TITRE : MODULE DE TURBINE POUR UNE TURBOMACHINE

D’AERONEF

Domaine technique de l'invention

La présente invention concerne un module de turbine pour une turbomachine d’aéronef. Arrière-plan technique

Une turbomachine d’aéronef, par exemple d’un avion ou d’un hélicoptère, comprend une entrée d’air alimentant un générateur de gaz qui comprend de l’amont vers l’aval, par référence à l’écoulement des gaz, au moins un compresseur, une chambre annulaire de combustion, et au moins une turbine.

Une turbine de turbomachine comprend un ou plusieurs étages de détente comportant un distributeur aubagé formant un stator, et une roue aubagée formant un rotor. Le distributeur est fixé à un carter et la roue comprend un disque portant à sa périphérie des aubes. La roue tourne à l’intérieur du carter et un anneau d’étanchéité est prévu autour de cette roue afin de limiter le passage de gaz entre les sommets des aubes et le carter et donc de s’assurer qu’un maximum des gaz de combustion sortant de la chambre traverse la roue pour optimiser le rendement de la turbomachine.

Il est courant de prévoir un élément annulaire situé entre deux étages de turbine (haute et basse pression), cet élément annulaire ayant une fonction structurelle et comportant notamment deux parois annulaires, respectivement interne et externe, s’étendant l’une à l’intérieur de l’autre et reliées ensemble par des bras radiaux. Les parois définissent entre elles une veine annulaire de passage des gaz de combustion jusqu’au distributeur, cette veine étant traversée par les bras radiaux.

Ce type d’élément annulaire peut par exemple servir à supporter des paliers à roulement de guidage en rotation d’un arbre d’entraînement des roues de turbine, et/ou à faire passer des servitudes. Dans la technique actuelle, l’élément annulaire est réalisé indépendamment du distributeur. Le distributeur comprend une rangée annulaire d’aubes qui s’étendent radialement entre des plateformes annulaires, respectivement interne et externe. La plateforme interne s’étend dans le prolongement axial de la paroi interne de l’élément, et la plateforme externe s’étend dans le prolongement axial de la paroi externe. Des organes d’étanchéité sont en outre prévus entre les extrémités aval des parois et les extrémités amont des plateformes pour limiter les fuites de gaz en dehors de la veine en fonctionnement.

Par ailleurs, cette technique antérieure présente plusieurs inconvénients aérodynamiques, parmi lesquels on peut citer :

- les pertes induites par la présence des bras et de leurs sillages impactant le distributeur ;

- les pertes liées aux décrochés de veine aux interfaces entre les parois et les plateformes.

La présente invention propose un perfectionnement à cette technique antérieure.

Résumé de l'invention

La présente invention concerne un module de turbine pour une turbomachine d’aéronef, ce module comportant :

- deux parois annulaires, respectivement externe et interne, s’étendant l’une autour de l’autre et autour d’un axe commun,

- une rangée annulaire de bras de liaison desdites parois, ces bras s’étendant sensiblement radialement entre ces parois, le nombre de bras étant égal à N1 et ces bras comportant en amont des bords d’attaque qui sont situés dans un plan P1 perpendiculaire audit axe,

- un distributeur situé en aval desdits bras et comportant une rangée annulaire d’aubes de stator s’étendant sensiblement radialement par rapport audit axe, le nombre de ces aubes étant égal à N2 qui est supérieur à N1 et au moins certaines de ces aubes comportant en amont des bords d’attaque situés dans un plan P2 perpendiculaire audit axe et situé en aval du plan P1 , et en aval des bords de fuite situés dans un plan P3 perpendiculaire audit axe et situé en aval dudit plan P2,

caractérisé en ce que ce le module est formé d’une seule pièce, les aubes s’étendant sensiblement radialement entre lesdites parois et étant reliées à ces parois, et en ce que les bras se prolongent vers l’aval et sont chacun intimement liés avec une desdites aubes.

La réalisation du module d’une seule pièce permet de simplifier sa conception et sa fabrication, cette réalisation étant de préférence faite par fabrication additive. Il n’est alors plus nécessaire de prévoir des organes de fixation et/ou d’étanchéité entre les parois et le distributeur, ce qui est particulièrement avantageux.

Par ailleurs, l’intégration des bras et du distributeur permet de réduire les pertes sus-mentionnées. En effet, cette conception supprime naturellement les pertes par sillage associées aux bras, à la fois les pertes par mélange des couches limites dans les sillages aval des bras, et également les pertes liées au transport des sillages dans le distributeur aval.

Le module selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :

- chacun des bras comprend en section transversale un profil aérodynamique et a une épaisseur, de préférence normale au squelette du profil, qui varie de manière continue et régulière depuis le bord d’attaque du bras jusqu’au bord de fuite de l’aube à laquelle ce bras est associé ; le squelette d’un profil aérodynamique d’un bras ou d’une aube peut être identifié par un homme du métier,

- chacun des bras a une épaisseur maximale Emax juste en aval du plan P1 , une épaisseur intermédiaire Emoy dans le plan P2 et une épaisseur minimale Pmin dans le plan P3,

- chacun des bras a une orientation générale inclinée d’un angle a par rapport audit axe, et chacune des aubes a une orientation inclinée d’un angle b par rapport audit axe, b étant possiblement différent de a,

- b est par égal ou supérieur à a, - les angles a et b sont adaptés à l’angle d’incidence de l’écoulement ; dans la présente demande, l’écoulement ou l’écoulement principal correspond au flux de gaz qui s’écoule d’amont en aval ; l’épaisseur peut être sensiblement parallèle à cet écoulement,

- lesdites parois annulaires s’étendent en continu depuis des extrémités amont situées en amont du plan P1 , jusqu’à des extrémités aval situées en aval du plan P3.

La présente invention concerne encore une turbomachine d’aéronef, comprenant au moins un module tel que décrit ci-dessus

La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’un module tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu’il est obtenu par fabrication additive.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront 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 demi vue schématique en coupe axiale d’une partie d’une turbomachine d’aéronef,

[Fig. 2] la figure 2 est une vue très schématique en coupe transversale et de dessus d’un bras et d’aubes de distributeur, selon une technique antérieure à l’invention

[Fig. 3] la figure 3 est une vue très schématique en coupe axiale et de côté du bras et des aubes de la figure 2,

[Fig. 4] la figure 4 est une vue très schématique en coupe transversale et de dessus d’un bras et d’aubes de distributeur, selon un mode de réalisation du module de l’invention,

[Fig. 5] la figure 5 est une vue très schématique en coupe axiale et de côté du bras et des aubes de la figure 4.

Description détaillée de l'invention

La figure 1 représente une partie d’une turbomachine 10 d’aéronef telle qu’un turboréacteur d’hélicoptère. La turbomachine 10 comprend d’amont en aval, par référence au sens d’écoulement des gaz (cf. flèches), une entrée d’air 12, au moins un compresseur 14, ici centrifuge, une chambre annulaire de combustion 16, et au moins une turbine 18.

L’air qui pénètre dans le moteur par l’entrée d’air 12 est comprimé dans le compresseur 14 qui est ici un compresseur centrifuge. L’air comprimé sort radialement vers l’extérieur et alimente la chambre de combustion 16 par l’intermédiaire d’un ensemble annulaire formant un redresseur 20 et un diffuseur 22.

La chambre de combustion 16 comprend deux parois annulaires, respectivement externe 16b et interne 16a qui s’étendent l’une autour de l’autre et qui sont elles-mêmes agencées à l’intérieur d’un carter externe 24 de la chambre de combustion 16.

Ce carter 24 comprend à son extrémité amont une bride annulaire 24a de fixation à des brides annulaires de l’ensemble redresseur-diffuseur 20-22 ainsi que d’un carter 25 du compresseur 14 et de l’entrée d’air 12.

L’air comprimé est mélangé à du carburant puis brûlé dans la chambre de combustion 16, ce qui génère des gaz de combustion qui sont ensuite injectés dans les turbines 18.

Un étage de turbine haute pression 18a est situé juste en aval de la sortie de la chambre de combustion 16 et comprend un distributeur de stator 28 et une roue de rotor 26. Un étage de turbine basse pression 18b est situé en aval de l’étage 18a et comprend également un distributeur 28 et une roue de rotor 26.

Un distributeur de turbine comprend une rangée annulaire d’aubes fixes de redressement du flux de gaz, et une roue de turbine comprend une rangée annulaire d’aubes portées par un disque de rotor.

Le carter 24 comprend en outre à son extrémité aval une bride annulaire 24b de fixation à des brides de support d’anneaux d’étanchéité 36, 38.

Un carter 32 s’étend à l’intérieur de la paroi 16a et porte à son extrémité amont l’anneau d’étanchéité 36 qui s’étend autour de la roue 26 de l’étage 18a. Le carter 24 a à son extrémité aval une bride 32a de fixation à la bride 24b. Une couronne 34 porte l’anneau d’étanchéité 38 qui s’étend autour de la roue 26 de l’étage 18b. Cette couronne 34 comprend une bride 34a de fixation aux brides 32a, 24b.

Les roues 26 sont reliées entre elles par un arbre 40 qui est en outre relié au rouet du compresseur centrifuge 14. L’arbre 40 est guidé en rotation autour d’un axe A par des paliers à roulement 41 qui sont portés par un support annulaire 42 interposé entre les deux étages 18a, 18b.

Le support de paliers 42 comprend deux parois annulaires, respectivement interne 42a et externe 42b, reliées entre elles par une rangée annulaire de bras 44 s’étendant sensiblement radialement par rapport à l’axe A de rotation de l’arbre 40. Les bras 44 sont tubulaires et peuvent servir au passage de servitudes 46 telles que des conduites de fluides ou des câbles électriques.

Le support de paliers 42 est monté à l’intérieur du carter 32 et porte un boîtier de paliers qui comprend une couronne 48 de support des bagues externes 41 a des paliers 41. Les paliers 41 sont ici au nombre de deux, un palier amont à rouleaux et un palier à billes, dont les bagues internes 41 b sont directement montées sur l’arbre 40

Les figures 2 et 3 montrent de manière très schématique l’état actuel de la technique en matière de fabrication et d’assemblage du support de paliers 42, du bras 44 et du distributeur 28. Comme évoqué dans ce qui précède, on constate que ces pièces sont fabriquées indépendamment l’une de l’autre.

Le distributeur 28 comprend une rangée annulaire d’aubes 28a qui s’étendent radialement entre des plateformes annulaires, respectivement interne 28b et externe 28c. La plateforme interne 28b s’étend dans le prolongement axial de la paroi interne 42a et la plateforme externe 49 s’étend dans le prolongement axial de la paroi externe 42b. Des organes d’étanchéité ou une conception de forme aidant à l’étanchéité peuvent en outre être prévus entre les extrémités aval des parois 42a, 42b et les extrémités amont des plateformes 28b, 28c pour limiter les fuites de gaz en dehors de la veine en fonctionnement.

Les bras 44 comportent en amont des bords d’attaque situés dans un plan P1 perpendiculaire à l’axe A. Les aubes 28a comportent en amont des bords d’attaque situés dans un plan P2 perpendiculaire à l’axe A et situé en aval du plan P1. Ces aubes comportent en aval des bords de fuite situés dans un plan P3 perpendiculaire à l’axe A et situé en aval du plan P2.

On constate à la figure 2 que le plan P2 est en aval et écarté des bords de fuite des bras 44. Des pertes sont induites par la présence des bras 44 et de leurs sillages impactant le distributeur 28. Des pertes sont en outre liées aux décrochés de veine aux interfaces entre les parois 42a, 42b et les plateformes 28b, 28c, ainsi qu’au mélange des fuites intergrilles au moyeu et carter.

Un mode de réalisation d’un module de turbine 50 selon l’invention est représenté aux figures 4 et 5.

Ce module 50 comprend deux parois annulaires, respectivement externe 50b et interne 50a, s’étendant l’une autour de l’autre et autour d’un axe commun A.

Une rangée annulaire de bras 52 s’étend sensiblement radialement entre les parois 50a, 50b.

Le nombre de bras 52 est égal à N1 et ces bras comportent en amont des bords d’attaque 52a qui sont situés dans un plan P1 perpendiculaire à l’axe A.

Un distributeur 54 est situé entre P2 et P3 et comporte une rangée annulaire d’aubes de stator 54a s’étendant sensiblement radialement par rapport à l’axe A. Le nombre de ces aubes 54a est égal à N2 qui est supérieur à N1. Certaines de ces aubes (leur nombre est égale à N2 - N1 ) comportent en amont des bords d’attaque 54b situés dans un plan P2 perpendiculaire à l’axe A et situés en aval du plan P1. Ces aubes comportent en aval des bords de fuite 54b situés dans un plan P3 perpendiculaire à l’axe A et situé en aval du plan P2.

Contrairement à la technique antérieure, le module 50 est formé d’une seule pièce. Les aubes 54a s’étendent ici sensiblement radialement entre les parois 50a, 50b et sont reliées à ces parois.

Les bras 52 se prolongent vers l’aval et sont chacun intimement liés avec une des aubes 54a. Cela concerne les autres aubes au nombre de N2, à savoir celles qui sont directement situées en aval des bras par rapport à la direction d’écoulement des gaz dans la veine (figure 4). La figure 4 permet de constater que chacun des bras 52 comprend en section transversale un profil aérodynamique et a une épaisseur normale au squelette du profil, qui varie de manière continue et régulière depuis le bord d’attaque 52a du bras jusqu’au bord de fuite 54c de l’aube 54a à laquelle ce bras est associé.

Chaque bras 52 a une épaisseur maximale Emax juste en aval du plan P1 , une épaisseur intermédiaire Emoy dans le plan P2 et une épaisseur minimale Emin dans le plan P3. Ces épaisseurs peuvent être mesurées selon des normales à l’écoulement des gaz dans la veine, comme évoqué dans ce qui précède.

De plus, chaque bras 52 a une orientation générale inclinée d’un angle a par rapport à l’axe A. Les aubes 54a ont chacune une orientation inclinée d’un angle b par rapport à l’axe A. Les angles a et b sont adaptés à l’angle d’incidence de l’écoulement amont b est égal ou supérieur à a.

Les parois annulaires 50a, 50b s’étendent en continu depuis des extrémités amont situées en amont du plan P1 , jusqu’à des extrémités aval situées en aval du plan P3 (figure 5). On comprend donc que ces parois 50a, 50b résultent de la fusion des plateformes 28b, 28c et des parois 42a, 42b précitées de la technique antérieure.

L’intégration des bras 52 au distributeur 54 et inversement permet de supprimer les pertes par sillage de la technique antérieure, c’est-à-dire les pertes par mélange des couches limites dans le sillage aval des bras, et également les pertes liées au transport du sillage dans le distributeur.

En tirant partie des possibilités offertes par la fabrication additive, le bras structurel et le distributeur peuvent être réalisés d’une seule pièce. On peut ainsi concevoir aérodynamiquement ces deux profils d’un seul tenant, réduisant alors les pertes aérodynamiques globales par sillage. De plus, la réalisation d’une veine unique et continue, supprime les effets de décroché ou marche à l’assemblage des pièces, ce qui réduit les pertes de charge associées à la fois à cet accident de forme pour l’écoulement de veine, et au mélange de la fuite avec l’air de veine. Toutes les questions problématiques d’assemblage sont ainsi levées par la fabrication additive qui produit une pièce monobloc. Dans un cas particulier de réalisation de l’invention, les simulations numériques réalisées sur une configuration cible indiquent un gain de rendement isentropique de 0,3 points pour l’ensemble bras et turbine.

Le module monobloc permet en outre de réduire de manière significative (de l’ordre de 25 à 30% dans l’exemple représenté) sa masse par rapport à la technique antérieure.

La fabrication additive permet d’atteindre ces objectifs de fabrication et d’optimisation.