Arrière-plan de l'invention

L'invention concerne un ensemble d'anneau de turbine pour une turbomachine, lequel ensemble comprend une pluralité de secteurs d'anneau en une seule pièce en matériau composite à matrice céramique et une structure de support d'anneau.

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.

Les matériaux composites à matrice céramique, ou CMC, sont connus pour leurs bonnes propriétés mécaniques qui les rendent aptes à constituer des éléments de structure, et pour leur capacité à conserver ces propriétés à des températures élevées.

Dans des moteurs aéronautiques à turbine à gaz, l'amélioration du rendement et la réduction des émissions polluantes conduisent à rechercher un fonctionnement à des températures toujours plus élevées. Dans le cas d'ensembles d'anneau de turbine entièrement métalliques, il est nécessaire de refroidir tous les éléments de l'ensemble et en particulier l'anneau de turbine qui est soumis à des flux hautes températures. Ce refroidissement a un impact significatif sur la performance du moteur puisque le flux de refroidissement utilisé est prélevé sur le flux principal du moteur. En outre, l'utilisation de métal pour l'anneau de turbine limite les possibilités d'augmenter la température au niveau de la turbine, ce qui permettrait pourtant d'améliorer les performances des moteurs aéronautiques.

L'utilisation de CMC pour différentes parties chaudes de tels moteurs a déjà été envisagée, d'autant que les CMC ont une masse volumique inférieure à celle de métaux réfractaires traditionnellement utilisés.

Ainsi, la réalisation de secteurs d'anneau de turbine en une seule pièce en CMC est notamment décrite dans le document US 2012/0027572. Les secteurs d'anneau comportent une base annulaire dont la face interne définit la face interne de l'anneau de turbine et une face externe à partir de laquelle s'étendent deux parties formant pattes dont les extrémités sont engagées dans des logements d'une structure métallique de support d'anneau.

L'utilisation de secteurs d'anneau en CMC permet de réduire significativement la ventilation nécessaire au refroidissement de l'anneau de turbine. Toutefois, l'étanchéité entre la veine d'écoulement gazeux du côté intérieur des secteurs d'anneau et le côté extérieur des secteurs d'anneau demeure un problème. En effet, afin d'assurer une bonne étanchéité, il faut pouvoir assurer un bon contact entre les pattes des secteurs d'anneau en CMC et les brides métalliques de la structure de support d'anneau. Or, les dilatations différentielles entre le métal de la structure de support d'anneau et le CMC des secteurs d'anneau complique le maintien de l'étanchéité entre ces éléments. Ainsi, lors de dilatations différentielles et suivant la géométrie de montage des secteurs d'anneau sur la structure de support d'anneau, les brides de la structure de support d'anneau peuvent ne plus être en contact avec les pattes des secteurs ou, au contraire, exercer une contrainte trop forte sur les pattes des secteurs, ce qui peut les endommager.

En outre, comme décrit dans le document US 2012/0027572, le maintien des secteurs d'anneau sur la structure de support d'anneau nécessite l'utilisation d'une pince à section en U, ce qui complexifie le montage des secteurs et augmente le coût de l'ensemble.

Obiet et résumé de l'invention

L'invention vise à éviter de tels inconvénients et propose à cet effet un ensemble d'anneau de turbine comprenant une pluralité de secteurs d'anneau en matériau composite à matrice céramique formant un anneau de turbine et une structure de support d'anneau solidaire d'un carter de turbine et comportant deux brides annulaires, chaque secteur d'anneau ayant une partie formant base annulaire avec une face interne définissant la face interne de l'anneau de turbine et une face externe à partir de laquelle s'étendent radialement deux pattes, les pattes de chaque secteur d'anneau étant maintenues entre les deux brides annulaires de la structure de support d'anneau, la structure de support d'anneau comprenant un flasque annulaire de rétention monté sur le carter de turbine, le flasque annulaire de rétention comportant un voile annulaire formant une des brides de la structure de support d'anneau, les deux brides annulaires de la structure de support d'anneau exerçant une contrainte sur les pattes des secteurs d'anneau, au moins une des brides de la structure de support d'anneau étant élastiquement déformable dans la direction axiale de l'anneau de turbine, caractérisé en ce que le flasque comprend une première série de dents réparties de manière circonférentielle sur ledit flasque tandis que le carter de turbine comprend une deuxième série de dents réparties de manière circonférentielle sur ledit carter, les dents de la première série de dents et les dents de la deuxième série de dents formant un crabotage circonférentiel.

Cette liaison par crabotage permet un montage et un démontage aisé des secteurs d'anneau.

En outre, grâce à la présence d'au moins une bride élastiquement déformable, le contact entre les brides de la structure de support d'anneau et les pattes des secteurs d'anneau peut être maintenu indépendamment des variations de température. En effet, les secteurs d'anneau peuvent être montés entre les brides avec une précontrainte « à froid », de sorte que le contact entre les secteurs d'anneau et les brides soit assuré quelles que soient les conditions de température. La souplesse d'au moins une des brides de la structure de support d'anneau permet par sa déformation d'accommoder les dilatations thermiques différentielles entre les secteurs d'anneau et les brides de manière à éviter d'exercer une contrainte trop importante sur les secteurs d'anneau.

Selon un premier aspect de l'ensemble d'anneau de turbine selon l'invention, le carter de turbine comprend un bossage annulaire s'étendant entre une virole du carter et le flasque de la structure d'anneau. On empêche ainsi les fuites amont-aval entre le carter et le flasque.

Selon un deuxième aspect de l'ensemble d'anneau de turbine selon l'invention, au moins une des brides annulaires de la structure de support d'anneau comporte une lèvre sur sa face en regard des pattes des secteurs d'anneau. La présence d'une lèvre sur une bride permet de faciliter la définition de la portion de contact entre la bride de la structure de support d'anneau et les pattes des secteurs d'anneau en regard de celle-ci.

Selon un troisième aspect de l'ensemble d'anneau de turbine selon l'invention, celui-ci comprend en outre une première pluralité de pions engagés à la fois dans une des brides annulaires de la structure de support d'anneau et les pattes des secteurs d'anneau en regard de ladite bride annulaire, et une deuxième pluralité de pions engagés à la fois dans l'autre bride annulaire de la structure de support d'anneau et les pattes des secteurs d'anneau en regard de ladite autre bride annulaire. Les pions permettent de bloquer la rotation éventuelle des secteurs d'anneau dans la structure de support d'anneau et de les maintenir radialement dans ladite structure.

Selon un quatrième aspect de l'ensemble d'anneau de turbine selon l'invention, chaque bride élastiquement déformable de la structure de support d'anneau présente une épaisseur inférieure à celle de l'autre bride de ladite structure de support d'anneau.

La présente invention a également pour objet un procédé de réalisation d'un ensemble d'anneau de turbine comprenant :

- la fabrication d'une pluralité de secteurs d'anneau en matériau composite à matrice céramique, chaque secteur d'anneau ayant une partie formant base annulaire avec une face interne définissant la face interne d'un anneau de turbine et une face externe à partir de laquelle s'étendent radialement des première et deuxième pattes,

- la fabrication d'une structure de support d'anneau comprenant une première bride annulaire solidaire d'un carter de turbine et un flasque annulaire de rétention comportant une deuxième bride annulaire, ledit flasque étant destiné à être assemblé avec le carter de turbine,

- le montage de chaque première patte des secteurs d'anneau sur la première bride annulaire de la structure de support d'anneau,

- le montage par crabotage du flasque annulaire de rétention sur le carter de turbine, la deuxième bride étant maintenue en appui sur chaque deuxième patte, ledit flasque annulaire de rétention étant monté en précontrainte axiale sur le carter de turbine, au moins une des brides de la structure de support d'anneau étant élastiquement déformable dans la direction axiale de l'anneau de turbine.

Grâce au montage par crabotage du flasque, il est possible de positionner les pattes des secteurs d'anneau entre les brides de la structure de support d'anneau sans avoir à forcer sur lesdites pattes qui sont ensuite maintenues avec une contrainte entre les brides après montage du flasque. Selon un premier aspect du procédé de réalisation d'un ensemble d'anneau de turbine selon l'invention, le carter de turbine comprend un bossage annulaire s'étendant entre une virole dudit carter et le flasque de la structure d'anneau.

Selon un deuxième aspect du procédé de réalisation d'un ensemble d'anneau de turbine selon l'invention, au moins une des brides annulaires de la structure de support d'anneau comporte une lèvre sur sa face en regard des pattes des secteurs d'anneau.

Selon un troisième aspect du procédé de réalisation d'un ensemble d'anneau de turbine selon l'invention, celui-ci comprend en outre l'engagement d'une première pluralité de pions à la fois dans la première bride annulaire de la structure de support d'anneau et les premières pattes des secteurs d'anneau lors du montage desdites premières pattes et, après le montage par crabotage du flasque annulaire de rétention, l'engagement d'une deuxième pluralité de pions à la fois dans la deuxième bride annulaire et les deuxièmes pattes des secteurs d'anneau.

Selon un quatrième aspect du procédé de réalisation d'un ensemble d'anneaux de turbine selon l'invention, la bride élastiquement déformable de la structure de support d'anneau présente une épaisseur inférieure à celle de l'autre bride de ladite structure de support d'anneau.

Brève description des dessins.

L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 est une vue en demi-coupe radiale montrant un mode de réalisation d'un ensemble d'anneau de turbine selon l'invention ;

- les figures 2 à 6 montrent schématiquement le montage d'un secteur d'anneau dans la structure de support d'anneau de l'ensemble d'anneau de la figure 1 ;

- la figure 7 est une vue schématique en perspective du flasque des figures 1, 3, 4 et 5. Description détaillée de modes de réalisation

La figure 1 montre un ensemble d'anneau de turbine haute pression comprenant un anneau de turbine 1 en matériau composite à matrice céramique (CMC) et une structure métallique de support d'anneau 3. L'anneau de turbine 1 entoure un ensemble de pales rotatives 5. L'anneau de turbine 1 est formé d'une pluralité de secteurs d'anneau 10, la figure 1 étant une vue en coupe radiale selon un plan passant entre deux secteurs d'anneaux contigus. La flèche DA indique la direction axiale par rapport à l'anneau de turbine 1 tandis que la flèche DR indique la direction radiale par rapport à l'anneau de turbine 1.

Chaque secteur d'anneau 10 a une section sensiblement en forme de π inversé avec une base annulaire 12 dont la face interne revêtue d'une couche 13 de matériau abradable et/ou d'une barrière thermique définit la veine d'écoulement de flux gazeux dans la turbine. Des pattes amont et aval 14, 16 s'étendent à partir de la face externe de la base annulaire 12 dans la direction radiale DR. Les termes "amont" et "aval" sont utilisés ici en référence au sens d'écoulement du flux gazeux dans la turbine (flèche F).

La structure de support d'anneau 3 est formée de deux parties, à savoir une première partie correspondant à une bride radiale amont annulaire 32 qui est de préférence formée intégralement avec un carter de turbine 30 et une deuxième partie correspondant à un flasque annulaire de rétention 50 monté sur le carter de turbine 30. La bride radiale amont annulaire 32 comporte une lèvre 34 sur sa face en regard des pattes amont 14 des secteurs d'anneau 10, la lèvre 34 étant en appui sur la face externe 14a des pattes amont 14. Du côté aval, le flasque 50 comporte un voile annulaire 57 qui forme une bride radiale aval annulaire 54 comportant une lèvre 55 sur sa face en regard des pattes aval 16 des secteurs d'anneau 10, la lèvre 55 tant en appui sur la face externe 16a des pattes aval 16. Le flasque 50 comprend un corps annulaire 51 s'étendant axialement et comprenant, du côté amont, le voile annulaire 57 et, du côté aval, une première série de dents 52 réparties de manière circonférentielle sur le flasque 50 et espacées les unes des autres par des premiers passages d'engagement 53 (figures 4 et 7). Le carter de turbine 30 comporte du côté aval une deuxième série de dents 35 s'étendant radialement depuis la surface interne de la virole 38 du carter de turbine 30. Les dents 35 sont réparties de manière circonférentielle sur la surface interne 38a de la virole 38 et espacées les unes des autres par des deuxièmes passages d'engagement 36 (figure 4). Les dents 52 et 35 coopèrent entre elles pour former un crabotage circonférentiel.

Comme expliqué ci-après en détails, les pattes 14 et 16 de chaque secteur d'anneau 10 sont montées en précontrainte entre les brides annulaires 32 et 54 de manière à ce que les brides exercent, au moins à « froid », c'est-à-dire à une température ambiante d'environ 20°C, mais également à toutes les températures de fonctionnement de la turbine, une contrainte sur les pattes 14 et 16 et donc un serrage des secteurs par les brides. Cette contrainte est maintenue à toutes les températures auxquelles l'ensemble d'anneau peut être soumis lors du fonctionnement de la turbine et est maîtrisée, c'est-à-dire sans surcontraindre les secteurs d'anneau, grâce à la présence d'au moins une bride élastiquement déformable comme expliqué ci-avant.

Par ailleurs, dans l'exemple décrit ici, les secteurs d'anneau 10 sont en outre maintenus par des pions de blocage. Plus précisément et comme illustré sur la figure 1, des pions 40 sont engagés à la fois dans la bride radiale amont annulaire 32 de la structure de support d'anneau 3 et dans les pattes amont 14 des secteurs d'anneau 10. A cet effet, les pions 40 traversent chacun respectivement un orifice 33 ménagé dans la bride radiale amont annulaire 32 et un orifice 15 ménagé dans chaque patte amont 14, les orifices 33 et 15 étant alignés lors du montage des secteurs d'anneau 10 sur la structure de support d'anneau 3. De même, des pions 41 sont engagés à la fois dans la bride radiale aval annulaire 54 du flasque 50 et dans les pattes aval 16 des secteurs d'anneau 10. A cet effet, les pions 41 traversent chacun respectivement un orifice 56 ménagé dans la bride radiale aval annulaire 54 et un orifice 17 ménagé chaque patte aval 16, les orifices 56 et 17 étant alignés lors du montage des secteurs d'anneau 10 sur la structure de support d'anneau 3. Selon une variante de réalisation, des pions ayant une longueur supérieure ou égale à la distance entre les deux brides peuvent être utilisés. Dans ce cas, chaque pion traverse les orifices présents sur les deux brides de la structure d'anneau et sur les deux pattes des secteurs d'anneau.

En outre, l'étanchéité inter-secteurs est assurée par des languettes d'étanchéité logées dans des rainures se faisant face dans les bords en regard de deux secteurs d'anneau voisins. Une languette 22a s'étend sur presque toute la longueur de la base annulaire 12 dans la partie médiane de celle-ci. Une autre languette 22b s'étend le long de la patte 14 et sur une partie de la base annulaire 12. Une autre languette 22c s'étend le long de la patte 16. A une extrémité, la languette 22c vient en butée sur la languette 22a et sur la languette 22b. Les languettes 22a, 22b, 22c sont par exemple métalliques et sont montées avec jeu à froid dans leurs logements afin d'assurer la fonction d'étanchéité aux températures rencontrées en service.

L'assemblage sans jeu des pattes 14, 16 du secteur d'anneau en CMC avec des parties métalliques de la structure de support d'anneau est rendu possible en dépit de la différence de coefficient de dilatation thermique du fait que :

- cet assemblage est réalisé à distance de la face chaude de la base annulaire 12 exposée au flux gazeux,

- les pattes 14, 16 présentent avantageusement en section radiale une longueur relativement grande par rapport à leur épaisseur moyenne de sorte qu'un découplage thermique efficace est obtenu entre la base annulaire 12 et les extrémités des pattes 14, 16, et

- une des brides de la structure d'anneau est élastiquement déformable, ce qui permet de compenser les dilatations différentielles entre les pattes des secteurs d'anneau en CMC et les brides de la structure de support d'anneau en métal sans augmenter significativement la contrainte exercée « à froid » par les brides sur les pattes des secteurs d'anneau.

De façon classique, des orifices de ventilation 32a formés dans la bride 32 permettent d'amener de l'air de refroidissement du côté extérieur de l'anneau de turbine 10.

En outre, étanchéité entre l'amont et l'aval de l'ensemble d'anneau de turbine est assurée par un bossage annulaire 31 s'étendant radialement depuis la surface interne 38a de la virole 38 du carter de turbine 3 et dont l'extrémité libre en en contact avec la surface du corps 51 du flasque 50.

On décrit maintenant un procédé de réalisation d'un ensemble d'anneaux de turbine correspondant à celui représenté sur la figure 1. Chaque secteur d'anneau 10 décrit ci-avant est réalisé en matériau composite à matrice céramique (CMC) par formation d'une préforme fibreuse ayant une forme voisine de celle du secteur d'anneau et densification du secteur d'anneau par une matrice céramique.

Pour la réalisation de la préforme fibreuse, on peut utiliser des fils en fibres céramique, par exemple des fils en fibres SiC tels que ceux commercialisés par la société japonaise Nippon Carbon sous la dénomination "Nicalon", ou des fils en fibres de carbone.

La préforme fibreuse est avantageusement réalisée par tissage tridimensionnel, ou tissage multicouches avec aménagement de zones de déliaison permettant d'écarter les parties de préformes correspondant aux pattes 14 et 16 des secteurs 10.

Le tissage peut être de type interlock, comme illustré. D'autres armures de tissage tridimensionnel ou multicouches peuvent être utilisées comme par exemple des armures multi-toile ou multi-satin. On pourra se référer au document WO 2006/136755.

Après tissage, l'ébauche peut être mise en forme pour obtenir une préforme de secteur d'anneau qui est consolidée et densifiée par une matrice céramique, la densification pouvant être réalisée notamment par infiltration chimique en phase gazeuse (CVI) ou un procédé MI (« Melt Infiltrated », silicium liquide introduit dans la préforme fibreuse par capillarité, la préforme étant préalablement consolidée par une phase CVI) qui sont bien connus en soi.

Un exemple détaillé de fabrication de secteurs d'anneau en CMC est notamment décrit dans le document US 2012/0027572.

La structure de support d'anneau 3 est quant à elle réalisée en un matériau métallique tel que de l'inconel, le superalliage C263 ou du Waspaloy®. La réalisation de l'ensemble d'anneau de turbine se poursuit par le montage des secteurs d'anneau 10 sur la structure de support d'anneau 3. Comme illustré sur les figures 2 et 4, les secteurs d'anneau 10 sont d'abord fixés par leur patte amont 14 à la bride radiale amont annulaire 32 de la structure de support d'anneau 3 par des pions 40 qui sont engagés dans les orifices alignés 33 et 15 ménagés respectivement dans la bride radiale amont annulaire 32 et dans la patte amont 14.

Une fois tous les secteurs d'anneau 10 ainsi fixés à la bride radiale amont annulaire 32, on procède à l'assemblage par crabotage du flasque annulaire de rétention 50 entre le carter de turbine 3 et les pattes aval des secteurs d'anneau 10. Conformément au mode de réalisation décrit ici, l'écartement E entre la bride radiale amont annulaire 54 formée par le voile annulaire 57 du flasque 50 et la surface externe 52a des dents 52 dudit flasque est inférieur à la distance D présente entre la face externe 16a des pattes aval 16 des secteurs d'anneau et la face interne 35b des dents 35 présentes sur le carter de turbine 30. Dans l'exemple décrit ici, l'écartement E est mesuré entre la lèvre 55 présente à l'extrémité de la bride annulaire 54 et la surface externe 52a des dents 52. Dans les modes de réalisation de l'ensemble d'anneau de turbine de l'invention dans lesquels la ou les brides annulaires ne comportent pas de lèvres, l'écartement est mesuré entre la face interne de la bride présente sur le flasque qui sera en contact avec la surface externe des pattes aval des secteurs d'anneau et la surface externe des dents du flasque.

En définissant un écartement E entre la bride radiale amont annulaire et la surface externe des dents du flasque inférieur à la distance D entre la face externe des pattes aval des secteurs d'anneau et la face interne des dents présentes sur le carter de turbine, il est possible de monter les secteurs d'anneau en précontrainte entre les brides de la structure de support d'anneau. Toutefois, afin de ne pas endommager les pattes des secteurs d'anneau en CMC lors du montage et conformément à l'invention, la structure de support d'anneau comprend au moins une bride annulaire qui est élastiquement déformable dans la direction axiale DA de l'anneau. Dans l'exemple décrit ici, c'est la bride radiale aval annulaire 54 présente sur le flasque 50 qui est élastiquement déformable. En effet, le voile annulaire 57 formant la bride radiale aval annulaire 54 de la structure de support d'anneau 3 présente une faible épaisseur, par exemple inférieure à 2,5 mm, ce qui lui confère une certaine élasticité.

Comme illustré sur les figures 5 et 6, le flasque 50 est monté sur la carter de turbine 30 en plaçant les dents 52 présentes sur le flasque 50 en vis-à-vis des passages d'engagement 36 ménagés sur le carter de turbine 30, les dents 35 présentes sur ledit carter de turbine étant également placées en vis-à-vis des passages d'engagement 53 ménagés entre les dents 52 sur le flasque 50. L'écartement E étant inférieur à la distance D, il est nécessaire d'appliquer un effort axial FA sur le flasque 50 dans la direction indiquée sur la figure 6 afin d'engager les dents 52 au- delà des dents 35 et permettre une rotation R du flasque suivant un angle correspondant sensiblement à la largeur des dents 35 et 52. Après cette rotation, le flasque 50 est relâché, ce dernier étant alors maintenu en contrainte axiale entre les pattes amont 16 des secteurs d'anneau 10 et la surface interne 35b des dents 35 du carter de turbine 30.

Une fois le flasque ainsi mis en place, des pions 41 sont engagés dans les orifices alignés 56 et 17 ménagés respectivement dans la bride radiale aval annulaire 54 et dans la patte aval 16. Chaque patte 14 ou 16 de secteur d'anneau peut comporter un ou plusieurs orifice pour le passage d'un pion de blocage.