FR3126024A1 - Secteur de distributeur de turbine équipé avec une structure en nid d’abeille - Google Patents

Abstract

Le secteur de distributeur de turbine (12) comprenant :- au moins une pale (23),- une plateforme (26), et- un pied (34) fixé à la plateforme,le pied présentant deux faces (36, 38) orientées respectivement vers l'amont et vers l'aval par référence à un flux de fluide parcourant la pale lors de l'utilisation du distributeur,au moine l’une des faces présentant une gorge (46) débouchant sur une face circonférentielle (44) du pied. Figure de l’abrégé : Fig. 3

Description

Secteur de distributeur de turbine équipé avec une structure en nid d’abeille

DOMAINE DE L’INVENTION

L'invention concerne les turbomachines, notamment leurs distributeurs.

ETAT DE LA TECHNIQUE

On connait, par exemple du document FR-3 082 233, un turboréacteur d’aéronef comprenant, d’amont en aval par référence au flux d’air traversant le moteur, une soufflante, un compresseur, une chambre de combustion et une turbine. La turbine récupère une partie de l'énergie issue de la combustion des gaz pour le fonctionnement de la soufflante, du compresseur et des accessoires.

Une des pièces de la turbine est le stator qui comprend des distributeurs fixes interposés entre ses disques rotatifs. Les disques et les distributeurs comprennent des pales parcourues par l’air de la veine d’air principale du moteur.

Les distributeurs comprennent des plateformes internes fixées aux pales. Les disques sont reliés entre eux par des jonctions passant sous les plateformes internes des distributeurs.

En fonctionnement, des flux d’air turbulents venus de la veine principale circulent dans les cavités délimitées par les jonctions autour des plateformes. Ces flux entraînent une perte de rendement. En effet, lors du fonctionnement, la source d’énergie provient du travail de l’air chaud à travers la turbine. Toutes les zones où cet air ne travaille pas pour faire avancer l’aéronef est une perte de rendement. On cherche donc à diminuer les zones de perte sèche où l’air ne travaille pas. Ces turbulences génèrent aussi des problèmes acoustiques.

Pour y remédier, il est connu de prévoir sur les aubes des becquets s’étendant en saillie suivant la direction axiale en direction des distributeurs adjacents. De même, des léchettes radiales solidaires des disques viennent en contact avec le pied de la plateforme du distributeur. Il s’agit dans les deux cas de limiter les passages de l’air provenant de la veine principale.

On a aussi déjà prévu de munir la base de la plateforme d’une forme en « L » ou en « T » pour limiter la circulation de l’air. Cette technologie est intéressante dans la mesure où elle ne complique pas l’assemblage des pièces de la turbine. Mais elle a un impact important en termes de poids. En effet, la plateforme est une pièce de fonderie et le « L » ou le « T » en augmente encore le poids.

Un but de l’invention est donc d’améliorer les performances de la turbine en évitant d’avoir des zones dans lesquelles l’air ne fournit pas de travail utile.

A cet effet, on prévoit selon l’invention un secteur de distributeur de turbine comprenant :
- au moins une pale,
- une plateforme, et
- un pied fixé à la plateforme,
le pied présentant deux faces orientées respectivement vers l'amont et vers l'aval par référence à un flux de fluide parcourant la pale lors de l'utilisation du distributeur,
au moine l’une des faces présentant une gorge débouchant sur une face circonférentielle du pied.

Optionnellement, les faces présentent chacune une gorge, les gorges s’étendant en direction l’une de l’autre, chacune des gorges débouchant sur deux faces circonférentielles du pied.

Les gorges reçoivent les becquets des aubes mobiles adjacentes en épousant leur forme. On forme ainsi des labyrinthes de chaque côté du pied qui limitent la circulation de l’air. La réduction des fuites d’air améliore donc les performances de la turbine et de la turbomachine.

Cette configuration du pied en augmente le volume. En donnant un volume important au pied, l’invention permet donc de diminuer l’espace disponible pour l’air de fuite, ce qui améliore la continuité de la veine d’air principale durant toutes les phases de la mission.

Comme le pied est constitué d’une structure en nid d’abeille, son poids est particulièrement peu élevé. La limitation de la circulation de l’air est donc obtenue au moyen d’une pièce volumineuse mais peu massive. L’invention permet de diminuer la masse des distributeurs, améliore le niveau de performance de la turbine et permet donc aussi de diminuer la consommation de carburant.

L'invention entraine une diminution drastique de la masse de la turbine dans certains modes de réalisation. Par exemple sur le moteur LEAP® développé et commercialisé par Safran Aircraft Engines et GE au sein de CFM International, le gain de poids est de 9 kg par moteur. Pour le deuxième distributeur basse pression de ce moteur, le gain par secteur angulaire de distributeur est estimé à 70 grammes environ, soit 1,8 kg par étage complet.

Le pied peut être constitué d’une structure en nid d’abeille.

Les pieds en nid d’abeille sont des pièces à faible coût et facilement remplaçables de sorte que la réparation de la turbomachine est, le cas échéant, facile à effectuer. De plus, ces pieds sont facilement abradables au contact des léchettes solidaires des disques rotatifs.

L’invention permet aussi de ne pas produire en fonderie le « L » ou le « T » précités. Elle permet de diminuer le volume total de la partie du distributeur fabriquée en fonderie et qui comprend notamment la pale et la plateforme. En effet, le volume et la masse de cette dernière sont réduits par comparaison avec les solutions actuelles. Cela permet une réduction de la consommation de matière première et du coût des moules. La typologie du distributeur étant simplifiée, l’invention permet aussi de réduire les risques de non-conformité lors de la fabrication. Elle peut en outre être mise en œuvre avec un nombre réduit de pièces et ne nécessite pas l’ajout de pièce supplémentaire par rapport aux solutions actuelles.

Avantageusement, le pied s’étend en saillie d’un bord amont de la plateforme et/ou d’un bord aval de la plateforme.

Dans un mode de réalisation, le pied est d’un seul tenant.

On peut prévoir que le pied forme une extrémité libre du secteur.

Dans un mode de réalisation, le secteur comprend au moins une nervure s’étendant d’un côté de la plateforme faisant face au pied, par exemple au moins deux nervures.

Cette nervure permet de préserver la rigidité de la plateforme en dépit de la réduction de sa masse et de son volume. La nervure forme en outre une masselotte constituant une réserve de matière lors du refroidissement de la pale à l’issue de la fabrication par fonderie.

On peut prévoir que la ou chaque nervure a un axe présentant une inclinaison par rapport à une corde de la pale comprise entre 0 et 20°.

On prévoit également selon l’invention une turbomachine comprenant :
- un carter,
- un rotor comprenant au moins un disque rotatif comprenant des aubes présentant au moins un becquet s’étendant suivant une direction radiale à un axe de la turbomachine, et
- au moins un distributeur, notamment basse pression, rigidement solidaire du carter,
le distributeur comprenant :
- des pales,
- une plateforme, et
- un pied fixé à la plateforme pouvant être constitué d’une structure en nid d’abeille et présentant au moins une gorge recevant l’au moins un becquet des aubes.

Optionnellement, la turbomachine comprend au moins deux disques rotatifs comprenant chacun des aubes présentant des becquets, le distributeur étant interposé entre les disques rotatifs et le pied comprenant deux gorges recevant les becquets des aubes respectives.

Dans un mode de réalisation, la turbomachine comprend des léchettes rigidement solidaires des disques rotatifs, le pied s’étendant en regard des léchettes, les léchettes étant interposées entre le pied et l'axe de la turbomachine.

On peut prévoir que le distributeur est un distributeur de turbine basse pression, la turbomachine comprenant en outre au moins un distributeur de turbine haute pression.

DESCRIPTION DES FIGURES

Nous allons maintenant présenter un mode de réalisation de l'invention à titre d'exemple non-limitatif à l'appui des dessins sur lesquels :

la est une demie-vue partielle en coupe d’un turboréacteur d’aéronef formant un mode de réalisation de l’invention ;

la est une vue à plus grande échelle du détail D de la ;

la est une vue à plus grande échelle de l’un des secteurs de la figure précédente ;

les figures 4 et 5 sont des vues de dessous de l’un des secteurs de distributeur des figures précédentes, avec et sans les nervures ;

la est une vue en coupe suivant le plan A-A du secteur de la ; et

la illustre l'inclinaison de l'axe des nervures.

Nous allons décrire en référence aux figures un mode de réalisation de l’invention. Il s’agit en l’espèce d’un turboréacteur 1 d'aéronef formant ici une turbomachine à double flux et double corps. La turbomachine présente un axe principal X-X qui sert d’axe de rotation du rotor par rapport au stator.

Elle comprend d'amont en aval, donc de gauche à droite sur la , une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion (ces éléments étant non-illustrés et par ailleurs classiques), une turbine haute pression 10 et une turbine basse pression 12. Ces éléments, à l’exception de la soufflante, forment d’une partie centrale du turboréacteur. Leurs parties mobiles à rotation autour de l’axe X-X forment le rotor, monté rotatif dans un carter 6 de la machine.

Le compresseur haute pression, la chambre de combustion et la turbine haute pression 10 forment un corps à haute pression qui conjointement avec le compresseur basse pression et la turbine basse pression 12 définit une veine principale 11 d'écoulement d'air. Une nacelle (non-illustrée) entoure la soufflante 2 et la partie centrale de façon à former un compartiment de soufflante et à définir une veine secondaire d'écoulement d'air.

On s’intéresse dans la suite à la turbine basse pression 12. Celle-ci comprend des disques rotatifs 14 faisant partie du rotor et des distributeurs fixes 16 faisant partie du stator et rigidement solidaires du carter 6.

Les disques 14 sont ici au nombre de quatre, ce nombre n’étant pas limitatif et pouvant varier par exemple entre 1 et 10. Ils ont chacun une forme annulaire et comprennent des aubes 18 allongées chacune suivant une direction radiale à l’axe X-X. En référence à la , chaque aube 18 comprend une plateforme externe ou supérieure 20 et une plateforme interne ou inférieure 22. La plateforme externe 20 s’étend à l’extrémité radiale de l’aube 18 la plus éloignée de l’axe X-X et la plateforme interne 22 à son extrémité la plus proche de l’axe. Les aubes 18 s’étendent dans la veine principale 11 d’écoulement de l’air et sont mobiles en rotation autour de l’axe X-X.

Les distributeurs 16 ont un agencement analogue. Ils sont eux aussi ici au nombre de quatre, ce nombre n’étant pas limitatif et pouvant varier par exemple entre 1 et 10. Ils ont chacun une forme annulaire et comprennent des pales 23 allongées chacune suivant une direction radiale à l’axe X-X. Chaque pale 23 comprend une plateforme externe ou supérieure 24 et une plateforme interne ou inférieure 26. La plateforme externe 24 s’étend à l’extrémité radiale de la pale la plus éloignée de l’axe et la plateforme interne 26 à son extrémité la plus proche de l’axe. Les pales s’étendent dans la veine principale 11 d’écoulement de l’air.

Les pales 23 des distributeurs 16 sont disposées en alternance avec les aubes 18 des disques rotatifs 14 le long de l’axe X-X de sorte que chacun des trois distributeurs les plus en aval, par référence à l'écoulement de l'air dans la veine, est interposé entre deux des disques rotatifs 14.

Les disques rotatifs 14 sont montés rotatifs autour de l’axe X-X et sont rigidement solidaires les uns des autres. Les distributeurs 16 sont fixes et rigidement solidaires du carter.

En référence à la , la plateforme inférieure 26 de chaque aube 18 comprend des becquets amont 28 et aval 30 s’étendant suivant la direction radiale en direction des distributeurs respectifs adjacents à l’aube 18. Les becquets 28, 30 ont une forme cylindrique ou tronconique ayant pour axe l’axe X-X.

Les distributeurs 16 sont chacun divisés en secteurs 32 disposés en succession suivant la direction circonférentielle à l'axe X-X. Chaque secteur 32 porte une ou plusieurs des pales 23, à minima 2 pales et sans limitation en nombre, fixées aux plateformes externe 24 et interne 26 qui sont communes aux pales 23 du secteur. Un tel secteur est illustré aux figures 4 et 5.

Comme illustré notamment sur les figures, chaque secteur 32 comprend un pied 34 fixé à la plateforme interne 26, en l’espèce au moyen d’une brasure. Le pied est constitué d’une structure en nid d’abeille.

Il est par exemple réalisé dans un alliage résistant à la corrosion à haute température et sous contraintes mécaniques sévères, contenant majoritairement du nickel, tel que l’alliage commercialisé sous la référence Hastelloy X par le groupe Haynes (la marque Hastelloy étant déposée). Cet alliage comprend 47.5% de Nickel, 22% de chrome et 18.5% de fer ainsi que du cobalt, du molybdène et du tungstène. D’autres matériaux sont envisageables pour réaliser le pied.

Dans le présent exemple, le pied 34 a une forme générale de volume à six faces, à savoir une face amont 36, une face aval 38, une face externe 40 orientée en direction opposée à l’axe X-X, une face interne 42 orientée en direction de l’axe et deux faces d’extrémité circonférentielle 44, toutes généralement planes.

Les deux faces axiales 36 et 38 sont opposées l’une à l’autre et présentent deux gorges annulaires respectives 46 s’étendant en direction l’une de l’autre, c’est-à-dire en direction d’une zone médiane du pied. Chacune des gorges débouche sur les deux faces circonférentielles 44.

Le pied 34 est fixé à la plateforme interne 26 par sa face externe. La face interne de la plateforme porte interne 26 à cette fin des nervures 48, en même nombre que les pales 23 et disposées au droit de ces dernières. Les nervures 48 s’étendent d’un côté de la plateforme interne 26 faisant face au pied 34. La illustre la face inférieure de la plateforme interne 26, les pales 23 étant illustrées pas transparence. Les nervures 48 renforcent la rigidité de la plateforme interne et jouent le rôle de masselotte lors du refroidissement des pales 23 à la fin de l’étape de fonderie pour la fabrication des pales 23 et des plateformes 26 d’une seule pièce.

Leur hauteurhsuivant une direction radiale perpendiculaire à la face de la plateforme interne 26 est par exemple de 5 mm, comme illustré à la . Leur largeur l suivant la direction circonférentielle à l’axe X-X est par exemple comprise entre 90 et 110% de l’épaisseurede la base des pales 23.

Les nervures 48 sont en coïncidence avec les pales 23 respectives du secteur 32, comme le montrent les figures 4 à 6. Les nervures 48 ont une forme allongée. Chaque nervure 48 a un axe longitudinal 51 présentant une inclinaison par rapport à un angle de calage de la pale 23 ou une corde 53 prise au pied de la pale comprise entre 0 et 20°, comme illustré à la . Ces deux directions sont elles-mêmes inclinées par rapport à l'axe X-X.

Le pied 34 est fixé par brasure aux nervures 48. A titre d’exemple, on peut à cette fin interposer entre le pied 34 et la plateforme interne 26 une poudre à braser et effectuer une cuisson appropriée de la poudre pour réaliser la brasure assurant la fixation du pied à la plateforme.

La poudre peut consister en une poudre composite pour l'assemblage par brasage-diffusion d'aubes de turboréacteur en superalliages, formée par mélange d'une poudre d'un métal de base de type Astroloy ou NK17CDAT et d'une poudre d'un métal de brasage-diffusion comprenant du bore, ou du nickel, du chrome et du bore, ou du bore et du silicium. Par exemple, la poudre comporte 75 % en poids de poudre d'Astroloy et 25 % en poids de poudre de NiCrB1055. L'Astroloy (NK17CDAT) est un superalliage à base de nickel qui comporte, en poids, 16,9 % de cobalt, 14,8 % de chrome, 3,87 % d'aluminium, 3,45 % de titane, 5,1 % de molybdène, 0,015 % de carbone. Le NiCrB105 est également un superalliage à base de nickel, qui comporte, en poids, 15 % de chrome et 4% de bore.

Le pied 34 s’étend en saillie d’un bord amont 50 et d’un bord aval 52 de la plateforme interne 26. Il est ici d’un seul tenant et forme une extrémité interne libre du secteur.

Comme illustré aux figures 2 et 3, les deux gorges 46 reçoivent les becquets 28 et 30 des aubes 18 adjacentes respectives.

La machine comprend des léchettes 54 solidaires à rotation des disques tournants 14. La face interne 42 du pied s’étend en regard des léchettes. Le pied est formé de façon à être abrasé par les léchettes afin de limiter autant que possible le passage de l’air sous le pied 34.

Le pied 34 ne vient pas en contact avec les becquets 28, 30. Par ailleurs, il n’est au contact des disques rotatifs qu’au niveau des léchettes. On observe aussi que le pied 34 n’empiète pas dans la veine principale 11.

Comme on le voit, le pied 34 occupe une grande partie du volume disponible sous la plateforme interne 26 entre les deux aubes 18 adjacentes, par exemple plus de 30%, voire 50% de ce volume. On délimite sa forme et des dimensions en fonction des jeux de fonctionnement de la turbine. On peut prévoir par exemple des jeux minimaux de 5 à 15% pour assurer le bon fonctionnement de la turbine.

On pourra apporter à l’invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci.

L’invention est applicable à toute pièce de stator pouvant recevoir un pied en nid d’abeille en plateforme interne. Elle est applicable à d’autre turbomachines que les turboréacteurs. Elle s’applique aux turboréacteurs à simple flux.

Claims (11)

1. Secteur (32) de distributeur (16) de turbine (12) comprenant :
   - au moins une pale (23),
   - une plateforme (26), et
   - un pied (34) fixé à la plateforme (26),
   le pied présentant deux faces (36, 38) orientées respectivement vers l'amont et vers l'aval par référence à un flux de fluide parcourant la pale lors de l'utilisation du distributeur (16),
   au moins l’une des faces -36, 38) présentant une gorge (46) débouchant sur une face circonférentielle (44) du pied.
2. Secteur selon la revendication précédente, dans lequel les faces présentent chacune une gorge, les gorges s’étendant en direction l’une de l’autre, chacune des gorges débouchant sur deux faces circonférentielles (44) du pied.
3. Secteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le pied est constitué d’une structure en nid d’abeille.
4. Secteur selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le pied (34) s’étend en saillie d’un bord amont (50) de la plateforme (26) et/ou d’un bord aval (52) de la plateforme.
5. Secteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le pied (34) est d’un seul tenant.
6. Secteur selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le pied (34) forme une extrémité libre du secteur (32).
7. Secteur selon l’une quelconque des revendications précédentes qui comprend au moins une nervure (48) s’étendant d’un côté de la plateforme (26) faisant face au pied (34), par exemple au moins deux nervures (48).
8. Secteur selon la revendication précédente dans lequel la ou chaque nervure (48) a un axe présentant une inclinaison par rapport à une corde de la pale (23) comprise entre 0 et 20°.
9. Turbomachine (1) comprenant :
   - un carter (6),
   - un rotor comprenant au moins un disque rotatif (14) comprenant des aubes (18) présentant au moins un becquet (28, 30) s’étendant suivant une direction radiale à un axe (X-X) de la turbomachine, et
   - au moins un distributeur (16), notamment basse pression, rigidement solidaire du carter,
   le distributeur comprenant :
   - des pales (23),
   - une plateforme (26), et
   - un pied (34) fixé à la plateforme pouvant être constitué d’une structure en nid d’abeille et présentant au moins une gorge (46) recevant l’au moins un becquet des aubes (18).
10. Turbomachine selon la revendication précédente, comprenant au moins deux disques rotatifs (14) comprenant chacun des aubes (18) présentant des becquets (28, 30), le distributeur étant interposé entre les disques rotatifs (14) et le pied (34) comprenant deux gorges (46) recevant les becquets des aubes (18) respectives.
11. Turbomachine selon l’une des revendications 9 ou 10 qui comprend des léchettes (54) rigidement solidaires des disques rotatifs (14), le pied (34) s’étendant en regard des léchettes, les léchettes étant interposées entre le pied et l'axe de la turbomachine.