TITRE : Distributeur de turbine comportant un élément annulaire d’étanchéité

DOMAINE DE L'INVENTION

L’invention concerne un turboréacteur et plus généralement une turbomachine comprenant un distributeur ayant une face radialement interne portant un élément annulaire d’étanchéité d’un joint d’étanchéité de type labyrinthe, cet élément d’étanchéité annulaire étant en un matériau abradable destiné à coopérer avec des léchettes portées par un rotor en regard de cet élément annulaire d’étanchéité.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Une turbomachine comprend généralement, d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz à travers la turbomachine, une soufflante, un ou plusieurs étages de compresseurs, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbines, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d’échappement des gaz 8.

De manière connue en soi, les turbines sont réalisées sous la forme d'une succession d'étages comprenant chacun une roue d'aubes mobiles (rotor) tournant devant une roue d'aubes fixes (stator, ou distributeur) configurés pour convertir de l’énergie de combustion en énergie motrice, afin notamment d’entraîner les étages de compresseurs et la soufflante. Les disques de rotor de la turbine sont centrés sur un axe longitudinal X de la turbomachine et sont généralement assemblés entre eux au moyen de viroles au disque amont et au disque aval. Chaque distributeur comprend une pluralité d'aubes fixes réparties circonférentiellement autour de l’axe.

Le distributeur comprend des aubes fixes configurées pour accélérer et dévier un écoulement de gaz de combustion en direction des aubes mobiles immédiatement en aval.

Il est connu de disposer un joint d’étanchéité dynamique radialement à l’intérieur des distributeurs afin de réduire la circulation des gaz en dehors du conduit annulaire primaire dans lequel s’étendent les aubes fixes et mobiles. Un tel joint comprend généralement un anneau d’étanchéité portant un élément abradable solidaire qui est du distributeur et une ou plusieurs léchettes solidaires du rotor.

Lors du fonctionnement du turboréacteur, le distributeur est exposé à des températures plus élevées que le disque de la roue mobile et l’inertie thermique du distributeur est généralement plus faible que celle du disque, ce qui entraine une variation du jeu entre l’anneau d’étanchéité et les léchettes. Il en résulte une augmentation du débit de fuite lorsque le jeu précité augmente et une accélération de l’usure de l’élément abradable lorsque ce jeu diminue.

Le document FR 3 027 343 divulgue une solution de montage autorisant un déplacement radial entre l’anneau d’étanchéité et le distributeur. Toutefois, l’étanchéité d’un tel montage est sensible aux variations de température car la dilatation de l’anneau d’étanchéité provoque une ouverture des jeux entre l’élément abradable et les léchettes en regard, ce qui détériore la performance du moteur. Or, le débit de refroidissement injecté entre l’élément abradable et les léchettes ne se mélange pas à l’air chaud provenant de la veine d’écoulement qui fuit entre le distributeur et le disque tournant immédiatement adjacent, ce qui fait dépendre les variations de température de l’anneau d’étanchéité à libre dilatation du débit de fuite de l’air chaud de la veine d’écoulement. Dans les phases transitoires, il en résulte un anneau d’étanchéité qui se dilate sous l’effet de l’augmentation de la température, ce qui se traduit par l’ouverture des jeux des étanchéités, une augmentation de leur perméabilité et donc une diminution de la performance du joint.

Enfin, la différence de température des cavités de ventilation amont et aval (de part et d’autre de l’anneau d’étanchéité) est substantielle, ce qui engendre une différence de température entre les brides de fixation de l’anneau et crée une dilatation thermique différentielle qui peut bloquer le déplacement radial de l’anneau d’étanchéité par rapport au distributeur.

EXPOSE DE L'INVENTION

Un but de l’invention est de remédier aux inconvénients précités, en proposant un distributeur comprenant un joint d’étanchéité dont les performances sont moins sensibles aux variations de température, notamment lorsque le joint d’étanchéité comprend un anneau d’étanchéité monté avec un jeu radial sur le distributeur, et dont la durée de vie est améliorée.

Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention un distributeur de turbine présentant un axe de révolution et comprenant :

- une bride s’étendant radialement par rapport à l’axe;

- un anneau d’étanchéité monté sur la bride et comprenant une face interne configurée pour porter un élément abradable ;

- une cavité de ventilation délimitée radialement à l’intérieur par une face externe de l’anneau d’étanchéité et en aval par une face amont de la bride ;

- un déflecteur configuré pour guider un flux d’air vers la cavité de ventilation ; et

- au moins un orifice traversant formé dans l’anneau d’étanchéité et configuré pour mettre en communication fluidique la cavité de ventilation avec la face interne de l’anneau d’étanchéité. Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du distributeur selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :

- le déflecteur est monté sur l’un parmi la bride et l’anneau d’étanchéité de sorte à s’étendre sensiblement radialement dans la cavité de ventilation ;

- le déflecteur est fixé sur un bord amont coudé de l’anneau d’étanchéité ;

- le bord amont s’étend radialement vers l’intérieur ;

- le distributeur comprend une tôle coudée fixée sur un bord amont de l’anneau d’étanchéité, l’au moins un orifice traversersant le déflecteur ;

- le déflecteur comprend une tôle sensiblement plane ou tronconique ;

- le déflecteur s’étend radialement par rapport à l’axe ;

- le déflecteur est brasé sur l’un parmi la bride et l’anneau d’étanchéité ou est monolithique avec l’anneau d’étanchéité ; et/ou

- l’anneau d’étanchéité est monté pour être mobile radialement par rapport à la bride.

Selon un deuxième aspect, l’invention propose une turbine comprenant un distributeur selon le premier aspect.

Selon un troisième aspect, l’invention propose une turbomachine comprenant une turbine selon le deuxième aspect et une turbine additionnelle, une vitesse de rotation de la turbine additionnelle étant supérieure à une vitesse de rotation de la turbine.

Selon un quatrième aspect, l’invention propose un aéronef comprenant une turbomachine selon le troisième aspect.

DESCRIPTION DES FIGURES

D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :

La figure 1 est une vue en coupe d’un exemple de turbine comprenant un distributeur conforme à un mode de réalisation de l’invention, sur laquelle ont été représentés de façon schématique les différents fluides (gaz) circulant sous le distributeur ;

La figure 2 est une vue partielle et en perspective d’un exemple d’anneau d’étanchéité et de déflecteur conformes à un mode de réalisation de l’invention ;

La figure 3 est une vue en coupe d’un exemple de turbine conventionnelle comprenant un distributeur sur laquelle ont été représentés de façon schématique les différents fluides circulant sous le distributeur ; et La figure 4 illustre un aéronef comprenant deux turbomachines conformes à un mode de réalisation de l’invention.

Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal des gaz dans la turbomachine 1 (notamment d’aéronef 100), et donc le long du distributeur 3 de la turbine 2 basse pression. Par ailleurs, on appelle axe X du distributeur 3, l'axe X autour duquel s’étend le distributeur 3, qui correspond à l’axe X de révolution du rotor 7 de la turbine 2. Une direction axiale correspond à la direction de l'axe X, une direction radiale est une direction perpendiculaire à cet axe X et passant par lui. Par ailleurs, une direction circonférentielle correspond à une direction perpendiculaire à l'axe X et ne passant pas par lui. Sauf précision contraire, interne (ou intérieur) et externe (ou extérieur), respectivement, sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie ou la face interne d'un élément est plus proche de l'axe X que la partie ou la face externe du même élément.

De manière connue en soi, un distributeur 3, notamment d’une turbine 2 basse pression 7, comprend une virole 4 pourvue d’une pluralité d'aubes fixes 5 réparties circonférentiellement autour de la virole 4. La virole 4 comprend en particulier une bride 6 qui s’étend radialement à l’intérieur par rapport aux aubes 5.

Le distributeur 3 peut être sectorisé et comprendre une pluralité de secteurs de distributeur 3 fixés ensemble bout à bout autour de l’axe X. En variante, le distributeur 3 peut être formé intégralement et en une seule pièce, auquel cas les secteurs de distributeur 3 sont monolithiques.

La turbine 2 comprend en outre un rotor 7 comprenant une pluralité de disques 8 comprenant chacun une jante 9 et des aubes 10. Les aubes 10 sont rapportées et fixées dans des alvéoles 11 formées dans la jante 9 du disque 8 correspondant et s’étendent radialement depuis la jante 9.

Le distributeur 3 s’étend entre deux disques 8 adjacents du rotor 7 de la turbine 2. De préférence, la turbine 2 comprend une succession d'étages comprenant chacun un disque 8 du rotor 7 tournant devant un distributeur 3 associé.

La turbine 2 comprend en outre un joint d’étanchéité comprenant un anneau d’étanchéité

12 connecté à la bride 6 par une liaison glissière et configuré pour porter un premier élément d’étanchéité 13, et un deuxième élément d’étanchéité 14 configuré pour coopérer avec le premier élément d’étanchéité 13 pouvant par exemple être portés par un support fixé entre les deux disques 8 adjacents du rotor 7 de la turbine 2. Le premier élément d’étanchéité 13 peut comprendre un élément abradable 13, tel qu’une structure en nid d’abeille, fixé sur la face interne 15a de l’anneau 12. Le deuxième élément d’étanchéité 14 peut alors comprendre des léchettes 14 s’étendant radialement depuis le support. Dans ce qui suit, un exemple de joint d’étanchéité comprenant un élément abradable 13 et des léchettes 14 sera décrit. Ceci n’est cependant pas limitatif, l’invention pouvant s’appliquer à des joints d’étanchéité comprenant d’autres éléments d’étanchéité.

Plus précisément, la bride 6 s’étend sensiblement radialement depuis la virole 4 en direction des deuxièmes éléments d’étanchéité (soit à l’opposé des aubes) et présente une face amont 6a et une face aval 6b, sensiblement radiales.

L’anneau d’étanchéité 12 peut être rapporté et connecté à la bride 6 par une liaison glissière. Il comprend une tôle métallique comprenant une portion axiale 15 et une portion radiale 16. La portion axiale 15 présente la face interne 15a configurée pour recevoir l’élément élément abradable 13, et une face externe 15b opposée à la face interne 15a qui est configurée pour s’étendre face à la virole 4. L’élément abradable 13 est fixé directement sur la face interne 15a de la portion axiale 15. La portion axiale 15 présente en outre un bord amont 15c et un bord aval 15d.

La portion radiale 16 s’étend depuis la face externe 15b de la portion axiale 15 et est configurée pour être montée sur la bride 6. La portion radiale 16 peut notamment être centrée par rapport à la portion axiale 15.

Dans une forme de réalisation, la portion radiale 16 est montée sur la bride 6 de sorte à autoriser un jeu radial entre l’anneau d’étanchéité 12 et la bride 6. A cet effet, la portion radiale 16 peut comprendre un flasque amont 16a et un flasque aval 16b configurés pour venir en contact avec la face amont 6a et la face aval 6b, respectivement, de la bride 6. On pourra se référer au document FR 3 027 343 pour plus de détails sur le montage avec jeu radial de l’anneau d’étanchéité 12 sur la bride 6.

L’anneau 12 et la bride 6 définissent ensemble une cavité de ventilation amont 17 et une cavité de ventilation aval 18. La cavité amont 17 est délimitée à l’amont par le disque 8 tournant du rotor 7 immédiatement en amont, à l’aval par la face amont 6a de la bride 6, radialement à l’intérieur par la face externe 15b de la partie axiale de l’anneau 12 et radialement à l’extérieur par la face interne de la virole 4. La cavité aval 18 est délimitée à l’amont par la face aval 6b de la bride 6, à l’aval par le disque 8 tournant du rotor 7 immédiatement en aval, radialement à l’intérieur par la face externe 15b de la partie axiale de l’anneau 12 et radialement à l’extérieur par la face interne de la virole 4.

Le montage avec jeu de l’anneau 12 sur la bride 6 permet le passage d’air (zone 16c) entre les flasques 16a, 16b de l’anneau 12 et la bride 6, ce qui met en communication fluidique les cavités amont 17 et aval 18 et facilite leur ventilation.

De manière connue en soi, un flux de gaz de refroidissement F1 (provenant notamment d’une partie amont de la turbomachine 1 , par exemple d’une section de compresseur) traverse le fond des alvéoles 11 et est injecté entre l’élément abradable 13 et les léchettes 14 du joint d’étanchéité afin de refroidir le joint et d’assurer son étanchéité.

Par ailleurs, des gaz F2 peuvent fuir au niveau de la surface externe de la jante 9 du disque 8 immédiatement amont et est être injecté dans la cavité amont 17. Ces gaz F2 sont relativement chauds et ont donc pour effet de réchauffer la cavité amont 17.

Afin d’améliorer l’étanchéité du joint d’étanchéité et d’augmenter sa durée de vie, le distributeur 3 comprend en outre un déflecteur 19 configuré pour guider un flux d’air vers la cavité amont 17. A cet effet, le déflecteur 19 peut notamment être monté sur l’un parmi la bride 6 et l’anneau 12 de sorte à s’étendre sensiblement radialement dans la cavité amont 17. Par ailleurs, au moins un orifice 20 traversant est formé dans l’anneau d’étanchéité 12 afin de mettre en communication fluidique la partie de la cavité amont 17 située entre le déflecteur 19 et la face externe 15b de l’anneau 12 avec la face interne 15a de l’anneau d’étanchéité 12.

Le déflecteur 19 et le ou les orifices 20 traversants permettent ainsi de forcer le fluide de refroidissement F1 (gaz) provenant des alvéoles 11 du disque 8 de rotor 7 immédiatement en amont du distributeur 3 à se mélanger avec les gaz chauds F3, F2 provenant de la veine d’écoulement et de la jante 9 du disque 8, afin de réduire les gradients de température entre la cavité amont 17 et la cavité aval 18. En effet, la rotation du rotor 7 de turbine 2 entraine le fluide de refroidissement F1 radialement vers l’extérieur, de sorte que le fluide F1 remonte le long du déflecteur 19 jusque dans la cavité amont 17, où il rencontre les gaz chauds F2, F3. Le mélange du fluide de refroidissement F1 avec les gaz chauds F2, F3 permet alors de refroidir la cavité amont 17 (et le flasque amont 16a). Le cas échéant, une partie F1 a du mélange ainsi obtenu peut ensuite passer entre les flasques 16a, 16b et la bride 6 par le passage 16a prévu à cet effet, refroidissant ainsi la cavité aval 18, tandis qu’une autre partie F1 b redescend vers les léchettes 14 via le(s) orifice(s) 20 traversant(s) et assure l’étanchéité du joint d’étanchéité.

Le déflecteur 19 est substantiellement radial à l’axe X. Par « substantiellement radial », on comprendra ici que le déflecteur 19 s’étend dans un plan pouvant former un angle compris entre -20° et +20° avec un plan normal à l’axe X. Dans une forme de réalisation, le déflecteur 19 est compris dans le plan normal à l’axe X afin de guider efficacement le fluide de refroidissement vers la cavité amont 17.

De préférence, plusieurs orifices 20 traversants sont formés dans l’anneau 12 afin d’assurer un passage suffisant au flux de gaz provenant de la cavité amont 17. En variante, un orifice 20 oblong peut être formé dans le déflecteur 19 et/ou l’anneau 12. Le joint d’étanchéité étant calibrant, il n’est pas nécessaire que la section de passage du ou des orifices 20 participe à la calibration du débit de gaz dans le joint d’étanchéité.

Dans une première forme de réalisation, le déflecteur 19 est fixé sur l’anneau 12, par exemple par brasage ou par fixation mécanique (boulonnage, etc.). Le déflecteur 19 comprend alors une extrémité radiale interne disposée à proximité de l’anneau d’étanchéité 20 et une extrémité radiale externe s’étendant dans la cavité amont 17.

Le déflecteur 19 peut par exemple être fixé au niveau du bord amont 15c de l’anneau 12 et s’étendre radialement vers l’extérieur dans la cavité amont 17. Pour faciliter la fixation du déflecteur 19 sur l’anneau 12, l’un parmi au moins l’anneau 12 et le déflecteur 19 comprend un bord coudé sur lequel est fixé l’autre parmi le déflecteur 19 et l’anneau 12. Par exemple, les figures 1 et 2 illustrent le cas d’un anneau 12 comprenant un bord amont 15c coudé, le déflecteur 19 étant alors fixé sur la partie coudée du bord amont 15c. De préférence, la partie coudée du bord amont 15c de l’anneau 12 s’étend radialement vers l’intérieur (c’est-à-dire vers l’axe X), de préférence jusqu’à la sortie de l’alvéole 11 (i.e. l’extrémité du bord amont 15c se trouve en face de la sortie de l’alvéole 11 ), afin de former un obstacle au fluide de refroidissement F1 froid provenant de l’alvéole 11 du disque 8 immédiatement en amont. Cette configuration permet ainsi de forcer encore davantage le fluide de refroidissement F1 à remonter vers la cavité amont 17 plutôt que de s’écouler directement vers le joint d’étanchéité.

Le déflecteur 19 comprend une tôle métallique sensiblement plane comprenant un bord radialement interne 19a et un bord radialement externe 19b. Le bord radialement interne 19a et le bord radialement externe 19b sont de préférence annulaires. Le déflecteur 19 peut être monolithique ou comprendre une pluralité de secteurs fixés bouts à bout, le cas échéant avec chevauchement.

Dans cette forme de réalisation, le ou les orifices 20 traversants sont formés dans la partie axiale 15a de l’anneau 12, à proximité du coude. De préférence, le ou les orifices 20 sont décalés par rapport à l’élément abradable 13 : ils sont donc formés dans la partie de l’anneau 12 qui est dépourvue d’élément abradable 13, c’est-à-dire à proximité du coude du bord amont 15c. A titre d’exemple, les orifices 20 peuvent être formés dans la partie coudé du bord amont 15c et s’étendre radialement dans la partie coudée, de sorte à déboucher le long du déflecteur 19 (voir figure 2). Le fluide de refroidissement F1 b s’écoule ainsi au travers des orifices 20 le long de déflecteur 19 avant d’atteindre le joint d’étanchéité.

Lorsque le déflecteur 19 est coudé, il comprend en outre une tôle annulaire monolithique avec le bord radialement interne de la tôle métallique. Le déflecteur 19 peut alors être rapporté et fixé sur la face externe 15b de l’anneau 12, à proximité de son bord amont 15c. Le ou les orifices 20 sont alors formés en correspondance dans le déflecteur 19 et dans la partie axiale 15a de l’anneau 12, au niveau de leur zone de chevauchement.

En variante, le déflecteur 19 est monolithique avec l’anneau 12 et peut être obtenu par fabrication additive. Les orifices 20 sont alors formés à proximité de la jonction entre le déflecteur 19 et la partie axiale 15a de l’anneau 12. Le déflecteur 19 peut simplement former un coude avec la partie axiale 15a de l’anneau 12, ou en variante comprendre une partie radialement externe, qui s’étend du bord amont 15c de l’anneau 12 en direction de la cavité amont 17, et une partie radialement interne, qui s’étend du bord amont 15c de l’anneau 12 en direction de l’axe X afin de former un obstacle au passage de fluide froid F1 provenant de l’alvéole 11 .

Dans une deuxième forme de réalisation (non illustrée sur les figures), le déflecteur 19 est fixé sur la partie radiale 16 de l’anneau 12 ou sur la bride 6. Le déflecteur 19 comprend alors des perforations pour permettre la circulation du fluide F1 vers les orifices 20 de l’anneau 12 et, le cas échéant (selon la position par rapport aux flasques 16a, 16b) vers le passage de gaz 16c au niveau des flasques 16a, 16b. Par ailleurs, le déflecteur 19 comprend une extrémité radiale interne s’étendant dans la cavité amont 17 une extrémité radiale externe disposée à proximité de la partie radiale 16 de l’anneau d’étanchéité 20.

Le déflecteur 19 peut comprendre une tôle métallique en forme de gouttière comprenant une première tôle plane configurée pour être fixée sur la bride 6 ou la partie radiale 16 de l’anneau 12, une deuxième tôle plane s’étendant sensiblement radialement dans la cavité amont 17 et une tôle centrale reliant la première et la deuxième tôle.

En variante, la bride 6 ou la partie radiale 16 de l’anneau 12 peuvent comprendre une tôle coudée, qui peut être brasée sur la partie radiale ou la bride 6. Le déflecteur 19 peut alors comprendre une tôle coudée, fixée (par exemple par brasage) sur la tôle coudée de la bride 6 ou de la partie radiale.

Selon une autre variante encore, le déflecteur 19 peut comprendre une tôle coudée radialement vers l’intérieur qui est monolithique avec la bride 6 ou la partie radiale 16 de l’anneau 12. La figure 4 illustre la circulation de différents flux d’air F1 , F2, F3 dans un distributeur conventionnel. Les gaz chauds F3 provenant de la veine d’écoulement fuient dans la zone située entre la virole 4 du distributeur 3 et le disque 8 du rotor 7 immédiatement amont. En parallèle, un flux d’air de refroidissement F1 en provenance de l’alvéole 11 de ce disque 8 est injecté entre l’élément abradable 13 et les léchettes 14 pour refroidir le joint d’étanchéité. Enfin, un débit de fuite F2, chaud, à proximité de la jante 9 des disques 8 peut être injecté dans la cavité amont 17. Il ressort de cette figure que le fluide de refroidissement F1 ne remonte pas vers la cavité amont 17, qui est donc très chaude, et refroidit uniquement le joint d’étanchéité.

11 en découle également une différence de température substantielle entre la cavité amont 17 et la cavité aval 18, ainsi qu’entre le flasque amont 16a et le flasque aval 16b de l’anneau 12.

A titre de comparaison, la circulation des flux d’air F1 , F2 et F3 est illustrée sur la figure 1 , qui représente un distributeur 3 conforme à un mode de réalisation de l’invention. Les gaz chauds F3 provenant de la veine d’écoulement sont mélangés dans la cavité amont 17 avec le fluide de refroidissement F1 remontant le long du déflecteur 19 et avec le débit de fuite F2 chaud des jantes 9 des disques 8. La température totale de la cavité amont 17 est donc nettement plus faible que sur la figure 4. Les différences de température entre la cavité amont 17 et la cavité aval 18 ainsi qu’entre le flasque amont 16a et le flasque aval 16b de l’anneau

12 sont en outre plus faibles, les gaz F1 a circulant entre les flasques 16a, 16b et la bride 6 ayant également une température plus faible grâce à son mélange avec le fluide F1 provenant des alvéoles 11 . Enfin, une partie F1 b du fluide froid est renvoyé vers le joint d’étanchéité via les orifices 20 afin d’assurer le refroidissement du joint.

La cavité amont 17 étant constamment alimentée par un fort débit de refroidissement, l’anneau 12 subit de moins grandes variations de température pendant la durée de vie de la turbomachine 1 grâce au brassage des gaz F1 , F2, F3 dans la cavité amont 17. L’anneau 12 est donc moins sujet à des dilatations thermiques.

La température des cavités amont 17 et aval 18 étant plus homogène, les dilatations thermiques différentielles entre les deux flasques 16a, 16b sont réduites (voire éliminées). Les risques de blocage de l’anneau 12 (et en particulier de ses déplacements radiaux par rapport à la bride 6) sont donc supprimés.

Le déflecteur 19 est de préférence en métal et peut être réalisé dans le même matériau que la bride 6 ou que l’anneau 12. Par exemple, le déflecteur 19 peut comprendre un alliage d’aluminium, de l’acier, etc. L’invention peut s’appliquer à toute turbine 2 axiale composée d’une succession d’étages mobiles (rotor 7) et statiques (distributeurs 3), et notamment dans le cadre des turbomachines 1 (et dérivés) et des turbines à gaz. L’anneau 12 de la turbine 2 peut être libre, c’est-à-dire présenter un jeu radial avec la bride 6, ou en variante être fixe par rapport à la bride 6. L’invention trouve particulièrement application dans le cas des turbines 2 présentant un débit de fuite significatif de la veine d’écoulement.