Titre de l'invention : Ensemble rotatif pour turbomachine comprenant une pièce annulaire de serrage.

Domaine Technique

[0001] Le présent exposé concerne un ensemble de turbomachine tel qu’une turbine ou un compresseur, dans lequel des jeux radiaux sont établi en fonctionnement entre les pièces de stator (pièces fixes) fixées au carter de la turbomachine et les pièces de rotor (pièces mobiles) solidaires en rotation à l’intérieur du carter. Le présent exposé s’intéresse principalement au domaine des turboréacteurs d’avions mais peut s’appliquer de manière plus générale à tout type de turbomachine.

Technique antérieure

[0002] Dans une turbine de turbomachine, le rotor est entraîné par l’air de la veine qui se détend au niveau des aubes rotoriques, cédant à cette occasion une partie de son énergie à ces dernières. Toutefois, on constate fréquemment qu’une part de l’air de la veine, généralement appelé « bypass », contourne les plateformes internes et externes des aubages et ne se détend donc pas au niveau des aubages, ce qui réduit les performances de la turbine.

[0003] Afin de limiter cette circulation d’air inefficace qui contourne les aubes, les têtes des aubes mobiles du rotor sont généralement équipées de léchettes adaptées pour entailler une piste de matériau abradable portée par le stator, assurant ainsi l’étanchéité de la veine en tête des aubes mobiles. Un dispositif analogue est prévu pour les aubes fixes (ou distributeurs) : une virole dite « labyrinthe » est en effet prévue entre deux roues d’aubes mobiles et porte des léchettes adaptées pour entailler une piste de matériau abradable portée par le pied des aubes fixes, assurant ainsi l’étanchéité de la veine au pied des aubes fixes.

[0004] Toutefois, pour que ce système soit efficace, il est important de minimiser les jeux radiaux séparant les léchettes des abradables. Or, une température élevée et hétérogène régnant dans la turbine, des phénomènes de dilatation différentielle de certains éléments peuvent survenir et modifier les jeux entre certaines pièces, en particulier entre certaines pièces réalisées dans des matériaux différents ou situées plus ou moins à proximité de la veine d’air et donc soumises à des températures plus ou moins élevées. Par exemple, le déplacement radial de la virole labyrinthe est inférieur à celui des aubes fixes et en particulier du pied : dès lors, on observe une augmentation du jeu séparant les léchettes portées par la virole labyrinthe de l’abradable portée le pied qui se dilate différemment de l’abradable. Ainsi, la circulation de contournement augmente et les performances de la turbine sont réduites.

[0005] Un inconvénient des turbines actuelles réside dans le fait que la dilatation différentielle apparaissant entre la virole labyrinthe, ou le support annulaire portant l’abradable, et les organes sur lesquels ils sont montés - ici le pied - engendre des contraintes mécaniques importantes à l’interface entre ces pièces, entraînant leur endommagement précoce et donc une réduction de leur durée de vie.

[0006] Il existe donc un réel besoin pour un ensemble rotatif pour turbomachine qui soit dépourvu, au moins en partie, des inconvénients inhérents aux configurations connues précitées.

Exposé de l’invention

[0007] Le présent exposé concerne un ensemble rotatif pour turbomachine comprenant un rotor comportant : au moins deux étages rotoriques consécutifs munis d’une pluralité d’aubes mobiles et, une virole de rotor annulaire reliant lesdits deux étages rotoriques consécutifs, un stator comportant : au moins un étage statorique prévu entre lesdits deux étages rotoriques consécutif comprenant une pluralité d’aubes fixes comprenant chacune un pied d’aubage statorique de turbomachine, une pièce annulaire de serrage et un support annulaire d’abradable, le pied s’étendant radialement et étant serré axialement entre le support annulaire d’abradable et la pièce annulaire de serrage, et dans lequel un espace sépare radialement une extrémité radialement intérieure du pied et le support annulaire d’abradable. [0008] Dans le présent exposé, la direction axiale correspond à la direction de l'axe de rotation A du turboréacteur (ou du disque de la soufflante), et une direction radiale est une direction perpendiculaire à l'axe A. La direction azimutale correspond à la direction décrivant un anneau autour de la direction axiale. Les trois directions axiale, radiale et azimutale correspondent respectivement aux directions définies par la côte, le rayon et l’angle dans un système de coordonnées cylindrique. En outre, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du fluide (de l'amont vers l'aval) à travers le turboréacteur.

[0009] Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal du fluide (de l'amont vers l'aval) à travers la turbomachine. Par ailleurs, la direction axiale correspond à la direction de l'axe de rotation A du disque de la soufflante, et une direction radiale est une direction perpendiculaire à l'axe A. Enfin, sauf précision contraire, les adjectifs intérieur et extérieur sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie intérieure (i.e. radialement intérieure) d'un élément est plus proche de l'axe A que la partie extérieure (i.e. radialement extérieure) du même élément.

[0010] Ainsi, le pied peut se dilater librement selon la direction radiale, en profitant de l’espace qui sépare son extrémité radialement intérieure du support annulaire d’abradable. En effet, ce jeu fourni par l’espace permet à la fois la libre dilatation du pied, mais aussi la libre dilatation du support annulaire d’abradable ce qui permet donc un auto ajustement radial de la dilatation des différents éléments de l’étage statorique. Par conséquent, l’étanchéité entre les deux étages rotoriques est améliorée.

[0011] Aussi, puisque l’espace permet la libre dilatation radiale du pied, le contact radial entre le pied et le support annulaire d’abradable est prévenu, si bien qu’aucune contrainte radiale ne s’applique sur le support annulaire d’abradable de la part du pied. Ainsi, la durée de vie des pièces de l’étage statorique est améliorée.

[0012] Par ailleurs, l’utilisation d’une pièce de serrage permet un assemblage simple du support annulaire d’abradable sur le pied. De plus, la fabrication d’une telle pièce de serrage est aussi plus simple que la fabrication des moyens de fixation du support annulaire d’abradable au pied connus de l’art antérieur, par exemple FR 3027343.

[0013] On note également que le présent exposé s’intéresse plus particulièrement aux turbines basse-pression, mais qu’il peut s’appliquer à une turbine haute- pression ou à un compresseur.

[0014] Dans certains modes de réalisation, la pièce de serrage est un anneau distinct du support annulaire d’abradable.

[0015] Dans cette configuration, la fabrication de la pièce de serrage est indépendante de la fabrication du support d’abradable. Par conséquent, la fabrication de la pièce de serrage est simplifiée.

[0016] Dans certaines configurations, l’étage statorique comprend une pluralité de secteurs, chaque secteur comprenant au moins une aube fixe prolongée par un pied.

[0017] Dans certains modes de réalisation, le support annulaire d’abradable comprend une partie abradable qui fait face à au moins une léchette portée par la virole de rotor.

[0018] Dans cette configuration, l’étanchéité entre les étages rotoriques est meilleure que lorsque la configuration est inverse, c’est-à-dire lorsque la virole de rotor comprend une partie abradable et qu’un support porté par le pied comprend une léchette.

[0019] Dans certains modes de réalisation, le support annulaire d’abradable est réalisé en matériau composite à matrice céramique.

[0020] Ce matériau est plus léger que le métal, résiste mieux à la chaleur et bénéficie aussi d’un coefficient de dilatation inférieur à celui du métal. Par conséquent, la dilatation du support annulaire d’abradable est amoindrie.

[0021] Dans certains modes de réalisation, le pied comprend une encoche configurée pour coopérer par emboîtement avec une saillie prévue dans le support annulaire d’abradable.

[0022] Dans cette configuration, les mouvements tangentiels du support annulaire d’abradable par rapport au pied sont restreints. On note par ailleurs que cette saillie ne restreint que les mouvements tangentiels : les mouvements radiaux, en particulier du à la dilatation, ne sont pas limités.

[0023] Dans certains modes de réalisation, le support annulaire d’abradable comprend au moins trois saillies réparties tous les 120° sur le support annulaire d’abradable.

[0024] Dans cette configuration, le support d’abradable est facilement centré. En effet, l’intrication du support annulaire d’abradable dans le pied facilite le positionnement du support annulaire d’abradable afin qu’il soit concentrique avec le pied.

[0025] Dans certains modes de réalisation, le support annulaire d’abradable comprend une partie filetée et la pièce de serrage est configurée pour être vissée sur le support annulaire d’abradable.

[0026] Cette configuration permet d’assembler simplement la pièce de serrage et le support annulaire d’abradable autour du pied.

[0027] Dans certains modes de réalisation, la pièce de serrage et le support annulaire d’abradable sont assemblés autour du pied par frettage.

[0028] Dans certains modes de réalisation la pièce de serrage et le support annulaire d’abradable sont assemblés autour du pied par une soudure.

[0029] Les deux configurations précédentes permettent d’assembler la pièce de serrage et le support annulaire d’abradable autour du pied de façon alternative.

[0030] Le présent exposé concerne par ailleurs un turboréacteur comprenant un ensemble rotatif selon l’une quelconque des revendications précédentes.

[0031] Un tel turboréacteur présente les avantages exposés précédemment.

Brève description des dessins

[0032] L’invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée faite ci-après de différents modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples non limitatifs. Cette description fait référence aux pages de figures annexées, sur lesquelles : [0033] [Fig. 1] La figure 1 représente un turboréacteur comprenant une turbine basse pression selon un mode de réalisation

[0034] [Fig. 2] La figure 2 représente une vue en coupe de la turbine basse pression selon le mode de réalisation.

[0035] [Fig. 3] La figure 3 représente une vue centrée sur le pied d’un étage statorique de la turbine basse pression dans lequel la pièce de serrage est omise.

[0036] [Fig. 4] La figure 4 correspond à la vue de la figure 3 coupée au niveau du plan IV.

Description des modes de réalisation

[0037] La figure 1 représente une vue en coupe selon un plan vertical passant par l’axe principal A d’un turboréacteur 100 selon l’invention. Le turboréacteur 100 comprend une soufflante 2, un compresseur basse pression 300, un compresseur haute pression 400, une chambre de combustion 500, une turbine haute pression 600 et une turbine basse pression 700.

[0038] La figure 2 représente une vue en coupe selon le même plan axial d’une partie de la turbine basse pression 700 selon un mode de réalisation de l’invention. La turbine basse pression 700 comprend une pluralité d’étages rotoriques. La figure 2 représente deux étages rotoriques successifs 20a, 20b entourant un étage statorique 10 de l’amont vers l’aval, les étages rotoriques 20a et 20b étant respectivement en amont et en aval de l’étage statorique 10. Chacun de ces étages rotoriques 20a, 20b et statoriques 10 comprend une pluralité d’aubes mobiles et fixes, respectivement.

[0039] Chaque étage rotorique 20a, 20b comprend un distributeur 21 a, 21 b respectif sur lesquels sont disposés les aubes mobiles. Les distributeurs 21 a, 21 b de deux étages rotoriques successifs sont reliés entre eux par une virole 30 comprenant une pluralité de léchettes 31.

[0040] L’étage statorique 10 comprend une pluralité de secteurs, chaque secteur comprenant une ou plusieurs aubes 13 fixes disposées sur un pied 11 d’aubage statorique. Le pied 11 s’étend selon la direction radiale, et l’ensemble des pieds 11 de chaque secteur de l’étage statorique 10 s’étend autour de l’axe A du turboréacteur 100. En d’autres termes, l’ensemble des pieds 11 s’étend dans un plan perpendiculaire à l’axe A.

[0041] L’étage statorique 10 comprend par ailleurs un support annulaire d’abradable 40 qui s’étend autour de l’axe A, et s’étend axialement en aval et en amont du pied 11. Le support annulaire d’abradable 40 comprend une partie abradable 41 qui est disposée en face des léchettes 31 de la virole 30. Les léchettes 31 sont au contact du support annulaire d’abradable 40 ce qui entrave le passage de l’air au niveau du pied 11 de l’étage statorique 10. Ainsi, l’air passe préférentiellement au niveau des aubes 13 de l’étage statorique.

[0042] La partie abradable 41 est prévue dans matériau dont la structure est en nid d’abeille et qui peut par exemple être un alliage d’aluminium. Cette partie abradable est configurée pour s’user au contact des lechettes 31 lors de l’utilisation du turboréacteur 100.

[0043] Le support annulaire d’abradable, quant à lui, est réalisé en matériau composite à matrice céramique (CMC) tissé 3D par une méthode de tissage dite de « contour weaving ». Le « contour weaving » est une technique connue de tissage d’une texture fibreuse de forme axisymétrique dans laquelle la structure fibreuse est tissée sur un mandrin avec appel de fils de chaîne, le mandrin présentant un profil extérieur défini en fonction du profil de la texture fibreuse à réaliser.

[0044] La virole 30 peut également être en CMC tissé 3D. Cette configuration est par ailleurs avantageuse car elle permet de s’assurer que la virole 30 et le support annulaire d’abradable 40 se dilatent de la même façon.

[0045] Le support annulaire d’abradable 40 comprend par ailleurs un bras 42 qui s’étend selon la direction radiale. Le bras 42 se situe en amont du pied 11 et s’étend parallèlement à ce dernier. Le support annulaire d’abradable 40 comprend aussi une première partie de serrage 42a qui s’étend axialement et est située à une extrémité radialement extérieure du bras 42. Cette partie de serrage 42a est en contact axial avec le pied 11. Dans le présent exemple le contact avec le pied 11 s’effectue uniquement axialement, via la partie de serrage 42a. [0046] Une pièce de serrage 50 distincte du support annulaire d’abradable 40 est disposée en aval du pied 11 et comprend un corps 52 qui s’étend selon la direction radiale, parallèlement au pied 11 et au bras 42. La pièce de serrage 50 comprend une base 51 qui s’étend axialement et qui est disposée à l’extrémité radialement intérieure du corps 52. La base 51 de la pièce de serrage 50 est en contact radial avec le support annulaire d’abradable 40, du côté aval du pied 11.

[0047] La pièce de serrage 50 comprend par ailleurs une deuxième partie de serrage 50a qui est disposée à une extrémité radialement extérieure du corps 52. La deuxième partie de serrage 50a est en contact axial avec le pied 11 et est disposée en face de la première partie de serrage 42a. Les deux parties de serrage 42a, 50a réalisent un effort axial sur le pied 11 dans des directions opposées, si bien que le pied 11 est pincé axialement entre le support annulaire d’abradable 40 et la pièce de serrage 50.

[0048] Un espace 12 sépare radialement l’extrémité radialement intérieure du pied 11 et le support annulaire d’abradable 40. En effet, le contact entre le pied 11 et le support annulaire d’abradable 40 est uniquement axial. Cet espace 12 est laissé sur toute la circonférence du pied 11 et du support annulaire d’abradable 40.

[0049] Ainsi, le pied 11 peut se dilater radialement dans l’espace 12 sous l’effet de la température lorsque le turboréacteur 100 est en fonctionnement sans appliquer de contrainte sur le support annulaire d’abradable 40.

[0050] Par ailleurs, le pied 11 peut aussi être séparé axialement du bras 42 du support annulaire d’abradable 40 et du corps 52 de la pièce de serrage 50.

[0051] Comme représenté sur les figures 2 et 3, le support annulaire d’abradable 40 peut comprendre une saillie 43 orientée axialement de sorte à pénétrer axialement dans une encoche 23 ménagée dans le pied 11. Pour plus de lisibilité, la pièce de serrage 50 a été omise sur la figure 3. Dans le présent exemple, l’encoche 23 s’étend sur toute la largeur axiale du pied 11 et est donc débouchante. La saille 43 peut être en contact azimutal avec le pied 11 de part et d’autre de ses extrémités azimutales.

[0052] Le support annulaire d’abradable 40 peut comprendre une pluralité de saillies 43, réparties sur toute sa dimension azimutale. En particulier, le support annulaire d’abradable 40 peut comprendre au moins trois saillies 43 réparties tous les 120° autour du support annulaire d’abradabe 40, ce qui permet de grandement faciliter le centrage du support annulaire d’abradable 40 avec le pied 11. Dans cette configuration, le pied 11 comprend au moins trois encoches 23 correspondant à ces trois saillies 43.

[0053] La figure 4 correspond à la vue de la figure 3 coupée au niveau du plan IV, qui est un plan selon les directions radiale et axiale qui coupe le support annulaire d’abradable 40 au niveau d’une saillie 43. L’espace 12 séparant radialement le support annulaire d’abradable 40 et le pied 11 est aussi présent au niveau de la saillie 43. En d’autres termes, l’espace 12 sépare radialement l’extrémité radialement intérieure du pied 11 et l’extrémité radialement extérieure de la saillie 43.

[0054] La pièce de serrage 50 et le support annulaire d’abradable 40 sont montés autour du pied 11 par frettage. Cependant, dans certaines configurations, la pièce de serrage 50 peut être soudée ou vissée sur le support annulaire d’abradable 40.

[0055] Dans le cas où le support annulaire d’abradable 40 et la pièce de serrage 50 sont assemblés autour du pied 11 par vissage, le support annulaire d’abradable 40 comprend une partie filetée configurée pour permettre le vissage de la pièce de serrage 50.

[0056] Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des modifications et des changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation illustrés/mentionnés peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

[0057] Il est également évident que toutes les caractéristiques décrites en référence à un procédé sont transposables, seules ou en combinaison, à un dispositif, et inversement, toutes les caractéristiques décrites en référence à un dispositif sont transposables, seules ou en combinaison, à un procédé.