FR3118105A1 - Ensemble rotatif comportant un disque aubagé entouré par un anneau - Google Patents

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Abstract

L’invention a pour objet un ensemble rotatif portant des aubes, destiné à être entouré par une portion de carter de turbomachine portant des éléments d’étanchéité abradables, cet ensemble comportant un disque (19) portant des aubes (18), chaque aube (18) s’étendant radialement par rapport à l’axe de rotation (AX) du disque (19) depuis un pied par lequel elle est solidarisée au disque (19) jusqu’à un sommet (22). Cet ensemble comporte un anneau (23) coaxial au disque (19), cet anneau (23) comportant pour chaque aube (18) une ouverture (29) dans laquelle est engagé un sommet d’aube (22) de manière radialement coulissante, l’anneau (23) étant destiné à longer les éléments d’étanchéité abradables portés par le carter. Figure pour l’abrégé : Figure 4

Description

Ensemble rotatif comportant un disque aubagé entouré par un anneau
L’invention concerne l’étanchéité entre des aubes rotatives et des éléments entourant ces aubes rotatives, dans une turbine de turboréacteur.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Un turboréacteur à double flux comporte une manche d'entrée par laquelle l'air est aspiré dans un compresseur basse pression par une soufflante avant d’être divisé en un flux primaire central et un flux secondaire entourant le flux primaire.
Le flux primaire circule dans un espace appelé veine primaire délimité par un rotor et par une structure de révolution interne de la turbomachine qui entoure ce rotor, et il traverse des éléments rotatifs comportant des roues aubagées portées par le rotor et des éléments fixes de type redresseurs et distributeurs portés par la structure interne.
La structure interne est délimitée par des carters comprenant notamment un carter de compresseur haute pression, un carter de veine primaire, un carter de turbine haute pression, et un carter d’échappement.
Le flux secondaire circule dans un espace appelé veine secondaire qui s’étend radialement entre la structure interne et une structure externe appelée carène ou nacelle de la turbomachine, qui entoure la structure interne.
Après avoir été mis en mouvement par la soufflante et avoir traversé des pales fixes de redressement, ce flux secondaire est propulsé vers l’aval de la turbomachine pour générer une poussée. Le flux primaire traverse quant à lui un compresseur haute pression, une chambre de combustion puis des turbines haute et basse pression, pour avant d’être propulsé hors de la turbomachine.
La turbine haute pression est liée en rotation avec le compresseur haute pression, et la turbine basse pression est liée en rotation avec le compresseur basse pression.
Une telle turbine basse pression, repérée par 1 sur la vue partielle de la , est ainsi entourée par une portion de carter 2 et comporte des étages, incluant un distributeur 3 formé d’une série de pales fixes 4 rigidement solidaires de la portion de carter 2 en entourant un rotor. Ce rotor comporte une bride 6 qui porte un disque 7 portant des aubes 8 immédiatement en aval du distributeur 3. Un autre disque 9 portant des aubes 11 est situé en amont du distributeur 3 en étant lui aussi porté par la bride 6.
L’étanchéité entre le disque rotatif 7 et une face interne cylindrique du distributeur est assurée au moyen d’un joint d’étanchéité à labyrinthe comportant un matériau d’étanchéité abradable 12 porté par la face interne cylindrique du distributeur et par des léchettes 13 portées par chaque sommet d’aube et qui coopèrent avec une face interne du matériau abradable.
Plus particulièrement, et comme visible sur la le sommet de chaque aube a une forme de talon, repéré par 14 sur la , qui comporte une plateforme 16 portant ici deux léchettes 13.
En pratique, ce talon 14 présente une masse significative qui est soumise aux effets de force centrifuge lorsque l’ensemble est en rotation, et qui conditionne fortement le dimensionnement mécanique de l’aube.
Autrement dit, la présence de ce talon augmente en soi la masse de l’aube, mais elle nécessite de plus de renforcer le corps de l’aube pour que l’ensemble supporte les efforts centrifuges ce qui accroît encore la masse de l’aube.
Le but de l’invention est d’apporter une solution permettant de limiter la masse d’une telle aube tout en assurant une étanchéité satisfaisante avec la portion de carter qui l’entoure.
A cet effet, l’invention a pour objet un ensemble rotatif de turbomachine s’étendant autour d’un axe de rotation, comprenant un disque portant des aubes et étant destiné à être entouré par un carter de turbomachine, dans lequel chaque aube s’étend radialement par rapport à l’axe de rotation depuis un pied par lequel chaque aube est solidarisée au disque jusqu’à un sommet opposé au pied, caractérisé et en ce que l’ensemble rotatif comporte un anneau coaxial au disque, cet anneau comportant pour chaque aube une ouverture dans laquelle est engagé un sommet d’aube de manière radialement coulissante, l’anneau étant destiné à être entouré par au moins un élément d’étanchéité abradable porté par le carter.
Grâce à cet agencement, les aubes n’ont plus à comporter de talon soumis à des efforts centrifuges élevés, ce qui permet de réduire significativement le dimensionnement de ces aubes pour notamment les alléger.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel chaque aube est fabriquée en matériau composite de type à matrice céramique.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel l’anneau est métallique.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel l’anneau comporte une plateforme pourvue d’au moins une nervure circonférentielle dépassant radialement vers l’extérieur de cette plateforme.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel chaque ouverture est débouchante, chaque sommet d’aube traversant la plateforme de l’anneau.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel chaque sommet d’aube traverse une portion échancrée d’au moins une nervure.
L’invention concerne également une turbine comprenant un ensemble rotatif ainsi défini et un carter portant au moins un élément d’étanchéité abradable, l’anneau étant radialement en regard de l’élément d’étanchéité abradable.
L’invention concerne également une turbomachine s’étendant autour d’un axe et comprenant carter s’étendant autour d’un élément rotatif ainsi défini.
L’invention concerne également un turboréacteur comprenant une turbomachine ainsi définie.
L’invention concerne également un procédé d’assemblage d’un ensemble ainsi défini, dans lequel on monte les aubes les unes après les autres en engageant chaque sommet d’aube dans l’ouverture correspondante de l’anneau, tout en maintenant les aubes et l’anneau en position, et dans lequel on dispose ensuite le disque de façon coaxiale à l’anneau, en engageant à coulissement chaque pied d’aube dans une rainures de montage correspondante du disque.
L’invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel l’anneau avec les aubes est déplacé selon un mouvement de translation éventuellement combiné à une rotation, pour conjointement le placer autour du disque et engager à coulissement chaque pied d’aube dans une rainure de montage correspondante du disque.
La est une vue partielle en coupe longitudinale d’une portion de turbine de turbomachine connue ;
La est une vue en perspective d’un sommet d’aube connue ;
La est une vue en coupe longitudinale d’une portion d’un ensemble rotatif selon l’invention ;
La est une vue en perspective d’une portion d’ensemble rotatif selon l’invention ;
La est une vue radiale d’une portion d’ensemble rotatif selon l’invention ;
La est une vue schématique d’une première étape d’assemblage de l’ensemble rotatif selon l’invention ;
La est une vue schématique d’une deuxième étape d’assemblage de l’ensemble rotatif selon l’invention ;
La est une vue schématique d’une troisième étape d’assemblage de l’ensemble rotatif selon l’invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur les figures 3, une portion d’ensemble rotatif 17 selon l’invention comporte une aube 18 portée par un disque rotatif 19 tournant autour d’un axe AX, cette aube s’étendant radialement depuis un pied 21 par lequel elle est solidarisée au disque 19 jusqu’à un sommet 22 correspondant à l’extrémité radiale de cette aube.
Comme visible plus clairement sur la , les aubes de cet ensemble sont entourées par un anneau d’étanchéité 23 qui est coaxial avec l’axe AX. Cet anneau 23 comporte une paroi principale essentiellement cylindrique, appelée plateforme et repérée par 24, comportant une face radialement interne destinée à délimiter une veine de circulation de gaz et une face radialement externe 26 portant ici deux nervures circonférentielles 27 et 28. Ces nervures circonférentielles constituent des léchettes destinées à coopérer avec un élément d’étanchéité abradable porté par un carter disposé radialement en vis-à-vis des nervures.
Dans l’exemple des figures, la nervure 27 est située du côté amont de l’ensemble, et la nervure28 est située du côté aval. L’amont et l’aval qui sont repérés par AM et AV sur la sont définis par rapport au sens de circulation du flux gazeux traversant l’ensemble rotatif en service dans une turbomachine.
La plateforme 24 de cet anneau 23 comporte à sa face interne une série d’ouvertures repérées par 29, recevant chacune un sommet d’aube 22, ces ouvertures 29 sont régulièrement espacées le long de la circonférence de l’anneau à des positions correspondant à celles des aubes, comme visible sur la .
Comme illustré par les doubles flèches sur les figures 3 et 4, chaque sommet d’aube est apte à coulisser radialement par rapport à l’ouverture dans laquelle il est engagé. En fonctionnement, lorsque l’ensemble rotatif 17 tourne, l’anneau tourne avec celui-ci du fait qu’il est entrainé circonférentiellement par les aubes dont les sommets sont engagés dans ses ouvertures. Grâce à la mobilité radiale de chaque aube apte à coulisser par rapport à l’ouverture de l’anneau qui la reçoit, l’anneau est libre de coulisser radialement le long des aubes qu’il entoure. L’anneau peut ainsi se dilater ou se contracter radialement par rapport au disque, sous l’effet des variations thermiques et/ou des efforts centrifuges qu’il subit.
Lorsque l’ensemble est en rotation, les aubes ne subissent pas les efforts centrifuge auxquels l’anneau est soumis, de sorte que leur dimensionnement, et par là-même leurs masses peuvent être diminués significativement. Cette diminution est encore accrue par le fait que ces aubes sont dépourvues de talons, du fait que l’étanchéité est assurée par les nervures circonférentielles 27 et 28 constituant les léchettes venant glisser le long d’éléments d’étanchéité abradables non représentés qui sont portés par la portion de carter fixe entourant l’anneau.
Autrement dit, les nervures circonférentielles de l’anneau jouent le rôle des léchettes portées par les talons des aubes de l’Etat de la technique : la fonction d’étanchéité du talon des aubes connues est entièrement assurée par l’anneau qui ne soumet pas les aubes à un effort centrifuge, ce qui permet de les alléger. Grâce à l’invention, l’étanchéité en sommet d’aube n’est plus portée par l’aube, mais par l’anneau circonférentiel centré sur ces aubes et entraîné en rotation par celles-ci.
En pratique, l’anneau est auto-centré sur les aubes, et du fait qu’il est radialement mobile par rapport aux aubes, sa dilatation ou sa contraction radiale, par exemple sous l’effet de variation thermique ou des efforts centrifuges, ne se traduit pas par l’exercice de contraintes mécaniques radiales sur les aubes : la dilatation ou la contraction de l’anneau mécaniquement sans effet sur les aubes.
Dans l’exemple des figures, les ouvertures sont des lumières débouchantes, c’est-à-dire qu’elles traversent radialement la plateforme 24 de l’anneau, mais il peut aussi s’agir d’ouverture borgnes, c’est-à-dire de logements recevant uniquement l’extrémité du sommet d’aube, formés à la face interne de l’anneau et ne traversant pas sa paroi principale de part en part.
Par ailleurs, et comme visible sur les figures 3 et 4, dans l’exemple des figures, chaque sommet d’aube traverse la plateforme 24 de l’anneau en s’étendant au-delà de sa face externe 26. Dans cet exemple, la distance séparant longitudinalement les nervures circonférentielles 27, 28 est inférieure à la longueur des sommets d’aube selon la direction longitudinale. D’autres dispositions sont également envisageables en ce qui concerne les nervures, celles-ci pouvant par exemple être espacées l’une de l’autre d’une distance supérieure à la longueur des sommets d’aubes selon la direction longitudinale.
De ce fait, chaque ouverture 29 traverse radialement la plateforme 24 et est aussi prolongée par une portion échancrée correspondante formée dans chaque nervure, en forme d’encoche et situe au droit de l’ouverture correspondante. Ainsi, les portions amont et aval du sommet d’aube sont libres de coulisser radialement dans ces encoches, pour que la liberté de mouvement radiale du sommet d’aube ne soit pas entravée par les nervures.
Comme on peut le voir sur les figures, ces encoches sont formées à la base des nervures, c’est-à-dire à leur jonction avec la paroi principale et s’étendent approximativement sur la moitié de la hauteur radiale des nervures dans l’exemple des figures. La périphérie externe des nervures s’étend ainsi circonférentiellement afin d’assurer l’étanchéité avec les éléments abradables le long desquels ces nervures se déplacent en rotation, ce nervures étant radialement en regard des éléments abradables.
Par ailleurs, il importe de noter que dans l’exemple des figures, l’anneau a une forme essentiellement cylindrique, mais que cet anneau pourrait aussi bien être essentiellement conique, notamment dans le cas où le carter entourant la turbine aurait une forme s’évasant, de type conique.
Le montage de l’ensemble consiste dans un premier temps à positionner l’anneau sur un banc de montage, et à engager chaque sommet 22 d’aube 18 dans l’ouverture 29 correspondante de l’anneau 23, de manière à positionner les aubes selon leur configuration finale, comme illustré schématiquement sur la .
Le banc de montage est avantageusement équipé d’éléments additionnels de type gabarits de positionnement ou analogues pour assurer le maintien en position des différentes aubes et de l’anneau durant le montage.
Lorsque l’ensemble est en place comme sur représenté sur la , le disque 19 est alors engagé coaxialement à l’ensemble, selon un déplacement en translation le long de l’axe de rotation AX de ce disque par rapport à la couronne aubagée que forme alors l’anneau avec les aubes. Durant ce déplacement du disque par rapport à la couronne, ou inversement, les pieds des aubes sont engagés dans des rainures de fixation correspondantes prévues à la périphérie du disque.
En pratique, le mouvement de translation du disque peut nécessiter d’être combiné à une rotation de ce disque autour de son axe, afin de prendre en compte un éventuel angle de brochage des rainures correspondant à une légère inclinaison de ces rainures par rapport à l’axe AX.
Comme connu de l’état de la technique, ces rainures ont des formes de parties femelles de queues d’aronde, les pieds des aubes ayant des formes complémentaires, ce qui permet de retenir les aubes radialement en position par rapport au disque lorsqu’elles sont soumises aux efforts centrifuges quand le disque est en rotation.
L’invention permet ainsi d’alléger le dimensionnement des aubes du fait qu’elle ne nécessite plus que ces aubes soient pourvues d’un talon à leur sommet pour assurer l’étanchéité. Il est ainsi possible, grâce à l’invention de prévoir des aubes non pas en alliages ou superalliages métallique comme dans l’Etat de la technique, mais des aubes en matériau composite, comme en particulier les matériaux composites à matrice céramique, dits CMC.
Ces matériaux CMC peuvent supporter des températures plus élevées que les superalliages métalliques, mais des contraintes mécaniques sensiblement inférieures. Il est ainsi possible de se dispenser de refroidir les aubes en les ventilant par un flux d’air interne admis par leur pied comme c’est le cas avec les aubes connues, ce qui permet de simplifier la conception de ces aubes, pour réduire leur masse. Ceci est encore accentué par le fait que les matériaux CMC sont plus légers que les alliages ou superalliages métalliques.
En pratique, les aubes de l’ensemble rotatif selon l’invention peuvent ainsi être métalliques ou bien en matériaux composites, et cet ensemble rotatif peut être mis en œuvre dans une turbine basse pression, voire à une turbine haute pression de turboréacteur, ou encore à un compresseur haute ou basse pression. D’une manière plus générale, les aubes et l’anneau n’ont pas à être formés dans le même matériau, grâce à la mobilité radiale de l’anneau qui permet de s’affranchir des dilatations thermiques. En particulier, les aubes peuvent être en un matériau composite à matrice céramique, et l’anneau an matériau métallique pour faciliter sa fabrication.

Claims (10)

  1. Ensemble rotatif de turbomachine s’étendant autour d’un axe de rotation (AX), comprenant un disque (19) portant des aubes (18) et étant destiné à être entouré par un carter de turbomachine, dans lequel chaque aube (18) s’étend radialement par rapport à l’axe de rotation (AX) depuis un pied par lequel chaque aube (18) est solidarisée au disque (19) jusqu’à un sommet (22) opposé au pied, caractérisé et en ce que l’ensemble rotatif comporte un anneau (23) coaxial au disque (19), cet anneau (23) comportant pour chaque aube (18) une ouverture (29) dans laquelle est engagé un sommet d’aube (22) de manière radialement coulissante, l’anneau (23) étant destiné à être entouré par au moins un éléments d’étanchéité abradable porté par le carter.
  2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel chaque aube (18) est fabriquée en matériau composite de type à matrice céramique.
  3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’anneau (23) est métallique.
  4. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’anneau (23) comporte une plateforme (24) pourvue d’au moins une nervure (27, 28) dépassant radialement vers l’extérieur de la plateforme (26).
  5. Ensemble selon la revendication 4, dans lequel chaque ouverture (29) est débouchante, chaque sommet d’aube (22) traversant la plateforme (26) de l’anneau (23).
  6. Ensemble selon la revendication 5, dans lequel chaque sommet d’aube (22) traverse une portion échancrée d’au moins une nervure (27, 28).
  7. Turbine comprenant un ensemble rotatif selon la revendication 1 et un carter portant au moins un élément d’étanchéité abradable, l’anneau (23) étant radialement en regard de l’élément d’étanchéité.
  8. Turbomachine s’étendant autour d’un axe (AX) et comprenant un carter s’étendant autour d’un ensemble rotatif selon l’une des revendications 1 à 6.
  9. Procédé d’assemblage d’un ensemble selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel on monte les aubes (18) les unes après les autres en engageant chaque sommet d’aube (18) dans l’ouverture (29) correspondante de l’anneau (23), tout en maintenant l’ensemble des aubes (18) et l’anneau (23) en position, et dans lequel on dispose ensuite le disque (19) de façon coaxiale à l’anneau (23), en engageant à coulissement chaque pied d’aube (18) dans une rainures de montage correspondante du disque (19).
  10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l’anneau (23) avec les aubes (18) est déplacé selon un mouvement de translation, éventuellement combiné à une rotation, pour conjointement le placer autour du disque (19) et engager à coulissement chaque pied d’aube dans une rainure de montage correspondante du disque.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2640701A1 (fr) * 1988-12-19 1990-06-22 Mtu Muenchen Gmbh Roue mobile de compresseur
EP1469165A1 (fr) * 2003-04-16 2004-10-20 Snecma Moteurs Réduction de jeux dans une turbine à gaz
US20070086889A1 (en) * 2005-05-05 2007-04-19 Matheny Alfred P Composite tip shroud ring
FR3085712A1 (fr) * 2018-09-06 2020-03-13 Safran Aircraft Engines Aube de roue mobile pour turbomachine d'aeronef, presentant un talon decouple de la pale de l'aube

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