FR3128970A1 - Dispositif d’etancheite a labyrinthe pour une turbomachine d’aeronef - Google Patents

Dispositif d’etancheite a labyrinthe pour une turbomachine d’aeronef Download PDF

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Antoine Robert Alain BRUNET
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Abstract

Dispositif d’étanchéité du type à labyrinthe pour une turbomachine d’aéronef, ce dispositif comportant : - un rotor comprenant au moins une léchette annulaire externe (12a, 12b), et - un stator comprenant un revêtement annulaire (16) en matériau abradable qui s’étend autour de la léchette (12a, 12b) et qui est configuré pour coopérer en fonctionnement avec la léchette (12a, 12b) pour former une étanchéité du type à labyrinthe par rapport à un flux de gaz qui s’écoule axialement d’amont en aval à travers le rotor, le revêtement (16) comportant : - une surface cylindrique interne (30a, 30b) s’étendant autour de la léchette (12a, 12b) et apte à venir au contact de la léchette pour former par frottement une rainure annulaire, et, en amont de la léchette (12a, 12b), une gorge annulaire (32a, 32b) préformée. Figure pour l'abrégé : Figure 5

Description

DISPOSITIF D’ETANCHEITE A LABYRINTHE POUR UNE TURBOMACHINE D’AERONEF
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne un dispositif d’étanchéité du type à labyrinthe pour une turbomachine d’aéronef, ainsi qu’une turbomachine d’aéronef comportant un tel dispositif.
Arrière-plan technique
L’arrière-plan technique comprend notamment les documents FR-A1-2 825 411, FR-A1-3 071 540, FR-A1-3 072 413.
Dans une turbomachine d’aéronef, un dispositif d’étanchéité du type à labyrinthe comprend classiquement un rotor comprenant au moins une léchette annulaire externe, et un stator comprenant un revêtement annulaire en matériau abradable qui s’étend autour de la léchette et qui est configuré pour coopérer en fonctionnement avec la léchette. Le frottement de la léchette sur le revêtement crée une rainure annulaire dans le revêtement et la léchette est destinée à être logée dans cette rainure pour réduire les jeux entre le rotor et le stator et former ainsi une étanchéité entre le rotor et le stator par rapport à un flux de gaz qui s’écoule axialement dans la turbomachine et travers le rotor.
Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal des flux de gaz (de l'amont vers l'aval) dans la turbomachine. Cet écoulement se fait le long d’un axe de la turbomachine qui est l’axe de rotation du rotor. La direction axiale correspond à la direction de l'axe de la turbomachine, et une direction radiale est une direction perpendiculaire à l'axe de la turbomachine et coupant cet axe. De même, un plan axial est un plan contenant l'axe de la turbomachine, et un plan radial est un plan perpendiculaire à cet axe. Les adjectifs "intérieur" et "extérieur" sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie intérieure d'un élément est, suivant une direction radiale, plus proche de l'axe de la turbomachine que la partie extérieure du même élément.
Une turbomachine d’aéronef peut comprendre un ou plusieurs dispositifs d’étanchéité du type précité, par exemple dans un compresseur ou une turbine de la turbomachine.
Par exemple, un dispositif d’étanchéité est couramment utilisé à la périphérie d’un aubage de rotor d’un compresseur ou d’une turbine (classique ou contra-rotative par exemple), comme illustré à la . Cet aubage 10 comporte à sa périphérie externe une ou plusieurs léchettes annulaires 12 qui sont orientées radialement vers l’extérieur et peuvent être inclinées axialement. Lors de la rotation de l’aubage 10, ces léchettes 12 forment des rainures 14 dans le revêtement abradable 16 fixé sur un carter 18 (cf. figures 1 et 2). Ce revêtement 16 est généralement sous la forme d’une structure en nid d’abeille (appelée « Nida ») et comportent des alvéoles orientées radialement. Cette structure permet une étanchéité axiale tout en réduisant la résistance à la coupe en direction tangentielle. Une fois les rainures 14 formées dans le revêtement 16, les jeux entre les léchettes 12 et le revêtement 16 peuvent être contrôlés par un système 20 de ventilation du carter 18 dans le cas d’une turbine, afin de minimiser les jeux entre le rotor et le stator, et ainsi réduire les fuites et améliorer les performances de la turbomachine.
Lorsque les léchettes 12 entrent en contact avec le revêtement 16, lors de la formation des rainures 14, un effort de coupe et/ou de frottement est généré. Cet effort en direction tangentielle s’applique sur les aubes 22 de l’aubage 10 et peut varier en fonction de la dureté du revêtement 16 et des léchettes 12, de la taille des surfaces en contact, et de la vitesse de pénétration des léchettes 12 dans le revêtement 16.
L’effort tangentiel appliqué sur les léchettes 12 des aubes 22 provoque une flexion de la pale entrainant un effet de décambrage et se traduisant par une augmentation du rayon du sommet des léchettes 12. Le rayon des léchettes 14 augmentant, la pénétration dans le revêtement 16 et donc l’effort tangentiel augmentent également. Ce phénomène est appelé auto-engagement des aubes 22 et est schématiquement illustré par la flèche F1 à la .
La géométrie des aubes 22, et notamment le calage et la courbure de leurs pales, a pour conséquence de générer un déplacement vers l’amont du sommet des aubes 22 lorsqu’un effort purement tangentiel est appliqué. Ainsi, en plus d’une augmentation du rayon des léchettes 14, une avancée de celles-ci vis-à-vis du revêtement 16 est produite lorsqu’un effort tangentiel est appliqué (cf. flèche F2 à la ). Les léchettes 12 arrivent ainsi dans une zone du revêtement 16 qui n’a pas encore été usée, ce qui augmente encore l’effort tangentiel appliqué. Il s’installe donc un phénomène divergent qui ne s’arrête que lorsque les léchettes 12 ne sont plus en contact avec le revêtement 16, ou lorsqu’un contact axial avec une autre pièce arrête l’avancée de l’aube 22 (contact par exemple en C1 à la entre un talon 24 de l’aube 22 et un distributeur 26 situé en amont), une rupture d’une ou plusieurs pièces, ou un arrêt de la turbomachine. On appelle ce phénomène « louvoiement » de l’aubage 10.
Lorsque le phénomène de louvoiement s’engage, il peut se traduire par l’apparition d’endommagements dans les aubes 22 et des contacts rotor-stator entre les aubes 22 et les distributeurs 26. Ces endommagements entrainent des démontages prématurés et remplacement des pièces, et donc des opérations de maintenance très onéreuses.
Plusieurs solutions ont été mises en œuvre pour répondre à ce problème technique mais ne sont pas entièrement satisfaisantes.
La présente invention propose une solution simple, efficace et économique à ce problème.
L’invention concerne un dispositif d’étanchéité du type à labyrinthe pour une turbomachine d’aéronef, ce dispositif comportant :
- un rotor ayant un axe de rotation et comprenant au moins une léchette annulaire externe s’étendant autour dudit axe, et
- un stator s’étendant autour de l’axe, ce stator comprenant un revêtement annulaire en matériau abradable qui s’étend autour de la léchette et qui est configuré pour coopérer en fonctionnement avec la léchette pour former une étanchéité du type à labyrinthe par rapport à un flux de gaz qui est destiné à s’écouler axialement d’amont en aval à travers le rotor, le revêtement comportant une surface cylindrique interne s’étendant autour de la léchette et apte à venir au contact de la léchette pour former par frottement une rainure annulaire s’étendant autour de l’axe,
caractérisé en ce que ladite surface comporte, en amont de la léchette, une gorge annulaire préformée qui s’étend autour de l’axe et qui est apte à recevoir ladite léchette en cas de déplacement axial vers l’amont du rotor vis-à-vis du stator.
Dans la présente demande, il y a une distinction entre une rainure qui est formée par frottement d’une léchette contre le revêtement au cours du fonctionnement de la turbomachine, et une gorge qui est préformée dans le revêtement lors de sa fabrication. Autrement dit, dans le cas où le dispositif comprendrait un revêtement neuf (jamais utilisé dans une turbomachine), ce revêtement ne comprendrait qu’une ou plusieurs gorges. Dans le cas d’un dispositif déjà utilisé dans une turbomachine, le revêtement de ce dispositif comprendrait au moins une gorge et au moins une rainure.
La rainure qui est formée par une léchette est, en position normale de fonctionnement du rotor vis-à-vis du stator, située au droit de la léchette ou de sa périphérie externe. C’est-à-dire que la rainure et la léchette (ou sa périphérie) sont situées dans un même plan perpendiculaire à l’axe. Au contraire, la gorge est située en amont de la rainure et de la léchette et est de préférence située à une distance axiale prédéterminée de façon à éviter ou limiter le phénomène de louvoiement précité.
Dans le cas précité où le rotor ou une partie du rotor se déplacerait axialement vers l’amont, la léchette se retrouverait logée dans la gorge préformée. Cette gorge interromprait ainsi le contact entre la léchette et le revêtement et freinerait ou stopperait cette course axiale, ce qui permettrait de limiter le phénomène de louvoiement. Ainsi, le risque de dégradation du rotor et de contact rotor-stator serait évité.
Le dispositif selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- le rotor comprend au moins une léchette amont et une léchette aval, les léchettes amont et aval étant entourées par une même surface cylindrique du revêtement ou par deux surfaces cylindriques distinctes, respectivement amont et aval, du revêtement ;
- la surface cylindrique qui s’étend autour des léchettes amont et aval comprend une gorge préformée en amont de la léchette amont, et/ou une gorge préformée en amont de la léchette aval ;
- la surface cylindrique amont comprend une gorge préformée en amont de la léchette amont, et/ou la surface cylindrique aval comprend une gorge préformée en amont de la léchette aval ;
- les surfaces cylindriques amont et aval sont étagées et comprennent des diamètres différents ;
- la gorge est intercalée axialement entre les deux surfaces cylindriques ;
- la ou chaque gorge est située à une distance axiale en amont de la léchette correspondante, qui est inférieure ou égale à la moitié de la distance axiale entre les deux léchettes ;
-- en variante, la ou chaque gorge est située à une distance axiale en amont de la léchette correspondante, qui est supérieure à la moitié de la distance axiale entre les deux léchettes ;
-- la distance axiale est comprise entre 1 et 20mm, et de préférence entre 1 et 5mm ; voire plus sur certains moteurs de grande taille ;
- la ou chaque gorge a une profondeur ou dimension radiale inférieure ou égale à une épaisseur ou dimension radiale d’une zone du revêtement dans laquelle est formée cette gorge ;
- la ou chaque gorge a une dimension axiale supérieure ou égale à la moitié d’une épaisseur axiale de la léchette correspondante, cette épaisseur étant mesurée au niveau d’une périphérie externe de cette léchette ;
- le nombre de gorges préformées est inférieur ou égal au nombre de léchettes ;
-- le nombre de gorges et de rainures est supérieur au nombre de léchettes ;
- la ou chaque gorge est située à distance axiale d’une extrémité axiale amont de la surface cylindrique dans laquelle est formée cette gorge ;
- le rotor est un aubage de compresseur ou de turbine, et le stator est un anneau d’étanchéité porté par un carter de ce compresseur ou de cette turbine.
L’invention concerne également une turbomachine d’aéronef, comprenant au moins un dispositif tel que décrit ci-dessus.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
La est une vue schématique partielle en coupe axiale d’un dispositif d’étanchéité d’une turbomachine d’aéronef, selon la technique antérieure à la présente invention ;
La est une vue similaire à celle de la et illustre la formation de rainures par des léchettes du dispositif dans un revêtement abradable du dispositif ;
La est une vue similaire à celle de la et illustre le déplacement axial vers l’amont du rotor par rapport au stator du dispositif ;
La est une vue similaire à celle de la et illustre le contact axial entre le rotor du dispositif et un stator de la turbomachine ;
La est une vue schématique partielle en coupe axiale d’un dispositif d’étanchéité d’une turbomachine d’aéronef, selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
La est une vue similaire à celle de la et illustre une position de repos du dispositif ;
La est une vue similaire à celle de la et illustre une première position de fonctionnement du dispositif ;
La est une vue similaire à celle de la et illustre une seconde position de fonctionnement du dispositif ;
La est une vue similaire à celle de la et illustre une troisième position de fonctionnement du dispositif ;
La est une vue similaire à celle de la et illustre une quatrième position de fonctionnement du dispositif ;
La est une vue similaire à celle de la et illustre un second mode de réalisation de l’invention ;
La est une vue similaire à celle de la et illustre un troisième mode de réalisation de l’invention ;
La est une vue similaire à celle de la et illustre un quatrième mode de réalisation de l’invention ;
La est une vue similaire à celle de la et illustre un cinquième mode de réalisation de l’invention ;
La est une vue similaire à celle de la et illustre un sixième mode de réalisation de l’invention.

Claims (12)

  1. Dispositif d’étanchéité du type à labyrinthe pour une turbomachine d’aéronef, ce dispositif comportant :
    - un rotor ayant un axe de rotation et comprenant au moins une léchette annulaire externe (12a, 12b) s’étendant autour dudit axe, et
    - un stator s’étendant autour de l’axe, ce stator comprenant un revêtement annulaire (16) en matériau abradable qui s’étend autour de la léchette (12a, 12b) et qui est configuré pour coopérer en fonctionnement avec la léchette (12a, 12b) pour former une étanchéité du type à labyrinthe par rapport à un flux de gaz qui est destiné à s’écouler axialement d’amont en aval à travers le rotor, le revêtement (16) comportant une surface cylindrique interne (30a, 30b) s’étendant autour de la léchette (12a, 12b) et apte à venir au contact de la léchette pour former par frottement une rainure annulaire s’étendant autour de l’axe,
    caractérisé en ce que ladite surface (30a, 30b) comporte, en amont de la léchette (12a, 12b), une gorge annulaire (32a, 32b) préformée qui s’étend autour de l’axe et qui est apte à recevoir ladite léchette (12a, 12b) en cas de déplacement axial vers l’amont du rotor vis-à-vis du stator
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le rotor comprend au moins une léchette amont (12a) et une léchette aval (12b), les léchettes amont et aval (12a, 12b) étant entourées par une même surface cylindrique (30) du revêtement (16) ou par deux surfaces cylindriques distinctes, respectivement amont (30a) et aval (30b), du revêtement (16).
  3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel :
    - dans le cas où les léchettes amont et aval (12a, 12b) sont entourées par une même surface cylindrique (30) du revêtement (16), cette surface cylindrique (30) comprend une gorge (32a) préformée en amont de la léchette amont (12a), et/ou une gorge (32b) préformée en amont de la léchette aval (12b), ou
    - dans le cas où les léchettes amont et aval (12a, 12b) sont entourées par deux surfaces cylindriques distinctes, respectivement amont (30a) et aval (30b) du revêtement (16), la surface cylindrique amont (30a) comprend une gorge (32a) préformée en amont de la léchette amont (12a), et/ou la surface cylindrique aval (30b) comprend une gorge (32b) préformée en amont de la léchette aval (12b).
  4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, dans lequel les surfaces cylindriques amont et aval (30a, 30b) sont étagées et comprennent des diamètres différents.
  5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la gorge (32b) est intercalée axialement entre les deux surfaces cylindriques (30a, 30b).
  6. Dispositif selon l’une des revendications 2 à 5, dans lequel la ou chaque gorge (32a, 32b) est située à une distance axiale (L1) en amont de la léchette (12a, 12b) correspondante, qui est inférieure ou égale à la moitié de la distance axiale (L2) entre les deux léchettes (12a, 12b).
  7. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la ou chaque gorge (32a, 32b) a une profondeur ou dimension radiale (H1) inférieure ou égale à une épaisseur ou dimension radiale d’une zone du revêtement (16) dans laquelle est formée cette gorge (32a, 32b).
  8. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la ou chaque gorge (32a, 32b) a une dimension axiale (E1) supérieure ou égale à la moitié d’une épaisseur axiale (E2) de la léchette (12a, 12b) correspondante, cette épaisseur étant mesurée au niveau d’une périphérie externe de cette léchette.
  9. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le nombre de gorges (32a, 32b) préformées est inférieur ou égal au nombre de léchettes (12a, 12b).
  10. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 3, et 5 à 7, dans lequel la ou chaque gorge (32a, 32b) est située à distance axiale d’une extrémité axiale amont de la surface cylindrique (30a, 30b) dans laquelle est formée cette gorge (32a, 32b).
  11. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le rotor est un aubage (10) de compresseur ou de turbine, et le stator est un anneau d’étanchéité (28) porté par un carter (18) de ce compresseur ou de cette turbine.
  12. Turbomachine d’aéronef, comprenant au moins un dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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