Brevet FR3058458A1 — publié le 20180511

ETAGE DE TURBINE DE TURBOMACHINE POURVU DE MOYENS D'ETANCHEITE La présente invention se rapporte à un étage d'une turbine de turbomachine, et plus particulièrement à une turbine basse pression comprenant un moyen d'étanchéité. Classiquement, une turbomachine 2 telle que représentée schématiquement à la figure 1, comprend selon le sens d'écoulement de l'air dans celle-ci, représenté par la flèche A, et axialement selon un axe B longitudinal de la turbomachine 2, une roue 4 de soufflante par laquelle l'air entre dans la turbomachine 2 avant d'être séparé pour s'écouler en partie dans une veine 6 annulaire principale et une veine 8 annulaire secondaire positionnée coaxialement et autour de la veine 6 annulaire principale. La turbomachine comprend, d'amont AM en aval AV dans la veine 6 annulaire principale, un compresseur 10 basse pression, un compresseur 12 haute pression, une chambre 14 de combustion, une turbine 16 haute pression, une turbine 18 basse pression et, enfin, une tuyère 20 d'échappement. Un premier arbre 22 relie ensemble la turbine 16 haute pression et le compresseur 12 haute pression. De même, un second arbre 24 relie 20 ensemble la turbine 18 basse pression, le compresseur 10 basse pression et la roue 4 de soufflante. Ainsi, on comprend qu'en sortie de la chambre 14 de combustion, la détente des gaz chauds entraine la turbine 16 haute pression et la turbine 18 basse pression qui entrainent alors le 25 compresseur 12 haute pression et le compresseur 10 basse pression et la roue 4 de soufflante respectivement. La figure 2 représente de manière schématique un détail d'un étage 26 de turbine 18 basse pression comprenant un moyen 28 d'étanchéité selon l'art antérieur. L'étage 26 comprend un distributeur 30 30 c'est-à-dire une rangée annulaire d'aubes radiales fixes entourées extérieurement par une virole 32 radialement externe, une roue 34 mobile, 3058458 2 solidaire du second arbre 24 (figure 1) et pourvue d'une rangée annulaire d'aubes 36 radiales mobiles, et un anneau 38 radialement externe entourant la roue 34 mobile et portant des secteurs 40 de disque d'abradable en vis-à-vis du sommet 36a des aubes radiales mobiles. 5 L'anneau 32 radialement externe et l'anneau 38 sont solidaires d'un carter 40 externe entourant la turbine 18 basse pression (figure 1). A toutes fins utiles, on rappelle qu'une turbine 18 basse pression comprend une pluralité d'étages 26 axialement successifs. Il en va de même pour une turbine 16 haute pression. 10 Le moyen 28 d'étanchéité se présente sous la forme d'une languette annulaire, obtenue par formage d'une tôle, brasée sur l'anneau 38 et précontrainte contre la virole 32 radialement externe. Ce moyen d'étanchéité a pour fonction d'empêcher que les gaz chauds sortant de la chambre 14 de combustion, et traversant la turbine 18 15 basse pression, n'atteigne le carter 40 externe et d'autres pièces de la turbomachine 2 situées radialement au-delà du carter 40 externe. En effet, les pièces de la turbine 18 basse pression sont conçues de sorte à résister à la température élevée des gaz chauds alors que, notamment pour des raisons de coût, les autres pièces telles que le carter 40 externe ou les pièces situées radialement au-delà du carter 40 externe ne sont pas conçues pour résister à la température des gaz chauds. Ainsi, si les gaz chauds atteignent le carter 40 externe ou les pièces radialement au-delà de ce dernier, il existe un risque important d'endommagement dudit carter 40 externe ou desdites pièces à cause de la température élevée des gaz chauds. De plus, en présence d'un débit d'air froid de refroidissement circulant autour de l'anneau 38 radialement externe, l'efficacité du refroidissement serait atténuée par un mélange de l'air froid avec les gaz chauds. Le moyen 26 d'étanchéité selon l'art antérieur a comme inconvénient principal une efficacité d'étanchéité modérée dans le temps et 3058458 3 nécessitant une maintenance préventive régulière pour accroître son efficacité dans le temps. En effet la température élevée des gaz chauds et les vibrations de la turbomachine 2 créent une déformation progressive du moyen 26 5 d'étanchéité qui, à terme n'assure plus correctement sa fonction d'étanchéité autorisant alors les gaz chauds à atteindre le carter 40 externe au moins. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème. 10 A cet effet, il est proposé, en premier lieu, un étage de turbine d'une turbomachine, comprenant une virole annulaire radialement externe d'un distributeur dont une extrémité est agencée en vis-à-vis axial d'une extrémité d'un anneau fixe entourant extérieurement une roue mobile, des moyens d'étanchéité étant intercalés axialement entre l'extrémité de la 15 virole et l'extrémité de l'anneau, caractérisé en ce que les moyens d'étanchéité comprennent au moins un organe comprenant une base depuis laquelle s'étendent une branche radialement externe agencée radialement à l'extérieur de l'extrémité de l'anneau et une branche radialement interne agencée radialement à l'intérieur l'extrémité de 20 l'anneau. Les branches internes et externes de l'organe agencées de part et d'autre de l'extrémité de l'anneau permettent de maintenir et de guider l'organe sur l'anneau de sorte à offrir une bonne étanchéité entre l'anneau et la virole. 25 Pour que les moyens d'étanchéité soient résistants aux vibrations de la turbomachine, la base de l'organe est précontrainte élastiquement et axialement sur l'extrémité de la virole annulaire. Ainsi, l'organe sera toujours au contact de la virole et assurera toujours la fonction d'étanchéité indépendamment des vibrations de la 30 turbomachine. 3058458 4 Pour assurer la précontrainte de l'organe entre l'extrémité de la virole et l'extrémité de l'anneau, il peut être prévu : - qu'un moyen de rappel élastique soit monté à l'intérieur de l'organe et configuré pour exercer une force de compression 5 de l'organe sur l'extrémité de la virole annulaire, et/ou - que l'organe soit élastiquement déformable et que ses branches radialement interne et externe comprennent des extrémités libres en appui axial sur des rebords annulaire interne et externe de l'anneau. 10 En outre, l'étage peut comprendre un moyen de retenue circonférentiel de l'organe sur l'anneau. Ce moyen de retenue circonférentiel évite alors que l'organe ne se déplace et frotte sur l'anneau, ce qui à terme peut entraîner son usure prématurée. Selon un aspect, le moyen de retenue peut être un pion 15 traversant la branche radialement externe de l'organe et venant en prise avec l'anneau. Un tel pion est simple de fabrication, de montage et/ou de démontage et peu coûteux. Pour assurer une étanchéité circonférentielle complète entre les extrémités de l'anneau et de la virole, les moyens d'étanchéité peuvent 20 comprendre une pluralité d'organes agencés circonférentiellement avec jeu les uns à la suite des autres. Lorsque l'anneau est constitué d'une succession de secteurs juxtaposés bout à bout, ledit ou chaque organe peut avantageusement être engagé pour partie sur un secteur d'anneau et pour une autre partie sur un 25 secteur d'anneau adjacent, afin de renforcer l'étanchéité entre les secteurs d'anneau. Il est proposé, en deuxième lieu, une turbine basse pression comprenant un étage tel que précédemment décrit. Il est proposé, en troisième lieu, une turbomachine comprenant 30 une turbine basse pression telle que précédemment décrite. 3058458 5 L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : 5 - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une turbomachine ; - la figure 2 est une vue de détail en coupe montrant un étage d'une turbine basse pression pourvue d'un moyen d'étanchéité, selon l'art antérieur ; 10 - la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un étage de turbine basse pression comprenant un moyen d'étanchéité selon une première variante de l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique en coupe d'un étage de turbine basse pression comprenant un moyen d'étanchéité selon une 15 seconde variante de l'invention ; - la figure 5 est une vue similaire à la figure 3 montrant un moyen de retenue du moyen d'étanchéité ; - la figure 6 est une vue schématique aplatie de dessus de l'étage de la turbine basse pression comprenant un moyen d'étanchéité 20 selon l'invention. Dans la suite de cette description, on entend les termes amont AM et aval AV selon le sens d'écoulement de l'air dans la turbomachine. Autrement dit, l'amont est l'endroit par lequel l'air atteint un composant et l'aval est l'endroit par lequel l'air s'éloigne dudit composant. 25 De même, on entend par axialement une direction sensiblement parallèle à l'axe B longitudinal de la turbomachine. Ainsi, une direction radiale s'entend d'une direction sensiblement perpendiculaire audit axe B longitudinal de la turbomachine. On a représenté de manière schématique, sur la figure 3, un 30 détail d'un étage 42 de la turbine 18 basse pression de la turbomachine 2 de la figure 1, l'étage étant symboliquement représenté sur la figure 1 par 3058458 6 un rectangle. La turbine 18 basse pression reçoit les gaz chauds provenant de la chambre 14 de combustion (visible sur la figure 1). L'étage 42 comprend un distributeur 44, c'est-à-dire une rangée annulaire d'aubes radiales fixes reliées extérieurement à une virole 46 annulaire radialement 5 externe, également appelée plateforme externe, une roue mobile pourvue d'une rangée annulaire d'aubes 48 radiales mobiles, et un anneau 50 fixe radialement externe entourant la roue mobile et portant des secteurs 52 de disque d'abradable en vis-à-vis du sommet 48a des aubes radiales mobiles. 10 La virole 46 annulaire radialement externe du distributeur 44 présente une extrémité 46a aval agencée en vis-à-vis axial d'une extrémité 50a amont de l'anneau 50 fixe radialement externe. Pour réaliser l'étanchéité entre l'anneau 50 et la virole 46, et ainsi empêcher le passage d'air radialement de son intérieur INT vers son 15 extérieur EXT, la turbine comprend des moyens 54 d'étanchéité intercalés axialement entre l'extrémité 46a aval de la virole et l'extrémité 50a amont de l'anneau. Tel que représenté sur les figures 3, 4 et 5, les moyens 54 d'étanchéité comprennent au moins un organe 56 comprenant une base 20 56a depuis laquelle s'étendent une branche 56b radialement externe agencée radialement à l'extérieur de l'extrémité 50a de l'anneau 50 et une branche 50c radialement interne agencé radialement à l'intérieur l'extrémité 50a de l'anneau 50. Vu en section, l'organe 56 présente une forme en rail définissant 25 entre sa base 56a et ses branches 56b, 56c une gorge 58 dans laquelle est reçue l'extrémité 50a amont de l'anneau 50. Avantageusement les branches 56b, 56c sont parallèles, toutefois elles pourraient être concourantes, c'est-à-dire dirigées dans une direction commune, ou au contraire divergentes, c'est-à-dire dirigées 30 chacune dans une direction différente. Toutefois, on notera que peu importe qu'elles soient parallèles, concourantes ou divergentes, les 3058458 7 branches 56b, 56c s'étendent d'un même côté de la base 56a de l'organe 56. Afin d'offrir une bonne étanchéité entre la virole 46 annulaire et l'anneau 50, l'organe 56 est précontraint élastiquement entre l'extrémité 5 46a aval de la virole 46 annulaire et l'extrémité 50a amont de l'anneau 50. Ainsi, l'organe 56 occupe l'intégralité de l'espace 60 entre l'extrémité 46a aval de la virole 46 annulaire et l'extrémité 50a amont de l'anneau 50. Selon un aspect, l'organe 56 est réalisé dans un matériau 10 résistant aux fortes chaleurs, tel qu'un superalliage à base de nickel comme l'Hastelloy X. Selon un premier mode de réalisation illustré à la figure 3, les branches 56b, 56c de l'organe 56 sont parallèles l'une par rapport à l'autre. Dans ce premier mode de réalisation, les moyens 54 d'étanchéité 15 comprennent également un moyen 62 de rappel élastique monté à l'intérieur de l'organe 56, c'est-à-dire dans sa gorge 58. Ce moyen 62 de rappel élastique, en l'espèce un ressort de type hélicoïdal, est configuré pour exercer une force de compression de l'organe 56 sur l'extrémité 46a aval de la virole 46annulaire. 20 En lieu et place d'un ressort hélicoïdal le moyen 62 de rappel élastique pourrait être un ressort à lame par exemple. On comprend donc que le moyen 62 de rappel élastique est en appui d'une part sur la base 56a de l'organe 56 et, d'autre part, sur l'extrémité 50a amont de l'anneau, et qu'il tend à écarter l'organe 56, et 25 plus précisément sa base 56a, de l'extrémité 50a de l'anneau 50. On comprendra également que l'organe 56 est coulissant le long de l'extrémité 50a amont de l'anneau 50. Dans ce mode de réalisation, on privilégiera que les branches 56b, 56c soient en contact au moins ponctuel avec l'extrémité 50a de 30 l'anneau 50 de sorte que l'air ne puisse pas s'infiltrer dans la gorge 58 de 3058458 8 l'organe 56 par l'intérieur INT de la turbine 18 basse pression et ressortir de l'organe 56 à l'extérieur EXT de cette dernière. Selon un second mode de réalisation illustré à la figure 4, l'organe 56 est au moins en partie élastiquement déformable. 5 La branche 56b externe présente une extrémité libre 56d et la branche 56c interne présente une extrémité libre 56e venant en appui axial sur un rebord 50b annulaire externe et un rebord 50c annulaire interne de l'anneau 50. Avantageusement, les extrémités libres 56d, 56e des branches 10 56b, 56c sont courbées de sorte à étendre le contact entre lesdites extrémités 56d, 56e libres et les rebords 50b, 50c de l'anneau 50. Lorsque l'organe 56 est précontraint élastiquement, ses branches 56b, 56c sont alors déformées élastiquement en s'arc-boutant et, en voulant reprendre leur forme initiale, agissent comme un moyen de 15 rappel et plaquent la base 56a de l'organe 56 contre l'extrémité 46a aval de la virole 46. Toutefois, l'organe 56 pourrait également se déformer élastiquement par une déformation élastique de ses branches 56b, 56c. En d'autres termes, les branches 56b, 56c, parallèles initialement, peuvent se 20 déformer pour soit converger l'une vers l'autre, soit diverger l'une de l'autre. La déformation de l'organe 56 étant plastique, les branches 56b, 56c vont alors essayer de recouvrer leur parallélisme initial ce qui a pour effet de plaquer la base 56a de l'organe 56 contre l'extrémité 46a aval de la virole 46. 25 Toutefois, une combinaison des deux modes de réalisation précédemment décrits est également envisageable. En effet, les moyens d'étanchéité peuvent à la fois comprendre un organe 56 élastiquement déformable et un moyen 62 de rappel élastique. D'une manière plus générale, la précontrainte de l'organe 56, 30 plus précisément de sa base 56a axialement sur l'extrémité 46a de la virole 46, et le positionnement de ses branches 56b, 56c de part et d'autre de 3058458 9 l'extrémité 50a amont de l'anneau 50, permettent d'assurer l'étanchéité recherchée. Avantageusement, les moyens 54 d'étanchéité sont maintenus circonférentiellement sur l'extrémité 50a amont de l'anneau 50 de sorte 5 qu'ils ne suivent pas le mouvement des aubes 48 mobiles et ne s'usent pas contre l'anneau 50 par frottement. Pour cela, l'étage 42 comprend au moins un moyen 64 de retenue circonférentiel de l'organe 56 sur l'anneau 50. Tel que représenté à la figure 5, le moyen 64 de retenue est un 10 pion traversant la branche 56b radialement externe de l'organe 56 et venant en prise avec l'anneau 50, et plus particulièrement avec l'extrémité 50a amont de l'anneau 50. De préférence, la branche 56b externe de l'organe 56 sera pourvue d'une ouverture 66 oblongue traversée par le moyen 64 de 15 retenue. Ainsi, l'organe 56 peut translater selon la double flèche 68 (figure 5) de sorte à s'accommoder des vibrations de la turbomachine 2. Sans cette ouverture oblongue, l'organe 56 serait complètement solidaire de l'anneau 50, si bien que les vibrations de la turbomachine 2 auraient pour effet de marteler l'organe 56 contre la virole 46 ce qui, à terme provoque 20 une déformation plastique de l'organe 56 et nuit donc à l'étanchéité entre l'intérieur INT et l'extérieur EXT de la turbine 18 basse pression. En référence à la figure 6 maintenant, l'anneau 50 est constitué d'une succession de secteurs 70 d'anneau juxtaposés circonférentiellement bout à bout. Pour assurer l'étanchéité entre les secteurs 70 d'anneau, 25 l'anneau 50 comprend des plaquettes 72 d'étanchéité qui sont individuellement engagées pour partie dans un secteur 70 d'anneau et pour autre partie dans un secteur 70 d'anneau adjacent. La virole 46 externe peut également être constituée de secteurs 74 de virole juxtaposés circonférentiellement bout à bout et entre lesquels 30 des plaquettes d'étanchéité (non représentées) sont également 3058458 10 individuellement engagées pour partie dans un secteur 74 de virole et pour autre partie dans un secteur 74 de virole adjacent. De préférence, et comme illustré sur la figure 6, les moyens 54 d'étanchéité comprennent une pluralité d'organes 56 agencés 5 circonférentiellement avec jeu les uns à la suite des autres. De préférence, ledit ou chaque organe 56 est engagé pour partie sur un secteur 70 d'anneau et pour une autre partie sur un secteur 70 d'anneau adjacent, étant entendu que le ou chaque organe 56 sont agencés sur l'extrémité 50a amont de l'anneau 50. 10 Avantageusement, le ou chaque organe 56, lorsque vue du dessus de l'anneau 50, recouvre en partie la plaquette 72 d'étanchéité engagée entre les secteurs 70 d'anneau sur lesquels le secteur 70 est engagé. Avantageusement encore, le ou chaque organe 56 sera pour 15 partie au contact d'un secteur 74 de virole et pour autre partie au contact d'un secteur 74 de virole adjacent. On notera alors qu'il existe entre deux organes 56 adjacents, une section 76 circonférentielle de fuite par laquelle l'air peut passer radialement de l'intérieur INT de la turbine 18 basse pression vers 20 l'extérieur EXT. Ces sections 76 circonférentielles de fuite ont un rôle particulier en ce qu'elles assurent le jeu entre les organes 56 pour qu'avec la chaleur des gaz chauds traversant la turbine 18 basse pression, ceux-ci puissent se dilater sans buter les uns contre les autres au risque de s'abîmer et de réduire leur pouvoir d'étanchéité. 25 Toutefois, ces sections 46 circonférentielles de fuite sont de faibles dimensions par rapport à la longueur circonférentielle couverte par les organes 56. Ainsi, la faible quantité d'air passant radialement de l'intérieur INT vers l'extérieur EXT de la turbine 18 basse pression, n'aura pas d'effet néfaste sur les pièces externes à la turbine 18 basse pression 30 qui ne sont pas conçues pour résister à la chaleur des gaz chauds traversant la turbine 18 basse pression. 3058458 11 L'étage 42 de turbine 18 basse pression qui vient d'être décrit offre comme principal avantage de protéger de manière efficace les pièces et éléments externes à la turbine 18 basse pression de la chaleur des gaz chauds la traversant. 5 Cette protection réalisée par les moyens 54 d'étanchéité précédemment décrits est assurée de manière pérenne puisque les vibrations de la turbomachine 2 n'ont que peu d'effets sur les moyens d'étanchéité grâce à la précontrainte élastique de la base 56a de l'organe 56 sur l'extrémité 46a aval de la plateforme 46 et à l'engagement des 10 branches 56b, 56c de part et d'autre de l'extrémité 50a amont de l'anneau 50. De plus, la fabrication, le montage, et la maintenance 54 des moyens d'étanchéité sont rapides et faibles de coût puisque les organes 56 peuvent être fabriqués par formage d'une tôle. En outre, la maintenance est 15 simple et peu coûteuse puisqu'en cas de défaut ou d'usure de l'un des organes 56, celui-ci est simple à enlever et à remplacer sans nécessiter d'outil particulier. Bien que la description soit réalisée sur l'exemple de la turbine 18 basse pression, les moyens 54 d'étanchéité sont utilisables sur la 20 turbine 16 haute pression et plus généralement utilisables pour réaliser l'étanchéité entre deux pièces fixes axialement successives d'une turbomachine. REVENDICATIONS1. Etage (42) de turbine (16, 18) d'une turbomachine (2), comprenant une virole (46) annulaire radialement externe d'un distributeur (44) dont une extrémité (46a) est agencée en vis-à-vis axial d'une extrémité (50a) d'un anneau (50) fixe entourant extérieurement une roue mobile, des moyens (54) d'étanchéité étant intercalés axialement entre l'extrémité (46a) de la virole (46) et l'extrémité (50a) de l'anneau (50), caractérisé en ce que les moyens (54) d'étanchéité comprennent au moins un organe (56) comprenant une base (56a) depuis laquelle s'étendent une branche (56b) radialement externe agencée radialement à l'extérieur de l'extrémité (50a) de l'anneau (50) et une branche (56c) radialement interne agencée radialement à l'intérieur l'extrémité (50a) de l'anneau (50). 2. Etage (42) selon la revendication 1, dans lequel la base (56a) 15 de l'organe (56) est précontrainte élastiquement et axialement sur l'extrémité (46a) de la virole (46) annulaire. 3. Etage (42) selon la revendication 2, dans lequel un moyen (62) de rappel élastique est monté à l'intérieur de l'organe (56) et configuré pour exercer une force de compression de l'organe (56) sur l'extrémité 20 (46a) de la virole (46) annulaire. 4. Etage (42) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'organe (56) est élastiquement déformable et les branches radialement interne et externe (56b, 56c) comprennent des extrémités (56d, 56e) libres en appui axial sur des rebords (50b, 50c) annulaire interne et externe de 25 l'anneau (50). 5. Etage (42) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel il comprend un moyen (64) de retenue circonférentiel de l'organe (56) sur l'anneau (50). 6. Etage (42) selon la revendication 5, dans lequel le moyen (64) 30 de retenue est un pion traversant la branche (56b) radialement externe de l'organe (56) et venant en prise avec l'anneau (50). 3058458 13 7. Etage (42) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens (54) d'étanchéité comprennent une pluralité d'organes (56) agencés circonférentiellement avec jeu les uns à la suite des autres. 5 8. Etage (42) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'anneau (50) est constitué d'une succession de secteurs (70) juxtaposés bout à bout, ledit ou chaque organe (56) étant engagé pour partie sur un secteur (70) d'anneau et pour une autre partie sur un secteur (70) d'anneau adjacent. 10 9. Turbine (18) basse pression comprenant un étage (42) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Turbomachine (2) comprenant une turbine (18) basse pression selon la revendication 9.