Brevet FR2540938A1 — publié le 19840817

ANNEAU DE TURBINE D'UNE TURBOMACHINE La présente invention concerne un anneau d'6tanchéité pour un rotor de turbine d'une turbomachine. On sait que les changements de régime des turbomachines, qui sont relativement fréquents lorsqu'il s'agit de moteurs aFronautiques, entraîneraient des variations importantes du jeu entre le rotor de chaque étage de la turbine et l'anneau, généralement métallique, qui l'entoure, Si des dispositions spéciales nfleataient pas prises pour maintenir ce jeu entre des limites prédéter- minées, et eaviter en particulier qu'il s'annule ou devienne négatif, ce qui pourrait provoquer l'endommagement des aubes du rotor. I1 est connu en particulier de régler en fonctionnement le jeu entre les aubes du rotor de chaque Otage d'une turbine et l'anneau métallique qui l'entoure, grâce à une ventilation sélective du carter de la turbine, des aubes et du disque du rotor, ainsi que de l'anneau de chaque étage. L'air de ventilation utilise à cet effet est généralement prélevé soit dans le compres- seur associe à la turbine, soit dans l'enceinte entourant le (ou les) tube A flamme de ladite turbomachine s cependant, dans les deux cas, un pourcentage non négligeable de la puissance de la turbine est ainsi utilisé pour assurer ce réglage du jeu. La demande de brevet français 77 22513, déposée le 22 juillet 1977 par GENERAL ELECTRIC COMPANY, décrit une structure de virole de turbine à gaz, comprenant un écran thermique annulaire, formé essentiellement par des segments en matériau céramique, dont les bords amont et aval présentent des gorges, et un anneau métallique à section évidée, monts à l'intérieur du carter de la turbine, et portant des organes de support, adaptés pour s'engager dans les gorges des segments en céramique. L'écran thermique annulaire qu'ils forment offre différents avantages : sa bonne résistance aux températures élevées permet, notamment, sinon de supprimer complètement tout refroidissement de la face externe dudit écran thermique, tout au moins de n'y consacrer qu'un faible débit d'air de ventilation.En contrepartie, les coefficients respectifs de dilatation thermique du matériau en céramique constituant l'écran thermique, et du métal constituant l'anneau à section évidée sont si différents que des dispositions particuliFres doivent être prises pouréviter que les différences de dilatation thermique ne se traduisent par l'apparition, dans les segments en matériau céramique, de contraintes importantes, fventuel- lement susceptibles d'en réduire la durée de vie ou d'en produire la rupture. L'un des objectifs principaux de la présente invention réside dans la prise de dispoitions particulières pour compenser les différences de dilatation thermique entre les différents composants d'un anneau pour rotor de turbomachine, du type précédemment indique, c 'est--dire d'un anneau comprenant un écran thermique annulaire, forme essentiellement par des segments en matériau céramique, dont les bords amont et aval présentent des gorges, et un anneau métallique à section évidée, monté a l'intérieur du carter de la turbine, et portant des organes de support, adaptés pour s'engager dans les gorges des segments en céramique. L'anneau pour rotor de turbine d'une turbomachine selon la présente invention est caractérisé en ce que des moyens élastiques sont associés à chaque segment en céramique de façon à exercer sur lui une force axifuge, appliquant ledit segment contre l'anneau métallique et/ou contre ses organes de support. On comprend aisément que chaque segment en céramique est appliqué sur ses organes supports avec une force quasi constante, du fait que leurs déplacements radiaux sont petits vis-à-vis des possibilités de variation de longueur du ressort. Au statisme près du ressort on peut même dire que la force d'application des segments sur leurs organes de support est constante, ce qui ne serait pas le cas, et de loin, Si les segments étaient fixés sur l'anneau support sans interposition d'organes élastiques, par exemple par vis et boulons métalliques, du fait, notamment, des différences de coefficient de dilatation du matériau céramique et des boulons métalliques ou des organes de support. Dans une forme de réalisation préférée de l'anneau pour rotor de turbine selon la présente invention, les moyens élastiques associes à chaque segment comprennent un organe élastique, tel qu'un ressort hilicoidal, ou une lame de ressort convenablement conformée, qui est logé dans l'évidement intérieur de l'anneau métallique de façon à être comprimé entre sa paroi intérieure et au moins une saillie radiale de l'extrémité la plus extérieure d'une tige, qui traverse librement ladite paroi intérieure de l'anneau métallique, et dont l'extrémité la plus intérieure est solidaire de l'un des segments en céramique par exemple, la tige est celle d'une vis, dont la tête fraisée, de préférence à base en forme de calotte sphérique, est noyée dans un évidement, de préférence conique, aménagé dans la face intérieure du segment en céramique un écrou vissé sur l'extrémité de la vis serre une coupelle contre l'organe élastique t on comprend également qu'en vissant plus ou moins l'écrou sur la vis on peut régler la force axifuge que l'organe élastique, notamment le ressort hélicotdal, exerce sur le segment en céramique correspondant, par l'intermédiaire de ladite vis, ce qui permet d'adapter expérimentalement la force d'application des segments céramiques sur leurs organes de support. Dans une forme de réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, l'anneau métallique à section évidée est constitué, de façon connue en soi, par deux brides radiales épaisses, la première bride, constituant sa paroi aval, étant solidaire intérieurement du carter, tandis que la seconde bride, constituant sa paroi amont, est fixée intérieurement au carter de façon amovible, et est prolongée, en direction de la première bride, par une bride longitudinale plus mince, constituant la paroi intérieure de l'anneau ; en outre, des canaux de ventilation sont aménagés dans l'épaisseur de la seconde bride , selon la présente invention, les canaux de ventilation s'étendent depuis la face-extérieure de ladite seconde bride jusqu'à la face de la paroi intérieure de l'anneau, qui est tournée vers les segments de céramique. Cette ventilation directe des segments en céramique, et notamment de leurs faces extérieures respectives, tournées vers 1'anneau métallique, qui, lui-même, peut ne pas être ventilé inté -rieurement, est particulièrement économique, dans la mesure où ladite ventilation ne consomme qu'un débit d'air relativement faible, ce qui améliore d'autant le rendement global de l'ensemble de la turbine et de son compresseur. Par ailleurs, cette forme de réalisation de l'invention offre la caractéristique avantageuse suivante : la première bride radiale, la ou les brides longitudinales qui en sont solidaires, les segments en céramique, et les moyens élastiques pour appliquer lesdits segments contre la bride longitudinale, forment un ensemble unitaire, qui peut être séparé du carter de la turbine en même temps que ladite première bride radiale, c'est-a-dire par exemple en démontant la rangée de boulons qui assure normalement sa fixation au carter de la turbine. A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement au dessin annexé une forme de réalisation d'un anneau pour un rotor de turbine d'une turbomachine selon la présente invention. La figure 1 est une vue partielle, en coupe par un plan axial, d'un étage d'une turbine, muni d'un anneau de rotor selon la présente invention. La figure 2 est une vue partielle, en coupe suivant la ligne II-II de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne III III de la figure 2. La figure 4 est une vue éclatée des différents compo sants représentés en coupe axiale sur la figure 1. Sur les différentes figures du dessin annexé, on a désigné par 1A le rotor.d'un étage d'une turbine -dont est seule- ment représentée l'extrémité de 1'une des aubes- et par 3A la partie du carter de la turbine qui correspond au rotor 1A.Entre cette partie du carter 3A et le rotor 1A est disposé un anneau métallique à section évidée 5 qui, dans l'exemple de réalisation illustré, est constitué de la façon suivante : il est formé par une première bride 5v relativement épaisse, notamment plus épaisse que l'élément de carter 3A dont elle est solidaire, cette première bride 5v constituant la paroi radiale aval de l'anneau 5 ; en amont, celui-ci est délimité par une seconde bride radiale 5m dont l'épaisseur est voisine de celle de la premiere bride 5v et qui constitue l'autre paroi radiale de l'anneau 5 ; dans l'exemple de réalisation illustré, la seconde bride 5m est prolongée, du côté de son bord le plus extérieur, par une première bride longitudinale Sml qui est tournée vers l'amont et qui est appliquée contre la surface intérieure de la partie correspondante du carter 3A a laquelle ladite bride longitudinale 5ml est fixée de façon amovible, notamment par une rangée de boulons 4. La seconde bride radiale 5m est prolongée vers l'amont, en position radialement interne par rapport à la première bride 5ml par une seconde bride longitudinale 5m2 qui est destinée à être engagée dans une gorge annulaire également longitudinale, d'une pièce de raccordement au distributeur (non représenté) de l'étage considéré de la turbine.A peu près au même niveau que la seconde bride longitudinale 5m2, une troisième bride longitudinale se détache de la seconde bride radiale 5m en direction de l'aval, et elle s'étend jusqu'au niveau de la première bride radiale 5v avec laquelle elle coopère de façon à constituer la paroi intérieure 5i de l'anneau métallique 5, dont la paroi extérieure est constituée en quelque sorte par la partie correspondante du carter 3A. D'autre part, les bords les plus intérieurs des deux brides radiales 5v et 5m sont prolongés, en direction de l'axe de la turbine, en position radialement intérieure par rapport à la bride longitudinale Si, par deux organes de support à section transversale sensiblement en L, formant notamment des brides longitudinales 5v3 et 5m3 respectivement, tournées l'une vers l'autre. A l'intérieur de l'anneau métallique 5 est disposé un écran thermique annulaire, qui est constitué par la juxtaposition, suivant leurs bords longitudinaux, de segments 6 en un matériau céramique approprié, comme visible sur la vue en coupe de la figure 2. Les différents segments en céramique 6 qui constituent l'écran thermique annulaire sont assujettis à l'anneau métallique 5 par les organes de support qu'il porte intérieurement, grâce notamment à l'engagement des brides longitudinales 5v3 et 5m3 dans des gorges 6v et 6m respectivement, qui sont aménagées dans les bords de chaque segment 6 qui sont tournés respectivement vers l'aval et vers l'amont (voir les figures 3 et 4). Bien entendu, les gorges 6v et 6m doivent avoir des sections transversales adaptées à celles des brides longitudinales 5v3 et 5m3 des organes de support. Dans le plan radial passant par les bords longitudinaux jointifs, de deux segments en céramique 6 voisins l'un de l'autre, l'étanchéité est assurée par l'engagement d'une plaquette 7 dans des gorges 61, aménagées dans les bords longitudinaux, tournés l'un vers l'autre, des deux segments voisins 6 comme visible en particulier sur la vue en coupe de la figure 2. Dans la forme de réalisation considérée, on voit, en particulier sur les figures 3 et 4, que chaque plaquette d'étanchéité telle que 7 qui peut être constituée dans le même matériaù céramique que les segments 6, présente une section transversale de forme adaptée a celle des segments 6 en particulier dans l'exemple représenté une forme en X adaptée aux gorges 6v et 6m des bords aval et amont des segments 6. A titre facultatif, une couche 8 d'un matériau abradable peut avoir été déposée sur les faces internes des différents segments en céramique 6, par un procédé connu quelconque, en utilisant par exemple un pistolet à flamme plasma, ou une spatule, ou encore par brasage. Des canaux de ventilation, tels que 9.(figure 1) sont aménagés dans l'épaisseur de la seconde bride radiale 5m près de sa bride longitudinale constituant la paroi intérieure 5i de l'anneau métallique 5 t selon la présente invention, ces canaux de ventilation 9 s'étendent depuis la face extérieure de la seconde bride radiale 5m au dessus de sa bride longitudinale 5m2 jusqu'à la face de la paroi intérieure 5i de l'anneau 5 qui est tournée vers les segments en céramique 6.D'autre part, dans la forme de réalisation considérée, les faces extérieures des segments en céramique 6 sont recouvertes par une bande métallique mince 10 par exemple en clinquant, les canaux de ventilation 9 débouchant dans l'étroit intervalle entre cette bande métallique 10 et la paroi intérieure Si de l'anneau métallique 5. Les canaux 9 assurent ainsi, d'une façon très simple, la ventilation-de la surface extérieure de l'cran thermique annulaire formé par les segments en céramique 6 et notamment de la bande de clinquant qui les recouvre extérieurement.Cette ventilation efficace ne laisse passer qu'un faible débit d'air compte tenu de la faible section des canaux de ventilation 9, sans qu'il en résulte des augmentations excessives de la température de l'anneau métallique 5 et notamment des déformations très importantes de ses différents composants et cela grâce à l'écran thermique constitué par les segments en céramique 6 et dont l'ensemble constitue un anneau quasi étanche interposé entre,- d'une part, les gaz très chauds circulant dans la turbine et, d'autre part, l'anneau métallique 5. Ce faible débit amené par les canaux 9 est prélevé par des moyens connus à une pression au moins légèrement supérieure à la pression régnant dans l'enceinte balayée par les aubes de la turbine 1A. Il a pour but d'empêcher les gaz de ladite enceinte de "remonter" vers la paroi Si. notamment par des fuites éventuelles pouvant exister entre les brganes de support 5m3, 5v3 et les gorges correspondantes 6m3, 6v3 des segments cFramiques, puis dans le cas ou il y a un clinquant 10 entre ledit segment et les parois 5m et 5v. Selon la présente invention, chaque segment en céramique 6 est traversé de préférence suivant son axe radial de symétrie, par un perçage 62 (figure 4) qui débouche respectivement sur ses faces intérieure et extérieure par deux évidements, coniques ou tronconiques, 6i et 6e (figures 1 et 4). Le perçage 6p est traversé par la tige 11 d'une vis dont la tête lit est noyée dans l'évidement 6i, ladite tête ayant de préférence une face extérieure plane, comme une vis à tête fraisée, mais une base en forme de calotte sphérique qui établit un contact avec la paroi de l'évidement tronconique 6i suivant une ligne bien définie sensi- blement circulaire.La tige 11 de la vis est traversée intérieurement de fins canaux lia (figure 4) débouchant à travers la tête lit et destinés à assurer-le refroidissement de la tête de vis lit par une circulation d'air. En variante, pour assurer le refroidissement, au lieu des canaux lla, on peut prévoir sur la tête de vis lit sur la face en contact avec les gaz chauds de la veine de circulation des gaz un revêtement du type zirconate de magnésium. La tige 11 de la vis traverse également un perçage 12 de la paroi intérieure 5i de l'anneau métallique 5 puiselle traverse radialement son évidement intérieur. Sur l'extrémité filetée de la tige 11 de la vis est vissé un écrou 13 qui, par l'intermédiaire d'une coupelle 13a, serre contre la paroi intérieure 5i de l'anneau métallique 5 un ressort hélicoïdal 14.Le degré de compression du ressort hélicoïdal 14 peut être ajusté.en vissant ou en dévissant l'écrou 13 et des moyens connus peuvent être prévus pour immobiliser celui-ci dans la position choisie. Enfin une rondelle 5 enfilée sur la tige 11 de la vis est engagée dans l'évidement tronconique 6e de la face externe du segment en céramique 6, de maniée à être interposée entre la paroi dudit évidement extérieur 6e et la paroi intérieure 5i de l'anneau métallique 5.Dans la forme de réalisation considérée, il s'agit d'une rondelle épaisse dont la face tournée vers l'intérieur est de préférence en forme de calotte sphérique, de telle façon qu'elle fait contact avec la paroi de l'évidement tronconique 6e suivant une ligne bien déterminée, sensiblement circulaire, tandis que la face la plus extérieure de ladite rondelle 15 présente un épaulement cylindrique, engagé dans un évidement de forme -complémentaire aménagé dans la face de la paroi intérieure 5i qui est tournée vers l'axe de la turbine. Le ressort 14, comprimé entre la paroi intérieure 5i et la coupelle 13a exerce donc, sur la vis-écrou 11-13, une force axifuge qui est transmise à la face intérieure du segment en céramique correspondant 6 par la tige 11 de la vis et sa tête lit de façon à appliquer ledit segment 6 contre ses organes de support, notamment contre leurs brides longitudinales 5v3 et 5m3. Bien entendu, selon notamment les tolérances dimensionnelles des segments en céramique 6, et de leurs organes de support 5m3, 5v3, la force axifuge exercée par le ressort 14 peut aussi avoir pour effet d'appliquer la face la plus extérieure de chaque segment en céramique 6, ou plus précisément la bande de clinquant 10 qui la recouvre, contre la paroi intérieure 5i de l'anneau 5. La forme de réalisation précédemment décrite de l'anneau de rotor de turbine selon la présente invention offre notamment la particularité avantageuse suivante : la première bride radiale 5m ainsi que les différentes brides longitudinales qui en sont solidaires, les segments en céramique 6 ainsi que leurs plaquettes d'étanchéité 7, et les différents composants 11 à 15 qui appliquent lesdits segments 6 contre la bride longitudinale Si, forment un ensemble unitaire ou selon l'expression habituelle, submodulaire t ce dernier peut être séparé du carter 3A de la turbine en même temps que la première bride radiale 5m simplement en démontant les boulons 4.Cette disposition selon la présente invention facilite la maintenance de l'anneau de rotor, et notamment le renouvellement de la couche 8 de matériau abradable, ainsi que le réajustement de la tension des ressorts comprimés 14 à l'aide des écrous 13, qui devient éventuellement nécessaire après une certaine durée de fonctionnement de la turbine, et qui du reste peut se faire le cas échéant sans démontage de l'ensemble sub-modulaire précédemment décrit, par des trous percés en regard de chaque écrou 13, comme repré- senté sur la figure 1. La présente invention n'est pas limitée à la forme de réalisation précédemment décrite : elle englobe toutes ses variantes. La bande métallique mince 10, notamment de clinquant, est facultative ; la seconde bride radiale 5m pourrait être également solidaire du carter 3A, comme la première bride radiale 5v, ou bien cette dernière pourrait être aussi montée de façon amovible sur le carter 3A. Dans ce dernier cas, la paroi intérieure 5i de l'anneau 5 pourrait être d'une seule pièce avec les deux brides radiales 5m et 5v. Les moyens propres à assurer l'étanchéité radiale de l'écran thermique annulaire, notamment les plaquettes d'étanchéité 7, sont matières à option, notamment en ce qui concerne leur forme et le matériau qui les cons titue, qui pourrait être métallique.L'évidement tronconique 6e de la face extérieure de chaque segment en céramique 6 est facultatif ; sa suppression entraînerait évidemment celle de la rondelle 15, dont la forme, lorsqu'elle existe, est d'ailleurs matière a option. La vis ll-llt pourrait être remplacée par une tige filetée, dont une extrémité aurait été emprisonnée dans le segment en céramique 6 correspondant, lors de sa fabrication par moulage. Le ressort hélicoïdal 14 pourrait être remplacé par une lame de ressort repliée par exemple en JL, dont les deux pattes repliées prendraient appui sur la paroi intérieure 5i de l'anneau 5, et dont le sommet serait pourvu d'un trou de passage pour la tige 11 de la vis ou du tirant équivalent. Bien entendu, l'extrémité de la tige 11 de la vis, ou du tirant équivalent, pourrait être accouplée avec le ressort hélicoldal 14 ou avec la lame du ressort repliée équivalente, par tous moyens appropriés, excluant éventuellement la possibilité de réglage par l'écrou 13.Bien entendu, le ressort 14 ou l'organe élastique équivalent travaillant à la compression et placé dans.l'évidement intérieur de l'anneau 5, pourrait être remplacé par un organe élastique travaillant à l'extension, par exemple une lame de ressort, qui serait placée à l'extérieur de l'anneau métallique 5, et interposée entre sa paroi intérieure Si d'une part, et la face extérieure du segment correspondant en ceramique 6 d'autre part. I1 pourrait s'agir par exemple d'une rondelle-élas- tique dont le bord extérieur serait assujetti à la la.paroi intérieure Si, par exemple par soudage, tandis que son bord intérieur serait accouplé au segment 6 par l'intermédiaire d'une tige ayant son extrémité la plus inté-. rieure, solidaire dudit segment 6. REVENDICATIONS 1. Anneau pour un rotor de turbine d'une turbomachine, comprenant un écran thermique annulaire, forme essentiellement par des segments (6) en matériau céramique, dont les bords amont et aval présentent -des gorges (6m, 6v ) et un anneau métallique (5) a section évidée, monte à l'inté- rieur du carter (3A) de la turbine, et portant des organes de support (5m3, 5v3), adaptés pour s engager dans les gorges (6m, 6v) des segments (6) en céramique, anneau caractérisé en ce que des moyens élastiques (14) sont associes à chaque segment en céramique (6) de façon à exercer sur lui une force a:ifuge, appliquant ledit segment (6) contre l'anneau métallique (5) et/ou contre ses organes de support (5m3, 5v3). 2. Anneau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens élastiques associes a chaque segment compren nent un organe élastique tel qu'un ressort hélicoïdal (14), ou une lame de ressort convenablement.conforméep qui est loge dans l'évidement intérieur de l'anneau métallique (5), de façon à être comprimé entre sa paroi intérieure (5i) et une coupelle (13a) dgun écrou (13) visse à l'ex- trémité la plus extérieure filetée d'une tige (11), qui traverse librement ladite paroi intérieure (5i) de 1 an neau métallique (5), et dont l'extrémité la plus intérieure comporte une tête fraisée (lIt), de préférence à base en forme de calotte sphérique, noyée dans un eide- ment (6i), de préférence conique, aménagé dans la face intérieure du segment en céramique (6) que l'écrou (13), vissé sur I'extrémité de ladite vis (11), applique par le rappel de l'organe élastique (14) contre ladite paroi intérieure (5i). 3. Anneau selon la revendication 2,. caractérisé en ce qu' une rondelle (15), de préférence en forme de calotte sphérique, noyée dans un évidement (6e), de préférence conique, aménagé dans la face extérieure du segment en céramique (6), est interposée entre ledit segment (6) et la paroi intérieure (5i) de l'anneau métallique (5) avec laquelle ladite rondelle (15) coopère par exemple par des formes complémentaires. 4. Anneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les segments en céramique (6) sont également munis, sur leurs bords longitudinaux juxtaposés deux à deux, de gorges (61)a adaptees pour recevoir des plaquettes (7), qui sont conformes de manière à assurer à écran thermique annulaire une bonne étanchéité aux gaz dans toutes les directions radiales. 5, Anneau selon la revendication 4, caractérisé en ce que les plaquettes d'étanchéité (7), qui peuvent être aussi constituées en céramique, ont une section transversale de forme adaptée à celle des segments en céramique (6), en particulier une forme en X, adaptée aux gorges 6. Anneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant un anneau métallique (5) à section évidée, constitué par deux brides radiales repaisses la première bride (5v), constituant sa paroi aval, étant solidaire intérieurement du carter (3A), tandis que la seconde bride (5m), constituant sa paroi amont, est fixée intérieurement au carter (3A) de façon amovible, et est prolongée, en direction de la première bride (5v), par une bride longitudinale plus mince, constituant la paroi intérieure (5i) de l'anneau (5), des canaux de ventilation (9) étant aménagés dans l'épaisseur de la seconde bride (5m), anneau caractérisé en ce que les canaux de ventilation (9) s'étendent depuis la face extérieure de ladite seconde bride (5m) jusqu'a la face de la paroi intérieure (5i) de l'anneau (5), qui est tournée vers les segments en céramique (6). 7. Anneau selon la revendication 6, caractérisé en ce que la seconde bride radiale (au), la ou les brides longitudinales (5i) qui en sont solidaires, les segments en céramique (6) et les moyens élastiques (11 à 14) pour appliquer lesdits segments (6) contre la bride longitudinale (5i), forment un ensemble unitaire, qui peut être séparé du carter (3A) de la turbine en même temps que ladite seconde bride radiale (su). 8. Anneau selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les faces extérieures des segments en céramique (6) sont recouvertes par une bande métallique mince (10), par exemple de clinquant, les canaux de ventilation (9) débouchant dans l'étroit intervalle entre cette bande (10) et l'anneau métallique (5). 9. Anneau selon l'une quelconque des revendications- î à 8, caractérisé en ce qu'un matériau abradable (8) est porté par les faces intérieures des segments en céramique (6).