Brevet FR2652383A1 — publié le 19910329

La présente invention a pour objet un perfectionne- ment aux turbo-moteurs à gaz, et plus particulièrement un montage d'ailette de guidage en céramique pour tuyère, sur le carter du moteur. Dans le fonctionnement d'un turbo-moteur à gaz, l'air à la pression atmosphérique est tout d'abord comprimé et envoyé vers un étage de combustion o on apporte de la chaleur à l'air quittant le compresseur, en rajoutant du carburant à l'air et en le brîlant. Le flux de gaz pro- venant de la combustion du carburant dans l'étage de combustion, se dilate ensuite en passant dans une tur- bine, en donnant une partie de son énergie pour entraî- ner la turbine et produire une puissance mécanique, le reste en se déchargeant dans l'atmosphère, donnant un jet de propulsion, dans le cas d'un turbo-moteur à réaction, par exemple. Pour pouvoir produire un couple d'entraî- nement, la turbine comprend un ou plusieurs étages, cha- cun utilisant une rangée d'ailettes de guidage fixes pour la tuyère et une rangée d'aubes mobiles montées sur un disque ou d'une seule pièce avec celui-ci. Les ailettes de guidage ont une forme aérodynamique pour diriger le gaz en provenance de l'étage de combustion vers les aubes de la turbine et de cette façon, transférer l'énergie ci- nétique aux aubes. Les gaz pénétrant dans l'étage turbine ont,de façon caractéristique, une température d'entrée depuis environ 850 C à au moins 1700 C. Etant donné que le rendement et la puissance de sortie de la turbine dépendent de la tem- pérature d'entrée du gaz d'arrivée, il existe une tendance dans la technologie des turbo-moteurs à gaz, à augmenter la température du gaz. Une des conséquences de cette si- tuation est que les matériaux dont sont faites les aubes et les ailettes, assument une importance de plus en plus grande pour résister aux effets de températures élevées. Les ailettes de guidage étaient à l'origine fabri- qués en aciers ou alliages de nickel résistant au fluage à température élevée. Plus récemment, on a trouvé que la résistance aux températures d'entrée de gaz encore plus élevées pouvait être supportée par les ailettes en fabri- quant celles-ci entièrement en céramique. Si les ailettes de guidage sont en céramique, il est important qu'au mon- tage sur le carter moteur, qui lui, est en métal, on fasse grande attention aux coefficients de dilatation différents de la céramique et du métal dans le carter. Un but de la présente invention est de fournir une façon de monter des ailettes de guidage en céramique sur un carter de moteur en métal, de manière à ce qu'elles restent fixes par rap- port au carter de moteur, malgré les changements de tempé- rature, et qu'elles ne tournent pas sur leurs axes lors- qu'elles sont soumises à des charges aérodynamiques ou autres, sinon le flux de gaz passant sur les ailettes fixes vers les ailettes pivotantes est susceptible d'être perturbé et le rendement du moteur défavorablement afe fecté. Dans cette description, les mots "radial" et "ra- dialement" voudront dire une direction à angles droits par rapport à l'axe longitudinal du moteur, et feront référence également à l'axe longitudinal d'une ailette de guidage. Selon la présente invention, ce montage d'une ai- lette en céramique de guidage pour tuyère comprend à son extrémité la plus extérieure,radialement à l'ailette, une bride circonférentielle s'étendant perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'ailette, un premier moyen d'es- pacement pour l'application d'une force dirigée radia- lement vers l'extérieur sur la surface radialement inté- rieure de la bride, un second moyen d'espacement, en l'occurence un ressort, pour l'application d'une force dirigée radialement vers l'intérieur sur la surface radialement extérieure de la bride, et un premier et un second élément appartenant au carter du moteur pour pincer le premier et le second moyen d'espacement sur la bride. De préférence, le premier et le second élément ap- partenant au carter du moteur sont tous deux munis d'une bride annulaire, définissant une ouverture dans le carter moteur, l'axe de chaque bride annulaire étant un axe ra- dial du moteur. De préférence, le premier moyen d'espacement est un ressort. Dans une réalisation, le premier moyen d'espacement peut être une rondelle. De préférence, la rondelle est munie d'une arête annulaire haute placée pour ne donner qu'un contact li- néaire entre la rondelle et la surface radialement inté- rieure de la bride. De préférence, le ressort ou chaque ressort est constitué par un tore creux en matériau élastique ayant comme axe principal, l'axe longitudinal de l'ailette de guidage. De préférence, le tore ou chaque tore creux est fendu le long d'une ligne circonférentielle intérieure faisant face audit axe principal pour former une bague d'étanchéité en forme de C. De préférence, le tore ou chaque tore est une bague à enroulement hélicoïdal. Un insert annulaire monté de façon lâche peut être monté à l'intérieur du tore ou de chaque tore creux. L'insert annulaire est de préférence un fil tressé. De préférence, l'ailette de guidage est munie d'une plate-forme extérieure d'une seule pièce placée radiale- ment à l'intérieur par rapport à la bride circonféren- tielle et espacée du carter du moteur. L'invention est décrite ci-après, à titre d'exem- ple, en référence au dessin schématique annexé, qui n'est pas à l'échelle, dans lequel: La figure 1 montre la vue en coupe d'un aubage dis- tributeur d'un turbo-moteur à combustion et d'une pièce associée du carter moteur, montrant les bagues d'étanché- ité en forme de C utilisées dans l'invention; La figure 2 est une vue en plan de l'aubage distribu- teur de la figure 1 prise dans le sens de la flèche II; La figure 3 est une vue détaillée de la figure 1 montrant une possibilité de modification de l'invention,et La figure 4 est une vue en coupe d'une bague d'étan- chéité en forme de C modifiée pour utilisation dans la réalisation de la figure 1. En se reportant maintenant à la figure 1 et si néces- saire à la figure 2, est représentée une partie d'un carter de turbomoteur cylindrique 20 en métal, et à l'intérieur du carter, un aubage distributeur en céramique 22 qui com- prend une partie 24 profilée d'aile, une plate-forme inté- rieure (26)-orientée radialement, et une plate-forme exté- rieure 28 placée radialement en dehors de la section trans- versale de l'aile, et se prolongeant en amont et en aval de celle-ci. L'enveloppe 28 est séparée du carter moteur par un espace annulaire 29. Une bague d'étanchéité 41 est disposée entre l'enveloppe 28 et le carteur moteur 20, adjacente à la partie amont de l'enveloppe. La plate-forme intérieure 26 de l'aubage distributeur 22 est appuyée contre une bague d'étanchéité 42, avec interposition d'une bague d'étanchéité 44. Un canal 46 pour la fourniture d'air de refroidis- sement et/ou d'air d'étanchéité, s'étend radialement à travers la plateforme 26, la partie profilée 24, et la plate-forme extérieure 28. Un second canal 48, en ali- gnement avec le couloir 46, s'étend à travers le carter de la turbine 20. Un troisième canal 50, également en alignemenÉrtavec le canal 46, s'étend à travers la bague d'étanchéité intercalée 42 et guide la colonne intérieure 91 de l'ailette de guidage de tuyère à travers la bague d'étanchéité intercalée 42. Les extrémités radialement intérieures et exté- rieures du canal 48 à travers le carter de turbine 20, sont définies par les deux brides circonférentielles intérieure et extérieure 78 et 80, s'étendant en direc- tion de l'axe du canal 48. Cette partie de l'ailette de guidage 22 de la tuyère radialement en dehors de la plate-forme exté- rieure 28 est munie d'une bride circonférentielle 82 à l'extrémité de l'ailette s'étendant perpendiculairement à l'axe longitudinal de celle-ci, et placée entre les brides 78 et 80 qui la recouvrent. Des moyens d'espace- ment radialement espacés sont constitués par des bagues d'étanchéité en forme de C en tore creux, intérieure et extérieure 84 et 86, parallèles à l'axe longitudinal du moteur, pincées en compression entre les deux brides 78 et 80, et la bride circonférentielle 82 de l'ailette de guidage 22, une paire de bagues d'étanchéité en forme de C 84 et 86 étant prévue pour chaque ailette de guidage. Chaque bague d'étanchéité en forme de C peut être fabri- quée en alliage à base de nickel résistant à la tempé- rature, et comporte une fente tout le long d'une ligne intérieure circonférentielle faisant face à l'axe longi- tudinalde l'ailette. Les bagues d'étanchéité en forme de C 84 et 86 agissent donc comme des ressorts, la bague d'étanchéité intérieure 84 procurant une réaction dirigée radialement vers l'extérieur sur la surface radialement intérieure de la bride 82, la bague d'étahchéité exté- rieure 86 procurant de la même façon une réaction dirigée radialement vers l'intérieur sur la surface radialement extérieure de la bride de tiroir 82 et les deux bagues d'étanchéité en conséquence serrant fermement la bride de l'ailette de guidage. L'espacement radial des bagues d'étanchéité en forme de C 84 et 86, conjointement à l'espacement 29 entre l'enveloppe 28 et la partie intérieure du carter moteur 20, permet à l'ailette 22 de bouger dans toutes les directions par rapport au carter moteur, tout en étant fermement maintenuedans le carter, du fait que les bagues d'étanchéité en forme de C peuvent agir comme des ressorts, indépendamment l'une de l'autre. A cet égard, une surface de la bride 82 faisant face à la surface intérieure du canal 48, est arrondie de façon à empêcher la bride 82 de se coincer dans le canal au cas o la tuyère pivoterait dans le carter en réaction aux charges de gaz. De plus, les changements dimensionnels du carter moteur en métal relatifs à l'ailette en céramique 22 sont absorbés par l'élasticité des bagues d'étanchéité en forme de C. Si la charge aérodynamique sur l'ailette varie en direction au fur et à mesure que la puissance du moteur varie, de sorte que la charge n'est plus dirigée selon l'axe de l'ailette, cette dernière aura tendance à tourner autour de son axe. Ceci résulte du pincement des bagues d'étanchéité en forme de C 84 et 86. Si besoin est, la tendance à la rotation peut également résulter d'une action au point 88, c'est-à-dire entre une zone de la tuyère radialement intérieure vis à vis de la plateLforme intérieure 26 et la bague d'étanchéité intercalée 42. De la même façon, cet effet pourrait résulter de 1Aappui en butée en d'autres points. Le canal 50 est arrondi pour empêcher la colonne 91 de se coincer quand la tuyère pivote en réaction aux charges de gaz. La flexibilité apportée par les bagues d'étanchéité 84 et 86 donne l'assurance que tout défaut d'alignement résultant de la fabrication ou de déformations dues à la température lorsque le moteur est en fonctionnement, entre les canaux 48 et 50, n'exerce pas de charges inutilement élevées sur n'importe quelle partie de l'ailette en céra- mique 22. Tout défaut d'alignement sera absorbé par dé- flexion des bagues d'étanchéité 84 et 86 et non par déflexion de l'ailette elle-même. Il peut être nécessaire de diviser une ou plusieurs bagues d'étanchéité en forme de C à au moins un endroit le long de son ou de leur parcours, de façon à faciliter le montage à l'intérieur des brides du carter moteur 78 et 80. La figure 3 montre une autre possibilité de réali- sation de l'invention, dans laquelle l'espacement précé- demment fourni par la bague intérieure d'étanchéité en forme de C 84, est ici fourni par une rondelle 85. Cela peut être rendu nécessaire dans des cas o la tempera- ture atteinte au voisinage de la bague intérieure d'étan- chéité en forme de C est trop élevée pour que la bague puisse fonctionner efficacement. Pour éviter que la ron- delle 85 n'applique une charge concentrée à l'emplacement 89 (un bord de la bride 82), alors la rondelle peut être munie d'une arête haute annulaire 90 pour procurer un contact linéaire seulement entre la rondelle et la sur- face radialement intérieure de la bride 82. Une charge dimensionnelle est ici acceptable. Dans l'autre forme de réalisation illustrée à la figure 4, la bague d'étanchéité en forme de C 84 est équipée d'un insert en fil tressé 94 placé de manière lâche à l'intérieur du joint. Son but est d'empêcher le joint 84 de s'affaisser complètement sous l'effet de con- ditions imprévues de chaleur excessive, lequel affaisse- ment complet peut provoquer la torsion de l'ailette et l'amener en contact avec une aube rotative de la turbine. On peut utiliser un insert annulaire autre qu'un fil tressé pour empêcher cet affaissement, et on peut placer l'insert 94 dans la bague d'étanchéité 86 en forme de C si besoin est. On peut prévoir d'autres formes d'espacement entre les brides du carter moteur 78 et 80, et la bride de l'ailette 82, telles que des bagues à enroulement hélicoïdal ou des ressorts à lames. On peut également prévoir des bagues à enroulement hélicoïdal avec des inserts 94, comme indiqué précédemment. - REVENDICATIONS - 1. Turbo-moteur à gaz comportant une ailette en cé- ramique de guidage pour tuyère et un carter de moteur en métal, caractérisé en ce que le dispositif de montage de l'ailette comprend à son extrémité la plus extérieure radialement à l'ailette, une bride circonférentielle (82) s'étendant perpendiculairement à l'axe longidutinal de l'ailette,un premier moyen d'espacement (84) pour l'ap- plication d'une force dirigée radialement vers l'exté- rieur sur la surface radialement intérieure de la bride, un second moyen d'espacement (86), en l'occurence un ressort, pour l'application d'une force dirigée radiale- ment vers l'intérieur sur la surface radialement exté- rieure de la bride (82) et un premier (78) et un second (80) élément appartenant au carter du moteur pour pincer le premier (84) et le second (86) moyen d'espacement sur la bride, le premier et le second élément appartenant au carter du moteur étant tous les deux munis d'une bride annulaire (78,80) définissant une ouverture dans le car- ter moteur, l'axe de chaque bride annulaire étant un axe radial du moteur. 2. Ailette de guidage pour tuyère selon la reven- dication 1, caractérisée ence que le premier moyen d'es- pacement est un ressort. 3. Ailette de guidage pour tuyère selon la reven- dication 1, caractérisée en ceque le premier moyen d'es- pacement est une rondelle (85). 4. Ailette de guidage pour tuyère selon la reven- dication 3, caractérisée-en ce que la rondelle est munie d'une arête annulaire haute (90) placée pour procurer un contact linéaire seulement entre la rondelle et la sur- face radialement intérieure de la bride (82). 5. Ailette de guidage pour tuyère selon la reven- dication 1, caractérisée en ce que le ressort ou chaque ressort est constitué par un tore creux (84,86) en matériau élastique ayant comme axe principal l'axe lon- gitudinal de l'ailette de guidage. 6. Ailette de guidage pour tuyère selon la reven- dication 5, caractérisée en ce que le tore ou chaque tore creux (84,86) est fendu tout le long d'une ligne inté- rieure circonférentielle faisant face audit axe principal, pour former une bague d'étanchéité en forme de C. 7. Ailette de guidage pour tuyère selon la reven- dication 5, caractérisée en ce que le ou chaque tore creux est une bague à enroulement hélicoïdal. 8. Ailette de guidage pour tuyère selon la reven- dication 5, caractérisée en ce qu'un insert annulaire (94) est monté de façon lâche à l'intérieur du ou de chaque tore creux (84). 9. Ailette de guidage pour tuyère selon la reven- dication 8, caractérisée en ce que l'insert annulaire (94) est un fil tressé. 10. Ailette de guidage pour tuyère selon la reven- dication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une plate- forme extérieure (28) d'une seule pièce placée radialement à l'intérieur par rapport à la bride circonférentielle (82) et espacée du carter (20) du moteur.