Brevet FR3072121A1 — publié le 20190412

Dispositif d'étanchéité entre rotor et stator de turbomachine La présente invention concerne l'étanchéité entre une partie de rotor et une partie de stator d'une turbomachine à gaz pour aéronef dans laquelle du gaz doit circuler. Dans la présente demande : - radial a pour sens perpendiculaire à l'axe X mentionné ci-après, - circonférentiel(lement) a pour sens s'étendant autour de l'axe X, - extérieur et intérieur (ou externe et interne) ont respectivement pour sens radialement extérieur et radialement intérieur, - léchette se traduit souvent en anglais : « rubbing strip (seal) » ou « knife » ou encore « labyrinth seal lip », - axial a pour sens parallèle à l'axe de rotation notamment des aubes de la turbomachine ; il s'agit ainsi de l'axe X déjà cité, et - amont et aval sont des positions axiales, en référence au sens de déplacement global des gaz dans la turbomachine. Une turbomachine à gaz pour aéronef est souvent à soufflante avant et à double corps et comprend alors, d'amont en aval, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression. Chaque turbine comprend plusieurs étages comportant chacun un rotor, pourvu d'aubes, et un stator qui comprend un distributeur de turbine. Chaque rotor comprend un disque portant à sa périphérie externe des aubes sensiblement radiales, les disques des différentes roues étant reliés coaxialement les uns aux autres et à l'arbre d'entraînement du rotor de la turbine par des moyens appropriés. Par exemple, FR 2977274 divulgue une turbine comprenant un dispositif d'étanchéité entre un stator et un rotor de la turbomachine apte à tourner par rapport au stator, autour d'un axe (X) de la turbine. Le dispositif d'étanchéité comprend : 2 - au moins un élément en matériau abradable disposé fixement par rapport au stator, - et au moins une léchette dont est pourvue une portion du rotor et qui est adaptée à coopérer avec ledit élément en matériau abradable, pour 5 l'étanchéité. Le joint d'étanchéité de type à labyrinthe ainsi formé permet de limiter le débit d'air passant axialement à travers l'espace situé entre la partie concernée du stator et le rotor de la turbine. Ainsi, lors de la rotation du rotor de turbine, les léchettes du joint sont 10 entraînées en rotation tout en conservant un jeu aussi faible que possible avec les éléments (en matériau) abradables qui demeurent fixes. Cependant, un tel jeu faible entre les léchettes et les éléments abradables peut conduire par dilatation thermique différentielle à une situation de contact entre les léchettes et les éléments en matériau abradables. Une telle situation pouvant 15 entrainer des situations de blocage de rotor (rotor lock) notamment : lors de l'arrêt de certaines turbomachines : après un laps de temps, les léchettes viennent en contact avec les éléments en matériau abradable. Ce contact est provoqué par la différence des vitesses de refroidissement entre le rotor et le stator. 20 Le rallumage/redémarrage de la turbomachine est impossible durant ce contact. Les léchettes sont en contact sur 360° avec les éléments en matériau abradable. Les efforts de frottement sont supérieurs aux efforts fournis par la turbomachine. On constate également, en particulier en pied de distributeur et durant 25 la rotation de la turbomachine, des freinages, lors de certaines phases, dûs aux efforts de frottement trop importants entre les léchettes et les éléments en matériau abradable. Ainsi, la présente invention concerne plus particulièrement un dispositif d'étanchéité, dans une turbine de turbomachine à gaz visant à 30 éliminer au moins partiellement ces inconvénients. 3 A cet effet, sur une turbine à stator et rotor comme présentés ci-avant, avec un dispositif d'étanchéité à élément(s) en matériau abradable fixe(s) et léchette(s), la solution ici développée propose au moins que ladite léchette (voire les léchettes individuellement) présente(nt) en extrémité libre, sur au 5 moins un tronçon de circonférence, un profil qui est irrégulier, avec radialement au moins une excroissance. Une considération corolaire à ce qui précède est d'assurer une pénétration de l'excroissance précitée de la léchette correspondante qui soit suffisamment importante pour créer une sollicitation mécanique suffisante 10 dans l'élément en matériau abradable considéré afin de ne pas s'y trouver coincé. Assurer un flanc de pénétration important est ainsi proposé, le profil irrégulier de la léchette comprenant alors pour cela, circonférentiellement, au moins un creux adjacent à ladite au moins une excroissance. 15 Le raccordement circonférentiel du creux et de l'excroissance permet de disposer du flanc de pénétration important attendu. Encore une autre considération est liée aux contraintes mécaniques et thermiques que la léchette doit être amenée à devoir supporter, alors que le creux a supprimé une zone de matière. Aussi est-il proposé que ledit creux 20 soit arrondi. Une répartition favorable des contraintes en résulte. Ce creux arrondi permet de décharger en contrainte l'excroissance pour garantir son intégrité lors de la pénétration de la léchette dans l'élément en matériau abradable. Ils permettent de couper le flux de contrainte pour éviter la propagation de défauts dans la léchette. 25 Encore une autre considération est liée à la netteté de la marque que la léchette doit créer dans l'élément en matériau abradable, afin tant d'assurer une trace suffisante, marquée, qu'éviter une trace trop profonde, afin de limiter les fuites d'étanchéité. Aussi est-il proposé que ledit profil irrégulier de la(chaque) léchette comprenne, par rapport au profil de part et 30 d'autre du tronçon, au moins une dite excroissance entre deux dits creux circonférentiellement successifs. 4 Encore une autre considération est liée à la recherche d'un compromis entre l'efficacité du principe précité et la perte de rendement que celui-ci engendre (fuites). Une solution proposée est alors que, radialement audit axe (X): 5 - le profil de la léchette concernée présente un premier rayon de part et d'autre du tronçon, - et que, circonférentiellement vers une première extrémité de l'excroissance correspondant à celle qui rencontre en premier ledit au moins un élément en matériau abradable quand le disque tourne, une première extrémité libre de 10 cette excroissance soit située sur un second rayon supérieur au premier rayon, - et encore que circonférentiellement vers une seconde extrémité de l'excroissance opposée à la première extrémité de l'excroissance, une deuxième extrémité libre de l'excroissance soit située sur un troisième rayon 15 inférieur au premier rayon. En liaison avec ce qui précède, il est aussi proposé qu'à nouveau circonférentiellement, vers la première extrémité de l'excroissance correspondant à celle qui rencontre en premier ledit au moins un élément en matériau abradable quand le disque tourne, l'extrémité libre (dite première 20 extrémité libre) de l'excroissance présente au moins un angle vif recouvert par un revêtement protecteur. Un tel angle vif marquera certes l'élément en matériau abradable plus nettement qu'un angle arrondi, simplement convexe. Un risque plus grand de fuite peut exister. Mais il a été finalement ici décidé que l'impact mécanique 25 peut être considéré comme à privilégier de par son caractère définitif ; marquer l'élément en matériau abradable de façon nette peut en outre limiter le risque de création de petits débris du fait des impacts répétés avec une solution à angle arrondi. Certes, revêtu, l'angle vif est effectivement moins vif ; d'où la 30 nécessité qu'il soit le plus vif possible avant son recouvrement. Il est possible de contrôler l'angle après revêtement. Le revêtement protecteur a pour 5 fonction l'abrasion (surface dure et rugueuse, le revêtement protecteur est par exemple un dépôt composé de nickel et d'aluminium dans des plages de proportions allant de 5 à 20% AL et 70 à 95% NI) de l'élément en matériau abradable. Ce revêtement protège l'excroissance (et donc l'angle vif) qui 5 serait sinon éliminé très rapidement au contact de l'abradable et perdrait ainsi sa fonction « d'usinage » de l'abradable. Est aussi concernée ici une turbomachine à gaz pour aéronef pourvue de la turbine précitée, avec tout ou partie de ses caractéristiques. L'invention sera si nécessaire encore mieux comprise et d'autres 10 détails, caractéristiques et avantages de l'invention pourront apparaître à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une demi-vue schématique en coupe d'une turbine basse-pression de turbomachine aéronautique à monter sur un aéronef, 15 - la figure 2 schématise en perspective locale un flasque annulaire de retenue axiale d'aubes mobiles sur un disque de turbine, ce flasque étant pourvu de léchettes dont on voit mieux une partie du profil périphérique sur la vue locale agrandie, et - la figure 3 schématise, en vue de face selon la flèche F de la figure 2, ladite 20 partie du profil périphérique de la vue locale agrandie de cette figure 2, avec son profil irrégulier pourvu d'une dite excroissance de pénétration dans l'élément en matériau abradable correspondant, - la figure 4 reprend un détail de la figure 1, suivant une alternative, - la figure 5 schématise, en coupe longitudinale (axe X), une partie de turbine 25 basse pression de turbomachine aéronautique dont la figure 6 montre le détail V, - et la figure 7 montre que toute léchette est recouverte par un revêtement protecteur. La présente invention est décrite en référence à une turbine de 30 turbomachine 1 d'aéronef, mais s'applique à tout type de turbine d'un moteur à gaz fonctionnant de manière similaire. 6 On se réfère d'abord à la figure 1 qui schématise donc en particulier, au sein de la turbomachine 1, une partie de turbine 10 basse-pression, en coupe selon un plan passant par l'axe de rotation X du rotor 11 de la turbine 10. Le rotor 11 de la turbine 10 comprend des disques 12 assemblés 5 coaxialement les uns aux autres par des brides annulaires 14 et portant des rangées annulaires d'aubes mobiles 16 montées par des pieds d'aubes, par exemple en queue d'aronde ou analogue, et à leurs extrémités radialement internes sur la périphérie externe des disques 12. Le rotor 11 est relié à un arbre axial de turbine par l'intermédiaire d'un cône d'entraînement 18 fixé au 10 moyen d'une bride annulaire 20 entre les brides annulaires 14 des disques 12. Des flasques annulaires 22 de retenue axiale des aubes mobiles 16 sur les disques 12 sont en outre montées entre les disques 12 et comprennent chacun une paroi radiale 24 serrée axialement entre les brides annulaires 14 de deux disques adjacents 12. Entre les rangées d'aubes mobiles 16 se 15 trouvent des distributeurs 25 qui comportent chacun deux plates-formes annulaires, respectivement interne 26a et externe (non représentée figure 1 ; voir figure 5), reliées entre elles par une rangée annulaire de ailettes fixes 28. Les plates-formes externes des distributeurs 25 sont accrochées par des moyens appropriés sur un carter de la turbine 10 basse-pression. Les plates- 20 formes internes 26a des distributeurs 25 comprennent chacune une paroi radiale 30 qui s'étend, radialement, vers l'intérieur depuis une surface interne de la plate-forme 26a et qui est reliée à sa périphérie interne à une couronne de support 32 d'éléments 34 en matériau abradable. Les régions définies entre la paroi interne 26a, la paroi radiale 30 et la couronne annulaire 32 25 forment ainsi deux cavités 31a et 31b. Les éléments abradables 34 sont circonférentiels et peuvent être à structure alvéolaire, par exemple en nid d'abeilles. Les éléments en matériau abradables 34 sont agencés sur au moins une surface radialement intérieure de la couronne de support 32 et en regard de léchettes 36 externes portées 30 ici par les flasques 22. Les léchettes 36 sont destinées à coopérer avec les éléments en matériau abradables 34 de façon à former des joints à 7 labyrinthe dont le plan de joint est parallèle à l'axe de rotation X du rotor de turbine 11, limitant ainsi le passage d'air en direction axiale à travers ces joints. Comme décrit ci-avant, notamment deux inconvénients d'un tel rotor 5 11 concernent le fait que : - des situations surviennent lors de l'arrêt de certaines turbomachines ; la/les léchette(s) telles que 36 viennent en contact avec les éléments 34 en matériau abradable, - le rallumage, donc le redémarrage de la turbomachine est impossible 10 puisque la/le(s) léchette(s) 36 sont en contact sur toute(s) leur(s) circonférence(s) avec les éléments 34 abradable: Les efforts de frottement sont alors supérieurs aux efforts d'entrainement transmis par la turbomachine. En liaison avec les figures 2,3, une solution à ces inconvénients telle 15 que proposée par l'invention comprend le fait que la/chaque léchette 36 présente en extrémité libre 361, et sur au moins un tronçon 363 de sa circonférence 365, un profil irrégulier 367 avec, radialement, au moins une excroissance 369. Cette solution s'applique aussi sur une variante, comme sur la figure 4, et/ou, comme montré figure 6, sur des léchettes, également 20 repérées 36 dont on voit, figure 5, que sont pourvues des plateformes extérieures 26b des aubes mobiles 16. De préférence, une partie de la circonférence 365 de la/chaque léchette 36 s'étendra ainsi, radialement à l'axe X, au-delà du rayon R1 que cette léchette 36 présente de part et d'autre du tronçon 363 qui s'étend donc 25 sur un secteur angulaire de la léchette ; voir figure 2. Sur la figure 2, le rayon maximum atteint est référencé R2, avec donc R2 > R1. R1 est le rayon de référence de la léchette 36 considérée ; celui que cette léchette ou les flasques 22 présente(nt) sur la majeure partie de 30 son(leur) périmètre. 8 Pour favoriser un effet de netteté dans la marque créée par la léchette 36 concernée dans les éléments abradables 34 et limiter les risques persistants de coincement précités, plusieurs excroissances 369 seront de préférence prévues sur la circonférence 365. Ces excroissances 365 seront 5 alors favorablement angulairement répartis de façon régulières ; par exemple quatre excroissances 369 situées angulairement à 90° les unes des autres. Pour par ailleurs favoriser une pénétration de l'(chaque) excroissance 369 de la léchette correspondante qui soit suffisamment importante pour créer une sollicitation mécanique appropriée dans l'élément en matériau 10 abradable 34 considéré afin que la léchette ne s'y trouve pas coincé dans les conditions précitées, il est conseillé de créer un flanc 371 de pénétration important, la léchette 36 comprenant alors pour cela, circonférentiellement, au moins un creux 39 adjacent à l'excroissance 369 précitée. L'usinage de l'abradable 34 par la léchette 36 en cause en sera d'autant plus performant. 15 Comme on peut le voir figure 3, la continuation du flanc 371 par le haut ici de la partie gauche de la paroi 390 de contour du creux 39 permet de disposer d'une surface de pénétration importante dans l'élément en matériau abradable 34. Favorablement, le(ou chaque) creux 39, donc sa paroi 390 de contour, 20 sera arrondi, là encore comme illustré, ceci afin de participer à une répartition favorable des contraintes dans la pièce. Prévoir des - au moins deux - creux 39 respectivement de part et d'autre d'une excroissance 369 permettra d'autant mieux de décharger en contrainte l'excroissance pour garantir son intégrité lors de la pénétration 25 dans l'élément en matériau abradable. Chaque creux 39 permet de couper le flux de contrainte pour éviter la propagation de défaut dans la léchette 36 située à proximité. Il favorise une évacuation de la chaleur générée lors du contact de la(des) léchette(s) avec l'abradable en vis-à-vis qui s'effectue de manière privilégiée sur 30 l'excroissance. 9 Afin par ailleurs tant d'assurer dans l'élément en matériau abradable 34 considéré une trace suffisante, marquée, qu'éviter que cette trace soit trop profonde, afin de limiter les fuites d'étanchéité, il est conseillé que le profil irrégulier 367 de la léchette 36 considérée comporte radialement, par 5 rapport au profil 360 « de référence » en portions de cercle qui s'étend de part et d'autre du tronçon 363, au moins une dite excroissance 369 entre deux dits creux 39 circonférentiellement successifs ; voir figure 3. Encore une autre considération a été de prendre en compte la recherche d'un compromis entre l'efficacité du principe précité et la perte de 10 rendement que celle-ci engendre (fuites gazeuses à l'interface léchette/ élément en matériau abradable). Dans ce cadre, il est proposé que l'extrémité libre 361 de l'excroissance 369 soit, de part et d'autre du tronçon 363, située sur un second rayon R supérieur au rayon précité R1, ceci radialement audit axe X, 15 et circonférentiellement vers une première extrémité (dans l'exemple à cette extrémité) 369a de l'excroissance correspondant à ladite extrémité qui rencontre en premier l'élément en matériau abradable 34 quand le disque tourne. En 369a, R=R2. Et figures 2 et 3, on a référencé S ce sens de rotation qui assure un impact sur par les extrémités 369a des excroissances. 20 A ce sujet, on a déjà noté que plusieurs excroissances 369 seront de préférence prévues. Il est aussi proposé que, circonférentiellement vers la seconde extrémité 369b du tronçon de circonférence opposée à la première extrémité 369a, cette extrémité libre 369b soit située sur un troisième rayon R3 25 inférieur non seulement au rayon R2, mais aussi au rayon R1. On aura compris que si R3 REVENDICATIONS1. Turbine d'une turbomachine à gaz, la turbine comprenant un dispositif d'étanchéité entre un stator (25) et un rotor (11) de la turbomachine apte à tourner par rapport au stator (25) autour d'un axe (X) de la turbine, le dispositif d'étanchéité comprenant : - au moins un élément (34) en matériau abradable disposé fixement par rapport au stator (25), - au moins une léchette (36) dont est pourvue une portion du rotor (11) et qui 10 est adaptée à coopérer avec ledit élément (34) en matériau abradable, pour l'étanchéité, caractérisée en ce que l'au moins une léchette (36) présente en extrémité libre, sur au moins un tronçon (363) de circonférence, un profil qui est irrégulier, avec radialement au moins une excroissance (367). 15 2. Turbine selon la revendication 1 dont le profil irrégulier de l'au moins une léchette (36, 360a, 360b) comprend, circonférentiellement, au moins un creux (39) adjacent à l'au moins une excroissance. 3. Turbine selon la revendication 2, dans laquelle ledit au moins un creux (39) est arrondi. 20 4. Turbine selon la revendication 2 ou 3, dont ledit profil irrégulier de la léchette (36, 360a, 360b) comprend, par rapport au profil de part et d'autre du tronçon (363), l'au moins une excroissance (367) entre deux dits creux (39) circonférentiellement successifs. 5. Turbine selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes, dans laquelle ledit au moins un creux (39) présente un rayon (R4) compris entre 1.5 et 2.0mm et une profondeur (P) comprise entre 0.25 et 0.75mm. 6. Turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'au moins une excroissance (367) s'étend 30 circonférentiellement sur une longueur (L) de 2 à 20mm. 14 7. Turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes qui comprend entre 4 et 10 excroissances (367) réparties sur la circonférence de l'au moins une léchette (36) 8. Turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes 5 dans laquelle, radialement audit axe (X): - circonférentiellement vers une première extrémité de l'excroissance (367) correspondant à celle qui rencontre en premier ledit au moins un élément (34) en matériau abradable quand le rotor (11) tourne, une première extrémité libre de l'excroissance (369a) est située sur un rayon R2, - et circonférentiellement vers une seconde extrémité du tronçon (363) de circonférence opposée à ladite première extrémité de l'excroissance (367), une deuxième extrémité libre de l'excroissance (369b) est située sur un autre rayon R3 inférieur au rayon R2, de telle sorte que R2-R3 est compris entre 0,10mm et 0,60mm. 9. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans laquelle, radialement audit axe (X): - le profil de la léchette (36, 360a, 360b) présente un premier rayon (R1) de part et d'autre du tronçon (363), - et, circonférentiellement vers une première extrémité de l'excroissance (367) correspondant à celle qui rencontre en premier ledit au moins un élément (34) en matériau abradable quand le rotor (11) tourne, une première extrémité libre de l'excroissance (369a) est située sur un second rayon (R2) supérieur au premier rayon (R1), - et circonférentiellement vers une seconde extrémité du tronçon (363) de circonférence opposée à ladite première extrémité de l'excroissance (367), une deuxième extrémité libre de l'excroissance (369b) est située sur un troisième rayon (R3) inférieur au premier rayon (R1). 10. Turbine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans laquelle, circonférentiellement vers une première extrémité de l'excroissance (367) correspondant à celle qui rencontre en premier ledit au moins un élément (34) en matériau abradable quand le rotor (11) tourne, une première 15 extrémité libre de l'excroissance (369a) présente au moins un angle vif recouvert par un revêtement protecteur (372). 11. Turbomachine (1) à gaz pour aéronef pourvue de la turbine (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 5