Brevet FR3040461A1 — publié le 20170303

Elément de joint d'étanchéité à labyrinthe pour turbine Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz et plus particulièrement celui des éléments d'étanchéité statoriques utilisés dans les joints à labyrinthe entre les pièces mobiles et statoriques d'une turbine. Etat de la technique Un moteur à turbine à gaz comprend, au niveau de la turbine par exemple, des joints d'étanchéité entre les extrémités radiales extérieures des aubes mobiles et la surface du stator balayée par les extrémités radiales extérieures de l'étage mobile ; il s'agit d'éviter qu'une partie du gaz moteur ne travaille pas en contournant l'étage de turbine. On utilise dans ce but des joints à labyrinthe. Ces joints comprennent un élément de joint solidaire du rotor, formé d'une ou plusieurs lames, désignées léchettes disposées radialement et transversalement par rapport à l'axe (A) de rotation de la machine. Ils comprennent également un élément de stator complémentaire, en vis-à-vis des lames. Cet élément présente une portion de surface qui coopère avec les lames pour ménager un jeu aussi faible que possible. Plusieurs lames en parallèle induisent une succession de pertes de charge au flux de gaz qui contourne l'étage de turbine, assurant l'étanchéité souhaitée. On dispose des tels joints à labyrinthe en plusieurs endroits du moteur, par exemple aussi entre l'arbre de la turbine et 3040461 2 la base de l'étage statorique, formé d'ailettes de stator, entre deux étages mobiles successifs d'une turbine. Les moteurs à turbine à gaz en fonction de leurs conditions 5 de fonctionnement subissent des variations de dilatation différentielles entre en particulier les éléments du stator et ceux de rotor. Ces différences de variation si elles ne sont pas maîtrisées peuvent affecter les jeux entre les parties mobiles et fixes. C'est ainsi que pour un moteur de 10 propulsion d'un aéronef subissant en vol une extinction de flamme dans la chambre de combustion pour une quelconque raison, l'ensemble de la turbine n'étant plus traversé par des gaz à haute température se refroidit. Cependant le carter peut être amené à se refroidir plus rapidement que le rotor 15 de turbine, avec un impact sur les jeux. Or pour avoir un rendement optimal, les jeux des joints à labyrinthe sont calculés pour, en fonctionnement, être aussi faibles que possible. Il s'ensuit un risque de blocage du rotor en raison du contact plus ou moins serré des léchettes avec le matériau 20 abradable, dans une telle situation. Les caractéristiques du joint à labyrinthe sont déterminées et ajustées pour permettre une variation de jeu et un éventuel faible contact pendant les différentes phases de 25 vol, en fonctionnement normal, mais lorsque les variations dimensionnelles sont importantes résultant d'un incident de cet ordre, le joint à labyrinthe ne peut plus remplir son rôle. Le rotor étant empêché de tourner, le redémarrage du moteur par autorotation du corps BP ou HP ou bien par 30 entraînement par un moteur auxiliaire peut ne pas se produire de façon satisfaisante. 3040461 3 Pour éviter le serrage du rotor en cas d'une telle extinction de la chambre de combustion, il serait envisageable d'augmenter le jeu entre les léchettes et l'abradable. Cependant cette solution n'est pas viable économiquement en 5 raison de la chute de performance du moteur qu'elle induirait Le présent déposant s'est donc fixé comme objectif de mettre au point une solution qui permettrait de faire face à la situation d'une extinction intempestive de la chambre de 10 combustion sans réduire les performances du moteur en fonctionnement normal. Exposé de l'invention 15 On parvient à cet objectif conformément à l'invention avec un élément d'anneau d'étanchéité statorique de turbine agencé pour former un joint à labyrinthe en association avec au moins une léchette mobile en rotation autour de l'axe (A) de 20 l'anneau d'étanchéité, l'élément d'anneau d'étanchéité statorique comprenant une couche en matériau abradable avec une portion de surface d'étanchéité apte à coopérer avec ladite léchette mobile, caractérisé par le fait que la couche de matériau abradable sur ladite portion de surface comprend 25 axialement une première zone avec une première résistance à la pénétration d'une léchette en rotation, et une deuxième zone adjacente à la première avec une résistance réduite à la pénétration d'une léchette en rotation. 30 Le matériau abradable est un matériau qui est usé ou déformé au contact de la léchette en rotation, préférentiellement à cette dernière. Il peut s'agir d'un matériau en nid d'abeille. 3040461 4 L'élément d'anneau d'étanchéité peut être un secteur d'anneau d'étanchéité ou bien un anneau complet. 5 L'invention résulte de l'observation qu'en vol, le moteur, lorsqu'il n'est plus entraîné par les gaz moteur, se met en autorotation et subit la pression du vent relatif. De plus, en vol et lorsque le moteur n'est plus entrainé, les différences de dilatations axiale et radiale entre le carter 10 et le rotor peuvent provoquer un blocage du rotor. Ce blocage peut en outre être favorisé par le déplacement, léger, des différents corps, BP et HP, vers l'aval, résultant de la pression du vent relatif précitée. Ce déplacement est mis à profit par l'invention pour réserver deux zones sur la 15 portion de surface en vis-à-vis de la léchette. La première zone correspond à la position axiale de la léchette en fonctionnement normal de la machine ; le jeu entre la léchette et l'abradable est dans ce cas celui du fonctionnement optimal de la machine. La seconde zone est 20 située en aval par rapport à la première et correspond à la position axiale que prend la léchette lorsqu'il se produit une extinction de flamme dans la chambre de combustion. Comme le jeu vient alors à se réduire jusqu'à être négatif, il importe de réduire les efforts de friction entre les deux 25 parties mobiles relativement l'une par rapport à l'autre. On réduit ainsi voire on élimine les risques de serrage du rotor résultant de ce contact. Conformément à un premier mode de réalisation, ladite portion 30 de surface de l'élément d'étanchéité statorique de turbine présente par rapport à l'axe (A) du moteur, un rayon constant le long des deux zones, et dans ladite deuxième zone adjacente à la première, l'épaisseur de la couche abradable 3040461 5 est réduite. Cette zone d'épaisseur réduite cède à la pression de serrage et libère les léchettes des efforts de friction. Le serrage du rotor est évité. 5 Conformément à un mode de réalisation particulier, l'épaisseur de la couche abradable dans la deuxième zone est réduite à 50-95% de l'épaisseur de l'abradable dans la première zone. Avantageusement, la zone d'épaisseur réduite est comblée d'un matériau de résistance plus faible que celui 10 de l'abradable. Conformément à un autre mode de réalisation, la portion de surface le long de la première zone est cylindrique et tronconique le long de la deuxième zone. L'invention trouve une première application où l'élément est agencé pour former un joint à labyrinthe en extrémité radiale extérieure des aubes mobiles d'une turbine, en particulier axiale. L'invention trouve une autre application où l'élément est agencé pour former un joint à labyrinthe en extrémité radiale intérieure des aubes statoriques d'une turbine. 25 L'invention porte également sur une turbine de moteur à turbine à gaz comportant un rotor et un stator, le rotor comprenant une pluralité d'aubes radiales pourvues à leur extrémité radialement extérieure d'un élément d'étanchéité rotorique avec au moins une léchette en forme de lame 30 radiale, orientée radialement vers l'extérieur (elle peut être perpendiculaire à l'axe ou inclinée par rapport à cet axe, par exemple vers l'amont) par rapport à l'axe (A) de rotation du rotor, le stator formant l'enveloppe cylindrique 15 20 3040461 6 à l'intérieur de laquelle les aubes du rotor sont mises en mouvement, le stator comprenant en vis-à-vis de ladite lame, un élément d'étanchéité statorique réalisé dans un matériau abradable et formant avec l'élément d'étanchéité rotorique un 5 joint d'étanchéité à labyrinthe. La turbine est caractérisée par le fait que ledit élément d'étanchéité statorique forme un anneau d'étanchéité, ladite première zone correspondant au fonctionnement nominal de la turbine et ladite seconde zone correspondant au fonctionnement en phase de ré-allumage après 10 une extinction à chaud. L'invention porte également sur une turbine de moteur à turbine à gaz comprenant un étage formé d'ailettes statoriques, les dites ailettes comprenant du côté de l'axe 15 (A)de la turbine un élément d'étanchéité coopérant avec au moins une léchette mobile en rotation pour former un joint à labyrinthe, caractérisé par le fait que dans l'élément d'étanchéité, ladite première zone correspondant au fonctionnement nominal de la turbine et ladite seconde zone 20 correspondant au fonctionnement en phase de ré-allumage après une extinction de chambre de combustion. Brève description des figures 25 L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative détaillée qui va suivre, de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples purement illustratifs 30 et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : 3040461 7 La figure 1 représente schématiquement en coupe axiale partielle, un exemple de turbine d'un moteur à turbine à gaz auquel s'applique l'invention ; La figure 2 montre le détail de la figure 1 se 5 rapportant à un élément d'étanchéité statorique auquel s'applique l'invention ; La figure 3 montre le détail de la figure 1 se rapportant à un autre élément d'étanchéité statorique auquel s'applique l'invention ; 10 La figure 4 montre un autre mode de réalisation de l'invention. Description de modes de réalisation de l'invention 15 La figure 1 montre la turbine BP d'un moteur à turbine à gaz. La structure de cette turbine est en soi connue. Cette turbine 1 est ici à quatre étages. Le rotor 20 de la turbine est formé dans cet exemple de quatre disques de 20 turbine 21 boulonnés entre eux. Chaque disque 21 porte respectivement sur sa jante les aubes mobiles 21a. En extrémité radiale extérieure les aubes sont pourvues d'un talon 21t sur lequel sont ménagées des lames radiales 211 respectivement, tournées vers le stator 30. Sur l'exemple de 25 la figure, chaque talon 21t supporte deux lames radiales formant les léchettes de joints à labyrinthe. En vis-à-vis des léchettes le stator comprend des éléments d'étanchéité 31 qui comme cela est en soi connu forment avec les léchettes sur les talons des joints à labyrinthe. Les deux joints à 30 labyrinthe sont selon cet exemple sur deux rayons différents par rapport à l'axe (A) de la machine. On trouve également des joints à labyrinthe sur l'extrémité radiale intérieure des roues d'aubes de stator inter étages 3040461 8 22. L'élément de joint statorique 22s est un anneau en deux moitiés par exemple. Les léchettes 201 sont portées par les extensions latérales des disques de turbine 21 reliant ces derniers par boulonnage. 5 L'invention est décrite maintenant en relation avec les figures 2 à 6. La figure 2 montre le détail de l'un des éléments 31 d'étanchéité statoriques. Cet élément 31 est un secteur d'anneau ; il comprend dans cet exemple deux portions 10 de surface 31p agencées pour coopérer chacune avec une léchette 211 du talon 21t de l'aube de l'étage considéré. Chaque portion de surface 31p comprend une première zone 31p1 et une deuxième zone 31p2. La première zone 31p1 est à l'amont de la zone 31p2 et coopère avec une léchette 211 du 15 talon 21t. Cette première zone 31p1 correspond à la position axiale de la léchette 211 en fonctionnement normal de la machine. Le jeu entre la léchette 211 et l'abradable de l'élément d'étanchéité 31 est maîtrisé. En fonctionnement normal du moteur à turbine à gaz, le joint à labyrinthe ne 20 subit pas de détérioration sensible, les écarts de température sont maîtrisés, les écarts de dilatation entre les parties mobiles et les parties de stator, n'affectent pas la surface du matériau abradable. 25 Dans la deuxième zone 31p2, située en aval de la première, l'épaisseur de la couche d'abradable est réduite. Une cavité 31c est creusée dans le matériau pour l'affaiblir. La réduction peut consister sur un élément d'étanchéité existant en un usinage dans l'épaisseur de la couche recouvrant 30 l'élément d'étanchéité ; cette zone correspond à la position axiale de la léchette au cours d'un fonctionnement extrême du moteur où la chambre de combustion est éteinte en vol ; le rotor est susceptible d'être serré par l'élément statorique. En effet, lorsque la chambre de combustion s'éteint pour une 3040461 9 raison non souhaitée, les rotors ne sont plus parcourus par des gaz moteurs et ils subissent la pression de l'air entrant dans le moteur. Dans cette situation, les rotors subissent un déplacement axial vers l'aval. Du refroidissement 5 différentiel entre le rotor et le stator, Il s'ensuit que si le stator vient à se refroidir rapidement et se rétracter, les extrémités des léchettes pénètrent dans le matériau dont la résistance est réduite à cause de la cavité 31c. Aucun risque de blocage du rotor n'est alors à craindre de la 10 solution de l'invention car les matériaux sont adaptés. La solution de la figure 4 se rapporte à une variante. L'élément d'étanchéité 31' présente sur la portion de surface 31'p en vis-à-vis des léchettes deux zones également 31'pl et 15 31'p2. La solution a consisté à tailler en biseau la seconde zone de la portion de surface concernée par le joint d'étanchéité. La figure 3 montre l'application de l'invention à 20 l'étanchéité entre l'extrémité 22s radiale interne du disque de stator inter-étage. Sur cet élément, des cavités 22c ont été usinées dans le matériau abradable de façon à y créer sur la deuxième zone, une faible résistance à la pénétration par la léchette correspondante 201. 25 La figure 5 est une variante de réalisation du concept de la figure 3, dans laquelle les cavités 22c, plutôt que d'être situées à la périphérie externe de l'élément d'étanchéité, sont situées à la périphérie interne de cet élément et 30 débouchent radialement vers l'intérieur. La figure 6 est une variante de réalisation du concept de la figure 2, dans laquelle les cavités 31c, plutôt que de 3040461 10 déboucher axialement vers l'aval, débouchent ici radialement vers l'intérieur. 5 REVENDICATIONS1. Elément d'anneau d'étanchéité statorique (31, 31', 22s) de turbine agencé pour former un joint à labyrinthe en association avec au moins une léchette (211, 201) mobile en rotation autour de l'axe (A) de l'anneau d'étanchéité, l'élément (31, 31', 22s) comprenant une couche en matériau abradable avec une portion de surface d'étanchéité (31p, 31'p, 22s') apte à coopérer avec ladite léchette mobile (211, 201), caractérisé par le fait que la couche de matériau abradable sur ladite portion de surface (31p, 31'p, 22s') comprend axialement une première zone (31p1, 31'pl, 22s1) avec une première résistance à la pénétration d'une léchette (201, 211), et une deuxième zone (31p2, 31'p2, 22s2) adjacente à la première zone (31p1, 31'pl, 22s1) avec une résistance à la pénétration d'une léchette réduite par rapport à la première zone. 2. Elément d'anneau d'étanchéité statorique de turbine selon la revendication 1 dont le rayon de ladite portion de surface (31p, 31'p, 22s') est constant le long des deux zones, dans ladite deuxième zone (31p2, 31'p2, 22s2), adjacente à la première (31p1, 31'pl, 22s1), l'épaisseur de la couche abradable étant réduite par rapport à la première zone. 3. Elément d'anneau d'étanchéité statorique de turbine selon la revendication 1 ou 2, dont l'épaisseur de la couche abradable dans la deuxième zone (31p2, 31'p2, 22s2) est réduite de 50 à 95% de l'épaisseur dans la première zone. 4. Elément d'anneau d'étanchéité statorique de turbine selon la revendication 3, dont la zone d'épaisseur réduite est comblée d'un matériau de résistance plus faible. 3040461 12 5. Elément d'anneau d'étanchéité statorique de turbine selon la revendication 1, dont la portion de surface le long de la première zone est cylindrique et tronconique le long de la deuxième zone. 5 6. Elément d'anneau d'étanchéité statorique de turbine selon l'une des revendications précédentes agencé pour former un joint à labyrinthe en extrémité radiale des aubes mobiles (21a) d'une turbine. 7. Elément d'anneau d'étanchéité statorique de turbine 10 selon l'une des revendications 1 à 5, agencé pour former un joint à labyrinthe en extrémité radiale intérieure des aubes statoriques (22) d'une turbine. 8. Turbine de moteur à turbine à gaz comportant un rotor et un stator, le rotor comprenant une pluralité d'aubes 15 radiales (21a) pourvues à leur extrémité radialement extérieure d'un élément d'étanchéité rotorique avec au moins une léchette (211) en forme de lame radiale, orientée radialement vers l'extérieur par rapport à l'axe (A) de rotation du rotor, le stator (30) formant 20 l'enveloppe cylindrique à l'intérieur de laquelle les aubes du rotor sont mises en mouvement, le stator comprenant en vis-à-vis de ladite lame, un élément d'anneau d'étanchéité statorique (31) réalisé dans un matériau abradable et formant avec l'élément 25 d'étanchéité rotorique (211) un joint d'étanchéité à labyrinthe, turbine caractérisée par le fait que ledit élément d'étanchéité statorique est formé d'éléments d'étanchéité selon l'une des revendications 1 à 6, ladite première zone (31p1, 31'p1) correspondant au 30 fonctionnement nominal de la turbine et ladite seconde zone (31p2, 31p2) correspondant au fonctionnement en phase de ré-allumage après une extinction de chambre de combustion. 3040461 13 9. Turbine de moteur à turbine à gaz comprenant un étage formé d'ailettes statoriques (22), les dites ailettes comprenant du côté de l'axe (A) de la turbine un élément d'étanchéité (22s) coopérant avec au moins une léchette 5 (201) mobile en rotation pour former un joint à labyrinthe, caractérisé par le fait que l'élément d'étanchéité est formé de secteurs d'étanchéité selon l'une des revendications 1 à 5 et 7, ladite première zone (22s1) correspondant au fonctionnement nominal de 10 la turbine et ladite seconde zone (22s2) correspondant au fonctionnement en phase de ré-allumage après une extinction de chambre de combustion. 15