

La largeur maximale de la protubérance Lp peut être comprise entre 1 et 10 fois, par exemple entre 2 et 10 fois, la largeur maximale L de la lunule 34. Lorsque la périphérie P de la protubérance 35 est ovoïde, la première largeur maximale Lp1 et/ou la deuxième largeur maximale Lp2 peut(vent) être comprise(s) entre 1 et 10 fois la largeur maximale L de la lunule 34. La largeur maximale L de la lunule 34 est usuellement supérieure à 3mm.

La protubérance 35 de séparation du flux de refroidissement F peut comprendre une hauteur maximale hmax supérieure à la largeur maximale L de la lunule 34. Ainsi, la protubérance 35 présente une hauteur suffisante pour assurer une séparation efficace du flux de refroidissement F de part et d’autre de la protubérance 35. En effet, une hauteur élevée de protubérance 35 oblige le flux de refroidissement F à contourner la protubérance 35 au niveau de sa périphérie P, et empêche le flux de refroidissement F de contourner la protubérance 35 au niveau de son extrémité opposée à la bride radiale 31. Ainsi, une part importante, voire l’intégralité, du flux de refroidissement F, contourne la protubérance 35 au niveau de sa périphérie P et est donc divisé en plusieurs portions de flux F distinctes.

La hauteur maximale hmax de la protubérance 35 peut être comprise entre 1 et 10 fois, par exemple entre 2 et 10 fois, la largeur maximale L de la lunule 34.

La protubérance 35 peut être formée dans le même matériau que l’anneau d’étanchéité 3 mobile. Ainsi, la tenue mécanique de l’ensemble est améliorée.

Dans un premier exemple de réalisation, la protubérance 35 de séparation du flux de refroidissement F est monolithique avec l’anneau d’étanchéité 3. La protubérance 35 peut être obtenue par déformation locale de l’anneau d’étanchéité 3. Un tel mode d’obtention de la protubérance 35 est simple et peu coûteux.

Dans un deuxième exemple de réalisation, la protubérance 35 est rapportée et fixée sur l’anneau d’étanchéité 3. Ainsi, la surface de la protubérance 35 peut être davantage travaillée et soignée, de sorte à conduire à une séparation du flux de refroidissement F la plus efficace et engendrant le moins de perturbations aérodynamiques possibles.

La protubérance 35 peut être rapportée et fixée sur l’anneau d’étanchéité 3 par brasage. Une pastille, par exemple une pustule sphérique, constituant la protubérance 35, est alors brasée sur la bride radiale 31 de l’anneau d’étanchéité 3. En variante, la protubérance 35 peut être rapportée et fixée sur l’anneau d’étanchéité 3 par soudure, par un procédé de dépôt 3D de la matière, ou par tout autre moyen approprié.

La solution décrite ci-dessus n’est pas limitée à un rotor de turbine basse pression, et peut notamment être utilisée pour tout type de rotor de turbomachine disposant d’un circuit d’alimentation en air.

Claims

Anneau d’étanchéité (3) pour un rotor (1, 2) de turbine de turbomachine, ledit rotor (1, 2) comprenant un disque de rotor amont (11) et un disque de rotor aval (21), l’anneau d’étanchéité (3) étant configuré pour être fixé entre le disque de rotor amont (11) et le disque de rotor aval (21), ledit anneau d’étanchéité (3) s’étendant circonférentiellement autour d’un axe (X),
l’anneau d’étanchéité (3) comprenant au moins une lunule (34) de circulation d’un flux de refroidissement (F) formée en creux dans une face (312) de l’anneau d’étanchéité (3), ladite lunule (34) présentant une entrée (341) et une sortie (342), l’entrée (341) étant radialement plus proche de l’axe (X) que la sortie (342),
l’anneau d’étanchéité (3) étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre une protubérance (35) de séparation du flux de refroidissement (F) disposée à la sortie (342) de la lunule (34), la sortie (342) de la lunule (34) débouchant sur la protubérance (35).
Anneau d’étanchéité (3) selon la revendication 1, dans lequel la protubérance (35) de séparation du flux de refroidissement (F) est à champ de la sortie (342) de la lunule (34).
Anneau d’étanchéité (3) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel la protubérance (35) de séparation du flux de refroidissement (F) a la forme d’une calotte sphérique ou d’une portion d’ovoïde.
Anneau d’étanchéité (3) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la lunule (34) s’étend longitudinalement selon une direction de longueur et la protubérance (35) de séparation du flux de refroidissement (F) présente une largeur maximale (Lp) supérieure à une largeur maximale (L) de la lunule (34), chaque largeur étant prise transversalement à la direction de longueur.
Anneau d’étanchéité (3) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la protubérance (35) de séparation du flux de refroidissement (F) présente une hauteur maximale (hmax) supérieure à une largeur maximale (L) de la lunule (34).
Anneau d’étanchéité (3) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la protubérance (35) de séparation du flux de refroidissement (F) est monolithique avec l’anneau d’étanchéité (3) et est obtenue par déformation locale de l’anneau d’étanchéité (3).
Anneau d’étanchéité (3) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la protubérance (35) de séparation du flux de refroidissement (F) est rapportée et fixée sur l’anneau d’étanchéité (3) par brasage.
Anneau d’étanchéité (3) selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant une bride radiale (31) présentant une face amont (311) et une face aval (312), dans lequel la lunule (34) est formée sur la face aval (312) de la bride radiale (31), et dans lequel la lunule (34) s’étend globalement radialement entre une entrée (341) radialement interne et une sortie (342) radialement externe de la face aval (312).
Anneau d’étanchéité (3) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la lunule (34) présente un fond arrondi.
Anneau d’étanchéité (3) selon l’une des revendications 1 à 9, comprenant plusieurs orifices de fixation (36) répartis sur la circonférence de l’anneau d’étanchéité (3), et dans lequel la lunule (34) est positionnée entre deux orifices de fixation (36) circonférentiellement adjacents de l’anneau d’étanchéité (3).
Turbomachine comprenant une turbine basse pression comprenant un anneau d’étanchéité (3) selon l’une des revendications 1 à 10.