FR3139856A1 - Roue de turbomachine - Google Patents

Abstract

ROUE DE TURBOMACHINE Le présent document concerne une roue de turbomachine d’axe (X) comprenant une pluralité de pales (20) s’étendant radialement et reliées à l’une de leurs extrémités radiales à une plateforme (30) annulaire portant au moins une léchette annulaire s’étendant radialement depuis ladite plateforme (30) à l’opposé des pales (20) pour coopérer avec un anneau en matériau abradable en vis-à-vis radial, ladite au moins une léchette annulaire comprenant une léchette amont (40a) à l’amont suivant le sens d’écoulement des gaz à travers la roue, la roue comprenant au moins une surface de déflexion (50) s’étendant selon une directrice (DR) essentiellement radiale depuis une face radialement externe (31) de la plateforme (30) située à l’amont de la léchette amont (40a) suivant le sens d’écoulement des gaz à travers la roue. Figure de l’abrégé : Figure 2

Description

ROUE DE TURBOMACHINE

La présente divulgation se rapporte à une roue de turbomachine, telle qu’une roue de turbine. Elle se rapporte également à une turbomachine, telle qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur d’aéronef, comprenant une telle roue.

La représente schématiquement une turbomachine 1 à double flux. La turbomachine 1 comprend, de manière générale, de l’amont AM vers l’aval AV selon le sens d’écoulement des gaz au sein de la turbomachine 1, une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6, une turbine basse pression 7 et un système d’échappement à l’arrière-corps de la turbomachine 1.

Le flux de gaz, notamment de l’air, entrant en amont de la turbomachine 1 circule d’abord à travers la soufflante 2 puis se divise, d’une part, dans une veine de circulation annulaire dite veine primaire 8, et d’autre part, dans une veine de circulation annulaire dite veine secondaire 9 entourant la veine primaire 8. Le compresseur basse pression 3, le compresseur haute pression 4, la chambre de combustion 5, la turbine haute pression 6 et la turbine basse pression 7 sont ménagés dans la veine primaire 8.

Dans le présent document, les termes « longitudinal », « radial » et « circonférentiel » sont définis par rapport à l’axe X de la turbomachine 1, l’axe X étant confondu avec l’axe de rotation des rotors basse pression et haute pression de la turbomachine 1. Les termes « intérieur » et « extérieur », ainsi que « interne » et « externe », sont alors définis selon la direction radiale par rapport à l’axe X.

La partie basse de la représente une vue agrandie de la zone délimitée en pointillés sur la partie haute de la . La turbine basse pression 7 comporte un stator 11 et un rotor 12 apte à pivoter par rapport au stator 11 autour de l’axe X de la turbomachine 1. Le rotor 12 comprend une pluralité de roues 10 ou rangées annulaires d’aubes mobiles disposées axialement en alternance avec des rangées annulaires d’aubes de stator 13 du stator 11, les extrémités radialement externes des aubes de stator 13 étant fixées à un carter 14 de la turbine entourant les rangées annulaires d’aubes mobiles et d’aubes de stator.

Les roues 10 comportent des aubes de rotor 15 réparties autour de l’axe X de la turbomachine 1 et portées par des disques 16 solidaires les uns des autres, les disques 16 étant reliés entre eux par des viroles annulaires 17 s’étendant axialement.

Chaque roue 10 comprend une plateforme annulaire radialement interne 18 et une plateforme annulaire radialement externe 19 délimitant la veine primaire et entre lesquelles s’étendent une pluralité de pales 20. Chaque roue peut être formée d’une pluralité d’aubes juxtaposées circonférentiellement. Chaque aube peut ainsi comprendre une pale 20 dont une extrémité radialement externe est reliée à un secteur de plateforme externe et dont une extrémité interne est reliée à un secteur de plateforme radialement interne.

La plateforme externe 19 porte des léchettes 40 annulaires s’étendant radialement vers l’extérieur depuis la plateforme externe 19. Lesdites léchettes annulaires 40 coopèrent avec un anneau 21 en matériau abradable porté par le carter 14 de la turbine, de manière à former un joint apte à assurer une étanchéité dynamique en fonctionnement.

Il a été constaté que des circulations d’air parasites persistent entre l’anneau en matériau abradable et le sommet des léchettes annulaires. De plus, ce phénomène de fuite d’air chaud au niveau de l’extrémité radialement externe des aubes s’accentue au fur et à mesure de l’érosion, par frottements du sommet des léchettes au contact de l’anneau en matériau abradable. Cette érosion peut de plus être aggravée par l’environnement thermique. Ceci impacte négativement les performances de la turbomachine.

Dès lors, il existe un besoin d’amélioration des performances d’étanchéité en bout d’aube d’une turbomachine de manière à améliorer le rendement de la turbomachine.

L’invention vise à apporter une solution simple, fiable et économique à ce besoin.

Résumé

Ainsi, le présent document propose une roue de turbomachine présentant un axe. L’axe de la roue peut notamment être confondu avec l’axe de la turbomachine. La roue comprend une pluralité de pales s’étendant radialement et reliées à l’une de leurs extrémités radiales à une plateforme annulaire portant au moins une léchette annulaire s’étendant radialement depuis ladite plateforme à l’opposé des pales pour coopérer avec un anneau en matériau abradable en vis-à-vis radial. Ladite au moins une léchette annulaire comprend une léchette amont à l’amont suivant le sens d’écoulement des gaz à travers la roue. De plus, la roue comprend au moins une surface de déflexion s’étendant suivant une directrice essentiellement radiale depuis une face radialement externe de la plateforme située à l’amont de la léchette amont suivant le sens d’écoulement des gaz à travers la roue. Le terme « essentiellement radiale » s’entend en ce sens que la directrice DR comprend une composante radiale majoritaire par rapport aux composantes dans les autres directions de la directrice. La surface de déflexion forme notamment une saillie se détachant progressivement d’amont en aval suivant le sens de rotation de la roue, depuis la face amont de la léchette amont. Une extrémité circonférentielle aval de la surface de déflexion à l’aval suivant le sens de rotation de la roue, présente un premier point d’extrémité sur la face radialement externe de la plateforme. Ledit premier point est localisé à une première distance suivant l’axe d’un deuxième point d’une face amont de la léchette amont, le deuxième point ayant un positionnement le plus en aval suivant l’axe. La première distance est comprise entre 10% et 100% d’une deuxième distance suivant l’axe entre le deuxième point et une extrémité amont de la plateforme, notamment entre 20% et 80% de la deuxième distance, préférablement entre 30% et 60% de la deuxième distance. Cette condition sur la première distance permet notamment de s’assurer que l’extrémité circonférentielle aval de la surface de déflexion présente une position suffisamment en amont pour permettre une déviation efficace du flux de gaz vers l’amont.

Une telle surface de déflexion permet avantageusement de faire recirculer vers l’amont une partie du flux de gaz impactant la face amont de la léchette amont. Ceci offre l’avantage considérable de réduire les fuites de gaz entre les léchettes et l’anneau en matériau abradable. En effet, lorsque l’air impacte la face amont de la léchette amont, une partie du flux de gaz est dévié vers l’amont par la surface de déflexion, et par conséquent ne remonte pas radialement jusqu’à une extrémité radialement externe de la léchette amont, diminuant ainsi les fuites en bord d’aubes. En conséquence, ladite roue permet d’augmenter les performances de la turbomachine.

Dans le présent document, la plateforme et les léchettes sont présentées comme étant annulaires. Ce terme doit s’entendre comme indiquant que la plateforme et les léchettes s’étendent annulairement sur 360°. La plateforme peut être formée d’une pluralité de secteurs de plateforme juxtaposées circonférentiellement bout à bout. De la même manière, chaque léchette annulaire de ladite au moins une léchette annulaire peut comprendre une pluralité de secteurs de léchette distribués circonférentiellement bout-à-bout. Chaque roue peut être formée d’une pluralité d’aubes juxtaposées circonférentiellement. Chaque aube peut ainsi comprendre une pale dont une extrémité radialement externe est reliée à un secteur de plateforme externe et dont une extrémité interne est reliée à un secteur de plateforme radialement interne. Dans cette configuration, chaque secteur de léchette peut ainsi présenter une surface de déflexion. Dans une configuration alternative, seuls certains des secteurs de léchettes peuvent comprendre une surface de déflexion.

Ladite au moins une léchette annulaire peut comprendre une pluralité de léchettes annulaires, notamment deux léchettes dont une léchette amont et une léchette aval à l’aval de la léchette amont suivant le sens d’écoulement des gaz à travers la roue.

La léchette amont peut comprendre un évidement sur une face aval de la léchette amont, opposée à la face amont de la léchette amont. Un tel évidement permet de compenser la masse supplémentaire due à la surépaisseur induite par la mise en œuvre de la surface de déflexion.

Avantageusement, l’extrémité circonférentielle aval de la surface de déflexion comprend un troisième point d’extrémité à l’opposé du premier point. Ledit troisième point est localisé à une troisième distance radiale d’une extrémité radialement externe de la léchette amont suivant la direction radiale.

La troisième distance est de préférence supérieure à 10% d’une hauteur de la léchette amont, de préférence comprise entre 30% et 50% de la hauteur de la léchette amont.

Le troisième point peut notamment être positionné en limite de pénétration de la léchette amont dans l’anneau en matériau abradable.

En outre, la surface de déflexion peut avantageusement être plane. Alors, un angle α, entre le plan de la surface de déflexion et le sens de rotation de la roue, peut avantageusement être compris entre 10° et 30°. Une surface de déflexion plane présente l’avantage d’être plus aisée à réaliser.

Alternativement, la surface de déflexion peut être incurvée suivant le sens de rotation de la roue. Alors, la surface de déflexion peut avantageusement présenter une forme se détachant de manière progressive depuis la face amont de la léchette amont.

La directrice peut être inclinée par rapport à la direction radiale d’un angle β compris entre 0° et 30°.

La directrice peut avantageusement être radiale.

Dans la configuration où la léchette amont est formée de la pluralité de secteurs de léchette, la surface de déflexion peut déboucher sur un bord circonférentiel aval, suivant le sens de rotation de la roue, du secteur de léchette correspondant.

La surface de déflexion peut se prolonger à l’aval, suivant le sens de rotation de la roue, par une deuxième surface plane parallèle au sens de rotation de la roue.

Selon un autre aspect, il est décrit une turbine comprenant la roue telle que précédemment décrite, en particulier une pluralité de roues. La turbine est de préférence une turbine basse pression.

Selon un autre aspect, il est décrit une turbomachine, tel qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur, comprenant la turbine.

D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :

Fig. 1

illustre respectivement une vue en coupe schématique d’une turbomachine et une vue en coupe schématique à plus grande échelle de la zone délimitée par des pointillés.

Fig. 2 et Fig. 3

et illustrent deux vues schématiques partielles d’un exemple d’aube d’une roue de turbomachine selon le présent document.

Fig. 4

illustre schématiquement une vue en coupe d’un exemple de léchette amont de la roue de turbomachine présent document.

Fig. 5

illustre schématiquement une vue en coupe partielle d’un exemple d’aube de la roue de turbomachine selon le présent document.

Fig. 6

illustre une vue schématique d’un autre exemple d’aube de la roue de turbomachine selon le présent document.

Il est maintenant fait référence aux figures 2 et 3 représentant schématiquement deux vues d’une partie d’aube d’une roue 10 de turbomachine d’axe X selon le présent document. De préférence, une telle roue est mise en œuvre dans une turbine, notamment une turbine basse pression, ou dans un compresseur d’une turbomachine telle que précédemment décrit en référence à la . Le présent document concerne aussi tout type de turbomachine comprenant une telle turbine ou un tel compresseur, par exemple un turbopropulseur ou un turboréacteur pour avion, de préférence un turboréacteur double flux.

La roue 10 comprend une pluralité de pales 20 s’étendant radialement et reliées à l’une de leurs extrémités radiales à une plateforme 30 annulaire portant au moins une léchette annulaire 40a, 40b s’étendant radialement depuis ladite plateforme 30 à l’opposé des pales 20. Chaque léchette annulaire 40a, 40b est apte à coopérer avec un anneau en matériau abradable en vis-à-vis radial, de manière à former un joint apte à assurer une étanchéité dynamique en fonctionnement. L’anneau en matériau abradable peut en particulier présenter une structure alvéolaire.

Ladite au moins une léchette annulaire 40a, 40b peut comprendre plusieurs léchettes annulaires, de préférence deux léchettes, une léchette amont 40a et une léchette aval 40b à l’aval de la léchette amont 40a suivant le sens d’écoulement des gaz à travers la roue 10. Autrement dit, la léchette amont 40a est la première léchette de la roue 10 contre laquelle les gaz affluent.

La plateforme 30 peut notamment être une plateforme annulaire radialement externe 19. Les léchettes annulaires 40a, 40b s’étendent radialement depuis la plateforme externe 19 vers l’extérieur et l’anneau en matériau abradable est porté par un carter de la turbine, ou du compresseur.

Dans le présent document, la plateforme et les léchettes sont présentées comme étant annulaires. Ce terme doit s’entendre comme indiquant que la plateforme et les léchettes s’étendent annulairement sur 360°. La plateforme 30 peut être formée d’une pluralité de secteurs de plateforme juxtaposées circonférentiellement bout à bout, chaque secteur de plateforme étant reliée à l’une des pales 20. De la même manière, chacune des léchettes annulaires 40a, 40b présente une pluralité de secteurs de léchette 44 distribués circonférentiellement bout-à-bout, chaque secteur de léchette 44 étant relié à l’une des pales 20.

La roue 10 comprend au moins une surface de déflexion 50. La surface de déflexion 50 s’étend suivant une directrice DR essentiellement radiale depuis une face radialement externe 31 de la plateforme 30 située à l’amont de la léchette amont 40a suivant le sens d’écoulement des gaz à travers la roue 10. On entend par « essentiellement radiale » que la directrice DR comprend une composante radiale majoritaire. La surface de déflexion 50 forme notamment une saillie se détachant progressivement d’amont en aval suivant le sens de rotation SR de la roue, depuis la face amont 41 de la léchette amont 40a.

Dans la configuration dans laquelle la léchette amont 40a est formée d’une pluralité de secteurs de léchette 44. Chacun des secteurs de léchette 44 peut avantageusement présenter une surface de déflexion 50.

Une telle surface de déflexion permet avantageusement de faire recirculer vers l’amont une partie du flux de gaz impactant la face amont de la léchette amont. Ceci offre l’avantage considérable de réduire les fuites de gaz entre les léchettes et l’anneau en matériau abradable. En effet, lorsque l’air impacte la face amont de la léchette amont, une partie du flux de gaz est dévié vers l’amont par la surface de déflexion tel un tremplin, et par conséquent ne remonte pas radialement jusqu’à une extrémité radialement externe 42 de la léchette amont, diminuant ainsi les fuites en bord d’aubes. En conséquence, ladite roue permet d’augmenter les performances de la turbomachine.

De plus, la surface de déflexion ne devrait pas en principe subir de frottements abrasifs en fonctionnement normal de la turbomachine, contrairement par exemple à l’extrémité des léchettes venant frotter contre l’anneau en matériau abradable. Ainsi, la surface de déflexion maintient sa capacité à réduire les fuites en bout d’aube tout au long du cycle de vie de la turbomachine.

La surface de déflexion 50 comprend une extrémité circonférentielle amont 51 et une extrémité circonférentielle aval 52 à l’aval de l’extrémité circonférentielle amont 51 suivant le sens de rotation SR de la roue 10. Alors, la surface de déflexion 50 peut déboucher sur un bord circonférentiel aval 43, suivant le sens de rotation SR de la roue 10, du secteur de léchette 44 correspondant. Autrement dit, le bord circonférentiel aval 43 du secteur de léchette 44 correspondant peut comporter l’extrémité circonférentielle aval 52 de la surface de déflexion 50. Alternativement, l’extrémité circonférentielle aval 52 de la surface de déflexion 50 peut se situer à distance du bord circonférentiel aval 43 du secteur de léchette 44 correspondant vers l’amont suivant le sens de rotation SR de la roue.

On définit un premier point P1 d’extrémité de la surface de déflexion 50 à la jonction de l’extrémité circonférentielle aval 52 de la surface de déflexion et de la face radialement externe 31 de la plateforme 30. On définit un deuxième point P2 appartenant à la face amont 41 de la léchette amont 40a, tel que le deuxième point P2 présente un positionnement le plus en aval suivant l’axe X.

Le premier point P1 est localisé à une première distance D1 suivant l’axe X du deuxième point P2. On entend par distance suivant l’axe X entre le premier point P1 et le deuxième point P2, la composante suivant l’axe X d’un vecteur reliant le premier point P1 et le deuxième point P2. On définit une deuxième distance D2 comme étant une distance suivant l’axe X entre le deuxième point P2 et une extrémité amont 32 de la plateforme 30. On entend par distance suivant l’axe X entre le deuxième point P2 et l’extrémité amont 32 de la plateforme 30, la composante suivant l’axe X d’un vecteur reliant le deuxième point P2 et l’extrémité amont 32 de la plateforme 30. Par exemple, la deuxième distance D2 peut être la composante suivant l’axe X d’un vecteur reliant le deuxième point P2 et la projection du deuxième point P2 sur l’extrémité amont 32 de la plateforme 30.

La première distance D1 est comprise entre 10% et 100% de la deuxième distance D2, notamment entre 20% et 80% de la deuxième distance D2, préférablement entre 30% et 60% de la deuxième distance D2. Cette condition sur la première distance D1 permet notamment de s’assurer que l’extrémité circonférentielle aval 52 de la surface de déflexion 50 présente une position suffisamment en amont pour une déviation efficace du flux de gaz vers l’amont.

Il est possible de réaliser un évidement sur une face aval 45 de la léchette amont 40a, opposée à la face amont 41 de la léchette amont 40a. Un tel évidement permet de compenser l’ajout de masse due à la surépaisseur induite par la mise en œuvre de la surface de déflexion.

On définit un troisième point P3 d’extrémité appartenant à l’extrémité circonférentielle aval 52 de la surface de déflexion 50, le troisième point P3 étant à l’opposé du premier point P1 sur ladite extrémité circonférentielle aval 52. Le troisième point P3 peut en particulier être localisé à une troisième distance D3 radiale d’une extrémité radialement externe 42 de la léchette amont 40a suivant la direction radiale. Pour rappel, la direction radiale est définie par rapport à l’axe. On entend par distance suivant la direction radiale entre le troisième point P3 et l’extrémité radialement externe 42 de la léchette amont 40a, la composante suivant la direction radiale d’un vecteur reliant le troisième point P3 et l’extrémité radialement externe 42 de la léchette amont 40a.

La troisième distance D3 est de préférence supérieure à 10% d’une hauteur H1 de la léchette amont 40a, de préférence comprise entre 30% et 50% de la hauteur H1 de la léchette amont 40a. La hauteur H1 de la léchette amont 40a peut par exemple être la dimension radiale entre l’extrémité radialement externe 42 de la léchette amont 40a et une extrémité radialement interne de la léchette amont 40a à la jonction entre la léchette amont 40a et la plateforme 30.

Le troisième point P3 peut notamment être positionné en limite de pénétration de la léchette amont dans l’anneau en matériau abradable.

En outre, la surface de déflexion 50 peut avantageusement être plane. Une surface de déflexion plane présente l’avantage d’être plus aisée à réaliser d’un point de vue de la fabrication. Alternativement, la surface de déflexion 50 peut être incurvée suivant le sens de rotation SR de la roue. Alors, la surface de déflexion 50 peut avantageusement présenter une forme se détachant de manière progressive depuis la face amont 41 de la léchette amont 40a.

La représente une vue en coupe radiale de la léchette amont 40a dans laquelle la surface de déflexion 50 est plane. On définit un angle α entre le plan de la surface de déflexion 50 et le sens de rotation SR de la roue 10. L’angle α peut également être vu comme un angle entre le sens de rotation SR de la roue 10 et un plan passant par l’extrémité circonférentielle amont 51 et l’extrémité circonférentielle aval 52 de la surface de déflexion.

L’angle α peut avantageusement être compris entre 10° et 30°.

Par ailleurs, la directrice DR peut être inclinée par rapport à la direction radiale d’un angle β. Notamment la directrice DR peut être radiale, ce qui correspond à une configuration où l’angle β est égale à 0° (comme illustré sur les figures 2 et 3). La illustre schématique une vue en coupe circonférentielle d’une partie d’un exemple d’aube, dans lequel l’angle β est non nul.

L’angle β peut avantageusement être compris entre 0° et 30°.

La illustre un autre exemple de réalisation de la surface de déflexion 50. Dans cet exemple, la surface de déflexion 50 se prolonge à l’aval, suivant le sens de rotation SR de la roue 10, par une deuxième surface 60 plane parallèle au sens de rotation SR de la roue 10. En effet, dans certaines configurations, un élément de bossage comportant la deuxième surface 60 peut être mis en œuvre entre la léchette amont et la plateforme, à l’amont de la léchette amont. La deuxième surface 60 permet d’offrir une surface de référence, par exemple pour des mesures.

Claims (10)

1. Roue (10) de turbomachine d’axe (X) comprenant une pluralité de pales (20) s’étendant radialement et reliées à l’une de leurs extrémités radiales à une plateforme (30) annulaire portant au moins une léchette annulaire (40) s’étendant radialement depuis ladite plateforme (30) à l’opposé des pales (20) pour coopérer avec un anneau (21) en matériau abradable en vis-à-vis radial, ladite au moins une léchette annulaire (40) comprenant une léchette amont (40a) à l’amont suivant le sens d’écoulement des gaz à travers la roue (10),
   dans laquelle la roue (10) comprend au moins une surface de déflexion (50) s’étendant suivant une directrice (DR) essentiellement radiale depuis une face radialement externe (31) de la plateforme (30) située à l’amont de la léchette amont (40a) suivant le sens d’écoulement des gaz à travers la roue (10),
   une extrémité circonférentielle aval (52) de la surface de déflexion (50), à l’aval suivant le sens de rotation (SR) de la roue (10), présentant un premier point (P1) d’extrémité sur la face radialement externe (31) de la plateforme (30),
   ledit premier point (P1) étant localisé à une première distance (D1) suivant l’axe (X) d’un deuxième point (P2) d’une face amont (41) de la léchette amont (40a), le deuxième point (P2) ayant un positionnement le plus en aval suivant l’axe (X), la première distance (D1) étant comprise entre 10 % et 100 % d’une deuxième distance (D2) suivant l’axe (X) entre le deuxième point (P2) et une extrémité amont (32) de la plateforme (30).
2. Roue (10) selon la revendication 1, dans laquelle l’extrémité circonférentielle aval (52) de la surface de déflexion (50) comprend un troisième point (P3) d’extrémité à l’opposé du premier point (P1), ledit troisième point (P3) étant localisé à une troisième distance (D3) radiale d’une extrémité radialement externe (42) de la léchette amont (40a), la troisième distance (D3) étant supérieure à 10% d’une hauteur (H1) de la léchette amont (40a), de préférence comprise entre 30% et 50% de la hauteur (H1) de la léchette amont (40a).
3. Roue (10) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans laquelle la surface de déflexion (50) est plane.
4. Roue (10) selon la revendication 3, dans laquelle un angle α, entre le plan de la surface de déflexion (50) et le sens de rotation (SR) de la roue (10), est compris entre 10° et 30°.
5. Roue (10) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle la directrice (DR) est inclinée par rapport à la direction radiale d’un angle β compris entre 0° et 30°.
6. Roue (10) selon l’une des revendications 1 à 5, dans laquelle la directrice (DR) est radiale.
7. Roue (10) selon l’une des revendications 1 à 6, dans laquelle la surface de déflexion (50) se prolonge à l’aval, suivant le sens de rotation (SR) de la roue (10), par une deuxième surface (60) plane parallèle au sens de rotation (SR) de la roue (10).
8. Roue (10) selon les revendications 1 à 7, la léchette amont (40a) présentant une pluralité de secteurs de léchette (44) distribués circonférentiellement bout-à-bout, dans laquelle chaque secteur de léchette (44) est relié à l’une des pales (20) et présente une surface de déflexion (50).
9. Roue (10) selon la revendication 8, dans laquelle la surface de déflexion (50) débouche sur un bord circonférentiel aval (43), suivant le sens de rotation (SR) de la roue (10), du secteur de léchette (44) correspondant.
10. Turbine de turbomachine comprenant la roue (10) selon l’une des revendications 1 à 9.