Brevet FR2978197A1 — publié le 20130125

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne un distributeur de turbine pour une turbine de turbomachine, notamment un turbomoteur aéronautique ou une turbine industrielle. L'amélioration des performances des turbomachines et la réduction de leurs émissions polluantes conduit à envisager des températures de fonctionnement de plus en plus élevées. Pour des éléments de parties chaudes de turbomachines, il a 10 donc été proposé d'utiliser des matériaux composites à matrice céramique (CMC). En effet, ces matériaux présentent des propriétés thermostructurales remarquables, c'est-à-dire des propriétés mécaniques qui les rendent aptes à constituer des éléments de structure et la capacité à conserver ces propriétés mécaniques à des températures élevées. 15 De surcroît, les matériaux CMC ont une masse volumique bien inférieure à celle des matériaux métalliques utilisés traditionnellement pour des éléments de parties chaudes de turbomachines. Ainsi, les documents WO 2010/061140, WO 2010/116066 et W0 2011/080443 décrivent la réalisation d'aubes de turbomachines à plate- 20 forme et talon intégrés. L'utilisation de matériau CMC spécifiquement pour des distributeurs de turbine a aussi été proposée, notamment dans le document WO 2010/146288. Les distributeurs de turbine métalliques traditionnels sont habituellement formés par assemblage d'un nombre limité de secteurs 25 obtenus par fonderie et comprenant chacun un assez grand nombre de pales. La forme complexe de tels secteurs rend difficile leur réalisation en une seule pièce en matériau CMC. Pour obtenir un distributeur de turbine en matériau CMC, on est donc plutôt conduit à envisager un assemblage d'un nombre relativement élevé d'éléments individuels, ou aubes, chaque 30 aube ne comprenant qu'un faible nombre de pales, voire une seule pale. Se pose alors le problème de la réalisation, de façon simple économique, de l'assemblage des aubes de distributeur avec une cheiti satisfalte, notammb ..cur citer 1 iis fuit- entre la veine (e 'Ui I`~'~"'~~I"ic= 11 de ,1rhuis ur. 35 Objet et résumé de l'invention L'invention a pour but d'apporter une solution à ce problème et propose à cet effet un distributeur de turbine comportant une pluralité d'aubes en matériau composite à matrice céramique, chaque aube comprenant une plate-forme intérieure, une plate-forme extérieure présentant du côté extérieur des pattes d'accrochage et au moins une pale s'étendant entre les plates-formes intérieure et extérieure et solidaire de celles-ci, le distributeur comportant une couronne métallique de montage sur laquelle sont engagées les pattes d'accrochage des aubes, la couronne métallique supportant l'ensemble des aubes, s'étendant continûment le long de plates-formes extérieures d'aubes adjacentes, et formant une pièce de montage distincte entre les aubes et un carter de turbine. Ainsi, la couronne métallique de montage assure à la fois une fonction d'intégration des aubes du distributeur et une fonction d'étanchéité en s'étendant le long des plates-formes extérieures d'aubes. De préférence, la couronne métallique est formée par une tôle et peut ainsi présenter une capacité de déformation pour compenser des variations dimensionnelles différentielles d'origine thermique. Avantageusement, la couronne métallique présente des surfaces d'appui tronconiques contribuant au maintien radial et axial des aubes tout en permettant également de s'accommoder plus facilement de variations dimensionnelles différentielles. Selon un mode de réalisation, la couronne métallique a une section sensiblement en forme de s'ouvrant vers l'extérieur, ayant une partie de base, des parties d'extrémité formant crochets pour le montage avec un carter de turbine et des flans reliant la partie de base aux parties d'extrémité, et les surfaces de contact avec les pattes d'accrochage des aubes sont situées sur les faces externes des flans de la couronne. Avantageusement, la plate-forme extérieure de chaque aube présente une nervure faisant saillie du côté extérieur et venant en butée radiale contre une partie de surface de la couronne métallique, ce qui contrIhun a s'opposer- à un basculement L l'aube La nervure assure nus-JI -K Jr, [ilC 'i Cc31-I i)l()ii')11i,C111i (lÎ (iu jil De préférence, la couronne métallique est en une seule pièce et présente une fenêtre d'insertion des aubes. Dans ce cas, le distributeur peut comprendre en outre au moins un verrou de blocage en position d'une aube montée au niveau de la fenêtre d'insertion. Pour améliorer encore l'étanchéité, des plaquettes d'étanchéité peuvent être disposées sur les faces extérieures des plates-formes extérieures des aubes, chaque plaquette couvrant au moins partiellement une jonction entre les plates-formes extérieures de deux aubes adjacentes. 10 L'invention a aussi pour objet une turbine de turbomachine comprenant au moins un distributeur de turbine tel que défini ci-avant. Avantageusement, lorsque la turbine comprend en outre une roue mobile voisine du distributeur et comportant des aubes munies à leurs extrémités de léchettes en regard d'un matériau abradable supporté 15 par un anneau, une couronne métallique additionnelle est montée entre l'anneau support d'abradable et les plates-formes extérieures des aubes du distributeur, en appui sur celles-ci. Cette couronne métallique additionnelle contribue à améliorer l'étanchéité. Elle peut être sous forme d'une tôle. De préférence, la 20 couronne métallique additionnelle est en une seule pièce. Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins 25 annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe partielle d'une turbine basse-pression de turbomachine incorporant un distributeur selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective d'une aube du 30 distributeur de turbine de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue partielle en perspective d'une couronne métallique de montage du distributeur de la figure 1 ; - la finure 4 est une vue en perspective d'ur véi rcu utilisé pour Ily-iiituu ii tlqln' 1 - les figures 5 à II sont des vues partielles en coupe et/ou en perspective montrant des étapes successives de l'assemblage du distributeur de turbine de la figure 1 ; et - la figure 12 est une vue partielle en perspective et en partie arrachée montrant une variante de réalisation d'un distributeur de turbine selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation Une turbine basse-pression multi-étages telle que montrée partiellement sur la figure 1 comprend une pluralité de distributeurs fixes 10 qui alternent avec des roues mobiles 30 et sont montés dans un carter de turbine 40. Chaque roue mobile 30 comprend une pluralité d'aubes 32 ayant une plate-forme intérieure 34, une plate-forme extérieure ou talon 36 et une pale 38 s'étendant entre les plates-formes 34 et 36. Sous la plate-forme 34, l'aube se prolonge par un pied engagé dans un logement d'un disque 33. Du côté extérieur, le talon 36 supporte des léchettes 37 en regard d'un matériau abradable 41 porté par un anneau sectorisé 42. Les aubes 32 peuvent être des aubes métalliques traditionnelles ou des aubes en matériau CMC obtenues par exemple comme décrit dans les documents précités WO 2010/061140, WO 2010/116066 ou FR 2 953 885. Conformément à l'invention, au moins l'un des distributeurs, par exemple le distributeur 10 de la figure 1, est formé par une pluralité d'aubes de distributeur 12 en matériau CMC qui sont assemblées à l'aide d'une couronne de montage 20. Dans l'exemple illustré (figures 1 et 2), chaque aube 12 est une aube mono-pale avec une plate-forme intérieure 14, une plate-forme extérieure 16 et une pale 18 s'étendant entre les plates-formes 14 et 16 et solidaire de celles-ci. Les faces extérieures des plates-formes 14, 34 et les faces intérieures des plates-formes 16 et talons 36 délimitent la veine 50 d'écoulement de c~a dans la turbine, Sur 1, uu, fu(,-, internes, pidILLH fu[li-HS inter HUI 'I , Y; sir_, r~n il ~jii le disque 33. L'anneau de matériau abradable peut par exemple être constitué par une bande de matériau en nid d'abeilles enroulée sur elle-même et positionnée entre les nervures 141 et 142. Les léchettes 35 coopèrent avec le matériau abradable 151 pour assurer l'étanchéité du côté intérieur tandis que les léchettes 37 coopèrent avec le matériau abradable 41 pour assurer l'étanchéité aux sommets des aubes 32. Du côté extérieur, chaque plate-forme extérieure 16 d'une aube 12 présente des pattes d'accrochage 162, 164 qui font saillie vers l'extérieur respectivement du côté amont et du côté aval. Les termes amont et aval sont utilisés dans 1a présente description en référence au sens d'écoulement de gaz dans la veine 50. La patte d'accrochage amont 162 a une partie d'extrémité 162a repliée vers l'aval présentant une partie de surface d'appui interne tronconique 162b. La patte d'accrochage aval 164 a une partie d'extrémité 164a repliée vers l'amont présentant une partie de surface d'appui interne tronconique 164b. Egalement du côté extérieur, chaque plate-forme extérieure 16 d'une aube 12 présente une nervure 166 qui s'étend dans la direction longitudinale (axiale) de la plate-forme 16 et constitue un raidisseur de celle-ci. La nervure 166 peut être formée par un prolongement de la pale 18. Chaque aube 12 est réalisée en une seule pièce en matériau CMC. On pourra utiliser à cet effet un procédé tel que décrit dans le document WO 2010/146288 ou dans le document WO 2011/080443. Brièvement, une ébauche fibreuse est réalisée par tissage mufti-couches ou tridimensionnel à partir de fils en fibres de céramique, par exemple de carbure de silicium SiC ou en fibres de carbone. L'ébauche fibreuse est mise en forme pour obtenir une préforme fibreuse ayant une forme voisine de celle de l'aube à réaliser. La préforme est consolidée dans sa forme par exemple par imprégnation par une résine précurseur de carbone ou de céramique, puis réticulation et pyrolyse de la résine, la préforme étant maintenue dans un outillage. La préforme consolidée retirée de l'outillage est densifiée par une matrice céramique par exemple par infiltration chimique en phase gazeuse ou CVI ("Chemical Vapour Infiltration"). La matrice peut par exemple être en SiC ou être une matrice auto-cicatrisante comprenant des phases de matrice en carbure de bore B4C ou en système tertiaire Si-B-C. La réalisation de telles matrices auto-cicatrisantes est notamment décrite dans les documents US 5 246 756 et US 5 965 266. L'assemblage des aubes 12 pour former le distributeur de turbine 10 axisymétrique est réalisé à l'aide d'une couronne de montage annulaire 20 (figures 1, 3). La couronne 20 est avantageusement formée par une tôle. Le matériau constitutif de la couronne 20 est en métal ayant une bonne tenue aux températures rencontrées en service, par exemple un métal ou alliage métallique couramment utilisé dans les enceintes de turbine BP tel qu'un alliage à base principalement de nickel et de chrome connu sous la dénomination InconelO ou WaspaloyOE Dans l'exemple illustré, la couronne 20 a une section sensible-ment en forme de s2 ouvert vers l'extérieur. Elle comprend une partie de base 26 prolongée du côté amont et du côté aval par des ailes respectives amont et aval 22, 24 à section sensiblement en forme de S. Sur leurs faces externes, les ailes 22, 24 présentent dans leurs parties médianes respectives 222, 242, des parties de surface formant des portées tronconiques 222a, 242a. Sur leurs faces externes, les ailes 22, 24 présentent également dans leurs parties médianes respectives 222, 242, des parties de surface tronconiques formant des surfaces d'appui 222b, 242b. Les ailes 22, 24 se terminent par des parties d'extrémité repliées respectivement vers l'amont et vers l'aval pour former des crochets amont et aval, respectivement 224, 244 pour le montage dans le carter de turbine 40. De préférence, la couronne 20 forme un anneau en une seule pièce et présente une ouverture ou fenêtre 21 pour l'insertion des aubes 12 par leurs pattes d'accrochage 162, 164. La largeur de la fenêtre 21 est donc égale ou légèrement supérieure à la dimension des pattes d'accrochage 162, 164 en direction circonférentielle. Dans l'exemple illustré, la fenêtre 21 est formée par un évidement s'étendant entre une première e'trémité 212 située sensiblement au niveau du raccordement partie médiane 222 lé crochet 224 nt une cieu eeme Herne )1 1 i,I niveau du '-aCt é ut35 Une première étape consiste à insérer dans la couronne 20 un moyen de verrouillage permettant, après mise en place de la dernière aube 12 au niveau de la fenêtre d'insertion 21, d'immobiliser cette aube en position. Dans l'exemple illustré, ce moyen de verrouillage est formé de deux verrous 261, 262 tels qu'illustrés par la figure 4. Les verrous 261, 262 sont en un matériau métallique similaire, de préférence identique à celui de la couronne 20. Les verrous 261, 262 présentent des corps de verrou similaires 10 respectifs 2621, 2622 sous forme de secteurs annulaires. Au voisinage de l'une de ses extrémités circonférentielles 2631, le corps de verrou 2621 est prolongé à son sommet par un ergot de verrouillage 2641. De façon similaire, au voisinage de l'une de ses extrémités circonférentielles 2612, le corps de verrou 2622 est prolongé à son sommet par un ergot de 15 verrouillage 2642. Sur ses faces circonférentielles opposées, le corps de verrou 2621 présente des parties de surface formant des portées tronconiques 2661, 2681. De même, sur ses faces circonférentielles opposées, le corps de verrou 2622 présente des parties de surface formant des portées tronconiques 2662, 2682. 20 Les corps de verrou 2621, 2622 ont des dimensions et profils adaptés pour pouvoir être engagés dans la couronne 20 en passant à travers la fenêtre 21, pour pouvoir être insérés dans la partie de la couronne 20 située entre la base 26 et les parties médianes des ailes 22, 24, et pour pouvoir prendre une position dans laquelle les portées 25 tronconiques 2661 et 2662 sont au contact de la portée tronconique 222a, les portées tronconiques 2681 et 2682 sont au contact de la portée tronconique 242a et les ergots de verrouillage 2641, 2642 s'appuient sur la face externe du crochet amont 224. La figure 5 montre l'engagement du verrou 261 dans la fenêtre 21 de la couronne 20. La figure 6 montre les 30 verrous 261, 262 mis en place dans la couronne 20, de part et d'autre de la fenêtre 21, les faces d'extrémité 2631, 2612 au voisinage desquelles se situent les ergots de verrouillage 264-, 264- se faisant face. Unr ri_'rtdpe oui5ante constitution du distributeur oonr,,iste flCid^l 1 DIICC,SI,'«illUlt c;Llh', rulJII)IIIk 20 (_.(MIME' 35 basculement pour faire coulisser l'aube le long de la couronne 20. Les géométries des plates-formes extérieures 16 des aubes 12 et de la couronne 20 sont adaptées pour que la mise en place d'une aube 12 se fasse avec appui mutuel entre les surfaces d'appui tronconiques 162b et 222b, d'une part, et entre les surfaces d'appui tronconiques 164b et 242b, d'autre part, tandis que la nervure de raidissement 166 vient en butée sur la base 26 de la couronne 20 (figure 1). Les surfaces d'appui tronconiques 222b et 242b de la couronne 20 contribuent au maintien radial et axial des aubes 12. La nervure 166 et la base de la couronne 20 présentent avantageusement des surfaces de contact sensiblement planes, l'appui radial de la nervure 166 sur la base 26 s'opposant à un basculement de l'aube 12. Pour le montage de la dernière aube 12 au niveau de la fenêtre d'insertion 21, cette aube est munie d'un opercule 19 destiné à reconstituer la couronne 20 dans la partie correspondant à la fenêtre 21 (figure 9). L'opercule 19 est en tan matériau métallique de préférence identique à celui de la couronne 20. Après mise en place de la dernière aube, les verrous 261 et 262 sont rapprochés l'un de l'autre comme le montre la figure 10. Les ergots de verrouillage 2641, 2642 se trouvent à proximité l'un de l'autre au niveau de la fenêtre 21, immobilisant les verrous en basculement, de sorte que la dernière aube se trouve bloquée dans sa position comme le montre en coupe la figure 11. Le distributeur ainsi constitué est mis en place dans le carter de 25 turbine au moyen des crochets 224, 244 de façon similaire à un distributeur métallique traditionnel. La couronne 20 a pour fonction non seulement de permettre le montage et l'assemblage des aubes 12 mais aussi de limiter les fuites du côté extérieur de la veine 50 au niveau du distributeur, aucun moyen 30 d'étanchéité particulier n'étant dans cet exemple prévu entre les plates-formes extérieures jointives d'aubes 12 adjacentes. A l'amont du distributeur 10, les secteurs de l'anneau 42 sunpért du matériau abradable 41 peuvent ôtré ma!ntenus par ces I;uHL,LL, [11 [lt 1t _. tf E'(Tllt arll-51t Je- 01atL f«)rnleu 35 (figure 1) réalisée par exemple sous forme d'une tôle. La couronne 60 peut être en un matériau métallique similaire ou identique à celui de la couronne 20. La couronne 60 forme de préférence un anneau complet. Dans l'exemple illustré, elle présente une partie 62 en forme de U pour son accrochage au carter de turbine. La partie 62 est prolongée vers l'intérieur par une partie 64 à section sensiblement en forme de C formant crochet de maintien des secteurs de l'anneau 42, les parties 62 et 64 s'ouvrant vers l'amont. Sur son côté aval, la couronne 60 est en appui axial sur les faces amont des pattes d'accrochage amont 162 des aubes 12, au niveau de la base de la partie 62 à section en U et/ou au niveau de la partie 64. Les becquets 168 peuvent assurer le maintien radial de la partie 64 par appui sur celle-ci. Outre le support des secteurs de l'anneau 42, la couronne 60 contribue à améliorer l'étanchéité du côté extérieur de la veine 50. Une amélioration supplémentaire de l'étanchéité peut être apportée en disposant des plaquettes d'étanchéité 170 sur les faces extérieures des plates-formes extérieures 16 des aubes 12, comme le montre la figure 12. Les plaquettes 170 sont par exemple sous forme de tôles à section en U dont les ailes s'appuient sur les parties intérieures des pattes d'accrochage 162, 164. Les plaquettes 170 sont en un matériau métallique similaire et de préférence identique à celui de la couronne 20. Chaque plaquette recouvre la jonction entre deux plates-formes extérieures 16 en s'étendant par exemple entre les nervures de raidisse-ment 166 de deux aubes voisines. Les plaquettes 170 sont mises en place au fur et à mesure du montage des aubes 12. On notera que la réalisation de la couronne 20 sous forme d'une tôle métallique ayant de ce fait une certaine capacité de déformation ainsi que l'appui mutuel entre la couronne 20 et les aubes 12 sur des surfaces tronconiques permettent de s'accommoder de dilatations différentielles entre le matériau CMC des aubes 12 et le matériau métallique de la ironne 2n d'autant que les surfaces d'appui sont situées du côté r REVENDICATIONS1. Distributeur de turbine comportant une pluralité d'aubes (12) en matériau composite à matrice céramique, chaque aube comprenant une plate-forme intérieure (14), une plate-forme extérieure (16) présentant du côté extérieur des pattes d'accrochage (162, 164) et au moins une pale (18) s'étendant entre les plates-formes intérieure et extérieure et solidaire de celles-ci, caractérisé en ce qu'il comporte une couronne métallique de 10 montage (20) sur laquelle sont engagées les pattes d'accrochage (162, 164) des aubes, la couronne métallique supportant l'ensemble des aubes, s'étendant continûment le long de plates-formes extérieures d'aubes adjacentes, et formant une pièce de montage distincte entre les aubes et un carter de turbine (40). 15 2. Distributeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couronne métallique (20) est formée par une tôle. 3. Distributeur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la couronne métallique (20) présente des surfaces d'appui tronconiques (222b, 242b) contribuant au maintien radial et axial 20 des aubes. 4. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couronne métallique (20) a une section sensiblement en forme de Q s'ouvrant vers l'extérieur, ayant une partie de base (26), des parties d'extrémité (224, 244) formant crochets pour le 25 montage avec un carter de turbine (40) et des flans reliant la partie de base aux parties d'extrémité, et des surfaces d'appui tronconiques (222b, 242b) en contact avec les pattes d'accrochage des aubes sont situées sur les faces externes des flans de la couronne. 5. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 30 caractérisé en ce que la plate-forme extérieure (16) de chaque aube présente une nervure (166) faisant saillie du côté extérieur et venant en bute radiale contre une partie de surface de !a couronne métallique (20). 6 Distributeur solen l'une quelconque c!e revenclicetions 1 à 5, ari "IlSc-CpI 1 1 (,'LlWflll' fllutc3111(Ill( ()O) c'St (rl l_ln LlIC p1c'( rlu,11 1 Ill7. Distributeur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un verrou (261, 262) de blocage en position d'une aube montée au niveau de la fenêtre d'insertion (21). 8. Distributeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que des plaquettes d'étanchéité (170) sont disposées sur les faces extérieures des plates-formes extérieures (16) des aubes, chaque plaquette couvrant au moins partiellement une jonction entre les plates-formes extérieures de deux aubes adjacentes. 9. Turbine de turbomachine comprenant au moins un distributeur de turbine (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Turbine selon la revendication 9 comprenant une roue mobile (30) voisine du distributeur et comportant des aubes (32) munies à leurs extrémités de léchettes (37) en regard d'un matériau abradable (41) supporté par un anneau (42), caractérisée en ce qu'une couronne métallique additionnelle (60) est montée entre l'anneau (42) support d'abradable et les plates-formes extérieures (16) des aubes (12) du distributeur, en appui sur celle-ci.