Brevet FR3006364A1 — publié le 20141205

Roue de turbomachine, notamment pour turbine basse pression La présente invention concerne une roue de turbomachine, notamment une roue de turbine basse pression. Une telle roue comprend un disque portant des aubes métalliques dont les pieds sont engagés dans des rainures de la périphérie du disque. Selon une forme de réalisation connue de la demande de brevet FR 2 972 759, au nom de la Demanderesse, chaque aube d'une roue de turbine comprend une pale reliée par une plate-forme à une paroi médiane ou échasse s'étendant radialement et prolongée radialement à l'intérieur par un pied monté dans une rainure d'un disque, la plate-forme et l'échasse délimitant deux cavités latérales débouchant circonférentiellement, disposées de part et d'autre de l'échasse et situées en regard des cavités correspondantes des aubes directement adjacentes. La plate-forme comporte une paroi principale en forme de portion de cylindre, de portion de cône ou de portion géométrique en trois dimensions, prolongée à l'amont par un rebord amont s'étendant radialement et circonférentiellement, lui-même prolongé par un becquet s'étendant vers l'amont. La partie aval de la paroi principale forme un becquet aval. Un flasque aval s'étend radialement entre le becquet aval et le disque. Le rebord amont et le flasque aval assurent notamment une fonction d'étanchéité. Les rainures du disque sont régulièrement réparties autour de l'axe du disque et définissent entre elles des dents. En position de montage, les plates-formes des aubes sont disposées circonférentiellement les unes à côté des autres et entourent les dents du disque. Les bords longitudinaux des plates-formes des aubes sont séparés en direction circonférentielle par de faibles jeux. Des organes d'étanchéité, appelés parfois « bonbons », sont montés dans les cavités latérales précitées des aubes et sont, en fonctionnement, sollicités radialement vers l'extérieur par les forces centrifuges et viennent en appui radial sur les faces radialement internes des parois principales des plates-formes afin de limiter les fuites de gaz entre les bords longitudinaux des plates-formes. Ces organes peuvent également assurer un amortissement des vibrations auxquelles les aubes sont soumises en fonctionnement. Chaque organe d'étanchéité comprend une partie d'extrémité circonférentielle engagée dans la cavité latérale de la plate-forme d'une aube et une partie d'extrémité circonférentielle opposée, engagée dans la cavité latérale de la plate-forme d'une aube adjacente. Une virole est en général montée à l'amont du disque et comprend une partie périphérique externe portant un jonc annulaire en appui axial sur les faces amont des pieds d'aubes et des dents du disque, pour retenir axialement vers l'amont les aubes sur le disque. Le jonc est fendu et engagé dans une gorge annulaire située radialement à l'intérieur des plates-formes des aubes de façon à retenir axialement les aubes vers l'amont sur le disque. En fonctionnement, de l'air de refroidissement est prélevé en amont de la turbine et circule d'amont en aval dans un espace annulaire délimité par le disque et le flasque amont, puis s'écoule axialement dans des passages longitudinaux s'étendant entre les pieds d'aubes et les fonds des rainures du disque, pour assurer une ventilation des dents du disque. Les récents développements conduisent à utiliser des aubes en matériau composite à matrice céramique (C.M.C.). L'utilisation de ce type de matériau permet de réduire le poids des aubes et d'augmenter leur résistance aux températures élevées, mais nécessite également de revoir la géométrie des aubes, en particulier des plates-formes. En effet, il est relativement compliqué de réaliser une plate-forme comportant une structure similaire à celle de l'art antérieur (paroi principale prolongée par un rebord radial, lui-même prolongé par un becquet amont axial), une telle structure générant notamment des problèmes de torsion des fibres du matériau lors de la fabrication. Bien entendu, ce problème de simplification de la structure des plates-formes peut également se poser avec d'autres types d'aubes. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème, en proposant une roue de turbomachine comportant des aubes, par exemple en C.M.C., dont la structure peut être simplifiée, tout en assurant les fonctions d'étanchéité précitées. A cet effet, elle propose une roue de turbomachine, notamment pour turbine basse pression, comportant des aubes comprenant chacune une pale reliée par une plate-forme à une paroi médiane ou échasse s'étendant radialement et prolongée radialement à l'intérieur par un pied monté dans une rainure d'un disque, la plate-forme et l'échasse délimitant deux cavités latérales débouchant circonférentiellement, disposées de part et d'autre de l'échasse et situées en regard des cavités correspondantes des aubes directement adjacentes, des organes d'étanchéité étant logés dans les cavités adjacentes des aubes, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un flasque annulaire d'étanchéité monté en partie amont ou aval du disque, ledit flasque s'étendant radialement entre les plates-formes et le disque, en regard des rainures et des pieds des aubes, ledit flasque comportant des moyens de couplage en rotation avec l'un au moins des organes d'étanchéité. Le flasque annulaire assure ainsi la fonction d'étanchéité entre les plates-formes des aubes et le disque, de sorte que la structure de la plate-forme peut être considérablement simplifiée. Il est alors notamment possible d'utiliser des aubes en C.M.C. Afin d'immobiliser le flasque en rotation, celui-ci est couplé en rotation à au moins un des organes d'étanchéité. Selon une caractéristique de l'invention, le flasque comporte une partie en saillie engagée dans un logement de forme complémentaire de l'organe d'étanchéité correspondant, ou inversement. Dans ce cas, la partie en saillie est un pion, par exemple de section carrée ou rectangulaire. De préférence la périphérie radialement interne du flasque est fixée en partie amont ou aval du disque par crabotage. On rappelle qu'une liaison par crabotage implique la présence de parties en saillie ou en creux (dentée, crénelée ou festonnée) au niveau de la périphérie radialement interne du flasque, aptes à coopérer avec des parties complémentaires en creux ou en saillie du disque de manière à autoriser le montage axial du flasque sur le disque (les parties en saillie traversent les parties en creux), dans au moins une première position angulaire du flasque par rapport au disque, et de manière à autoriser le blocage axial du flasque par rapport au disque (les parties en saillie viennent en appui sur des butées du disque ou du flasque), dans au moins une seconde position angulaire du flasque par rapport au disque. Selon une autre caractéristique de l'invention, le flasque comporte un becquet annulaire s'étendant axialement vers l'amont. Un tel becquet a notamment pour fonction de délimiter la veine d'écoulement des gaz chauds traversant la turbine. L'aube peut être entièrement réalisée en un matériau composite 20 à matrice céramique ou C.M.C. Comme indiqué précédemment, l'utilisation d'un tel matériau permet de réduire la masse des aubes et d'augmenter leur résistance aux températures élevées. On rappelle que les gaz chauds traversant la turbine ont, de manière générale, une température comprise entre 600 et 1200 °C. 25 En outre, l'organe d'étanchéité peut être réalisé en métal et est par exemple creux ou plein. La partie radialement externe du flasque peut venir en appui axial sur les organes d'étanchéité et peut être écartée des pieds et des plates-formes des aubes. 30 Une telle structure présente notamment un intérêt particulier lorsque les aubes sont réalisées en C.M.C. et que le flasque et les organes d'étanchéité sont en métal. Dans ce cas, les aubes sont relativement peu résistantes au frottement avec des pièces métalliques. Le fait d'éviter tout contact entre les pieds ou les plates-formes des aubes en C.M.0 et le flasque métallique permet alors d'augmenter la durée de vie des aubes. De préférence, le flasque comporte des moyens d'étanchéité, tels par exemple qu'un joint torique, disposés entre le flasque et le disque, radialement à l'extérieur du fond des rainures de montage des pieds des aubes. Dans ce cas, de l'air de refroidissement prélevé en amont de la turbine peut pénétrer par des ouvertures ménagées au niveau de la périphérie radialement interne du flasque (par exemple les parties en creux servant au crabotage du flasque sur le disque), s'écouler entre le flasque et la face amont ou aval du disque, puis pénétrer dans le fond des rainures de manière à refroidir les dents du disque. Selon une forme de réalisation de l'invention, la roue de turbomachine comporte deux flasques annulaires d'étanchéité montés respectivement en partie amont et en partie aval du disque, chaque flasque s'étendant radialement entre les plates-formes des aubes et le disque, en regard des rainures et des pieds des aubes. Dans ce cas, l'un au moins des flasques peut comporter des moyens de couplage en rotation avec l'un au moins des organes d'étanchéité. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale d'une turbine basse-pression de turbomachine, - la figure 2 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale et à plus grande échelle d'une partie de la turbine de la figure 1 et illustre une roue de turbine de l'art antérieur, - la figure 3 est une demi-vue en coupe axiale d'une partie d'une roue de turbomachine selon une forme de réalisation de l'invention, - la figure 4 est une vue en perspective d'une partie d'une aube de la roue selon l'invention, - la figure 5 est une vue en perspective de l'aube de la figure 4, un organe d'étanchéité étant inséré dans l'une des cavités de l'aube, - la figure 6 est une vue en perspective illustrant le positionnement d'un organe d'étanchéité entre deux aubes, un flasque étant disposé en amont des aubes, - la figure 7 est une vue en perspective illustrant un pion de couplage en rotation du flasque, - la figure 8 est une vue en perspective illustrant le positionnement du flasque par rapport au disque de la roue selon l'invention, - la figure 9 est une vue de détail, en perspective, d'une partie du flasque et du disque. On se réfère d'abord à la figure 1 qui est une demi-vue schématique en coupe d'une turbine basse-pression 1 de turbomachine, selon un plan passant par l'axe de rotation du rotor de la turbine 1. Le rotor de la turbine basse-pression comprend quatre roues 2 assemblées axialement les unes aux autres par des brides annulaires et comportant chacune un disque 3 portant des aubes 4 individuelles. Comme cela est mieux visible à la figure 2, ces aubes 4 comprennent chacune une pale 5 reliée par une plate-forme 6 à une paroi médiane ou échasse 7 s'étendant radialement et prolongée radialement à l'intérieur par un pied 8 qui est engagé dans une rainure du disque 3. Les rainures de logement des pieds 8 des aubes 4 définissent entre elles des dents qui sont entourées par les plates-formes 6 des aubes 4. Le rotor est relié à l'arbre de turbine par l'intermédiaire d'un cône d'entraînement 10. Entre les roues 2 se trouvent des rangées annulaires d'aubes fixes 11 qui sont montées par des moyens appropriés à leurs extrémités radialement externes sur un carter 11 a de la turbine basse-pression. Les aubes fixes 11 de chaque rangée sont réunies entre elles à leurs extrémités radialement internes par des secteurs annulaires 12 placés circonférentiellement bout à bout. Des becquets ou rebords circonférentiels amont et aval 13 sont formés en saillie axiale sur les secteurs annulaires 12, et constituent des chicanes avec d'autres becquets ou rebords circonférentiels amont et aval 6c, 6d des plates-formes 6 des aubes 4, pour limiter le passage des gaz de combustion, provenant de la chambre de combustion en amont de la turbine 1, radialement de l'extérieur vers l'intérieur. Comme cela est mieux visible en figure 2, chaque plate-forme 6 comporte une paroi principale 6a en forme de portion de cylindre, de portion de cône ou de portion géométrique en trois dimensions, prolongée à l'amont par un rebord amont 6b s'étendant radialement et circonférentiellement, lui-même prolongée par un becquet 6c s'étendant vers l'amont. La partie aval de la paroi principale forme un becquet aval 6d. Les aubes 4 sont retenues axialement sur le disque 3 par l'intermédiaire d'un jonc annulaire 14 qui est monté en amont du disque 3 et est appliqué axialement sur des faces amont des pieds d'aubes 8 et des dents du disque 3 par une virole annulaire 15 solidaire du disque 3. La virole 15 s'étend autour d'une bride amont 16 du disque 3 et définit avec celle-ci un espace annulaire de circulation d'air de ventilation des dents du disque (flèche 17). Cet air est destiné à pénétrer dans des passages longitudinaux s'étendant entre les pieds d'aubes 8 et les fonds des rainures du disque 3. Il est connu de monter des organes d'étanchéité 18 appelés « bonbons » entre les aubes 4, dans des cavités latérales 19 en regard des plates-formes 6 des aubes 4. Chaque organe d'étanchéité 18 est monté entre deux aubes adjacentes 4 et comprend une partie d'extrémité circonférentielle logée dans la cavité latérale 19 d'une aube 4 et une partie d'extrémité circonférentielle opposée logée dans la cavité latérale 19 d'une aube 4 adjacente. Ces organes d'étanchéité 18 épousent avec de faibles jeux la forme interne des cavités 19. En fonctionnement, ces organes d'étanchéité 18 sont soumis aux forces centrifuges et sont plaqués radialement sur les faces internes des parois principales 6a des plates-formes 6, empêchant ainsi le passage radial de gaz chauds de la veine au niveau des zones d'appui. Comme indiqué précédemment, les récents développements conduisent à utiliser des aubes 4 en matériau composite à matrice céramique (C.M.C.). L'utilisation de ce type de matériau permet de réduire le poids des aubes 4 et d'augmenter leur résistance aux températures élevées, mais nécessite également de revoir la géométrie des aubes 4, en particulier des plates-formes 6. En effet, il est relativement compliqué de réaliser une plate-forme 6 comportant une structure similaire à celle de l'art antérieur (paroi principale 6a prolongée par un rebord radial 6b, lui-même prolongé par un becquet amont axial 6c), une telle structure générant notamment des problèmes de torsion des fibres du matériau lors de la fabrication. Bien entendu, ce problème de simplification de la structure des plates-formes 6 peut également se poser avec d'autres types d'aubes. Afin de répondre aux contraintes liées à l'utilisation d'un matériau composite à matrice céramique, l'invention propose une roue 2 de turbine basse-pression 1 telle qu'illustrée aux figures 3 à 9. Cette roue 2 comporte, comme précédemment, des aubes 4 comprenant chacune une pale 5 reliée par une plate-forme 6 à une paroi médiane ou échasse 7 s'étendant radialement et prolongée radialement à l'intérieur par un pied 8 monté dans une rainure d'un disque 3. La plate- forme 6 et l'échasse 7 délimitent deux cavités latérales 19 débouchant circonférentiellement, disposées de part et d'autre de l'échasse 7 et situées en regard des cavités correspondantes 19 des aubes 4 directement adjacentes. Chaque plate-forme 6 comporte une paroi principale 6a tronconique, prolongée à l'aval par un becquet 6d s'étendant axialement vers l'aval. La plate-forme 6 est ainsi dépourvue de rebord radial amont 6b et de becquet amont 6c. L'échasse 7 de chaque aube 4 comporte des parois latérales opposées 20, 21 respectivement convexe et concave. Des organes d'étanchéité métalliques 18 sont logés dans les cavités adjacentes 19 des aubes 4. Chaque organe d'étanchéité 18 peut être plein ou creux et comporte des parois amont 22 et aval 23 radiales, des parois latérales convexe et concave, de formes complémentaires aux parois correspondantes 20, 21 des échasses 7 des aubes 4 adjacentes, et une paroi radialement externe tronconique 24, de forme correspondant à la surface radialement interne des parois principales 6a des aubes 4 adjacentes. Un logement 25 de section rectangulaire ou carrée est formé dans la paroi radiale amont 22 de l'un au moins des organes d'étanchéité 18. Ce logement 25 débouche au niveau du bord radialement interne de la paroi amont 22. De préférence, un tel logement 25 est formé dans au moins deux, en particulier trois des organes d'étanchéité 18, régulièrement répartis sur la circonférence de la roue de turbine 2, pour des raisons d'équilibrage. Les organes d'étanchéité 18 s'étendent radialement sur une partie seulement de la hauteur des cavités 19 correspondantes. Un flasque amont 26, annulaire et métallique, est monté en partie amont du disque 3. Le flasque amont 26 comporte une partie radialement externe 26a, s'étendant radialement. La partie radiale externe 26a vient en appui sur les parois amont 22 des organes d'étanchéité 18 et est écartée des plates-formes 6, des échasses 7 et des pieds 8 des aubes 4. Cet écartement est suffisamment important pour éviter le contact entre les aubes 4 en C.M.C. et le flasque métallique 26, malgré les phénomènes de dilatations différentielles pouvant se produire en fonctionnement, ce qui permet d'augmenter la durée de vie des aubes 4. Un ou plusieurs plots 27, de section carrée ou rectangulaire, s'étendent axialement vers l'aval depuis la surface aval de la partie radiale externe 26a. Le ou les plots 27 sont engagés dans les logements 58 de formes complémentaires des organes d'étanchéité 18 correspondants, de manière à immobiliser en rotation le flasque 26 par rapport aux organes d'étanchéité 18. En effet, cet écartement entre le flasque et le pied ou l'échasse de l'aube en C.M.C. permet d'éviter l'application d'un effort très localisé sur cette partie de l'aube et donc d'éviter d'endommager l'aube en C. M. C. Un joint torique 28 est engagé dans une gorge ménagée dans la face aval de la partie radiale externe 26a du flasque 26, le joint 28 venant en appui sur les dents du disque 3 et sur les pieds 8 des aubes 4, radialement à l'extérieur du fond des rainures du disque 3. Le flasque 26 comporte en outre un becquet annulaire 26b s'étendant radialement vers l'amont depuis la partie externe 26a, et une partie radialement interne 26c, s'étendant radialement et décalée axialement vers l'aval par rapport à la partie radiale externe 26a, de façon à former un épaulement cylindrique 26d. La périphérie radialement interne de la partie interne 26c comporte une denture, les dents 29 présentant des sections globalement trapézoïdales. Certaines des dents 29 sont traversées par des trous axiaux 30, permettant l'engagement de plots d'un outil (non représenté) servant au montage du flasque 26 sur le disque 3. Le disque 3 comporte en outre un rebord cylindrique 31 s'étendant vers l'amont, dont l'extrémité libre est formée par une couronne dentée 32 dont les dents 33 s'étendent radialement vers l'extérieur depuis le rebord 31. Une gorge 34 est ainsi délimitée par la couronne 32, le rebord 31, et une partie radiale 35 du disque 3. La gorge 34 est située en aval de la couronne dentée 32. Les dents 33 de la couronne 32 définissent entre elles des zones en creux permettant le passage des dents 29 du flasque 26, de manière à pouvoir insérer axialement la partie radiale interne 26c du flasque 26 dans la gorge 34, en aval de la couronne 32. Une fois cette insertion réalisée, le pivotement du flasque 26 par rapport au disque 3, d'une valeur angulaire déterminée, permet de positionner les dents 29 du flasque 26 en regard des dents 33 de la couronne 32, et d'éviter ainsi le retrait accidentel du flasque 26 (voir figures 8 et 9). Un tel mode de fixation est appelé crabotage. La roue 2 comporte en outre un flasque aval 36, annulaire et métallique, monté en partie aval du disque 3 et s'étendant globalement radialement. Il comporte une partie radialement externe 36a comprenant une saillie annulaire 37 en appui sur les parois aval 23 des organes d'étanchéité 18. Le flasque aval 36 est en outre écarté axialement des plates-formes 6, des échasses 7 et des pieds 8 des aubes 4. Comme précédemment, cet écartement est suffisamment important pour éviter le contact entre les aubes 4 en C.M.C. et le flasque métallique 36, malgré les phénomènes de dilatations différentielles pouvant se produire en fonctionnement, ce qui permet d'augmenter la durée de vie des aubes 4. Un joint torique 38 est engagé dans une gorge ménagée dans la face amont du flasque aval 36, le joint venant en appui sur les dents du disque 3 et sur les pieds 8 des aubes 4, radialement à l'extérieur du fond des rainures du disque 3. Le flasque aval 36 comporte en outre une partie radialement interne 36b qui est fixée par crabotage au disque 3, par l'intermédiaire de dents 39 formées à la périphérie radialement interne du flasque aval 36 et d'une couronne dentée 40 correspondante, située en partie aval du disque 3. En fonctionnement, de l'air de refroidissement prélevé en amont de la turbine peut pénétrer entre les dents 29, 33 du flasque amont 26 et de la couronne dentée correspondante 32 du disque 3, s'écouler entre le flasque 26 et la face amont du disque 3, puis pénétrer dans le fond des rainures de manière à refroidir les dents du disque 3. Cet air s'échappe ensuite à l'aval, entre les dents 39 du flasque aval 36 et de la couronne dentée correspondante 40 du disque 3. REVENDICATIONS1. Roue (2) de turbomachine, notamment pour turbine basse pression (1), comportant des aubes (4) comprenant chacune une pale (5) reliée par une plate-forme (6) à une paroi médiane ou échasse (7) s'étendant radialement et prolongée radialement à l'intérieur par un pied (8) monté dans une rainure d'un disque (3), la plate-forme (6) et l'échasse (7) délimitant deux cavités latérales (19) débouchant circonférentiellement, disposées de part et d'autre de l'échasse (7) et situées en regard des cavités (19) correspondantes des aubes (4) directement adjacentes, des organes d'étanchéité (18) étant logés dans les cavités adjacentes (19) des aubes (4), caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un flasque annulaire d'étanchéité (26) monté en partie amont ou aval du disque (3), ledit flasque s'étendant radialement entre les plates-formes (6) et le disque (3), en regard des rainures et des pieds (9) des aubes (4), ledit flasque (26) comportant des moyens de couplage en rotation (27, 25) avec l'un au moins des organes d'étanchéité (18). 2. Roue (2) de turbomachine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le flasque (26) comporte une partie en saillie (27) 20 engagée dans un logement (25) de forme complémentaire de l'organe d'étanchéité (18) correspondant, ou inversement. 3. Roue (2) de turbomachine selon la revendication 2, caractérisée en ce que la partie en saillie est un pion (27), par exemple de section carrée ou rectangulaire. 25 4. Roue (2) de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la périphérie radialement interne (26c) du flasque (26) est fixée en partie amont ou aval du disque (3) par crabotage. 5. Roue (2) de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le flasque (26) comporte un becquet annulaire 30 (26b) s'étendant axialement vers l'amont. 6. Roue (2) de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'aube (4) est entièrement réalisée en un matériau composite à matrice céramique. 7. Roue (2) de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'organe d'étanchéité (18) est réalisé en métal et est creux ou plein. 8. Roue (2) de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la partie radialement externe (26a) du flasque (26) vient en appui axial sur les organes d'étanchéité (18) et est écartée des pieds (8) et des plates-formes (6) des aubes (4). 9. Roue (2) de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le flasque (26) comporte des moyens d'étanchéité, tels par exemple qu'un joint torique (28), disposés entre le flasque (26) et le disque (3), radialement à l'extérieur du fond des rainures de montage des pieds (8) des aubes (4). 10. Roue (2) de turbomachine selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte deux flasques annulaires d'étanchéité (26, 36) montés respectivement en partie amont et en partie aval du disque (3), chaque flasque (26, 36) s'étendant radialement entre les plates-formes (6) des aubes (4) et le disque (3), en regard des rainures et des pieds (8) des aubes (4), l'un au moins des flasques (26) comportant des moyens de couplage en rotation (27, 25) avec l'un au moins des organes d'étanchéité (18).