FR3113298A1 - Porte-abradable d’un distributeur basse pression comprenant une unique tôle - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un porte-abradable (10) d’un distributeur (17) d’une turbine (7) basse pression comprenant une tôle métallique (14, 15) présentant :- une portion axiale (14) sur laquelle est fixé un élément abradable (13) ; et - une portion radiale (15) s’étendant depuis la portion axiale (14) et configurée pour être fixée sur une virole (16) du distributeur (17),la portion radiale (15) et la portion axiale (14) étant monolithiques. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Porte-abradable d’un distributeur basse pression comprenant une unique tôle
DOMAINE DE L'INVENTION
L’invention concerne le domaine des turbomachines et plus particulièrement le domaine général des éléments d’étanchéité, notamment les joints à labyrinthe, destinés à assurer l'étanchéité entre un rotor et un stator dans une turbomachine, en particulier dans une turbine basse pression d’une turbomachine.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Une turbomachine 1 comprend généralement, d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz à travers la turbomachine, une soufflante 2, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression 3 et un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression 6 et une turbine basse pression 7, et une tuyère d’échappement des gaz 8.
De manière connue en soi, les turbines 6, 7 sont réalisées sous la forme d'une succession d'étages comprenant chacun une roue d'aubes mobiles (rotor) tournant devant une roue d'aubes fixes (stator, ou distributeur). Les disques de rotor de la turbine 6, 7 sont centrés sur un axe longitudinal X de la turbomachine 1 et sont généralement assemblés entre eux au moyen de viroles au disque amont et au disque aval. Chaque distributeur comprend une pluralité d'aubes fixes réparties circonférentiellement de l’axe
On connaît du document FR 2 953 250 une turbine 6, 7 comprenant des éléments d’étanchéité configurés pour assurer une étanchéité entre les parties mobiles et les parties fixes en regard de la turbine afin de limiter au maximum les fuites d'air au niveau du flux primaire s'écoulant dans les parties mobiles et améliorer ainsi le rendement de la turbomachine. De tels éléments d’étanchéité comprennent par exemple un anneau mobile porteur de léchettes 9 radiales et un support 10’ portant un élément annulaire 13 en matériau abradable fixe s’étendant en regard. L’anneau mobile 9 est généralement fixé à la jonction entre les disques de rotor successifs en regard de la jambe 12 du distributeur correspondant. Le support 10’ ou « porte-abradable » est fixé sur la jambe 12 du distributeur et comprend l’élément annulaire 13 en matériau abradable appelé généralement « élément abradable ». De manière non limitative, l’élément abradable 13 peut par exemple comprendre une structure en nid d’abeille pour augmenter son abradabilité.
Un exemple de porte-abradable 10’ a été illustré en . Le porte-abradable 10’ comprend une portion axiale 14’ et une portion radiale 15’. La portion axiale 14’ présente une face interne configurée pour être fixée sur l’élément abradable et une face externe configurée pour s’étendre en face de la jambe 12 du distributeur. La portion radiale 15’ s’étend radialement depuis la face externe de la portion axiale 14’ et est configurée pour être fixée sur une virole s’étendant radialement vers l’intérieur depuis la jambe 12 du distributeur.
La portion axiale 14’ et la portion radiale 15’ du porte-abradable sont réalisées en brasant ensemble deux tôles métalliques. Pour cela, une première tôle 16’ métallique, en secteur d’anneau, forme la face interne de la portion axiale 14’ et reçoit l’élément abradable, et une deuxième tôle 17’ métallique, coudée, est brasée d’une part sur la première tôle 16’, à l’opposé de l’élément abradable, et d’autre part sur la virole. Le brasage des deux tôles entre elles assure une bonne tenue mécanique du porte-abradable lors du fonctionnement de la turbomachine. Néanmoins, ce brasage nécessite la mise en œuvre de contrôles supplémentaires en production afin de garantir que les deux tôles métalliques 16’, 17’ sont correctement alignées lors de leur assemblage et de vérifier la conformité des multiples joints de brasage 18’. De plus, la Demanderesse s’est aperçue du fait que le brasage du porte-abradable 10’ pouvait former des coulures notamment sur le distributeur, qui sont sources de non-conformités et de rebus.
Un but de l’invention est de remédier aux inconvénients de l’art antérieur précités.
En particulier, un objectif de l’invention est de proposer une solution permettant de fixer l’élément abradable sur un distributeur d’une section de turbine d’une turbomachine, typiquement d'une section de turbine basse pression, qui limite les étapes de contrôle et réduise les risques de non-conformité et de rebut de tout ou partie du distributeur.
Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention un porte Porte-abradable d’un distributeur d’une turbine, notamment d’une turbine basse pression comprenant un élément abradable et une tôle métallique présentant :
- une portion axiale présentant une face interne sur laquelle est fixé l’élément abradable et une face externe opposée à la face interne et configurée pour s’étendre face à une virole d’un distributeur ; et
- une portion radiale, s’étendant depuis la face externe de la portion axiale et configurée pour être fixée sur une face radiale d’une virole d’un distributeur,
la portion radiale et la portion axiale étant monolithiques.
Certaines caractéristiques préférées du porte-abradable selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :
la tôle métallique comprend un pli s’étendant radialement depuis la face externe de la portion axiale, ledit pli formant la partie radiale ;
le pli est formé de deux portions de tôle plaquées l’une contre l’autre ; et/ou
la portion axiale comprend un bord amont et un bord aval et le pli s’étend à distance du bord amont et du bord aval.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose un distributeur d’une turbine, notamment d’une turbine basse pression, comprenant :
- une virole s’étendant radialement depuis une jambe du distributeur et comprenant une face radiale ; et
- un porte-abradable selon le premier aspect, la portion radiale du porte-abradable étant fixée sur la face radiale de la virole.
Optionnellement, la portion axiale de la tôle métallique est fixée sur une face axiale de la virole.
Selon un troisième aspect, l’invention propose une turbine, notamment basse pression, comprenant un distributeur selon le deuxième aspect
Selon un quatrième aspect, l’invention propose un procédé de fabrication d’un porte-abradable selon le premier aspect, dans lequel la portion axiale et la portion radiale de la tôle métallique sont formées intégralement et en une seule pièce sans assemblage.
Optionnellement, le procédé comprend les étapes suivantes :
S1 : fournir une plaque métallique ; et
S2 : déformer la plaque métallique de sorte à réaliser un pli pour obtenir la portion radiale.
Le cas échéant, le procédé comprend en outre une étape au de laquelle le pli est écrasé de sorte à comprendre deux portions de tôle plaquées l’une contre l’autre.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La illustre de façon schématique un exemple de porte-abradable d’un distributeur d’une turbine conforme à l’invention.
La illustre de façon schématique un exemple de porte-abradable d’un distributeur d’une turbine conforme à l’art antérieur.
La est un organigramme d’étapes d’un procédé de fabrication d’un porte-abradable selon un mode de réalisation de l’invention.
La est un exemple de turbomachine pouvant comprendre une turbine basse pression comportant un distributeur conforme à un exemple de réalisation de l’invention.
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal des gaz dans la turbomachine, et donc le long du distributeur 17 de la turbine basse pression. Par ailleurs, on appelle axe X du distributeur 17, l'axe X autour duquel est disposé le distributeur 17, qui correspond à l’axe X de révolution du rotor de la turbine basse pression 7. Une direction axiale correspond à la direction de l'axe X, une direction radiale est une direction perpendiculaire à cet axe X et passant par lui. Par ailleurs, une direction circonférentielle (ou latérale) correspond à une direction perpendiculaire à l'axe X et ne passant pas par lui. Sauf précision contraire, interne (ou intérieur) et externe (ou extérieur), 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 X que la partie ou la face externe du même élément.
De manière connue en soi, un distributeur 17, notamment d’une turbine basse pression 7, comprend une couronne pourvue d’une pluralité d'aubes fixes réparties circonférentiellement autour de la couronne. La couronne comprend en particulier une jambe 12, s’étend radialement à l’intérieur par rapport aux aubes.
La turbine basse pression 7 comprend en outre des éléments d’étanchéité comprenant, de manière connue en soi, des léchettes 9 radiales pouvant par exemple être portées par un anneau fixé entre deux disques adjacents du rotor, et un élément abradable 13 porté par un porte-abradable 10 fixé sur la jambe 12.
Plus précisément, la jambe 12 (qui porte les aubes du distributeur 17) comprend une virole 16 s’étendant sensiblement radialement depuis la jambe 12 en direction des léchettes 9 (soit à l’opposé des aubes) et présente une face amont 16a et une face aval 16b, sensiblement radiales.
Le porte-abradable 10 est rapporté et fixé sur la virole de la jambe 12, par exemple par brasage. Il comprend une tôle métallique comprenant une portion axiale 14 et une portion radiale 15. La portion axiale 14 présente une face interne 14a configurée pour recevoir un élément abradable 13, tel qu’une structure en nid d’abeille, et une face externe 14b opposée à la face interne 14a qui est configurée pour s’étendre face à la virole 16. L’élément abradable 13 est fixé directement sur la face interne 14a de la portion axiale 14. La portion axiale 14 présente en outre un bord amont 14c et un bord aval 14d.
La portion radiale 15 s’étend depuis la face externe 14b de la portion axiale 14 et est configurée pour être fixée sur l’une des faces 16a,16b de la virole 16, typiquement la face aval 16b.
Afin de limiter les étapes de contrôle en production et de réduire les risques de non-conformité et de rebut de tout ou partie du distributeur 17, la portion radiale 15 et la portion axiale 14 sont monolithiques, c’est-à-dire formées intégralement et en une seule pièce (sans assemblage). Le porte-abradable 10 comprend donc une unique tôle métallique, qui forme à la fois la portion radiale 15 et la portion axiale 14. De la sorte, le nombre d’opérations de brasage est réduit en comparaison avec l’art antérieur, puisqu’il n’est plus nécessaire de braser une première tôle 15’ portant l’élément abradable 13 sur une deuxième tôle 16’ configurée pour être fixée sur le distributeur 17. Aucune opération d’alignement n’est en outre nécessaire, la portion radiale 15 étant monolithique avec la portion axiale 14. Enfin, le porte-abradable 10 obtenu est plus léger que dans l’art antérieur.
On notera que la tôle métallique est courbe et présente une forme sensiblement annulaire suivant la direction circonférentielle, de sorte à suivre la forme annulaire de la jambe 12 du distributeur 17. A cet effet, la tôle métallique formant le porte-abradable 10 peut présenter, dans un plan normal à l’axe X, une section circonférentielle courbe en secteur d’anneau.
Dans une première forme de réalisation, le porte-abradable 10 est réalisé à partir d’une seule plaque métallique, qui est déformée de sorte à obtenir la portion radiale 15 et la portion axiale 14. Dans cette forme de réalisation, la portion radiale 15 est alors formée par un pli réalisé dans la plaque métallique. Ce pli 15 s’étend donc radialement depuis la face externe 14b de la portion axiale 14.
En comparaison avec une tôle métallique qui serait simplement coudée (comme la deuxième tôle métallique 17’ de la ), la réalisation de la portion radiale 15 sous la forme d’un pli permet d’obtenir un porte-abradable 10 dont la portion axiale 14 comprend un bord aval 14d qui s’étend en aval de la portion radiale 15. En d’autres termes, la portion axiale 14 du porte-abradable 10 peut s’étendre au-delà de la portion radiale 15, permettant ainsi de fixer un élément abradable 13 de longueur conventionnelle sur le porte-abradable 10, contrairement à un porte-abradable 10 ne comprenant qu’une tôle coudée qui impliquerait de raccourcir la longueur de l’élément abradable 13, augmentant ainsi les fuites d’air s'écoulant dans la turbine 7 et réduisant le rendement de la turbomachine.
Ainsi, sur la , le pli s’étend à distance du bord amont 14c et à distance du bord aval 14d de la portion axiale 14 du porte-abradable 10.
Le pli 15 peut comprendre deux portions 15c de tôle reliées par un sommet définissant les faces amont 15a et aval 15b du pli 15. Ces deux portions 15c de tôle sont plaquées l’une contre l’autre de sorte que la face amont 15a et la face aval 15b du pli 15 sont sensiblement parallèles l’une à l’autre, permettant ainsi une fixation aisée de la portion radiale 15 sur la virole 16. De plus, les portions 15c sont de même longueur (suivant une direction radiale) de sorte qu’en plaquant les portions 15c du pli 15 l’une contre l’autre, une section axiale de la portion axiale 14 de la tôle métallique est droite et s’étend sensiblement parallèlement à l’axe du distributeur 17.
Le porte-abradable 10 peut être fixé sur le distributeur 17 par tous moyens.
Par exemple, la face amont 15a de la portion radiale 15 peut être brasée sur la face aval 16b de la virole 16. En outre, la face externe 14b de la portion axiale 14 peut être brasée sur une face axiale 16c de la virole 16, c’est-à-dire sur la face 16c de la virole 16 qui relie la face amont 16a et la face aval 16b de la virole 16.
En outre, la face interne 14a de la portion axiale 14 peut être brasée de manière conventionnelle sur un élément abradable 13, tel qu’une structure en nid d’abeille.
Seuls trois joints de brasage 18 sont donc nécessaires.
Le porte-abradable 10 peut être réalisé dans tout métal conventionnellement utilisé pour les porte-abradables 10, tel qu’un alliage à base de nickel.
Le porte-abradable 10 peut être obtenu par déformation d’une plaque métallique, de sorte à réaliser un pli pour obtenir la portion radiale 15. Cette déformation (étape S2) peut notamment être réalisée par emboutissage à l’aide d’un poinçon et d’une matrice. Le cas échéant, l’emboutissage est réalisé à froid à l’aide d’un serre-flan pour maintenir la plaque métallique pendant sa déformation, ce qui permet d’obtenir une pièce ayant des dimensions maîtrisées et un état de surface de meilleure qualité.
Une fois l’emboutissage réalisé, la tôle métallique comprend une portion de forme ondulée. Cette portion ondulée peut alors être écrasée, par exemple dans une presse, afin de former le pli définissant la portion radiale 15 (étape S3). De préférence, suite à cet écrasement, les deux portions 15c de tôle sont plaquées l’une contre l’autre de sorte à s’étendre sensiblement parallèlement l’une à l’autre et à s’étendre radialement depuis la face externe 14b de la portion axiale 14.
De manière connue en soi, la plaque métallique ainsi déformée est alors cintrée de sorte à respecter la forme annulaire du distributeur 17 et à obtenir la tôle métallique en secteur d’anneau.
Dans une deuxième forme de réalisation, le porte-abradable 10 est réalisé par fabrication additive de la tôle métallique comprenant la portion axiale 14 et la portion radiale 15. Dans cette forme de réalisation, la portion axiale 14 et la portion radiale 15 sont donc formées directement par fabrication additive, en étant monolithiques, sans déformation d’une plaque métallique.

Claims (10)

  1. Porte-abradable (10) d’un distributeur (17) d’une turbine (7), notamment d’une turbine (7) basse pression comprenant un élément abradable (13) et une tôle métallique (14, 15) présentant :
    - une portion axiale (14) présentant une face interne (14a) sur laquelle est fixé l’élément abradable (13) et une face externe (14b) opposée à la face interne (14a) et configurée pour s’étendre face à une virole (16) d’un distributeur (17) ; et
    - une portion radiale (15), s’étendant depuis la face externe (14b) de la portion axiale (14) et configurée pour être fixée sur une face radiale (16a, 16b) d’une virole (16) d’un distributeur (17),
    le porte-abradable (10) étant caractérisé en ce que la portion radiale (15) et la portion axiale (14) sont monolithiques.
  2. Porte-abradable (10) selon la revendication 1, dans lequel la tôle métallique (14, 15) comprend un pli (15) s’étendant radialement depuis la face externe (14b) de la portion axiale (14), ledit pli (15) formant la partie radiale.
  3. Porte-abradable (10) selon la revendication 2, dans lequel le pli (15) est formé de deux portions de tôle (15c) plaquées l’une contre l’autre.
  4. Porte-abradable (10) selon l’une des revendications 2 ou 3, dans lequel la portion axiale (14) comprend un bord amont (14c) et un bord aval (14d) et le pli (15) s’étend à distance du bord amont (14c) et du bord aval (14d).
  5. Distributeur (17) d’une turbine (7), notamment d’une turbine (7) basse pression, comprenant :
    - une virole (16) s’étendant radialement depuis une jambe (12) du distributeur (17) et comprenant une face radiale (16a, 16b) ; et
    - un porte-abradable (10) selon l’une des revendications 1 à 4, la portion radiale (15) du porte-abradable (10) étant fixée sur la face radiale (16a, 16b) de la virole (16).
  6. Distributeur (17) selon la revendication 5, dans lequel la portion axiale (14) de la tôle métallique (14, 15) est fixée sur une face axiale (16c) de la virole (16).
  7. Turbine (7), notamment basse pression, comprenant un distributeur (17) selon l’une des revendications 5 ou 6.
  8. Procédé de fabrication (S) d’un porte-abradable (10) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la portion axiale (14) et la portion radiale (15) de la tôle métallique (14, 15) sont formées intégralement et en une seule pièce sans assemblage.
  9. Procédé de fabrication (S) selon la revendication 8, comprenant les étapes suivantes :
    S1 : fournir une plaque métallique ; et
    S2 : déformer la plaque métallique de sorte à réaliser un pli (15) pour obtenir la portion radiale (15).
  10. Procédé de fabrication (S) selon la revendication 9, comprenant en outre une étape au cours de laquelle le pli (15) est écrasé de sorte à comprendre deux portions de tôle (15c) plaquées l’une contre l’autre.
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