Brevet FR3034453A1 — publié le 20161007

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne un ensemble d'anneau de turbine pour une turbomachine, lequel ensemble comprend une pluralité de secteurs d'anneau en une seule pièce en matériau composite à matrice céramique et une structure de support d'anneau. Le domaine d'application de l'invention est notamment celui des moteurs aéronautiques à turbine à gaz. L'invention est toutefois applicable à d'autres turbomachines, par exemple des turbines industrielles. Les matériaux composites à matrice céramique, ou CMC, sont connus pour conserver leurs propriétés mécaniques à des températures élevées, ce qui les rend aptes à constituer des éléments de structure 15 chaude. Dans des moteurs aéronautiques à turbine à gaz, l'amélioration du rendement et la réduction de certaines émissions polluantes conduisent à rechercher un fonctionnement à des températures toujours plus élevées. Dans le cas d'ensembles d'anneau de turbine entièrement métalliques, il 20 est nécessaire de refroidir tous les éléments de l'ensemble et en particulier l'anneau de turbine qui est soumis à des flux très chauds, typiquement supérieurs à la température supportable par le matériau métallique. Ce refroidissement a un impact significatif sur la performance du moteur puisque le flux de refroidissement utilisé est prélevé sur le flux principai du 25 moteur. En outre, l'utilisation de métal pour l'anneau de turbine limite les possibilités d'augmenter la température au niveau de la turbine, ce qui permettrait pourtant d'améliorer les performances des moteurs aéronautiques. C'est pourquoi l'utilisation de CMC pour différentes parties 30 chaudes des moteurs a déjà été envisagée, d'autant que les CMC présentent comme avantage complémentaire une masse volumique inférieure à celle de métaux réfractaires traditionnellement utilisés. Ainsi, la réalisation de secteurs d'anneau de turbine en une seule pièce en CMC est notamment décrite dans le document US 35 2012/0027572. Les secteurs d'anneau comportent une base annulaire dont la face interne définit la face interne de l'anneau de turbine et une 3034453 2 face externe à partir de laquelle s'étendent deux parties formant pattes dont les extrémités sont engagées dans des logements d'une structure métallique de support d'anneau. L'utilisation de secteurs d'anneau en CMC permet de réduire 5 significativement la ventilation nécessaire au refroidissement de l'anneau de turbine. Toutefois, le maintien en position des secteurs d'anneau demeure un problème en particulier vis-à-vis des dilatations différentielles qui peuvent se produire entre la structure métallique de support et les secteurs d'anneau en CMC. En outre, une autre problématique réside dans 10 les contraintes engendrées par les déplacements imposés. Par ailleurs, le maintien en position des secteurs d'anneau doit être assuré même en cas de contact entre le sommet d'une aube d'une roue mobile et la face interne des secteurs d'anneau. Objet et résumé de l'invention L'invention vise à éviter de tels inconvénients et propose à cet effet un ensemble d'anneau de turbine comprenant une pluralité de secteurs d'anneau en matériau composite à matrice céramique formant un anneau de turbine et une structure de support d'anneau, chaque secteur d'anneau comprenant une base annulaire avec une face interne définissant la face interne de l'anneau de turbine et une face externe en regard de la face interne de la structure de support d'anneau, ladite base annulaire comportant de chaque côté une portion d'extrémité dont le bord est maintenu en vis-à-vis du bord de la portion d'extrémité de la base annulaire d'un secteur adjacent dans l'anneau de turbine, caractérisé en ce que ledit ensemble comprend des dispositifs de maintien élastique pour maintenir les secteurs d'anneau en position sur la structure de support d'anneau, chaque dispositif de maintien élastique exerçant une force sur les portions d'extrémité de deux secteurs d'anneau adjacents de manière à maintenir lesdits secteurs adjacents en position, et en ce que chaque dispositif de maintien élastique comprend un élément ressort présent du côté de la face externe de la structure de support d'anneau. En utilisant des dispositifs de maintien élastique, on assure un maintien en position des secteurs d'anneau même en cas de dilatations différentielles entre les secteurs et la structure de support, ces dernières étant compensés par l'élasticité du maintien. De même, en cas de contact 3034453 3 entre le sommet d'une aube d'une roue mobile et la face interne des secteurs d'anneau, l'élasticité du maintien permet d'absorber les chocs et d'assurer le retour en position des secteurs touchés. En outre, en plaçant l'élément ressort de chaque dispositif de 5 maintien élastique du côté de la face externe de la structure de support d'anneau, l'élément ressort est éloigné du flux chaud circulant dans la veine et n'est seulement exposé qu'à des températures compatibles avec le matériau du ressort. Il n'est donc pas nécessaire de refroidir les éléments ressort et des matériaux moins nobles, tels que des matériaux 10 métalliques, peuvent être alors utilisés pour leur fabrication. Selon une caractéristique de l'ensemble d'anneau de turbine selon l'invention, celui-ci comprend une pluralité de joints, chaque joint s'étendant axialement au-dessus des portions d'extrémité de deux secteurs adjacents au niveau des bords en vis-à-vis desdites portions 15 d'extrémité. Les dispositifs de maintien élastique exercent une force apte à maintenir les joints en contact avec les portions d'extrémité de deux secteurs d'anneau adjacents. En plaçant et en maintenant un joint au-dessus de la zone où les bords axiaux des secteurs sont placés en vis-à-vis dans l'anneau, on 20 limite les fuites du flux gazeux circulant à l'intérieur de la veine formée par la face interne des secteurs d'anneau. En outre, les joints étant maintenus par des dispositifs de maintien élastique, on assure le maintien en position des joints et, par conséquent, l'étanchéité de la veine, même en cas de contact entre le sommet d'une aube et la face interne des secteurs 25 d'anneau. Selon un mode de réalisation de l'ensemble d'anneau de turbine selon l'invention, la structure de support d'anneau comprend une bride radiale amont annulaire et une bride radiale aval annulaire entre lesquelles les secteurs d'anneau sont maintenus sans attache avec lesdites brides, 30 chaque joint comportant une extrémité amont traversant une lumière ménagée dans la bride radiale amont et une extrémité aval traversant une lumière ménagée dans la bride radiale aval. Chaque secteur d'anneau présente en coupe radiale une forme de K, des pattes s'étendant à partir de la face externe de la base annulaire au-dessus des portions d'extrémité 35 de ladite base annulaire, les pattes et les portions d'extrémité de chaque secteur d'anneau étant maintenues en vis-à-vis respectivement des pattes 3034453 4 et des portions d'extrémité des secteurs d'anneaux adjacents dans l'anneau. Chaque dispositif de maintien élastique exerce une force de traction sur les pattes en vis-à-vis de deux secteurs d'anneau adjacents de manière à maintenir le joint correspondant en contact avec les portions 5 d'extrémité de deux secteurs d'anneau adjacents. Les secteurs d'anneaux n'étant pas fixés directement à la structure de support, on réduit significativement les déplacements imposés et, par conséquent, les contraintes sur les secteurs d'anneaux. Les secteurs d'anneaux peuvent ainsi se positionner plus facilement les uns par rapport aux autres pour 10 définir une géométrie d'anneau de turbine plus cohérente. Selon un aspect de ce mode de réalisation de l'ensemble d'anneau de turbine selon l'invention, les joints sont constitués de languettes en matériau composite à matrice céramique. Selon un autre aspect de ce mode de réalisation de l'ensemble 15 d'anneau de turbine selon l'invention, chaque dispositif de maintien élastique comprend une vis et un ressort, la vis comportant une tête présente entre la face externe d'un joint et les pattes de deux secteurs adjacents, le ressort étant monté en état de précontrainte entre une virole de la structure de support d'anneau et un écrou fixé à l'extrémité de la vis 20 opposée à celle comportant la tête. Selon un autre mode de réalisation de l'ensemble d'anneau de turbine selon l'invention, la structure de support d'anneau comprend des pattes qui s'étendent depuis la face interne d'une virole, les pattes comportant chacune une portion rabattue. Chaque secteur d'anneau 25 comprend des pattes s'étendant à partir de la face externe de la base annulaire, chaque patte comportant une portion rabattue engagée avec la portion rabattue d'une patte de la structure d'anneau. Chaque dispositif de maintien élastique exerce une force d'appui sur chaque joint de manière à maintenir le joint en contact avec les portions d'extrémité de deux 30 secteurs d'anneau adjacents. Selon un autre aspect de ce mode de réalisation de l'ensemble d'anneau de turbine selon l'invention, chaque dispositif de maintien élastique comprend un patin en contact avec la surface supérieure du joint, une tige s'étendant verticalement depuis la surface externe du patin 35 et un ressort exerçant une force d'appui sur l'extrémité libre de la tige. 3034453 5 Brève description des dessins. L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : 5 - les figures 1 et 2 sont des vues en perspective montrant une portion d'un ensemble d'anneau de turbine conformément à un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue en coupe radiale de l'ensemble d'anneau de turbine des figures 1 et 2 ; 10 - la figure 4 est une vue en perspective montrant une portion d'un ensemble d'anneau de turbine conformément à un autre mode de réalisation de l'invention. Description détaillée de modes de réalisation 15 Les figures 1 et 2 montrent un ensemble d'anneau de turbine haute pression 10 conformément à un mode de réalisation de l'invention. L'ensemble 10 comprend un anneau de turbine 11 en CMC et une structure métallique de support d'anneau 12. L'anneau de turbine 11 entoure un ensemble de pales rotatives 20. L'anneau de turbine 11 est 20 formé d'une pluralité de secteurs d'anneau 110, les figures 1 et 2 étant des vues en perspective montrant une portion de l'ensemble d'anneau de turbine haute pression 10 avec une coupe axiale montrant les bords d'un secteur d'anneau 110. Comme illustré sur la figure 3, chaque secteur d'anneau 110 25 présente une forme de K avec une base annulaire 111 dont la face interne revêtue d'une couche 112 de matériau abradable définit la veine d'écoulement de flux gazeux dans la turbine. Des pattes 113, 114 sensiblement en forme de S s'étendent à partir de la face externe de la base annulaire 111 sur toute la largeur de celle-ci et au-dessus des 30 portions d'extrémité 1110 et 1111 de la base annulaire 111. Chaque secteur d'anneau 110 comporte ainsi de chaque côté deux bords axiaux 1110a, 113a et 1111b, 114b. Les bords 1110a et 113a situés d'un premier côté d'un secteur 110 sont destinés à être maintenus en vis-à-vis respectivement des bords 1111b et 114b du secteur d'anneau adjacent 35 dans l'anneau de turbine. 3034453 6 La structure de support d'anneau 12 est solidaire d'un carter de turbine 13. La structure 12 comprend une bride radiale amont annulaire 121 et une bride radiale aval annulaire 122 qui s'étendent depuis une virole 123 du carter de turbine. Les termes "amont" et "aval" sont utilisés 5 ici en référence au sens d'écoulement du flux gazeux dans la turbine (flèche F sur les figures 1 et 2). Les brides 121 et 122 présentent respectivement des bords inférieurs 121a et 122a. Les secteurs d'anneau 110 sont disposés de manière annulaire entre les brides 121 et 122 de la structure métallique de support d'anneau 10 12, la face interne des anneaux comportant la couche 112 de matériau abradable s'étendant au-delà des bords inférieurs 121a et 122a des brides 121 et 122. Afin d'assurer une bonne étanchéité entre la veine d'écoulement de flux gazeux dans la turbine et l'extérieur de l'anneau de 15 turbine, des joints 130 sont placés entre les secteurs d'anneau adjacents au niveau de leur bords en regard. Plus précisément, les joints 130 sont dimensionnés et placés de manière à recouvrir les portions d'extrémité 1111 et 1110 des bases annulaires 111 de deux secteurs d'anneaux 110 adjacents. Les joints 130 sont placés dans un logement 115 dont le fond 20 est formé par la réunion des portions d'extrémité 1111 et 1110 de deux secteurs adjacents, la partie supérieure du logement 115 étant formée par la réunion des pattes 114 et 113 de deux secteurs adjacents. Les joints 130 sont ici réalisé en CMC. Les extrémités amont 131 et aval 132 des joints 130 traversent respectivement des lumières 1210 et 1220 ménagées 25 respectivement dans les brides amont 121 et aval 122 (figures 1 et 2). Le maintien de deux secteurs d'anneau adjacents 110 et du joint 130 présent entre les deux secteurs adjacents est assuré par un dispositif de traction 140 constitué d'une vis 141 et d'un ressort 142. La vis 141 comporte une tête 1410 qui est placée entre la face externe 130a 30 des joints 130 et les pattes 114 et 113 de deux secteurs adjacents. Des échancrures 1140 et 1130 sont ménagées respectivement dans les pattes 114 et 113 afin de permettre le passage du corps 1411 de la vis 141. De même, des orifices 1310 sont ménagés dans la virole 131 du carter de turbine 13 pour permettre le passage du corps 1411 de la vis 141. 35 Le ressort 142 est un ressort de compression monté en état de précontrainte entre la virole 123 et un écrou 1412 fixé à l'extrémité de la 3034453 7 vis 141 opposée à celle comportant la tête 1410. Ainsi, le ressort 142 exerce une force sur l'écrou 1412 dirigée dans une direction D indiquée sur les figures 1 à 3 et qui est transmise à la tête 1410 de la vis 141 via le corps 1411 de la vis. La tête 1410 exerce alors une force de traction sur 5 les pattes 113 et 114 de deux secteurs adjacents 110 qui est dirigée dans la direction D. Cette force de traction est également transmise aux portions d'extrémité 1110 et 1111 des deux secteurs adjacents 110 qui exercent à leur tour une force de traction FT sur le joint 130 interposé entre les portions d'extrémité 1110 et 1111 et les pattes 113 et 114 de 10 deux secteurs adjacents 110. Sous l'effet de cette force de traction, les joints 130 sont maintenus en butée contre la partie supérieure de lumières 1210 et 1220 ménagées respectivement dans des brides 121 et 122. L'étanchéité entre les secteurs adjacents, c'est-à-dire l'étanchéité entre la veine d'écoulement gazeux du côté intérieur des secteurs d'anneau et le 15 côté extérieur des secteurs d'anneau, est ainsi assurée par les joints 130. En outre, le maintien en position à la fois des secteurs d'anneau 110 et des joints 130 étant assuré par des moyens élastiques (ressorts 142), la liaison mécanique et l'étanchéité entre les secteurs d'anneau est assurée même en cas de contact entre le sommet d'une aube et la face interne 20 des secteurs d'anneau. Chaque ressort 142 étant placé du côté de la face externe de la structure de support d'anneau (face externe de la virole 123), il est éloigné du flux chaud circulant dans la veine et n'est seulement exposé qu'à des températures compatibles avec le matériau du ressort. Il n'est 25 donc pas nécessaire de refroidir les ressorts et des matériaux, tels que des matériaux métalliques, peuvent être alors utilisés pour leur fabrication. La figure 4 illustre un ensemble d'anneau de turbine haute pression 30 conformément à un autre mode de réalisation de l'invention. L'ensemble 30 comprend un anneau de turbine 31 en CMC et une 30 structure métallique de support d'anneau 32. L'anneau de turbine 31 entoure un ensemble de pales rotatives 40. L'anneau de turbine 31 est formé d'une pluralité de secteurs d'anneau 310, la figure 4 étant une vue en perspective montrant une portion de l'ensemble d'anneau de turbine haute pression 30 avec une coupe axiale montrant le bord d'un secteur 35 d'anneau. 3034453 8 Comme illustré sur la figure 4, chaque secteur d'anneau 310 comporte une base annulaire 311 dont la face interne revêtue d'une couche 312 de matériau abradable définit la veine d'écoulement de flux gazeux dans la turbine. Des pattes 313 comportant chacune une portion 5 rabattue 3130 s'étendent à partir de la face externe de la base annulaire 311 au niveau des portions d'extrémité 3110 et 3111 de la base annulaire 311. Dans l'exemple décrit ici, chaque secteur 310 comporte 4 pattes 313 disposées deux à deux sur chaque bord annulaire du secteur, la portion rabattue 3130 de chaque patte 313 s'étendant axialement au-dessus la 10 base annulaire 311. Chaque secteur d'anneau 310 comporte un premier bord axial 3110a et un deuxième bord axial 3111b. Le bord 3110a situé d'un premier côté d'un secteur 310 est destiné à être maintenu en vis-à-vis du bord 3111b du secteur d'anneau adjacent dans l'anneau de turbine. La structure de support d'anneau 32 est solidaire d'un carter de 15 turbine (non représenté sur la figure 4). La structure 32 comprend des pattes 320 qui s'étendent depuis la face interne d'une virole 50 pouvant appartenir au carter de turbine (non représenté sur la figure 4). Les pattes 320 comportant chacune une portion rabattue 3200 destinée à coopérer avec les pattes 313 des secteurs d'anneau 310. Les secteurs d'anneau 310 20 sont disposés de manière annulaire en dessous de la virole 330, les portions rabattues 3130 des pattes 313 étant engagées avec les portions rabattues 3200 des pattes 320. Afin d'assurer une bonne étanchéité entre la veine d'écoulement de flux gazeux dans la turbine et l'extérieur de l'anneau de 25 turbine, des joints 330 sont placés entre les secteurs d'anneau adjacents au niveau de leur bords en regard. Plus précisément, les joints 330 sont dimensionnés et placés de manière à recouvrir les portions d'extrémité 3111 et 3110 de deux secteurs d'anneaux 310 adjacents. Les joints 330 sont par exemple réalisés en un matériau isolant thermiquement, tel qu'un 30 feutre en fibres d'oxyde (alumine) ou être constitués chacun d'un matériau isolant élastiquement déformable, tel qu'une structure fibreuse ou mousse isolante, maintenu à l'intérieur d'une tresse réalisée avec des fibres résistant aux hautes températures telles que des fibres en céramique. Le maintien des secteurs d'anneau 310 et des joints 330 est 35 assuré par un dispositif d'appui 340 constitué d'un patin 341 en contact avec la surface supérieure du joint 340, d'une tige 343 s'étendant 3034453 9 verticalement depuis la surface externe du patin et d'un ressort 342 exerçant une force d'appui sur l'extrémité libre 3430 de la tige 343. Des orifices 51 sont ménagés dans la virole 50 pour permettre le passage de la tige 343. 5 Le ressort 342 est un ressort de compression monté en état de précontrainte entre l'extrémité libre 3430 de la tige 343 et une patte annulaire 52 s'étendant depuis la surface externe 50a de la virole 50. La patte 52 définit un logement entre la surface interne 52b de ladite patte et la surface externe 50a dont la hauteur H2 est définie en fonction de la 10 hauteur H1 des tiges 343 de manière à ce que H1 REVENDICATIONS1. Ensemble d'anneau de turbine (10) comprenant une pluralité de secteurs d'anneau (110) en matériau composite à matrice céramique formant un anneau de turbine (11) et une structure de support d'anneau (12), chaque secteur d'anneau (110) comprenant une base annulaire (111) avec une face interne définissant la face interne de l'anneau de turbine et une face externe en regard de la face interne de la structure de support d'anneau (12), ladite base annulaire (111) comportant de chaque côté une portion d'extrémité (1110; 1111) dont le bord (1110a ; 1111b) est maintenu en vis-à-vis du bord (1111b ; 1110a) de la portion d'extrémité (1111 ; 1110) de la base annulaire (111) d'un secteur adjacent (110) dans l'anneau de turbine (11), caractérisé en ce que ledit ensemble comprend des dispositifs de maintien élastique (140) pour maintenir les secteurs d'anneau en position sur la structure de support d'anneau, chaque dispositif de maintien élastique exerçant une force sur les portions d'extrémité (1110, 1111) de deux secteurs d'anneau adjacents (110) de manière à maintenir lesdits secteurs adjacents en position, et en ce que chaque dispositif de maintien élastique comprend un élément ressort (142) présent du côté de la face externe de la structure de support d'anneau (12). 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de joints (130), chaque joint s'étendant axialennent au-dessus des portions d'extrémité (1110, 1111) de deux secteurs adjacents (110) au niveau des bords en vis-à-vis (1110a, 1111b) desdites portions d'extrémité, les dispositifs de maintien élastique (140) exerçant une force apte à maintenir les joints (130) en contact avec les portions d'extrémité (1110, 1111) de deux secteurs d'anneau adjacents (110). 3. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que : - la structure de support d'anneau (12) comprend une bride radiale amont annulaire (121) et une bride radiale aval annulaire (122) entre lesquelles les secteurs d'anneau (110) sont maintenus sans attache 35 avec lesdites brides, chaque joint (130) comportant une extrémité amont (131) traversant une lumière (1210) ménagée dans la bride radiale amont 3034453 12 (121) et une extrémité aval (132) traversant une lumière (1220) ménagée dans la bride radiale aval (122), - chaque secteur d'anneau (110) présente en coupe radiale une forme de K, des pattes (113, 114) s'étendant à partir de la face externe de 5 la base annulaire (111) au-dessus des portions d'extrémité (1110, 1111) de ladite base annulaire, les pattes (113, 114) et les portions d'extrémité (1110, 1111) de chaque secteur d'anneau (110) étant maintenues en vis-à-vis respectivement des pattes et des portions d'extrémité des secteurs d'anneaux adjacents (110) dans l'anneau (11), 10 - chaque dispositif de maintien élastique (140) exerce une force de traction sur les pattes (113, 114) en vis-à-vis de deux secteurs d'anneau adjacents (110) de manière à maintenir le joint correspondant en contact avec les portions d'extrémité (1110, 1111) de deux secteurs d'anneau adjacents (110). 15 4. Ensemble selon la revendication 3, caractérisé en ce que les joints (130) sont constitués de languettes en matériau composite à matrice céramique. 20 5. Ensemble selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que chaque dispositif de maintien élastique (140) comprend une vis (141) et un ressort (142), la vis (141) comportant une tête (1410) présente entre la face externe (130a) d'un joint (130) et les pattes (113, 114) de deux secteurs adjacents (110), le ressort (142) étant monté en état de 25 précontrainte entre une virole (123) de la structure de support d'anneau (12) et un écrou (1412) fixé à l'extrémité de la vis opposée à celle comportant la tête (1410). 6. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que : 30 - la structure de support d'anneau (32) comprend des pattes (320) qui s'étendent depuis la face interne d'une virole (50) , les pattes (320) comportant chacune une portion rabattue (3200), - chaque secteur d'anneau (310) comprend des pattes (313) s'étendant à partir de la face externe de la base annulaire (311), chaque 35 patte (313) comportant une portion rabattue (3130) engagée avec la portion rabattue (3200) d'une patte (320) de la structure d'anneau (32), 3034453 13 - chaque dispositif de maintien élastique (340) exerce une force d'appui sur chaque joint (330) de manière à maintenir le joint en contact avec les portions d'extrémité (3110, 3111) de deux secteurs d'anneau adjacents (310). 5 7. Ensemble selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque dispositif de maintien élastique (340) comprend un patin (341) en contact avec la surface supérieure du joint (330), une tige (343) s'étendant verticalement depuis la surface externe du patin (341) et un 10 ressort (342) exerçant une force d'appui sur l'extrémité libre (3430) de la tige (343).