FR3123683A1 - Turbine de turbomachine à distributeur en CMC avec pièce de calage - Google Patents

Turbine de turbomachine à distributeur en CMC avec pièce de calage Download PDF

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Abstract

Turbine de turbomachine à distributeur en CMC avec pièce de calage Turbine (1) de turbomachine comprenant une virole interne de support (5) en métal, un mât (6), une plateforme intérieure (24), une plateforme extérieure (26) et au moins une pale (28) présentant un coefficient de dilatation thermique différent de celui du mât, s’étendant radialement entre les plateformes intérieure et extérieure (24, 26), et la turbine comprenant en outre une pièce de calage fixée dans la virole interne de support (5) et en contact avec la plateforme intérieure (24), la pièce de calage (1000) ayant une position radiale réglable par rapport à la virole interne de support (5) et étant apte à appliquer une force selon la direction radiale sur la plateforme intérieure (24) de manière à plaquer la plateforme extérieure (26) contre la virole externe de support (9). Figure pour l’abrégé : Fig. 5.

Description

Turbine de turbomachine à distributeur en CMC avec pièce de calage
L’invention concerne le domaine des turbomachines, notamment des turbomoteurs aéronautiques ou des turbines industrielles, et concerne plus particulièrement un distributeur de turbine en matériau composite à matrice céramique ou à matrice au moins partiellement en céramique, désigné ci-après par matériau CMC.
Le domaine d'application de l'invention est notamment celui des moteurs aéronautiques à turbine à gaz. L'invention est toutefois applicable à d'autres turbomachines, par exemple des turbines industrielles.
L'amélioration des performances des turbomachines et la réduction de leurs émissions polluantes conduit à envisager des températures de fonctionnement de plus en plus élevées.
Pour des éléments de parties chaudes de turbomachines, il a donc été proposé d'utiliser des matériaux composites à matrice céramique notés CMC par la suite.
Les matériaux CMC sont typiquement formés d'un renfort fibreux en fibres réfractaires, telles que des fibres de carbone ou de céramique, densifié par une matrice en céramique ou au moins partiellement en céramique.
Ces matériaux possèdent des propriétés thermo-structurales remarquables, c'est-à-dire des propriétés mécaniques qui les rendent aptes à constituer des éléments de structure et la capacité à conserver ces propriétés à des températures élevées. De surcroît, les matériaux CMC ont une masse volumique bien inférieure à celle des matériaux métalliques utilisés traditionnellement pour des éléments de parties chaudes de turbomachines.
Ainsi, les documents WO 2010/061140, WO 2010/116066 et WO 2011/080443 décrivent la réalisation d'aubes de roues mobiles de turbomachines en CMC à plate-forme et talon intégrés. L'utilisation de matériaux CMC pour des distributeurs de turbine a aussi été proposée, notamment dans les documents WO 2010/146288, FR 2 979 662 et EP 2 443 318.
Un distributeur de turbine métallique traditionnel présente une forme de couronne composée de plusieurs secteurs assemblés, chaque secteur comprenant une plateforme intérieure, une plateforme extérieure et une pluralité de pales s'étendant entre les plateformes intérieure et extérieure et solidaires de celles-ci. Les plateformes intérieures juxtaposées forment une virole intérieure et les plateformes extérieures juxtaposées forment une virole extérieure. Les viroles intérieure et extérieure délimitent la veine d'écoulement de gaz dans l’étage distributeur.
Introduire un distributeur, par exemple un distributeur haute pression, en CMC permet d’augmenter la température maximale tolérée par rapport à un étage distributeur métallique, et ainsi de diminuer la quantité d’air de refroidissement utilisée. Cela permet ainsi d’augmenter les performances de la turbomachine.
Toutefois, le CMC, par ses propriétés différentes du métal est plus sensible à certaines contraintes mécaniques. En effet le CMC présente une plus grande rigidité et une plus faible dilatation. Il se comporte mieux en compression, mais ses contraintes admissibles en traction sont plus faibles que celles du métal.
De plus, l’intégration dans un environnement métallique d’une pièce en CMC est délicate en raison des dilatations thermiques différentielles entre le CMC et le métal. Cela est d’autant plus délicat dans une turbomachine, et plus particulièrement dans une partie à haute pression de la turbomachine, car l’environnement est chaud, ce qui exacerbe les différences de coefficients de dilatation thermique entre les matériaux, les efforts aérodynamiques subis par un étage distributeur haute pression étant en outre élevés dans cette zone de turbine.
Plus précisément, les turbines comportent généralement une virole externe de support solidaire d’un carter, une virole interne de support, et une pluralité de secteurs d’anneau en CMC formant une couronne s’étendant entre la virole externe de support et la virole interne de support. Chaque secteur d’anneau est en appui sur les viroles interne et externe de support et comporte une plateforme intérieure, une plateforme extérieure, et au moins une pale s’étendant entre la plateforme extérieure et la plateforme intérieure et solidaire de celles-ci.
Toutefois, compte tenu des dilatations thermiques différentielles mentionnées ci-dessus, il existe un besoin d’améliorer les solutions connues en ce qui concerne la solidarisation déterministe du secteur d’anneau en CMC avec la virole interne de support, notamment en termes de maintien au moins axial du secteur d’anneau et en termes de reprise des efforts aérodynamiques.
Par ailleurs, un important différentiel de pressions est exercé sur le carter sous le distributeur dans la direction radiale. Ce carter sert à créer une étanchéité entre le rotor et le stator. Cet écart de pression est source d’un effort qui, s’il était exercé sur le CMC, serait trop élevé compte tenu des admissibles du matériau.
Pour renforcer les secteurs d’anneau en CMC, il est également connu, notamment des documents FR 3 061 928 et FR 2 973 435, que le distributeur tel que décrit ci-dessus comporte en outre un mât de renforcement s’étendant radialement à l’intérieur des aubes entre les deux plateformes, permettant au distributeur d’être maintenu au carter par le mât. Une telle solution permet de reprendre via le mât les efforts relatifs au différentiel de pression sous le distributeur et les efforts aérodynamiques sur la couronne en CMC. Cependant, pour les raisons évoquées ci-dessus relatives au comportement mécanique différent entre CMC et matériau métallique, il reste difficile de positionner la partie CMC sur l’environnement métallique.
En effet, lors du fonctionnement de la turbine, un jeu radial important est généré entre le mât et la pale qu’il traverse. Plus particulièrement, la dilation du mât étant supérieure à la dilatation de la pale en CMC un jeu radial supérieur à 0,5 mm, voire supérieur à 1 mm, peut apparaître entre le mât et la pale qu’il traverse. Ce jeu radial génère une incertitude sur la position de la pale, le plaquage aérodynamique devenant aléatoire vers le haut ou le bas selon la résultante radiale de l’effort aérodynamique. Des solutions permettant d’améliorer le positionnement de la pale telle que celle décrite dans le document FR 3 098 246, existent, mais nécessitent de contraindre mécaniquement le distributeur en CMC, notamment en traction, ce qui risque de le fragiliser et augmente le risque de l’endommager.
Il existe donc un besoin pour une solution permettant d’améliorer le maintien déterministe du distributeur en CMC, tout en limitant les contraintes qui lui sont appliquées afin de ne pas l’endommager au vu des admissibles mécaniques du matériau.
Le présent exposé concerne une turbine de turbomachine comprenant un carter, une virole externe de support en métal solidaire du carter, une virole interne de support en métal, et un distributeur annulaire de turbine définissant une direction axiale et une direction radiale et comportant une pluralité de secteurs de distributeur formant une couronne s’étendant entre la virole externe de support et la virole interne de support, chaque secteur comportant un mât, une plateforme intérieure, une plateforme extérieure et au moins une pale présentant un coefficient de dilatation thermique différent de celui du mât, s’étendant radialement entre les plateformes intérieure et extérieure, et présentant un profil creux définissant un logement interne s’étendant radialement, les plateformes intérieure et extérieure présentant chacune un orifice communiquant avec ledit logement interne de la pale, et le mât traversant lesdits orifices et le logement interne et étant fixé audit carter d’une part et en liaison avec ledit secteur d’autre part, et la turbine comprenant en outre une pièce de calage fixée dans la virole interne de support et en contact avec la plateforme intérieure, la pièce de calage ayant une position radiale réglable par rapport à la virole interne de support et étant apte à appliquer une force selon la direction radiale sur la plateforme intérieure de manière à plaquer la plateforme extérieure contre la virole externe de support.
La présence d’une pièce de calage permet de maîtriser le jeu introduit par la dilatation thermique différentielle entre la pale et le mat. En particulier, la pièce de calage peut être positionnée de manière à mettre la pale en compression à froid, c’est-à-dire lorsque la turbomachine n’est pas en fonctionnement, et garantir ainsi une bonne gestion des jeux à chaud, quand la turbomachine est en fonctionnement. Plus précisément, cette mise en compression à froid permet de combler la dilatation différentielle entre la pale et le mât durant la phase de fonctionnement.
Par ailleurs, cette solution permet de maintenir la pale en place sans l’endommager et sans besoin de revoir la structure de la pale pour lui permettre de coopérer avec la pièce de calage. Cette solution est donc facilement intégrable dans la conception des turbines et peu onéreuse.
Aussi, cette solution permet de gérer le positionnement radial de la pale de façon déterministe et reproductible. En effet, la gestion du jeu qui apparaît à chaud à cause des différences entre les dilatations thermiques de la pale et du mât est plus fiable. En particulier, cette solution permet de limiter voire d’annuler le jeu radial s’ouvrant en fonctionnement entre le mât métallique et la pale en CMC et ainsi de réduire voire de supprimer l’incertitude sur la position de la pale.
Par ailleurs, la tolérance sur les dimensions de pièce de calage est grande. Par conséquent, la fabrication et l’utilisation d’une pièce de calage représente une économie de coût.
Dans certains modes de réalisation, le mât est en métal et la pale est en matériau composite à matrice céramique.
Les matériaux composites à matrice céramique (dit CMC) ont une tenue en température nettement supérieure à des pièces métalliques. Ainsi, l’intégration de telles pièces permet de faire fonctionner la turbine à plus haute température.
Par ailleurs, les matériaux CMC sont moins denses et donc plus légers que des matériaux métalliques. L’utilisation de matériaux CMC permet également un gain de masse.
Dans certains modes de réalisation, la pièce de calage est en métal. De préférence, la pièce de calage comprend un alliage d’aluminium, de cobalt ou de nickel.
Dans cette configuration, la pièce de calage est apte à soutenir les conditions de température et de pression imposées par le fonctionnement de la turbomachine. Par ailleurs, l’utilisation de tels matériaux permet d’obtenir une pièce de calage avec de bonnes propriétés à moindre coût.
Dans certains modes de réalisation, la pièce de calage a un coefficient de dilatation thermique sensiblement égal au coefficient de dilatation thermique du mât.
Dans cette configuration, la pièce de calage se déforme de façon similaire au mat. En particulier, la pièce de calage et le mat se déforment radialement de la même façon, si bien que la pièce de calage reste en contact avec la plateforme intérieure lorsque la turbomachine est en fonctionnement, à haute température, ou lorsque la turbomachine est à l’arrêt, à basse température. Ainsi, la dilatation à chaud de la pièce de calage permet de combler l’écart de dilatation entre le mat et la pale, et donc de compenser l’ouverture de jeu radial en fonctionnement. On notera que dans le présent exposé, une température est considérée haute lorsqu’elle est supérieure à 500°C. Une température est considérée basse lorsqu’elle est inférieure à 500°C.
Dans certains modes de réalisation, la pièce de calage est une vis comprenant une tête et une tige filetée vissée dans la virole interne de support.
Ainsi, la liaison entre la pièce de calage et la virole interne de support est améliorée. En particulier, cette configuration est plus propice pour reprendre les contraintes dues à la dilatation thermique des pièces, ce qui renforce la stabilité de la liaison entre la pièce de calage et la virole interne de support.
Dans certains modes de réalisation, la tête est configurée pour prendre appui sur la plateforme intérieure.
Dans cette configuration, la surface de contact entre la pièce de calage et la plateforme intérieure est augmentée, ce qui améliore la fiabilité de la compensation du jeu par la pièce de calage, et limite les risques d’endommagement de la plateforme intérieure, et donc de la pale.
Dans certains modes de réalisation, la tige filetée est configurée pour se visser dans la virole interne de support dans un sens horaire ou antihoraire, de manière à déplacer la vis radialement vers l’intérieur ou vers l’extérieur par rapport la virole interne de support.
De cette façon, le réglage de la pièce de calage est facilité. En particulier, il est possible de régler aisément la force appliquée par la pièce de calage sur la plateforme intérieure. Cela permet notamment d’ajuster le serrage de la pièce de calage, en d’autres termes son positionnement radial, mettant ainsi la pale en compression radiale, de telle sorte que la compression radiale soit proportionnelle à la différence de dilatation entre la pale et le mât métallique.
Dans certains modes de réalisation, la turbine comprend une pluralité de pièces de calage, chaque pièce de calage étant fixée dans la virole interne de support et étant respectivement en contact avec la plateforme intérieure d’un secteur de la pluralité de secteurs.
La présence d’une pluralité de pièces de calage permet d’améliorer la gestion du jeu introduit par les différences de dilatation thermique entre les pièces métalliques et les pièces en CMC sur l’intégralité de la circonférence du distributeur annulaire de turbine. En particulier, la pluralité des pièces de calage permet de compenser des éventuelles dispersions dimensionnelles des pièces lors de la fabrication, c’est-à-dire les éventuels défauts d’uniformité de dimensions des pièces sur la circonférence du distributeur, susceptibles d’apparaître au cours de la fabrication des pièces, liés par exemple à la marge d’erreur des outils utilisés.
Dans certains modes de réalisation, une pièce de calage est prévue pour chaque secteur.
Dans cette configuration, le jeu induit par les différences de dilatation thermique entre les pièces métalliques et les pièces en CMC est géré pour chaque secteur du distributeur. La fiabilité du positionnement de la couronne du distributeur de la turbine est donc améliorée.
Le présent exposé concerne par ailleurs une turbomachine comprenant une turbine selon l’un des précédents modes de réalisation.
Une turbomachine comprenant une turbine telle que décrite précédemment présente les avantages exposés ci-dessus.
Dans le présent exposé, les termes « longitudinal », « transversal », « inférieur », « supérieur » et leurs dérivés sont définis par rapport à la direction principale des aubes ; les termes « axial », « radial », « tangentiel », « intérieur », « extérieur » et leurs dérivés sont quant à eux définis par rapport à l’axe principal de la turbomachine ; on entend par « plan axial » un plan passant par l’axe principal de la turbomachine et par « plan radial » un plan perpendiculaire à cet axe principal ; enfin, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport à la circulation de l’air dans la turbomachine.
Dans le présent exposé, l’expression « sensiblement dans une direction » est comprise comme orienté dans une direction formant un angle inférieur à 30° avec ladite direction.
Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation du dispositif et du procédé proposés. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés.
Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé.
La représente une vue schématique en coupe d’un secteur d’une turbine selon un premier mode de réalisation de l’invention.
La représente est une vue schématique assemblée d’une virole externe de support et un mât de la turbine de la .
La représente une vue schématique éclatée d’une virole externe de support et un mât de la turbine de la .
La représente une vue schématique en coupe selon un plan comprenant la direction axiale et la direction radiale d’un secteur de turbine selon le premier mode de réalisation de l’invention à basse température.
La représente une vue schématique en coupe selon un plan comprenant la direction axiale et la direction radiale du secteur de turbine de la à haute température.
La représente une vue partielle schématique en perspective d’un secteur d’une turbine selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.

Claims (10)

  1. Turbine (1) de turbomachine comprenant un carter (4), une virole externe de support (9) en métal solidaire du carter (4), une virole interne de support (5) en métal, et un distributeur (2) annulaire de turbine définissant une direction axiale (DA) et une direction radiale (DR) et comportant une pluralité de secteurs (20) de distributeur formant une couronne s’étendant entre la virole externe de support (9) et la virole interne de support (5),
    chaque secteur (20) comportant un mât (6), une plateforme intérieure (24), une plateforme extérieure (26) et au moins une pale (28) présentant un coefficient de dilatation thermique différent de celui du mât, s’étendant radialement entre les plateformes intérieure et extérieure (24, 26), et
    présentant un profil creux définissant un logement interne (280) s’étendant radialement, les plateformes intérieure et extérieure (24, 26) présentant chacune un orifice (245, 265) communiquant avec ledit logement interne (280) de la pale (28), et le mât (6) traversant lesdits orifices (245, 265) et le logement interne (280) et étant fixé audit carter (4) d’une part et en liaison avec ledit secteur (20) d’autre part, et
    la turbine comprenant au moins une pièce de calage (1000) fixée dans la virole interne de support (5) et en contact avec la plateforme intérieure (24),
    la pièce de calage (1000) ayant une position radiale réglable par rapport à la virole interne de support (5) et étant apte à appliquer une force selon la direction radiale sur la plateforme intérieure (24) de manière à plaquer la plateforme extérieure (26) contre la virole externe de support (9).
  2. Turbine (1) selon la revendication 1 dans laquelle le mât (6) est en métal et la pale (28) est en matériau composite à matrice céramique.
  3. Turbine (1) selon l’une des revendications 1 ou 2 dans laquelle la pièce de calage (1000) est en métal.
  4. Turbine (1) selon l’une des revendications 1 ou 3, dans laquelle la pièce de calage (1000) a un coefficient de dilatation thermique sensiblement égal au coefficient de dilatation thermique du mât (6).
  5. Turbine (1) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle la pièce de calage (1000) est une vis comprenant une tête (1001) et une tige filetée (1002) vissée dans la virole interne de support (5).
  6. Turbine (1) selon la revendication 5, dans laquelle la tête (1001) est configurée pour prendre appui sur la plateforme intérieure (24).
  7. Turbine (1) selon l’une des revendications 5 ou 6, dans laquelle la tige filetée (1002) est configurée pour se visser dans la virole interne de support (5) dans un sens horaire ou antihoraire, de manière à déplacer la vis radialement vers l’intérieur ou vers l’extérieur par rapport la virole interne de support (5).
  8. Turbine (1) selon l’une des revendications 1 à 7 comprenant une pluralité de pièces de calage (1000), chaque pièce de calage étant fixée dans la virole interne de support (5) et étant respectivement en contact avec la plateforme intérieure (24) d’un secteur (20) de la pluralité de secteurs (20).
  9. Turbine (1) selon la revendication 8, dans laquelle une pièce de calage (1000) est prévue pour chaque secteur (20).
  10. Turbomachine comprenant une turbine (1) selon les revendications 1 à 9.
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