Brevet FR3018547A1 — publié le 20150918

SYSTEME D'ETANCHEITE ENTRE DISQUES DE TURBINE HAUTE PRESSION AVEC LIAISON CURVIC DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention porte sur le domaine des turbomachines et plus particulièrement sur les systèmes d'étanchéité de turbines à haute pression de turbopropulseurs ou de turbofans. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Une turbine haute pression est généralement disposée dans une veine en sortie de chambre de combustion. Les gaz admis dans la turbine sont très chauds et nécessitent l'utilisation d'un système de refroidissement pour éviter la détérioration des composants présents dans et à proximité de la turbine. Un distributeur de turbine haute pression comporte un tel système de refroidissement alimenté par un flux d'air en provenance du compresseur haute pression. Ce flux d'air est scindé en deux flux différents dès le compresseur haute pression : un flux extérieur et un flux intérieur. Le flux extérieur est conduit par un réseau de canalisations jusqu'à une virole externe du distributeur puis traverse les aubes du distributeur par l'intérieur. Une première partie de cet air refroidit l'aube en sortant par des orifices situés sur ses surfaces ou arêtes situées dans la veine. La deuxième partie de cet air ressort par le pied de chaque aube, à travers une virole interne de distributeur. Cet air débouche dans une cavité située sous le pied de distributeur et entre un disque de rotor amont et un disque de rotor aval. Plus précisément, la deuxième partie du flux extérieur est éjectée dans la cavité sous distributeur en amont d'un joint à labyrinthe. Ce joint à labyrinthe comporte une combinaison de léchettes et d'un revêtement abradable en vis-à-vis des léchettes. Les léchettes sont disposées sur une paroi de la partie rotor et le revêtement abradable sur une surface fixée au pied des aubes. La pression dans la cavité sous distributeur est maintenue supérieure à la pression dans la veine de turbine. Ceci empêche d'une part la fuite du flux de veine dans la cavité sous distributeur et résulte en un écoulement depuis la cavité vers la veine (gaz issus de la deuxième partie du flux extérieur). Cet écoulement de la cavité vers la veine dans l'intervalle entre les disques de rotor et le pied de distributeur est appelé purge. Dans les technologies actuelles, étant donné que la pression statique du flux de veine diminue à mesure que l'on avance dans la veine, l'essentiel de la deuxième partie du flux extérieur tend à alimenter la purge aval (entre le pied de distributeur et le disque de rotor aval). Ceci se produit au détriment de la purge amont (entre le disque de rotor amont et le pied de distributeur) et oblige à surdimensionner largement le flux extérieur afin d'avoir une purge amont satisfaisante. Par ailleurs, le flux intérieur est acheminé le long d'un tirant de maintien par serrage de la partie rotor vers un compartiment entre rotors. Ce compartiment entre rotors est situé radialement entre la cavité sous distributeur et le tirant, en étant séparé radialement de la cavité par une paroi intercalée entre les disques de rotor amont et aval. Le flux intérieur a tendance à fuir intégralement vers l'aval en passant par l'intérieur du disque de rotor aval, laissant peu d'air circuler dans le compartiment entre rotors. Le flux intérieur a par ailleurs pour inconvénient de ne pas pouvoir être utilisé pour alimenter les purges. Une nouvelle architecture de ventilation permettant un meilleur contrôle des purges est donc souhaitable. EXPOSÉ DE L'INVENTION Ainsi, l'invention porte sur un système de refroidissement de turbine à haute pression, la turbine comportant un distributeur, un disque de rotor avant et un disque de rotor arrière, le distributeur étant disposé entre le disque de rotor avant et le disque de rotor arrière, une cavité sous distributeur étant délimitée extérieurement par un pied d'une aube du distributeur et axialement par les disques de rotor, le pied d'aube de distributeur et le disque de rotor arrière délimitant un interstice arrière formant interface de communication fluidique entre la cavité et une veine de turbine, le système de refroidissement comportant : un joint à labyrinthe monté sous le pied, le joint comportant un revêtement abradable et un labyrinthe délimitant entre eux une section de passage minimale inscrite dans un cercle de rayon R1 inférieur à 50% d'une distance Rm minimale entre une ligne médiane M de la veine et un axe X de la turbomachine au droit de l'aube. La section de passage est définie comme étant la surface de fuite entre le labyrinthe et le revêtement abradable, par exemple dans un plan transversal à un axe longitudinal de turbine. Il s'agit d'une surface sensiblement en forme d'anneau et comprise entre la crête d'une léchette du labyrinthe et la paroi du revêtement abradable. Ainsi, dans le système de refroidissement selon l'invention, deux flux d'air se rencontrent à proximité immédiate et à l'avant d'un labyrinthe sous distributeur, l'un étant acheminé depuis l'extérieur de la veine, l'autre depuis l'intérieur. L'invention permet avantageusement de limiter le nombre d'éléments montés radialement dans la turbine autour de l'arbre moteur jusqu'au joint labyrinthe et de limiter le rayon auquel le joint à labyrinthe est monté, c'est-à-dire de limiter la distance radiale entre l'axe longitudinal de la turbine et le joint à labyrinthe. Elles présentent donc une dimension moindre ce qui permet un meilleur contrôle de la section de passage de l'air au travers du joint à labyrinthe. En effet, la section est annulaire et est liée au carré du rayon auquel le joint à labyrinthe est positionné par rapport à l'axe de la turbomachine. Cette architecture de refroidissement permet un calibrage précis de la répartition des flux d'air entre les purges avant et arrière du distributeur concerné, tout en permettant un contrôle fin de la ventilation des disques de rotor avant et arrière et donc un gain substantiel d'air total à utiliser pour les purges. En outre, les tolérances de fabrication sont plus faciles à respecter sur un assemblage à faible rayon. Un autre avantage est qu'à faible dimension, en cas de balourd qui pourrait être dû à la présence de corps dans le flux ou à une détérioration d'une aube, on peut venir consommer l'abradable ponctuellement et la surface de section consommée diminuera avec le rayon. Avantageusement, le labyrinthe est disposé autour du revêtement abradable. Avantageusement, un support de labyrinthe est monté entre les deux disques de rotor dans la cavité, le labyrinthe étant monté sur le support. Avantageusement, le support est monté au disque de rotor avant par une première liaison curvic, un conduit de ventilation étant délimité extérieurement par le disque de rotor avant, ledit conduit de ventilation étant en communication fluidique avec la veine de turbine au travers de la liaison curvic, du joint à labyrinthe et de l'interstice arrière. De plus, le support peut être monté au disque de rotor arrière par une deuxième liaison curvic. Avantageusement, une tôle métallique forme joint de calibrage est montée en regard de la première liaison curvic et/ou de la deuxième liaison curvic. Le support peut comporter une portion annulaire interne formant masse de maintien. Avantageusement, une paroi amont du support forme butée axiale pour le labyrinthe. Une cale d'ajustement peut être montée entre le labyrinthe et le disque de rotor arrière. Cette cale permet de faciliter la fabrication et le montage du labyrinthe dans la turbine en autorisant une tolérance importante dans la dimension longitudinale du labyrinthe. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, la section de passage minimale est inscrite dans un cercle de rayon R1 inférieur à 40% de la distance Rm. L'invention porte également sur un support de labyrinthe pour joint à labyrinthe d'une turbine haute pression, comportant une portion annulaire externe pourvue d'une première série de dents trapézoïdales sur une surface avant, la première série de dents étant configurée pour former une liaison curvic avec un disque de rotor avant. Le support peut comporter une butée s'étendant radialement et extérieurement, à l'avant de sa surface externe. Le support peut également comporter une deuxième série de dents trapézoïdales sur une surface arrière de la portion annulaire externe, la deuxième série de dents étant configurée pour former une liaison curvic avec un disque de rotor arrière. Avantageusement, le support comporte une portion annulaire interne formant masse de maintien, la portion annulaire interne étant de dimension axiale maximale inférieure à une distance axiale minimale entre un fond d'une dent trapézoïdale de la première série et un fond d'une dent trapézoïdale d'une deuxième série. Ceci permet un usinage par meulage rapide et dans lequel le nombre d'outils à utiliser est limité. Alternativement, le support comporte une masse de maintien de dimension axiale libre, ce qui permet un usinage par fraisage. L'invention porte encore sur une turbomachine comportant un système de refroidissement et/ou un support de labyrinthe tel(s) que décrit(s) ci-dessus. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente une vue de la section d'une veine de turbine haute pression située au-dessus d'un axe longitudinal X, la veine comportant un système refroidissement selon l'invention ; - la figure la est une vue schématique montrant deux côtes de dimensionnement du système de refroidissement ; - la figure 2 est un agrandissement de la partie basse de la figure 1 montrant en détail un support de joint à labyrinthe que comporte le système de refroidissement et de tôles de calibrage optionnelles ; et - la figure 3 montre une cale optionnelle de rattrapage de tolérance. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS En référence à la figure 1, une veine VT de turbine haute pression est disposée en sortie d'une chambre de combustion CC. Un flux FV de gaz issus de la combustion s'écoule depuis la chambre CC vers l'aval de la veine VT. La turbine haute pression s'étire selon un axe longitudinal X. Ici, la turbine comporte deux étages comportant chacun un distributeur DHP1 ou DHP2 et un rotor RHP1 ou RHP2, le distributeur DHP2 étant disposé entre les rotors RHP1 et RHP2. Un tirant 60 et un arbre concentrique et 61 traversent la turbine d'avant en arrière. Le tirant 60 assure le maintien des éléments rotatifs les uns avec les autres (dont les rotors RHP1 et RHP2) par serrage axial. Les rotors RHP1 et RHP2 comportent chacun des pales respectives 12 ou 13, montées sur un disque de rotor respectif 10 ou 11. Les distributeurs DHP1 et DHP2 comportent chacun des aubes fixes respectives 22 ou 23. Les aubes 23 sont montées sur une virole externe 24. Une virole interne 25 forme le pied interne des aubes 23. Un système de refroidissement 9 est ici disposé dans une cavité 14 située sous le distributeur DHP2. La cavité 14 est délimitée à l'avant par le disque 10, à l'arrière par le disque 11 et extérieurement par le pied 25 des aubes 23. Les aubes 23 sont creuses. Elles comportent ici chacune un conduit intérieur (non représenté) débouchant dans la cavité 14 par un orifice respectif 31. Un interstice avant 15 est prévu entre le disque de rotor amont 10 en pied de pale 12 et la virole 25. Un interstice arrière 16 est prévu entre la virole 25 et le disque de rotor aval 11 en pied de pale 13. La virole 25 comporte une bride 26 qui s'étend radialement et vers l'intérieur. Un flasque 27 est fixé sur la bride 26, ici par une liaison vis/écrou 28. Le flasque 27 comporte une portion 27b qui s'étend généralement radialement et vers l'intérieur. Une portion d'extrémité cylindrique 27a du flasque 27 s'étend par ailleurs vers l'amont, depuis une extrémité intérieure de la portion radiale 27b. Un revêtement abradable 29 est monté sur une surface interne de la portion d'extrémité 27a. La turbine comporte en outre un support annulaire 40 représenté en détail en figure 2. Le support 40 présente une portion annulaire 45 de profil plat. La portion 45 comporte sur ses faces avant et arrière des dents trapézoïdales respectives 41a et 42a. Ces dents 41a et 42a permettent le montage du support 40 entre les disques de rotor avant 10 et arrière 11 sur des dents respectives 41b et 42b de profil correspondant. Les dents 41a et 42a, avec les dents 41b et 42b forment des liaisons de type curvic 41 et 42. Pour rappel, les liaisons curvic permettent un engrènement entre deux composants par des dents de profil trapézoïdal tout en permettant un passage de fluide, ici de l'air, à travers l'engrènement. Le passage d'air à travers la liaison 41 sera expliqué plus loin. La liaison 42 est ici également de type curvic. Ainsi, une méthode d'usinage uniforme est mise en oeuvre pour les faces avant et arrière du support 40, ce qui permet de limiter les coûts de fabrication et de bénéficier de la même qualité d'engrènement avec chacun des disques 10 et 11. Préférentiellement, une portion additionnelle interne 43, ici non limitativement annulaire et au profil en forme de bulbe est disposée à l'intérieur de la portion 45. La portion 43 forme masse de maintien de la portion annulaire 45 lorsque cette dernière est soumise à un effort centrifuge. En effet, en l'absence de cette masse de maintien 43, l'effort centrifuge tendrait à déformer la portion annulaire 45. D'autres architectures (non représentées) de masses de maintien sont possibles en variante de la portion 43. Celles-ci comportent de préférence une grande quantité de matière à rayon faible, au plus proche de l'arbre moteur, et ont un profil progressif, c'est-à-dire sans angle vif. Ici, la portion 43 est de dimension axiale L43 maximale inférieure à une distance axiale minimale L45 entre un plan X1 formant le fond d'une dent trapézoïdale 41a de la première série et un plan X2 formant le fond d'une dent trapézoïdale 42a de la deuxième série, les plans X1 et X2 étant parallèles l'un avec l'autre. Cette contrainte L43 permet avantageusement d'usiner les dents 41a et 42a par meulage de manière économique et rapide, la portion 43 se trouver hors de portée de la meule. Alternativement, la contrainte selon laquelle la dimension L43 est inférieure à la dimension L45 peut être contournée et l'usinage des dents peut être réalisé non limitativement par fraisage ou d'autres procédés. La portion annulaire 45 comporte une surface cylindrique externe 46. Une paroi 44 s'étend radialement vers l'extérieur, en saillie et à l'avant de la surface 46. Une série de dents 47 est disposée à l'intersection de la paroi 44 et de la surface 46. Les dents 47 ont ici un profil carré ou droit, non limitatif. Un labyrinthe annulaire 30 est monté circonférentiellement autour du support 40, sur la surface 46. Le labyrinthe 30 comporte une base annulaire 48 comportant extérieurement un jeu de léchettes circonférentielles 49, ici au nombre de deux. La base annulaire 48 est par exemple en contact direct avec la surface 46. La base annulaire 48 comporte ici une ou plusieurs dents non représentées complémentaires aux dents 47, permettant un accouplement par crabot entre le support 40 et le labyrinthe 30. Les différents composants décrits ci-dessus sont dimensionnés de telle sorte que les léchettes 49 et le revêtement abradable 29 forment conjointement un joint à labyrinthe 52. Le revêtement abradable 29 comporte une surface de plus faible rayon 29a (voir figure la). En vue en section de la partie haute de la turbomachine (figure la), la surface 29a est disposée à une distance R1 de l'axe X, autrement dit à un rayon Rl. Une deuxième dimension Rm est définie comme la distance minimum entre une ligne médiane M et l'axe X au droit de l'aube 23, c'est-à-dire sur la largeur de l'aube 23 comprise entre ses bords amont et aval. La ligne médiane M est la courbe de valeur moyenne entre Le rapport Rm/R1 est ici inférieur à 50%. Encore plus avantageusement, le rapport Rm/R1 est préférentiellement inférieur à 40%. Pour des dimensions Rm=180 et R1=71 non limitatives, le rapport est de l'ordre de 39,5%. Les dimensions Rm et R1 sont choisies librement pourvu que le rapport dimensionnel soit conforme aux valeurs ci-dessus. La dimension R1 est par exemple susceptible de varier en fonction de la hauteur du support 40 et des léchettes 29. Avantageusement, mais non limitativement, une cale 50 est prévue à l'interface entre la base 48 du labyrinthe 30 et une surface avant du disque de rotor 11. Lorsque cette cale 50 est prévue, la production du labyrinthe 30 s'en trouve facilitée. En effet, le labyrinthe 30 est prévu pour être maintenu axialement entre la butée 44 et le disque de rotor arrière 11. L'effort de serrage axial du support 40 entre les disques 10 et 11 doit passer par les liaisons curvic 41 et 42. La présence de la cale 50 autorise une tolérance de fabrication plus importante selon la dimension axiale du labyrinthe 30, et permet d'en éviter la compression axiale. Une tôle de calibrage 70 optionnelle est prévue en figure 2 sur chacune des liaisons curvic 41 et 42. Cette tôle a pour rôle de contrôler plus précisément l'écoulement. La forme de la tôle 70 illustrée en figure 2 n'est pas limitative. Nous allons maintenant décrire les flux d'air dans le système de refroidissement en référence à la figure 1. Un flux extérieur S1, ici en provenance d'un compresseur HP de la turbine, est conduit par un réseau de canalisations jusqu'à la virole externe 24 du distributeur DHP2 puis en traverse les aubes 23 par un conduit intérieur. Une première partie du flux S1 (non référencée sur les figures) sort par des orifices situés sur les surfaces ou arêtes de l'aube située dans la veine de manière à refroidir chaque aube 23. La deuxième partie S'1 de cet air ressort par l'orifice 31 du pied 25 de chaque aube 23, dans la cavité 14, en amont du joint 52. Le flux S'1 se scinde à son tour en deux flux : les flux S10 et S11. Le flux S10 sort de la cavité 14 par l'interstice avant 15 en raison du phénomène de purge. Le flux 511 se dirige radialement en direction de l'axe longitudinal X en longeant le disque de rotor 10. Un flux intérieur S2, ici également en provenance d'un compresseur HP de la turbine, parvient dans la cavité 14 par un interstice 55 entre la surface intérieure 56 du disque 10 et le tirant 60. Le flux S2 se scinde également en deux flux, ici S20 et S21. Le flux S20 s'oriente en aval, le long du tirant 60 et sous le support de labyrinthe 40 et alimente des composants situées en aval qu'il n'est pas utile de détailler ici. Le flux S21 se dirige radialement et extérieurement, à travers la liaison curvic 41. Les flux 511 et S21 se rencontrent en une zone 53 située entre la surface arrière 54 du disque 10 et le joint à labyrinthe 52. Un flux conjoint S3 traverse alors le joint à labyrinthe 52 vers l'aval puis se dirige radialement et extérieurement entre le flasque 27 et le disque de rotor arrière 11. Le flux S3 débouche ensuite dans la veine VT via l'interstice 16. L'interstice 55, également nommé conduit de ventilation, et l'orifice 31 sont alors en communication fluidique avec la veine de turbine (VT) au travers du joint à labyrinthe (52) et de l'interstice arrière (16). Lorsqu'il est dit que deux volumes sont en communication fluidique, il faut comprendre qu'une quantité de fluide peut circuler de l'un à l'autre. L'invention ne se limite pas aux éléments décrits. En variante non représentée, l'une ou l'autre des pièces annulaires décrites ci-dessus peut se présenter sous forme d'au moins deux portions angulaires qui, lorsqu'elles sont montées sur le moteur, disposent conjointement des mêmes propriétés que les pièces annulaires conçues d'un seul corps. REVENDICATIONS1. Système de refroidissement de turbine à haute pression, la turbine comportant un distributeur (DHP2), un disque de rotor avant (10) et un disque de rotor arrière (11), le distributeur (DHP2) étant disposé entre le disque de rotor avant (10) et le disque de rotor arrière (11), une cavité (14) sous distributeur (DHP2) étant délimitée extérieurement par un pied (25) d'une aube (23) du distributeur (DHP2) et axialement par les disques de rotor (10, 11), le pied (25) d'aube (23) de distributeur (DHP2) et le disque de rotor arrière (11) délimitant un interstice arrière (16) formant interface de communication fluidique entre la cavité (14) et une veine (VT) de turbine, le système de refroidissement comportant : un joint à labyrinthe (52) monté sous le pied (25), le joint (52) comportant un revêtement abradable (29) et un labyrinthe (30) délimitant entre eux une section de passage inscrite dans un cercle de rayon R1 inférieur à 50% d'une distance Rm minimale entre une ligne médiane M de la veine (VT) et un axe X de la turbomachine au droit de l'aube (23). 2. Système de refroidissement de turbine à haute pression selon la revendication 1, un support de labyrinthe (40) étant monté entre les deux disques de rotor (10, 11) dans la cavité (14), le labyrinthe (30) étant monté sur le support (40). 3. Système de refroidissement de turbine à haute pression selon la revendication 2, le support (40) étant monté au disque de rotor avant (10) par une liaison curvic (41), un conduit de ventilation (55) étant délimité extérieurement par le disque de rotor avant, ledit conduit de ventilation (55) étant en communication fluidique avec la veine de turbine (VT) au travers de la liaison curvic (41), du joint à labyrinthe (52) et de l'interstice arrière (16). 4. Système de refroidissement de turbine à haute pression selon la revendication 3, une tôle métallique (70) formant joint de calibrage étant montée en regard de la liaison curvic (41). 5. Système de refroidissement de turbine à haute pression selon l'une des revendications 2 à 4, le support (40) comportant une portion annulaire interne (43) formant masse de maintien. 6. Système de refroidissement de turbine à haute pression selon l'une des revendications 2 à 5, une paroi amont (44) du support (40) formant butée axiale pour le labyrinthe (30) et une cale d'ajustement (50) étant montée entre le labyrinthe (30) et le disque de rotor arrière (11). 7. Système de refroidissement de turbine à haute pression selon l'une des revendications 1 à 6, la section de passage étant inscrite dans un cercle de rayon R1 inférieur à 40% de la distance Rm. 8. Support de labyrinthe pour joint à labyrinthe d'une turbine haute pression, comportant une portion annulaire externe (45) pourvue d'une première série de dents trapézoïdales (41a) sur une surface avant, la première série de dents (41a) étant configurée pour former une liaison curvic (41) avec un disque de rotor avant (10). 9. Support de labyrinthe pour joint à labyrinthe d'une turbine haute pression selon la revendication 8, comportant une butée (44) s'étendant radialement et extérieurement, à l'avant d'une surface externe (46). 10. Support de labyrinthe pour joint à labyrinthe d'une turbine haute pression selon l'une des revendications 8 ou 9, comportant une deuxième série de dents trapézoïdales (42a) sur une surface arrière de la portion annulaire externe (45), ladeuxième série de dents (42a) étant configurée pour former une liaison curvic (42) avec un disque de rotor arrière (11). 11. Support de labyrinthe pour joint à labyrinthe d'une turbine haute pression selon l'une des revendications 8 à 10, comportant une portion annulaire interne (43) formant masse de maintien, la portion annulaire interne (43) étant de dimension axiale maximale (L43) inférieure à une distance axiale minimale (L45) entre un fond d'une dent trapézoïdale (41a) de la première série et un fond d'une dent trapézoïdale (42b) d'une deuxième série.