Titre : Distributeur de stator de turbomachine comprenant un anneau d'étanchéité continu et libre

Le sujet de l'invention est un distributeur de stator de turbomachine comprenant un anneau d'étanchéité continu et libre.

Les distributeurs dont il est question ici sont des couronnes d'aubes fixes, fixées à un carter du stator et alternant avec des couronnes d'aubes mobiles dans les compresseurs et les turbines des turbomachines. Les aubes sont montées sur le carter du stator par des liaisons comprenant des imbrications de crochets, et leurs extrémités radialement internes sont munies de garnitures d'étanchéité, en matériaux dits abradables, coopérant avec des léchettes (crêtes circulaires) adjacentes, appartenant au rotor, pour former des joints à labyrinthe. Cette conception bien connue nécessite toutefois un pilotage des jeux dans les joints à labyrinthe, afin de minimiser les fuites ou au contraire d'empêcher l'usure prématurée de l'abradable, ce qu'on réalise au moyen d'une ventilation du carter par un débit variable d'air frais sous pression provenant des compresseurs, pour régler son diamètre par le biais de dilatations thermiques et donc la position radiale des aubes. Le soutirage d'une partie du débit d'air pour combattre les fuites à travers le joint impose toutefois aussi une diminution du rendement de la turbomachine, et le réglage de la ventilation peut se révéler délicat. De plus, la ventilation induit généralement des fuites entre les secteurs du distributeur, au niveau des espaces circonférentiels qui séparent les plates-formes montées circonférentiellement bout à bout.

L'objet de l'invention est de réduire ces inconvénients, et plus précisément de réduire le débit des fuites résiduelles à travers le joint à labyrinthe, tout en allégeant ou même supprimant les contraintes de ventilation du carter autour du distributeur concerné.

L'art antérieur proche est représenté, notamment, par US 2011/0135479A1, qui décrit un distributeur de stator où un anneau porteur d'un élément du joint à labyrinthe est continu sur une circonférence complète et monté à des secteurs de plate-forme reliés directement aux aubes fixes. Le montage s'effectue par des imbrications de languettes s'étendant en direction tangentielle et qui permettent donc seulement de très petits déplacements radiaux de l'anneau dans les secteurs qui l'entourent. Un ressort de forme ondulée est disposé dans un logement circulaire, et il s'appuie sur des forces radialement opposées de ce logement, appartenant respectivement aux secteurs et à l'anneau, pour ramener celui-ci à une position invariable tout en amortissant les vibrations créées par le rotor. Le dispositif n'est pas conçu pour régler le jeu entre l'anneau et un rotor qu'il entoure.

L'invention concerne, sous une forme générale, un distributeur de stator de turbomachine comprenant des secteurs de couronne disposés circonférentiellement bout à bout autour d'un axe de la turbomachine, chacun des secteurs comprenant au moins une aube fixe qui s'étend à partir d'une plate-forme radialement interne, un anneau d'étanchéité porteur d'un élément d'étanchéité abradable entouré par les plates-formes des secteurs, l'anneau d'étanchéité étant relié aux plates-formes par des liaisons à glissière, caractérisé en ce que chaque liaison à glissière comporte un premier manchon solidaire d'un anneau d'étanchéité et un second manchon solidaire d'une des plates-formes, les premier et second manchons étant emboîtés l'un dans l'autre en coulissant et délimitant un logement, et chaque liaison à glissière comportant un ressort contenu dans le logement et contraint dans la direction radiale en étant monté d'une part contre une des plates-formes et d'autre part contre l'anneau d'étanchéité.

La construction de l'invention repose donc sur la présence conjointe d'un anneau d'étanchéité continu, porteur de l'abradable, et de la partie principale du distributeur composée des secteurs angulaires. Les glissières radiales qui les relient permettent des débattements radiaux relativement importants de l'anneau vis-à-vis des plates-formes par dilatations thermiques différentielles, ainsi que des débattements réduits dans les autres directions (axiale, tangentielle, et en basculement) grâce au peu de jeu entre les manchons internes et les manchons externes. La concentricité est maintenue par les ressorts. Comme la transmission de chaleur entre l'anneau et les plates-formes est plus réduite dans l'invention que dans d'autres constructions, grâce à la finesse de liaison assurée seulement par les glissières, l'anneau se maintient plus facilement à une température voisine de celle du rotor que dans d'autres constructions, et son diamètre peut être réglé indépendamment de la position radiale des secteurs d'aubes, par la température des gaz passant devant lui. L'invention améliore l'étanchéité par le meilleur réglage des jeux entre l'abradable et les léchettes qu'on peut espérer, et aussi par la simple présence de l'anneau continu, qui interrompt la division du distributeur en secteurs, à son extrémité radialement intérieure.

Selon divers perfectionnements indépendants et optionnels, contribuant en général à la légèreté et à la compacité de la construction :

-les logements contiennent des tiges d'orientation radiale ;

-les ressorts sont hélicoïdaux et enfilés autour des tiges ;

-les tiges appartiennent aux plates-formes et comprennent une extrémité radialement intérieure libre pénétrant dans une cavité de l'anneau et retenue dans ladite cavité ;

-les extrémités libres des tiges sont filetées et portent des écrous seuls retenus dans les cavités ;

-les glissières sont en nombre égal au nombre des secteurs.

D'autres aspects de l'invention sont une turbine équipée du distributeur selon ce qui précède, et une turbomachine comportant une telle turbine.

Les différents aspects, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux du commentaire des figures suivantes, annexées à titre purement illustratif et qui en représentent complètement une réalisation :

Figure 1 agencement général d'un distributeur, dans une conception où il est dépourvu des caractéristiques de l'invention ;

Figure 2 en perspective, une réalisation de l'invention ;

Figure 3 la réalisation, en coupe transversale ;

Figure 4 la réalisation, selon une autre perspective ;

Figure 5 une vue générale de distributeur.

La figure 1 représente, en coupe longitudinale, une portion de turbomachine conforme à l'art connu et comprenant une couronne de distributeur 1 entre deux couronnes d'aubes mobiles 2 et 3. Le distributeur 1 comprend des secteurs 4 de couronne comprenant chacun quelques aubes fixes 5 entre une plate-forme extérieure 6 et une plate-forme extérieure 7 s'étendant également sur des secteurs de couronne. La plate-forme extérieure 6 est fixée à un carter de stator 8 par un montage via un crochet amont 9 et un crochet aval 10 (l'amont et l'aval s'entendent vis-à-vis de la direction générale des gaz s'écoulant dans la turbomachine, pour toute cette description). Un dispositif de ventilation est disposé à l'extérieur du carter de stator 8 ; il comprend des rampes tubulaires 11 parcourues par des débits de gaz frais soustraits du compresseur de la turbomachine, qui s'étendent sensiblement au droit du montage via les crochets 9 et 10, pour y souffler de l'air frais par des orifices 12, rafraîchir le carter de stator 8 à l'endroit du montage via les crochets 9 et 10 et régler donc les dilatations thermiques locales du carter de stator 6 et ainsi la position radiale des secteurs de couronne 4 du distributeur 1.

La plate-forme radialement interne 7 comprend une garniture d'abradable 33 à son extrémité radialement intérieure, qui est dirigée radialement vers l'intérieur et forme un joint à labyrinthe avec des léchettes 13 radialement disposées en regard, dépendant d'un rotor 14 auquel appartiennent les couronnes d'aubes mobiles tels que 2 et 3. Dans toute cette description, les directions axiale X-X et radiale R-R sont considérées en référence à l'axe autour duquel s'étend la turbomachine, la direction axiale correspondant également à l'axe de rotation du rotor 14.

On aborde à présent les figures 2 à 4. Les secteurs de couronnes de distributeur 15 conformes à l'invention diffèrent de ceux de réalisations connues en ce qu'ils comprennent une plate-forme radialement interne 16 dépourvue de la garniture d'abradable nécessaire pour établir l'étanchéité avec le rotor 14, une couche d'abradable qui la remplace, maintenant 17, appartenant à un anneau 18 continu sur une circonférence, donc commun aux secteurs de couronne de distributeur 15. L'anneau 18 comprend des manchons internes 19 annulaires se dressant sur sa face radialement extérieure en direction radiale, et dont l'extrémité libre (radialement externe) est ouverte. Les manchons internes 19 coulissent dans des manchons externes 20 se dressant sur la face radialement interne de plates-formes 16 en direction radiale et dont l'extrémité libre (radialement interne) est également ouverte. En plus des manchons internes 19, la face radialement externe de l'anneau 18 porte une nervure externe 21 plane qui s'étend le long de nervures internes 22 également planes des secteurs de distributeur 15. Les nervures internes 22 sont ici jointives aux manchons externes 20, sans que ce soit nécessaire. Les manchons internes 19 pourraient être placés sur les plates- formes 16, et les manchons externes 20 sur l'anneau 18. Ils sont représentés venus de matière sur l'anneau 18 et les plates-formes 16, c'est-à-dire fabriqués en même temps que lui et qu'elles, par fonderie par exemple, mais on pourrait les fabriquer séparément et les fixer ensuite par soudage ou autrement.

Les manchons internes 19 et les manchons externes 20 délimitent des logements 23 cylindriques dans lesquels s'étendent des tiges 24 d'orientation radiale, portées par les plates-formes internes 16 et comprenant une extrémité libre filetée 25 (radialement interne) sur laquelle est vissé un écrou 26. Un ressort 27 hélicoïdal est enfilé autour de la tige 24. Les manchons internes 19, manchons externes 20 et ressorts 27 forment des liaisons à glissière 35 entre les secteurs de distributeurs 15 et l'anneau 18 qui permettent à celui-ci de se déplacer en direction radiale, en se contractant ou en se dilatant. L'écrou 26 de chaque tige 24 est disposé avec un jeu dans une cavité 28 délimitée par plusieurs portions assemblées entre elles de l'anneau 18, par exemple un bandage cylindrique 29 qui constitue sa structure principale, et deux armatures 30 et 31 de portions de l'abradable 17 qui se succèdent dans la direction axiale de la turbomachine. La cavité 28 est munie d'un perçage 32 pour permettre à l'extrémité libre filetée 25 et à la tige 24 de s'étendre au-dehors et de coulisser avec un jeu suffisant.

Le ressort 27 de chaque tige 24 est comprimé entre la plate-forme interne 16 et le bandage cylindrique 29 de l'anneau 18. Ce montage permet à l'anneau 18 d'acquérir une position radiale déterminée exclusivement par les dilatations thermiques qu'il subit, dues principalement au courant gazeux qui circule autour d'elle et la traverse en passant devant l'abradable 17. Il n'existe en effet aucune liaison entre les tiges 24 et les écrous 26, logés avec jeu dans les cavités 28, et l'anneau 18. La position axiale et la position angulaire de l'anneau 18 sont assurées avec une précision suffisante par le glissement des manchons internes 19 dans les manchons externes 20. La position radiale de l'anneau 18 devient donc à peu près indépendante de celle des secteurs de couronne de distributeur 15 et n'est plus régie par les dispositifs de ventilation, dont l'importance devient moindre et dont on peut même envisager la suppression. Cette position radiale de l'anneau 18 peut être évaluée avec une précision suffisante pour éviter les jeux excessifs ou dans le joint à labyrinthe ou au contraire l'usure prématurée de l'abradable 17, grâce à la connaissance de la température prévisible des gaz circulant dans la turbomachine. En particulier, la nervure extérieure 21 élimine en partie les fuites provenant des jeux aux plates-formes intérieures 16 des secteurs de couronne de distributeurs 15 en couvrant une partie des interstices entre ceux-ci à l'endroit des nervures internes 22. La liaison de l'anneau 18 aux plates-formes 16 par les glissières 35 relativement peu nombreuses et peu volumineuses contribue à la légèreté de la construction, de même que le colmatage de leur intervalle seulement par les nervures 21 et 22 parallèles, qui n'ont pas de rôle structurel et peuvent être fines.

La figure 5 illustre le distributeur 34 complet. La liaison à glissière 35 est ici présente sur chacun des secteurs de couronne de distributeurs 15, sans que ce soit nécessaire pour bien soutenir l'anneau. Trois glissières 35 pourraient suffire ; un nombre de trois à vingt serait préférable pour favoriser le guidage de la libre dilatation en fonctionnement.

Les écrous 26 servent essentiellement au support de l'anneau 18 pendant le montage du dispositif. Il est prévu que les cavités 28 soient assez larges pour éviter des butées des écrous 26 quelles que soient les dilatations thermiques prévisibles de l'anneau 18.