Brevet FR2608674A1 — publié le 19880624

DESCRIPTION La présente invention concerne une roue de turbine comportant des aubes en matériau céramique composite. La recherche de l'accroissement des performances dans les applications des turbomachines modernes, particulièrement dans le doma ne aéronautique, conduit à une élévation constante de températures de fonctionnement, notamment les températ:ras à l'entrée de la turbine. Ces conditions de fonctionne: nrit ont amené des développements technologiques de conception, englobant notamment toutes les adaptations concernant les solutions de refroidissement en vue d'obtenir une durée de vie acceptable des pièces mécaniques constituant la turbine et parmi celles-ci plus particulièrement en ce qui concerne les pièces les plus exposées au courant de circulation des gaz chauds, comme par exemple les aubes de rotor de turbine. Une voie parallèle de développements concerne également la mise au point de matériaux nouveaux présentant des résistances améliorées aux hautes températures tout en remplissant les fonctions mécaniques ou aérodynamiques demandées. Dans cette voie, des tentatives ont été effectuées pour l'utilisation de divers matériaux composites et en particulier à base de fibres céramiques. Quelques exemples illustrent ces techniques connues. FR-A-2 176 350 concerne une pale composite dont on décrit un mode particulier de répartition des fibres et leur disposition pour passer de la pale au pied de l'aube qui présente par exemple une forme en queue d'aronde. FR-A-2 154 050 concerne un procédé de réalisation d'une ailette de turbomachine dont la pale est composée de couches armées de fibres et dont le pied comporte des - 2 - coins durcis insérés entre les couches. FR-A-2 538 029 décrit des aubes céramiques comportant une âme métallique entourée par une enveloppe de céramique réfractaire, des dispositions de ventilation et de refroidissement interne étant associées. Un pied évasé de l'aube est rendu solidaire de l'âme centrale par une goupille de fixation. Aucune des solutions connues ne donne toutefois entière satisfaction. En effet, soit la présence de parties métalliques dans la pale fait perdre les avantages principaux attendus de l'utilisation de matériaux céramiques composites, soit des arrangements de fibres très complexes sont imposés qui entrainent des difficultés en fabrication dans l'agencement des fibres ou tissus, aussi bien dans les passages de la pale au pied de l'aube et la mise en forme de ce pied ou encore les passages, de la pale à la plateforme de l'aube. La présente invention vise à la réalisation d'aubes du genre précité en évitant les inconvénients encourus par les solutions précédemment connues. Une roue de turbine conforme à l'invention et comportant des aubes du genre précité est caractérisée en ce que l'extrémité radialement interne de pale de chaque aube est fixée dans l'alvéole coopérant du disque au niveau d'un pied d'aube constitué d'un bulbe dont les deux flancs plans latéraux présentent entre eux un angle de convergence qui ne dépasse pas dix degrés d'angle de telle sorte que les fibres céramiques continuent de la pale proprement dite au pied de l'aube sans distorsion géométrique, en ce que deux éléments en forme de coins sont disposés de part et d'autre entre les flancs du pied d'aube et de l'alvéole de disque, assurant -3- le verrouillage radial de l'aube et en ce que des éléments distincts de la pale d'aube formant plates-formes sont disposés de part et d'autre de ladite pale de manière à constituer un anneau continu délimitant la paroi interne de la veine de circulation des gaz de la turbine. Avantageusement, certains desdits éléments peuvent être réunis pour former une pièce unique. Ainsi un élément en coin et un élément de plate- forme situés du même côté d'une aube sont réunis par une échasse, ou les deux pièces ainsi obtenues entre deux aubes successives sont en outre réunies pour former une pièce monobloc en pont, ou seulement deux élements formant plates-formes entre deux aubes successives sont réunis et reliés au disque par une échasse unique, ou deux éléments en coins coopérant avec le même pied d'aube sont réunis en une pièce unique. Toutes ces dispositions selon l'invention présentent des avantages communs importants. Elles permettent l'utilisation d'un matériau céramique composite qui présente par ailleurs des résultats intéressants de résistance et de tenue en service à des températures élevées de fonctionnement ainsi que de résistance aux corrosions, de caractéristiques mécaniques et de masse pour la réalisation d'aubes présentant des profils cambrés, grâce à la dissociation, selon l'invention, entre la pale et la plate-forme qui se prêtent ainsi, chacune séparément, à la réalisation en céramique composite et en permettant également la liaison entre pale et pied d'aube par des fibres continues, non soumises à des distorsions de forme préjudiciables à une bonne tenue en service grâce à la séparation entre les fonctions aérodynamiques de la pale et des fonctions d'attache ou de rétention radiale ou de verrouillage des aubes qui sont remplies par des éléments associés, séparés du pied de l'aube, tels les éléments en forme de coins prévus par l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description qui va suivre de modes de réalisation, en référence aux dessins annexés, sur lesquels, - la figure 1 représente une vue partielle en coupe transversale perpendiculaire à son axe de rotation d'une roue de turbine selQn un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 représente schématiquement une vue de dessus d'une aube de la roue de turbine selon la flèche F de la figure 1; - les figures 3a et 3b représentent des vues schématiques en perspective de deux éléments d'attache et de plate- forme des aubes de la roue de turbine représentée à la figure 1 situés, respectivement du côté intrados et du côté extrados d'une aube; - la figure 4 représente une vue analogue à la figure 1 d'une roue de turbine selon un second mode de réalisation de l'invention; - la figure 5 représente une vue analogue aux figures 1 et 4 d'une roue de turbine selon un troisième mode de réalisation de l'invention; - la figure 6 représente une vue analogue aux figures 1, 4 et 5 d'une roue de turbine selon un quatrième mode de réalisation de l'invention; - la figure 7 représente une vue partielle schématique en coupe par un plan longitudinal contenant l'axe de rotation de la turbine de la roue de turbine représentée à la figure 6. - la figure 8 représente une vue schématique en perspec- tive d'un élément de plate-forme d'aube de la roue de turbine représentée aux figures 6 et 7. A la figure 1, une roue de turbine 1 partiellement représentée est composée d'un disque 2 et d'aubes mobiles 3 entraînées en rotation par le disque. Le disque 2 comporte sur sa périphérie et uniformémnent réparties, une multiplicité d'alvéoles 4, rectilignes, orientées axialement, dans la direction de l'axe de rotation de la roue de turbine et ayant une section en forme de queue d'aronde. Chaque aube 3 comporte une pale 3a dont le profil cambré est adapté aux fonctions aérodynamiques qu'elle doit remplir en fonctionnement et ladite pale 3a est prolongée du côté radialement interne de l'aube 3 par un pied 3b sans qu'aucune rupture de forme ne se produise dans la transition de la pale 3a au pied 3b qui se trouve en parfaite continuité. Le pied 3b de l'aube 3 est constitué d'un bulbe dont les flancs latéraux 3c et 3d sont planaires et ces plans présentent entre eux un angle de convergence a _qui peut être par exemple de cinq degrés d'angle mais qui ne doit pas dépasser dix degrés d'angle. La face inférieure dudit pied 3b d'aube comporte une encoche 5 ménagée suivant une direction axiale et au milieu de la largeur du pied 3b. Entre les flancs latéraux 3c et 3d du pied d'aube 3b et les faces 4a et 4b de l'alvéole 4 du disque 2 sont disposés des éléments en forme de coins, respectivement 6a côté extrados de l'aube 3 et 7a côté intrados de l'aube 3. A une courte distance de la périphérie du disque 2, de part et d'autre de chaque aube 3, sont disposées des plates-formes, respectivement 6b côté extrados et 7b côté intrados et ces plates-formes 6b et 7b forment un anneau qui constitue une paroi délimitant du côté radialement interne la veine aérodynamique de circulation des gaz traversant la turbine. Selon un premier mode de réalisation représenté a la figure 1, lesdits éléments en coins et les plates- formes sont reliés et solidarisés pour former une pièce unique par une échasse, respectivement, un coin 6a et une plate-forme 6b sont réunis par une échasse 6c pour consti- tuer une pièce 6, de même qu'un coin 7a et une plate-forme 7b sont réunis par une échasse 7c pour constituer une pièce 7. La figure 2 indique en vue de dessus un exemple de réalisation de profil de l'aube 3. Il en résulte une évolution de profil entre le pied d'aube 3b et la pale proprement dite 3a. Par suite, toute interférence doit être évitée entre, d'une part, les échasses 6c ou 7c et d'autre part, le profil de l'aube. L'échasse 7c du côté intrados de l'aube 3 comporte ainsi un évidement 7d, du côté bord d'attaque de l'aube et un évidement 7e, du côté bord de fuite de l'aube. De même l'échasse 6c du côté extrados de l'aube 3 comporte un évidement 6d ménagé sous la plate-forme 6b, au milieu de l'échasse. Une cale 8 est insérée entre la face inférieure du pied d'aube 3b et le fond de l'alvéole 4 du disque 2. En coopération avec les coins 6a et 7a, ladite cale 8 verrouille ainsi le pied d'aube 3b dans la direction radiale. La cale 8 comporte sur sa face supérieure un taquet 8a disposé dans le sens axial qui coopère avec l'encoche 5 de la face inférieure du pied d'aube 3b. Le taquet 8a comporte à chaque extrémité un bord replié sur la face du disque 2 assurant ainsi un verrouillage axial. Selon un second mode de réalisation représenté à la figure 4, sur laquelle les repères des éléments qui ont été conservés identiques au premier mode de réalisation sont les mêmes que ceux qui ont été utilisés ci-dessus en référence aux figures 1 à 3 et les repères des éléments analogues ont été augmentés d'une dizaine, les deux pièces constituées chacune d'un élément en coin et d'une plate-forme et situées entre deux aubes successives, respectivement l'une du côté intrados d'une aube et l'autre du côté extrados de l'aube suivante, sont réunies au niveau des plates-formes jointives pour former une pièce monobloc. On retrouve ainsi a la figure 4, le disque 2 et ses alvéoles 4, les aubes 3 et leurs pieds 3b et pales 3a, les cales 8 de verrouillage. Entre deux aubes 3 est placée une pièce intermédiaire 9 constituée d'un premier coin 17a, d'une première échasse 17c, d'un plateau unique 9a inter- aubes formant plate-forme, d'une seconde échasse 16c et d'un second coin 16a. Selon un troisième mode de réalisation représenté à la figure 5, un plateau unique 29a inter-aubes formant plate- forme est conservé mais la plate-forme est désolidarisée des éléments en coins. Le plateau 29a est ainsi supporté par une échasse unique 29c disposée en son milieu et dont l'extrémité radialement inférieure comporte un bulbe cylindrique 29b. Le bulbe 29b est placé dans un logement 24a ménagé sur la périphérie du disque 2. Dans l'alvéole 4 du disque 2, de part et d'autre du pied 3b de l'aube sont disposés les coins 26 a et 27a. Ce mode de construction impose au montage (ou démontage) que toutes les aubes et les plates-formes soient engagées (ou sorties) simultanément dans leurs alvéoles et logements respectifs. Le quatrième mode de réalisation représenté aux figures 6, 7 et 8 conserve également le plateau unique 39a inter- aubes formant plate-forme. Mais le plateau 39a est dans ce cas solidaire de deux plaques latérales de support dirigées radialement et disposées respectivement, l'une 39b du côté amont et l'autre 39c du côté aval. L'extrémité radialement interne des plaques 39b et 39c est bordée d'une collerette formant un rebord extérieur, respectivement 39d et 39e, comme cela est représenté plus en détails sur la figure 8. Deux flasques annulaires, respectivement 30 et 31, sont en appui sur lesdites collerettes 39d et 39e et deux brides 32 et 33 solidaires du rotor de turbine assurent le blocage desdits flasques et en conséquence le verrouillage axial de tous les éléments montés sur le disque 2 de turbine. En outre, selon ce quatrième mode de réalisation, les éléments en forme de coins coopérant avec un même pied d'aube 3b sont réunis en une pièce unique 35 entourant le pied d'aube 3b. De manière analogue à ce qui vient d'être décrit, deux brides telles que 32 et 33 assurent également le verrouillage axial des éléments montés sur le disque 2 de turbine dans les trois autres modes de réalisation précédemment décrits. Comme précédemment indiqué, dans les divers modes de réalisation de l'invention qui viennent d'être décrits, les aubes 3 sont réalisées en un matériau céramique composite qui peut être d'un type connu à fibres orientées et élaboré selon des techniques connues ou encore elles peuvent être réalisées en céramique à structure du genre dit "à trois dimensions" et la mise en forme peut comporter dans ce cas des usinages. Les platesformes, séparées des pales, peuvent également être réalisées en un matériau céramique composite ou en un matériau métallique du genre superalliage résistant à chaud. Dans les modes de réalisation décrits, on observe également en fonction- nement des microglissements entre les pièces d'o il résulte un amortissement des vibrations affectant les aubes. REVENDICATIONS 1 - Roue de turbine du genre composée d'un disque (2) comportant des alvéoles (4) axiales rectilignes à section en queue d'aronde, uniformément répartis sur sa périphérie et d'aubes (3) en matériau céramique composite comportant un pied verrouillé axialement dans ledit alvéole au moyen de brides respectivement en appui côté amont et côté aval caractérisée en ce que l'extrémité radialement interne de pale (3a) de chaque aube (3) est fixée dans l'alvéole (4) coopérant du disque au niveau d'un pied (3b) d'aube constitué d'un bulbe dont les deux flancs plans latéraux présentent entre eux un angle (a) de convergence qui ne dépasse pas dix degrés d'angle de telle sorte que les fibres céramiques continuent de la pale (3a) proprement dite au pied (3b) de l'aube (3) sans distorsion géométrique, en ce que deux éléments en forme de coins (6a, 7a; 16a, 17a; 26a, 27a; 35) sont disposés de part et d'autre entre les flancs du pied (3b) d'aube et les faces de l'alvéole (4) de disque, assurant le verrouillage radial de l'aube (3) et en ce que des éléments distincts de la pale (3a) d'aube formant plates-formes (6b, 7b; 9a; 29a, 39a) sont disposés de part et d'autre de ladite pale (3a) de manière à constituer un anneau continu délimitant la paroi interne de la veine aérodynamique de circulation des gaz de la turbine. 2 - Roue de turbine selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'un élément en forme de coin (6a, 7a) et un élément formant plate-forme (6b, 7b) situés du même côté de l'aube sont réunis pour former une pièce unique (6,7) dont la partie reliant le coin à la plate-forme forme une échasse (6c, 7c). 3 - Roue de turbine selon la revendication 2 caractérisée en ce que lesdites échasses (6c, 7c) comportent des évidements. 4 - Roue de turbine selon la revendication 3 caractérisée en ce que chaque échasse (7c) située du côté intrados d'une aube (3) comporte des évidements (7d, 7e) sur les bords situés respectivement du côté bord d'attaque et du côté bord de fuite de l'aube et en ce que chaque échasse (6c) située du côté extrados d'une aube (3) comporte un évidement (6d) au milieu de l'échasse (6c), sous la plate- forme (6b). 5 - Roue de turbine selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 caractérisée en ce que deux éléments formant plates-formes, situés entre deux aubes successives sont réunis en une pièce monobloc constituant ainsi une pièce en pont comportant entre les deux aubes et successivement un premier coin (17a), une première échasse (17c), une plate-forme (9a), une seconde échasse (16c) et un second coin (16a). 6 - Roue de turbine selon la revendication 1 caractérisée en ce que deux éléments formant plates-formes, situés entre deux aubes successives sont réunis en une pièce unique, ladite plate-forme (29a) étant supportée par une échasse (29c) unique disposée axialement en son milieu et dont l'extrémité en forme de bulbe cylindrique (29b) coopère avec un logement (24a) axial ménagé sur la périphérie du disque (2). 7 - Roue de turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisée en ce que la face inférieure du pied (3b) d'aube comporte une encoche (5) et en ce qu'une cale (8) est insérée axialement entre ladite face inférieure et le fond de l'alvéole (4) du disque (2) et comporte un taquet (Sa) qui coopère avec ladite encoche (5) et dont les extrémités ont respectivement un bord replié sur une face du disque (2). 8 - Roue de turbine selon la revendication 1 caractérisée en ce que deux éléments formant platesformes, situés entre deux aubes successives sont réunis en une pièce unique qui comporte un plateau (39a) inter-aubes constituant la plateforme proprement dite et deux plaques (39b, 39c) latérales de support disposées respectivement côté amont et c6té aval, comportant chacune du côté radialement interne une collerette (39d, 39e) et en ce que deux flasques (30, 31) annulaires respectivement maintenus par lesdites brides (32, 33) coopèrent respectivement avec lesdites plaques (39b, 39c) latérales et leurs collerettes (39d, 39e). 9 - Roue de turbine selon l'une quelconque des revendications 1, 7 et 8 caractérisée en ce que les deux éléments en forme de coins coopérant avec le même pied d'aube sont réunis en une pièce unique (35).