FR2961556A1 - Isolation du carter externe d'une turbine de turbomachine vis-a-vis d'un anneau sectorise - Google Patents

Abstract

Turbine de turbomachine, comprenant des étages comportant chacun une roue de rotor (105) montée à l'intérieur d'un anneau sectorisé porté par un carter externe (104), et un distributeur (102) fixé sur le carter, les secteurs d'anneau (106) n'étant pas en contact direct avec le carter et comportant à l'amont des moyens (113) d'accrochage sur un distributeur amont et à l'aval des moyens d'appui axial (130) et radial (128, 129) sur un distributeur aval, afin de supprimer l'échauffement par conduction du carter par l'anneau en fonctionnement.

Description

Isolation du carter externe d'une turbine de turbomachine vis-à-vis d'un anneau sectorisé

La présente invention concerne une turbine pour une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Une turbine de turbomachine, en particulier une turbine basse-pression, comprend plusieurs étages comportant chacun une roue de rotor montée rotative à l'intérieur d'un anneau sectorisé porté par un carter externe, et un distributeur sectorisé formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes qui est fixé sur le carter externe en aval de la roue (FR-A1-2 899 273 de la Déposante). Dans la technique actuelle, chaque secteur d'anneau comporte à l'amont des moyens d'accrochage formés par un organe annulaire à section en C qui est engagé depuis l'aval sur un rail cylindrique de carter et sur un rebord circonférentiel d'un distributeur amont, de façon à maintenir radialement ce distributeur sur le rail de carter. Chaque secteur d'anneau comporte en outre à l'aval des moyens d'appui axial et radial qui coopèrent avec un autre rail cylindrique du carter pour assurer une étanchéité et un positionnement radial du secteur d'anneau vis-à-vis du carter. L'extrémité aval du secteur d'anneau est maintenue radialement sur ce rail de carter par l'intermédiaire du distributeur aval qui est engagé depuis l'aval sur le rail et le secteur d'anneau (voir à ce sujet la demande FR 09-05657 de la Déposante). Les secteurs d'anneau sont donc dans la technique actuelle en contact direct avec le carter de turbine, à l'amont, par l'intermédiaire de leurs moyens d'accrochage (organes en C) et, à l'aval, par l'intermédiaire de leurs moyens d'appui. En fonctionnement, des gaz chauds sous pression sortant de la chambre de combustion de la turbomachine passent entre les aubes des distributeurs et s'écoulent sur les aubes des roues de la turbine, ce qui a pour effet d'élever la température des anneaux d'étanchéité entourant les

2 roues. Les surfaces de contact entre les secteurs d'anneau et les rails de carter sont importantes et forment des moyens de conduction thermique entre l'anneau et le carter externe. Le carter peut ainsi atteindre une température importante susceptible de le fragiliser et de réduire sa durée de vie. Il serait possible d'augmenter le débit d'air de refroidissement du carter pour limiter son échauffement en fonctionnement. Cependant, comme le débit d'air supplémentaire serait prélevé sur le compresseur de la turbomachine, cela entraînerait une diminution des performances de celle-ci. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème. Elle propose à cet effet une turbine pour une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant des étages comportant chacun une roue de rotor montée à l'intérieur d'un anneau sectorisé porté par un carter externe, et un distributeur sectorisé monté en aval de la roue et fixé sur le carter, les secteur d'anneau d'au moins un des étages comportant à l'amont des moyens d'accrochage et à l'aval des moyens d'appui axial et radial assurant respectivement une étanchéité et un positionnement radial des secteurs, caractérisé en ce que les moyens d'accrochage de chaque secteur d'anneau coopèrent avec un distributeur amont de la turbine et ne sont pas en contact avec le carter, et en ce que leurs moyens d'appui axial et radial coopèrent avec le distributeur aval et ne sont pas en contact avec le carter, afin de supprimer en fonctionnement l'échauffement par conduction du carter par l'anneau. De cette manière, les secteurs d'anneau sont isolés du carter externe de la turbine et ne sont pas susceptibles de le chauffer par conduction, ce qui permet de réduire la température de fonctionnement du carter de près de 60°dans un cas particulier de réalisation de l'invention.

Au contraire de la technique antérieure, les moyens d'accrochage amont de chaque secteur d'anneau coopèrent seulement avec le distributeur amont et non plus avec le distributeur amont et un rail de carter. De plus, les moyens d'appui aval coopèrent uniquement avec le distributeur aval et non plus avec un rail de carter. Les moyens d'appui radial de chaque secteur d'anneau permettent de positionner radialement le secteur et leurs moyens d'appui axial assurent une étanchéité entre la veine d'écoulement des gaz de la turbine et l'espace annulaire situé à l'extérieur de l'anneau et du distributeur aval. Les fonctions de positionnement radial et d'étanchéité des secteurs d'anneau sont donc conservées dans la présente invention.

Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, chaque secteur d'anneau comprend à l'aval un rebord radial externe d'appui axial sur le distributeur aval. La face aval de ce rebord est destinée à venir en appui axial sur le distributeur aval pour former une étanchéité comme décrit ci-dessus.

Le rebord radial externe de chaque secteur d'anneau est avantageusement sollicité axialement vers l'aval par des moyens formant ressort montés à l'amont du rebord, entre ce rebord et le carter. Ces moyens formant ressort assurent un appui axial permanent du rebord du secteur sur le distributeur.

Ces moyens formant ressort peuvent comprendre un joint annulaire élastiquement déformable en compression axiale, qui a par exemple en section une forme en S2 ou en C, et qui prend appui respectivement à l'amont sur le carter et à l'aval sur la face amont du rebord radial externe du secteur. Ce joint peut être annelé.

Avantageusement, le rebord radial externe précité de chaque secteur d'anneau comprend des fentes radiales qui sont formées sur ses bords latéraux et reçoivent des lamelles d'étanchéité inter-secteurs. Ces lamelles assurent une étanchéité entre les secteurs d'anneau disposés circonférentiellement bout à bout.

La partie d'extrémité aval de chaque secteur d'anneau est engagée dans une gorge annulaire du distributeur aval et comprend des moyens d'appui radial vers l'intérieur et vers l'extérieur sur les parois latérales de cette gorge, de façon à maintenir en position les secteurs d'anneau vis-à-vis du carter. Chaque secteur d'anneau peut comprendre à l'amont un organe d'accrochage à section en C dont l'ouverture est orientée vers l'amont pour son engagement sur un rebord circonférentiel du distributeur amont. Cet organe n'est pas engagé sur un rail de carter comme c'était le cas dans la technique antérieure. La présente invention concerne également une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine telle que décrite ci-dessus. L'invention concerne encore un secteur d'anneau pour une turbine de turbomachine du type précité, caractérisé en ce qu'il comprend à l'amont un organe d'accrochage à section en C et à l'aval un rebord radial externe d'appui dont les bords latéraux comprennent des fentes radiales de logement de lamelles d'étanchéité inter-secteurs. L'invention concerne enfin un procédé de montage d'une turbine de turbomachine du type précité, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à monter les secteurs d'anneau dans le carter uniquement par translation axiale jusqu'à ce que leurs moyens d'accrochage coopèrent avec le distributeur amont, puis à monter le distributeur aval par translation axiale dans le carter jusqu'à ce qu'il vienne en appui axial sur les secteurs d'anneau. Le procédé de montage des secteurs d'anneau dans le carter de turbine ne comporte donc plus d'étape de basculement vers l'extérieur des extrémités aval des secteurs. Le montage, ainsi que le démontage, des secteurs d'anneau sont donc simplifiés. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante 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'une turbine basse-pression de l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue agrandie d'une partie de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue correspondant à la figure 1 et illustrant l'invention ; et - la figure 4 est une vue agrandie d'une partie de la figure 3. Les figures 1 et 2 représentent une turbine basse-pression 1 de turbomachine de l'art antérieur, comprenant plusieurs étages comportant chacun un distributeur 2 porté par un carter externe 4 de la turbine, et une roue de rotor 5 montée en amont du distributeur 2 et tournant dans un anneau sensiblement tronconique formé par des secteurs 6 portés circonférentiellement bout à bout par le carter 4 de la turbine. Les distributeurs 2 comprennent des parois de révolution interne (non visible) et externe 7 qui délimitent entre elles une veine annulaire 8 d'écoulement des gaz dans la turbine et qui sont reliées radialement par des aubes 3. Les roues de rotor 2 sont solidaires d'un arbre de turbine, non représenté, et comprennent chacune des viroles externe 9 et interne (non visible), la virole externe 9 comprenant des nervures radiales externes 10 entourées extérieurement avec un faible jeu par les secteurs d'anneau 6. Chaque secteur d'anneau 6 comporte une paroi tronconique 11 et un bloc de matière abradable 12 fixé par brasage et/ou soudage sur la surface radialement interne de la paroi tronconique 11, ce bloc 12 étant du type en nid d'abeille et étant destiné à s'user par frottement sur les nervures 10 de la roue 5 pour minimiser les jeux radiaux entre la roue 5 et les secteurs d'anneau 6. La paroi tronconique 11 du secteur d'anneau 6 est solidaire à l'amont d'un organe d'accrochage 13 à section en C qui a une orientation circonférentielle et dont l'ouverture est orientée axialement vers l'amont.

Cet organe 13 est destiné à être engagé axialement depuis l'aval sur un premier rail cylindrique 14 du carter tourné vers l'aval et sur un rebord circonférentiel aval 15 d'un distributeur 2 situé en amont, de façon à maintenir radialement ce distributeur sur le rail de carter. La paroi tronconique 11 du secteur d'anneau comporte à l'aval une cavité annulaire ouverte vers l'extérieur et délimitée par une face annulaire amont 16, une face annulaire aval 17 et une paroi de fond 18, les faces annulaires 16, 17 et la paroi de fond 18 s'étendant sur toute la circonférence du secteur d'anneau 6. La partie d'extrémité aval de chaque secteur d'anneau 6 est engagée dans un espace annulaire 19 délimité entre deux rebords annulaires de la paroi externe 7 du distributeur 2 situé en aval, respectivement un rebord radialement interne 20 et un rebord radialement externe 21, orientés vers l'amont. Le carter externe 4 comporte un second rail cylindrique 22 s'étendant vers l'aval, qui est engagé dans la cavité de la paroi tronconique 11 du secteur d'anneau 6 et maintenu dans celle-ci par les rebords 20, 21 du distributeur 2. La face annulaire amont 16 de la cavité du secteur 6 forme des moyens d'appui axial sur l'extrémité amont du rail cylindrique 22, cet appui assurant en fonctionnement une étanchéité entre le secteur 6 et le carter 4.

La paroi de fond 18 de la cavité du secteur 6 forme des moyens d'appui radial sur la surface cylindrique interne du rail de carter 22, cet appui définissant une position radiale correcte du secteur d'anneau. Plus particulièrement, le rail 22 présente une surface annulaire radialement externe qui est en appui contre le rebord radialement externe 21 du distributeur, et une surface annulaire radialement interne qui est en appui contre la paroi de fond 18 du secteur d'anneau. Un jeu axial j1 est ménagé entre l'extrémité amont du rebord radialement externe 21 et la zone de raccordement 23 entre le rail 22 et le carter externe 4. Ce jeu j1 permet de compenser les effets de dilatation et peut devenir quasiment nul lors du fonctionnement de la turbomachine.

La dimension axiale de l'appui radial précité entre le rail de carter 22 et la paroi de fond 18 de la cavité de la paroi 11 est imposée et est égale à la somme du jeu j1, de l'épaisseur e2 en direction axiale de la zone de raccordement 23 précitée, et de la dimension axiale d3 de la surface d'appui du rebord externe 21 du distributeur sur le rail de carter 22. En fonctionnement, les gaz issus de la chambre de combustion chauffent les secteurs d'anneau 6, la chaleur étant ensuite transmise par conduction aux premier et second rails cylindriques 14, 22 du carter, qui peuvent atteindre des températures critiques.

Une turbine de turbomachine selon l'invention est illustrée aux figures 3 et 4 et diffère de celle décrite précédemment en ce que les secteurs d'anneau 106 ne sont plus en contact direct avec le carter externe 104 ou ses rails 114, 122, ce qui permet de supprimer l'échauffement par conduction du carter par les secteurs d'anneau en fonctionnement.

Selon l'invention, chaque secteur d'anneau 106 comprend à son extrémité amont des moyens d'accrochage sur le distributeur 102 situé à l'amont du secteur, et à son extrémité aval des moyens d'appui axial et radial sur le distributeur 102 situé à l'aval du secteur. Les moyens d'accrochage amont du secteur d'anneau 106 comprennent ici un organe annulaire 113 à section en C dont l'ouverture est orientée axialement avec l'amont. La paroi cylindrique radialement externe de cet organe 113 est fixée, par exemple par brasage, sur une surface cylindrique interne de la partie d'extrémité amont de la paroi 111 du secteur d'anneau 106.

L'organe 113 est engagé axialement depuis l'aval sur un rebord circonférentiel aval 115 du distributeur amont 102, ce qui assure le maintien radial de l'extrémité amont du secteur d'anneau et son centrage. Ce distributeur 102 comprend un rebord circonférentiel amont 127 d'accrochage sur un rail cylindrique 114 du carter, et est immobilisé vis-à- vis du carter en rotation au moyen d'un pion anti-rotation 124 porté par le carter, et en translation axiale vers l'aval au moyen d'un jonc annulaire d'arrêt 126 porté par le carter 104. La partie d'extrémité aval du secteur d'anneau 106 est engagée dans une gorge annulaire 119 débouchant axialement vers l'amont du distributeur aval 102 et comprend des surfaces cylindriques radialement interne 128 et externe 129 d'appui radial respectivement sur des rebords cylindriques 120, 121 du distributeur, qui s'étendent vers l'amont et délimitent entre eux la gorge précitée. La surface 128 d'appui radialement interne est définie par la partie d'extrémité aval du matériau abradable 112 du secteur d'anneau, et la surface 129 d'appui radialement externe est définie par la partie d'extrémité aval de la paroi tronconique 111 du secteur d'anneau. L'extrémité aval du secteur d'anneau 106 est donc maintenue et positionnée radialement par le distributeur aval 102. Le distributeur aval 102 comporte en outre à son extrémité radialement externe un rebord cylindrique 140 d'accrochage sur un rail 122 du carter externe 104, ce rebord 140 s'étendant radialement à l'extérieur des rebords cylindriques 120, 121. Les moyens d'appui axial du secteur d'anneau comprennent un rebord radial 130 qui s'étend vers l'extérieur au voisinage de son extrémité aval et dont la face radiale aval 131 est destinée à venir en appui axial vers l'aval sur l'extrémité amont du rebord 121 précité du distributeur aval 102. Ce rebord radial externe 130 est sollicité axialement vers l'aval par des moyens formant ressort qui sont montés en amont du rebord 130, entre ce rebord et le rail 122 du carter externe.

Dans l'exemple représenté, les moyens formant ressort comprennent un joint annulaire 134 élastiquement déformable en compression axiale, qui entoure les secteurs d'anneau 106 et qui prend appui axialement vers l'amont sur une face radiale aval d'une paroi annulaire radialement interne 132 du rail de carter 122 et vers l'aval sur les faces radiales amont 133 des rebords radiaux externes 130 des secteurs 106.

Le joint 134 a ici une section en forme de S2 ou est du type annelé. Ce joint 134 est par exemple réalisé en alliage, tel qu'en INCONEL®. L'appui axial du rebord radial externe 130 sur le distributeur aval 102 assure une bonne étanchéité radiale entre le secteur d'anneau et le distributeur (flèche 135 en figure 4). Le rebord radial externe 130 de chaque secteur 106 comprend au niveau de ses bords latéraux des fentes radiales 136 de logement de lamelles d'étanchéité inter-secteurs. La paroi tronconique 111 du secteur comprend en outre des fentes longitudinales 137 sur ses bords latéraux, pour le logement d'autres lamelles d'étanchéité. Ces lamelles d'étanchéité assurent une bonne étanchéité entre les secteurs d'anneau 106 en fonctionnement. Le montage de la turbine selon l'invention peut être réalisé comme suit : le distributeur amont 102 est monté dans le carter 104 en accrochant les rebords circonférentiels amont 127 des ses secteurs sur le rail de carter 114 puis en l'immobilisant en rotation et en translation vis-à-vis du carter au moyen des pions 124 et du jonc 126; les secteurs d'anneau 106 sont déplacés en translation axiale depuis l'aval dans le carter jusqu'à ce que leurs organes d'accrochage amont 113 soient engagés sur les rebords circonférentiels aval 115 des secteurs de distributeur ; dans cette position, le joint annulaire 134 est interposé axialement entre la paroi interne 132 du rail de carter 122 et les rebords radiaux externes 130 des secteurs d'anneau 106 ; le distributeur aval 102 est monté dans le carter 104 de façon à ce que les rebords circonférentiels amont 140 de ses secteurs soient accrochés sur le rail de carter 122 et que ses rebords cylindriques 120, 121 soient situés respectivement radialement à l'intérieur et à l'extérieur des parties d'extrémité aval des secteurs d'anneau 106. Dans cette position de montage, les rebords radiaux externes 130 des secteurs d'anneau 106 sont sollicités vers l'aval par le joint 134 et sont maintenus en appui axial sur les rebords cylindriques 121 des secteurs de distributeur 102.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Turbine pour une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant des étages comportant chacun une roue de rotor (105) montée à l'intérieur d'un anneau sectorisé porté par un carter externe (104), et un distributeur (102) sectorisé monté en aval de la roue et fixé sur le carter, les secteurs d'anneau (106) d'au moins un des étages comportant à l'amont des moyens (113) d'accrochage et à l'aval des moyens d'appui axial (130) et radial (128, 129) assurant respectivement une étanchéité et un positionnement radial des secteurs, caractérisée en ce que les moyens d'accrochage de chaque secteur d'anneau coopèrent avec un distributeur amont de la turbine et ne sont pas en contact avec le carter, et en ce que leurs moyens d'appui axial et radial coopèrent avec le distributeur aval et ne sont pas en contact avec le carter, afin de supprimer en fonctionnement l'échauffement par conduction du carter par l'anneau.
2. 2. Turbine selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque secteur d'anneau (106) comprend à l'aval un rebord radial externe (130) d'appui axial sur le distributeur aval (102).
3. 3. Turbine selon la revendication 2, caractérisée en ce que le rebord radial externe (130) de chaque secteur d'anneau (106) est sollicité axialement vers l'aval par des moyens (134) formant ressort montés à l'amont du rebord, entre ce rebord et le carter (104).
4. 4. Turbine selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens formant ressort comprennent un joint annulaire (134) élastiquement déformable en compression axiale, qui a par exemple en section une forme en S2 ou en C, et qui prend appui respectivement sur le carter (104) et sur la face amont du rebord radial externe (130) de chaque secteur d'anneau (106).
5. 5. Turbine selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le rebord radial externe (130) de chaque secteur d'anneau (106)comprend des fentes radiales (136) qui sont formées sur ses bords latéraux et reçoivent des lamelles d'étanchéité inter-secteurs.
6. 6. Turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la partie d'extrémité aval de chaque secteur d'anneau (106) est engagée dans une gorge annulaire (119) du distributeur aval (102) et comprend des moyens (128, 129) d'appui radial vers l'intérieur et vers l'extérieur sur les parois latérales de cette gorge.
7. 7. Turbine selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque secteur d'anneau (106) comprend à l'amont un organe d'accrochage (113) à section en C dont l'ouverture est orientée vers l'amont pour son engagement sur un rebord circonférentiel (115) du distributeur amont (102).
8. 8. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine selon l'une des revendications précédentes.
9. 9. Secteur d'anneau (106) pour une turbine de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend à l'amont un organe d'accrochage (113) à section en C et à l'aval un rebord radial externe (130) dont les bords latéraux comprennent des fentes radiales (136) de logement de lamelles d'étanchéité inter-secteurs.
10. 10. Procédé de montage d'une turbine de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend une étape consistant à monter les secteurs d'anneau (106) dans le carter (104) par translation axiale uniquement jusqu'à ce que leurs moyens d'accrochage (113) coopèrent avec le distributeur amont (102), puis à monter le distributeur aval (102) par translation axiale dans le carter jusqu'à ce qu'il vienne en appui axial sur les secteurs d'anneau.