Brevet FR2574473A1 — publié le 19860613

ANNEAU DE TURBINE POUR UNE TURBOMACHINE A GAZ La présente invention concerne un anneau de turbine pour une turbomachine à gaz. Les demandes de brevets français N0 83.02.101, 83.02.102 et 83.02.103 qui ont été déposées par la Demanderesse le février 1983, ainsi que la demande de brevet français N' 77.22.513 déposée le 22 juillet 1977 par GENERAL ELECTRIC Cy, décrivent toutes des anneaux de turbine pour des turbomachines à gaz, comportant chacun un support annulaire, fixé à l'intérieur du carter de la turbine, et un anneau, qui est constitué au moins partiellement en un matériau céramique et abradable, et qui est fixé à l'inté- rieur dudit support annulaire. Dans la plupart de ces réa- lisations, le support annulaire est constitué en un maté- riau métallique, et, par suite de la grande différence existant entre les coefficients respectifs de dilatation des matériaux métalliques et des matériaux céramiques, l'anneau en matériau céramique doit être formé par des segments indépendants les uns des autres, et accouplés par leurs extrémités respectives de façon à permettre au rayon dudit anneau de suivre les variations du rayon du support annulaire, en fonction des températures différentes que prend ce dernier pour les différents régimes de fonction- nement de la turbine, on évite ainsi que l'anneau en maté- riau céramique ne soit soumis à des contraintes incompati- bles avec la résistance mécanique du matériau qui le cons- titue. La demande de brevet français N" 84.02.645, que la Demanderesse a déposée le 22 février 1984, décrit, dans son préambule, les nombreux inconvénients liés à l'emploi d'un anneau en matériau céramique, constitué par la juxta- position de plusieurs segments. Il y est en outre indiqué que ces inconvénients peuvent être palliés en constituant également le support annulaire en un matériau céramique, et en réalisant l'anneau abradable d'une seule pièce. Dans une forme de réalisation préférée de l'anneau de turbine décrit dans cette dernière demande de brevet français, le dimensionnement est en outre tel que le support annulaire exerce, à froid, sur l'anneau abradable, une précompres- sion déterminée de manière à s'annuler ou à s'inverser à la température de fonctionnement normal de la turbine. Cette technique antérieure permet donc-déjà d'éviter d'a- voir à établir des liaisons métallurgiques entre deux pièces constituées l'une en un matériau métallique et l'autre en un matériau céramique; en effet, les liaisons entre l'anneau abradable et son support annulaire sont assurées, selon cette technique, par des vis radiales, vissées dans des inserts retenus dans les anneaux abra- dables. La complexité relative de cette structure est com- pensée par la facilité qu'elle procure, de démonter l'an- neau, par exemple en vue du remplacement de sa partie abradable. D'autre part, dans plusieurs des demandes de brevets antérieures, qui ont été précédemment mentionnées, des moyens sont prévus pour régler la température des compo- sants de l'anneau de turbine, ces moyens comportant par exemple une circulation d'air de refroidissement en prove- nance du compresseur de la turbine. Ces moyens de refroi- dissement sont généralement prévus de façon à agir indis- tinctement sur les deux composants principaux de l'anneau de turbine, à savoir son support annulaire et son ou ses éléments en matériau céramique abradable. Par suite, le gradient de température entre les faces intérieure et extérieure de l'anneau abradable, par exemple, est très important, et donne naissance dans celui-ci à des con- traintes, qui peuvent réduire sa durée de vie. L'anneau de turbine selon la présente invention comporte également un support annulaire, monté à l'intérieur du carter de la turbine, un anneau d'une seule pièce, en un matériau céramique abradable, monté à l'intérieur dudit support annulaire, et dimensionné de manière que ce der- nier applique audit anneau, tout au moins à froid, une compression axipète, ainsi que des moyens de réglage de la température des composants de l'anneau de turbine, compor- tant par exemple une circulation d'air de refroidissement en provenance du compresseur de la turbine. L'anneau de turbine selon la présente invention est caractérisé en ce que son diamètre intérieur est ajusté à l'aide, des moyens de réglage de la température du support annulaire métal- lique seul et en ce que le support annulaire exerce une compression axipete appropriée sur l'anneau abradable à tous les régimes de fonctionnement, compte-tenu de la température des pièces, à partir du montage initial en précontrainte dudit anneau sur le support annulaire. Comme seul le support annulaire de l'anneau de turbine selon la présente invention est refroidi, Le gradient de température entre les surfaces intérieure et extérieure de l'anneau abradable est relativement faible, ce qui évite l'apparition, dans celui-ci, de contraintes susceptibles de réduire sa durée de vie. Par contre, le gradient de température dans la direction radiale, à l'intérieur du support annulaire, est très important, mais, comme ce sup- port est métallique, il encaisse facilement les con- traintes thermiques qui en résultent. D'autre part, les moyens de réglage de la température du support annulaire peuvent être aisément contrôlés, selon la présente inven- tion, par exemple en contrôlant automatiquement le débit de l'air de refroidissement dudit support annulaire, de manière que, à tous les régimes de fonctionnement de la turbine, c'est-à-dire aussi bien en régime permanent qu'aux différents r&gimes transitoires, l'anneau en matériau céramique abradable soit toujours soumis à une compression axipète, produite par le support annulaire, qui joue ainsi le rôle d'une frette. Ceci évite que, dans certaines conditions de fonctionnement de la turbine, S l'anneau en matériau céramique ne soit le siège de con- traintes de traction ou de tension, susceptibles de dété- riorer sa cohésion et, en tout cas, de réduire sa durée de vie. On sait, en effet, que la plupart des matériaux céra- miques résistent mal aux contraintes de traction ou de tension. La structure particulière de l'anneau de turbine selon la présente invention offre en outre l'ayantage sup- plémentaire suivant: le diamètre intérieur de l'anneau abradable peut être ajusté à l'aide des moyens de réglage de la température du support annulaire, c'est-à-dire, par exemple, en faisant varier le débit de l'air de refroidis- sement correspondant et l'ajustage de l'intervalle entre l'anneau et les extrémités des pales du rotor correspon- dant de la turbine en est la conséquence. Cette possibi- lité avantageuse, qui résulte de la structure de l'anneau de turbine selon la présente invention, est particulière- ment avantageuse, dans la mesure o elle permet d'adapter l'intervalle mentionné au régime instantané de fonctionne- ment de la turbine; on sait en effet que l'intervalle mentionné doit avantageusement présenter des valeurs dif- férentes aux différents régimes, permanent ou transi- toires, de la turbine. La demande de brevet britannique antérieure, publiée sous le N' 2 047 354, décrit certes un anneau de turbine dont le diamètre intérieur, et par suite son intervalle avec les extrémités des pales du rotor correspondant, peuvent être ajustés par des moyens de réglage de la température de cet anneau, comportant une circulation intérieure, et éventuellement aussi extérieure, d'air de refroidissement. Cet anneau de turbine, antérieurement connu, doit présen- ter pour cela une structure interne très complexe. La circulation intérieure d'air y est établie grâce à des conduits radiaux, qui traversent le carter de la turbine, et sur les extrémités intérieures desquels l'ensemble de l'anneau est monté de façon à pouvoir coulisser radiale- ment lorsque ledit anneau se dilate ou se contracte. En raison de sa complexité, cette réalisation antérieure s'écarte considérablement de l'anneau de turbine selon la présente invention. Dans une forme de réalisation préférée de l'anpeau de tur- bine selon la présente invention, la compression axipète est transmise par le support annulaire à l'anneau abra- dable, par l'intermédiaire d'éléments à faible conduction thermique, par exemple à section transversale réduite; ces éléments peuvent être constitués par exemple par des saillies radiales de l'une des surfaces, tournées l'une vers l'autre, du support annulaire et de l'anneau abra- dable. Ces dispositions ont évidemment pour résultat de réduire encore le gradient de température entre les sur- faces intérieure et extérieure de l'anneau abradable, en - réduisant considérablement les échanges thermiques entre sa surface extérieure et la surface intérieure, tournée vers elle, du support annulaire. Ceci diminue encore les contraintes d'origine thermique à l'intérieur de l'anneau abradable. Selon une autre caractéristique, facultative, mais avanta- geuse, de l'anneau de turbine selon la présente invention, son support annulaire peut être encastré à frottement doux entre deux brides radiales, fixées à la paroi interne du carter de la turbine, et des moyens, comportant par exem- ple des pions coopérant avec des glissières, sont prévus pour immobiliser axialement et en rotation, et pour guider radialement ledit support annulaire en maintenant son centrage, lorsque le support annulaire se dilate ou se contracte. Cette disposition est particulièrement avan- tageuse dans la mesure o elle permet de faire varier le diamètre intérieur de l'anneau abradable, et, par suite, son intervalle avec les extrémités des pales du rotor, entre de larges limites, par exemple en faisant varier le débit de l'air de refroidissement, sans que la position géométrique de l'anneau, par rapport au rotor correspon- dant, cesse d'être définie avec la précision nécessaire pour maintenir coaxiaux ledit anneau et ledit rotor. A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement aux dessins annexés une forme de réa- lisation d'un anneau de turbine selon la présente inven- tion, pour une turbomachine à gaz ainsi qu'une variante s'appliquant à cette forme de réalisation: - la figure 1 est une vue partielle, en coupe par un demi- plan axial, du carter d'une turbine, muni d'un anneau selon la présente invention, - la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 selon laquelle l'anneau comporte une variante. Sur la figure 1, on a désigné par 1 une partie du carter d'une turbine à gaz, et par 2A et 2B, deux brides radia- les, qui sont fixées à la paroi interne du carter 1 par tous moyens appropri&s, par exemple par des boulons 3A et 3B. Entre les brides 2A et 2B est monté un anneau de tur- bine la. 4 d&signe l'extrémité d'une pale d'un rotor de la turbine à gaz considérée, dont les autres éléments n'ont pas été illustr&s. Ce rotor est entouré par un anneau d'une seule pièce, 5, qui est constituée en un matériau céramique, abradable, qui doit être choisi de la façon suivante: il doit résister à des temp&ratures au moins égales à 1000 C et présenter des coefficients de conduc- tion et de dilatation, inférieurs a ceux des matériaux constituant les autres parties de la turbine; il doit présenter en outre une bonne résistance à l'érosion sous l'action des gaz à température élevée et être abradable. On connaît différents types de matériaux céramiques abra- dables qui satisfont à ces exigences, et qui peuvent être utilisés pour constituer l'anneau 5 selon la présente invention. Dans cette forme de réalisation, la surface extérieure, cylindrique, de l'anneau abradable 5, est lisse, et elle est en contact direct avec la surface intérieure d'un support annulaire métallique 6, qui peut être constitué- par exemple par deux pièces annulaires, 6a et 6b. Dans cette forme de réalisation, la partie intérieure, 6b, du support annulaire 6, est en contact avec la surface ext&- rieure cylindrique, 5a, de l'anneau abradable 5, non pas par une surface cylindrique, mais par des sortes de picots 6c, dont la somme des sections transversales -perpendicu- laires au plan axial de la figure- est notablement infé- rieure a l'aire de la surface extérieure 5a de l'anneau abradable 5. Ces picots 6c, qui forment des saillies radiales sur la surface intérieure du support métallique 6, tournée vers la surface extérieure 5a de l'anneau abradable 5, constituent des éléments à faible conduction thermique, réduisant les échanges thermiques entre les composants 5 et 6. Selon la présente invention, le support annuiaire 6 présente, à froid, un diamètre int6rieur un peu inférieur au diamètre extérieur de l'anneau abradable 5, et il doit être préalablement chauffé pour pouvoir être enfilé par dessus l'anneau abradable 5, resté froid; en se refroi- dissant, le support annulaire 6 exerce une compression axipète sur l'anneau abradable 5, à la façon d'une frette. L'ensemble-est dimensionné initialement en tenant compte des températures auxquelles les pièces 5 et 6 sont portées aux différents régimes, permanent et transitoires, de la turbine à gaz, de telle sorte que le frettage de l'anneau par le support annulaire 6, subsiste à tous les régimes de fonctionnement de ladite turbine, c'est-à-dire-que, aussi bien en régime permanent qu'aux différents régimes transitoires, le support annulaire 6 ne cesse pas d'exer- cer une compression axip'te sur l'anneau abradable 5. Ceci évite que le matériau céramique constituant l'anneau abra- dable 5 ne soit soumis, au moins dans certaines conditions defonctionnement de la turbine, à des contraintes de traction ou de tension, susceptibles d'affecter la cohé- sion de ce matériau céramique, et de réduire la durée de vie de l'anneau 5. Selon la présente invention, on a prévu seulement des moyens de réglage de la température du support annulaire, métallique, 6, notamment, dans la réalisation considérée, sous la forme d'un circuit d'air de refroidissement, cons- titué de la façon suivante: une chambre annulaire de dis- tribution, 7, est délimitée par le carter 1 de la turbine et par les parois d'un canal annulaire 6d, aménagé dans le support annulaire 6, de façon à s'ouvrir sur sa surface extérieure; de l'air de refroidissement, amené du com- presseur -non représenté- de la turbine par des moyens connus, également non représentés, pénètre dans la chambre de distribution 7 par une ouverture 8 du carter 1. A peu près parallèlement à la surface intérieure du support annulaire 6, sont disposées, à l'intérieur de celui-ci, des cavités, 9a, 9b, qui communiquent entre-elles par un conduit 10, et qui sont alimentées en air de refroidis- sement, à partir de la chambre de distribution 7, par des canaux 11, à section fermée, aménagés dans le support annulaire 6. Pour faciliter la fabrication de ce dernier, celui-ci peut être formé, comme on l'a déjà indiqué, par deux éléments annulaires, 6a et 6b, dont la surface cylin- drique de raccordement passe par les cavités 9a, 9b et par le canal 10; c'est donc dans la partie la plus inté- rieure, 6B, que sont aménagés les picots 6c, ainsi qu'au moins un ergot 6e, qui vient s'engager dans une entaille de forme complémentaire de l'un des bords de l'anneau abradable 5, pour immobiliser les deux pièces 5 et 6 en rotation l'une par rapport à l'autre. L'air de refroidis- sement, qui a traverse les cavités 9a et 9b, s échappe ensuite par des conduits d'évacuation 12, une chambre annulaire collectrice 13 et une ouverture 14 du carter 1, pour être renvoyé dans le flux secondaire de la turbine, ou réutilisé pour d'autres ventilations (par exemple dis- tributeur BP). Par ailleurs, le support annulaire 6 est encastré à frot- tement doux entre les deux brides radiales 2A et 2B, qui sont fixées à la paroi interne du carter 1 de la turbine. Dans la forme de réalisation illustrée, au moins trois glissières 15 sont aménagées dans la bride 2A pour guider radialement chacune un pion 16, fixé à la surface frontale correspondante du support annulaire 6; de même, au moins trois glissières 17 sont aménagées dans la partie gauche du support annulaire 6, et un pion 18, de diamètre corres- pondant, est fixé à la surface correspondante de la bride 2B et engagé dans chaque glissière. Grâce à ces disposi- tions, les déplacements du support annulaire 6, et de l'anneau abradable 5, par rapport aux brides 2A et 2B, qui sont dus aux dilatations ou aux contractions des pièces 5 et 6, sont guides radialement par la coopération des pions tels que 16 et 18, avec les glissières telles que 15 et 17, de façon à maintenir les anneaux 5 et 6 exactement coaxiaux au rotor correspondant de la turbine; ceci est indispensable pour que l'intervalle e entre la surface intérieure, cylindrique, de l'anneau abradable 5, d'une part, et la surface cylindrique balayée par les extrémités des pales 4 du rotor de la turbine, d'autre part, présente la méme largeur, appropriée, en tous les points, aussi bien dans la direction axiale que dans la direction péri- phérique. La coopération des pions tels que 16 et 18, avec des glissières telles que 15 et 17, assure en outre l'im- mobilisation en rotation des anneaux 5 et 6 par rapport au carter 1, tandis que les brides radiales 2A et 2B assurent leur immobilisation dans la direction axiale.* Un joint annulaire 19 est monté dans un logement annulaire de la bride 2A, pour assurer l'étanchéité entre celle-ci et la face correspondante du support annulaire 6, malgré les déplacements relatifs de ces deux éléments dans la direction radiale. Un autre joint annulaire, 20, assure l'étanchéité entre la chambre de distribution de l'air de refroidissement 7, et la chambre collectrice 13; ce joint 20 est logé dans une rainure annulaire d'une saillie radiale 21, aménagée sur la face interne du carter 1, en regard d'une saillie radiale, 6f, qui forme l'une des pa- rois latérales du canal 6d. Lors du fonctionnement de la turbine, la surface inté- rieure de l'anneau abradable 5, tournée vers les extré- mités de pales 4 du rotor, est portée par exemple à une température de l'ordre de 1200OC; comme aucun moyen de refroidissement de l'anneau abradable 5 n'est prévu selon la présente invention, sa surface extérieure 5a se trouve alors à une température voisine de 900OC, si bien que ledit anneau abradable 5 n'est soumis qu'à un gradient thermique- relativement faible, qui ne peut y engendrer que des contraites thermiques insuffisantes pour nuire à la cohésion du matériau céramique qui le constitue. Par contre, il existe un gradient thermique très important entre les picots 6c du support annulaire 6 et le carter 1, mais les contraintes thermiques auxquelles il peut donner lieu sont facilement encaissées par le matériau métallique constituant ledit support annulaire 6, d'autant mieux que la masse de ce dernier est refroidie à coeur par l'air qui traverse les canaux 10 et 11 et les cavités 9a et 9b; ces dernières peuvent être en particulier disposées de façon à former une sorte d'écran thermique entre la partie, 6b, du support annulaire 6, qui est la plus intérieure, donc la plus chaude, et sa partie la plus extérieure, 6a. D'autre part, en faisant varier le débit de l'air de refroidisse- ment qui est envoyé à travers l'ouverture 8 du carter 1, il est possible de régler la température du support annu- laire 6 sans modifier celle de l'anneau abradable 5. On peut ainsi faire varier le diamètre intérieur du support annulaire 6 et, par suite, la compression axipète de l'anneau abradable 5, et, donc, son diamètre intérieur et la largeur de l'intervalle e. pour l'adapter aux diffé- rents régimes de fonctionnement de la turbine, comme on l'a déjà indiqué précédemment. Pour obtenir une forte amplitude des variations possibles du diamètre intérieur du support annulaire 6, et par suite de l'intervalle e. il est opportun de constituer ledit support annulaire 6 avec un matériau métallique présentant un coefficient de dila- tation compris par exemple entre 10 et 20.10-6oC-1. Par contre, on peut utiliser, pour constituer l'anneau abradable 5, un matériau céramique présentant un coeffi- cient de dilatation relativement faible et/ou un temps de réponse aux transitoires thermiques, très supérieur à celui du matériau métallique constituant le support annu- laire 6. La présente invention n'est pas limitée à la forme de réalisation précédemment décrite. Elle englobe toutes ses variantes, dont quelques-unes seulement vont être indi- quées ci-après, à titre d'exemples non limitatifs. Les moyens pour guider axialement les déplacements radiaux du support annulaire 6, dus à ses dilatations ou à ses contractions, sont susceptibles de diverses réalisations, différentes de celle précédemment décrite. La constitu- tion du circuit de refroidissement du support annulaire est matière à option. Le nombre et la disposition des cavités telles que 9a et 9b peuvent varier; elles sont cependant aménagées de préférence de façon à constituer un ou plusieurs barrages thermiques au voisinage de la sur- face intérieure du support annulaire 6. Les picots 6c pour- raient se trouver au contact de picots analogues, aménagés dans la surface extérieure de l'anneau abradable 5; d'au- tres moyens pourraient être utilisés pour réduire la con- duction thermique entre les-pièces 5 et 6, par exemple l'interposition d'isolants thermiques. Les picots tels que 6c pourraient eux-mêmes recevoir une protection thermique extérieure, par exemple sous la forme d'une projection de zirconatede magnésium. Selon une autre variante,une ven- tilation est prévue sur l'interface métal/céramique dans le cas-o sa température dépasserait la limite admissible pour le matériau de la frette. Un mode de réalisation de cet aménagement est représenté sur la figure 2 et dans ce cas on évite l'effet de poinçonnage de la céramique par les picots, tout en assurant une barrière thermique effi- cace. Une paroiconique 21 dont l'étanchéité avec l'anneau la est assurée au moyen d'un joint 22 est disposée en amont dudit anneau la et canalise un air de ventilation. La partie radialement interne de la partie intérieure 6b du support annulaire 6 comporte une série de rainures circulaires 23 constituant des cavités annulaires dispo- sées axialement et fermées sur leur diamètre interne par une couronne 24 de faible épaisseur rapportée par exemple par brasage sur le support annulaire 6. Les rainures 23 commu- niquent par des fraisages axiaux 25. Le support annulaire 6 comporte sur sa face latérale amont une série de per- çages 26 par lesquels est amené l'air de ventilation dans le circuit des rainures 23. A l'interface entre le support annulaire 6 et l'anneau 5 un passage 27 est ménagé du côté aval pour l'évacuation de l'air ayant circulé dans les rainures 23. Les moyens de réglage de la température du support annu- laire métallique 6, au lieu de comporter un circuit d'air de refroidissement, pourraient par exemple comporter un circuit de liquide de refroidissement, ce liquide subis- sant ou non un changement d'état dans la zone à refroidir. REVENDICATIONS 1. Anneau de turbine pour une turbomachine à gaz, compor- tant un support annulaire (6) monté à l'intérieur du carter (1) de la turbine, un anneau d'une seule pièce (5), en un matériau céramique abradable, monté à l'intérieur dudit support annulaire (6), et dimensionné de manière que ce dernier (6) applique audit anneau (5), tout au moins à froid, une compression axipète, ainsi que des moyens de réglage de la température des composants de l'anneau de turbine comportant par exemple une circulations d'air de refroidisssement, en provenance du compresseur de la tur- bine, caractérisé en ce que le diamètre intérieur dudit anneau de turbine (la) est ajusté à l'aide des moyens de réglage de la température du support annulaire métallique (6) seul et en ce que ledit support annulaire (6) exerce une compression axipète appropriée sur l'anneau abradable (5) à tous les régimes de fonctionnement, compte tenu de la température des pièces, à partir du montage initial en précontrainte dudit anneau (5) sur le support annulaire (6). 2. Anneau de turbine selon la revendication 1, caractérisé en ce que la compression axipète est transmise par le sup- port annulaire (6) à l'anneau abradable (5) par l'intermé- diaire d'éléments à faible conduction thermique, par exemple à section transversale réduite, ces éléments pou- vant être constitués par exemple par des saillies radiales (6c) de l'une des surfaces, tournées l'une vers l'autre, du support annulaire (6) et de l'anneau abradable (5). 3. Anneau de turbine selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce qu'un circuit pour l'air de refroidissement est prévu seulement dans le support annulaire (6), ce circuit comprenant par exemple une cham- bre annulaire de distribution (7), délimitée par le carter (1) de la turbine et par un canal annulaire (6d), formé dans le support annulaire (6) et s'ouvrant dans sa surface extérieure, des cavités (9a, 9b) am&nagées dans le support annulaire (6) près de sa surface intérieure, des perçages (11) faisant communiquer lesdites cavités (9a, 9b) avec ladite chambre de distribution (7), et au moins un conduit (12) adapté pour- &vacuer l'air desdites cavités (9a, 9b). 4. Anneau de turbine selon l'une quelconque de revendica- tions i à 3, caractéris& en ce que le support annulaire (6) est encastré à frottement doux entre deux brides radiales (2A, 2B), fixées à la paroi interne du carter (1) de la turbine, et que des moyens, comportant par exemple des pions (16, 18) coopérant avec des glissières (15, 17), sont prévus pour immobiliser axialement et en rotation, et/ou guider radialement ledit support annulaire (6) en maintenant son centrage, lorsque le support annulaire (6) se dilate ou se contracte. 5. Anneau de turbine selon la revendication 1 caractérisé en ce que le support annulaire (6) comporte le long de son interface avec l'anneau abradable (5) des cavit&s annu- laires axialement réparties, constituées par des rainures circulaires (23) communiquant par des fraisages axiaux (25) et fermées sur leur diamètre interne par une couronne rapportée (24) de faible épaisseur, des perçages (26) pra- tiqués dans la partie amont du support annulaire (6) et débouchant latéralement amenant l'air de ventilation dans les rainures (23) et un passage (27) étant aménagé en aval pour son évacuation.