Brevet FR2957115A1 — publié le 20110909

ETAGE DE TURBINE DANS UNE TURBOMACHINE La présente invention concerne un étage de turbine dans une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur. Une turbomachine comprend essentiellement d'amont en aval un compresseur, une chambre de combustion et une turbine, le compresseur alimentant la chambre de combustion en air sous pression, et la turbine recevant les gaz chauds provenant de la chambre de combustion pour en extraire de l'énergie. Classiquement, un étage de turbine basse pression comprend un redresseur formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes s'étendant radialement entre deux plates-formes annulaires interne et externe et une roue de rotor montée en amont du redresseur à l'intérieur d'un anneau porté par un carter entourant l'étage de turbine. La plate-forme externe du redresseur comprend des moyens d'accrochage sur le carter. L'anneau porte une garniture d'étanchéité coopérant avec des léchettes de la périphérie externe de la roue de rotor et est serré entre un rebord annulaire amont de la plate-forme externe du redresseur et les moyens d'accrochage de la plate-forme. En fonctionnement, une partie des gaz chauds sortant de la chambre de combustion et circulant dans la turbine s'échappe entre l'extrémité aval radialement interne de la roue de rotor et l'extrémité amont de la plate-forme externe du redresseur. Ces gaz traversent ensuite la zone de fixation aval de l'anneau au carter et circulent dans une cavité annulaire définie entre le carter et la plate-forme externe du redresseur. Cette recirculation de gaz chauds vers le carter de turbine conduit à une dilatation de celui-ci. II s'ensuit une augmentation des jeux entre les parties tournantes et les parties fixes et particulièrement entre les léchettes de la roue de rotor et la garniture d'étanchéité, conduisant à une augmentation de la consommation en carburant et une diminution des performances de la turbomachine. Pour limiter l'augmentation de température du carter, une solution pourrait consister à monter des moyens d'isolation thermique au droit du redresseur dans la cavité annulaire définie entre la plate-forme externe du redresseur et le carter. Toutefois, les vibrations générées par la turbomachine sont tellement fortes qu'aucun moyen d'isolation thermique classique ne résiste lors du fonctionnement de la turbomachine de sorte que le carter n'est plus isolé thermiquement. Ainsi, il existe un besoin pour la réalisation d'une isolation thermique du carter de turbine qui soit fiable dans le temps. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ce problème, permettant d'éviter les inconvénients de la technique connue. A cette fin, elle propose un étage de turbine pour une turbomachine comprenant un redresseur monté à l'intérieur d'un carter et formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes reliées à une plate-forme annulaire externe comportant des moyens d'accrochage sur le carter, et des moyens d'isolation thermique montés dans une cavité annulaire formée entre la plate-forme et le carter, caractérisé en ce que ces moyens d'isolation thermique comprennent une structure annulaire rigide entourée par une enveloppe en matière compressible et isolante thermiquement qui est précontrainte sur le carter et le redresseur et qui est en contact continu sur toute son étendue avec le carter et le redresseur. La conception de moyens d'isolation thermique à structure interne rigide permet aux moyens d'isolation thermique de résister aux vibrations de la turbomachine en fonctionnement. L'utilisation d'une couche ou enveloppe externe compressible permet un montage à force des moyens d'isolation thermique dans la cavité annulaire afin d'assurer un contact continu et permanent en fonctionnement des moyens d'isolation thermique avec le carter et le redresseur. Ainsi, toute circulation d'air est empêchée sur la surface interne du carter puisque les moyens d'isolation thermique sont maintenus en position durant tout le fonctionnement de la turbomachine. L'enveloppe compressible permet également d'éviter tout contact entre la structure rigide des moyens d'isolation thermique et le carter également rigide, ce qui provoquerait une usure prématurée de ce dernier. Avantageusement, les moyens d'accrochage de la plate-forme comprennent des pattes annulaires amont et aval appliquant l'enveloppe compressible sur le carter afin d'assurer la précontrainte des moyens d'isolation thermique sur le carter et sur le redresseur. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'étage de turbine comprend également une roue de rotor agencé en amont du redresseur et tournant à l'intérieur d'un anneau porté par le carter, cet anneau définissant une autre cavité annulaire avec le carter dans laquelle sont montés des moyens d'isolation thermique du type précité. Dans une réalisation particulière de l'invention, la structure annulaire rigide comprend un feuillard métallique entourant une structure alvéolaire multicouche. La disposition d'un feuillard métallique autour de la structure alvéolaire évite un endommagement de l'enveloppe isolante compressible par les feuilles de faible épaisseur (de l'ordre de 0,07 à 0,08 millimètres) de la structure alvéolaire multicouche. Dans une réalisation pratique de l'invention, le feuillard métallique externe a une épaisseur de l'ordre de 0,lmm à 0,25mm et les alvéoles ont des dimensions géométriques de l'ordre de 0,8mm à 1,6mm, voire 3mm. Une telle dimension des alvéoles permet d'éviter que des recirculations d'air dans les alvéoles suite à une perforation de l'enveloppe compressible ne réchauffent la structure rigide et par suite le carter. Dans une réalisation pratique de l'invention, la structure alvéolaire est une structure métallique ou composite du type en nid d'abeille ou analogue. Une structure composite du type à matrice céramique présente l'avantage par rapport à une structure métallique d'avoir une plus faible conductivité thermique. Selon une autre caractéristique de l'invention, les couches de la structure alvéolaire s'étendent circonférentiellement. Afin de faciliter la réalisation de l'étage de turbine, le redresseur et les moyens d'isolation thermique sont sectorisés. Avantageusement, l'enveloppe compressible est réalisée par tressage, ce qui permet lorsque la structure rigide est insérée dans l'enveloppe, de facilement appliquer l'enveloppe sur la structure rigide par traction sur les extrémités de l'enveloppe. La réalisation de l'enveloppe par tressage permet de garantir qu'elle reste bien en place sur le carter et ne frotte pas sur celui-ci. De plus, une telle enveloppe tressée est souple et compressible et facilite l'insertion des moyens d'isolation thermique dans la cavité annulaire d'un redresseur. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'enveloppe compressible est réalisée en matière souple telle qu'un tissu épais résistant à haute température, du type laine de silice, et a une épaisseur d'environ 2 à 4mm. L'invention concerne également une turbomachine telle qu'un 20 turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant un étage de turbine basse pression du type décrit précédemment. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins 25 annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'une turbine basse pression selon la technique antérieure ; - la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'une turbine basse pression selon l'invention. 30 On se réfère tout d'abord à la figure 1, qui représente une turbine basse pression 10 d'un turboréacteur, comprenant plusieurs étages 12, 14 comportant chacun un redresseur 16, 18 formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes 20 portées par un carter 22 de la turbine, et une roue de rotor 24, 26 montée en amont du redresseur et tournant dans un anneau 28, 30 sectorisé porté par le carter 22 de turbine. Chaque redresseur 16, 18 comprend deux plates-formes coaxiales interne et externe 32, respectivement, qui délimitent entre elles une veine annulaire d'écoulement des gaz dans la turbine et entre lesquelles s'étendent radialement les aubes fixes 20. Chaque plate-forme externe 32 comprend des moyens d'accrochage sur le carter. Ces moyens comprennent deux pattes annulaires amont 34 et aval 36, respectivement, comportant chacune à leur extrémité radialement externe un rebord cylindrique 38, 40 s'étendant vers l'amont et vers l'aval, respectivement. Une cavité annulaire 42 est formée entre chaque plate-forme externe 32 et le carter 22 et est délimitée en amont et en aval par les pattes annulaires amont 38 et aval 40, respectivement. Chaque roue de turbine 24, 26 comprend une pluralité d'aubes 44 s'étendant radialement entre une paroi de révolution interne et une paroi de révolution externe 46. Chaque paroi de révolution externe 46 porte sur sa surface externe des léchettes 48 coopérant avec une garniture d'étanchéité 50 en matériau abradable portée par l'anneau 28, 30 pour limiter le passage d'un flux de gaz à cet endroit. La garniture d'étanchéité 50 est une structure multicouche en nid d'abeille. Une cavité annulaire 52 est définie entre chaque anneau 28, 30 et le carter 22. L'anneau 28 du premier étage 12 de turbine basse pression comprend à son extrémité amont un rebord circonférentiel 54 serré radialement sur un rail annulaire 56 du carter 22 par un organe de verrouillage 58 à section en C engagé axialement sur le rail 56 du carter 22 et sur le rebord 54 de l'anneau 28. Les extrémités amont des anneaux 30 des étages suivants sont engagées sur un rail annulaire 60 du carter 22 pour leur maintien radial. L'extrémité aval de chaque anneau 28, 30 est bloquée radialement entre un rebord amont 62 d'une plate-forme externe 32 et un rebord cylindrique 38 d'une patte amont 34 d'un redresseur engagée sur un rail annulaire 64 du carter 22. Le rebord cylindrique aval 40 de chaque patte aval 36 d'un redresseur est serré radialement sur le rail annulaire 60 de maintien de l'anneau 30 situé en aval, au moyen d'un organe de verrouillage 58 à section en C engagé axialement sur ce rail annulaire 60 et sur le rebord cylindrique 40 de la patte aval. En fonctionnement, les zones annulaires de fixation amont et aval des anneaux 28, 30 et des plates-formes externes 32 au carter 22, telles que décrites ci-dessus, ne permettent pas d'assurer une étanchéité parfaite aux gaz circulant dans la veine annulaire. Ainsi, on observe en fonctionnement, que des gaz en provenance de la veine annulaire circulant au niveau des espacements axiaux entre les parois de révolution externes 46 des roues 24, 26 de rotor et les plates-formes externes 32 des redresseurs 16, 18 traversent les zones de fixation des anneaux 28, 30 et plates-formes externes 32 et viennent impacter le carter 22. II s'ensuit une dilatation du carter 22 conduisant à une augmentation du jeu entre les léchettes 48 et la garniture d'étanchéité 50 et donc à une diminution des performances de la turbomachine. L'invention permet d'isoler thermiquement le carter 22 en montant des moyens d'isolation thermique dans les cavités annulaires 42, ces moyens ayant une structure annulaire rigide 66 entourée par une enveloppe 68 en matière compressible et isolante thermiquement (figure 2). La partie annulaire amont de l'enveloppe 68 est compressée entre le rebord cylindrique 38 de la patte amont 34 et le carter 22 et la partie aval de l'enveloppe 68 est en appui sur la patte annulaire aval 36. De cette manière, l'enveloppe compressible 68 est précontrainte sur le carter 22 de turbine sur toute son étendue axiale et circonférentielle grâce aux pattes annulaires amont 34 et aval 36 du redresseur pour être en contact continu avec le carter 22 et éviter ainsi des circulations de gaz entre le carter 22 et les moyens d'isolation thermique. La structure annulaire rigide 66 comprend une structure alvéolaire multicouche 67 laquelle peut être une structure métallique ou composite du type en nid d'abeille. Chaque couche est formée de deux fines feuilles (par exemple de 0,07 à 0,08 millimètre d'épaisseur pour la structure métallique) entre lesquelles sont disposés des alvéoles à section hexagonale. Les couches de la structure alvéolaire 67 s'étendent circonférentiellement. Un feuillard métallique 70 entoure la structure alvéolaire 67 et est intercalé entre la structure alvéolaire multicouche 67 et l'enveloppe compressible 68 afin d'éviter une perforation de l'enveloppe compressible 68 par les feuilles potentiellement coupantes de la structure alvéolaire multicouche 67. Une lamelle annulaire métallique 72 de protection thermique peut être montée dans une cavité annulaire 52 définie au droit du rotor comme représenté pour le premier étage de la turbine basse pression. Cette lamelle 72 de protection est serrée à son extrémité aval entre le rail annulaire 64 et l'anneau 28 et est en appui à son extrémité amont sur le carter 22. Les moyens d'isolation thermique sont annulaires ou sectorisés et peuvent se présenter sous la forme de deux secteurs de 180° chacun ou bien de trois secteurs de 120° chacun, juxtaposés bout à bout et ayant avantageusement des extrémités en biseau qui se recouvrent mutuellement. L'enveloppe compressible 68 est réalisée par tressage et comprend au moins deux épaisseurs de tresse. Les moyens d'isolation thermique et leur mise en place sont réalisés comme suit. Un secteur de structure alvéolaire multicouche 67 est tout d'abord recouvert d'un feuillard métallique 70 puis cet ensemble est monté à l'intérieur d'une enveloppe tressée souple ayant un diamètre interne par exemple supérieur au diamètre externe maximum de la structure annulaire rigide 66. Une traction dans des sens opposés est appliquée aux extrémités de l'enveloppe compressible 68 conduisant à une réduction de son diamètre et à son application sur la structure annulaire rigide 66. L'ensemble ainsi formé est monté dans une cavité annulaire 42 de redresseur et précontraint par les pattes annulaires amont 34 et aval 36 du redresseur 16. En variante, l'enveloppe tressée peut avoir un diamètre inférieur à la dimension de la structure alvéolaire multicouche et est enfilée sur cette structure en s'étirant circonférentiellement. Des moyens d'isolation thermique selon l'invention peuvent également être montés dans les cavités annulaires 52 entourant les roues de rotor et remplacent les lamelles annulaires 72. II est préférable que les alvéoles soient de faibles dimensions, et de l'ordre de 0,8 à 3mm, afin d'éviter des recirculations d'air dans les alvéoles en cas de perforation de l'enveloppe 68 et du feuillard métallique 70, ce qui conduirait à une élévation de la température de la structure annulaire rigide 66. Dans une réalisation pratique de l'invention, le feuillard métallique 70 est réalisé en acier ayant des capacités métallurgiques à haute température et son épaisseur est d'environ 0,1 à 0,25mm. L'enveloppe compressible 68 est réalisée en matériau du type laine de silice et son épaisseur est de l'ordre de 2 à 4mm. REVENDICATIONS1. Etage de turbine pour une turbomachine, comprenant un redresseur (16) monté à l'intérieur d'un carter (22) et formé d'une rangée annulaire d'aubes fixes (20) reliées à une plate-forme annulaire externe (32) comportant des moyens d'accrochage sur le carter et des moyens d'isolation thermique montés dans une cavité annulaire (42) formée entre la plate-forme (32) et le carter (22), caractérisé en ce que ces moyens d'isolation thermique comprennent une structure annulaire rigide (66) entourée par une enveloppe (68) en matière compressible et isolante thermiquement qui est précontrainte sur le carter (22) et le redresseur (16) et qui est en contact continu sur toute son étendue avec le carter (22) et le redresseur (16). 2. Etage de turbine selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'accrochage de la plate-forme (32) comprennent des pattes annulaires amont (34) et aval (36) appliquant l'enveloppe compressible (68) sur le carter (22). 3. Etage de turbine selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend une roue de rotor (24) agencée en amont du redresseur (16) et tournant à l'intérieur d'un anneau (28) porté par le carter (22), cet anneau (28) définissant une autre cavité annulaire (52) avec le carter (22) dans laquelle sont montés des moyens d'isolation thermique du type précité. 4. Etage de turbine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la structure annulaire rigide (66) comprend un feuillard métallique (70) entourant une structure alvéolaire multicouche (67). 5. Etage de turbine selon la revendication 4, caractérisé en ce que la structure alvéolaire (67) est une structure métallique ou composite du type en nid d'abeille ou analogue. 6. Etage de turbine selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que les couches de la structure alvéolaire (67) s'étendent circonférentiellement. 7. Etage de turbine selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les alvéoles ont des dimensions de l'ordre de 0,8 à 3millimètres. 8. Etage de turbine selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé que le redresseur (16) et les moyens d'isolation thermique sont sectorisés. 9. Etage de turbine selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'enveloppe compressible (68) est réalisée par tressage et a une épaisseur d'environ 2 à 4 millimètres. 1O.Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend un étage de turbine basse pression selon l'une des revendications 1 à 9.15