Brevet FR3033826A1 — publié le 20160923

Arrière-plan de l'invention L'invention concerne un ensemble d'anneau de turbine comprenant une pluralité de secteurs d'anneau en matériau composite à matrice céramique ainsi qu'une structure de support d'anneau. Dans le cas d'ensembles d'anneau de turbine entièrement métalliques, il est nécessaire de refroidir tous les éléments de l'ensemble et en particulier l'anneau de turbine qui est soumis aux flux les plus chauds. Ce refroidissement a un impact significatif sur la performance du moteur puisque le flux de refroidissement utilisé est prélevé sur le flux principal du 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. Afin de tenter de résoudre ces problèmes, il a été envisagé de réaliser des secteurs d'anneau de turbine en matériau composite à matrice céramique (CMC) afin de s'affranchir de la mise en oeuvre d'un matériau métallique. Les matériaux CMC présentent de bonnes propriétés mécaniques les rendant aptes à constituer des éléments de structures et conservent avantageusement ces propriétés à températures élevées. La mise en oeuvre de matériaux CMC a avantageusement permis de réduire le flux de refroidissement à imposer lors du fonctionnement et donc à augmenter la performance des turbomachines. En outre, la mise en oeuvre de matériaux CMC permet avantageusement de diminuer la masse des turbomachines et de réduire l'effet de dilatation à chaud rencontré avec les pièces métalliques. Toutefois, les solutions existantes proposées peuvent mettre en oeuvre un assemblage d'un secteur d'anneau en CMC avec des parties d'accrochage métalliques d'une structure de support d'anneau, ces parties d'accrochage étant soumise au flux chaud. Par conséquent, ces solutions d'assemblage peuvent toujours nécessiter la mise en oeuvre d'un flux de refroidissement au moins afin de refroidir lesdites parties d'accrochage 3033826 2 métalliques. En outre, ces parties d'accrochage métalliques subissent des dilatations à chaud, ce qui peut conduire à une mise sous contrainte mécanique des secteurs d'anneau en CMC et à une fragilisation de ces derniers. 5 Il existe donc un besoin pour améliorer les ensembles d'anneau de turbine existants mettant en oeuvre un matériau CMC afin de réduire encore la quantité de gaz de refroidissement nécessaire. Il existe encore un besoin pour améliorer les ensembles 10 d'anneau de turbine existants mettant en oeuvre un matériau CMC afin de réduire l'intensité des contraintes mécaniques auxquelles les secteurs d'anneau en CMC sont soumis lors du fonctionnement. Objet et résumé de l'invention 15 A cet effet, l'invention propose, selon un premier aspect, un ensemble d'anneau de turbine comprenant une pluralité de secteurs d'anneau en matériau composite à matrice céramique et une structure de support d'anneau, chaque secteur d'anneau ayant une partie formant base annulaire avec une face interne définissant la face interne de l'anneau de 20 turbine et une face externe à partir de laquelle s'étendent au moins deux parties formant pattes, la structure de support d'anneau comprenant au moins deux pattes d'accrochage s'étendant radialement, les pattes de chaque secteur d'anneau enserrant les pattes d'accrochage de la structure de support d'anneau au moins au niveau des extrémités radiales internes 25 desdites pattes d'accrochage. La direction radiale correspond à la direction selon un rayon de l'anneau de turbine (droite reliant le centre de l'anneau de turbine à sa périphérie). L'extrémité radiale interne d'une patte d'accrochage correspond à l'extrémité de ladite patte d'accrochage située du côté de la 30 veine d'écoulement du flux gazeux. Dans l'invention, les pattes d'accrochage de la structure de support d'anneau sont au moins partiellement logées entre les pattes des secteurs d'anneau. Ces pattes d'accrochage sont ainsi protégées du flux chaud par le secteur d'anneau en CMC qui les enserre axialement lequel 35 présente une faible conductivité thermique et constitue ainsi une barrière thermique pour lesdites pattes d'accrochage. Le secteur d'anneau en CMC 3033826 3 permet ainsi d'obtenir un découplage thermique entre la face interne de l'anneau de turbine et les pattes d'accrochage qu'il enserre. La configuration selon l'invention permet ainsi de réduire la quantité de gaz nécessaire pour refroidir les pattes d'accrochage de la structure de 5 support d'anneau et conduit, par conséquent, à une augmentation des performances du moteur. De préférence, les pattes des secteurs d'anneau présentent en coupe méridienne des portions inclinées en regard des pattes d'accrochage de la structure de support d'anneau, ces portions inclinées 10 formant un angle non nul par rapport à la direction radiale et à la direction axiale. La direction axiale correspond à la direction selon l'axe de révolution de l'anneau de turbine ainsi qu'à la direction d'écoulement du flux gazeux dans la veine. 15 La mise en oeuvre de telles portions inclinées permet avantageusement de faire glisser les pattes des secteurs d'anneau sur les pattes d'accrochage de la structure de support de l'anneau en cas de dilatation différentielle et, par conséquent, de compenser les différences de dilatation entre les pattes d'accrochage et les pattes du secteur 20 d'anneau ainsi que de réduire les contraintes mécaniques auxquelles les secteurs d'anneau sont soumis. La présence de portions inclinées permet donc d'obtenir un glissement des secteurs d'anneau en cas de dilatation radiale et/ou axiale des pattes d'accrochage, ce qui permet d'éviter tout blocage radial ou axial des secteurs d'anneau et donc d'éviter que ces 25 derniers soient soumis à des contraintes trop élevées. La présence des portions inclinées est d'autant plus avantageuse que les pattes d'accrochage sont logées entre les pattes des secteurs d'anneau, ces pattes d'accrochage ayant par conséquent un espace relativement restreint pour se dilater pouvant ainsi conduire à l'application d'une 30 contrainte mécanique significative sur les pattes des secteurs d'anneau dans le cas où celles-ci sont dépourvues de telles portions inclinées. Dans un exemple de réalisation, les pattes des secteurs d'anneau peuvent enserrer les pattes d'accrochage sur une longueur inférieure à la longueur des pattes des secteurs d'anneau. 3 0 3 3 8 2 6 4 En variante, les pattes des secteurs d'anneau peuvent enserrer les pattes d'accrochage sur une longueur égale à la longueur des pattes des secteurs d'anneau. Ce mode de réalisation permet avantageusement d'augmenter 5 l'étendue de la surface d'appui entre les pattes des secteurs d'anneau et les pattes d'accrochage et de réduire la présence d'efforts locaux au niveau de cette surface d'appui. Dans un exemple de réalisation, les portions inclinées peuvent former un angle compris entre 300 et 60° avec la direction radiale. 10 De préférence, les pattes des secteurs d'anneau peuvent présenter à leur extrémité radiale externe des évidements s'étendant en direction tangentielle. L'extrémité radiale externe d'une patte d'un secteur d'anneau correspond à l'extrémité de ladite patte située du côté opposé à la veine 15 d'écoulement du flux gazeux. La direction tangentielle correspond à la direction circonférentielle de l'anneau de turbine. La présence de tels évidements permet avantageusement de réduire les contraintes mécaniques auxquelles le secteur d'anneau est soumis lors du fonctionnement. 20 De préférence, un élément d'amortissement élastique peut être présent entre les extrémités radiales internes des pattes d'accrochage de la structure de support d'anneau et la base annulaire du secteur d'anneau dont les pattes enserrent lesdites pattes d'accrochage. La présence d'un tel élément d'amortissement permet 25 avantageusement d'amortir les déplacements radiaux des secteurs d'anneau et ainsi de contribuer au maintien des secteurs d'anneau sur les pattes d'accrochage lors du fonctionnement. Dans un exemple de réalisation, l'élément d'amortissement peut être ajouré. La présence d'un ou plusieurs ajours peut avantageusement 30 permettre de refroidir les secteurs d'anneau. Dans un exemple de réalisation, les secteurs d'anneau ont une section sensiblement en forme de u. La présente invention vise également turbomachine comprenant un ensemble d'anneau de turbine tel que défini plus haut. 35 Dans un exemple de réalisation, l'ensemble d'anneau de turbine peut faire partie du distributeur de la turbomachine. 3 0 3 3 82 6 5 L'ensemble d'anneau de turbine peut faire partie d'une turbine à gaz d'un moteur aéronautique ou peut, en variante, faire partie d'une turbine industrielle. 5 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : 10 - la figure 1 est une vue en coupe méridienne montrant un mode de réalisation d'un ensemble d'anneau de turbine selon l'invention, - la figure 2 représente de manière isolée un secteur d'anneau mis en oeuvre dans l'ensemble d'anneau de turbine de la figure 1, - la figure 3 illustre le montage d'un des secteurs d'anneau sur 15 la structure de support d'anneau en vue d'obtenir l'ensemble d'anneau de turbine de la figure 1, - la figure 4 est une vue de l'ensemble d'anneau de turbine de la figure 1 une fois l'ensemble des secteurs d'anneau montés, et - la figure 5 est une vue en coupe méridienne montrant une 20 variante de réalisation d'un ensemble d'anneau de turbine selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation La figure 1 montre un secteur d'anneau de turbine 1 et un 25 carter 2 en matériau métallique constituant structure de support d'anneau. L'ensemble de secteurs d'anneau 1 est monté sur le carter 2 de sorte à former un anneau de turbine qui entoure un ensemble de pales rotatives 3. La flèche F représente le sens d'écoulement du flux gazeux dans la turbine. Les secteurs d'anneau 1 sont en une seule pièce et réalisés en 30 CMC. La mise en oeuvre d'un matériau CMC pour réaliser les secteurs d'anneau 1 est avantageuse afin de réduire les besoins en ventilation de l'anneau. Les secteurs d'anneau 1 ont une section sensiblement en forme de n avec une base annulaire 5 dont la face interne 6 revêtue d'une couche 7 de matériau abradable définit la veine d'écoulement du flux 35 gazeux dans la turbine. La base annulaire 5 présente, en outre, une face externe 8 à partir de laquelle s'étendent des pattes 9a et 9b. 303 3 8 2 6 6 Chaque secteur d'anneau 1 décrit ci-avant est réalisé en CMC par formation d'une préforme fibreuse ayant une forme voisine de celle du secteur d'anneau et densification du secteur d'anneau par une matrice céramique. 5 Pour la réalisation de la préforme fibreuse, on peut utiliser des fils en fibres céramique, par exemple des fils en fibres SiC tels que ceux commercialisés par la société japonaise Nippon Carbon sous la dénomination "Nicalon", ou des fils en fibres de carbone. La préforme fibreuse est avantageusement réalisée par tissage 10 tridimensionnel, ou tissage multicouches avec aménagement de zones de déliaison permettant d'écarter les parties de préformes correspondant aux pattes 9a et 9b de la partie de préforme correspondant à la base 5. Le tissage peut être de type interlock. D'autres armures de tissage tridimensionnel ou multicouches peuvent être utilisées comme par 15 exemple des armures multi-toile ou multi-satin. On pourra se référer au document WO 2006/136755. Après tissage, l'ébauche peut être mise en forme pour obtenir une préforme de secteur d'anneau qui est ensuite consolidée et densifiée par une matrice céramique, la densification pouvant être réalisée 20 notamment par infiltration chimique en phase gazeuse (CVI) qui est bien connue en soi. Un exemple détaillé de fabrication de secteurs d'anneau en CMC est notamment décrit dans le document US 2012/0027572. Le carter 2 comprend quant à lui des pattes d'accrochage 11a et 11b s'étendant radialement vers une veine d'écoulement du flux 25 gazeux, les pattes 9a et 9b des secteurs d'anneau 1 enserrant axialement de manière étanche les pattes d'accrochage 11a et 11b du carter 2. Les pattes d'accrochage 11a et 11b du carter 2 sont partiellement logées entre les pattes 9a et 9b des secteurs d'anneau 1 comme illustré (i.e. seule une partie de la longueur des pattes d'accrochage 11a et 11b est logée entre 30 les pattes 9a et 9b). En particulier, les extrémités radiales internes 14a et 14b des pattes d'accrochage 11a et 11b sont enserrées entre les pattes 9a et 9b. Le fait que les pattes 9a et 9b enserrent axialement les pattes d'accrochage 11a et 11b permet avantageusement de protéger les pattes d'accrochage 11a et 11b du flux gazeux s'écoulant dans la veine puisque 35 le secteur d'anneau 1 est résistant à la chaleur et forme une barrière thermique. La présence du phénomène de dilatation différentielle peut par 3033826 7 ailleurs avantageusement permettre de maintenir l'étanchéité de la liaison entre les secteurs d'anneau 1 et les pattes d'accrochage 11a et 11b du carter 2. En effet, la dilatation axiale des pattes d'accrochage 11a et 11b permet d'exercer une légère pression sur les pattes 9a et 9b des secteurs 5 d'anneau 1 assurant ainsi le maintien de l'étanchéité de la liaison. Les pattes d'accrochage 11a et 11b sont enserrées axialement entre des portions inclinées 12a et 12b définies par les pattes 9a et 9b du secteur d'anneau 1. Comme illustré, les portions inclinées 12a et 12b sont situées en regard des pattes d'accrochage 11a et 11b et sont en appui sur 10 lesdites pattes d'accrochage 11a et 11b afin de les enserrer. Les portions inclinées 12a et 12b sont au contact des pattes d'accrochage 11a et 11b. Comme illustré, les portions inclinées 12a et 12b s'étendent chacune en ligne droite en formant un angle al non nul avec la direction radiale R et un angle a2 non nul avec la direction axiale A. Comme mentionné plus 15 haut, la mise en oeuvre de ces portions inclinées 12a et 12b permet avantageusement de compenser les différences de dilatation entre les pattes d'accrochage 11a et 11b et les pattes 9a et 9b des secteurs d'anneau 1 ainsi que de réduire les contraintes mécaniques auxquelles les secteurs d'anneau 1 sont soumis. Le secteur d'anneau 1 est ainsi, dans 20 l'exemple illustré, relié aux pattes d'accrochage 11a et 11b du carter 2 par l'intermédiaire d'une attache dite attache marteau. L'angle al peut par exemple être compris entre 30° et 60°. Dans l'exemple illustré à la figure 1, chacune des pattes 9a ou 9b présente une unique portion inclinée 12a ou 12b formant un angle non 25 nul par rapport à la direction radiale R et à la direction axiale A. On ne sort pas du cadre de la présente invention lorsque les pattes des secteurs d'anneau comportent chacune plusieurs portions inclinées comme il sera détaillé plus bas. Comme illustré à la figure 1, les pattes 9a et 9b des secteurs d'anneau 1 enserrent les pattes d'accrochage 11a et 11b sur une 30 longueur le laquelle est inférieure à la longueur lp des pattes 9a et 9b du secteur d'anneau 1. Les longueurs le et lp sont, comme illustré, mesurées perpendiculairement à la face externe 8 de la base annulaire 5 du secteur d'anneau 1. La longueur le peut par exemple être inférieure ou égale à 0,75 fois la longueur lp. 35 La figure 1 représente un exemple de réalisation où seule une partie de la longueur des pattes d'accrochage 11a et 11b est logée entre 3033826 8 les pattes 9a et 9b. Dans une variante non illustrée, les pattes du secteur d'anneau présentent une longueur suffisante permettant d'enserrer sensiblement la totalité de la longueur des pattes d'accrochage. Dans l'exemple illustré à la figure 1, un élément 5 d'amortissement élastique 15 est présent entre les extrémités radiales internes 14a et 14b des pattes d'accrochage 11a et 11b et la base annulaire 5 du secteur d'anneau 1 dont les pattes 9a et 9b enserrent lesdites pattes d'accrochage 11a et 11b. L'élément d'amortissement élastique 15 peut par exemple être sous la forme d'une plaque, par 10 exemple formée d'un matériau métallique. L'élément d'amortissement 15 peut comporter un ou plusieurs ajours. La présence de ces ajours est avantageuse afin de permettre de refroidir le secteur d'anneau 1. On a représenté à la figure 2 de manière isolée un secteur d'anneau 1 mis en oeuvre dans l'ensemble d'anneau de turbine de la figure 15 1. Comme illustré, les pattes 9a et 9b du secteur d'anneau 1 présentent à leur extrémité radiale externe 16a et 16b des évidements 17a et 17b s'étendant en direction tangentielle lorsque le secteur d'anneau 1 est fixé à la structure de support d'anneau. Comme mentionné plus haut, la présence des évidements 17a et 17b permet avantageusement de réduire 20 les contraintes mécaniques auxquelles le secteur d'anneau 1 est soumis lors du fonctionnement. En outre, le secteur d'anneau 1 peut comporter une ou plusieurs lamelles d'étanchéité 18. Ces lamelles d'étanchéité 18 permettent une fois l'ensemble des secteurs d'anneau 1 montés sur la structure de support d'anneau de réduire, voire de supprimer, les fuites 25 d'air entre les secteurs d'anneau 1. La figure 3 illustre le montage d'un secteur d'anneau 1 au carter 2. Le secteur d'anneau 1 à monter est présenté face à l'échancrure du carter 2. Le secteur d'anneau 1 à monter peut, dans un exemple de réalisation, être pourvu d'un élément d'amortissement 15 tel qu'illustré à 30 la figure 1. Le secteur d'anneau 1 est inséré en translation puis décalé angulairernent comme représenté par les flèches de la figure 3. La figure 4 est une vue de l'ensemble d'anneau de turbine de la figure 1 une fois l'ensemble des secteurs d'anneau monté. Comme illustré, une pluralité de secteurs 1 d'anneau en CMC sont montés sur la structure de support 35 d'anneau 2. L'ensemble d'anneau de turbine comporte en outre une clé de fermeture 20 présente au niveau d'un des secteurs d'anneau et 3033826 9 permettant d'assurer la cohésion de l'ensemble des secteurs d'anneau entre eux. La clé de fermeture 20 est présente au niveau du dernier secteur d'anneau monté. La figure 5 illustre une variante de réalisation dans laquelle les 5 pattes 9'a et 9'b des secteurs d'anneau 1' enserrent les pattes d'accrochage 11'a et 11'b sur une longueur sensiblement égale à la longueur des pattes 9'a et 9'b. Dans l'exemple de la figure 5, chacune des pattes 9'a ou 9'b présente une première portion inclinée 12'a ou 12'b formant un angle non nul par rapport à la direction radiale et à la direction 10 axiale ainsi qu'une deuxième portion inclinée 12"a ou 12"b formant un angle non nul par rapport à la direction radiale et à la direction axiale. Les première et deuxième portions inclinées sont présentes de part et d'autre d'un coude C formé par les pattes 9'a et 9'b du secteur d'anneau 1'. Le coude C peut comme illustré être sensiblement situé à mi-longueur des 15 pattes 9'a et 9'b. L'expression « compris(e) entre ... et ... » ou « allant de ... à » doit se comprendre comme incluant les bornes. REVENDICATIONS1. Ensemble d'anneau de turbine comprenant une pluralité de secteurs d'anneau (1 ; 1') en matériau composite à matrice céramique et une structure de support d'anneau (2), chaque secteur d'anneau (1; 1') ayant une partie formant base annulaire (5) avec une face interne (6) définissant la face interne de l'anneau de turbine et une face externe (8) à partir de laquelle s'étendent au moins deux parties formant pattes (9a ; 9b; 9'a ; 9'b), la structure de support d'anneau (2) comprenant au moins deux pattes d'accrochage (11a ; 11b; 11'a ; 11'b) s'étendant radialement, les pattes (9a ; 9b; 9'a ; 9'b) de chaque secteur d'anneau (1 ; 1') enserrant les pattes d'accrochage (11a ; 11b; 11'a ; 11'b) de la structure de support d'anneau (2) au moins au niveau des extrémités radiales internes (14a ; 14b ; 14'a ; 14'b) desdites pattes d'accrochage (11a ; 11b; 11'a ; 11'b). 2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel les pattes (9a ; 9b; 9'a ; 9'b) des secteurs d'anneau (1 ; 1') présentent en coupe méridienne des portions inclinées (12a ; 12b; 12'a ; 12'b ; 12"a ; 12"b) en regard des pattes d'accrochage (11a ; 11b; 11'a ; 11'b) de la structure de support d'anneau (2), ces portions inclinées (12a ; 12b; 12'a ; 12'b ; 12"a ; 12"b) formant un angle non nul (ai ; a2) par rapport à la direction radiale (R) et à la direction axiale (A). 3. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel les pattes (9a ; 9b) des secteurs d'anneau (1) enserrent les pattes d'accrochage (11a ; 11b) sur une longueur inférieure à la longueur des pattes (9a ; 9b) des secteurs d'anneau (1). 4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel les pattes (9'a ; 9'b) des secteurs d'anneau (1') enserrent les pattes d'accrochage (11'a ; Mt) sur une longueur sensiblement égale à la longueur des pattes (9'a ; 9'b) des secteurs d'anneau (1'). 3033826 11 5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel les portions inclinées (12a ; 12b ; 12'a ; 12'b; 12"a ; 12"b) forment un angle compris entre 300 et 60° avec la direction radiale (R). 5 6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les pattes (9a ; 9b) des secteurs d'anneau (1) présentent à leur extrémité radiale externe (16a ; 16b) des évidements (17a ; 17b) s'étendant en direction tangentielle. 10 7. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel un élément d'amortissement élastique (15) est présent entre les extrémités radiales internes (14a ; 14b) des pattes d'accrochage (11a ; 11b) de la structure de support d'anneau (2) et la base annulaire (5) du secteur d'anneau (1) dont les pattes (9a ; 9b) enserrent lesdites pattes 15 d'accrochage (11a ; 11b). 8. Ensemble selon la revendication 7, dans lequel l'élément (15) d'amortissement est ajouré. 20 9. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel les secteurs d'anneau ont une section sensiblement en forme de -rr. 10. Turbomachine comprenant un ensemble d'anneau de turbine 25 selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.