Brevet FR2875263A1 — publié le 20060317

ENSEMBLE DE TURBINE ET ENCEINTE DE TURBINE POUR CELUI-CI Cette invention concerne de façon générale des moteurs à turbine à gaz, et, plus particulièrement, une enceinte pour une turbine de ces moteurs. Les moteurs à turbine à gaz comprennent une ou plusieurs turbines qui extraient de l'énergie d'un écoulement gazeux pour produire un travail mécanique. Il est courant, dans la technique existante, qu'un bâti d'échappement structurel ou un bâti arrière de turbine (turbine rear frame ou "TRF") soit disposé derrière une turbine basse pression (low pressure turbine ou "LPT"). Du fait de la configuration utilisée de façon caractéristique, la transition entre l'enceinte structurelle de la turbine basse pression et l'enceinte structurelle du bâti arrière de turbine doit avoir un diamètre en pente vers l'intérieur. Cette pente vers l'intérieur de l'enceinte de turbine basse pression à l'enceinte de bâti arrière de turbine crée une poche radiale avec une limite axiale avant créée par l'enceinte entourant le dernier étage des pales de turbine basse pression et une limite arrière créée par le contour en pente vers l'intérieur de l'enceinte de bâti arrière de turbine. Dans le cas d'une défaillance de turbine dans laquelle des débris sont éjectés vers l'arrière, cette poche peut piéger une certaine quantité de débris et les empêcher d'être éjectés vers l'arrière, hors du tuyau de queue du moteur. Le piégeage de débris dû à une défaillance de turbine de cette façon est hautement indésirable, car des détériorations pourraient, de façon concevable, couper le trajet de charge de carcasse de moteur vers la monture arrière. Ceci pourrait alors produire une libération des composants du moteur et des détériorations de l'avion. La présence de l'enceinte de bâti en pente vers l'intérieur directement à l'arrière du joint d'étanchéité de pointe de pale de sortie de turbine basse pression est également soumise à l'impact d'air de fuite à haute température qui contourne la pale autour des dents d'étanchéité de pointe. Comme cet air de cycle n'a pas de travail qui est extrait par le dernier étage basse pression, il sera significativement plus chaud que l'air de cycle restant auquel est exposé le bâti arrière de turbine. Il aura également une vitesse d'impact plus élevé, et, par conséquent, un certain coefficient de transfert thermique par rapport au reste de l'écoulement de décharge de turbine basse pression. Localement, ceci peut créer des problèmes de gradients thermiques et de fatigue thermique défavorables dans l'enceinte de bâti de turbine arrière, en plus des problèmes de température excessive. La transition radiale nécessite également une certaine longueur de structure conique en arrière de la position axiale de l'enceinte, ce qui ajoute de la longueur et du poids au moteur. Par conséquent, il existe un besoin pour une configuration d'enceinte de turbine qui protège l'enceinte de bâti arrière de turbine des débris et des températures élevées. Le besoin mentionné ci-dessus est satisfait par la présente invention, qui, selon un aspect, procure une enceinte de turbine pour un moteur à turbine à gaz, comprenant un corps en forme d'arc comportant des extrémités avant et arrière espacées l'une de l'autre et des extrémités circonférentielles espacées l'une de l'autre; des moyens pour fixer le corps à une enceinte environnante du moteur; et un élément de prolongement en forme d'arc faisant saillie vers l'arrière à partir de l'extrémité arrière du corps, l'élément de prolongement comportant une surface intérieure adaptée pour définir une partie d'un trajet d'écoulement de gaz à travers le moteur. Ledit élément de prolongement peut comprendre: une première partie qui s'étend radialement vers l'intérieur à partir de ladite extrémité arrière dudit corps, et une deuxième partie qui s'étend axialement vers l'arrière et radialement vers l'intérieur à partir d'une extrémité radialement intérieure de ladite première partie. Ledit élément de prolongement peut comprendre une troisième partie qui s'étend axialement vers l'arrière et radialement vers l'intérieur à partir de ladite deuxième partie. L'enceinte peut comprendre de plus un matériau pouvant être abrasé disposé sur une surface intérieure dudit corps. L'enceinte peut comprendre de plus un joint d'étanchéité pour empêcher les fuites entre des éléments adjacents parmi lesdits éléments de prolongement. Un joint d'étanchéité peut être disposé sur ledit élément de prolongement de façon à chevaucher un élément de prolongement adjacent dans une direction circonférentielle. L'enceinte peut comprendre de plus un joint d'étanchéité d'extrémité disposé entre une première extrémité circonférentielle de ladite enceinte et une extrémité circonférentielle d'une enceinte adjacente. Ledit joint d'étanchéité d'extrémité peut être reçu dans une rainure longitudinale formée dans ladite première extrémité circonférentielle de ladite enceinte. Ledit corps peut comprendre un premier crochet disposé à une extrémité avant de celui-ci et un deuxième crochet disposé à ladite extrémité arrière, lesdits premier et deuxième crochets étant adaptés pour s'engager avec des rails complémentaires respectifs dudit moteur. Selon un autre aspect de l'invention, un ensemble de turbine comprend un rotor qui peut tourner autour d'un axe longitudinal, le rotor portant au moins un étage comprenant des pales de turbine s'étendant radialement destinées à interagir avec un écoulement de gaz à travers la turbine; une première enceinte annulaire, la première enceinte comportant une première section qui entoure les pales de turbine, et une deuxième section disposée en arrière de la première section qui définit une partie d'un trajet d'écoulement à travers la turbine; et une enceinte de turbine disposée entre la première enceinte et les pales. L'enceinte de turbine comprend un corps en forme d'arc comportant des extrémités avant et arrière espacées l'une de l'autre et des extrémités circonférentielles espacées l'une de l'autre; et un élément de prolongement en forme d'arc qui fait saillie vers l'arrière à partir de l'extrémité arrière du corps et qui s'étend à partir de l'extrémité arrière du corps vers la deuxième section de la première enceinte, l'élément de prolongement comportant une surface intérieure adaptée pour former une partie d'un trajet d'écoulement de gaz à travers la turbine. L'invention peut être comprise au mieux en se référant à la description qui suit, prise en relation avec les figures de dessin jointes, dans lesquelles: la figure 1 est une vue en coupe transversale schématique d'une section de turbine et d'un ensemble d'enceinte selon la technique existante; la figure 2 est une vue latérale schématique d'une partie d'un moteur à turbine à gaz montrant une enceinte de turbine construite selon une réalisation de la présente invention; la figure 3 est une vue agrandie d'une partie de l'ensemble d'enceinte montré en figure 2; la figure 4 est une vue en perspective partielle de l'ensemble d'enceinte montré en figure 2; la figure 5 est une vue prise le long des lignes 5-5 de la figure 3; et la figure 6 est une vue prise le long des lignes 6-6 de la figure 3. Si l'on se réfère aux dessins, dans lesquels des numéros de référence identiques désignent les mêmes éléments dans la totalité des différentes vues, la figure 1 illustre une partie d'une turbine basse pression (low pressure turbine ou "LPT") 10 d'un moteur à turbine à gaz selon la technique existante. La turbine basse pression 10 comprend des étages alternés de pales de turbine 12 et d'aubes ou de tuyères de turbine 14. Les tuyères de turbine 14 sont fixées à une enceinte de turbine basse pression annulaire 16, tandis que les pales de turbine 12 sont fixées à un ensemble de rotor (non représenté), qui coopère avec un système d'arbre approprié pour faire tourner un compresseur ou une autre charge mécanique. L'extrémité arrière 20 de l'enceinte de turbine basse pression 16 porte une enceinte de turbine s'étendant circonférentiellement 22. Le but de l'enceinte de turbine 22 est d'assurer un joint d'étanchéité à adaptation étroite entre l'enceinte de turbine basse pression 16 et les extrémités extérieures des pales de turbine 12, de façon à réduire ainsi les pertes d'écoulement dans la turbine basse pression 10. L'enceinte 22 illustrée en figure 1 est caractéristique de la technique existante, et comprend un anneau de segments en forme d'arc comprenant chacun une base 24 qui porte un élément pouvant être abrasé 26. L'élément pouvant être abrasé 26 interagit avec des dents d'étanchéité s'étendant radialement vers l'extérieur 28 des pales de turbine 12 afin de constituer le joint d'étanchéité désiré. Un bâti fixe désigné sous le nom de bâti arrière de turbine ou "TRF" (turbine rear frame) 30 comprend un moyeu central (non représenté), une pluralité de bras s'étendant radialement 34, dont l'un est représenté en figure 1, et une enceinte de bâti arrière de turbine annulaire 36 qui est fixée à l'extrémité arrière 20 de l'enceinte de turbine basse pression 16 immédiatement derrière le dernier étage de pales de turbine 12. L'enceinte de bâti arrière de turbine 36 définit la surface de trajet d'écoulement extérieur directement sans aucune structure intermédiaire. Un résultat de cette construction est que la transition entre l'enceinte de turbine basse pression 16 et l'enceinte de bâti arrière de turbine 36 doit produire un diamètre en pente vers l'intérieur, à cause de la hauteur radiale requise pour l'enceinte de turbine 22. La pente vers l'intérieur de l'enceinte de turbine basse pression 16 à l'enceinte de bâti arrière de turbine 36 se produit nécessairement en arrière de la sortie de l'enceinte de turbine, créant une poche radiale "P" avec une limite axiale avant créée par l'enceinte de turbine 22 et une limite arrière créée par le contour s'étendant vers l'intérieur de l'enceinte de bâti arrière de turbine 36. Dans le cas d'une défaillance de turbine dans laquelle des débris sont éjectés vers l'arrière, cette poche P peut piéger une certaine quantité desdits débris et les empêcher d'être éjectés vers l'arrière hors du tuyau de queue du moteur. L'action des pales de turbine basse pression restantes peut leur servir à faire tourner ces débris, et provoquer des détériorations supplémentaires à l'enceinte dans la zone de poche. Dans certaines situations, cette condition peut avoir le potentiel d'entailler l'enceinte de bâti arrière de turbine 36. La figure 2 illustre un exemple de turbine basse pression (low pressure turbine ou "LPT") 110 d'un moteur à turbine à gaz construit selon une réalisation de la présente invention. On devra noter que la présente invention pourrait également être mise en oeuvre avec d'autres types de machines tournantes, telles qu'un compresseur ou une turbine haute pression. La turbine basse pression 110 comprend des étages alternés de pales de turbine 102 et d'aubes ou de tuyères de turbine 104. Les tuyères de turbine 104 sont fixées à une enceinte de turbine basse pression annulaire 106, tandis que les pales de turbine 102 sont fixées à un ensemble de rotor 108 qui coopère avec un système d'arbre approprié pour faire tourner un compresseur ou une autre charge mécanique (non représentée). Un bâti de turbine arrière (turbine rear frame ou "TRF") fixe 109 comprend un moyeu 112, une pluralité de bras s'étendant radialement 114, dont l'un est représenté en figure 2, et une enceinte de bâti arrière de turbine annulaire 116 qui est fixée à l'extrémité arrière de l'enceinte de turbine basse pression 106 au niveau d'un raccord 118. Le raccord 118, qui est dans cet exemple un raccord à brides boulonné, est réalisé en un emplacement longitudinalement en avant du dernier étage de pales de turbine 102. Dans cette configuration, il y a toujours une transition de l'enceinte de turbine basse pression de grand diamètre 106 à l'enceinte de bâti arrière de turbine 116, comme dans la turbine basse pression selon la technique existante 10. Cependant, cette transition se produit à l'extérieur de l'enceinte de turbine 122 (décrite ci-dessous) dans le bâti arrière de turbine 109, de façon à éliminer ainsi la poche P de la configuration selon la technique existante. Par conséquent, il n'y a pas de géométrie qui puisse capturer axialement des débris tournants dans le cas d'une défaillance de turbine et empêcher leur éjection à l'arrière du moteur. Comme représenté en figure 3, l'extrémité avant 120 de l'enceinte de bâti arrière de turbine 116 porte une enceinte de turbine circonférentielle 122. L'enceinte 122 comprend une base 124 qui s'étend sur la longueur de corde des pales de turbine 102. La base 124 porte un élément d'étanchéité fixe 126 d'un type connu, par exemple une structure en nid d'abeilles pouvant être abrasée, comme représenté. L'élément d'étanchéité 126 interagit avec des dents d'étanchéité s'étendant radialement vers l'extérieur 128 des pales de turbine 122 de façon à constituer un joint d'étanchéité qui minimise l'écoulement de fuite au-delà des extrémités extérieures des pales de turbine 102. L'enceinte 122 comprend également un élément de prolongement faisant saillie vers l'arrière 130. Sa surface intérieure 132 définit un trajet d'écoulement de transition "F" entre l'extrémité radialement extérieure du dernier étage de pales de turbine 102 et l'enceinte de bâti arrière de turbine 116. La construction de l'enceinte de turbine 122 est représentée plus en détail dans les figures 4 à 6. L'enceinte de turbine 122 est assemblée à partir d'un groupement circonférentiel de segments en forme d'arc 134, bien qu'elle puisse être également formée sous la forme d'un élément continu. Les segments 134 peuvent être réalisés à partir d'un superalliage de haute qualité, tel qu'un superalliage à base de cobalt ou de nickel, et peuvent être revêtus d'un matériau résistant à la corrosion et/ou d'un revêtement de barrière thermique. La base 124 comporte une extrémité avant 136 et une extrémité arrière 138, et des extrémités circonférentielles espacées l'une de l'autre 140 et 142. Un rail avant 144 comportant une patte radiale 146 et une patte axiale 148 est disposé à l'extrémité avant 136, et un rail arrière 150 est disposé à l'extrémité arrière 138. Lorsqu'ils sont assemblés, les rails avant et arrière 144 et 150 s'engagent avec des crochets avant et arrière 152 et 154 de l'enceinte de bâti arrière de turbine 116, respectivement (voir figure 3). Une fente d'étanchéité longitudinale 155 est formée dans chacune des extrémités circonférentielles 140 et 142 de la base 124. La fente d'étanchéité 155 accepte un joint d'étanchéité d'extrémité 157 (voir figure 5) d'un type connu, qui réduit les fuites entre les segments adjacents 134. L'élément de prolongement 130 fait saillie à partir de l'extrémité arrière 138 de la base 124. Dans l'exemple illustré, l'élément de prolongement 130 comporte une partie radiale 130A, une partie s'étendant vers l'arrière faisant un angle vers l'intérieur 130B, et une partie s'étendant vers l'arrière faisant un angle vers l'extérieur 130C. Une lèvre s'étendant radialement vers l'extérieur 156 est disposée à son extrémité arrière. La configuration exacte de l'élément de prolongement 130 peut être changée de façon à s'adapter à une application particulière. Des moyens sont présents pour rendre étanche l'espace entre les éléments de prolongement 130 des segments d'enceinte adjacents 132. Dans l'exemple illustré, un joint d'étanchéité de prolongement 158 comprend un corps d'étanchéité en forme de patte qui est fixé à l'un des éléments de prolongement 130 et qui fait saillie de façon circonférentielle de façon à former une configuration de joint d'étanchéité chevauchée ou "en sillage de bateau" avec l'élément de prolongement adjacent 130. Lors du fonctionnement, l'élément de prolongement de l'enceinte de turbine basse pression 122 procure une protection de l'enceinte de bâti arrière de turbine 116 contre l'impact de l'air de dérivation de pointe de pale d'étage de sortie de turbine basse pression. Comme l'enceinte de turbine 122 est segmentée, et, de façon caractéristique, construite à partir d'un matériau supportant des températures plus élevées que le bâti arrière de turbine 109, l'impact de cet air de dérivation sur les éléments de prolongement d'enceinte segmentés 130, contrairement à ce qui est le cas pour l'enceinte de bâti arrière de turbine 116, est beaucoup moins problématique du point de vue du gradient thermique, de la fatigue thermique-mécanique, et de l'excès de température. L'enceinte de bâti arrière de turbine 116 est de plus protégée même de l'impact local de l'air de dérivation de pointe de pale par les joints d'étanchéité de prolongement 158 entre les éléments de prolongement adjacents 130. Cette caractéristique bouche toute "ligne de vision" entre l'écoulement de dérivation de pointe et l'enceinte de bâti arrière de turbine 116. Ce qui précède a décrit une enceinte de turbine et un ensemble de turbine incorporant l'enceinte de turbine. Bien que des réalisations spécifiques de la présente invention aient été décrites, il apparaîtra de façon évidente aux personnes ayant une bonne connaissance de la technique que différentes modifications de celle-ci peuvent être effectuées sans s'écarter de l'esprit et de l'étendue de l'applicabilité de l'invention. Par conséquent, la description qui précède de la réalisation préférée de l'invention et du meilleur mode de mise en oeuvre de l'invention est donnée uniquement aux fins d'illustration, et non aux fins de limitation, l'invention étant définie par les revendications. LISTE DES PARTIES NUMERO ELEMENT P Arrière de poche 26 F Trajet d'écoulement de transition Turbine basse pression (technique existante) 12 Pale de turbine 14 Tuyère de turbine 16 Enceinte de turbine basse pression 18 Pointe de 12 19 Racine de 12 Extrémité arrière de 16 22 Enceinte de turbine basse pression 24 Corps de 22 26 Nid d'abeilles 28 Capot pour 26 28 Dent d'étanchéité pour 12 30,Bâti arrière de turbine (turbine rear frame ï I ou "TRF") 34 Bras de 30 36 Enceinte de bâti arrière de turbine 102 Pale de turbine 104 Tuyère de turbine 106 Enceinte de turbine basse pression 108 Ensemble de rotor 109 Bâti arrière de turbine Turbine basse pression Turbine basse pression 112 Moyeu de 109 114 Bras de 109 116 Enceinte de bâti arrière de turbine 118 Raccord entre 106 et 116 122 Enceinte de turbine basse pression 124 Base (corps) de 122 126 Enceinte d'étanchéité fixe 128 Dent d'étanchéité sur 102 Elément de prolongement 130A Première partie de 130 130B Deuxième partie de 130 130C Troisième partie de 130 132 Surface intérieure de 130 134 Segment d'enceinte 136 Extrémité avant de 122 138 Extrémité arrière de 124 Corps de:122 144 Rail avant de 122 146 Patte radiale de 144 148 Patte axiale de 144 Rail arrière de 122 152 Crochet avant de 116 154 Crochet arrière de 116 Fente d'étanchéité 156 Rebord de 130 157 Joint d'étanchéité d'extrémité 158 (Joint d'étanchéité de prolongement REVENDICATIONS 1. Enceinte (122) pour un moteur à turbine à gaz, comprenant: un corps en forme d'arc comportant des extrémités avant et arrière espacées l'une de l'autre et des extrémités circonférentielles espacées l'une de l'autre; des moyens pour fixer ledit corps à une enceinte environnante dudit moteur; et un élément de prolongement en forme d'arc (130) faisant saillie vers l'arrière à partir de ladite extrémité arrière dudit corps, ledit élément de prolongement (130) comportant une surface intérieure (132) adaptée pour définir une partie d'un trajet d'écoulement de gaz à travers ledit moteur. 2. Enceinte (122) selon la revendication 1, dans laquelle ledit élément de prolongement (130) comprend: une première partie (130A) qui s'étend radialement vers l'intérieur à partir de ladite extrémité arrière dudit corps, et une deuxième partie (:130B) qui s'étend axialement vers l'arrière et radialement vers l'intérieur à partir d'une extrémité radialement intérieure de ladite première partie (130 A). 3. Enceinte (122) selon la revendication 2, dans laquelle ledit élément de prolongement (130) comprend: une troisième partie (130C) qui s'étend axialement vers l'arrière et radialement vers l'intérieur à partir de ladite deuxième partie (130B). 4. Enceinte (122) selon la revendication 1, comprenant de plus un matériau pouvant être abrasé disposé sur une surface intérieure dudit corps. 5. Enceinte (122) selon la revendication 1, comprenant de plus un joint d'étanchéité pour empêcher les fuites entre des éléments adjacents parmi lesdits éléments de prolongement (130). 6. Enceinte (122) selon la revendication 5, dans laquelle un joint d'étanchéité est disposé sur ledit élément de prolongement (130) de façon à chevaucher un élément de prolongement adjacent (130) dans une direction circonférentielle. 7. Enceinte (122) selon la revendication 1, comprenant de plus un joint d'étanchéité d'extrémité disposé entre une première extrémité circonférentielle de ladite enceinte (122) et une extrémité circonférentielle d'une enceinte adjacente. 8. Enceinte (122) selon la revendication 7, dans laquelle ledit joint d'étanchéité d'extrémité est reçu dans une rainure longitudinale formée dans ladite première extrémité circonférentielle de ladite enceinte (122). 9. Enceinte (122) selon la revendication 1, dans laquelle ledit corps comprend un premier crochet disposé à une extrémité avant de celui-ci et un deuxième crochet disposé à ladite extrémité arrière, lesdits premier et deuxième crochets étant adaptés pour s'engager avec des rails complémentaires respectifs dudit moteur. 10. Ensemble de turbine, comprenant: un rotor qui peut tourner autour d'un axe longitudinal, ledit rotor portant au moins un étage comprenant des pales de turbine s'étendant radialement pour interagir avec un écoulement de gaz à travers ladite turbine; une première enceinte annulaire, ladite première enceinte comportant une première section qui entoure lesdites pales de turbine, et une deuxième section disposée en arrière de ladite première section qui définit une partie d'un trajet d'écoulement à travers ladite turbine; et une enceinte de turbine (122) disposée entre ladite première enceinte et lesdites pales; comprenant: un corps en forme d'arc comportant des extrémités avant et arrière espacées l'une de l'autre et des extrémités circonférentielles espacées l'une de l'autre; et un élément de prolongement en forme d'arc (130) qui fait saillie vers l'arrière à partir de ladite extrémité arrière dudit corps et qui s'étend à partir de ladite extrémité arrière dudit corps vers ladite deuxième section de ladite première enceinte, ledit élément de prolongement (130) comportant une surface intérieure (132) adaptée pour former une partie d'un trajet d'écoulement de gaz à travers ladite turbine.