Brevet FR2465874A1 — publié le 19810327

La présente invention concerne un élément porteur et un élément porté par ce dernier. Un problème qui se pose depuis longtemps est celui consistant à faire porter des éléments sujets à dila- tation et à contraction thermiques par des éléments porteurs soumis aux mêmes dilatations et contractions mais selon un coefficient différent. Si les deux é- léments sont joints de façon rigide, chacun d'eux sera soumis à des contraintes pouvant, en fin de compte, entraîner sa rupture. C'est principalement le cas lorsque l'un de ces éléments, ou tous les deux, sont faits d'une matière fragile telle qu'une matière cé- ramique. Ce problème peut se poser dans les moteurs à turbine à gaz, et en particulier dans la région de leurs cham- bres de combustion et de leurs turbines Les turbines classiques de moteurs à turbine à gaz comportent un carter renfermant des étages, alternati- vement fixes et rotatifs, d'aubes profilées aérodyna- miquement, disposés dans un passage annulaire parcouru par les gaz. Pour assurer le fonctionnement efficace de ces turbines, il importe que le jeu entre les ex- trénités libres (ou pointes) des aubes tournantes et la paroi radialement externe du passage annulaire à gaz soit aussi réduit que possible. Si ce jeu est trop grand, il se produira, aux pointes des aubes, une fuite excessive de gaz qui diminuera le rendement de la turbine. Mais si ce jeu est faible, pour ré- duire ces fuites, il y a risque de voir, dans certai- nes conditions de fonctionnement de la turbine, les pointes des aubes tournantes venir toucher la paroi du passage annulaire à gaz et endommager à la fois l'aube et la paroi Pour essayer de garantir l'obtention d'un jeu optimal pour les pointes d'aubes et de maintenir au minimum la fuite de gaz par ces pointes d'aubes, on a proposé d'entourer d'-un bandage annulaire les étages d'aubes mobiles. Ce bandage annulaire est habituellement fixé au carter de turbine de façon à offrir une surface ra- dialement interne définissant une partie de la paroi radialement externe du passage annulaire à gaz de la turbine. Ce bandage annulaire étant une pièce rela- tivement simple à fabriquer,.ses tolérances peuvent être assez strictes pour que le jeu des pointes des aubes mobiles soit aussi proche que possible de sa valeur optimale. IMais les bandages annulaires posent d'autres problèmes quand il s'agit d'assurer le main- tien d'un jeu optimal des pointes d'aubes pendant le fonctionnement de la turbine. Ces problèmes sont principalement en rapport avec les coefficients de dilatation thermique différents du carter de turbine, du bandage annulaire, et du groupe d'aubes mobiles C'est ainsi que, bien que le carter de turbine et le bandage annulaire puissent être faits de matériaux de coefficients de dilatation thermique égaux ou sembla- bles, la différence de leurs masses et des tempéra- tures auxquelles ils sont exposés pendant le fonction- nement de la turbine implique fatalement qu'ils se dilateront ou-se contracteront selon des rapports dif- férents. Il y a donc risque de déformation du ban- dage et même du carter de turbine. Pour les mêmes raisons, il est vraisemblable que le bandage et l'é- tage d'aubes mobiles se dilateront et se contracteront radialement selon des rapports différents, entraînant ainsi des variations du jeu des pointes d'aubes mobi- les. La présente invention a pour objet de réaliser une structure comprenant un élément porteur et un élément porté par le premier, réduisant au minimum leurs charges respectives L'invention a également pour objet de réaliser une turbine comprenant un carter, un bandage annulaire et un étage d'aubes rotatives, appropriée à réduire au minimum les variations du jeu entre les pointes des aubes mobiles et le bandage annulaire pendant le fonc- tionnement de la turbine. La structure selon l'invention comprend un élément porteur et un élément porté par celui-ci, l'un ou l'autre desdits éléments étant pourvu d'une agglomé- ration de filaments hérissés disposés de façon à for- mer un joint d'étanchéité à garniture en poils-de brosse (ou "joint à brosse"), ledit élément porté étant entouré par ledit joint à brosse de façon à être, à la fois, porté par ledit joint à brosse et maintenu éloigné dudit élément porteur par le même joint à brosse. L'élément porté pourra avoir une section transversale circulaire et le joint à brosse comporter une agglo- annula re mération/de filaments hérissés, l'ensemble étant dis- posé de façon que le joint à brosse constitue l'unique moyen de support radial de l'élément porté. De préférence, les filaments hérissés seront montés sur une surface annulaire de l'élément porteur faisant face radialement vers l'intérieur. Selon un autre de ses aspects, l'invention réalise une turbine utilisable sur un moteur à turbine à gaz et comprenant un carter de turbine renfermant des organes pouvant coopérer avec ce carter pour définir un passa- ge annulaire à gaz, un étage d'aubes tournantes dispo- sé dans ce passage, et un bandage annulaire entourant les aubes tournantes mais sans les toucher, ce bandage annulaire comprenant une matière céramique constituant une partie de la paroi radialement externe du passage et étant porté par le carter de turbine et simultané- ment maintenu radialement éloigné de lui par une ag- glomération annulaire de filaments hérissés montés sur ledit carter de turbine et disposés de façon à former un joint à brosse annulaire Les joints à brosse annulaires sont connus et compor- tent traditionnellement un agglomérat annulaire de filaments élastiques hérissés, orientés radialement, immobilisés à leur extrémité radialement interne ou externe par un élément porteur. Les extrémités libres des filaments prennent contact avec la surface péri- phérique d'un autre élément de façon à établir un joint étanche entre la surface périphérique de ce dernier et l'élément-porteur. Les filaments hérissés pourront être immobilisés par sertissage ou faire partie d'une étoffe tissée à la manière du velours. Du fait que le bandage annulaire est radialement porté par le carter de turbine et radialement espacé de lui par un joint à brosse comportant une pluralité de fi- laments élastiques, il possède une marge de déplace- ment réduite par rapport au carter sans interruption de l'étanchéité entre carter et bandage. En particu- lier, le bandage et le carter peuvent sed ilater ou se contracter selon des coefficients différents sans rupture du joint étanche qui les sépare et sans trans- fert important de charge entre eux. L'absence de transfert important de charge entre le bandage et le carter sur une gamme étendue de condi- tions thermiques permet de réaliser un bandage en matière céramique qui, dans des circonstances nor- males, ne pourrait pas être fixé directement au car- ter. Les matières céramiques possédant en général des coefficients assez bas de dilatation thermique, l'em- ploi d'un bandage comportant une matière céramique est extrêmement avantageux pour maintenir aux pointes des aubes des jeux réduits variant peu pendant le fonctionnement de la turbine. Donc, bien qu'il puisse arriver que, pendant ce fonctionnement, l'étages d'au- bes mobiles se dilate et se contracte radialement, les jeux aux pointes d'aubes entre les aubes mobiles et le bandage varieront moins qu'avec des bandages métalliques classiques. De préférence, le carter de turbine sera div'isé axia- lement, dans la zone radialement extérieure de l'au- bage mobile, de façon à définir un logement circonfé- rentiel pouvant recevoir le bandage annulaire compre- nant une matière céramique et pourra en outre définir, extérieurement audit logement de bandage, une chambre annulaire dans laquelle le joint à brosse se placera entre la paroi radialement externe de cette chambre et la surface radialement externe du bandage De préférence, le joint à brosse annulaire comportera de un élément/support portant au moins une rangée annu- laire de filaments hérissés inclinés sur les rayons du bandage Le bandage annulaire pourra comporter un élément mé- tallique annulaire de soutien approprié à porter la partie céramique du bandage ainsi qu'à prendre con- tact avec le joint à brosse annulaire. Le bandage pourra être porté par un joint à brosse annulaire comportant deux ou plus de deux groupes an- nulaires de filaments montés coaxialement, espacés axialement l'un de l'autre et portés par le même élé- ment de support Lorsque le dispositif comportera deux ou plus de deux groupes annulaires de filaments, les filaments de cha- que groupe annulaire seront, de préférence, inclinés sur les rayons du bandage annulaire dans un sens op- posé à celui des filaments du groupe contigu. De préférence, l'élément de support portant le groupe annulaire de filaments, ou chacun d'eux, sera monté sur la paroi radialement externe de ladite chambre annulaire définie par le carter de turbine de façon que l'extrénmité libre des filaments prenne contact avec le bandage et le soutienne. De préférence, les filaments du joint à brosse annu- laire seront faits d'un alliage à base de nickel. De préférence, le bandage annulaire comportera une partie annulaire faite de nitrure de silicium. Le bandage annulaire pourra comporter en outre une autre matière céramique interposée entre la partie en nitrure de silicium et l'élément porteur de forme annulaire. Cette autre matière céramique pourra être appropriée à définir des intervalles d'air entre elle-m9me d'une part, et la partie-en nitrure de'silicium.et/ou l'élé- ment annulaire de soutien d'autre part. L'invention est décrite ci-après en détail en se ré- férant à quelques exemples préférés, non limitatifs, de réalisation représentés sur les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une coupe axiale partielle d'un moteur à turbine à gaz comportant une turbine selon la présente invention; - la figure 2 est une coupe transversale selon la ligne A-A de la figure 1; - la figure 3 est une coupe axiale partielle montrant une variante de l'invention; et - la figure 4 est une coupe transversale selon la ligne B-B de la figure 3 La partie du moteur à turbine à gaz 10 représentée à la figure 1 comporte une chambre de combustion 11 et une turbine 12. Cette dernière comporte un carter 13 définissant la paroi radialement externe d'un passage annulaire à gaz 14 renfermant, dans le sens d'écoule- ment des gaz, des étages: d'aubage distributeur fixe: , d'aubes profilées aérodynamiquement rotatives hau- te pression 16, d'aubage fixe basse pression 17, et d'aubes profilées aérodynamiquement rotatives basse pression 18. Les étages d'aubes profilées rotatives 16 et 18 sont montés, pour rotation, sur des disques respectivement 19 et 20. L'aubage distributeur 15 et les aubes profilées rotatives 16 constituent la section haute pression de la turbine 10, tandis que l'aubage fixe 17 et les aubes profilées rotatives 18 en constituent la section basse pression. les pla- teaux 21, 22, 23 et 24 de l'aubage distributeur 15, des aubes profilées rotatives 16, de l'aubage fixe 17 et des aubes profilées rotatives 18, respectivement, définissent la paroi radialement interne du passage annulaire d'écoulement des gaz 14 Le carter de turbine 13 est interrompu axialement, selon des plans radiaux extérieurs au groupe d'aubes mobiles haute pression 16, de façon à former un loge- ment circonférentiel 25 destiné à abriter un bandage annulaire 26 en nitrure de silicium. Ce logement 25 a une longueur axiale suffisante pour permettre au bandage 26 de flotter par rapport à l'axe de rotation de la turbine 10. Les parois du logement 25 s'évasent extérieurement de façon à coopérer avec une couronne 27 de section transversale en forme générale de T, pour définir ensemble une chambre annulaire 28. La paroi radialement externe de la chambre 28 comporte un évidement 30 logeant une bague de support 31 por-- tant deux groupes annulaires de filaments hérissés en alliage à base de nickel 33 et 34 pointant vers l'in- térieur dans un sens général radial et dont les extré- mités libres prennent contact avec la face radialement externe du bandage annulaire 26 et le soutiennent de façon à l'éloigner radialement du carter de turbine 13, ce bandage 26 étant maintenu axialement en place par les parois du logement 25. Les filaments 33 et 34 forment donc, avec la bague de support 31, un joint à brosse constituant le support radial unique du ban- dage 26. Bien que pointant radialement vers l'intérieur, les filaments 33 sont inclinés sur les rayons du bandage 26 comme le montre la figure 2. Les filaments 34 sont également inclinés sur les mêmes rayons mais en sens inverse de sorte qu'en agissant conjointement ils s'opposent à toute tendance du bandage 26 à tourner dans le sens des aiguilles de montre ou dans le sens inverse. Les filaments 33 et 34 assument deux fonctions En premier lieu, ils portent le bandage 26 depuis le carter de turbine 13 de telle sorte que des allonge- ments ou rétrécissements radiaux éventuels du carter de turbine, consécutifs à une dilatation ou contrac- tion thermiques, ne se transmettront pas au bandage 26. De ce fait, des modifications de la distance sé- parant radialement le carter de turbine 13 du bandage 26, découlant de la dilatation ou de la contraction radiales relatives auront pour effet de faire ployer les filaments 33 et 34 à la manière de ressorts pour 1 0 compenser ces modifications. En conséquence, il n'y aura qu'un faible transfert de charge entre le carter de turbine 13 et le bandage 26, ce qui permettra de réaliser ce dernier en matière fragile telle que du nitrure de silicium. On comprendra toutefois que la présente invention est applicable, généralement, à des bandages comportant une matière céramique appropriée quelconque. Comme les matières céramiques en général, et le ni-.rure de silicium en particulier, possèdent des coefficients de dilatation assez bas, on peut es- compter que leurs dimensions ne changeront que peu au cours du fonctionnement de la turbine. Il s'ensuit qu'au cours de ce fonctionnement le jeu séparant les pointes des aubes profilées rotatives 16 et le bandage 26 ne changeront effectivement que de la quantité dont les aubes 16 et leur disque associé 19 se dilatent et se contractent thermiquement dans le sens radial. Le jeu des pointes ne sera donc pas affecté par l'ampleur des dilatations ou contractions thermiques du carter 13 pendant le fonctionnement de la turbine La seconde fonction assumée par les filaments 33 et 34 est de constituer un joint d'étanchéité aux gaz sur la longueur du bandage 26. En effet, pendant le fonction- nement de la turbine 12, une partie des gaz moteurs chauds dirigés par l'étage distributeur 15 vers l'é- tage rotatif 16 s'échappe par le logement 25 et pénè- tre dans la chambre annulaire 28. Les filaments 33 et 34 empêchent ces gaz de franchir cette chambre pour rejoindre le passage d'écoulement des gaz 14 en aval de l'étage d'aubes rotatives 16. La seule fuite de gaz à hauteur de ce dernier sera celle se produisant par dessus les pointes des aubes 16. Dans certains cas, les températures rencontrées dans une turbine de moteur à turbine à gaz sont si élevées que le nitrure de silicium s 'échauffe au point de ris- quer d'endommager les filaments 33 et 34. Dans de tels cas, il est préférable d'utiliser un bandage possédant des propriétés isolantes améliorées, tel que le bandage 26a représenté aux figures 3 et 4. Ce bandage 26a comprend une partie annulaire 36 en nitrure de silicium, semblable au bandage 26 précé- demment décrit. Mais la surface radialement externe de la partie annulaire 36 en nitrure de silicium com- porte une rangée annulaire de blocs céramiques 37, elle-meme ceinte d'un élément métallique de soutien de forme annulaire 38 servant à maintenir en place les blocs céramiques 37 autour de la partie annulaire 36 en nitrure de silicium. Les blocs céramiques 37 comportent, sur leurs faces respectivement radialement internes et externes, des parties évidées 39 et 40 coopérant respectivement avec la partie annulaire en nitrure de silicium 36 et avec l'élément de soutien 38 pour définir des po- ches d'air isolantes 41 et 42 qui, conjointement avec les blocs céramiques 37, empêchent l'échauffement a- normal des filaments 33 et 34. Bien que l'inventiolait été décrite en se référant à l'étage haute pression d'une turbine, on comprendra qu'elle est applicable en fait à n'importe quel étage de turbine On comprendra également que, bien que l'invention ait été décrite en se référant au montage d'un bandage annulaire à l'intérieur de la turbine d'un moteur à turbine à gaz, elle est susceptible d'applications plus étendues. Sous son aspect le plus large, la présente invention se rapporte généralement au montage d'éléments de section transversale circulaire au moyen d'une agglomération de filaments hérissés disposés de façon à former un joint à brosse. En outre, cette agglomération de filaments hérissés pourra être montée soit dans un élément porteur, soit sur l'élément porté lui-meme de façon que les extrémités libres des fila- ments prennent contact avec l'élément porteur. REVENDICATIONS 1. Structure comprenant un élément porteur et un élé- ment porté par celui-ci, caractérisée en ce que l'un ou l'autre desdits éléments porteur (13) ou porté (26) est pourvu d'une agglomération de fila- ments hérissés (33, 34) disposés de façon à former un joint d'étanchéité à garniture en poils de bros- se (ou "joint à brosse") (31, 33, 34), ledit élé- ment porté (26) étant entouré par ledit joint à brosse (31, 33, 34) de façon à être à la fois por- té par ledit joint à brosse et maintenu éloigné dudit élément porteur (13). 2. Structure selon la Revendication 1, caractérisée en ce que l'élément porté (26) a une section transver- sale essentiellement circulaire, et en ce que le joint à brosse (31, 33, 34) comporte une agglomé- ration annulaire de filaments hérissés (33, 34), l'ensemble étant disposé de façon que le joint à brosse (31, 33, 34) constitue l'unique moyen de support radial de l'élément porté (26). 3. Structure selon la Revendication 2, caractérisée en ce que les filaments hérissés (33, 34) sont montés sur une surface annulaire de l'élément porteur (13) faisant face radialement vers l'in- térieur. 4. Turbine applicable à un moteur à turbine à gaz, comprenant un carter de turbine renfermant des or- ganes pouvant coopérer avec ce carter pour définir un passage annulaire à gaz, un étage d'aubes profi- lées rotatives disposé dans ce passage, et un ban- dage annulaire entourant lesdites aubes profilées mais sans les toucher, caractérisée en ce que le dit bandage annulaire (26) comprend une matière céramique appropriée à constituer une partie de la paroi radialement externe (13) dudit passage annu- laire à gaz (14) et est porté par le carter de tur- bine (13) et simultanément maintenu radialement éloigné de lui par une agglomération annulaire de filaments hérissés (33, 34) montés sur ledit carter de turbine (13) et disposés de façon à former un joint à brosse annulaire (31, 33, 34) 5. Turbine applicable à un moteur à turbine à gaz se- lon la Revendication 4, caractérisée en ce que le- dit-carter de turbine (13) est interrompu axiale- ment, selon des ulans radiaux extérieurs au groupe d'aubes profilées rotatives (16), de façon à défi- nir un logement circonférentiel (25) pouvant rece- voir le bandage annulaire (26) comprenant une ma- tière céramique, et peut en outre définir, radia- lement à l'extérieur dudit logement de bandage (25), une chambre annulaire (28) dans laquelle le joint à brosse (31, 33, 34) se placera entre la paroi radialement externe de cette chambre (28) et la surface radialement externe du bandage (26). 6. Turbine applicable à un moteur à turbine à gaz selon la Revendication 4 ou la Revendication 5, caractérisée en ce que le bandage annulaire (26a) comporte un élément annulaire de soutien (38) ap- proprié à porter la partie céramique (36) du ban- dage (26a) et à prendre contact avec le joint à brosse annulaire (31, 33, 34) 7. Turbine applicable à un moteur à turbine à gaz selon une quelconque des Revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caractérisée en ce-que le joint à brosse annulaire (31, 33, 34) comporte un élément de sup- port (31) portant au moins une rangée annulaire de filaments hérissés (33) inclinés sur les rayons du bandage (26, 26a). 8. Turbine applicable à un moteur à turbine à gaz selon la Revendication 7, caractérisé en ce que le joint à brosse annulaire (31, 33, 34) comporte deux ou plus de deux groupes annulaires de fila- ments (33, 34) montés coaxialement, espacésàaxia- lement l'un de l'autre, et portés par le même élé- ment de support (31). 9. Turbine applicable à un moteur à turbine à gaz selon la Revendication 8, caractérisé en ce que les filaments de chaque groupe annulaire (33 ou 34) sont inclinés sur les rayons du bandage annulaire (26, 26a) dans un sens opposé à celui des filaments du groupe contigu (34 ou 33) 10. Turbine applicable à un moteur à turbine à gaz selon une quelconque des Revendications 7, 8 ou 9, caractérisée en ce que l'élément de support (31) portant le groupeannulaire de filaments ou chacun d'eux (33, 34) est monté sur la paroi radialement externe de la chambre annulaire (28) définie par le carter de turbine (13) de façon que l'extrémité libre des filaments (33, 34) prenne contact avec le bandage (26, 26a) et le soutienne. 11. Turbine applicable à un moteur à turbine à gaz selon une quelconque des Revendications 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caractérisée en ce que les filaments (33, 34) du joint à brosse annulaire sont faits d'un alliage à base de nickel. 12. Turbine applicable à un moteur à turbine à gaz selon une quelconque des Revendications 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 ou 11, caractérisée en ce que le bandage annulaire (26, 26a) contient du nitrure de silicium 13. Turbine applicable à un moteur à turbine à gaz selon la Revendication 12, caractérisée en ce que le bandage annulaire (26, 26a) comporte en outre une autre matière céramique (37) interposée entre le nitrure de silicium et l'élément annulaire de soutien (38). 1 7 14. Turbine applicable à un moteur à turbine à gaz selon la Revendication 13, caractérisée en ce que l'autre matière céramique (37) est conformée de façon à définir des intervalles d'air (41, 42) entre elle-même d'une part et la partie en nitrure de silicium et/ou l'élément annulaire de soutien (38) d'autre part.