FR3134135A1 - Ensemble d’anneau de turbine à dispositif de refroidissement amélioré - Google Patents
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Abstract
Ensemble d’anneau de turbine à dispositif de refroidissement amélioré Ensemble d’anneau de turbine comportant un anneau de turbine en matériau composite à matrice céramique et un carter en alliage métallique (12) formant structure de support d'anneau, dans lequel le carter comporte une virole centrale (12a) de laquelle se déploient radialement des brides annulaires amont (26) et aval (28) entre lesquelles sont maintenues des pattes d'accrochage amont et aval (22, 24) s’étendant radialement d’une base annulaire (20) de chaque secteur d'anneau, la bride annulaire amont (26) étant pourvue de trous de ventilation destinés à alimenter un dispositif de refroidissement en air de refroidissement formé d’une pluralité de secteurs d’entretoise (14) en alliage métallique, chaque secteur d’entretoise s’étendant entre les pattes d’accrochage amont et aval pour en épouser la forme à une distance d de diffusion près, une partie radialement interne du secteur d’entretoise intégrant des trous de refroidissement (14a) formant diffuseur d’air pour refroidir par impact une surface externe (20b) de la base annulaire des secteurs d’anneau. Figure pour l’abrégé : Fig. 2.
Description
La présente invention se rapporte au domaine des turbines à gaz pour aviation (moteurs à réaction, à propulsion, moteurs d’hélicoptères), turbines à gaz pour générateurs électriques et turbines de turbocompresseurs.
La tendance actuelle en aéronautique est à une augmentation de la température des gaz en sortie de la chambre de combustion, conduisant à une élévation de température des composants de turbine. Le besoin de refroidir ces pièces est donc de plus en plus important. Or, l’air frais qui permet ce refroidissement est prélevé en sortie du compresseur haute pression et va donc contourner la chambre de combustion sans participer à la combustion, donc au rendement de la turbomachine.
C’est pourquoi, le recours à des matériaux composites à matrice céramique (CMC) sur les pièces de turbines les plus chaudes permet actuellement de réduire le besoin de les refroidir et donc corrélativement d’augmenter le rendement, car ces matériaux CMC sont performants à hautes températures. Ils permettent en outre un gain de masse car ils sont plus légers que les alliages métalliques traditionnellement utilisés pour ces pièces les plus chaudes.
Toutefois, l’intégration de ces pièces en CMC dans la turbomachine, du fait de la différence des coefficients de dilatation existant entre CMC et alliages métalliques, et aussi du fait de leur faible tenue mécanique, peut conduire à une rupture du CMC par sur-contrainte thermomécanique. Il convient donc de pouvoir y remédier pour éviter tout disfonctionnement de la turbomachine.
La présente invention a donc pour but principal de réduire la contrainte thermomécanique dans le CMC ainsi que de réduire encore le débit de refroidissement, tout en assurant à la fois un gain de masse et de performance à la turbomachine.
Ces buts sont atteints par un ensemble d’anneau de turbine comportant un anneau de turbine en matériau composite à matrice céramique et un carter en alliage métallique formant structure de support d'anneau, dans lequel le carter comporte une virole centrale qui s’étend autour de l’anneau de turbine et de laquelle se déploient radialement des brides annulaires amont et aval entre lesquelles sont maintenues des pattes d'accrochage amont et aval s’étendant radialement d’une base annulaire de chaque secteur d'anneau, la bride annulaire amont formée intégralement avec le carter étant pourvue de trous de ventilation destinés à alimenter un dispositif de refroidissement en air de refroidissement, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement est formé d’une pluralité de secteurs d’entretoise en alliage métallique, chaque secteur d’entretoise étant fixé aux brides annulaires amont et aval par des vis d’assemblage et s’étendant entre les pattes d’accrochage amont et aval pour en épouser la forme à une distancedde diffusion près, une partie radialement interne de chaque secteur d’entretoise intégrant des trous de refroidissement formant diffuseur d’air pour refroidir par impact une surface externe de la base annulaire des secteurs d’anneau.
Ainsi, l’introduction d’une entretoise en contact avec les brides annulaires évite toute contrainte sur le CMC tout en améliorant le débit de refroidissement par son diffuseur d’air intégré épousant au plus près la forme intérieure de l’anneau de turbine.
De préférence, l’ensemble d'anneau de turbine comporte en outre un support souple monté en appui radial et axial sur la bride annulaire aval et en appui axial sur les secteurs d’anneau de turbine pour maintenir ces derniers en contact axial avec la bride annulaire amont. Ainsi, du fait des dilatations thermiques ou des tolérances dimensionnelles des différents éléments, les réintroductions d’air de la veine chaude par ouverture de jeu axial entre anneaux et brides amont et aval sont évitées et la surcharge mécanique de l’anneau de turbine réduite.
Avantageusement, le support souple est réalisé en un alliage résistant au fluage, typiquement un alliage à base de nickel et présente une forme de S ou W.
De préférence, les secteurs d’entretoise formant diffuseur d’air sont en contact latéral plan avec les brides annulaires amont et aval.
Avantageusement, les secteurs d’entretoise, pour recevoir les vis d’assemblage, comportent des oreilles radiales au niveau d’orifices de fixation axialement décalés des brides annulaires amont et aval.
De préférence, les secteurs d’entretoise formant diffuseur d’air et les secteurs d’anneau sont séparés par un jeu radial à froid r réduit à zéro à chaud.
Avantageusement, des surfaces externes des pattes d'accrochage amont et aval qui sont en contact avec les secteurs d’entretoise sont recouvertes d’une couche de matériau abradable.
De préférence, la bride annulaire aval est constituée d’une juxtaposition sur 360° de flasques de rétention en appui cylindrique sur le carter.
L’invention concerne également une turbomachine comportant un ensemble d’anneau de turbine tel que précité.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur les lesquels :
Dans la suite de la description, les termes « amont » et « aval » seront utilisés en référence au sens axial d'écoulement du flux gazeux dans la turbine et les termes « interne » et « externe » sont pris dans la direction perpendiculaire selon que l’objet concerné est en contact ou non avec ce flux gazeux.
La montre en perspective trois secteurs adjacents 10 d'anneau de turbine en matériau composite à matrice céramique et une partie de révolution (cylindrique continue) associée au carter 12 en matériau métallique constituant structure de support d'anneau. Les secteurs d'anneau 10 sont simplement retenus radialement entre une pluralité de flasques 28 et de secteurs d’entretoise 14 fixés au carter par des vis d’assemblage 16. Les secteurs d’anneau sont juxtaposés sur 360° de sorte à former un anneau de turbine sectorisé (cylindrique discontinu avec des jeux inter-secteurs 18) entourant un ensemble d’aubes rotatives (non représentées).
Les efforts mécaniques transitent entre le carter et les flasques via les secteurs d’entretoise qui sont en contact latéral plan avec eux, permettant de ne pas charger les secteurs d’anneau en compression.
Comme le montre plus précisément la , les secteurs d’anneau ont une section sensiblement en forme de la lettre grecque π (pi) inversée avec une base annulaire 20 dont la face radialement interne 20a revêtue d'une couche de matériau abradable définit la veine aérodynamique d’air chaud dans la turbine et une face radialement externe 20b à partir de laquelle s'étendent deux pattes d'accrochage amont et aval 22, 24 s’écartant en direction axiale pour définir des extrémités radiales d’appui 22a, 24a et dont les surfaces externes qui sont en contact avec les secteurs d’entretoise 14 sont recouvertes d’une couche de matériau abradable 23 afin de limiter l’usure du secteur d’anneau en CMC.
Le carter de turbine 12 constituant structure de support d’anneau est formé d’une virole centrale 12a qui s’étend autour de l’anneau de turbine et de laquelle se déploient radialement, vers la veine aérodynamique d’écoulement du flux gazeux d’air chaud, deux parties, à savoir une première partie correspondant à une bride radiale annulaire amont 26 qui est de préférence formée intégralement avec le carter de turbine 12 et une deuxième partie correspondant à un ensemble de flasques de rétention 28 en appui cylindrique sur le carter de turbine 12 et fixés à lui par des liaisons boulonnées (non représentées). La bride radiale annulaire amont 26 comporte à son extrémité libre un bras axial 26a formant une partie terminale de support axial pour les pattes d’accrochage amont 22 des secteurs d'anneau. Du côté aval, une fois juxtaposés sur 360°, les flasques de rétention 28 forment une bride radiale annulaire aval avec à son extrémité libre un bras axial 28a formant une partie terminale de support axial pour les pattes d’accrochage aval 24 des secteurs d'anneau.
Afin de permettre une dilation axiale des secteurs d’anneau en CMC, un support souple 30 est en outre monté à la fois en appui radial et axial sur le flasque de rétention 28 et en appui axial sur l’extrémité radiale 24a de la patte d’accrochage aval 24 des secteurs d’anneau. Cet appui axial permet de maintenir les secteurs d’anneau en contact axial avec la bride radiale annulaire amont 26. Le support souple est réalisé en un alliage métallique (par exemple un alliage à base de nickel) résistant au fluage et présentant avantageusement une forme de S ou de W.
Une fois les secteurs d’anneau juxtaposés, la face externe 20b de la base annulaire 20 et les pattes radiales d'accrochage 22, 24 de l'anneau de turbine forment avec la virole centrale 12a du carter et les deux brides radiales annulaires 26 et 28, une cavité annulaire hors-veine 32, autrement dit une cavité pressurisée externe à la veine aérodynamique d’air chaud, dans laquelle est monté le dispositif de refroidissement formé par la pluralité de secteurs d’entretoise 14 s’étendant entre les pattes d’accrochage amont et aval pour en épouser la forme à une distancedde diffusion près (typiquement de l’ordre de 0.5 à 2mm) et comportant chacune sur une partie radialement interne formant sa face en regard de la base annulaire 20 un diffuseur d’air. Ces secteurs d’entretoise en alliage métallique sont fixés au carter 12 par les vis d’assemblage 16 (typiquement deux vis par secteur d’entretoise) et sont percés de trous de refroidissement 14a formant le diffuseur d’air proprement dit. Le diffuseur d’air en épousant au plus près la forme de la surface radialement externe 20b de la base annulaire permet d’assurer un refroidissement par impact de la base annulaire de l’anneau grâce à la différence de pression existant entre la cavité hors-veine 32 et la veine aérodynamique d’air chaud. Les secteurs d’entretoise sont percés de façon à permettre un refroidissement par impact des pattes radiales d’accrochage 22 et 24 en plus de la base annulaire 20. Comme illustré dans les figures 2 et 3, l'air frais assurant le refroidissement est amené depuis le côté extérieur de l'anneau de turbine par des trous de ventilation 34 formés dans la bride radiale annulaire amont 26 entre les orifices de fixation 26b des vis d’assemblage 16, puis dirigé vers la surface radialement externe 20B de la base annulaire 20 au travers des trous de refroidissement 14a des secteurs d’entretoise 14. Pour cela, chacun des secteurs d’entretoise 14 peut comporter, des oreilles radiales 14b au niveau des orifices de fixation ou inversement une réduction de hauteur sur toute la longueur des trous de refroidissement.
La montre un jeu radialrexistant à froid (à température ambiante) entre le secteur d’entretoise 14 et le secteur d’anneau 10 reposant sur les bras axiaux 26a, 28a des brides radiales annulaires amont et aval et réduit à zéro à chaud.
En fonctionnement, lorsque les pièces chauffent, la variation du jeu axial entre les brides radiales annulaires amont et aval est reprise par une variation de l’allongement du support souple 30 permettant ainsi de ne pas surcharger mécaniquement l’anneau CMC. Le différentiel de pression entre la cavité hors-veine 32 et la veine aérodynamique d’air chaud permet de maintenir l’anneau appuyé sur les bras axiaux 26a et 28a.
Le carter formant structure de support d'anneau est réalisé en un matériau métallique, et chaque secteur d'anneau est réalisé d’un seul tenant (d’une seule pièce) par formation d'une préforme fibreuse ayant une forme voisine de celle du secteur d'anneau et densification de la préforme fibreuse par une matrice céramique. Pour la réalisation de la préforme fibreuse, on peut utiliser des fils en fibres céramique, par exemple des fils en fibres SiC, ou des fils en fibres de carbone. La préforme fibreuse est avantageusement réalisée par tissage tridimensionnel, ou tissage multicouches. Le tissage peut être de type interlock. D'autres armures de tissage tridimensionnel ou multicouches peuvent être utilisées comme par exemple des armures multi-toile ou multi-satin. On pourra pour cela se référer au document WO 2006/136755. Après tissage, l'ébauche peut être mise en forme pour obtenir une préforme de secteur d'anneau qui est ensuite consolidée et densifiée par une matrice céramique, la densification pouvant être réalisée notamment par infiltration chimique en phase gazeuse (CVI) qui est bien connue en soi. Un exemple détaillé de fabrication de secteurs d'anneau en CMC est notamment décrit dans le document US 2012/0027572.
Claims (10)
- Ensemble d'anneau de turbine comprenant un anneau de turbine en matériau composite à matrice céramique (10) et un carter en alliage métallique (12) formant structure de support d'anneau, dans lequel le carter comporte une virole centrale (12a) qui s’étend autour de l’anneau de turbine (10) et de laquelle se déploient radialement des brides annulaires amont (26) et aval (28) entre lesquelles sont maintenues des pattes d'accrochage amont et aval (22, 24) s’étendant radialement d’une base annulaire (20) de chaque secteur d'anneau, la bride annulaire amont (26) formée intégralement avec le carter étant pourvue de trous de ventilation (34) destinés à alimenter un dispositif de refroidissement en air de refroidissement, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement est formé d’une pluralité de secteurs d’entretoise (14) en alliage métallique, chaque secteur d’entretoise (14) étant fixé aux brides annulaires amont et aval par des vis d’assemblage (16) et s’étendant entre les pattes d’accrochage amont et aval pour en épouser la forme à une distancedde diffusion près, une partie radialement interne de chaque secteur d’entretoise (14) intégrant des trous de refroidissement (14a) formant diffuseur d’air pour refroidir par impact une surface externe (20b) de la base annulaire des secteurs d’anneau.
- Ensemble d'anneau de turbine selon la revendication 1, comportant en outre un support souple (30) monté en appui radial et axial sur la bride annulaire aval (28) et en appui axial sur les secteurs d’anneau de turbine (10) pour maintenir ces derniers en contact axial avec la bride annulaire amont (26).
- Ensemble d'anneau de turbine selon la revendication 2, dans lequel le support souple (30) est réalisé en un alliage résistant au fluage, typiquement un alliage à base de nickel.
- Ensemble d'anneau de turbine selon la revendication 2, dans lequel le support souple présente une forme de S ou de W.
- Ensemble d'anneau de turbine selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les secteurs d’entretoise formant diffuseur d’air sont en contact latéral plan avec les brides annulaires amont et aval.
- Ensemble d'anneau de turbine selon la revendication 5, dans lequel les secteurs d’entretoise formant diffuseur d’air (14), pour recevoir les vis d’assemblage (16), comportent des oreilles radiales (14b) au niveau d’orifices de fixation axialement décalés (26b) des brides annulaires amont et aval (26, 28).
- Ensemble d'anneau de turbine selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les secteurs d’entretoise formant diffuseur d’air (14) et les secteurs d’anneau (10) sont séparés par un jeu radial à froidrréduit à zéro à chaud.
- Ensemble d'anneau de turbine selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel des surfaces externes des pattes d'accrochage amont et aval (22, 24) qui sont en contact avec les secteurs d’entretoise (14) sont recouvertes d’une couche de matériau abradable (23).
- Ensemble d'anneau de turbine selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la bride annulaire aval est constituée d’une juxtaposition sur 360° de flasques de rétention (28) en appui cylindrique sur le carter (12).
- Turbomachine aéronautique comportant un ensemble d’anneau de turbine selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
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