TITRE : DISPOSITIF D’ETANCHEITE A LABYRINTHE POUR UNE TURBOMACHINE D’AERONEF

Domaine technique de l'invention

La présente invention concerne un dispositif d’étanchéité du type à labyrinthe pour une turbomachine d’aéronef, ainsi qu’une turbomachine d’aéronef comportant un tel dispositif.

Arrière-plan technique

L’arrière-plan technique comprend notamment les documents FR-A1 -2 825 411 , FR-A1 -3 071 540, FR-A1 -3 072 413, US-A1 -2018/355745, EP-A1 - 3 344 901 , et FR-A1 -3 068 070.

Dans une turbomachine d’aéronef, un dispositif d’étanchéité du type à labyrinthe comprend classiquement un rotor comprenant au moins une léchette annulaire externe, et un stator comprenant un revêtement annulaire en matériau abradable qui s’étend autour de la léchette et qui est configuré pour coopérer en fonctionnement avec la léchette. Le frottement de la léchette sur le revêtement crée une rainure annulaire dans le revêtement et la léchette est destinée à être logée dans cette rainure pour réduire les jeux entre le rotor et le stator et former ainsi une étanchéité entre le rotor et le stator par rapport à un flux de gaz qui s’écoule axialement dans la turbomachine et travers le rotor.

Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal des flux de gaz (de l'amont vers l'aval) dans la turbomachine. Cet écoulement se fait le long d’un axe de la turbomachine qui est l’axe de rotation du rotor. La direction axiale correspond à la direction de l'axe de la turbomachine, et une direction radiale est une direction perpendiculaire à l'axe de la turbomachine et coupant cet axe. De même, un plan axial est un plan contenant l'axe de la turbomachine, et un plan radial est un plan perpendiculaire à cet axe. Les adjectifs "intérieur" et "extérieur" sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie intérieure d'un élément est, suivant une direction radiale, plus proche de l'axe de la turbomachine que la partie extérieure du même élément.

Une turbomachine d’aéronef peut comprendre un ou plusieurs dispositifs d’étanchéité du type précité, par exemple dans un compresseur ou une turbine de la turbomachine.

Par exemple, un dispositif d’étanchéité est couramment utilisé à la périphérie d’un aubage de rotor d’un compresseur ou d’une turbine (classique ou contra- rotative par exemple), comme illustré à la figure 1 . Cet aubage 10 comporte à sa périphérie externe une ou plusieurs léchettes annulaires 12 qui sont orientées radialement vers l’extérieur et peuvent être inclinées axialement. Lors de la rotation de l’aubage 10, ces léchettes 12 forment des rainures 14 dans le revêtement abradable 16 fixé sur un carter 18 (cf. figures 1 et 2). Ce revêtement 16 est généralement sous la forme d’une structure en nid d’abeille (appelée « Nida ») et comportent des alvéoles orientées radialement. Cette structure permet une étanchéité axiale tout en réduisant la résistance à la coupe en direction tangentielle. Une fois les rainures 14 formées dans le revêtement 16, les jeux entre les léchettes 12 et le revêtement 16 peuvent être contrôlés par un système 20 de ventilation du carter 18 dans le cas d’une turbine, afin de minimiser les jeux entre le rotor et le stator, et ainsi réduire les fuites et améliorer les performances de la turbomachine.

Lorsque les léchettes 12 entrent en contact avec le revêtement 16, lors de la formation des rainures 14, un effort de coupe et/ou de frottement est généré. Cet effort en direction tangentielle s’applique sur les aubes 22 de l’aubage 10 et peut varier en fonction de la dureté du revêtement 16 et des léchettes 12, de la taille des surfaces en contact, et de la vitesse de pénétration des léchettes 12 dans le revêtement 16.

L’effort tangentiel appliqué sur les léchettes 12 des aubes 22 provoque une flexion de la pale entraînant un effet de décambrage et se traduisant par une augmentation du rayon du sommet des léchettes 12. Le rayon des léchettes 14 augmentant, la pénétration dans le revêtement 16 et donc l’effort tangentiel augmentent également. Ce phénomène est appelé auto-engagement des aubes 22 et est schématiquement illustré par la flèche F1 à la figure 2. La géométrie des aubes 22, et notamment le calage et la courbure de leurs pales, a pour conséquence de générer un déplacement vers l’amont du sommet des aubes 22 lorsqu’un effort purement tangentiel est appliqué. Ainsi, en plus d’une augmentation du rayon des léchettes 14, une avancée de celles- ci vis-à-vis du revêtement 16 est produite lorsqu’un effort tangentiel est appliqué (cf. flèche F2 à la figure 3). Les léchettes 12 arrivent ainsi dans une zone du revêtement 16 qui n’a pas encore été usée, ce qui augmente encore l’effort tangentiel appliqué. Il s’installe donc un phénomène divergent qui ne s’arrête que lorsque les léchettes 12 ne sont plus en contact avec le revêtement 16, ou lorsqu’un contact axial avec une autre pièce arrête l’avancée de l’aube 22 (contact par exemple en C1 à la figure 4 entre un talon 24 de l’aube 22 et un distributeur 26 situé en amont), une rupture d’une ou plusieurs pièces, ou un arrêt de la turbomachine. On appelle ce phénomène « louvoiement » de l’aubage 10.

Lorsque le phénomène de louvoiement s’engage, il peut se traduire par l’apparition d’endommagements dans les aubes 22 et des contacts rotor-stator entre les aubes 22 et les distributeurs 26. Ces endommagements entraînent des démontages prématurés et remplacement des pièces, et donc des opérations de maintenance très onéreuses.

Plusieurs solutions ont été mises en œuvre pour répondre à ce problème technique mais ne sont pas entièrement satisfaisantes.

La présente invention propose une solution simple, efficace et économique à ce problème.

Résumé de l'invention

L’invention concerne un dispositif d’étanchéité du type à labyrinthe pour une turbomachine d’aéronef, ce dispositif comportant :

- un rotor ayant un axe de rotation et comprenant des léchettes annulaires externes s’étendant autour dudit axe, et

- un stator s’étendant autour de l’axe, ce stator comprenant un revêtement annulaire en matériau abradable qui s’étend autour des léchettes et qui est configuré pour coopérer en fonctionnement avec les léchettes pour former une étanchéité du type à labyrinthe par rapport à un flux de gaz qui est destiné à s’écouler axialement d’amont en aval à travers le rotor, le revêtement comportant une surface cylindrique interne s’étendant autour es léchettes et apte à venir au contact des léchettes pour former par frottement des rainures annulaires s’étendant autour de l’axe, caractérisé en ce que ladite surface comporte, en amont de chacune des léchettes, une gorge annulaire préformée qui s’étend autour de l’axe et qui est apte à recevoir ladite léchette en cas de déplacement axial vers l’amont du rotor vis-à-vis du stator, le nombre de gorges préformées étant égal au nombre de léchettes du rotor.

Dans la présente demande, il y a une distinction entre une rainure qui est formée par frottement d’une léchette contre le revêtement au cours du fonctionnement de la turbomachine, et une gorge qui est préformée dans le revêtement lors de sa fabrication. Autrement dit, dans le cas où le dispositif comprendrait un revêtement neuf (jamais utilisé dans une turbomachine), ce revêtement ne comprendrait qu’une ou plusieurs gorges. Dans le cas d’un dispositif déjà utilisé dans une turbomachine, le revêtement de ce dispositif comprendrait au moins une gorge et au moins une rainure.

La rainure qui est formée par une léchette est, en position normale de fonctionnement du rotor vis-à-vis du stator, située au droit de la léchette ou de sa périphérie externe. C’est-à-dire que la rainure et la léchette (ou sa périphérie) sont situées dans un même plan perpendiculaire à l’axe. Au contraire, la gorge est située en amont de la rainure et de la léchette et est de préférence située à une distance axiale prédéterminée de façon à éviter ou limiter le phénomène de louvoiement précité.

Dans le cas précité où le rotor ou une partie du rotor se déplacerait axialement vers l’amont, la léchette se retrouverait logée dans la gorge préformée. Cette gorge interromprait ainsi le contact entre la léchette et le revêtement et freinerait ou stopperait cette course axiale, ce qui permettrait de limiter le phénomène de louvoiement. Ainsi, le risque de dégradation du rotor et de contact rotor-stator serait évité.

La gorge a ainsi une fonction de limitation d’incursion et d’effort (en cas de contact violent entre les léchettes et le revêtement abradable), avantageusement en fonctionnement normal du moteur du ralenti au plein gaz. Au contraire, dans la technique antérieure, des gorges ou rainures sont situées en aval ou au milieu des léchettes. Ces gorges ou rainures ont des formes particulières et ont en général une fonction de perte de charge (performance). Le dispositif selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :

- le rotor comprend au moins une léchette amont et une léchette aval, les léchettes amont et aval étant entourées par une même surface cylindrique du revêtement ou par deux surfaces cylindriques distinctes, respectivement amont et aval, du revêtement ;

- la surface cylindrique qui s’étend autour des léchettes amont et aval comprend une gorge préformée en amont de la léchette amont, et/ou une gorge préformée en amont de la léchette aval ;

- la surface cylindrique amont comprend une gorge préformée en amont de la léchette amont, et/ou la surface cylindrique aval comprend une gorge préformée en amont de la léchette aval ;

- les surfaces cylindriques amont et aval sont étagées et comprennent des diamètres différents ;

- la gorge est intercalée axialement entre les deux surfaces cylindriques ;

- chaque gorge est située à une distance axiale en amont de la léchette correspondante, qui est inférieure ou égale à la moitié de la distance axiale entre les deux léchettes ;

- en variante, chaque gorge est située à une distance axiale en amont de la léchette correspondante, qui est supérieure à la moitié de la distance axiale entre les deux léchettes ;

- la distance axiale est comprise entre 1 et 20mm, et de préférence entre 1 et 5mm ; voire plus sur certains moteurs de grande taille ;

- chaque gorge a une profondeur ou dimension radiale inférieure ou égale à une épaisseur ou dimension radiale d’une zone du revêtement dans laquelle est formée cette gorge ;

- chaque gorge a une dimension axiale supérieure ou égale à la moitié d’une épaisseur axiale de la léchette correspondante, cette épaisseur étant mesurée au niveau d’une périphérie externe de cette léchette ; - chaque gorge est située à distance axiale d’une extrémité axiale amont de la surface cylindrique dans laquelle est formée cette gorge ;

- le rotor est un aubage de compresseur ou de turbine, et le stator est un anneau d’étanchéité porté par un carter de ce compresseur ou de cette turbine.

L’invention concerne également une turbomachine d’aéronef, comprenant au moins un dispositif tel que décrit ci-dessus.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :

[Fig. 1] La figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d’un dispositif d’étanchéité d’une turbomachine d’aéronef, selon la technique antérieure à la présente invention ;

[Fig. 2] La figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1 et illustre la formation de rainures par des léchettes du dispositif dans un revêtement abradable du dispositif ;

[Fig. 3] La figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 1 et illustre le déplacement axial vers l’amont du rotor par rapport au stator du dispositif ;

[Fig. 4] La figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 1 et illustre le contact axial entre le rotor du dispositif et un stator de la turbomachine ;

[Fig. 5] La figure 5 est une vue schématique partielle en coupe axiale d’un dispositif d’étanchéité d’une turbomachine d’aéronef, selon un premier mode de réalisation de l’invention ;

[Fig. 6a] La figure 6a est une vue similaire à celle de la figure 5 et illustre une position de repos du dispositif ;

[Fig. 6b] La figure 6b est une vue similaire à celle de la figure 5 et illustre une première position de fonctionnement du dispositif ;

[Fig. 6c] La figure 6c est une vue similaire à celle de la figure 5 et illustre une seconde position de fonctionnement du dispositif ;

[Fig. 6d] La figure 6d est une vue similaire à celle de la figure 5 et illustre une troisième position de fonctionnement du dispositif ; [Fig. 6e] La figure 6e est une vue similaire à celle de la figure 5 et illustre une quatrième position de fonctionnement du dispositif ;

[Fig. 7] La figure 7 est une vue similaire à celle de la figure 5 et illustre un second mode de réalisation de l’invention ;

[Fig. 8] La figure 8 est une vue similaire à celle de la figure 5 et illustre un troisième mode de réalisation de l’invention ;

[Fig. 9] La figure 9 est une vue similaire à celle de la figure 5 et illustre un quatrième mode de réalisation de l’invention ;

[Fig. 10] La figure 10 est une vue similaire à celle de la figure 5 et illustre un cinquième mode de réalisation de l’invention ;

[Fig. 11] La figure 11 est une vue similaire à celle de la figure 5 et illustre un sixième mode de réalisation de l’invention.

Description détaillée de l'invention

Les figures 1 à 4 ont été décrites dans ce qui précède.

La figure 5 illustre un premier mode de réalisation d’un dispositif d’étanchéité selon l’invention et les figures 6a à 6e illustrent le fonctionnement de ce dispositif.

La figure 5 est une vue partielle d’une turbomachine et montre un étage de compression d’un compresseur ou un étage de détente d’une turbine de cette turbomachine.

Cet étage comprend un aubage de stator appelé distributeur 26 et un aubage de rotor 10 qui est situé en aval du distributeur 26. Le distributeur 26 est fixé à un carter 18 qui a une forme annulaire et s’étend autour de l’étage.

L’aubage de rotor 10, aussi appelé « rotor », est mobile en rotation autour d’un axe qui n’est pas visible dans le dessin. L’aubage 10 comprend une pluralité d’aubes 22 et comporte à sa périphérie externe au moins une léchette annulaire 12 orientée radialement vers l’extérieur. Dans l’exemple représenté, le rotor comporte deux léchettes 12 situées à distance axiale l’une de l’autre et désignées respectivement léchette amont 12a et léchette aval 12b.

Le carter 18 s’étend autour de l’aubage 10 et porte un anneau d’étanchéité 28 qui peut être sectorisé. Cet anneau 28 comprend un revêtement annulaire interne 16 qui entoure la périphérie externe de l’aubage 10 et s’étend donc autour des léchettes 12.

Le revêtement 16 est réalisé en matériau abradable et comprend par exemple une structure en nid d’abeilles, c’est-à-dire une structure comportant des alvéoles qui sont orientées de préférence en direction radiale par rapport à l’axe précité. Ce type de structure est bien connu de l’homme du métier. En variante, le revêtement 16 pourrait être plein.

Le revêtement 16 comprend au moins une surface cylindrique interne 30a, 30b qui s’étend autour des léchettes 12. Le nombre de surfaces 30a, 30b peut être égal au nombre de léchettes 12, et peut être de deux comme dans l’exemple représenté, de sorte que chacune des surfaces 30a, 30b s’étendent autour d’une des léchettes 12. Le revêtement 16 comprend ainsi une surface cylindrique amont 30a autour de la léchette amont 12a et une surface cylindrique aval 30b autour de la léchette aval 12b.

Chacune des léchettes 12 est orientée radialement vers l’extérieur et peut être inclinée, par exemple de l’aval vers l’amont radialement vers l’extérieur, comme dans l’exemple représenté.

En fonctionnement, les léchettes 12 peuvent venir au contact du revêtement 16 et de leurs surfaces 30a, 30b et créer des rainures annulaires 14 par frottement et usure du matériau abradable 16. Les rainures 14 sont donc formées lors du fonctionnement et en particulier lors d’un premier fonctionnement de la turbomachine.

Les surfaces 30a, 30b peuvent être étagées et comprendre des diamètres différents. Dans l’exemple représenté, la surface amont 30a a un diamètre inférieur au diamètre de la surface aval 30b.

Le revêtement 16 comprend une rainure (amont) 14a qui est formée dans la surface amont 30a, et une rainure (aval) 14b qui est formée dans la surface aval 30b. Dans la position normale de fonctionnement telle qu’illustrée à la figure 5, les rainures 14a, 14b sont situées respectivement au droit des léchettes 12a, 12b et en particulier de leurs périphéries externes, ce qui signifie que la rainure 14a et la léchette 12a sont situées sensiblement dans un même plan P1 perpendiculaire à l’axe, et que la rainure 14b et la léchette 12b sont situées sensiblement dans un même autre plan P2 perpendiculaire à l’axe. Pour éviter ou limiter le phénomène de louvoiement précité, l’invention propose de préformer au moins une gorge annulaire 32a, 32b dans le revêtement 16, en amont de la ou chaque léchette 12. On comprend ainsi que ce type de gorge 32a, 32b est formé dans le revêtement 16 lors de sa fabrication et n’est donc pas généré lors du fonctionnement de la turbomachine contrairement aux rainures 30a, 30b.

Dans le mode de réalisation de la figure 5, le revêtement 16 comprend deux gorges 32a, 32b. C’est-à-dire que le nombre de gorges 32a, 32b est égal au nombre de léchettes 12a, 12b. Le revêtement 16 comprend une gorge (amont) 32a en amont de la léchette amont 12a et qui est formée dans la surface amont 30a, et une gorge (aval) 32b en amont de la léchette aval 12b et qui est formée dans la surface aval 30b.

La figure 6a est similaire à la figure 5 et illustre une position axiale du rotor par rapport au stator au repos de la turbomachine, avant une première utilisation de cette dernière. L’aubage 10 est à distance radiale du revêtement 16.

Lors d’un premier fonctionnement de la turbomachine, les léchettes 12a, 12b viennent frotter contre le revêtement 16 et l’user (figures 6b et 6c) créant ainsi les rainures annulaires 14a, 14b précitées. Les figures 6a et 6b montrent que les gorges 32a, 32b sont déjà présentes dans le revêtement 16 et que les rainures 14a, 14b sont distinctes de ces gorges 32a, 32b.

Lors d’un phénomène de louvoiement, les aubes 22 de l’aubage 10 ont tendances à se déplacer vers l’amont (figure 6d). Les léchettes 12a, 12b vont alors élargir les rainures 14a, 14b en usant d’avantage le revêtement 16 en direction axiale. Les gorges 32a, 32b sont situées en amont et à une distance prédéterminée des rainures 14a, 14b et des léchettes 12a, 12b de façon à arrêter le plus tôt possible le déplacement axial du rotor. Lorsque les léchettes 12a, 12b parviennent dans les gorges 32a, 32b, il n’y a plus de contact entre les léchettes 12a, 12b et le revêtement 16, ce qui freine et arrête le déplacement axial du rotor, empêchant ainsi un contact axial entre le rotor et le stator (figure 6e).

Les gorges 32a, 32b ont donc pour fonction de recevoir les léchettes 12a, 12b en cas de déplacement axial vers l’amont du rotor vis-à-vis du stator, afin d’éviter ou limiter le phénomène de louvoiement. De manière préférée, la ou chaque gorge 32a, 32b est située à une distance axiale L1 en amont de la léchette 12a, 12b correspondante, qui est inférieure ou égale à la moitié de la distance axiale L2 entre les deux léchettes 12a, 12b (cf. figure 6a). L1 est de préférence comprise entre 1 et 5mm.

La ou chaque gorge 32a, 32b a une dimension axiale E1 qui est de préférence supérieure ou égale à la moitié d’une épaisseur axiale E2 de la léchette 12a, 12b correspondante, cette épaisseur E2 étant mesurée au niveau d’une périphérie externe de cette léchette (cf. figure 6a).

La ou chaque gorge 32a, 32b peut avoir une forme quelconque et par exemple avoir en section transversale une forme carré ou rectangulaire, comme dans l’exemple illustré, ou bien ronde, ovale, etc.

Le fond de la ou chaque gorge 32a, 32b, c’est-à-dire la paroi située au fond de la ou chaque gorge, peut avoir une forme quelconque, plane, incurvée, ou autre.

Les figures 7 et 8 illustrent des variantes de réalisation du dispositif dans lesquelles le nombre de gorges préformées dans le revêtement 16 est inférieur au nombre de léchettes 12a, 12b et est ici de un. Dans la figure 7, le revêtement 16 comprend une gorge amont 32a formée dans la surface amont 30a en amont de la léchette amont 12a. Dans la figure 8, le revêtement 16 comprend une gorge aval 32b formée dans la surface aval 30b en amont de la léchette aval 12b. Ces variantes montrent qu’une seule gorge peut suffire pour recevoir l’une des léchettes et éviter le phénomène de louvoiement. En effet, même si une seule des deux léchettes 12a, 12b est reçue dans une gorge préformée, le fait de supprimer le contact entre cette léchette et le revêtement 16 peut suffire à arrêter le phénomène de louvoiement même si l’autre léchette reste au contact du revêtement 16.

Les figures 9 et 10 illustrent des variantes de réalisation du dispositif dans lesquelles les dimensions des gorges 32a, 32b sont ajustées. Dans le cas de la figure 9, les dimensions axiales E3 des gorges 32a, 32b sont supérieures à celle des gorges de la figure 6a. E3 est par exemple supérieure ou égal à deux fois E2.

Dans le cas de la figure 10, les profondeurs H1 , H2 ou dimensions radiales des gorges 32a, 32b sont supérieures à celle des gorges de la figure 6a. Par ailleurs, les gorges s’étendent ici sur toute l’épaisseur du revêtement 16. Comme les surfaces 30a, 30b n’ont pas le même diamètre et que le revêtement 16 comprend une surface cylindrique externe de diamètre constant qui entoure ces surfaces 30a, 30b, le revêtement 16 n’a pas la même épaisseur radiale sur toute son étendue axiale. La gorge 32a a une profondeur H1 supérieure à la profondeur H2 de la gorge 32b.

Dans le cas de la figure 10, on constate que le revêtement 16 peut être formé par l’agencement de trois blocs annulaires indépendants et successifs B1 , B2 et B3 disposés axialement les uns derrière les autres et à une distance axiale les uns des autres correspondant à la dimension axiale des gorges 32a, 32b. Le bloc B1 comprend une partie amont de la surface 30a, le bloc B2 comprend une partie aval de la surface 30a et une partie amont de la surface 30b, et le bloc B3 comprend une partie aval de la surface 30b. Les blocs B1 , B2 et B3 peuvent être sectorisés.

La figure 11 diffère de la figure 10 en ce que les gorges 32a, 32b sont positionnées encore plus en amont par rapport aux gorges de la figure 10. La gorge 32b se retrouve ainsi à l’extrémité axiale amont de la surface 30b, et intercalée axialement entre les surfaces 30a, 30b. La gorge 32a se retrouve à l’extrémité axiale amont de la surface 30a.

On constate que le revêtement 16 peut être formé par l’agencement de deux blocs annulaires indépendants et successifs B1 et B2 disposés axialement l’un derrière l’autre et à une distance axiale l’un de l’autre correspondant à la dimension axiale de la gorge 32b. Le bloc B1 comprend la surface 30a et le bloc B2 comprend la surface 30b. Les blocs B1 , B2 peuvent être sectorisés.

La ou chaque gorge 32a, 32b peut être formée dans un revêtement par usinage par exemple. Dans le cas des figures 10 et 11 , cette étape d’usinage peut être supprimée par l’utilisation et le positionnement des blocs précités.