Brevet FR2617538A1 — publié le 19890106

La presente invention a trait a un carenage qui entoure en cours d'utilisation les extrémités d'un étage d'aubes de turbine dans un moteur à turbine à gaz. Un problème omniprésent que rencontrent les concepteurs de structures de turbine pour moteur a turbine a gaz, est les caractéristiques relatives des pièces formant la structure de turbine en matière de comportement thermique. En effet des pièces qui- sont constituées par le même type de matériau, peuvent manifester des expansions thermiques differentes parce que certaines de ces pfeces 1 0 fonctionnent à une température plus élevée que les pièces restantes. Par ailleurs, certaines de ces pièces peuvent tourner à une vitesse élevée de sorte que la force centrifuge ainsi créée accroît la différence des changements de talle entre les pieces en rotation et celles qui sont statiques. Des tentatives ont été faites en vue de réaliser un assemblage de pièces dans lequel le matériau formant certaines pièces fixes manifeste des caracteristiques de comportement thermique qui diffèrent de celles des pièces en rotation. Ainsi, du fait de l'environnement local dans lequel elles travaillent, ces pièces fixes peuvent se dilater et se contracter d'une façon adaptée aux mouvements correspondants des pieces en rotation Toutefois cela présente l'inconvénient suivant: là o les pièces de différentes caractéristiques thermiques sont fixées entre elles, des contraintes inacceptables se développent dans le joint. La presente invention vise a fournir un carénage améliore d'aubes de turbine. Conformément à la présente invention, un carénage d'aubes de moteur à turbine à gaz comprend un anneau lié de façon lâche aussi bien axlalement que radialement à la structure fixe du moteur, ledit carenage d'aubes de turbine comprenant plusieurs segments ayant des côtés jointifs, chacun d'eux étant accroché à une face radiale dudit anneau et pouvant bouger par rapport à ladite structure fixe tout en évitant les fuites de gaz, et dans lequel l'anneau est realise dans un materiau dont les caractéristiques de réaction thermique sont plus lentes que celles du matériau de la structure fixe. 2 26 17538 La structure fixe comprend de preféerence un rebord et inclut une gorge annulaire interne. De même chaque segment du carenage est muni d'une portion faisant saillie en amont qui pénètre à-l'intérieur de ladite gorge de sorte qu'un mouvement radial.relatif peut avoir lieu entre eux afin d'obstruer le passage des gaz en cours de fonctionnement L'anneau est de préférence lié de façon lâche dans la direction radiale au moyen de chevilles allongées qui font saillie sur la face aval du rebord et sont placées avec jeu à l'intérieur de gorges complementaires creusees dans l'anneau Les- chevilles allongées et les gorges complémentaires peuvent avoir une section rectangulaire. L'anneau est de préférence lié de façon lâche dans la direction axlale en ayant une longueur axiale qui est inférieure aux longueurs faisant saillie des chevilles allongées et en serrant un autre anneau a leurs extrémités. L'autre anneau peut corriprendre sur sa partie cylindrique -un rebord tourne vers l'lnterieur dont la portion cylindrique passe par- dessus les chevilles allongées et s'engage en coulissant à l'intérieur d'une autre partie cylindrique qui est fixée au carter extérieur de la turbine. Chaque segment du carénage d'aubes est de préféerence accroché par des clavettes disposées sur une face radiale dudit anneau. Chaque segment de carénage d'aubes peut accueillir un joint d'étanchéité vis-à-vis des gaz qui ferme l'interface entre les côtés adjacents de paires de carenages et s'emboite dans des fentes opposees L'invention va à présent être décrite au moyen d'exemples et en faisant référence aux dessins joints dans lesquels: - la figure I est une vue schématique d'un moteur à turbine à gaz qui lntegre une forme de realisation de la présente invention, - la figure 2 est une vue partielle grossie de la portion de la turbine montrée sur la figure 1, - la figure 3 est une vue en perspective de la figure 2 et, - la figure 4 est une vue partielle de la figure 3 regardee selon la direction de la flèche 4, - la figure 5 est une autre forme de réalisation de la présente invention. 3 2617538 Conformement a la figure 1, un moteur 10 a turbine a gaz comprend en série dans le sens de l'ecoulernent un compresseur 12, un système de combustion 14, une section de turbines 16 et une tuyère 18 d'éjection. Le systeme 14 de combustion se jette dans une buse 20 de décharge qui comporte une série périphérique d'ailettes 22 guides de tuyère qui forment une partie de la structure fixe. Les ailettes 22 guides ont un carénage 24 annulaire commun qui comporte un rebord 26 annulaire. Le moteur 10 est contenu dans un carter 28 qui est constitué par plusieurs cylindres alignés axialement et/ou par des portions de tronc de cône qui se sont pas identifiés individuellement. D'après la figure 2 a présent, un anneau 30 est cale en 32 par un ergot contre la face aval du rebord 26 du carénage de l'ailette guide Une lèvre 32 interne radiale solidaire de l'anneau 30 collabore avec une portion interne radiale de la face aval du rebord 26 afin de définir unrie - gorge 34 s'ouvrant radlalement vers l'ilntérieur La portion extérieure de la face aval de l'anneau 30 comporte plusieurs réserves 36 peu profondes, séparées d'un angle égal et creusées dedans. Les réserves 36 ont une forme carrée et chacune reçoit une extremité d'un barreau 38 associe qui admet egalement une forme correspondante de sa section et qui s'ajuste étroitement à l'intérieur de sa réserve 36 correspondante. Cela peut être vu plus clairement sur la figure 3. Toujours conformément à la figure 2, un anneau 40 de contrôle comporte un épaulement 42 annulaire sur sa face amont et des gorges 44 de même nombre et placées de la même façon que les barreaux 38 disposés sur son pourtour extérieur. Quel que soit le matériau utilisé pour la structure décrite ici, le matériau constituant l'anneau 40 de contrôle devrait être tel que ses caractéristiques de réaction thermique soient différentes, correspondant à une réaction plus lente aux changements de température. Dans l'exemple présent, le matériau constituant la structure qul supporte l'anneau 40 de contrôle est connu sous le nom de marque N 80A. C'est un alliage à base de nickel. L'anneau 40 de contrôle est en revanche du N. 907 (marque), également un alliage à 4 2617538 base de nickel, mais différent par la nature et la quantite de ses constituants mineurs. L'anneau 40 de contrôle est placé contre l'anneau 30 en alignant les gorges 44 avec les barreaux 38 et en déplaçant l'anneau 40 5. vers l'anneau 30. L'importance des dimensions des gorges 44 par rapport à celle des barreaux 38 est telle qu'un mouvement relatif limité est garanti dans la direction radiale, En outre, l'épaisseur axiale de l'anneau. est clhoisie par rapport aux longueurs des barreaux 38 de façon à permettre un mouvement axial relatif limite entre l'anneau 40 et les barreaux 38 une fois qu'un anneau 46 de blocage est fixé aux extrémités aval des barreaux 38. La fixation est réalisée au moyen de systèmes 48 d'écrous et de boulons dans lesquels les boulons 50 passent au travers de l'ensemble du rebord 26, de l'anneau 30, des barreaux 38 et de l'anneau 46 de blocage. L'anneau 40 de contrôle se trouve ainsi assujetti de façon lâche sur le reste de l'ensemble. Des ergots 51 qui sont créés lorsque l'épaulemrent 42 est forme dans l'anneau 40 de contrôle, sont menages localement afin de fournir des passages 52 à l"écoulement de l'air de refroidissement. Ces derniers peuvent être vus plus précisément sur la figure 3. A nouveau d'après la figure 2, une face 54 faisant face à l'amont sur l'anneau 40 de contrôle comporte plusieurs paires de clavettes 56 placées à égale distance les unes des autres et faisant saillie sur cette face. Ainsi sur chacune est accrochée une paire de segments 58 de carénage d'aubes de turbine au moyen de paire de supports 60 Le côté principal de chaque carénage 58 comporte un rebord 62 tourné radialement vers l'extérieur qui présente des pieds droits 64 sur ses faces amont et aval. Le rebord 62 se trouve dans la gorge 34 et collabore au moyen des pieds droits 64 avec ses parois afin de maintenir les fuites des gaz de turbine depuis l'annulaire 66 de turbine jusqu'à la surface externe de la structure de carénage à un niveau aussi faible que possible. L'extremite aval de chaque segment 58 de carénage comporte une gorge 68 axiale dans laquelle est placée l'extrémité d'un cylindre 70 muni d'un rebord. Le cylindre 70 muni d'un rebord est de son côté placé 2617538 dans une gorge annulaire pratiquee dans la structure 76 fixe et s'ouvrant radialement vers l'intérieur par l'intermédiaire de son rebord 72. La surface radialement intérieure de chaque segrment 58 de carénage est revêtue d'un matériau 78 abrasif selon une forme (lde réalisation connue. Et les segments 58 de carénage entourent un etage d'aubes 80 de turbine dont seulement la partie radialement extérieure est montrée sur la figure 2. Conformément aux figures 3 et 4, a présent, des fentes 78 sont prevues dans les côtés lateraux de chaque segment 58 de carénage et des joints d'étanchéité (non représentés) y sont placés de façon connue. C'est-àdire que chaque joint d'étanchéité (non représenté) admet une longueur égale à celle des fentes 78 associées. Ils sont placés entre les côtes adjacents des segments 58 adjacents et rernplissent ainsi un petit espace (non représenté) entre ces côtés adjacents. 1 5 En cours de fonctionnement du moteur 10 à turbine à gaz, sous l'effet de l'accélération du disque 82 de la turbine (figure 1) en rotation et de l'augmentation de température qul en resulte, le disque 82 et les aubes 80 s'allongent dans toutes les directions radiales par rapport à l'axe de rotation de l'ensemble. La structure 26 et 30 qui est affectée par la chaleur produite par les gaz chauds qui s'écoulent le long des ailettes guides (non representees) qui sont entourées par le carénage 26, s'expanse également radialement de même que l'anneau 40 de contrôle. Toutefois la structure 26 et 30, étant constituée par un matériau qui réagit plus rapiderment aux changements thermiques que ne le fait le materiau formant l'anneau 40 de contrôle, s'expansera plus que l'anneau de contrôle 40. Le fait que l'anneau 40 de contrôle soit lié de façon lâche à la structure 26, 30, et 38, garantit toutefois l'absence de contraites se developpant entre eux. 30. L'expansion initiale du disque 82 de turbine et des aubes 80 qui lui sont associées, est rapide tandis que l'expansion de l'anneau 40 de contrôle et, par conséquent, le mouvement vers l'extérieur des segments 58 de carénage d'aubes sont relativement lents Il s'ensuit que les bouts des aubes 80 sont encrassés par la garniture 72 abrasive et que les bouts originels des aubes sont rabotés. L'intensité de l'usure est plus imiportante au début du fonctionnement du moteur servant à G6 26 617538 propulser par exemple un avion De plus l'usure decrite cl-dessus a lieu durant le décollement de l'avion correspondant. Lors de la régulation du moteur pour parvenir en régime de croisière, à la fois la température des gaz et les forces centrifuges diminuent ce qul a pour consequence que la structure 26 et 30 ainsi que le disque et les aubes 82, 80 se contractent radialement vers l'intérieur. L'anneau 40 de contrôle se contracte également radialement vers l'intérieur, mnais de façon plus lente que la structure sus- mentionnee Par consequent la collision entre les segments 58 de carénage d'aubes et les bouts des aubes 80 est évitée de même que toute usure supplémentaire. Le recours à l'anneau 40 de contrôle de la présente invention tel qu'il est décrit cl-dessus, garantit qu'apres l'usure initiale des bouts des aubes 80 lors de leur expansion pendant l'accélération du moteur o10 et l'établissement des conditions de croisière, l'espace annulaire résultant qui alors existe entre les bouts des aubes 82 et la garniture 78 abrasive, est maintenu a un minimum. La consommation specifique en carburant du moteur 10 est ainsi améliorée. Le mouvement des segments 58 de carénage dans les directions radiales peut être d'ensemble ou pivotant. Si le mouverment est d'ensemble, alors l'anneau 70 muni d'un rebord se deplacera aussi dans son ensemble et son rebord 72 glissera dans la gorge 74. Si le mouvement est pivotant, alors les segments 58 de carénage pivoteront autour de leurs extrémités aval, c'est-à-dire autouf de l'anneau 70 engage dans la gorge 68 Les proportions dans les dimensions de l'anneau 40 de contrôle par rapport à celles de la structure support 26, 30 et 38 seront calculées en prenant en compte leurs différentes caractéristiques de reaction aux changements thermiques que leur environnement de fonctionnement leur impose. Dans une autre forme de réalisation, les barreaux 38 rectangulaires et allongés sont remplacés par des tiges (non representees) et les gorges 44 rectangulaires complémentaires par des cavités forées (non représentées) dont le diamètre est suffisamment grand par rapport au diamètre des tiges (non représentées) pour donner par coopération la liaison lâche désirée. 7 26 17538 [Dapres rmaintenant la figure 5, les aubes 80 dans cette forrie de réalisation sont munies d'enveloppes 84 complètes qui portent chacune, de façon connue, une paire d'appendices 86 et 88 servant à l'étanchéité. La ou de telles aubes sont utilisées en combinaison avec la presente invention, les segments 58 de carenage devraient être accrochés sur l'anneau 40 de contrôle dans un plan 90 qui coincide le plus possible avec le plan passant par les appendices 88 servant à l'étanchéité. Cette mesure trouve sa raison dans la chute de pression se produisant dans les gaz le long des aubes 80. Il est en effet connu que la plus grande chute de pression se developpe a travers l'appendice 88 servant à l'étanchéité aval. Le changement de pression a pour effet que les segments 58 de carénage basculent autour de leurs moyens de suspension, c'est-a-dire les clavettes 56 En faisant coinclder- parfaitement ou à peu de chose pres le point de bascule et les appendices 88 on garantit toutefois que l'espace minimnum entre l'appendice 88 et la garniture 78 abrasive disposée surI chaque seqirnent 52 du carenage soit rnaintenu 8 2617538 REVENDICATIONS 1. Dispositif de carénage d'aubes de moteur à turbine à gaz comprenant un anneau lié de façon lâche dans les directions axiales et radiales a une structure fixe du moteur ainsi qu'un carenage d'aubes de turbine formé de plusieurs segments de côtés jointifs, caractérisé en ce que chaque segment (58) est accroché sur une face radiale dudit anneau (40) et collabore avec ladite structure fixe de façon à éviter les fuites de gaz tout en pouvant bouger par rapport à elle, et en ce que l'anneau (40) est constitué par un matériau qui présente des caractéristiques de réaction thermique plus lentes que celles du matériau formant la structure (24, 30) fixe. 2. Dispositif de carenage d'aubes selon la revendicatlon I caractérisé en ce que la structure fixe comprend une partie (24,30) munie d'un rebord et comprenant une gorge (34) annulaire interne et en ce que chaque segment (58) de carénage comporte une portion (62) armoint coudee qui est placee a l'lnterieur de ladite gorge (34) de sorte qu'un mouvement radial relatif entre ladite portion et ladite gorge est possible pour garantir l'étanchéité vis-à-vis des gaz en conditions de fonctionnement. 3 Dispositif de carenage d'aubes selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'anneau est maintenu de façon lâche dans la direction radiale à l'aide de moyens comprenant des chevilles (38) allongées qui font saillie sur la face aval de ladite partie (24,30) munie d'un rebord et sont placées avec jeu a l'interieur de gorges (44> complémentaires creusées dans l'anneau (40). 4. Dispositif de carénage d'aubes selon la revendication 3 caractérisé en ce que les chevilles (38) allongées et leurs gorges (44) complementaires admettent une section rectangulaire 5. Dispositif de carénage d'aubes selon la revendication 3 ou la revendication 4 caractérisé en ce que l'anneau (40) est maintenu de façon lâche dans la direction axiale en ayant une longueur axiale qui est inféerleure aux longueurs faisant saillie des chevilles (38) allongées et en serrant un autre anneau (46) aux extrémités libres des chevilles (38) allongées. 26 17538 Dilspositif (ie carenage daubes selon la revendication 5 caracterise ence que l'autre anneau (46) presente un rebord tourne radialement vers l'intérieur sur un élément cylindrique dont la partie cvylindrique passe par dessus les chevilles (38) allonqees et s'enqage e:i glissant a linterieur d'un autre element cylindrique qui est fixe au carter extérieur de la turbine. 7. Dispositif de carénage d'aubes selon l'une quelconque des revendications précedentes caractérisé en ce que chaque segment (58) de carenage est accroche par des clavettes (56) flxees sur une face radiale dudit premier anneau (40). 8. Dispositif de carénage d'aubes selon l'une quelconque des revendicatlons précedentes caracterisé en ce que l'lnterface entre les côtes de segments de carenage adjacents sont relies par un joint d'étancheité, chacun desdits côtés présentant une fente (78) pour recevoir ledit joint. 9 Dispositif de carénage d'aubes selon l'une quelconque des revendications precedentes caracterise en ce que les aubes (80) a caréner ont des enveloppes (84) complètes munies d'une paire d'appendices (86, 88) servant à l'étanchéité et séparées axialernlent et en ce que les proportions dudit dlspositif de carenage d'aubes sont telles qu'une fois dispose autour d'un etage desdites aubes (80), ledit dispositif de carénage est accroché dans un plan qui coïncide parfaitement ou à peu de chose près avec le plan contenant l'appendice (88) servant à l'étanchéieté qui se trouve axlalernent en aval