Brevet FR3025261A1 — publié le 20160304

DOMAINE DE L'INVENTION Le présent exposé concerne un ensemble rotatif pour turbomachine. Il s'applique particulièrement aux turbines de turbomoteur d'hélicoptère mais peut concerner plus généralement tous les ensembles rotatifs, compresseurs compris, qui connaissent des problématiques de déformations en fonctionnement, notamment de dilatation thermique, et de maitrise de jeux. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Dans un turbomoteur d'hélicoptère, la turbine libre qui permet l'entraînement du rotor comprend généralement une roue aubagée tournant au sein d'un anneau de stator définissant la veine du fluide de travail. La roue aubagée est montée dans cet anneau avec des jeux très réduits entre la tête des aubes et la surface interne de l'anneau afin de réduire au maximum le contournement de la roue aubagée par le fluide de travail au sommet des aubes et donc d'augmenter l'efficacité de la turbine : on vise pour cela en général des jeux inférieurs à 0,5 mm. Compte tenu de ces jeux très faibles, un centrage rigoureux de l'anneau de turbine sur l'axe principal A de la turbine est nécessaire pour que les aubes ne touchent pas localement sur l'anneau. Un tel centrage est en général réalisé par le dispositif de centrage représenté à la FIG. 6A. L'anneau de turbine 90 comporte à son extrémité aval une bride radiale 91 s'étendant vers l'extérieur et adaptée pour être plaquée contre une bride radiale 92 du carter extérieur 93 isolant la turbine du milieu extérieur. La bride 91 de l'anneau comporte en plusieurs endroits autour de l'axe A des pions 94 s'engageant dans des alésages 95 correspondants pratiqués dans la bride 92 du carter extérieur 93. Ces alésages 95 s'étendent strictement radialement et les pions 94 sont tous situés à la même distance de l'axe A de telle sorte que l'anneau 90 est automatiquement centré sur l'axe A lorsque les pions 94 sont engagés dans les alésages 95. Toutefois, dans une telle configuration connue, l'anneau de turbine 90 résiste mal au phénomène de dilatation différentielle qui apparait entre l'amont de l'anneau, situé au niveau de la roue de turbine donc dans une zone très chaude, et l'aval de l'anneau, au niveau duquel le fluide de travail est moins chaud. Comme cela est représenté à la FIG. 6B, cette 302 5 2 6 1 2 dilatation différentielle tend en effet à déformer l'anneau de turbine qui prend alors une forme évasée, ce qui, d'une part, augmente les jeux au sommet des aubes 99 et donc réduit le rendement de la turbine et, d'autre part, engendre des contraintes mécaniques de flexion au niveau de la 5 jonction avec la bride radiale 91 et pénalise ainsi la durée de vie de la pièce. Il existe donc un réel besoin d'avoir un ensemble rotatif pour turbomachine qui soit dépourvu, au moins en partie, des inconvénients inhérents aux configurations connues précitées. 10 PRESENTATION DE L'INVENTION Le présent exposé concerne un ensemble rotatif pour turbomachine, comprenant un rotor comportant au moins une roue aubagée, un anneau de stator, entourant la roue aubagée et définissant 15 au moins partiellement une veine pour un fluide de travail, un carter externe entourant concentriquement l'anneau de stator, et un dispositif de calage comportant au moins une cale prévue entre l'anneau de stator et le carter extérieur pour restreindre la déformation de l'anneau de stator lors du fonctionnement de l'ensemble rotatif. 20 Dans le présent exposé, les termes « axial », « radial », « tangentiel », « intérieur », « extérieur » et leurs dérivés sont définis par rapport à l'axe principal de la turbomachine ; on entend par « plan axial » un plan passant par l'axe principal de la turbomachine et par « plan radial » un plan perpendiculaire à cet axe principal. Les termes « amont » 25 et « aval » sont définis par rapport à la circulation de l'air dans la turbomachine. En outre, dans le présent exposé, lorsque l'on indique qu'un élément est prévu entre deux pièces, on entend que cet élément est en contact simultanément avec chacune de ces pièces au moins durant le fonctionnement de l'ensemble rotatif. 30 Grâce à un tel dispositif de calage, l'anneau de stator est en appui contre le carter extérieur via le dispositif de calage. Or, puisque le carter extérieur est situé à distance de la veine de fluide, sa température reste faible de telle sorte qu'il ne se dilate pratiquement pas au cours du fonctionnement du moteur. Dès lors, la dilatation de l'anneau de stator est 35 bloquée au niveau du dispositif de calage, ce qui restreint ou empêche complètement sa déformation en fonctionnement. 302 5 2 6 1 3 Dès lors, ce meilleur contrôle des déformations de l'anneau de stator permet d'assurer au moins localement une maitrise plus importantes des jeux avec la roue aubagée et/ou une maitrise de certaines contraintes mécaniques particulièrement néfastes telles les 5 contraintes de flexion ou celles apparaissant à l'interface entre pièces ou entre portions de pièces ayant des géométries différentes. Un tel ensemble rotatif possède dès lors un rendement important qui ne se dégrade pas ou peu au cours de son fonctionnement ; il bénéficie en outre d'une durée de vie plus longue grâce à un anneau de 10 stator s'endommageant moins rapidement. En outre, convenablement disposé, ce dispositif de calage permet également d'assurer le centrage de l'anneau de stator par rapport au carter externe, et donc par rapport à l'axe de l'ensemble rotatif, et de maintenir ce centrage tout au long du fonctionnement de l'ensemble 15 rotatif. Dans certains modes de réalisation, au moins une cale du dispositif de calage est prévue dans un plan radial intermédiaire entre le plan de la roue aubagée et un plan d'extrémité de l'anneau de stator. De préférence, par plan intermédiaire, on entend un plan se situant à une distance de l'un 20 des plans de référence comprise entre 20% et 80% de la longueur totale séparant les deux plans de référence. Dans certains modes de réalisation, au moins une cale du dispositif de calage est prévue en vis-à-vis de la roue aubagée. De cette manière, on assure un contrôle précis des jeux entre l'anneau de stator et les aubes 25 de la roue aubagée directement au niveau de ces dernières. Dans certains modes de réalisation, au moins une cale du dispositif de calage est prévue à distance d'une extrémité axiale de l'anneau de stator, de préférence à distance de l'extrémité aval de l'anneau de stator. Dans certains modes de réalisation, l'anneau de stator comporte 30 une bride radiale configurée pour être appliquée contre une surface d'appui du carter externe. Cette bride radiale permet de caler axialement l'anneau de stator par rapport au carter externe. Elle est de préférence prévue à l'extrémité aval de l'anneau de stator. Dans certains modes de réalisation, la surface d'appui du carter 35 externe est une bride radiale. 3 0 2 5 2 6 1 4 Dans certains modes de réalisation, la bride radiale de l'anneau de stator est dépourvue d'un dispositif de centrage de l'anneau de stator par rapport au carter externe. Dans ce cas, la fonction de centrage est réalisée par le dispositif de calage. 5 Toutefois, dans d'autres modes de réalisation, la bride radiale de l'anneau de stator est munie d'un dispositif de centrage permettant de centrer l'anneau de stator par rapport au carter externe. Il peut s'agir de dispositifs connus de l'homme du métier tels qu'un centrage mettant en oeuvre des pions s'engageant dans des alésages radiaux, ou des fourches, 10 prévus sur une bride radiale du carter externe. Dans certains modes de réalisation, au moins une cale du dispositif de calage est prévue à distance de la bride de l'anneau de stator. Dans certains modes de réalisation, au moins une cale du dispositif de calage est prévue dans un plan radial intermédiaire entre le plan de la 15 roue aubagée et le plan de la bride de l'anneau de stator. De cette manière, on maintient efficacement la forme de l'anneau à proximité de la jonction avec la bride radiale : les contraintes de flexion qui s'exercent alors sur cette zone anguleuse sont réduites, ce qui soulage la pièce et augment dès lors sa durée de vie. 20 Dans certains modes de réalisation, le carter externe possède, au moins en vis-à-vis de la roue aubagée, une épaisseur supérieure à 5 mm, de préférence supérieure à 8 mm. De cette manière, le carter externe est capable de résister aux contraintes exercées par l'anneau de stator via le dispositif de calage au cours du fonctionnement de l'ensemble rotatif. 25 Ainsi, le carter externe ne se déforme pas ou peu, ce qui assure le contrôle des déformations de l'anneau. On évite en outre un risque de matage ou de rupture du carter externe lorsque l'anneau de stator appuie sur ce dernier via le dispositif de calage. Dans d'autres modes de réalisation, le carter externe possède des 30 renforts portant localement son épaisseur à plus de 5 mm, de préférence à plus de 8 mm. De cette manière, on réalise la fonction de résistance mécanique évoquée ci-dessus tout en limitant la masse du carter externe. Ces renforts peuvent notamment prendre la forme de reliefs telles des côtes longitudinales ou annulaires. 35 Cette forte épaisseur ou ces renforts peuvent être prévus sur toute la longueur du carter externe faisant face à l'anneau de stator ou bien 302 5 2 6 1 5 uniquement dans la zone située en vis-à-vis de la roue aubagée. L'épaisseur et/ou les renforts du carter externe peuvent également être évolutifs entre cette zone en vis-à-vis de la roue aubagée et la zone en aval : par exemple l'épaisseur peut être supérieure à 5 ou 8 mm au niveau 5 de la roue aubagée puis décroitre jusqu'à moins de 4 ou 3 mm au niveau de l'extrémité aval de l'anneau de stator. Dans certains modes de réalisation, le carter externe est destiné à former un carter extérieur de la turbomachine, la face externe du carter externe étant configurée pour être exposée au milieu extérieur de la 10 turbomachine. Dans de tels modes de réalisation, le carter externe est donc directement refroidi par l'air extérieur et ne se dilate donc quasiment pas. Dans certains modes de réalisation, au moins une cale du dispositif de calage est un collier annulaire prévu entre l'anneau de stator et le 15 carter externe et s'étendant dans un plan radial tout autour de l'anneau de stator. Un tel collier permet ainsi d'assurer un calage de l'anneau du stator à 360° autour de l'axe de l'ensemble rotatif. Les contraintes et les déformations restent donc isotropes dans chaque plan radial : on évite ainsi une mise en marguerite de l'anneau de stator, c'est-à-dire une 20 déformation de la géométrie cylindrique ou tronconique de l'anneau de stator vers une géométrie multilobée. Dans certains modes de réalisation, le dispositif de calage comporte au moins un ensemble de plots de calage prévus entre l'anneau de stator et le carter externe et régulièrement espacés dans un plan radial tout 25 autour de l'anneau de stator. Une telle cale discontinue permet de limiter l'importance du transfert thermique vers le carter externe ; il permet en outre de prévoir une circulation de fluide de refroidissement entre l'anneau de stator et le carter externe, ce fluide de refroidissement étant capable de circuler entre les plots de calage. De plus, une telle 30 configuration discontinue empêche l'apparition de contraintes tangentielles dans la cale. L'espacement régulier des plots de calage permet quant à lui de centrer automatiquement l'anneau de stator par rapport au carter externe. Dans certains modes de réalisation, les plots de calage de 35 l'ensemble de calage sont tous espacés d'un angle compris entre 5 et 24°, 302 5 2 6 1 6 de préférence entre 15 et 20°. Cette fréquence est suffisante pour limiter le phénomène de mise en marguerite en dessous d'un plafond acceptable. Dans certains modes de réalisation, au moins une cale du dispositif de calage est réalisée dans le même matériau que l'anneau de stator. 5 Dans certains modes de réalisation, un jeu inférieur à 0,5 mm est laissé entre le sommet des aubes de la roue aubagée et la face interne de l'anneau de stator, au moins durant le fonctionnement de l'ensemble rotatif. Dans certains modes de réalisation, l'ensemble rotatif est une 10 turbine, de préférence une turbine libre, de turbomachine. Il pourrait toutefois s'agir d'un compresseur. Le présent exposé concerne également une turbomachine comprenant un ensemble rotatif selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents. 15 Les caractéristiques et avantages précités, ainsi que d'autres, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, d'exemples de réalisation de l'ensemble rotatif proposé. Cette description détaillée fait référence aux dessins annexés. 20 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Les dessins annexés sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l'invention. Sur ces dessins, d'une figure (FIG) à l'autre, des éléments (ou parties d'élément) identiques sont repérés par les mêmes signes de 25 référence. En outre, des éléments (ou parties d'élément) appartenant à des exemples de réalisation différents mais ayant une fonction analogue sont repérés sur les figures par des références numériques incrémentées de 100, 200, etc. La FIG 1 est un plan en coupe d'une turbomachine selon l'invention. 30 La FIG 2 est une vue en coupe axiale d'un premier exemple d'ensemble rotatif. La FIG 3 est une vue en coupe axiale d'un deuxième exemple d'ensemble rotatif. La FIG 4 est une vue en coupe axiale d'un troisième exemple 35 d'ensemble rotatif. 302 5 2 6 1 7 La FIG 5 est une vue en coupe radiale d'un quatrième exemple d'ensemble rotatif. Les FIG 6A et 6B sont des vues en coupe axiale d'un ensemble rotatif selon l'art antérieur à l'arrêt et en fonctionnement. 5 DESCRIPTION DETAILLEE D'EXEMPLE(S) DE REALISATION Afin de rendre plus concrète l'invention, des exemples d'ensembles rotatifs sont décrits en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Il est rappelé que l'invention ne se limite pas à ces exemples. 10 La FIG 1 représente, en coupe selon un plan vertical passant par son axe principal A, un turbomoteur 1 d'hélicoptère selon l'invention. Il comporte, d'amont en aval selon la circulation du flux d'air, un compresseur basse pression 2, un compresseur haute pression 3 du type compresseur centrifuge, une chambre de combustion 4, une turbine liée 15 haute pression 5, une turbine liée basse pression 6 et une turbine libre 7 connectée au rotor de l'hélicoptère via un arbre de transmission 8 et une boîte d'engrenages non représentée. La zone notée II dans la FIG 1 est représentée de manière plus détaillée à la FIG 2. Cette turbine libre 7 constitue un ensemble rotatif 20 comprenant un rotor tournant au sein d'un stator. Le rotor comprend une roue 11 munie d'une pluralité d'aubes 12 ; la roue 11 est accouplée à l'arbre de transmission 8. Le stator comprend quant à lui un anneau de turbine 21 comportant une partie de veine 22, axiale et sensiblement cylindrique de révolution ou tronconique, et une bride radiale 23 25 s'étendant vers l'extérieur depuis l'extrémité aval de la partie de veine 22. Cette partie de veine 22 délimite l'espace occupée par la veine d'air chaud provenant de la chambre de combustion 4 via les turbines liées 5 et 6. Le stator comprend également un carter extérieur 25, coaxial à l'anneau de turbine 21, formant une paroi extérieure de la turbomachine 1 30 et isolant ainsi la turbine libre 7 du milieu extérieur. Le carter extérieur 25 comprend lui aussi une partie principale 26, axiale et sensiblement cylindrique de révolution ou tronconique, et une bride radiale 27 s'étendant vers l'extérieur depuis l'extrémité aval de la partie principale 26. L'épaisseur de la partie principale 26 du carter extérieur 25 est ici 35 constante et vaut environ 10 mm. 302 5 2 6 1 8 Le carter extérieur 25 et la roue aubagée 11 sont par construction centrés sur l'axe principal A de la turbomachine 1. L'anneau de turbine 21 est quant à lui mis en place au sein du carter extérieur 25 d'une part en plaquant sa bride radiale 23 contre la bride radiale 27 de carter 25, 5 assurant ainsi le positionnement axial de l'anneau 21, et d'autre part en insérant un dispositif de calage 30 autour de l'anneau de turbine 21, entre ce dernier et le carter extérieur 25, assurant ainsi le positionnement radial de l'anneau 21. Dans ce premier exemple, le dispositif de calage 30 comprend un 10 collier de calage 31, annulaire, disposé autour de l'anneau de turbine 21 sensiblement dans le plan médian de la roue aubagée 11 ; autrement dit, le collier de calage 31 se situe en vis-à-vis des aubes 12, sensiblement centré axialement sur le sommet de ces dernières. Le dispositif de calage 30, qui est en appui, ou au moins au contact, 15 simultanément avec la face externe de l'anneau de turbine 21 et la face interne du carter extérieur 25 durant le fonctionnement de la turbomachine, permet ainsi de centrer l'anneau de turbine 21 sur l'axe principal A de la turbine 7 donc autour de la roue aubagée 11. De cette manière, le jeu e laissé entre le sommet des aubes 12 et l'anneau de 20 turbine 21 est constant et inférieur à 0,5 mm en tout point de l'anneau 21. En fonctionnement, de l'air est comprimé par les compresseurs 2 et 3 puis admis dans la chambre de combustion 4 au sein de laquelle un carburant est enflammé afin de chauffer fortement l'air admis ; ce dernier est alors libéré à très haute température et cède une partie de son énergie 25 dans les turbines 5 et 6 : il arrive alors à haute température à la turbine libre 7 où il cède encore une fraction de son énergie à la roue aubagée, se refroidissant encore à cette occasion. Un gradient de température AT règne donc d'amont en aval dans l'espace délimité par l'anneau de turbine 21. 30 L'amont de l'anneau 21 est donc soumis à une température plus élevée que l'aval de l'anneau 21. Dès lors, la partie amont de l'anneau 21 devrait se dilater de manière plus importante que sa partie aval et donc se déformer en s'évasant de la manière illustrée à la FIG 6B, entraînant ainsi une augmentation du jeu entre les têtes d'aubes et l'anneau de turbine. 35 Toutefois, le dispositif de calage 30, situé en vis-à-vis des aubes 12, 302 5 2 6 1 9 empêche une telle déformation et permet de conserver la maîtrise du jeu e durant le fonctionnement de la turbomachine. Un deuxième exemple de turbine 107 est illustré à la FIG 3. Dans cet exemple, le dispositif de calage 130 prend également la forme d'un 5 collier de calage 132 analogue à celui du premier exemple mais qui est placé plus en aval, dans une position intermédiaire entre le plan de la roue aubagée 111 et le plan de la bride radiale 123 de l'anneau de turbine 120. Un espace est notamment laissé axialement entre le collier de calage 132 et la bride radiale 123. 10 Un tel dispositif de calage 130 disposé à cet endroit s'attache plus spécifiquement à contrôler la déformation de l'anneau de turbine 121 à proximité de la jonction entre sa partie de veine 122, axiale, et sa bride 123, radiale. En effet, cette jonction à angle droit est une zone de faiblesse, en raison notamment de son point anguleux, qui résiste mal aux 15 efforts de flexion qui apparaissent dans la configuration déformée de l'état de l'art représentée à la FIG 6B. Au contraire, dans la configuration de la FIG 3, le collier de calage 132 maintient la forme de l'anneau 121 au moins au niveau de cette jonction avec la bride radiale 123 afin d'éviter l'apparition de contraintes de flexion dans cette zone. 20 La FIG 4 illustre un troisième exemple de turbine 207 dans lequel le dispositif de calage 230 comprend un premier collier de calage 231 disposé de manière analogue au premier exemple et un deuxième collier de calage 232 disposé de manière analogue au deuxième exemple. Dès lors, on assure de manière très efficace à la fois le contrôle de 25 jeu e et le contrôle des contraintes de flexion au niveau de la jonction de la partie de veine 222 avec la bride radiale 223 de l'anneau de turbine 221. La FIG 5 illustre un quatrième exemple de turbine 307. Dans cet exemple, le dispositif de calage 330 ne comprend pas de collier de calage 30 mais un ensemble discontinu de plots de calage 333. Ces plots 333 sont prévus dans un même plan radial et sont espacés de manière régulière tout autour de l'anneau de turbine 321. Dans cet exemple, l'ensemble de plots comprend seize plots disposés angulairement tous les 22,5°. Naturellement, ce nombre dépendra de la taille du moteur afin d'éviter 35 que l'anneau de turbine 321 ne se déforme radialement entre deux plots consécutifs et ne prenne une forme en marguerite. 302 5 2 6 1 10 Le plan radial dans lequel sont disposés ces plots de calage peut être choisi librement : il peut donc s'agir des plans décrits dans les premier et deuxième exemples relatifs aux FIG 2 et 3. De manière analogue au troisième exemple relatif à la FIG 4, il est également possible 5 de prévoir un premier ensemble de plots 333 dans un premier plan et un deuxième ensemble de plots 333 dans un deuxième plan. Dans d'autres exemples, une première cale peut être réalisée sous la forme d'un collier tandis qu'une deuxième cale peut être réalisée sous la forme d'un ensemble discontinu de plots. Lorsque plusieurs ensembles de plots sont 10 prévus dans des plans distincts, ils peuvent être déphasés les uns par rapports aux autres tant que chaque ensemble reste équilibré. Les modes ou exemples de réalisation décrits dans le présent exposé sont donnés à titre illustratif et non limitatif, une personne du métier pouvant facilement, au vu de cet exposé, modifier ces modes ou 15 exemples de réalisation, ou en envisager d'autres, tout en restant dans la portée de l'invention. De plus, les différentes caractéristiques de ces modes ou exemples de réalisation peuvent être utilisées seules ou être combinées entre elles. Lorsqu'elles sont combinées, ces caractéristiques peuvent l'être comme 20 décrit ci-dessus ou différemment, l'invention ne se limitant pas aux combinaisons spécifiques décrites dans le présent exposé. En particulier, sauf précision contraire, une caractéristique décrite en relation avec un mode ou exemple de réalisation peut être appliquée de manière analogue à un autre mode ou exemple de réalisation. REVENDICATIONS1. Ensemble rotatif pour turbomachine, comprenant un rotor comportant au moins une roue aubagée (11), un anneau de stator (21), entourant la roue aubagée (11) et définissant au moins partiellement une veine pour un fluide de travail, et un carter externe (25) entourant concentriquement l'anneau de 10 stator (21), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de calage (30) comportant au moins une cale (31) prévue entre l'anneau de stator (21) et le carter externe (25) pour restreindre la déformation de l'anneau de stator (21) lors du fonctionnement de l'ensemble rotatif (7). 15 2. Ensemble rotatif selon la revendication 1, dans lequel au moins une cale (31) du dispositif de calage (30) est prévue en vis-à-vis de la roue aubagée (11). 3. Ensemble rotatif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel au moins une cale (132) du dispositif de calage (130) est prévue dans un plan radial intermédiaire entre le plan de la roue aubagée (111) et un plan d'extrémité de l'anneau de stator (121). 4. Ensemble rotatif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'anneau de stator (21) comporte une bride radiale (23) configurée pour être appliquée contre une surface d'appui (27) du carter externe (25). 5. Ensemble rotatif selon la revendication 4, dans lequel au moins une cale (31) du dispositif de calage (30) est prévue à distance de la bride (23) de l'anneau de stator (21). 6. Ensemble rotatif selon l'une quelconque des revendications 1 à , dans lequel le carter externe (25) possède, au moins en vis-à-vis de la roue aubagée (11), une épaisseur supérieure à 5 mm, de préférence supérieure à 8 mm, ou des renforts portant localement son épaisseur à plus de 5 mm, de préférence à plus de 8 mm. 7. Ensemble rotatif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le carter externe (25) est destiné à former un carter extérieur de la turbomachine, la face externe du carter externe (25) étant configurée pour être exposée au milieu extérieur de la turbomachine. 8. Ensemble rotatif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel au moins une cale du dispositif de calage (30) est un collier annulaire (31) prévu entre l'anneau de stator (21) et le carter externe (25) et s'étendant dans un plan radial tout autour de l'anneau de stator (21). 9. Ensemble rotatif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le dispositif de calage (330) comporte au moins un ensemble de plots de calage (333) prévus entre l'anneau de stator (321) et le carter externe (325) et régulièrement espacés dans un plan radial tout autour de l'anneau de stator (321). 10. Turbomachine comprenant un ensemble rotatif (7) selon l'une quelconque des revendications précédentes.