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FR3127019A1 - Distributeur en CMC dont l’étanchéité est améliorée et Turbine de turbomachine associée - Google Patents

Distributeur en CMC dont l’étanchéité est améliorée et Turbine de turbomachine associée Download PDF

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FR3127019A1
FR3127019A1 FR2109627A FR2109627A FR3127019A1 FR 3127019 A1 FR3127019 A1 FR 3127019A1 FR 2109627 A FR2109627 A FR 2109627A FR 2109627 A FR2109627 A FR 2109627A FR 3127019 A1 FR3127019 A1 FR 3127019A1
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Clément Emile André CAZIN
Sébastien Serge Francis Congratel
Arthur Paul Gabriel NIMHAUSER
Clément Jarrossay
Aurélien GAILLARD
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Abstract

Distributeur en CMC dont l’étanchéité est améliorée et Turbine de turbomachine associée L’invention concerne un distributeur (2) annulaire de turbine (1) comportant une pluralité de secteurs (20) de distributeur en matériau composite à matrice céramique formant une couronne, chaque secteur (20) de la couronne comportant une plateforme intérieure (24) et une plateforme extérieure (26) présentant selon la direction circonférentielle (Dc) respectivement une première et une seconde extrémités intérieures (241, 242) et une première et une seconde extrémités extérieures (261, 262), et au moins une pale (28) s’étendant radialement entre les plateformes intérieure et extérieure (24, 26). Pour chaque secteur (20), ladite première extrémité intérieure (241) comprend un premier épaulement intérieur (243) et ladite seconde extrémité intérieure (242) comprend un second épaulement intérieur (244) conformé pour coopérer par emboitement avec le premier épaulement intérieur (243) d’une plateforme intérieure adjacente (24), et ladite première extrémité extérieure (261) comprend un premier épaulement extérieur (263) et ladite seconde extrémité extérieure (262) comprend un second épaulement extérieur (264) conformé pour coopérer par emboitement avec le premier épaulement extérieur (263) d’une plateforme intérieure adjacente (26). Figure pour l’abrégé : Fig. 3

Description

Distributeur en CMC dont l’étanchéité est améliorée et Turbine de turbomachine associée
L’invention concerne des turbomachines, notamment des turbomoteurs aéronautiques ou des turbines industrielles comprenant un distributeur de turbine en matériau composite à matrice céramique ou à matrice au moins partiellement en céramique, désigné ci-après par matériau CMC.
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.
L'amélioration des performances des turbomachines et la réduction de leurs émissions polluantes conduit à envisager des températures de fonctionnement de plus en plus élevées.
Pour des éléments de parties chaudes de turbomachines, il a donc été proposé d'utiliser des matériaux composites à matrice céramique noté CMC par la suite.
Les matériaux CMC sont typiquement formés d'un renfort fibreux en fibres réfractaires, telles que des fibres de carbone ou de céramique, densifié par une matrice en céramique ou au moins partiellement en céramique.
Ces matériaux possèdent des propriétés thermo-structurales remarquables, c'est-à-dire des propriétés mécaniques qui les rendent aptes à constituer des éléments de structure et la capacité à conserver ces propriétés à des températures élevées. De surcroît, les matériaux CMC ont une masse volumique bien inférieure à celle des matériaux métalliques utilisés traditionnellement pour des éléments de parties chaudes de turbomachines.
Ainsi, les documents WO 2010/061140, WO 2010/116066 et WO 2011/080443 décrivent la réalisation d'aubes de roues mobiles de turbomachines en CMC à plate-forme et talon intégrés. L'utilisation de matériaux CMC pour des distributeurs de turbine a aussi été proposée, notamment dans les documents WO 2010/146288, FR 2 979 662 et EP 2 443 318.
Un distributeur de turbine métallique traditionnel présente une forme de couronne composée de plusieurs secteurs assemblés, chaque secteur comprenant une plateforme intérieure, une plateforme extérieure et une pluralité de pales s'étendant entre les plateformes intérieure et extérieure et fixées à celles-ci. Les plateformes intérieures juxtaposées forment une virole intérieure et les plateformes extérieures juxtaposées forment une virole extérieure. Les viroles intérieure et extérieure délimitent la veine d'écoulement de gaz dans le distributeur.
Introduire un distributeur, par exemple un distributeur haute pression, en CMC permet d’augmenter la température maximale tolérée par rapport à un distributeur métallique, et ainsi de diminuer la quantité d’air de refroidissement utilisée. Cela permet ainsi d’augmenter les performances de la turbomachine.
Toutefois, le CMC, par ses propriétés différentes du métal est plus sensible à certaines contraintes mécaniques. En effet le CMC présente une plus grande rigidité et une plus faible dilatation. Il se comporte mieux en compression, mais ses contraintes admissibles en traction sont plus faibles que celles du métal.
De plus, l’intégration dans un environnement métallique d’une pièce en CMC est délicate en raison des dilatations thermiques différentielles entre le CMC et le métal. Cela est d’autant plus délicat dans une turbomachine, et plus particulièrement dans une partie à haute pression de la turbomachine, car l’environnement est chaud, ce qui exacerbe les différences de coefficients de dilatation thermique entre les matériaux, les efforts aérodynamiques subis par un distributeur haute pression étant en outre élevés dans cette zone de turbine.
Il est connu des distributeurs en CMC comme par exemple un distributeur de turbine comportant une virole externe de support solidaire d’un carter, une virole interne de support, et une pluralité de secteurs de distributeurs en CMC formant une couronne s’étendant entre la virole externe de support et la virole interne de support. Chaque secteur de distributeur est en appui sur les viroles interne et externe de support et comporte une plateforme intérieure, une plateforme extérieure, et au moins une pale s’étendant entre la plateforme extérieure et la plateforme intérieure et fixée à celles-ci.
Toutefois, il existe un besoin d’améliorer les solutions connues en ce qui concerne le maintien déterministe du secteur de distributeur en CMC avec la virole interne, notamment en termes de maintien axial du secteur de distributeur et en termes de reprise des efforts aérodynamiques.
Par ailleurs, un important différentiel de pressions est exercé sur le carter radialement sous le distributeur dans les directions radiale et axiale. Ce carter sert à créer une étanchéité entre le rotor et le stator. Cet écart de pression est source d’un effort qui, s’il était exercé sur le CMC, serait élevé compte tenu des admissibles du matériau.
Il est connu également, notamment du document FR 3 061 928 et FR 2 973 435, un distributeur tel que décrit ci-dessus et comportant en outre un mât de renforcement s’étendant radialement à l’intérieur des aubes entre les deux plateformes permettant au distributeur d’être maintenu au carter par le mât.
Cependant, une telle solution reprend via le mât aussi bien les efforts relatifs au différentiel de pression radialement sous le distributeur que les efforts aérodynamiques sur la couronne en CMC. En outre, pour les raisons évoquées ci-dessus relatives au comportement mécanique différent entre CMC et matériau métallique, il est difficile de positionner la partie CMC sur l’environnement métallique en la bridant.
Lors du fonctionnement de la turbine, un jeu radial important est généré entre le mât et la pale qu’il traverse. Plus particulièrement, la dilation du mât étant supérieure à la dilatation de la pale en CMC un jeu radial supérieur à 0,5 mm, voire supérieur à 1 mm, peut apparaître entre le mât et la pale qu’il traverse. Ce jeu radial génère une incertitude sur la position de la pale, le plaquage aérodynamique devenant aléatoire vers le haut ou le bas selon la résultante radiale de l’effort aérodynamique.
Dans un distributeur entièrement métallique, les distributeurs sont habituellement issus de fonderie et plusieurs pales composent un seul distributeur (souvent des doublets ou des triplets, c’est-à-dire deux ou trois pales par secteur d’anneau). Dans ce cas la section de passage est maîtrisée et répétable de par le procédé de fabrication.
Ce n’est plus le cas lorsque les aubes sont intégrées en matériau CMC dans un environnement métallique, pour plusieurs raisons. D’une part, de par le manque de maîtrise des tolérances sur les pièces en CMC, de par le fait que la pale en matériau CMC n’est pas contrainte en position pour éviter de l’endommager, et de par le contact entre la pale en matériau CMC et le mât métallique qui reprend les efforts.
Il existe donc un besoin d’améliorer le maintien déterministe du distributeur en CMC de cette solution.
De plus, l’utilisation de secteurs d’anneau en CMC accroît le nombre de pièces nécessaires pour son intégration sur le carter de turbine, ce qui augmente le coût et le poids de l’ensemble et nécessite des opérations de montage complexes (frettage de douilles, montage de goupilles, etc.) qui peuvent notamment jouer sur l’étanchéité de l’anneau.
Il est connu du document FR 2 979 573 des distributeurs annulaires comportant des structures à emboîtement pour des plateformes d’aubes circonférentielles. Cependant, ces structures d’emboîtement ne peuvent être utilisées que pour des plateformes présentant des formes simples. En outre, elles présentent des renflements, ou nervures qui viennent perturber l’écoulement fluidique dans la veine d’écoulement.
L'invention vise à pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus et à passer outre les difficultés mentionnées ci-dessus en proposant une turbine de turbomachine comprenant un distributeur de turbine au moins en partie en CMC dont le montage est simplifié et adapté pour maintenir ses secteurs de distributeur de façon déterministe tout en permettant aux secteurs de se déformer indépendamment des pièces métalliques en interface, et en garantissant une étanchéité satisfaisante entre les secteurs d’anneau notamment au niveau des interfaces entre les sections de plateformes aussi bien internes qu’externes afin de respecter le niveau de réintroduction d’air de veine admissible dans ces zones.
Ce but est atteint grâce à un distributeur annulaire de turbine comportant une pluralité de secteurs de distributeur en matériau composite à matrice céramique formant une couronne définissant une direction axiale, une direction radiale et une direction circonférentielle, chaque secteur de la couronne comportant :
- une plateforme intérieure présentant selon la direction circonférentielle une première extrémité intérieure et une seconde extrémité intérieure,
- une plateforme extérieure présentant selon la direction circonférentielle une première extrémité extérieure et une seconde extrémité extérieure, et
- au moins une pale s’étendant radialement entre les plateformes intérieure et extérieure.
Selon une caractéristique générale de l’invention, pour chaque secteur, ladite première extrémité intérieure comprend un premier usinage formant un premier épaulement intérieur et ladite seconde extrémité intérieure comprend un deuxième usinage formant un second épaulement intérieur conformé pour coopérer par emboitement avec le premier épaulement intérieur d’une plateforme intérieure d’un secteur adjacent, et ladite première extrémité extérieure comprend un troisième usinage formant un premier épaulement extérieur et ladite seconde extrémité extérieure comprend un quatrième usinage formant un second épaulement extérieur conformé pour coopérer par emboitement avec le premier épaulement extérieur d’une plateforme intérieure d’un secteur adjacent.
Cette configuration architecturale des plateformes des secteurs d’anneau permet de créer, à chaque jonction entre deux plateformes adjacentes de la couronne, une chicane limitant l’écoulement d’air entre le secteur hors veine et la veine d’écoulement de flux gazeux.
Cette solution architecturale permet de facilement réaliser des structures d’aubes emboitables selon la direction circonférentielle même lorsque la plateforme présente une forme complexe.
L’invention permet ainsi d’améliorer l’étanchéité entre les différentes plateformes des secteurs de distributeur, tels que les secteurs d’un distributeur basse pression, et donc de maîtriser le niveau de pressurisation des cavités internes ainsi que le niveau de réintroduction d’air venant de la veine.
De plus, la formation des épaulements dans les plateformes des secteurs d’anneau requiert un usinage simplifié des interfaces par rapport à l’usinage d’une fente pour une languette par exemple.
En outre, la solution architecturale peut être adaptée à toute intégration de distributeur devant être sectorisé et pour lequel une étanchéité radiale entre deux pièces sectorisés doit être assurée, et pour tout matériau dans lequel le distributeur est fabriqué.
Selon un premier mode de réalisation du distributeur, la couronne formée par l’assemblage des secteurs peut comprendre une virole intérieure formée par l’assemblage des plateformes intérieures et une virole extérieure formée par l’assemblage des plateformes extérieures, la virole intérieure comprenant une surface radialement externe continue, et la virole extérieure comprenant une surface radialement interne continue en regard de la surface radialement externe de la virole intérieure, les viroles étant destinées à délimiter entre elles une veine d’écoulement d’air.
Autrement dit, les plateformes sont formées dans une plaque d’une certaine épaisseur qui est ensuite usinée sur chacune des extrémités circonférentielles pour réaliser les épaulements sans modifier les surfaces radiales des plateformes.
Selon un second mode de réalisation du distributeur, le distributeur peut comprendre en outre une tôle d’étanchéité, qui peut être annulaire, disposée radialement à l’intérieur d’une virole intérieure formée par les plateformes intérieures des secteurs assemblés pour former la couronne, et un ressort radial disposé radialement à l’intérieur de la tôle d’étanchéité et plaquant la tôle d’étanchéité contre la virole intérieure.
La tôle d’étanchéité et le ressort radial qui la plaque contre la virole intérieure permet de garantir l’étanchéité au niveau de l’emboîtement des premiers et secondes épaulements intérieurs.
Selon un troisième mode de réalisation du distributeur, la plateforme intérieure de chaque secteur peut présenter des extrémités circonférentielles ayant des formes de lignes brisées dans un plan comprenant la direction circonférentielle et la direction axiale.
Dans un autre objet de l’invention, il est proposé une turbine de turbomachine comprenant un carter, une virole externe de support en métal solidaire du carter et définissant une direction axiale, une direction radiale et une direction circonférentielle, une virole interne de support en métal, un distributeur annulaire de turbine tel que défini ci-dessus formant une couronne s’étendant entre la virole externe de support et la virole interne de support.
Selon un premier mode de réalisation de la turbine, ladite au moins une pale de chaque secteur peut présenter un profil creux définissant un logement interne s’étendant radialement, et la turbine peut comprendre en outre, pour chaque secteur, au moins un mât solidaire de la virole métallique et traversant radialement le secteur via le logement d’une pale.
L’invention propose ainsi une solution pour maîtriser la section de passage de l’écoulement de veine dans un distributeur comprenant un assemblage de pales creuses en CMC traversées par des mâts métalliques malgré un maintien en position non contraint.
La configuration ainsi proposée permet de maîtriser la section de passage de la pale creuse en matériau CMC positionné sur un mât métallique malgré un maintien en position non contraint
Selon un deuxième mode de réalisation de la turbine, les mâts et la virole métallique externe peuvent être réalisés en une seule pièce.
Cela permet de limiter au maximum les fuites qui seraient présentes dans le cas d’une virole sectorisée ou de mâts rapportés sur la virole externe.
Selon un troisième mode de réalisation de la turbine, le mât peut être creux.
Le mât permet ainsi d’amener de l’air dans la cavité radialement à l’intérieur de la virole interne afin de la pressuriser et ainsi éviter que l’air circulant dans la veine s’étendant entre les plateformes internes et externes des secteurs de distributeur soit réintroduit hors de cette veine et ne réduise ainsi la performance et n’augmente le risque de surchauffe des pièces.
L’invention a également pour objet une turbomachine comprenant un ensemble tel que défini précédemment.
L’invention a également pour objet un aéronef comprenant au moins une turbomachine telle que définie ci-dessus.
La est une vue schématique en coupe d’un secteur d’une turbine selon un mode de réalisation de l’invention.
La représente une vue schématique en perspective d’un seul secteur de distributeur de la turbine de la .
La est une vue schématique de face en perspective de trois secteurs adjacents du distributeur de la turbine de la .
La représente schématiquement une vue en perspective éclatée d’une portion du secteur de turbine de la .
La représente schématiquement un ressort radial du distributeur de la .

Claims (10)

  1. Distributeur (2) annulaire de turbine (1) comportant une pluralité de secteurs (20) de distributeur en matériau composite à matrice céramique formant une couronne définissant une direction axiale (DA), une direction radiale (DR) et une direction circonférentielle (DC), chaque secteur (20) de la couronne comportant :
    - une plateforme intérieure (24) présentant selon la direction circonférentielle (Dc) une première extrémité intérieure (241) et une seconde extrémité intérieure (242),
    - une plateforme extérieure (26) présentant selon la direction circonférentielle (Dc) une première extrémité extérieure (261) et une seconde extrémité extérieure (262), et
    - au moins une pale (28) s’étendant radialement entre les plateformes intérieure et extérieure (24, 26),
    caractérisé en ce que, pour chaque secteur (20), ladite première extrémité intérieure (241) comprend un premier usinage formant un premier épaulement intérieur (243) et ladite seconde extrémité intérieure (242) comprend un deuxième usinage formant un second épaulement intérieur (244) conformé pour coopérer par emboitement avec le premier épaulement intérieur (243) d’une plateforme intérieure (24) d’un secteur circonférentiellement adjacent (20), et ladite première extrémité extérieure (261) comprend un troisième usinage formant un premier épaulement extérieur (263) et ladite seconde extrémité extérieure (262) comprend un quatrième usinage formant un second épaulement extérieur (264) conformé pour coopérer par emboitement avec le premier épaulement extérieur (263) d’une plateforme intérieure (26) d’un secteur circonférentiellement adjacent (20).
  2. Distributeur (2) selon la revendication 1, dans lequel la couronne formée par l’assemblage des secteurs (20) comprend une virole intérieure formée par l’assemblage des plateformes intérieures (24) et une virole extérieure formée par l’assemblage des plateformes extérieures (26), la virole intérieure présentant une surface radialement externe continue, et la virole extérieure présentant une surface radialement interne en regard de la surface radialement externe de la virole intérieure, les viroles étant destinées à délimiter entre elles une veine d’écoulement d’air.
  3. Distributeur (2) selon l’une des revendications 1 ou 2, comprenant en outre une tôle d’étanchéité (7) disposée radialement à l’intérieur d’une virole intérieure formée par les plateformes intérieures (24) des secteurs (20) assemblés pour former la couronne, et un ressort radial (8) disposé radialement à l’intérieur de la tôle d’étanchéité (7) et plaquant la tôle d’étanchéité (7) contre la virole intérieure.
  4. Distributeur (2) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la plateforme intérieure (24) de chaque secteur (20) présente des extrémités circonférentielles ayant des formes de lignes brisées dans un plan comprenant la direction circonférentielle (DC) et la direction axiale (DA).
  5. Turbine (1) de turbomachine comprenant un carter, une virole externe de support (9) en métal solidaire du carter et définissant une direction axiale (DA), une direction radiale (DR) et une direction circonférentielle (DC), une virole interne de support (5) en métal, un distributeur (2) annulaire de turbine selon l’une des revendications 1 à 4 formant une couronne s’étendant entre la virole externe de support (9) et la virole interne de support (5).
  6. Turbine (1) selon la revendication 5, dans laquelle ladite au moins une pale (28) de chaque secteur (20) présente un profil creux définissant un logement interne (280) s’étendant radialement, et la turbine (1) comprenant en outre, pour chaque secteur (20), au moins un mât (6) solidaire de la virole métallique (9) et traversant radialement le secteur (20) via le logement (280) d’une pale (28).
  7. Turbine (1) selon la revendication 6, dans laquelle les mâts (6) et la virole métallique externe (9) sont réalisés en une seule pièce.
  8. Turbine (1) selon l’une quelconque des revendications 6 ou 7, dans laquelle le mât (6) est creux.
  9. Turbomachine comprenant une turbine (1) selon l’une des revendications 5 à 8.
  10. Aéronef comprenant au moins une turbomachine selon la revendication 9.
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