Brevet FR2907841A1 — publié le 20080502

La présente invention concerne le domaine des turbomachines, en particulier le refroidissement des secteurs d'anneau de turbine de turbomachine. Une turbomachine aéronautique comporte classiquement un compresseur, une chambre de combustion et une turbine. Le rôle de la turbine est d'assurer l'entraînement en rotation du compresseur en prélevant une partie de l'énergie de pression des gaz chauds sortant de la chambre de combustion et en la transformant en énergie mécanique. La turbine, située en aval de la chambre de combustion, est l'organe de la turbomachine qui travaille dans les conditions les plus sévères. Elle est notamment soumise à des contraintes thermiques et mécaniques importantes générées par les gaz chauds en sortie de chambre. Une turbine comprend classiquement au moins un distributeur, constitué d'une grille d'aubes fixes par rapport au carter de la turbomachine, et au moins une roue mobile, comportant un ensemble d'aubes susceptible d'être mis en rotation. 20 Une roue mobile est entourée d'un anneau fixe solidaire du carter. Cet anneau a notamment pour fonction de reconstituer par sa surface intérieure la limite extérieure de la veine aérodynamique. Le plus souvent, cet anneau peut être constitué d'une pluralité de secteurs. En raison de ,25 son exposition permanente aux gaz chauds, un anneau de turbine présente une durée de vie réduite. Il est donc nécessaire de le refroidir pour lui conférer une bonne tenue à haute température. Une solution de refroidissement connue consiste à munir l'anneau de tôles 30 multi-perforées entourant ledit anneau. De telles tôles sont décrites dans 2907841 2 les documents EP0893577, EP1134360, EP0516322, EP1225309 et EP1533478. Une tôle multi-perforée possède généralement la forme d'une baignoire en ce sens qu'elle comporte un fond et des parois latérales. Des orifices sont répartis essentiellement sur le fond de la tôle mufti-perforée 5 en rangée. De l'air de refroidissement, traverse la tôle multi-perforée par les orifices et impacte la paroi de l'anneau pour le refroidir. Le fond de la tôle multi-perforée est espacé de l'anneau par un entrefer. Tous les documents de l'art antérieur présentent un entrefer constant. 10 La température n'est pas homogène en tout point de l'anneau. Ceci a pour effet de créer des déformations de ce dernier. Lorsque l'anneau est constitué d'une pluralité de secteurs, chaque secteur se présente sous la forme d'un arc de cercle correspondant à un secteur angulaire de 15 l'anneau. A chaque secteur d'anneau correspond une tôle mufti-perforée. Un premier type de déformation peut se traduire circonférentiellement par un décambrage des secteurs, c'est-à-dire une perte de la concentricité des secteurs et par là-même de l'anneau. Un second type de déformation peut se traduire axialement par un déversement axial des secteurs, c'est-à-dire un décalage excessif de la distance de la partie amont ou de la partie aval des secteurs par rapport à l'axe (X) de la turbomachine sur laquelle ils sont fixés. Ces deux types de déformations peuvent conduire à une usure mécanique de l'anneau par frottement des aubes de la roue mobile en vis-à-vis. Ces usures créent un jeu irréversible entre les sommets des aubes et l'anneau de turbine. Ce jeu nuit au rendement de la turbomachine. 25 30 2907841 3 Pour atténuer ces déformations, il est nécessaire d'homogénéiser la température des secteurs d'anneau. Pour y parvenir, il est connu de faire varier sur une tôle multi-perforée différents paramètres comme le diamètre des orifices, le nombre d'orifices par rangée ou le pas entre 5 chaque rangée. La présente invention a pour but de palier aux problèmes précités en proposant une solution plus efficace par rapport aux solutions existantes. A cet effet, elle concerne un secteur d'anneau de turbine comportant : 10 • une paroi délimitant une veine aérodynamique dans laquelle s'écoule des gaz de l'amont vers l'aval, et • une tôle multi-perforée, située à l'opposé de la veine aérodynamique par rapport à la paroi, ladite tôle multi-perforée comprenant un fond et des parois latérales, 15 la distance entre la paroi du secteur d'anneau et le fond de la tôle multiperforée définissant un entrefer. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, l'entrefer est évolutif, c'est-à-dire non constant ou encore variable. En d'autres termes, 20 contrairement aux secteurs d'anneau muni de tôle multi-perforée antérieurs, le plan du fond de la tôle multi-perforée selon l'invention n'est pas séparée d'une distance constante du plan de la paroi du secteur d'anneau. Cette évolution de l'entrefer peut s'effectuer selon une direction axiale et/ou circonférentielle. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la valeur de l'entrefer situé à l'amont est inférieure à la valeur de l'entrefer situé à 30 l'aval. 2907841 4 Le fond de la tôle multi-perforée peut adopter une multitude de forme. Elle peut notamment être évolutive linéairement, curviligne ou bien encore par paliers, et ce sur sa totalité ou une partie seulement. L'invention permet avantageusement de réduire le gradient thermique sur les secteurs d'anneau. Une réduction de 40 Kelvin et davantage est escomptée, ce qui permet d'augmenter la durée de vie des anneaux. 10 Avantageusement, le secteur d'anneau selon l'invention peut non seulement équiper des turbines futures mais également des turbines en service disposant déjà de secteurs d'anneau comportant une tôle multiperforée. En déterminant les zones du secteur d'anneau à refroidir plus intensément, il est possible de remplacer l'ancienne tôle mufti-perforée 15 par une nouvelle tôle multi-perforée conforme à l'invention pour améliorer les caractéristiques de la turbine et accroître sa durée de vie, et ce, avec un temps de mise au point réduit et sans modification des pièces environnantes. 20 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de description détaillée qui suit en référence aux figures annexées, fournies à titre d'exemples non limitatifs, sur lesquelles : • la figure 1 représente une vue en une coupe d'un secteur d'anneau selon un premier mode de réalisation de l'invention ; 25 • la figure 2 représente une vue en perspective d'une tôle multi- perforée selon un premier mode de réalisation de l'invention ; • la figure 3 représente une vue en coupe d'un secteur d'anneau selon un second mode de réalisation de l'invention ; • la figure 4 représente une vue en coupe d'un secteur d'anneau 30 selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; 5 2907841 5 • la figure 5 représente une vue en coupe d'un secteur d'anneau selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ; et • la figure 6 représente une vue schématique en perspective d'une turbomachine. La figure 1 illustre un secteur d'anneau 1 de turbine constitué par une paroi 11 comportant une surface intérieure 16 et une surface extérieure 17, la surface intérieure 16 délimitant la limite extérieure d'une veine aérodynamique 5. 10 Lorsque les secteurs d'anneau 1 sont montés sur la turbine 8 d'une turbomachine 9, ils entourent circonférentiellement une roue mobile dont les sommets 31 des aubes 3 sont situés en regard de la surface intérieure 16 de la paroi 11 du secteur d'anneau 1. L'espace situé entre les sommets 15 31 d'aube 3 et la surface intérieure 16 de la paroi 11 du secteur d'anneau 1 constitue un jeu 4. Un secteur d'anneau 1 se fixe généralement sur le carter (non représenté) d'une turbine 8 par des moyens de fixation tels que des tenons 14 et 15 20 faisant saillie de la surface extérieure 17 de la paroi 11 du secteur d'anneau 1. Ces tenons 14 et 15, situés à chacune des extrémités amont 12 et aval 13 du secteur d'anneau 1, sont destinés à coopérer avec des rainures annulaires complémentaires (non représentées). 25 L'amont et l'aval se définissent par rapport au sens de l'écoulement des gaz dans la veine aérodynamique 5. Sur la figure 1, l'amont 52 se situe à gauche et l'aval 53 se situe à droite. Un espace délimitée par les tenons 14 et 15 et la surface extérieure 17 de 30 la paroi 11 du secteur d'anneau 1 définit une première baignoire , les 5 2907841 6 tenons 14 et 15 formant les parois latérales de la baignoire et la paroi 11 du secteur d'anneau 1 formant le fond de la baignoire. Cette première baignoire permet de loger une tôle multi-perforée 2 5 laquelle se présente sous la forme d'une seconde baignoire comportant des parois latérales 22 et 23 et un fond 21. Les extrémités 24 et 25 des parois latérales 22 et 23 de la tôle multi-perforée 2 sont recourbées et forment des rebords de manière à pouvoir prendre appui respectivement sur les tenons 14 et 15 du secteur d'anneau 1. L'épaisseur 10 d'une tôle multi-perforée 2 est sensiblement inférieure à celui du secteur d'anneau 1. La tôle multi-perforée 2 peut être obtenue par emboutissage. La fixation de cette tôle multi-perforée 2 sur le secteur d'anneau 1 peut s'effectuer par brasage. La paroi 11 du secteur d'anneau 1 et le fond 21 de la tôle multi-perforée 2 sont séparées d'une distance constituant un 15 entrefer 7. De l'air de refroidissement sous pression, pouvant être prélevé depuis le fond de la chambre de combustion, depuis le compresseur ou depuis tout autre moyen équivalent susceptible de fournir de l'air frais, est acheminé 20 dans un espace 6 situé à l'opposé du secteur d'anneau 1 par rapport à la tôle mufti-perforée 2. La surpression dans l'espace 6 force l'air de refroidissement à traverser la tôle multi-perforée 2 par des orifices 20 représentés sur la figure 2. Les orifices 20 peuvent être réalisés par un procédé d'électroérosion EDM (Electro Discharge Machining) ou par un 25 procédé de perçage laser. L'air de refroidissement sortant de la tôle multi-perforée 2 par les orifices 20 impacte la surface extérieure 17 de la paroi 11 du secteur d'anneau 1. Des échanges thermiques sont provoqués en chaque zone d'impact en regard de chaque orifice 20. L'air ainsi chauffé est ensuite évacué dans la 2907841 7 veine d'air aérodynamique 5 par des passages (non représentés) généralement réalisés à travers le secteur d'anneau 1. Ces passages peuvent être identiques à ceux décrits dans les documents précités, par exemple, le document EP0516322 présentant un secteur d'anneau 5 comportant des passages de grandes longueurs. L'air sortant de ces passages pour entrer dans la veine aérodynamique 5 doit présenter un débit suffisant pour initier un film d'air à l'amont 12 du secteur d'anneau 1. L'invention permet d'apporter un débit d'air plus important à l'amont 12 qu'à l'aval 13 du secteur d'anneau 1. 10 Le coefficient d'échange thermique dépend de la distance entre l'orifice 20 et la zone impactée et donc de l'entrefer 7. En règle générale, la diminution de l'entrefer 7 fait accroître le coefficient d'échange thermique. A l'inverse, l'augmentation de l'entrefer 7 fait décroître le coefficient 15 d'échange thermique. Il est ainsi possible de contrôler localement l'échange thermique entre l'air de refroidissement et la paroi 11 du secteur d'anneau 1 en faisant varier l'entrefer 7. Ce paramètre peut en outre être combiné à au moins l'un des autres paramètres connus susceptibles de faire varier le coefficient d'échange thermique tels que le 20 diamètre des orifices, le nombre d'orifices par rangée ou le pas entre chaque rangée. Les gaz chauds évoluant de l'amont 52 vers l'aval 53, la partie amont 12 du secteur d'anneau 1 est généralement plus chaude que la partie aval 13 25 du secteur d'anneau 1. Il est donc recommandé de refroidir plus intensément la partie amont 12. Dans ce cas, la tôle mufti-perforée 2 peut être conçue de manière à ce que l'entrefer 7 situé à l'amont 12 du secteur d'anneau 1 soit inférieur à l'entrefer 7 situé à l'aval 13 du secteur d'anneau 1. 30 2907841 8 Dans un premier mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 1, l'entrefer 7 est évolutif linéairement. Le fond 21 de la tôle mufti-perforée 2 s'étend selon un plan coupant l'axe (X) de révolution de la turbine 8, lequel est confondu avec l'axe (X) de révolution de la 5 turbomachine 9. Le fond 21 de la tôle multi-perforée 2 forme un angle a avec l'axe (X) de révolution de la turbine 8. Cet angle a est nécessairement supérieure à 0 et peut aller jusqu'à 45 . Selon les conditions de fonctionnement liées à chaque turbine, une pente correctement ajustée permet d'obtenir une température plus homogène 10 du secteur d'anneau 1. Dans un second mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 3, la valeur de l'entrefer 7 est évolutive par paliers, le fond 21 de la tôle multi-perforée 2 présentant une forme en escalier . Le fond 21 de la 15 tôle mufti-perforée 2 est constitué d'une pluralité de paliers ou de marches 121a, 121b et 121c successifs. Dans un troisième mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 4, l'entrefer 7 est constant en regard d'une première partie 221a de 20 la tôle mufti-perforée 2 et évolutif en regard d'une seconde partie 221b de la tôle mufti-perforée 2, cette évolution pouvant être linéaire ou curviligne. Dans l'exemple illustré à la figure 4, la seconde partie 221b évolue linéairement et forme un angle 13 avec la première partie 221a. Cet angle f3 est nécessairement supérieur à 0 et peut aller jusqu'à 60 . 25 Dans un quatrième mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 5, l'entrefer 7 est évolutif de manière curviligne selon une courbe, par exemple monotone et croissante de l'amont vers l'aval. Le fond 321 de la tôle 2 est alors convexe en regard de la paroi 11 du secteur d'anneau 1. 30 2907841 9 Bien que les modes de réalisation ci-dessus décrivent des entrefers 7 évolutifs selon une direction axiale (X), il est possible d'adapter l'entrefer 7 afin qu'il soit évolutif selon une direction circonférentielle (Y), dans un plan perpendiculaire à la direction axiale, par exemple pour corriger les 5 effets thermiques induits par les fuites inter-secteurs. La présente invention se rapporte également à un anneau de turbine comportant une pluralité de secteurs d'anneau tels que décrits ci-dessus, ainsi qu'à une turbine 8, représentée sur la figure 6 par un motif à pois, 10 comportant un anneau de turbine précité. L'invention concerne également une turbomachine 9, également représenté sur la figure 6, comportant une turbine 8 précitée. REVENDICATIONS 1. Secteur d'anneau (1) de turbine comportant : • une paroi (11) délimitant une veine aérodynamique (5) dans laquelle s'écoule des gaz de l'amont (52) vers l'aval (53), et • une tôle mufti-perforée (2), située à l'opposé de la veine 10 aérodynamique (5) par rapport à la paroi (11), ladite tôle multi-perforée (2) comprenant un fond (21, 121 ,221 ,321) et des parois latérales (22, 23), la distance entre la paroi (11) du secteur d'anneau (1) et le fond (21, 121, 221, 321) de la tôle multi-perforée (2) définissant un 15 entrefer (7), caractérisé en ce que ledit entrefer (7) est évolutif. 2. Secteur d'anneau de turbine (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'entrefer (7) est évolutif linéairement. 20 3. Secteur d'anneau (1) de turbine selon la revendication 1 caractérisé en ce l'entrefer (7) est évolutif de manière curviligne. 4. Secteur d'anneau (1) de turbine selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit entrefer (7) est constant en regard d'une première 25 partie (221a) de la tôle multi-perforée (2) et évolutif en regard d'une seconde partie (221b) de la tôle multi-perforée (2). 5. Secteur d'anneau (1) de turbine selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'entrefer (7), en regard de la seconde partie (221b) de 30 la tôle multi-perforée (2), est évolutif linéairement. 2907841 11 6. Secteur d'anneau (1) de turbine selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'entrefer (7), en regard de la seconde partie (221b) de la tôle multi-perforée (2), est évolutif de manière curviligne. 7. Secteur d'anneau (1) de turbine selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'entrefer (7), en regard de la seconde partie (221b) de la tôle multi-perforée (2), est évolutif de manière curviligne selon une courbe monotone et croissante. 8. Secteur d'anneau (1) de turbine selon la revendication 1 caractérisé en ce que la valeur de l'entrefer est évolutive par paliers (121a, 121b, 121c), le fond de la tôle multi-perforée (2) présentant une forme en escalier. 9. Secteur d'anneau (1) de turbine selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que l'entrefer (7) est évolutif selon une direction axiale, de l'amont (52) vers l'aval (53). 20 10. Secteur d'anneau (1) de turbine selon la revendication 9 caractérisé en ce que la valeur de l'entrefer situé à l'amont (52) est inférieure à la valeur de l'entrefer situé à l'aval (53). 11. Secteur d'anneau (1) de turbine selon l'une des revendications 25 précédentes caractérisé en ce que l'entrefer (7) est évolutif selon une direction circonférentielle. 12. Anneau de turbine comportant une pluralité de secteurs d'anneau (1) selon l'une des revendications précédentes. 5 15 30 2907841 12 13. Turbine (8) comportant un anneau de turbine selon la revendication précédente. 14. Turbomachine (9) comportant une turbine (8) selon la 5 revendication précédente.