EP3870807B1 - Ensemble d'anneau de turbine à appuis rectilignes bombés - Google Patents

Ensemble d'anneau de turbine à appuis rectilignes bombés Download PDF

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EP3870807B1
EP3870807B1 EP19842803.9A EP19842803A EP3870807B1 EP 3870807 B1 EP3870807 B1 EP 3870807B1 EP 19842803 A EP19842803 A EP 19842803A EP 3870807 B1 EP3870807 B1 EP 3870807B1
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EP
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ring
radial
turbine
sector
rectilinear
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Antoine Claude Michel Etienne Danis
Sébastien Serge Francis CONGRATEL
Clément Jean Pierre DUFFAU
Lucien Henri Jacques QUENNEHEN
Nicolas Paul TABLEAU
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Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
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Publication date
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    • F05D2300/6033—Ceramic matrix composites [CMC]

Definitions

  • a turbine ring assembly includes a plurality of ceramic matrix composite material ring sectors and a ring support structure.
  • CMC materials have good mechanical properties making them suitable for forming structural elements and advantageously retain these properties at high temperatures.
  • the use of CMC materials has advantageously made it possible to reduce the cooling flow to be imposed during operation and therefore to increase the performance of the turbomachines.
  • the use of CMC materials advantageously makes it possible to reduce the mass of the turbomachines and to reduce the hot expansion effect encountered with the metal parts.
  • the ring is clamped between two metal lugs.
  • the downstream leg is directly linked to the casing, describing a one-piece ring, ensuring increased sealing compared to a solution with a sectorized spacer.
  • the upstream leg includes a sectorized flange screwed onto the casing.
  • Another flange is dedicated to taking up the force of the high pressure distributor (force DHP). It makes it possible to take up the DHP force and to transfer it directly to the casing, without passing the forces through the CMC ring.
  • force DHP high pressure distributor
  • pre-tightening is carried out during assembly. This pre-tightening makes it possible to compensate for the differential axial expansion between the CMC ring and the metal parts in contact. Thus, when hot, axial contact is maintained and sealing between the vein cavity and the cavity outside the vein is ensured.
  • the invention aims to provide a turbine ring assembly allowing each ring sector to be held in a deterministic manner, that is to say in such a way as to control its position and prevent it from vibrating. , on the one hand, while allowing the ring sector, and by extension the ring, to deform under the effects of temperature rises and pressure variations, and this in particular independently of the metal parts at the interface, and , on the other hand, while improving sealing and simplifying manipulations and reducing their number for mounting the ring assembly.
  • An object of the invention provides a turbine ring assembly comprising a plurality of ring sectors forming a turbine ring and a ring support structure.
  • Each ring sector has, according to a section plane defined by an axial direction and a radial direction of the turbine ring, and orthogonal to a circumferential direction of the turbine ring, a part forming an annular base with, in the radial direction of the turbine ring, an inner face defining the inner face of the turbine ring and an outer face from which project a first and a second hooking lugs.
  • the ring support structure comprises a central ferrule from which project a first and a second radial flanges between which are held the first and second hooking lugs of each ring sector and an annular flange comprising a first free end resting against the first hooking lug and a second end opposite the first end and cooperating with the first radial flange of the central shroud of the ring support structure.
  • Each ring sector extends between a first circumferential end and a second circumferential end each intended to face another ring sector in the circumferential direction, and comprising rectilinear bearing surfaces mounted on the faces of the first and second attachment lugs in contact respectively with the second annular flange and the annular flange and extending along a tangent to the circumferential direction between the first and second circumferential ends of the ring sector.
  • the rectilinear support surfaces of each ring sector have, along the tangent to the circumferential direction, a variable thickness in the axial direction with a minimum thickness at the first and second circumferential ends. of the ring sector and a maximum thickness in a median portion of the rectilinear support.
  • the geometric conformation of the rectilinear support surfaces makes it possible to standardize the distribution of the contact forces between the sectorized CMC rings and the annular ring support structure.
  • the curvature of the rectilinear supports allows on the one hand to lower the maximum stress level in the CMC ring by 80% during assembly and by 20% during operation, compared to a solution, for an equivalent mass, with a straight rectilinear support, i.e. i.e. a rectilinear support having a thickness in the axial direction which is uniform along the tangent to the circumferential direction.
  • the curved shapes of rectilinear supports can be produced by electro-erosion (EDM).
  • curvature ie the distance between the highest point and the lowest point of the support.
  • the value is between 0.1 and 0.5mm.
  • the ring sectors can be made of ceramic matrix composite (CMC) material.
  • CMC ceramic matrix composite
  • the rectilinear bearing surfaces can be electro-eroded surfaces, that is to say produced by electro-erosion.
  • a difference between said maximum thickness and said minimum thickness of the rectilinear support surfaces can be 0.1 mm.
  • the minimum thickness of the rectilinear support surfaces may be less than 0.1 mm.
  • the shape of the bending which corresponds to the value of the radius, may vary according to the desired deformations.
  • the rectilinear bearing surfaces may form a strip extending along said tangent to the circumferential direction (D C ) and in the radial direction, the rectilinear bearing surfaces having a height extending in the radial direction of between 0.5 and 5 mm.
  • the height of the supports may vary. Beyond 5 mm a pressure would be too pronounced, and below 0.5 mm the risk of non-contact is too great.
  • the rectilinear bearing surfaces of each ring sector can comprise, in the radial direction, a first radial end and a second radial end, and have, along the radial direction, a variable thickness in the axial direction with a minimum thickness at the radial ends of the ring sector and a maximum thickness in a middle portion of the rectilinear support.
  • the rectilinear support surfaces may have a first axis of symmetry parallel to the radial direction and a second axis of symmetry parallel to the tangent to the circumferential direction.
  • the ring sector may have a section in the Greek letter pi ( ⁇ ) reversed according to the cutting plane defined by the axial direction and the radial direction, and the assembly may comprise, for each ring sector, at least three studs to radially hold the ring sector in position, the first and second hooking lugs of each ring sector each comprising a first end integral with the external face of the annular base, a second free end, at least three lugs for receiving said at least three pins, at least two lugs projecting from the second end of one of the first or second hooking lugs in the radial direction of the turbine ring and at least one lug projecting from the second end of the other hooking lug in the radial direction of the turbine ring, each receiving lug comprising an orifice for receiving a pawns.
  • the ring sector may have, over at least one radial range of the ring sector, an O section along the section plane defined by the axial direction and the radial direction, the first and the second attachment lugs each having a first end secured to the external face and a second free end, and each ring sector comprising a third and a fourth attachment lugs each extending, in the axial direction of the turbine ring, between the second end of the first attachment lug and the second end of the second attachment lug, each ring sector being fixed to the structure of ring support by a fixing screw comprising a screw head resting against the ring support structure and a thread cooperating with a thread made in a fixing plate, the fixing plate cooperating with the third and fourth lugs of hooking.
  • the ring sector further comprises radial studs extending between the central ferrule and the third and fourth attachment lugs.
  • Another object of the invention proposes a turbomachine comprising a turbine ring assembly as defined above.
  • FIG 1 shows a high pressure turbine ring assembly comprising a ceramic matrix composite (CMC) material turbine ring 1 and a metal ring support structure 3.
  • the turbine ring 1 surrounds a set of rotating blades (not shown).
  • the turbine ring 1 is formed from a plurality of ring sectors 10, the figure 1 being a view in radial section.
  • the arrow D A indicates the axial direction of the turbine ring 1 while the arrow D R indicates the radial direction of the turbine ring 1.
  • the figure 1 is a partial view of the turbine ring 1 which is actually a complete ring.
  • each ring sector 10 has, along a plane defined by the axial directions D A and radial D R , a section substantially in the shape of the inverted Greek letter ⁇ .
  • the section in fact comprises an annular base 12 and radial attachment lugs upstream and downstream, respectively 14 and 16.
  • upstream and downstream are used here with reference to the direction of flow of the gas flow in the turbine. represented by the arrow F on the figure 1 .
  • the legs of the ring sector 10 could have another shape, the section of the ring sector having a shape other than ⁇ , such as for example an O shape.
  • the annular base 12 comprises, in the radial direction D R of the ring 1, an internal face 12a and an external face 12b opposite to each other.
  • the inner face 12a of the annular base 12 is coated with a layer 13 of abradable material forming a thermal barrier and designed to cooperate with the rotating blades of the turbine.
  • the terms "internal” and “external” are used here in reference to the radial direction D R in the turbine.
  • the upstream and downstream radial attachment lugs 14 and 16 extend projecting, in the direction D R , from the outer face 12b of the annular base 12 at a distance from the upstream and downstream ends 121 and 122 of the annular base 12.
  • the radial attachment lugs upstream and downstream 14 and 16 extend over the entire width of the ring sector 10, that is to say over the entire arc of a circle described by the ring sector 10 , or over the entire circumferential length of the ring sector 10.
  • the turbine ring portion 1 represented comprises a complete ring sector 10 surrounded by two half ring sectors 10.
  • the complete ring sector is referenced 10a and the half ring sectors are referenced 10b on the figure 2 .
  • the ring sectors will subsequently be referenced 10 to designate both 10a and 10b.
  • the second annular radial flange 36 extends in the circumferential direction of the ring 1 and, in the radial direction D R , from the central shroud 31 towards the center of the ring 1. It comprises a first free end 361 and a second end 362 secured to the central shroud 31.
  • the second annular radial flange 36 comprises a first portion 363, a second portion 364, and a third portion 365 between the first portion 363 and the second portion 364.
  • the first portion 363 is extends between the first end 361 and the third portion 365, and the second portion 364 extends between the third portion 365 and the second end 362.
  • the first portion 363 of the second annular radial flange 36 is in contact with the radial flange of downstream attachment 16.
  • the first portion 363 and the third portion 365 have an increased thickness compared to that of the second portion 364 to provide increased rigidity to the second radial flange compared to the upstream part comprising in particular the first radial flange 32 , so as to reduce the axial leakage of the ring in the case of a rectilinear support.
  • the first annular radial flange 32 extends in the circumferential direction of the ring 1 and, in the radial direction D R , from the central ferrule 31 towards the center of the ring 1. It comprises a first free end 321 and a second end 322 secured to the central shroud 31.
  • the first annular flange 33 is arranged downstream of the second annular flange 34.
  • the first annular flange 33 is in a single piece while the second annular flange 34 can be sectorized into a plurality of annular sectors of second flange 34 or be in a single piece. piece. Integrating a first annular flange in one piece, in other words non-sectored, makes it possible to ensure axial sealing between the sectorized CMC ring and the annular casing, in particular by avoiding inter-sector leaks compared to a case where the first upstream flange is sectorized.
  • the first annular flange 33 has a first free end 331 and a second end 332 removably fixed to the ring support structure 3, and more particularly to the first annular radial flange 32.
  • the first annular flange 33 has a first portion 333 and a second portion 334, the first portion 333 extending between the first end 331 and the second portion 334, and the second portion 334 extending between the first portion 333 and the second end 332.
  • the second annular flange 34 has a first free end 341 and a second end 342 opposite the first end 341 and in contact with the central ring 31.
  • the second end 342 of the second annular flange 34 is also fixed in a removable manner to the structure of ring support 3, and more particularly to the first annular radial flange 32.
  • the second annular flange 34 further comprises a first portion 343 and a second portion 344, the first portion 343 extending between the first end 341 and the second portion 344, and the second portion 344 extending between the first portion 343 and the second end 342.
  • the first portion 333 of the first upstream flange 33 bears against the radial upstream attachment lug 14 of the ring sector 10.
  • the first and second upstream flanges 33 and 34 are shaped to have the first portions 333 and 343 axially spaced apart. one from the other and the second portions 334 and 344 in contact, the two flanges 33 and 34 being removably fixed to the flange upstream annular radial 32 using screws 60 and fixing nuts 61, the screws 60 passing through orifices 3340, 3440 and 320 provided respectively in the second portions 334 and 344 of the two upstream flanges 33 and 34 as well as in the upstream annular radial flange 32.
  • the first portion 333 of the first annular flange 33 is in abutment against the radial attachment lug upstream 14 of each of the ring sectors 10 making up the turbine ring 1, and the second portion 334 of the first annular flange 34 is in abutment against at least a part of the first annular radial flange 32.
  • the second annular flange 34 is dedicated to taking up the force of the high pressure distributor (DHP) on the ring assembly 1 by passing this force to the casing line which is mechanically more robust, i.e. say towards the line of the ring support structure 3 as illustrated by the force arrows E presented on the picture 3 .
  • the residual force, which passes through the first upstream flange 33, is reduced since the first portion 333 of the first upstream flange 33 has a reduced section, and is therefore more flexible, which makes it possible to apply a minimum of force to the ring 1 CMC.
  • the second annular radial flange 36 of the ring support structure 3 is separated from the first annular flange 33 by a distance corresponding to the spacing of the radial attachment lugs upstream and downstream 14 and 16 so as to maintain the latter between the first annular radial flange 32 and the second annular radial flange 36.
  • the ring assembly comprises two first pins 19 cooperating with the upstream hooking lug 14 and the first annular flange 33, and two second pins 20 cooperating with the downstream attachment lug 16 and the second annular radial flange 36.
  • the second portion 334 of the first annular flange 33 comprises two orifices 3340 for receiving the first two pins 19, and the third portion 365 of the annular radial flange 36 comprises two orifices 3650 configured to receive the two second pawns 120.
  • each of the upstream and downstream radial attachment lugs 14 and 16 comprises a first end, 141 and 161, secured to the outer face 12b of the annular base 12 and a second end, 142 and 162, free.
  • the second end 142 of the upstream radial attachment lug 14 comprises two first lugs 17 each comprising an orifice 170 configured to receive a first pin 119.
  • the second end 162 of the downstream radial attachment lug 16 comprises two second lugs 18 each comprising an orifice 180 configured to receive a second pin 20.
  • the first and second lugs 17 and 18 project in the radial direction D R of the turbine ring 1 respectively from the second end 142 of the upstream radial attachment lug 14 and the second end 162 of the downstream radial attachment lug 16.
  • the orifices 170 and 180 can be circular or oblong.
  • the set of orifices 170 and 180 comprises a portion of circular orifices and a portion of oblong orifices.
  • the circular holes allow the rings to be indexed tangentially and prevent them from moving tangentially (especially in the event of a blade strike).
  • the slotted holes accommodate differential expansion between the CMC and the metal.
  • CMC has a much lower coefficient of expansion than metal. When hot, the lengths in the tangential direction of the ring sector and of the housing portion facing each other will therefore be different. If there were only circular orifices, the metal casing would impose its movements on the CMC ring, which would be a source of high mechanical stresses in the ring sector.
  • a first drilling pattern for a case with three ears, would include a radial circular hole on a radial attachment flange and two tangential oblong holes on the other radial attachment flange
  • a second drilling diagram for a case with at least four lugs, would comprise a circular orifice and an oblong orifice per radial hooking flange facing each other.
  • Other ancillary cases can also be considered.
  • the first two lugs 17 are positioned at two different angular positions relative to the axis of revolution of the turbine ring 1.
  • the two seconds ears 18 are positioned at two different angular positions with respect to the axis of revolution of the turbine ring 1.
  • Each ring sector 10 further comprises rectilinear bearing surfaces 110 mounted on the faces of the upstream and downstream radial attachment lugs 14 and 16 in contact respectively with the first annular flange 33 and the second annular radial flange 36, c that is to say on the upstream face 14a of the upstream radial attachment lug 14 and on the downstream face 16b of the downstream radial attachment lug 16.
  • the rectilinear supports 110 make it possible to have controlled sealing zones. Indeed, the bearing surfaces 110 between the upstream radial hooking lug 14 and the first annular flange 33, on the one hand, and between the radial downstream hooking lug 16 and the second annular radial flange 36 are included in the same rectilinear plane.
  • each rectilinear support 110 comprises a thickness measured in the axial direction D A which varies along the rectilinear support 110 in the direction of the tangent to the circumferential direction D C .
  • the thickness measured is minimum at the ends of the rectilinear support 110 and maximum in a median region 110m of the rectilinear support 110.
  • the ends of the rectilinear support 110 are located on either side of the ring sector 10 in the circumferential direction D C , each end of the ring sector 10a facing another ring sector 10b.
  • the ends of the rectilinear support 110 of a ring sector 10 are adjacent, even coincide with the circumferential ends 102 and 104 of the ring sector 10.
  • the minimum thickness of the rectilinear supports 110 is less than 0.1 mm and the difference between the maximum thickness and the minimum thickness of the rectilinear support surfaces 110 is 0.1 mm.
  • FIG. 5 schematically represents a view of a rectilinear support of the turbine ring assembly according to a section plane orthogonal to the circumferential direction D C , and comprising the axial direction D A and the radial direction D R , according to a variant mode achievement.
  • the rectilinear supports 110 form a strip extending along the tangent to the circumferential direction D C and along the radial direction D R .
  • the straight bearings 110 may comprise a uniform thickness in the radial direction, or, as illustrated in the figure 5 , a variable thickness in the radial direction D R .
  • the rectilinear supports 110 comprise, in the radial direction D R , a first radial end 112 and a second radial end 114, and have, along the radial direction D R , a variable thickness in the axial direction D A with a thickness minimum at the radial ends 112 and 114 of the ring sector 10 and a maximum thickness in a middle portion 116 of the rectilinear support 110.
  • the radial retention of the ring 1 is ensured by the first annular flange 33 which is pressed against the first annular radial flange 32 of the ring support structure 3 and on the upstream radial attachment lug 14.
  • the first annular flange 33 seals between the vein cavity and the cavity outside the ring vein.
  • the second annular flange 34 ensures the connection between the downstream part of the DHP, the ring support structure 3, or casing, by radial surface contact, and the first annular flange 33 by axial surface contact.
  • the ring support structure 3 further comprises radial studs 38 which allow the ring to be pressed in the low radial position, that is to say towards the vein, in a deterministic manner. There is indeed a clearance between the axial pins and the bores on the ring to compensate for the differential expansion between the metal and the CMC elements which occurs when hot.
  • the radial pins 38 cooperate with orifices 380 made in the radial direction D R in the central crown 31 of the ring support structure 3.
  • FIG. 6 Shown is a cross-sectional schematic view of a third embodiment of the turbine ring assembly.
  • the third embodiment illustrated in Figure 8 differs from the first embodiment illustrated in the figures 2 to 6 in that the ring sector 10 has, in the plane defined by the axial D A and radial D R directions, over a part of the ring sector 10, an O-shaped section instead of a ⁇ reversed, the ring section 10 being fixed to the ring support structure 3 by means of a screw 19 and a fixing piece 20, the screws 38 being eliminated.
  • the ring sector 10 comprises an axial attachment lug 17' extending between the radial upstream and downstream attachment lugs 14 and 16.
  • the axial attachment lug 17' extends more precisely, in the direction axial D A , between the second end 142 of the upstream radial attachment lug 14 and the second end 162 of the downstream radial attachment lug 16.
  • the axial attachment lug 17' comprises an upstream end 171' and a downstream end 172' separated by a central part 170'.
  • the upstream and downstream ends 171' and 172' of the axial hooking lug 17' protrude, in the radial direction D R , from the second end 142, 162 of the radial hooking lug 14, 16 to which they are coupled, so as to have a central part 170′ of axial attachment lug 17′ raised relative to the second ends 142 and 162 of the radial upstream and downstream attachment lugs 14 and 16.
  • the turbine ring assembly comprises a screw 19 and a fixing piece 20.
  • the fixing piece 20 is fixed on the axial attachment lug 17'.
  • the fixing part 20 further comprises an orifice 21 provided with a thread cooperating with a thread of the screw 19 to fix the fixing part 20 to the screw 19.
  • the screw 19 comprises a screw head 190 whose diameter is greater to the diameter of an orifice 39 made in the central shroud 31 of the support structure of the ring 3 through which the screw 19 is inserted before being screwed to the fixing piece 20.
  • the radial connection of the ring sector 10 with the ring support structure 3 is carried out using the screw 19, the head 190 of which rests on the central crown 31 of the ring support structure. 3, and of the fixing part 20 screwed to the screw 19 and fixed to the axial attachment lug 17' of the ring sector 10, the screw head 190 and the fixing part 20 exerting forces in opposite directions to hold ring 1 and ring support structure 3 together.
  • the radial retention of the ring downwards can be ensured using four radial pins plated on the axial hooking lug 17 ', and the radial retention upwards of the ring can be ensured by a pick head, integral with the screw 19, placed under the ring in the cavity between the axial hooking lug 17' and the external face 12b of the annular base.
  • Each ring sector 10 described above is made of ceramic matrix composite material (CMC) by forming a fibrous preform having a shape close to that of the ring sector and densification of the ring sector by a ceramic matrix .
  • CMC ceramic matrix composite material
  • ceramic fiber yarns for example SiC fiber yarns such as those marketed by the Japanese company Nippon Carbon under the name "Hi-NicalonS", or carbon fiber yarns .
  • the fibrous preform is advantageously produced by three-dimensional weaving, or multilayer weaving with development of unbinding zones making it possible to separate the parts of the preforms corresponding to the hooking tabs 14 and 16 of the sectors 10.
  • the weaving may be of the interlock type, as shown.
  • Other three-dimensional or multi-layer weaving weaves can be used, such as multi-linen or multi-satin weaves. You can refer to the document WO 2006/136755 .
  • the blank can be shaped to obtain a ring sector preform which is consolidated and densified by a ceramic matrix, the densification being able to be carried out in particular by gas phase chemical infiltration (CVI) which is well known in self.
  • CVI gas phase chemical infiltration
  • the textile preform can be slightly hardened by CVI so that it is rigid enough to be handled, before bringing liquid silicon up by capillarity in the textile to carry out the densification (“Melt Infiltration”).
  • the ring support structure 3 is for its part made of a metallic material such as a Waspaloy® or Inconel 718 or even C263 alloy.
  • the ring sectors 10 are assembled together on an annular tool of the "spider" type comprising, for example, suction cups configured to each hold a ring sector 10.
  • the ring 1 is then mounted on the ring support structure 3 by inserting each second pin 20 into each of the orifices 180 of the second lugs 18 of the downstream radial attachment flanges 16 of each ring sector 10 making up the ring 1.
  • All the first pins 19 are then placed in the orifices 170 provided in the first lugs 17 of the radial attachment lug 14 of the ring 1.
  • first annular flange 33 and the second annular flange 34 are fixed to the ring support structure 3 and to the ring 1.
  • the first and second annular flanges 33 and 34 are fixed by shrink fitting to the support structure d ring 3.
  • the force DHP exerted in the direction of the flow F reinforces this attachment during engine operation.
  • the first annular flange 33 is fixed to the ring by inserting each first pin 19 into each of the orifices 170 of the first lugs 17 of the upstream radial attachment lugs 14 of each ring sector 10 composing ring 1.
  • the ring 1 is thus held in position axially by means of the first annular flange 33 and the second annular radial flange 36 resting respectively upstream and downstream on the rectilinear bearing surfaces 110 of the radial hooking lugs respectively upstream 14 and downstream 16.
  • an axial prestress can be applied to the first annular flange 33 and to the upstream radial hooking lug 14 to overcome the effect of differential expansion between the material CMC of the ring 1 and the metal of the ring support structure 3.
  • the first annular flange 33 is held in axial stress by mechanical elements placed upstream as shown in dotted lines on the picture 3 .
  • the ring 1 is held in position radially using the first and second pins 19 and 20 cooperating with the first and second lugs 17 and 18 and the orifices 3340 and 3650 of the first annular flange 33 and the annular radial flange 36.
  • the invention thus provides a turbine ring assembly allowing each ring sector to be maintained in a deterministic manner while allowing, on the one hand, the ring sector, and by extension to the ring, to deform under the effects of temperature rises and pressure variations, and this in particular independently of the metal parts at the interface, and, on the other hand, while improving sealing and simplifying manipulations and reducing their number for the assembly of the ring assembly.

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Description

    Domaine Technique
  • L'invention concerne un ensemble d'anneau de turbine comprenant une pluralité de secteurs d'anneau en matériau composite à matrice céramique ainsi qu'une structure de support d'anneau.
    • Technique antérieure
  • Le domaine d'application de l'invention est notamment celui des moteurs aéronautiques à turbine à gaz. L'invention est toutefois applicable à d'autres turbomachines, par exemple des turbines industrielles.
  • Dans le cas d'ensembles d'anneau de turbine entièrement métalliques, il est nécessaire de refroidir tous les éléments de l'ensemble et en particulier l'anneau de turbine qui est soumis aux flux les plus chauds. Ce refroidissement a un impact significatif sur la performance du moteur puisque le flux de refroidissement utilisé est prélevé sur le flux principal du moteur. En outre, l'utilisation de métal pour l'anneau de turbine limite les possibilités d'augmenter la température au niveau de la turbine, ce qui permettrait pourtant d'améliorer les performances des moteurs aéronautiques.
  • Afin de tenter de résoudre ces problèmes, il a été envisagé de réaliser des secteurs d'anneau de turbine en matériau composite à matrice céramique (CMC) afin de s'affranchir de la mise en oeuvre d'un matériau métallique.
  • Les matériaux CMC présentent de bonnes propriétés mécaniques les rendant aptes à constituer des éléments de structures et conservent avantageusement ces propriétés à températures élevées. La mise en oeuvre de matériaux CMC a avantageusement permis de réduire le flux de refroidissement à imposer lors du fonctionnement et donc à augmenter la performance des turbomachines. En outre, la mise en oeuvre de matériaux CMC permet avantageusement de diminuer la masse des turbomachines et de réduire l'effet de dilatation à chaud rencontré avec les pièces métalliques.
  • Toutefois, les solutions existantes proposées peuvent mettre en oeuvre un assemblage d'un secteur d'anneau en CMC avec des parties d'accrochage métalliques d'une structure de support d'anneau, ces parties d'accrochage étant soumises au flux chaud. Par conséquent, ces parties d'accrochage métalliques subissent des dilatations à chaud, ce qui peut conduire à une mise sous contrainte mécanique des secteurs d'anneau en CMC et à une fragilisation de ces derniers.
  • On connait par ailleurs les documents FR 2 540 939 , GB 2 480 766 , EP 1 350 927 , US 2014/0271145 , US 2012/082540 et FR 2 955 898 qui divulguent des ensembles d'anneau de turbine.
  • Il existe un besoin pour améliorer les ensembles d'anneau de turbine existants et leur montage, et notamment les ensembles d'anneau de turbine existants mettant en oeuvre un matériau CMC afin de réduire l'intensité des contraintes mécaniques auxquelles les secteurs d'anneau en CMC sont soumis lors du fonctionnement de la turbine.
  • Pour remplir tous ces objectifs, il est connu d'utiliser un anneau en forme de pi maintenu radialement en quatre points. Quatre pions traversent le carter de turbine haute pression et un flasque amont. Ce dernier est fixé au moyen d'une vis et d'un écrou au carter de turbine haute pression, et vient réaliser une butée axiale. Les quatre pions viennent assurer une butée radiale de la veine.
  • Axialement, l'anneau est serré entre deux pattes métalliques. La patte aval est directement liée au carter, décrivant un anneau en une pièce, assurant une étanchéité accrue par rapport à une solution avec entretoise sectorisée. La patte amont comprend un flasque sectorisé vissé sur le carter.
  • Ces deux pattes métalliques comprennent une lèvre afin de mieux maitriser l'étanchéité anneau/carter. Pour chaque secteur d'anneau, cette lèvre est rectiligne pour qu'il y ait toujours un contact linéique, et ainsi une bonne étanchéité, même si l'anneau bascule.
  • Un autre flasque est dédié à la reprise de l'effort du distributeur haute pression (effort DHP). Il permet de reprendre l'effort DHP et de transférer celui-ci directement au carter, sans faire transiter les efforts par l'anneau en CMC.
  • Pour assurer le contact axial à chaud entre l'anneau et les lèvres rectilignes des pattes amont et aval, un pré-serrage est effectué lors du montage. Ce pré-serrage permet de rattraper la dilatation différentielle axiale entre l'anneau CMC et les pièces métalliques en contact. Ainsi, à chaud, le contact axial est conservé et l'étanchéité entre la cavité de veine et la cavité hors veine est assurée.
  • Etant donné la géométrie annulaire de la bride aval du carter d'une part, et le caractère sectorisé de l'anneau en vis-à-vis, le contact axial entre les lèvres rectilignes des deux pièces, sous contrainte, génère des efforts non-uniformes dans le sens tangentiel sur l'anneau en CMC. Ce phénomène s'explique par le fait que la distance entre l'appui rectiligne et la partie supérieure cylindrique du carter annulaire, ou carter 360°, varie tangentiellement. Cette distance est moins élevée au niveau des inter-secteurs de l'anneau CMC qu'au centre de celui-ci. Le bras de levier entre l'appui rectiligne et la partie supérieure cylindrique du carter 360° est donc moins élevé au niveau des inter-secteurs. Lorsque le pré-serrage est appliqué au niveau du contact axial, le carter se déforme donc moins et transmet plus d'effort à l'anneau CMC au niveau des inter-secteurs, qu'au niveau du centre de l'anneau.
  • Cet appui axial contre la bride avale de l'anneau CMC, plus élevé au niveau des inter-secteurs, génère par conséquent des contraintes de flexion plus élevées dans ces zones. Cette flexion de la bride aval se traduit par des contraintes de traction au niveau de la surface entre la bride de l'anneau en CMC et la patte aval du carter 360°, plus élevées au niveau des inter-secteurs qu'au niveau du centre de l'anneau.
  • Etant donné la faiblesse des contraintes admissibles pour le CMC, ces concentrations de contraintes doivent être atténuées.
  • Il est connu des documents FR3055147 et FR3055146 des ensembles d'anneau de turbine selon le préambule de la présente revendication 1.
    • Exposé de l'invention
  • L'invention vise à proposer un ensemble d'anneau de turbine permettant le maintien de chaque secteur d'anneau d'une façon déterministe, c'est-à-dire de manière à maîtriser sa position et éviter qu'il se mette à vibrer, d'une part, tout en permettant au secteur d'anneau, et par extension à l'anneau, de se déformer sous les effets des montées en température et des variations de pression, et ce notamment indépendamment des pièces métalliques en interface, et, d'autre part, tout en améliorant l'étanchéité et en simplifiant les manipulations et en réduisant leur nombre pour le montage de l'ensemble d'anneau.
  • Un objet de l'invention propose un ensemble d'anneau de turbine comprenant une pluralité de secteurs d'anneau formant un anneau de turbine et une structure de support d'anneau. Chaque secteur d'anneau a, selon un plan de coupe défini par une direction axiale et une direction radiale de l'anneau de turbine, et orthogonal à une direction circonférentielle de l'anneau de turbine, une partie formant base annulaire avec, dans la direction radiale de l'anneau de turbine, une face interne définissant la face interne de l'anneau de turbine et une face externe à partir de laquelle s'étendent en saillie une première et une seconde pattes d'accrochage.
  • La structure de support d'anneau comporte une virole centrale à partir de laquelle s'étendent en saillie une première et une seconde brides radiales entre lesquelles sont maintenues les première et seconde pattes d'accrochage de chaque secteur d'anneau et un flasque annulaire comportant une première extrémité libre en appui contre la première patte d'accrochage et une seconde extrémité opposée à la première extrémité et coopérant avec la première bride radiale de la virole centrale de la structure de support d'anneau.
  • Chaque secteur d'anneau s'étend entre une première extrémité circonférentielle et une seconde extrémité circonférentielle destinées chacune à être en regard d'un autre secteur d'anneau dans la direction circonférentielle, et comprenant des surfaces d'appuis rectilignes montées sur les faces des première et seconde pattes d'accrochage en contact respectivement avec la seconde bride annulaire et le flasque annulaire et s'étendant selon une tangente à la direction circonférentielle entre les première et seconde extrémités circonférentielles du secteur d'anneau.
  • Selon une caractéristique générale de l'objet, les surfaces d'appuis rectilignes de chaque secteur d'anneau possèdent, le long de la tangente à la direction circonférentielle, une épaisseur variable dans la direction axiale avec une épaisseur minimale aux première et seconde extrémités circonférentielles du secteur d'anneau et une épaisseur maximale dans une portion médiane de l'appui rectiligne.
  • La conformation géométrique des surfaces d'appuis rectilignes permet d'uniformiser la distribution des efforts de contact entre les anneaux CMC sectorisés et la structure de support d'anneau annulaire. Le bombage des appuis rectilignes permet d'une part de baisser le niveau de contrainte maximal dans l'anneau CMC de 80% au montage et de 20% en fonctionnement, par rapport à une solution, pour une masse équivalente, avec un appui rectiligne droit, c'est-à-dire un appui rectiligne possédant une épaisseur selon la direction axiale qui soit uniforme le long de la tangente à la direction circonférentielle.
  • Les formes bombées des appuis rectilignes peuvent être réalisées par électro-érosion (EDM).
  • Un point important pour cette technologie est la valeur de « bombage », à savoir la distance entre le point le plus haut et le point le plus bas de l'appui. Dans le cas de l'anneau CMC, la valeur est comprise entre 0,1 et 0,5mm.
  • Dans un mode de réalisation particulier, les secteurs d'anneau peuvent être en matériau composite à matrice céramique (CMC).
  • Selon un premier aspect de l'ensemble d'anneau de turbine, les surface d'appuis rectilignes peuvent être des surfaces électro-érodées, c'est-à-dire réalisées par électro-érosion.
  • Selon un deuxième aspect de l'ensemble d'anneau de turbine, un écart entre ladite épaisseur maximale et ladite épaisseur minimale des surfaces d'appuis rectilignes peut être de 0,1 mm.
  • Selon un troisième aspect de l'ensemble d'anneau de turbine, l'épaisseur minimale des surfaces d'appuis rectilignes peut être inférieure à 0,1 mm.
  • Plus la tolérance relative au bombage sera serrée, meilleur sera le comportement du bombage. La forme du bombage, qui correspond la valeur du rayon, pourra varier en fonction des déformations recherchées.
  • Selon un quatrième aspect de l'ensemble d'anneau de turbine, les surfaces d'appuis rectilignes peuvent former une bande s'étendant selon ladite tangente à la direction circonférentielle (DC) et selon la direction radiale, les surfaces d'appuis rectilignes ayant une hauteur s'étendant selon la direction radiale comprise entre 0,5 et 5 mm. En fonction de la pièce en vis-à-vis des surfaces d'appuis rectilignes ainsi que des efforts et des niveaux de fuite, la hauteur des appuis peuvent varier. Au-delà de 5 mm un appui serait trop prononcé, et en dessous de 0,5 mm le risque de non contact est trop important.
  • Selon un cinquième aspect de l'ensemble d'anneau de turbine, les surfaces d'appuis rectilignes de chaque secteur d'anneau peuvent comprendre, dans la direction radiale, une première extrémité radiale et une seconde extrémité radiale, et possèdent, le long de la direction radiale, une épaisseur variable dans la direction axiale avec une épaisseur minimale aux extrémités radiales du secteur d'anneau et une épaisseur maximale dans une portion médiane de l'appui rectiligne.
  • Selon un sixième aspect de l'ensemble d'anneau de turbine, les surfaces d'appuis rectilignes peuvent présenter un premier axe de symétrie parallèle à la direction radiale et un second axe de symétrie parallèle à la tangente à la direction circonférentielle.
  • Selon un septième aspect de l'ensemble d'anneau de turbine, le secteur d'anneau peut présenter une section en lettre grecque pi (π) inversée selon le plan de coupe défini par la direction axiale et la direction radiale, et l'ensemble peut comprendre, pour chaque secteur d'anneau, au moins trois pions pour maintenir radialement le secteur d'anneau en position, les première et seconde pattes d'accrochage de chaque secteur d'anneau comprenant chacune une première extrémité solidaire de la face externe de la base annulaire, une seconde extrémité libre, au moins trois oreilles de réception desdits au moins trois pions, au moins deux oreilles s'étendant en saillie de la seconde extrémité d'une des première ou seconde pattes d'accrochage dans la direction radiale de l'anneau de turbine et au moins une oreille s'étendant en saillie de la seconde extrémité de l'autre patte d'accrochage dans la direction radiale de l'anneau de turbine, chaque oreille de réception comportant un orifice de réception d'un des pions.
  • Selon un huitième aspect de l'ensemble d'anneau de turbine, le secteur d'anneau peut présenter, sur au moins une plage radiale du secteur d'anneau, une section en O selon le plan de coupe défini par la direction axiale et la direction radiale, la première et la deuxième pattes d'accrochage présentant chacune une première extrémité solidaire de la face externe et une seconde extrémité libre, et chaque secteur d'anneau comprenant une troisième et une quatrième pattes d'accrochage s'étendant chacune, dans la direction axiale de l'anneau de turbine, entre la seconde extrémité de la première patte d'accrochage et la seconde extrémité de la deuxième patte d'accrochage, chaque secteur d'anneau étant fixé à la structure de support d'anneau par une vis de fixation comportant une tête de vis en appui contre la structure de support d'anneau et un filetage coopérant avec un taraudage réalisé dans une plaque de fixation, la plaque de fixation coopérant avec les troisième et quatrième pattes d'accrochage. Le secteur d'anneau comprend en outre des pions radiaux s'étendant entre la virole centrale et les troisième et quatrième pattes d'accrochage.
  • Un autre objet de l'invention propose une turbomachine comprenant un ensemble d'anneau de turbine tel que défini ci-dessus.
    • Brève description des dessins
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
    • [Fig. 1] La figure 1 est une vue schématique en perspective d'un premier mode de réalisation d'un ensemble d'anneau de turbine selon l'invention.
    • [Fig. 2] La figure 2 est une vue schématique en perspective éclatée de l'ensemble d'anneau de turbine de la figure 1.
    • [Fig. 3] La figure 3 est une vue schématique en coupe de l'ensemble d'anneau de turbine de la figure 1.
    • [Fig. 4] La figure 4 est une vue schématique en coupe selon un premier plan de coupe d'un appui rectiligne de l'ensemble d'anneau de turbine de la figure 1.
    • [Fig. 5] La figure 5 représente schématiquement une vue en coupe d'un appui rectiligne de l'ensemble d'anneau de turbine selon un second plan de coupe, selon une variante de mode réalisation.
    • [Fig. 6] La figure 6 présente une vue schématique en coupe d'un deuxième mode de réalisation de l'ensemble d'anneau de turbine.
    Description des modes de réalisation
  • La figure 1 montre un ensemble d'anneau de turbine haute pression comprenant un anneau de turbine 1 en matériau composite à matrice céramique (CMC) et une structure métallique de support d'anneau 3. L'anneau de turbine 1 entoure un ensemble de pales rotatives (non représentées). L'anneau de turbine 1 est formé d'une pluralité de secteurs d'anneau 10, la figure 1 étant une vue en section radiale. La flèche DA indique la direction axiale de l'anneau de turbine 1 tandis que la flèche DR indique la direction radiale de l'anneau de turbine 1. Pour des raisons de simplification de présentation, la figure 1 est une vue partielle de l'anneau de turbine 1 qui est en réalité un anneau complet.
  • Comme illustré sur les figures 2 et 3 qui présentent respectivement une vue schématique en perspective éclatée et une vue en coupe de l'ensemble d'anneau de turbine de la figure 1, la vue en coupe étant selon un plan de coupe comprenant la direction radiale DR et la direction axiale DA, chaque secteur d'anneau 10 présente, selon un plan défini par les directions axiale DA et radiale DR, une section sensiblement en forme de la lettre grecque π inversée. La section comprend en effet une base annulaire 12 et des pattes radiales d'accrochage amont et aval, respectivement 14 et 16. Les termes "amont" et "aval" sont utilisés ici en référence au sens d'écoulement du flux gazeux dans la turbine représenté par la flèche F sur la figure 1. Les pattes du secteur d'anneau 10 pourraient avoir une autre forme, la section du secteur d'anneau présentant une autre forme que π, comme par exemple une forme en O.
  • La base annulaire 12 comporte, suivant la direction radiale DR de l'anneau 1, une face interne 12a et une face externe 12b opposées l'une à l'autre. La face interne 12a de la base annulaire 12 est revêtue d'une couche 13 de matériau abradable formant une barrière thermique et prévue pour coopérer avec les pales rotatives de la turbine. Les termes "interne" et "externe" sont utilisés ici en référence à la direction radiale DR dans la turbine.
  • Les pattes radiales d'accrochage amont et aval 14 et 16 s'étendent en saillie, suivant la direction DR, à partir de la face externe 12b de la base annulaire 12 à distance des extrémités amont et aval 121 et 122 de la base annulaire 12. Les pattes radiales d'accrochage amont et aval 14 et 16 s'étendent sur toute la largeur du secteur d'anneau 10, c'est-à-dire sur tout l'arc de cercle décrit par le secteur d'anneau 10, ou encore sur toute la longueur circonférentielle du secteur d'anneau 10.
  • Sur les figures 1 et 2 la portion d'anneau de turbine 1 représentée comprend un secteur d'anneau 10 complet entouré de deux demis secteurs d'anneau 10. Pour une meilleure compréhension, le secteur d'anneau complet est référencé 10a et les demis secteurs d'anneau sont référencés 10b sur la figure 2. Les secteurs d'anneau seront par la suite référencés 10 pour désigner aussi bien 10a que 10b.
  • Comme cela est illustré sur les figures 1 à 3, la structure de support d'anneau 3 qui est solidaire d'un carter de turbine comprend une virole centrale 31, s'étendant dans la direction axiale DA, et ayant un axe de révolution confondu avec l'axe de révolution de l'anneau de turbine 1 lorsqu'ils sont fixés ensemble, ainsi qu'une première bride radiale annulaire 32 et une seconde bride radiale annulaire 36, la première bride radiale annulaire 32 étant positionnée en amont de la seconde bride radiale annulaire 36 qui se trouve donc en aval de la première bride radiale annulaire 32.
  • La seconde bride radiale annulaire 36 s'étend dans la direction circonférentielle de l'anneau 1 et, suivant la direction radiale DR, depuis la virole centrale 31 vers le centre de l'anneau 1. Elle comprend une première extrémité 361 libre et une seconde extrémité 362 solidaire de la virole centrale 31. La seconde bride radiale annulaire 36 comporte une première portion 363, une seconde portion 364, et une troisième portion 365 comprise entre la première portion 363 et la seconde portion 364. La première portion 363 s'étend entre la première extrémité 361 et la troisième portion 365, et la seconde portion 364 s'étend entre la troisième portion 365 et la seconde extrémité 362. La première portion 363 de la seconde bride radiale annulaire 36 est au contact de la bride radiale d'accrochage aval 16. La première portion 363 et la troisième portion 365 présentent une épaisseur accrue par rapport à celle de la seconde portion 364 pour offrir une rigidité accrue à la seconde bride radiale par rapport à la partie amont comportant notamment la première bride radiale 32, de manière à diminuer les fuites axiales de l'anneau dans le cas d'un appui rectiligne.
  • La première bride radiale annulaire 32 s'étend dans la direction circonférentielle de l'anneau 1 et, suivant la direction radiale DR, depuis la virole centrale 31 vers le centre de l'anneau 1. Elle comprend une première extrémité 321 libre et une seconde extrémité 322 solidaire de la virole centrale 31.
  • Comme cela est illustré sur les figures 1 à 3, l'ensemble d'anneau de turbine 1 comprend un premier flasque annulaire 33 et un second flasque annulaire 34, les deux flasques annulaires 33 et 34 étant fixés de manière amovible sur la première bride radiale annulaire 32. Les premier et second flasques annulaire 33 et 34 sont disposés en amont de l'anneau de turbine 1 par rapport au sens F d'écoulement du flux gazeux dans la turbine.
  • Le premier flasque annulaire 33 est disposé en aval du second flasque annulaire 34. Le premier flasque annulaire 33 est en une seule pièce alors que le second flasque annulaire 34 peut être sectorisé en une pluralité de secteurs annulaires de second flasque 34 ou être en une seule pièce. Intégrer un premier flasque annulaire en une seule pièce, autrement dit non sectorisé, permet d'assurer l'étanchéité axiale entre l'anneau sectorisé en CMC et le carter annulaire, notamment en évitant les fuites inter-secteurs par rapport à un cas où le premier flasque amont est sectorisé.
  • Le premier flasque annulaire 33 présente une première extrémité 331 libre et une seconde extrémité 332 fixée de manière amovible à la structure de support d'anneau 3, et plus particulièrement à la première bride radiale annulaire 32. En outre, le premier flasque annulaire 33 présente une première portion 333 et une seconde portion 334, la première portion 333 s'étendant entre la première extrémité 331 et la seconde portion 334, et la seconde portion 334 s'étendant entre la première portion 333 et la seconde extrémité 332.
  • Le second flasque annulaire 34 présente une première extrémité 341 libre et une seconde extrémité 342 opposée à la première extrémité 341 et au contact de la couronne centrale 31. La seconde extrémité 342 du second flasque annulaire 34 est également fixée de manière amovible à la structure de support d'anneau 3, et plus particulièrement à la première bride radiale annulaire 32. Le second flasque annulaire 34 comprend en outre une première portion 343 et une seconde portion 344, la première portion 343 s'étendant entre la première extrémité 341 et la seconde portion 344, et la seconde portion 344 s'étendant entre la première portion 343 et la seconde extrémité 342.
  • La première portion 333 du premier flasque amont 33 est en appui sur la patte radiale d'accrochage amont 14 du secteur d'anneau 10. Les premier et second flasques amont 33 et 34 sont conformés pour avoir les premières portions 333 et 343 axialement distantes l'une de l'autre et les secondes portions 334 et 344 en contact, les deux flasques 33 et 34 étant fixés de manière amovible sur la bride radiale annulaire amont 32 à l'aide de vis 60 et d'écrous 61 de fixation, les vis 60 traversant des orifices 3340, 3440 et 320 prévus respectivement dans les secondes portions 334 et 344 des deux flasques amont 33 et 34 ainsi que dans la bride radiale annulaire amont 32.
  • Lorsque l'ensemble d'anneau 1 est monté, la première portion 333 du premier flasque annulaire 33 se trouve en appui contre la patte radiale d'accrochage amont 14 de chacun des secteurs d'anneau 10 composant l'anneau de turbine 1, et la seconde portion 334 du premier flasque annulaire 34 se trouve en appui contre au moins une partie de la première bride radiale annulaire 32.
  • Le second flasque annulaire 34 est dédié à la reprise de l'effort du distributeur haute pression (DHP) sur l'ensemble d'anneau 1 en faisant transiter cet effort vers la ligne carter qui est plus robuste mécaniquement, c'est-à-dire vers la ligne de la structure de support d'anneau 3 comme cela est illustré par les flèches E d'effort présentées sur la figure 3. L'effort résiduel, qui passe par le premier flasque amont 33 est réduit puisque la première portion 333 du premier flasque amont 33 présente une section réduite, et est donc plus souple, ce qui permet d'appliquer un minimum d'effort sur l'anneau 1 CMC.
  • Dans la direction axiale DA, la seconde bride radiale annulaire 36 de la structure de support d'anneau 3 est séparée du premier flasque annulaire 33 d'une distance correspondant à l'écartement des pattes radiales d'accrochage amont et aval 14 et 16 de manière à maintenir ces dernières entre la première bride radiale annulaire 32 et la seconde bride radiale annulaire 36.
  • Pour maintenir en position les secteurs d'anneau 10, et donc l'anneau de turbine 1, avec la structure de support d'anneau 3, l'ensemble d'anneau comprend deux premiers pions 19 coopérant avec la patte d'accrochage amont 14 et le premier flasque annulaire 33, et deux seconds pions 20 coopérant avec la patte d'accrochage aval 16 et la seconde bride radiale annulaire 36.
  • Pour chaque secteur d'anneau 10 correspondant, la seconde portion 334 du premier flasque annulaire 33 comprend deux orifices 3340 de réception des deux premiers pions 19, et la troisième portion 365 de la bride radiale annulaire 36 comprend deux orifices 3650 configurés pour recevoir les deux seconds pions 120.
  • Pour chaque secteur d'anneau 10, chacune des pattes radiales d'accrochage amont et aval 14 et 16 comprend une première extrémité, 141 et 161, solidaire de la face externe 12b de la base annulaire 12 et une seconde extrémité, 142 et 162, libre. La seconde extrémité 142 de la patte radiale d'accrochage amont 14 comprend deux premières oreilles 17 comportant chacune un orifice 170 configuré pour recevoir un premier pion 119. De manière similaire, la seconde extrémité 162 de la patte radiale d'accrochage aval 16 comprend deux secondes oreilles 18 comportant chacune un orifice 180 configuré pour recevoir un second pion 20. Les premières et secondes oreilles 17 et 18 s'étendent en saillie dans la direction radiale DR de l'anneau de turbine 1 respectivement de la seconde extrémité 142 de la patte d'accrochage radiale amont 14 et de la seconde extrémité 162 de la patte d'accrochage radiale aval 16.
  • Les orifices 170 et 180 peuvent être circulaires ou oblongs. De préférence l'ensemble des orifices 170 et 180 comprend une portion d'orifices circulaires et une portion d'orifices oblongs. Les orifices circulaires permettent d'indexer tangentiellement les anneaux et d'empêcher qu'ils puissent se déplacer tangentiellement (notamment en cas de touche par l'aube). Les orifices oblongs permettent d'accommoder les dilatations différentielles entre le CMC et le métal. Le CMC a un coefficient de dilatation très inférieur à celui du métal. A chaud, les longueurs dans le sens tangentiel du secteur d'anneau et de la portion de carter en vis-à-vis vont donc être différentes. S'il n'y avait que des orifices circulaires, le carter métallique imposerait ses déplacements à l'anneau en CMC, ce qui serait source de contraintes mécaniques élevées dans le secteur d'anneau. Avoir des trous oblongs dans l'ensemble d'anneau permet au pion de coulisser dans ce trou et d'éviter le phénomène de sur-contrainte mentionné ci-dessus. Dès lors, deux schémas de perçages peuvent être imaginés : un premier schéma de perçage, pour un cas à trois oreilles, comprendrait un orifice circulaire radial sur une bride radiale d'accrochage et deux orifices oblongs tangentiels sur l'autre bride radiale d'accrochage, et un deuxième schéma de perçage, pour un cas à au moins quatre oreilles, comprendrait un orifice circulaire et un orifice oblong par bride radiale d'accrochage en vis-à-vis à chaque fois. D'autres cas annexes peuvent être envisagés également.
  • Pour chaque secteur d'anneau 10, les deux premières oreilles 17 sont positionnées à deux positions angulaires différentes par rapport à l'axe de révolution de l'anneau de turbine 1. De même, pour chaque secteur d'anneau 10, les deux secondes oreilles 18 sont positionnées à deux positions angulaires différentes par rapport à l'axe de révolution de l'anneau de turbine 1.
  • Chaque secteur d'anneau 10 comprend en outre des surfaces d'appuis rectilignes 110 montées sur les faces des pattes radiales d'accrochage amont et aval 14 et 16 en contact respectivement avec le premier flasque annulaire 33 et la seconde bride radiale annulaire 36, c'est-à-dire sur la face amont 14a de la patte radiale d'accrochage amont 14 et sur la face aval 16b de la patte radiale d'accrochage aval 16.
  • Les appuis rectilignes 110 permettent d'avoir des zones d'étanchéités maîtrisées. En effet, les surfaces d'appui 110 entre la patte radiale d'accrochage amont 14 et le premier flasque annulaire 33, d'une part, et entre la patte radiale d'accrochage aval 16 et la seconde bride radiale annulaire 36 sont compris dans un même plan rectiligne.
  • Plus précisément, avoir des appuis sur des plans radiaux permet de s'affranchir des effets de bascule axiale de l'anneau de turbine 1. En effet, lors de la bascule de l'anneau en fonctionnement, l'appui rectiligne permet de conserver une ligne d'étanchéité complète.
  • Comme cela est illustré plus précisément sur la figure 4 qui représente schématiquement une vue d'un appui rectiligne de l'ensemble d'anneau de turbine de la figure 1 selon un plan de coupe orthogonal à la direction radiale DR, et comprenant la direction axiale DA et une tangente à la direction circonférentielle DC, chaque appui rectiligne 110 comprend une épaisseur mesurée dans la direction axiale DA qui varie le long de l'appui rectiligne 110 dans la direction de la tangente à la direction circonférentielle DC. L'épaisseur mesurée est minimale aux extrémités de l'appui rectiligne 110 et maximale dans une région médiane 110m de l'appui rectiligne 110. Les extrémités de l'appui rectiligne 110 se situent de part et d'autre du secteur d'anneau 10 dans la direction circonférentielle DC, chaque extrémité du secteur d'anneau 10a étant en regard d'un autre secteur d'anneau 10b. Les extrémités de l'appui rectiligne 110 d'un secteur d'anneau 10 sont adjacentes, voire confondues avec les extrémités circonférentielles 102 et 104 du secteur d'anneau 10.
  • L'épaisseur minimale des appuis rectilignes 110 est inférieure à 0,1 mm et l'écart entre l'épaisseur maximale et l'épaisseur minimale des surfaces d'appuis rectilignes 110 est de 0,1 mm.
  • La figure 5 représente schématiquement une vue d'un appui rectiligne de l'ensemble d'anneau de turbine selon un plan de coupe orthogonal à la direction circonférentielle DC, et comprenant la direction axiale DA et la direction radiale DR, selon une variante de mode réalisation.
  • Comme cela est illustré sur les figures 4 et 5, les appuis rectilignes 110 forment une bande s'étendant selon la tangente à la direction circonférentielle DC et selon la direction radiale DR.
  • Les appuis rectilignes 110 peuvent comprendre une épaisseur uniforme dans la direction radiale, ou, comme cela est illustré sur la figure 5, une épaisseur variable dans la direction radiale DR. Sur la figure 5, les appuis rectilignes 110 comprennent, dans la direction radiale DR, une première extrémité radiale 112 et une seconde extrémité radiale 114, et possèdent, le long de la direction radiale DR, une épaisseur variable dans la direction axiale DA avec une épaisseur minimale aux extrémités radiales 112 et 114 du secteur d'anneau 10 et une épaisseur maximale dans une portion médiane 116 de l'appui rectiligne 110.
  • Le maintien radial de l'anneau 1 est assuré par le premier flasque annulaire 33 qui est plaqué sur la première bride radiale annulaire 32 de la structure de support d'anneau 3 et sur la patte radiale d'accrochage amont 14. Le premier flasque annulaire 33 assure l'étanchéité entre la cavité veine et la cavité hors veine de l'anneau.
  • Le second flasque annulaire 34 assure la liaison entre la partie aval du DHP, la structure de support d'anneau 3, ou carter, par contact surfacique radial, et le premier flasque annulaire 33 par contact surfacique axial.
  • La structure de support d'anneau 3 comprend en outre des pions radiaux 38 qui permettent de plaquer l'anneau en position radiale basse c'est-à-dire vers la veine, de manière déterministe. Il y a en effet un jeu entre les pions axiaux et les alésages sur l'anneau pour compenser la dilatation différentielle entre le métal et les éléments en CMC qui s'opère à chaud. Les pions radiaux 38 coopèrent avec des orifices 380 réalisés selon la direction radiale DR dans la couronne centrale 31 de la structure de support d'anneau 3.
  • Sur la figure 6 est présentée une vue schématique en coupe d'un troisième mode de réalisation de l'ensemble d'anneau de turbine.
  • Le troisième mode de réalisation illustré sur la figure 8 diffère du premier mode de réalisation illustré sur les figures 2 à 6 en ce que le secteur d'anneau 10 présente dans le plan défini par les directions axiale DA et radiale DR, sur une partie du secteur d'anneau 10, une section en forme de O au lieu d'une section en forme de π inversé, la section d'anneau 10 étant fixée à la structure de support d'anneau 3 à l'aide d'une vis 19 et d'une pièce de fixation 20, les vis 38 étant supprimées.
  • Dans le troisième mode de réalisation illustré sur la figure 6, le secteur d'anneau 10 comprend une patte axiale d'accrochage 17' s'étendant entre les pattes radiales d'accrochage amont et aval 14 et 16. La patte axiale d'accrochage 17' s'étend plus précisément, dans la direction axiale DA, entre la seconde extrémité 142 de la patte radiale d'accrochage amont 14 et la seconde extrémité 162 de la patte radiale d'accrochage aval 16.
  • La patte axiale d'accrochage 17' comprend une extrémité amont 171' et une extrémité aval 172' séparées par une partie centrale 170'. Les extrémités amont et aval 171' et 172' de la patte d'accrochage axiale 17' s'étendent en saillie, dans la direction radiale DR, de la seconde extrémité 142, 162 de la patte radiale d'accrochage 14, 16 à laquelle elles sont couplées, de manière à avoir une partie centrale 170' de patte axiale d'accrochage 17' surélevée par rapport aux secondes extrémités 142 et 162 des pattes radiales d'accrochage amont et aval 14 et 16.
  • Pour chaque secteur d'anneau 10, l'ensemble d'anneau de turbine comprend une vis 19 et une pièce de fixation 20. La pièce de fixation 20 est fixée sur la patte axiale d'accrochage 17'.
  • La pièce de fixation 20 comprend en outre un orifice 21 doté d'un taraudage coopérant avec un filetage de la vis 19 pour fixer la pièce de fixation 20 à la vis 19. La vis 19 comprend une tête de vis 190 dont le diamètre est supérieur au diamètre d'un orifice 39 réalisé dans la virole centrale 31 de la structure de support de l'anneau 3 au travers duquel la vis 19 est insérée avant d'être vissée à la pièce de fixation 20.
  • La solidarisation radiale du secteur d'anneau 10 avec la structure de support d'anneau 3 est réalisée à l'aide de la vis 19, dont la tête 190 est en appui sur la couronne centrale 31 de la structure de support de l'anneau 3, et de la pièce de fixation 20 vissée à la vis 19 et fixée à la patte axiale d'accrochage 17' du secteur d'anneau 10, la tête de vis 190 et la pièce de fixation 20 exerçant des forces de sens opposés pour maintenir ensemble l'anneau 1 et la structure de support d'anneau 3.
  • Dans une variante, le maintien radial de l'anneau vers le bas peut être assuré à l'aide de quatre pions radiaux plaqués sur la patte axial d'accrochage 17', et le maintien radial vers le haut de l'anneau peut être assuré par une tête pioche, solidaire de la vis 19, placée sous l'anneau dans la cavité entre la patte axiale d'accrochage 17' et la face externe 12b de la base annulaire.
  • On décrit maintenant un procédé de réalisation d'un ensemble d'anneau de turbine correspondant à celui représenté sur la figure 1, c'est-à-dire selon le premier mode de réalisation illustré sur les figures 1 à 3.
  • Chaque secteur d'anneau 10 décrit ci-avant est réalisé en matériau composite à matrice céramique (CMC) par formation d'une préforme fibreuse ayant une forme voisine de celle du secteur d'anneau et densification du secteur d'anneau 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 tels que ceux commercialisés par la société japonaise Nippon Carbon sous la dénomination "Hi-NicalonS", ou des fils en fibres de carbone.
  • La préforme fibreuse est avantageusement réalisée par tissage tridimensionnel, ou tissage multicouches avec aménagement de zones de déliaison permettant d'écarter les parties de préformes correspondant aux pattes d'accrochage 14 et 16 des secteurs 10.
  • Le tissage peut être de type interlock, comme illustré. D'autres armures de tissage tridimensionnel ou multicouches peuvent être utilisées comme par exemple des armures multi-toile ou multi-satin. On pourra 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 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. Dans une variante, la préforme textile peut être un peu durcie par CVI pour qu'elle soit suffisamment rigide pour être manipulée, avant de faire remonter du silicium liquide par capillarité dans le textile pour faire la densification (« Melt Infiltration »).
  • Un exemple détaillé de fabrication de secteurs d'anneau en CMC est notamment décrit dans le document US 2012/0027572 .
  • La structure de support d'anneau 3 est quant à elle réalisée en un matériau métallique tel qu'un alliage Waspaloy® ou inconel 718 ou encore C263.
  • La réalisation de l'ensemble d'anneau de turbine se poursuit par le montage des secteurs d'anneau 10 sur la structure de support d'anneau 3.
  • Pour cela, les secteurs d'anneau 10 sont assemblés ensemble sur un outil annulaire de type « araignée » comportant, par exemple, des ventouses configurées pour maintenir chacune un secteur d'anneau 10.
  • Puis les deux seconds pions 20 sont insérés dans les deux orifices 3650 prévus dans la troisième partie 365 de la seconde bride radiale annulaire 36 de la structure de support d'anneau 3.
  • L'anneau 1 est ensuite monté sur la structure de support d'anneau 3 en insérant chaque second pion 20 dans chacun des orifices 180 des secondes oreilles 18 des brides radiales d'accrochage aval 16 de chaque secteur d'anneau 10 composant l'anneau 1.
  • On place ensuite tous les premiers pions 19 dans les orifices 170 prévus dans les première oreilles 17 de la patte radiale d'accrochage 14 de l'anneau 1.
  • Puis on vient fixer le premier flasque annulaire 33 et le second flasque annulaire 34 à la structure de support d'anneau 3 et à l'anneau 1. Les premier et second flasques annulaires 33 et 34 sont fixés par frettage à la structure de support d'anneau 3. L'effort DHP exercé dans le sens du flux F renforce cette fixation pendant le fonctionnement du moteur.
  • Pour maintenir l'anneau 1 en position radialement, le premier flasque annulaire 33 est fixé à l'anneau en insérant chaque premier pion 19 dans chacun des orifices 170 des premières oreilles 17 des pattes radiales d'accrochage amont 14 de chaque secteur d'anneau 10 composant l'anneau 1.
  • L'anneau 1 est ainsi maintenu en position axialement à l'aide du premier flasque annulaire 33 et de la seconde bride radiale annulaire 36 en appui respectivement en amont et en aval sur les surfaces d'appuis 110 rectilignes des pattes radiales d'accrochages respectivement amont 14 et aval 16. Lors de l'installation du premier flasque annulaire 33, une précontrainte axiale peut être appliquée sur le premier flasque annulaire 33 et sur la patte radiale d'accrochage amont 14 pour pallier l'effet de dilatation différentielle entre le matériau CMC de l'anneau 1 et le métal de la structure de support d'anneau 3. Le premier flasque annulaire 33 est maintenu en contrainte axiale par des éléments mécaniques placés en amont comme cela est illustré en pointillés sur la figure 3.
  • L'anneau 1 est maintenu en position radialement à l'aide des premiers et seconds pions 19 et 20 coopérant avec les premières et secondes oreilles 17 et 18 et les orifices 3340 et 3650 du premier flasque annulaire 33 et de la bride radiale annulaire 36.
  • L'invention fournit ainsi un ensemble d'anneau de turbine permettant le maintien de chaque secteur d'anneau d'une façon déterministe tout en permettant, d'une part, au secteur d'anneau, et par extension à l'anneau, de se déformer sous les effets des montées en température et des variations de pression, et ce notamment indépendamment des pièces métalliques en interface, et, d'autre part, tout en améliorant l'étanchéité et en simplifiant les manipulations et en réduisant leur nombre pour le montage de l'ensemble d'anneau.

Claims (10)

  1. Ensemble d'anneau de turbine comprenant une pluralité de secteurs d'anneau (10a, 10b) formant un anneau de turbine (1) et une structure de support d'anneau (3),
    chaque secteur d'anneau (10a, 10b) ayant, selon un plan de coupe défini par une direction axiale (DA) et une direction radiale (DR) de l'anneau et orthogonal à une direction circonférentielle (DC) de l'anneau de turbine (1), une partie formant base annulaire (12) avec, dans la direction radiale (DR) de l'anneau de turbine (1), une face interne (12a) définissant la face interne de l'anneau de turbine (1) et une face externe (12b) à partir de laquelle s'étendent en saillie une première et une seconde pattes d'accrochage (14, 16),
    la structure de support d'anneau (3) comportant une virole centrale (31) à partir de laquelle s'étendent en saillie une première et une seconde brides radiales (32, 36) de maintien de chaque secteur d'anneau (10), et un flasque annulaire (33) présentant une première extrémité libre (331) en appui contre la première patte d'accrochage (14) et une seconde extrémité (332) opposée à la première extrémité (331) et coopérant avec la première bride radiale (32),
    chaque secteur d'anneau (10a, 10b) s'étendant entre une première extrémité circonférentielle (102) et une seconde extrémité circonférentielle (104) destinées chacune à être en regard d'un autre secteur d'anneau (10b, 10a) adjacent dans la direction circonférentielle (DC), et comprenant une première surface d'appui rectiligne (110) disposée sur une face amont (14a) de la première patte d'accrochage (14) en contact avec le flasque annulaire (33) et une seconde surface d'appui rectiligne (110) disposée sur une face aval (16b) de la seconde patte d'accrochage (16) en contact avec la seconde bride radiale (36), chacune des première et seconde surfaces d'appui rectiligne (110) s'étendant selon une tangente à la direction circonférentielle (DC) entre les première et seconde extrémités circonférentielles (102, 104) du secteur d'anneau (10a, 10b),
    caractérisé en ce que les surfaces d'appuis rectilignes (110) de chaque secteur d'anneau (10a, 10b) possèdent, le long de ladite tangente à la direction circonférentielle (DC), une épaisseur variable dans la direction axiale (DA) avec une épaisseur minimale aux première et seconde extrémités circonférentielles (102, 104) du secteur d'anneau (10a, 10b) et une épaisseur maximale dans une portion médiane (110m) de la surface d'appui rectiligne (110).
  2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel les surfaces d'appui rectilignes sont des surfaces électro-érodées.
  3. Ensemble selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel un écart entre ladite épaisseur maximale et ladite épaisseur minimale des surfaces d'appui rectilignes (110) est compris entre 0,1 et 0,5mm.
  4. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'épaisseur minimale des surfaces d'appui rectilignes (110) est inférieure à 0,1 mm.
  5. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les surfaces d'appuis rectilignes (110) forment une bande s'étendant selon ladite tangente à la direction circonférentielle (DC) et selon la direction radiale (DR), les surfaces d'appuis rectilignes (110) ayant une hauteur (H) s'étendant selon la direction radiale (DR) comprise entre 0,5 et 5 mm.
  6. Ensemble selon la revendication 5, dans lequel les surfaces d'appuis rectilignes (110) de chaque secteur d'anneau (10) comprennent, dans la direction radiale (DR), une première extrémité radiale (112) et une seconde extrémité radiale (114), et possèdent, le long de la direction radiale (DR), une épaisseur variable dans la direction axiale (DA) avec une épaisseur minimale aux extrémités radiales (112, 114) du secteur d'anneau (10a, 10b) et une épaisseur maximale dans une portion radialement médiane (116) de l'appui rectiligne (110).
  7. Ensemble selon la revendication 6, dans lequel les surfaces d'appuis rectilignes (110) présentent un premier axe de symétrie parallèle à la direction radiale (DR) et un second axe de symétrie parallèle à la tangente à la direction circonférentielle (DC).
  8. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le secteur d'anneau présente une section en pi selon le plan de coupe défini par la direction axiale (DA) et la direction radiale (DR) , et l'ensemble comprend, pour chaque secteur d'anneau (10a, 10b), au moins trois pions (19, 20) pour maintenir radialement le secteur d'anneau (10a, 10b) en position, les première et seconde pattes d'accrochage (14, 16) de chaque secteur d'anneau (10a, 10b) comprenant chacune une première extrémité (141, 161) solidaire de la face externe (12b) de la base annulaire (12), une seconde extrémité (142, 162) libre, au moins trois oreilles (17, 18) de réception desdits au moins trois pions (19, 20), au moins deux oreilles (17) s'étendant en saillie de la seconde extrémité (142, 162) d'une des première ou seconde pattes d'accrochage (14, 16) dans la direction radiale (DR) de l'anneau de turbine (1) et au moins une oreille (18) s'étendant en saillie de la seconde extrémité (162, 142) de l'autre patte d'accrochage (16, 14) dans la direction radiale (DR) de l'anneau de turbine (1), chaque oreille de réception (17, 18) comportant un orifice (170, 180) de réception d'un des pions (19, 20).
  9. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le secteur d'anneau présente une section en O selon le plan de coupe défini par la direction axiale (DA) et la direction radiale (DR), la première et la deuxième pattes d'accrochage (14, 16) présentant chacune une première extrémité (141, 161) solidaire de la face externe (12b) et une seconde extrémité libre (142, 162), et chaque secteur d'anneau (10a, 10b) comprenant une troisième et une quatrième pattes d'accrochage (17', 18') s'étendant chacune, dans la direction axiale (DA) de l'anneau de turbine (1), entre la seconde extrémité (142) de la première patte d'accrochage (14) et la seconde extrémité (162) de la deuxième patte d'accrochage (16), chaque secteur d'anneau (10a, 10b) étant fixé à la structure de support d'anneau (3) par une vis de fixation (19) comportant une tête de vis (190) en appui contre la structure de support d'anneau (3) et un filetage coopérant avec un taraudage réalisé dans une plaque de fixation (20), la plaque de fixation (20) coopérant avec les troisième et quatrième pattes d'accrochage (17', 18').
  10. Turbomachine comprenant un ensemble d'anneau de turbine (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
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