FR2955898A1 - Etancheite amont d'un anneau en cmc dans une turbine de turbomachine - Google Patents

Etancheite amont d'un anneau en cmc dans une turbine de turbomachine Download PDF

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Abstract

Etage de turbine de turbomachine, comprenant au moins une roue à aubes entourée par un anneau sectorisé (116) en composite à matrice céramique (CMC) qui est porté par un carter (112) en alliage métallique et qui comprend un rebord circonférentiel amont (120) engagé axialement dans une gorge annulaire (124) d'une patte annulaire (126) du carter, au moins une des parois latérales de cette gorge comprenant une rainure annulaire dans laquelle est logé un joint annulaire (142) d'étanchéité destiné à être serré au montage entre le fond de la rainure et le rebord circonférentiel amont de l'anneau.

Description

Etanchéité amont d'un anneau en CMC dans une turbine de turbomachine
La présente invention concerne l'étanchéité amont d'un anneau en composite à matrice céramique (CMC) dans un étage de turbine d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Une turbine de turbomachine comprend en général plusieurs étages comportant chacun un distributeur formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes portées par un carter de la turbine, et une roue à aubes montée rotative en aval du distributeur dans un anneau de forme générale cylindrique ou tronconique, formé par des secteurs qui sont disposés circonférentiellement bout à bout et qui sont accrochés sur le carter de la turbine. Chaque secteur d'anneau comprend une plaque à orientation circonférentielle qui porte un bloc de matière abradable fixé sur la surface interne de la plaque, ce bloc étant par exemple du type en nid d'abeilles et étant destiné à s'user par frottement sur les extrémités radialement externes des aubes de la roue, pour minimiser les jeux radiaux entre la roue et les secteurs d'anneau.
Chaque secteur d'anneau comprend à ses extrémités amont et aval des rebords circonférentiels d'accrochage sur le carter. Le rebord circonférentiel amont du secteur d'anneau est engagé axialement dans une gorge annulaire du carter. Le rebord circonférentiel aval du secteur d'anneau est serré radialement sur un rail annulaire du carter par l'intermédiaire d'un verrou à section sensiblement en C, qui est engagé axialement sur le rail de carter et sur le rebord circonférentiel aval du secteur d'anneau. L'anneau est entouré par une cavité annulaire alimentée en air de ventilation, qui est par exemple prélevé sur le compresseur de la turbomachine. II est important qu'une étanchéité soit assurée entre les secteurs d'anneau, d'une part, et entre les extrémités amont et aval de l'anneau et le carter, d'autre part, pour éviter des fuites d'air de ventilation depuis la cavité radialement vers l'intérieur dans la veine de turbine. L'étanchéité entre les secteurs d'anneau est assurée par des lamelles d'étanchéité montées entre les secteurs d'anneau. L'étanchéité aux extrémités amont et aval de l'anneau est en général assurée par l'appui radial des rebords circonférentiels amont et aval de l'anneau sur des surfaces cylindriques correspondantes du carter. On a déjà proposé de réaliser les secteurs d'anneau en matériau composite à matrice céramique (CMC), pour améliorer notamment leurs propriétés mécaniques et leur résistance thermique. Cependant, du fait que le carter est réalisé en alliage métallique (par exemple en INCO ou en acier), le carter et l'anneau n'ont pas les mêmes dilatations thermiques. Le coefficient de dilatation thermique d'un CMC est environ quatre fois plus faible que celui d'un alliage métallique. L'anneau en CMC se dilate moins que le carter de turbine en alliage métallique et est aussi plus rigide. On a constaté qu'en fonctionnement les secteurs d'anneau en CMC se décambrent et prennent une forme dans laquelle leur concavité est tournée vers l'extérieur. Le carter de turbine a lui tendance à se déformer en fonctionnement et a localement des zones bombées vers l'extérieur et des zones bombées vers l'intérieur. Ces déformations se traduisent notamment par des jeux radiaux de l'ordre de 0,1-0,2mm entre le rebord circonférentiel amont de l'anneau et la surface cylindrique précitée du carter, sur laquelle est destiné à être appliqué ce rebord. Cela se traduit par des fuites d'air de ventilation, qui nécessitent une augmentation des prélèvements d'air sur le compresseur et entraînent une diminution des performances de la turbomachine. II n'est donc pas possible, dans la technique actuelle, de garantir une étanchéité amont d'un anneau en CMC dans une turbine de turbomachine. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème.
Elle propose à cet effet un étage de turbine de turbomachine, comprenant au moins une roue à aubes entourée par un anneau sectorisé en matériau dont le coefficient de dilatation thermique est inférieur, et de préférence très inférieur, à celui d'un carter en alliage métallique qui supporte l'anneau, celui-ci comprenant un rebord circonférentiel amont engagé dans une gorge annulaire d'une patte annulaire du carter, caractérisé en ce qu'au moins une des parois latérales de la gorge comprend une rainure annulaire débouchant en direction radiale et dans laquelle est logé un joint annulaire d'étanchéité destiné à être serré au montage entre le fond de la rainure et le rebord circonférentiel amont de l'anneau. Selon l'invention, l'étanchéité amont de l'anneau en CMC est garantie par le joint annulaire qui est serré entre la patte annulaire du carter et le rebord circonférentiel amont de l'anneau et qui compense en fonctionnement les jeux radiaux qui peuvent apparaître entre ces éléments du fait du décambrage de l'anneau. Selon une autre caractéristique de l'invention, la rainure est formée dans la paroi latérale radialement interne de la gorge et débouche radialement vers l'extérieur.
Lorsque l'anneau se décambre en fonctionnement, la paroi latérale radialement interne de la gorge se déforme de la même façon car elle est plus souple que l'anneau, ce qui bloque le joint d'étanchéité contre le rebord circonférentiel amont de l'anneau et empêche toute fuite d'air de ventilation.
La rainure de logement du joint d'étanchéité peut être réalisée par fraisage. Le joint est de préférence réalisé dans un matériau élastiquement déformable, par exemple en alliage métallique tel que de l'INCO 718. Ce joint peut être creux ou plein. Avantageusement, la paroi latérale de la gorge, opposée au joint, comprend, sensiblement en regard du joint, un renfoncement annulaire destiné à faciliter le montage du rebord circonférentiel de chaque secteur d'anneau dans la gorge, par engagement de la périphérie externe de ce rebord dans l'évidement puis par bascule de l'extrémité aval du secteur d'anneau radialement vers l'extérieur. Ce montage permet d'éviter d'abîmer le joint d'étanchéité en limitant le pincement du joint et le frottement du rebord circonférentiel amont de l'anneau sur le joint. Le rebord circonférentiel amont de l'anneau est mis en appui sur le joint d'étanchéité lors du basculement précité. L'anneau peut comprendre un rebord circonférentiel aval d'accrochage sur un rail du carter, ce rebord étant en appui radial contre une surface cylindrique interne du rail, qui comporte au moins une rainure annulaire débouchant radialement vers l'intérieur et dans laquelle est logé un second joint annulaire d'étanchéité serré au montage entre le fond de la rainure et le rebord circonférentiel aval de l'anneau, afin d'assurer également une bonne étanchéité à l'aval de l'anneau.
L'invention concerne également une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend un étage de turbine décrit ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale d'un étage de turbine d'une turbomachine, selon la technique antérieure ; - la figure 2 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale d'un étage de turbine d'une turbomachine, selon l'invention ; - la figure 3 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 2 ; et - la figure 4 est une vue correspondant à la figure 2 et illustre une étape de montage de l'anneau sectorisé de l'étage de turbine. On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente un étage de turbine 10 d'une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Cet étage 10 comprend un distributeur, non visible, formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes portées par un carter 12 de la turbine, et une roue à aubes 14 montée en amont du distributeur et tournant dans un anneau sectorisé 16 formé d'une pluralité de secteurs 18 qui sont portés circonférentiellement bout à bout par le carter 12 de la turbine.
L'anneau 16 comprend à ses extrémités amont et aval des rebords circonférentiels 20, 22 d'accrochage sur le carter 12 de la turbine, qui sont parallèles aux bords amont et aval de l'anneau et qui s'étendent au-delà de ces bords. Le rebord circonférentiel amont 20 de l'anneau est orienté vers l'amont et est engagé dans une gorge annulaire 24 orientée vers l'aval du carter 12. Cette gorge annulaire 24 est formée dans une patte annulaire 26 du carter s'étendant radialement vers l'intérieur. Le rebord circonférentiel aval 22 de l'anneau est orienté vers l'aval et est maintenu en appui radial sur un rail cylindrique 28 du carter au moyen de verrous 30 à section en C dont l'ouverture est orientée axialement vers l'amont et qui sont engagés axialement par déformation élastique depuis l'aval sur le rail de carter 28 et le rebord circonférentiel aval 22 de l'anneau. Le carter 12 définit une cavité annulaire 32 autour de l'anneau 16, qui est alimentée par de l'air de ventilation prélevé sur le compresseur et passant à travers des orifices 34 du carter. Pour limiter les fuites d'air de ventilation depuis cette cavité 32 jusque dans la veine de la turbine, le rebord amont 20 de l'anneau est en appui radial sur au moins une des faces latérales de la gorge 24 du carter et son rebord aval 22 est serré radialement sur le rail 28 du carter. De plus, des moyens d'étanchéité sont montés entre les secteurs d'anneau 18.
Cependant, comme expliqué dans ce qui précède, lorsque l'anneau est réalisé en composite à matrice céramique (CMC), il se décambre en fonctionnement, ce qui se traduit par des fuites d'air de ventilation (schématiquement représentées par la flèche 36) au niveau de son rebord circonférentiel amont 20.
L'invention permet de remédier à cet inconvénient grâce à au moins un joint annulaire d'étanchéité entre le rebord circonférentiel amont de l'anneau et une des parois latérales de la gorge de la patte annulaire du carter. Dans l'exemple représenté aux figures 2 à 4, l'anneau 118 est sensiblement identique à celui de la figure 1. La paroi radialement interne 138 de la gorge 124 de la patte annulaire 126 du carter 112 comprend une rainure annulaire 140 débouchant radialement vers l'extérieur, à l'intérieur de la gorge 124. Un joint annulaire 142 d'étanchéité est logé dans cette rainure 140. Lorsque le joint 142 est monté dans la rainure 140, sa périphérie externe est en saillie sur la paroi latérale 138. Ce joint 142 est élastiquement déformable et est destiné à être serré en direction radiale entre le fond de la rainure et la surface cylindrique interne 144 du rebord circonférentiel amont 120 de l'anneau. En position de montage, cette surface 144 du rebord amont 122 de l'anneau est en appui sur le joint 142 et la paroi latérale 138 de la gorge 124. La paroi radialement externe 146 de la gorge 124 comprend une partie d'extrémité aval 148 destinée à être au montage en appui sur la surface cylindrique externe 150 du rebord amont 120 de l'anneau, et une partie d'extrémité amont comportant un renfoncement annulaire 152 destiné à faciliter le montage des secteurs d'anneau 118 et à empêcher la dégradation du joint 142 lors de ce montage. Le rail 128 du carter comprend une rainure annulaire débouchant radialement vers l'intérieur et dans laquelle est logé un second joint annulaire 154 d'étanchéité, similaire au joint 142. Ce second joint 154 est destiné au montage à être serré radialement entre le fond de la rainure du carter et la surface cylindrique externe du rebord circonférentiel aval 122 de l'anneau, pour garantir l'étanchéité à l'aval de l'anneau. L'anneau 116 est accroché sur le carter 112 de la façon suivante. Les joints 142 et 154 sont préalablement montés dans leurs rainures respectives du carter. Le rebord circonférentiel amont 120 de chaque secteur d'anneau 118 est engagé dans la gorge 124 du carter par déplacement dans une direction légèrement inclinée d'aval en amont vers l'extérieur, par rapport à l'axe longitudinal de la turbine, jusqu'à ce que la périphérie externe du rebord 120 soit situé dans le renfoncement 152 de la paroi latérale externe 146 de la gorge 124, de façon à ce que le rebord amont 120 du secteur d'anneau ne pince pas et ne frotte pas le joint 142 lors de son engagement dans la gorge 124. L'extrémité aval du secteur d'anneau 118 est ensuite basculée radialement vers l'extérieur (flèche 156), jusqu'à ce que son rebord aval 122 vienne en appui sur le rail 128 et le joint 154. Lors de ce basculement, le rebord amont 120 du secteur d'anneau vient en appui, d'une part, contre la partie d'extrémité aval 148 de la paroi latérale externe 146 de la gorge 124 et, d'autre part, contre le joint 142 et la paroi latérale interne 138 de la gorge 124. Chaque secteur d'anneau 118 est monté de cette façon sur le carter et est maintenu contre le rail 128 au moyen des verrous 130.
En fonctionnement, le rebord circonférentiel amont 120 de l'anneau se décambre et impose des déformations à la paroi interne 138 de la gorge, qui est réalisée dans un matériau plus souple que l'anneau. Lors de ces déformations, le joint 142 est maintenu appliqué contre le rebord amont 120 de l'anneau, ce qui garantie une bonne étanchéité à l'amont de l'anneau.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1. Etage de turbine de turbomachine, comprenant au moins une roue à aubes entourée par un anneau sectorisé (116) en matériau dont le coefficient de dilatation thermique est inférieur à celui d'un carter (12) en alliage métallique qui supporte l'anneau, celui-ci comprenant un rebord circonférentiel amont (120) engagé dans une gorge annulaire (124) d'une patte annulaire (126) du carter, caractérisé en ce qu'au moins une des parois latérales (138, 146) de la gorge comprend une rainure annulaire (140) débouchant en direction radiale et dans laquelle est logé un joint annulaire (142) d'étanchéité destiné à être serré au montage entre le fond de la rainure et le rebord circonférentiel amont de l'anneau.
  2. 2. Etage de turbine selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anneau (116) est en composite à matrice céramique.
  3. 3. Etage de turbine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la rainure (140) est formée dans la paroi latérale radialement interne (138) de la gorge (124) et débouche radialement vers l'extérieur.
  4. 4. Etage de turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la rainure (140) est réalisée par fraisage.
  5. 5. Etage de turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le joint (142) est réalisé dans un matériau élastiquement déformable, tel que par exemple de l'INCO 718.
  6. 6. Etage de turbine selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que la paroi latérale (146) de la gorge (124), opposée au joint (142), comprend, sensiblement en regard du joint, un renfoncement annulaire (152) destiné à faciliter le montage du rebord circonférentiel (120) de chaque secteur d'anneau (118) dans la gorge, par engagement de la périphérie externe de ce rebord dans l'évidement puis par bascule de l'extrémité aval du secteur d'anneau radialement vers l'extérieur.
  7. 7. Etage de turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'anneau (116) comprend un rebord circonférentielaval (122) d'accrochage sur un rail (128) du carter (112), ce rebord étant en appui radial contre une surface cylindrique interne du rail, qui comporte au moins une rainure annulaire débouchant radialement vers l'intérieur et dans laquelle est logé un joint annulaire (154) d'étanchéité serré au montage entre le fond de la rainure et le rebord circonférentiel aval de l'anneau.
  8. 8. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend un étage de turbine selon l'une des revendications précédentes.
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