FR3145187A1 - Carter de turbomachine - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un carter de turbomachine (12) d’axe (X), comprenant une virole interne (2) et une virole externe (5) qui s’étendent coaxialement autour de l’axe (X), et au moins un bras (4) structural qui relie les deux viroles (2,5) entre-elles avec une extrémité radialement interne du bras (4) reliée à la virole interne (2) et une extrémité radialement externe du bras (4) reliée à la virole externe (5), caractérisé en ce que la virole interne (2) comprend au moins une cavité borgne (8) formée en creux à partir de la surface externe de la virole interne (2), et la virole externe (5) comprend au moins une ouverture (7) qui la traverse et qui est placée en regard de la cavité (8) selon une direction radiale, ladite cavité (8) et ladite ouverture (7) étant configurées pour recevoir une aube séparatrice (3) destinée à s’étendre entre la virole interne (2) et la virole externe (5) en étant rapportée radialement à travers l’ouverture (7). Figure pour l’abrégé : Fig. 2
Description
L’invention concerne de façon générale les carters de turbomachine, notamment des carters intermédiaires situés entre des turbines haute pression et basse pression.
Plus particulièrement, l’invention se rapporte aux carters « multiprofils » comportant à la fois des bras radiaux ayant une fonction de maintien structurel et des aubes séparatrices qui permettent au carter de remplir une fonction aérodynamique de distributeur.
Une turbomachine à double flux comprend généralement, d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz, une soufflante, une veine annulaire d’écoulement primaire et une veine annulaire d’écoulement secondaire. La masse d’air aspirée par la soufflante est ainsi divisée en un flux primaire, qui circule dans la veine d’écoulement primaire, et en un flux secondaire, qui est concentrique avec le flux primaire et circule dans la veine d’écoulement secondaire.
La veine d’écoulement primaire traverse un corps primaire comprenant un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d’échappement des gaz.
De façon connue en soi, la turbomachine comprend par ailleurs un carter inter-turbines dont le moyeu est agencé entre le carter de turbine haute pression et le carter de turbine basse pression. Le moyeu inter-turbine comprend un carénage (ou « fairing » en anglais) comportant une virole interne et une virole externe, qui délimitent ensemble la veine d’écoulement entre la turbine haute-pression et la turbine basse pression, ainsi que des bras de liaison structurels (dits « bras épais ») qui s’étendent radialement entre la virole interne et la virole externe.
Dans une configuration dite multi profils, le carénage comporte, en plus des bras, des aubes séparatrices profilées (ou « splitters » en anglais) qui permettent au carter d’assurer une fonction de distributeur.
Habituellement, les aubes séparatrices sont soit rapportées sur les viroles en y étant fixées par leurs têtes et leurs pieds, soit venues de fonderie avec celles-ci.
La demande de brevet FR3077329A propose par exemple une configuration dans laquelle les viroles comportent des gorges configurées pour recevoir des plateformes ménagées en pieds et en tête d’aube. Cette configuration complexifie toutefois la structure des aubes et des viroles.
La fabrication d’un bloc du carter et des aubes n’est quant à elle pas pleinement satisfaisante dans la mesure où elle nécessite un fraisage et où la proximité entre les aubes rend l’accès des outils de fraisage difficile.
Par ailleurs, dans tous les cas, les liaisons mécaniques entre les viroles et les aubes sont, du fait des dilatations thermiques, sources de contraintes sur les aubes et notamment au pied de celles-ci, du fait des différences de comportement d’expansion thermique entre les aubes et les bras de liaison structurels.
Un but de l’invention est de remédier aux inconvénients précités.
Notamment, selon un aspect, l’invention propose un carter de turbomachine présentant un axe, comprenant une virole interne et une virole externe qui s’étendent coaxialement autour de l’axe, et au moins un bras structural qui relie les deux viroles entre-elles avec une extrémité radialement interne du bras reliée à la virole interne et une extrémité radialement externe du bras reliée à la virole externe, caractérisé en ce que la virole interne comprend au moins une cavité borgne formée en creux à partir de la surface externe de la virole interne, et la virole externe comprend au moins une ouverture qui la traverse et qui est placée en regard de la cavité selon une direction radiale, ladite cavité et ladite ouverture étant configurées pour recevoir une aube séparatrice destinée à s’étendre entre la virole interne et la virole externe en étant rapportée à travers l’ouverture.
Une telle structure permet un assemblage simple des aubes, qu’il suffit d’engager dans les ouvertures de ladite pièce pour constituer le carter.
Selon un autre aspect, il est également proposé un carter comportant au moins une aube séparatrice s’étendant radialement entre les deux viroles de la pièce de carter, ladite aube séparatrice comportant un pied et une tête, le pied et la tête de l’aube séparatrice étant reçues respectivement dans une cavité de la virole interne et dans une ouverture en regard de la virole externe, ledit pied étant mécaniquement libre dans ladite cavité borgne.
Un tel carter est facile à assembler. L’absence de liaison mécanique en pied d’aube permet d’éviter les contraintes de dilatation.
Selon un autre aspect, le carter comporte au moins un élément d’étanchéité entre la cavité borgne et le pied de l’aube séparatrice.
Cet élément d’étanchéité peut comporter un joint abradable interposé entre le fond de la cavité borgne et le pied.
Selon un autre aspect, le carter comporte au moins une léchette s’étendant à partir du pied de l’aube séparatrice ou à partir du fond de la cavité borgne, la cavité borgne ou le pied de l’aube séparatrice présentant alors au moins une rainure complémentaire dans laquelle ladite léchette est reçue.
Selon un autre aspect, ladite léchette s’étend à partir du pied de l’aube séparatrice ou à partir du fond de la cavité borgne en étant inclinée par rapport à une direction radiale de l’aube séparatrice, dudit pied ou dudit fond, vers le côté de l’intrados de l’aube selon un axe transversal de l’aube séparatrice, c’est-à-dire selon un axe perpendiculaire au plan formé par l’axe principal du moteur et l’axe radial de l’aube séparatrice.
Selon un autre aspect, au moins une aube séparatrice est ajustée affleurante par rapport à la virole externe, un assemblage assurant l’étanchéité entre la surface externe de ladite virole et ladite aube séparatrice.
Selon un autre aspect encore, dans lequel le carter comprend au moins trois aubes séparatrices entre chaque paire de bras successifs.
L’invention porte également, selon un autre aspect, sur un procédé d’assemblage d’un carter structural de turbomachine, dans lequel une aube séparatrice est rapportée radialement à travers une ouverture de la virole externe d’une pièce de carter structural selon l’invention.
Enfin, l’invention concerne une turbomachine comprenant un carter de turbomachine selon l’invention, ainsi qu’un aéronef comprenant une telle turbomachine.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles :
Description d’un ou plusieurs modes de mise en œuvre et de réalisation
Une pièce de carter de turbine 12 illustrée sur la comprend une virole interne 2, une virole externe 5, ainsi que des bras épais 4 s’étendant radialement entre la virole interne 2 et la virole externe 5. La virole interne 2 et la virole externe 5 s’étendent coaxialement autour d’un axe longitudinal X.
La virole externe 5 comporte une pluralité d’ouvertures 7, chacune destinée à recevoir la tête 31 d’une aube séparatrice ou splitter 3. La virole interne comporte, pour chaque ouverture 7 de la virole externe, une cavité borgne 8 destinée à recevoir le pied 32 de l’aube 3 correspondante. Les aubes séparatrices 3 peuvent présenter un même profil, ou peuvent présenter des profils différents, auquel cas les dimensions de chaque ouverture 7 pourront être adaptées au profil correspondant de l’aube séparatrice 3 destinée à y être insérée.
Plus précisément, les cavités borgnes 8 sont ménagées sur la surface intérieure 21 de la virole interne 2, sans traverser celle-ci de part en part. Ceci permet d’éviter de créer des fuites entre l’écoulement compris entre la virole interne 2 et la virole externe 5 d’une part, et l’écoulement le long de la surface extérieure 22 de la virole interne. Les cavités borgnes 8 sont adaptées à recevoir les pieds 32 des aubes séparatrices 3.
Chaque cavité borgne 8 se trouve en face de l’ouverture 7 correspondante selon une direction radiale par rapport au moteur, c’est-à-dire une direction perpendiculaire à l’axe longitudinal X.
Ainsi, chaque aube séparatrice 3 pourra être insérée par l’ouverture 7 de sorte que son pied 32 vienne se loger dans l a cavité borgne 8 en regard, et que sa tête soit retenue dans l’ouverture 7.
Les bras épais 4, les deux viroles interne 2 et externe 5 peuvent être formés d’une pièce monobloc. Ainsi, le nombre de pièces à fabriquer et le temps de fabrication et d’assemblage de ces pièces sont réduits. La fabrication des viroles 2, 5 et des bras 4 en une pièce monobloc permet en outre la fabrication de géométries plus complexes qu’il ne serait possible de produire par assemblage de pièces séparées. Enfin, cette caractéristique permet d’obtenir une unique pièce structurale 12, dans laquelle les efforts sont répartis, sans zone soumise à des efforts excessifs.
Un carter de turbine 10 est assemblé en rapportant des aubes séparatrices 3 sur la pièce de carter 12.
Le pied 32 de l’aube séparatrice 3 est mécaniquement libre dans la cavité borgne 8 correspondante de la virole interne 2. En effet, une conséquence de la différence de profil entre les bras épais 4 et les aubes séparatrices 3 est que leur comportement en réaction aux changements de température du moteur en fonctionnement et au repos est différent. Les bras 4 et les aubes séparatrices 3 ne présenteront par conséquent pas le même comportement d’expansion thermique. L’absence de liaison mécanique entre le pied 32 de l’aube séparatrice 3 et la virole interne 2 permet d’éviter que des contraintes transitoires soient transmises à la virole interne 2, préservant ainsi son intégrité structurelle.
Dans ce cas, un élément d’étancheité 9 à revêtement abradable peut être placé entre la virole interne 2 et les pieds 32 des aube séparatrices 3, dans les cavités borgnes 8. Il peut s’agir d’un joint abradable de type NIDA et/ou d’un joint à haute tenue en température, de sorte à pouvoir supporter les températures élevées auxquelles est soumise la turbine. Lors de la mise en marche du moteur, un tel élément 9 est comprimé par l’expansion thermique de l’aube séparatrice 3, de sorte qu’il minimise les fuites aérodynamiques entre le pied 32 de l’aube séparatrice 3 et la virole interne 2. Cela permet d’assurer l’étanchéité entre l’intrados 33 et l’extrados 34 de l’aube séparatrice, et ainsi d’améliorer le rendement de la turbine.
Selon un mode de réalisation, il est prévu une forme complémentaire du pied 32 de l’aube séparatrice 3 et de la cavité borgne 8 de la virole interne. Comme représenté sur la , on peut prévoir une ou plusieurs léchettes 13, qui s’étendent à partir du fond de la cavité borgne 8. Une rainure 14 est alors prévue dans le pied 32 de l’aube séparatrice 3, la rainure étant complémentaire de forme avec la léchette de façon à assurer l’étanchéité aérodynamique entre le pied 32 de l’aube séparatrice 3 et la cavité borgne 8. En effet, la léchette s’oppose à l’écoulement aérodynamique qui aurait tendance à se développer entre le pied 32 de l’aube 3 et la cavité borgne 8 de la virole interne dû à la différence de pression entre l’air s’écoulant sur l’intrados 33 et l’extrados 34 de l’aube 3, ce qui réduit les pertes d’énergie dans la turbine.
Comme représenté sur la , on peut également prévoir une léchette 13’ sur le pied 32 de l’aube séparatrice, la rainure correspondante 14’ étant alors pratiquée dans la cavité borgne 8.
Il peut être avantageux que les léchettes soient inclinées par rapport à une direction radiale de l’aube 3 de façon à s’étendre vers le côté de l’intrados de l’aube 3, de façon à s’opposer efficacement à l’écoulement aérodynamique. En alternative, les léchettes peuvent s’étendre dans la direction radiale de l’aube 3, tel que représenté sur la .
Lors de l’assemblage d’un carter de turbine 10, chaque aube séparatrice 3 est mise en place en étant engagée à travers une ouverture 7 de la virole externe 5. Afin d’éviter des pertes aérodynamiques dues à la présence d’une marche 11 formée entre l’aube séparatrice 3 et la virole externe 5, l’aube séparatrice 3 peut être ajustée de façon à ce que sa tête 31 soit affleurante avec la surface supérieure 51 de la virole externe 5.
Des soudures 91 peuvent être disposés sur la virole externe 5 au niveau de sa jonction avec la tête 31 des aubes 3. Elles permettent ainsi de souder les aubes 3 avec la virole externe 5, mais aussi d’assurer un assemblage étanche entre la tête 31 des aubes 3 et la virole externe 5.
Il peut être prévu un moyen de détrompage au niveau des ouvertures 7 de la virole externe 5, afin de garantir l’insertion de chaque aube dans une ouverture 7 appropriée, notamment dans le cas d’un carter multi-profils présentant des aubes avec des profils distincts. Le moyen de détrompage peut par exemple prendre la forme d’une languette située sur la tête d’au moins une aube séparatrice, venant s’engager dans une rainure correspondante de l’ouverture.
Les bras épais 4 peuvent loger des servitudes. Les servitudes se présentent sous la forme de canaux creux pratiqués à l’intérieur des bras de carter, reliant ainsi la veine interne à la veine externe et permettant la traversée radiale – c’est à dire à travers le flux d’air de la turbine - d’air, d’huile, d’air huilé ou de canalisations ou de câbles électriques.
Selon un mode de réalisation, le carter de turbine 10 comprend au moins trois aubes séparatrices 3 entre chaque paire de bras successifs 4. Ainsi, le carter entier comprend plus d’aubes séparatrices 3 que de bras 4. On obtient ainsi un carter mécaniquement résistant, tout en maximisant le nombre d’aubes exposées à l’écoulement, et donc la puissance générée par la turbine.
L’assemblage peut se faire de la façon suivante : le procédé consiste à prévoir une pièce de carter de turbine 12, comprenant une virole interne 2, une virole externe 5 et des bras épais 4 assurant la jonction mécanique entre les deux viroles. On réalise alors les cavités borgnes 8 dans la virole interne 2 et les ouvertures 7 correspondantes dans la virole externe 5, les ouvertures 7 étant situées au-dessus des cavités borgnes 8 correspondantes selon des axes radiaux perpendiculaires à la direction du moteur. On insère alors une aube séparatrice 3 dans chaque ouverture 7, puis on positionne le pied 32 de l’aube 3 par coulissement dans la cavité borgne 8 correspondante.
Enfin, l’invention concerne une turbomachine comprenant un carter 10 selon l’invention, ainsi qu’un aéronef, notamment un avion, muni d’une telle turbomachine.
Claims (10)
- Carter de turbomachine (10) d’axe (X), comprenant une virole interne (2) et une virole externe (5) qui s’étendent coaxialement autour de l’axe (X), et au moins un bras (4) structural qui relie les deux viroles (2,5) entre-elles avec une extrémité radialement interne du bras (4) reliée à la virole interne (2) et une extrémité radialement externe du bras (4) reliée à la virole externe (5), caractérisé en ce que la virole interne (2) comprend au moins une cavité borgne (8) formée en creux à partir de la surface externe de la virole interne (2), et la virole externe (5) comprend au moins une ouverture (7) qui la traverse et qui est placée en regard de la cavité (8) selon une direction radiale, la cavité (8) et ladite ouverture (7) étant configurées pour recevoir une aube séparatrice (3) destinée à s’étendre entre la virole interne (2) et la virole externe (5) en étant rapportée à travers l’ouverture (7).
- Carter de turbomachine (10) selon la revendication 1, comportant au moins une aube séparatrice (3) qui comporte à ses deux extrémités radiales opposées, un pied (32) et une tête (31), le pied (32) et la tête (31) de l’aube séparatrice (3) étant reçues respectivement dans la cavité (8) de la virole interne (2) et dans une ouverture (7) en regard de la virole externe (5), ledit pied (32) étant mécaniquement libre dans ladite cavité (8).
- Carter de turbomachine (10) selon la revendication 2, comportant au moins un élément d’étanchéité disposé radialement entre la cavité (8) et le pied (32) de l’aube séparatrice (3).
- Carter de turbomachine (10) selon la revendication 3, dans lequel l’élément d’étanchéité comporte un élément abradable (9) monté entre le fond de la cavité (8) et le pied (32).
- Carter de turbomachine (10) selon la revendication 2, comportant au moins une léchette (13, 13’) s’étendant radialement en saillie à partir du pied (32) de l’aube séparatrice (3) ou à partir du fond de la cavité (8), la cavité (8) ou le pied (32) de l’aube séparatrice (3) présentant au moins une rainure complémentaire (14, 14’) dans laquelle ladite léchette est reçue.
- Carter de turbomachine (10) selon la revendication 5, dans lequel ladite léchette (13, 13’) s’étend à partir du pied (32) de l’aube séparatrice (3) ou à partir du fond de la cavité (8) en étant inclinée par rapport à une direction radiale de l’aube séparatrice (3), dudit pied ou dudit fond, vers le côté de l’intrados de l’aube (3) selon un axe transversal de l’aube séparatrice.
- Carter de turbomachine (10) selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel au moins une aube séparatrice (3) est montée de sorte à être affleurante par rapport à surface externe de la virole externe (5), et dans lequel un assemblage étanche est réalisé entre la surface externe de ladite virole externe (5) et ladite aube séparatrice (3).
- Carter de turbomachine (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le carter comprend au moins trois aubes séparatrices (3) entre chaque paire de bras (4) circonférentiellement successifs.
- Procédé d’assemblage d’un carter structural de turbomachine, dans lequel :
- on fournit un carter de turbomachine (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, et
- on monte une aube séparatrice (3) rapportée à travers l’ouverture (7) de la virole externe (5) du carter de turbomachine (10). - Turbomachine, caractérisée en ce qu’elle comprend un carter de turbomachine (10) selon l’une quelconque des revendication 2 à 8.
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