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.

Les documents US 4 596 116 et US 4 087 199 divulguent un ensemble d'anneau de turbine dans lequel des secteurs d'anneau sont maintenus axialement entre des pattes d'une structure de support d'anneau. Toutefois, les solutions d'accrochage des secteurs d'anneaux divulguées dans ces documents ne permettent pas d'empêcher un déplacement ou glissement des secteurs d'anneau dans les directions radiale et circonférentielle de l'anneau, ce qui peut être problématique, en particulier en cas de contact entre le sommet d'une aube en rotation et la surface interne d'un ou plusieurs secteurs d'anneau.

Objet 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 formant un anneau et une structure de support d'anneau comportant deux brides annulaires, chaque secteur d'anneau ayant une première 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, 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, caractérisé en ce que chaque secteur d'anneau est en matériau composite à matrice céramique et en ce que l'ensemble d'anneau de turbine comprend en outre une pluralité de pions engagés à la fois dans au moins une des brides annulaires de la structure de support d'anneau et les pattes des secteurs d'anneau en regard de ladite au moins bride annulaire.

La présence des pions permet d'assurer le maintien en positions radiale et circonférentielle des secteurs d'anneau sur la structure de support d'anneau. En effet, les pions étant engagés à la fois dans au moins une bride annulaire de la structure de support d'anneau et dans les pattes des secteurs d'anneau en regard de la bride concernée, il est possible d'empêcher tout glissement ou déplacement éventuel des secteurs d'anneau dans les directions circonférentielle et radiale de l'anneau par rapport dans la structure de support d'anneau, et ce même en cas de contact entre le sommet d'une aube en rotation et un ou plusieurs 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, 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 deuxième aspect de l'ensemble d'anneau de turbine selon l'invention, la bride élastiquement déformable de la structure de support d'anneau comporte une pluralité de crochets répartis sur sa face opposée à celle en regard des pattes des secteurs d'anneau. La présence des crochets permet de faciliter l'écartement de la bride élastiquement déformable pour l'insertion des pattes des secteurs d'anneau entre les brides sans avoir à glisser en force les pattes entre les brides.

Selon un troisième 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, chaque secteur d'anneau ayant une première 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,

- la fabrication d'une structure de support d'anneau comportant deux brides annulaires,

- le montage de chaque secteur d'anneau entre les deux brides annulaires de la structure de support d'anneau,

l'écartement entre les deux brides de la structure d'anneau étant inférieur à la distance entre les faces externes des pattes de chaque secteur d'anneau, au moins une des brides de la structure de support d'anneau étant élastiquement déformable dans la direction axiale de l'anneau,

caractérisé en ce que, lors du montage de chaque secteur d'anneau, une traction dans la direction axiale de l'anneau est exercée sur ladite bride élastiquement déformable de manière à augmenter l'écartement entre les deux brides et engager les pattes du secteur d'anneau entre les deux brides de la structure de support d'anneau, en ce que chaque secteur d'anneau est réalisé en matériau composite à matrice céramique, et en ce que le procédé comprend en outre l'engagement d'une pluralité de pions à la fois dans au moins une des brides annulaires de la structure de support d'anneau et les pattes des secteurs d'anneau en regard de ladite au moins bride annulaire.

L'utilisation de pions de blocage permet d'assurer le maintien en positions radiale et circonférentielle des secteurs d'anneau sur la structure de support d'anneau. En effet, les pions étant engagés à la fois dans au moins une bride annulaire de la structure de support d'anneau et dans les pattes des secteurs d'anneau en regard de la bride concernée, il est possible d'empêcher tout glissement ou déplacement éventuel des secteurs d'anneau dans les directions circonférentielle et radiale de l'anneau par rapport dans la structure de support d'anneau, et ce même en cas de contact entre le sommet d'une aube en rotation et un ou plusieurs secteurs d'anneau.

En outre grâce à la traction exercée sur la patte élastiquement déformable, il est possible d'insérer 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 axialement avec une contrainte entre les brides après relâchement de la traction exercée sur la bride élastiquement déformable.

Selon un premier 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 deuxième aspect du procédé de réalisation d'un ensemble d'anneau de turbine selon l'invention, la bride élastiquement déformable de la structure de support d'anneau comporte une pluralité de crochets répartis sur sa face opposée à celle en regard des pattes des secteurs d'anneau, la traction dans la direction axiale de l'anneau exercée sur ladite bride élastiquement déformable étant réalisée par un outil engagé dans un ou plusieurs crochets.

Selon un troisième aspect du procédé de réalisation d'un ensemble d'anneau 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 4 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 5 est une vue schématique en perspective montrant une variante de réalisation des crochets présents sur une bride de structure de support d'anneau élastiquement déformable ;

- la figure 6 est une vue schématique en perspective montrant une autre variante de réalisation des crochets présents sur une bride de structure de support d'anneau élastiquement déformable. 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 qui est solidaire d'un carter de turbine 30 comprend une bride radiale amont annulaire 32 comportant 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, la structure de support d'anneau comprend une bride radiale aval annulaire 36 comportant une lèvre 38 sur sa face en regard des pattes aval 16 des secteurs d'anneau 10, la lèvre 38 tant en appui sur la face externe 16a des pattes aval 16.

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 sur- contraindre 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 36 de la structure de support d'anneau 3 et dans les pattes aval 16 des secteurs d'anneau 10. A cet effet, les pions 41 traversent chacun respectivement un orifice 37 ménagé dans la bride radiale aval annulaire 36 et un orifice 17 ménagé chaque patte aval 16, les orifices 37 et 17 étant alignés lors du montage des secteurs d'anneau 10 sur la structure de support d'anneau 3. La présence des pions permet d'assurer le maintien en positions radiale et circonférentielle des secteurs d'anneau sur la structure de support d'anneau. En effet, les pions étant engagés à la fois dans au moins une bride annulaire de la structure de support d'anneau et dans les pattes des secteurs d'anneau en regard de la bride concernée, il est possible d'empêcher tout glissement ou déplacement éventuel des secteurs d'anneau dans les directions circonférentielle et radiale de l'anneau par rapport dans la structure de support d'anneau, et ce même en cas de contact entre le sommet d'une aube en rotation et un ou plusieurs 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 voisin. 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.

En outre, 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.

On décrit maintenant un procédé de réalisation d'un ensemble d'anneau 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 céramiques, 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 la figure 2, l'écartement E entre la bride radiale amont annulaire 32 et la bride radiale aval annulaire 36 au « repos », c'est-à-dire lorsqu'aucun secteur d'anneau est monté entre les brides, est inférieur à la distance D présente entre les faces externes 14a et 16a des pattes amont et aval 14 et 16 des secteurs d'anneau. Dans l'exemple décrit ici, l'écartement E est mesuré entre les lèvres 34 et 38 présentes respectivement à l'extrémité des brides annulaires 32 et 36. Dans les modes de réalisation de l'ensemble d'anneau de turbine de l'invention dans lesquels les brides annulaires ne comportent pas de lèvres, l'écartement est mesuré entre les faces internes des brides qui seront en contact avec la surface externe des pattes des secteurs d'anneau.

En définissant un écartement E entre les brides de la structure de support d'anneau inférieur à la distance D entre les faces externes des pattes de chaque secteur d'anneau, 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 36 qui est élastiquement déformable. En effet, la bride radiale aval annulaire 36 de la structure de support d'anneau 3 présente une épaisseur réduite par rapport à la bride radiale amont annulaire 32, ce qui lui confère une certaine élasticité.

Lors du montage d'un secteur d'anneau 10, la bride radiale aval annulaire 36 est tirée dans la direction DA comme montré sur les figures 3 et 4 afin d'augmenter l'écartement entre les brides 32 et 36 et permettre l'insertion des pattes 14 et 16 entre les brides 32 et 36 sans risque d'endommagement. Une fois les pattes 14 et 16 d'un secteur d'anneau 10 insérées entre les brides 14 et 16 et positionnées de manière à ligner les orifices 33 et 15, d'une part, et 17 et 37 d'autre part, la bride 36 est relâchée, les lèvres 34 et 38 respectivement des brides 32 et 36 exerçant alors une contrainte de maintien sur les pattes 14 et 16 du secteur d'anneau. Afin de faciliter l'écartement par traction de la bride radiale aval annulaire 36, celle-ci comporte une pluralité de crochets 39 répartis sur sa face 36a, face qui est opposée à la face 36b de la bride 36 en regard des pattes aval 16 des secteurs d'anneau 10 (figure 4). La traction dans la direction axiale DA de l'anneau exercée sur la bride 36 élastiquement déformable est ici réalisée au moyen d'un outil 50 comprenant au moins un bras 51 dont l'extrémité comporte un crochet 510 qui est engagé dans un crochet 39 présent sur la face externe 36a de la bride 36.

Le nombre de crochets 39 répartis sur la face 36a de la bride 36 est défini en fonction du nombre de points de traction que l'on souhaite avoir sur la bride 36. Ce nombre dépend principalement du caractère élastique de la bride. D'autres formes et dispositions de moyens permettant d'exercer une traction dans la direction axiale DA sur une des brides de la structure de support d'anneau peuvent bien entendu être envisagées dans le cadre de la présente invention.

Une fois le secteur d'anneau 10 inséré et positionné entre les brides 32 et 36, des pions 40 sont engagés dans les orifices alignés 33 et 15 ménagés respectivement dans la bride radiale amont annulaire 32 et dans la patte amont 14, et des pions 41 sont engagés dans les orifices alignés 37 et 17 ménagés respectivement dans la bride radiale aval annulaire 36 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.

La forme et l'orientation des crochets peuvent varier. La figure 5 montre une bride radiale aval annulaire 136 comportant une pluralité de crochets 139 qui s'ouvrent dans la direction circonférentielle de la bride et dans lesquels une patte 151 d'un outillage de traction est introduite. La figure 6 montre une bride radiale aval annulaire 236 comportant une pluralité de crochets 239 qui s'ouvrent dans la direction radiale et vers le bas de la bride et dans lesquels une patte 251 d'un outillage de traction est introduite.