Brevet FR3073890A1 — publié le 20190524

ABRADABLE DE JOINT A LABYRINTHE, NOTAMMENT POUR TURBINE D'AERONEF DESCRIPTION Le sujet de l'invention est un abradable de joint à labyrinthe, notamment pour une turbine d'aéronef. Les joints à labyrinthe sont disposés entre deux pièces en rotation relative et sont caractérisés par des surfaces en regard, séparées l'une de l'autre par un jeu radial et qui tolèrent un écoulement de fuite entre elles, tout en le limitant grâce à une forme sinueuse et donc des pertes de charges élevées qu'elles lui imposent. L'emploi de joints à labyrinthe est fréquent dans les turbomachines entre le rotor et le stator. On cherche à réduire les débits de fuite à travers de tels joints pour améliorer le rendement de la turbomachine. On recourt très souvent, dans l'aéronautique, à des constructions du joint où une des pièces en regard est munie d'une structure dite abradable, ayant la propriété d'une faible résistance au frottement et à l'usure, et qui présente souvent une structure en nid d'abeille. L'autre des parties du joint, disposée sur l'autre des pièces comprend des léchettes, c'est-à-dire des crêtes saillantes circulaires ou coniques, dont l'extrémité libre est dirigée vers l'abradable. Cette construction permet de réduire les jeux entre les deux parties du joint à labyrinthe, puisque les léchettes peuvent entamer l'abradable sans détruire le joint, quand des dilatations thermiques ou mécaniques différentielles (dues aux échauffements ou aux forces centrifuges), et survenant dans des circonstances telles que des régimes transitoires mettent temporairement l'abradable et les crêtes des léchettes en contact. Un exemple de joint à labyrinthe, cité ici car il possède des ressemblances superficielles avec l'invention, est le sujet du document FR-3028882-A. L'abradable de ce document est conçu pour posséder une résistance plus élevée aux impacts, en évitant d'en arracher de grandes surfaces, et l'abradable est fixé à son substrat par une structure de liaison composée de nids d'abeilles, dont les cellules sont occupées par une partie de l'abradable, qui est ici une couche continue et homogène. Il est précisé (page 4, lignes 6 à 10) que la structure de liaison ne devrait pas être soumise à l'usure des léchettes. La 2 structure de liaison a des cloisons plus denses, et des cellules plus petites, à une région située plus en aval, afin d'ancrer mieux l'abradable à un endroit où il peut être soumis à des efforts importants à certains redémarrages du moteur, comme on le développera ci-après ; mais cette disposition de la structure de liaison est inverse de celle qu'on retrouve 5 dans certaines réalisations de l'invention, ce qui la rend moins efficace pour éviter des situations de blocage des léchettes dans l'abradable lors des différentes phases de fonctionnement moteur (situation de blocage du rotor communément appelée « rotor lock » en anglais). Un exemple d'un genre très fréquent de joint à labyrinthe est 10 représenté à la figure 1, qui illustre un fragment de turbine de turbomachine. Le rotor 1 comprend à cet endroit un étage d'aubes mobiles 2, unies entre elles à leur extrémité de sommet, radialement extérieure, par un talon 3 porteur ici de deux léchettes 4 et 5 coniques, saillant radialement vers l'extérieur. La turbomachine comprend aussi un stator 6 comprenant un carter 7 muni de deux nervures circulaires 8 et 9 saillant radialement 15 vers l'intérieur et porteuses des extrémités d'un anneau d'étanchéité 10 (normalement divisé en secteurs angulaires sur la circonférence) relié aux nervures 8 et 9 par des ajustements en crochets 11 et 12 bien connus. L'anneau d'étanchéité 10 comprend un substrat 13 rigide, porteur des crochets, et une couche d'abradable 14 brasée sur le substrat 13 et dirigée vers les léchettes 4 et 5. 20 L'écoulement de fuite des gaz autour du rotor 1 a son débit diminué par les restrictions de sections qui lui sont imposées pour contourner les léchettes 4 et 5, dont les extrémités libres sont à proximité immédiate de l'abradable 14. La perméabilité du joint à labyrinthe comprenant les léchettes 4 et 5 et l'abradable 14 dépend avant tout des jeux 15 et 16 séparant l'abradable 14 du sommet des léchettes 4 et 5. Ces jeux 15 et 25 16 ont été ajustés à froid par des réglages préliminaires, et ils le sont pendant le fonctionnement de la turbomachine grâce à un rafraîchissement du carter 7 opéré par de l'air frais, soutiré au niveau de la partie compresseur de la turbomachine et qui est soufflé sur la face extérieure du carter 7 par des rampes circulaires 17 et 18 munies d'orifices 19 et 20. 3 La disposition du joint à labyrinthe en régime de croisière de la turbomachine est typiquement celle qu'on représente à la figure 2, dans laquelle les extrémités libres des léchettes 4 et 5 pénètrent légèrement à l'intérieur de la surface d'origine 21 de l'abradable 14, après avoir creusé des entailles 22 et 23 par usure locale 5 de l'abradable 14 pendant des états transitoires de la turbomachine. Les jeux 15 et 16 dans le joint sont alors bien réduits, et le trajet de l'écoulement de fuite est sinueux et irrégulier, ce qui assure une perte de charge importante de l'écoulement de fuite, et une perte de rendement supportable de la turbomachine. Une situation délicate apparaît néanmoins quand le moteur a été éteint 10 en vol, puis rallumé. Les dilatations thermiques différentielles se modifient, le stator 6 se refroidissant alors plus que le rotor 1. Il en résulte à la fois une contraction plus grande du stator 6 et un déplacement axial du rotor 1 (déplacement vers l'aval de celui-ci, dans le cas d'une turbine), qui conduit les léchettes 4 et 5 à pénétrer plus profondément dans la couche d'abradable 14 pour former de nouvelles entailles 24 et 25 situées à côté des 15 précédentes et plus profondes, grâce à la rotation du rotor 1 en roue libre (« windmilling ») qui subsiste. Mais quand le moteur est rallumé, le réchauffage bénéficie d'abord au rotor 1, ce qui dilate les léchettes 4 et 5, les enfonce de manière encore plus importante dans les nouvelles entailles 24 et 25 et risque de conduire à un blocage du rotor 1, proscrit comme très dangereux pour la sécurité de l'aéronef. 20 On se reporte à la figure 3 pour développer ce problème de blocage possible du rotor 1 par un abradable 14 trop dur. Une structure usuelle de l'abradable 14 est composée de feuillards métalliques pliés par un passage dans une matrice, et plusieurs feuillards de cette espèce sont ensuite assemblés et soudés par des points de soudure 27 pour former la structure hexagonale usuelle des nids d'abeille. Quand 25 toutefois les feuillards 26 sont brasés sur le substrat 13, on a observé que le matériau de brasure remontait par capillarité entre les faces jointives des feuillards 26, éventuellement jusqu'à l'extrémité libre de la couche extérieure de l'abradable 14 destinée à être disposée en regard des léchettes, ce qui donne des sections dures 28 entre faces en contact des feuillards 26, qui accroissent la résistance à l'usure de l'abradable 14, et d'autant plus quand elles sont orientées dans le sens du mouvement de 4 pénétration des léchettes 4 et 5 dans l'abradable 14. Ces portions constituent les parties de l'abradable 14 les plus résistantes à l'usure et les plus susceptibles d'être responsables d'un blocage du rotor 1. On a donc entrepris de réduire ce risque d'avarie, et une conception 5 nouvelle et améliorée de l'abradable a été proposée. Selon l'invention, l'abradable préconisé comprend, dans une couche extérieure, au moins deux régions juxtaposées pour se succéder dans une direction de l'axe et ayant des résistances à l'usure de valeurs progressives selon la direction de l'axe. Les régions les plus résistantes à l'usure seront disposées en se 10 retrouvant devant les léchettes de l'autre partie du joint dans les conditions du régime de croisière, et les régions les moins résistantes aux endroits où les léchettes seront susceptibles de venir pendant des événements pouvant présager un blocage du rotor, c'est-à-dire, dans l'exemple représenté plus haut, à l'emplacement des nouvelles entailles 24 et 25. Cette structure de l'invention se trouve donc sur la couche extérieure de 15 l'abradable, c'est-à-dire celle qui comprend la surface libre dirigée vers les léchettes ou plus généralement les structures susceptibles de l'user, contrairement à FR-3028882-A ; la surface libre peut, selon le cas, être à une position radiale interne ou radiale externe de l'a brada ble. Les régions correspondent en général à des bandes annulaires 20 entourant l'axe. Avantageusement, les régions peuvent être au nombre de trois ou plus, avec des résistances à l'usure toutes progressives le long de l'axe, c'est-à-dire avec des valeurs intermédiaires pour les régions intermédiaires le long de l'axe, ce qui peut fournir une abradabilité adaptée à différentes phases de fonctionnement du moteur, en fonction 25 de dilatation axiales et radiales plus ou moins grandes, dans des états transitoires plus ou moins marqués. Dans le cas usuel où la couche extérieure de l'abradable a une structure en nid d'abeille composée de cloisons délimitant des cellules, on pourra avantageusement agir sur la résistance à l'usure en faisant que les cellules présentant en 5 section des superficies variables selon les différentes régions, c'est-à-dire que les cloisons soient espacées les unes des autres de façon variable selon les différentes régions. Dans une autre forme préférée de réalisation de l'invention, la couche extérieure de l'abradable est composée d'un matériau principal qui inclut des portions 5 hétérogènes, les portions hétérogènes ayant une résistance à l'usure moindre que le matériau principal; elles forment des zones de fragilité, qui affectent la résistance d'ensemble à l'usure, dans des proportions différentes selon les régions, en étant réparties pour assurer les valeurs progressives des résistances à l'usure desdites régions. Au sens de l'invention, les « compositions hétérogènes au matériau 10 principal » font référence seulement à une résistance à l'usure différente : elles peuvent se distinguer du matériau principal par leur composition chimique, leur structure physique (portions vides ou plus fines, présence de fissures, dislocations, impuretés fragilisantes, etc.) ou tout autre moyen ; elles peuvent aussi être créées par tout moyen connu de fabrication, éventuellement en travaillant localement le matériau principal pour 15 le fragiliser ou le rendre moins résistant. Et le « matériau » fait référence à toutes les propriétés de ce matériau, et pas seulement à sa composition chimique. Il est également avantageux que l'abradable ait une structure formée d'un seul tenant, et qu'il soit donc dépourvu de parties raccordées entre elles par un matériau de liaison (notamment une brasure), qui serait susceptible de rendre 20 l'abradable beaucoup plus résistant. Il est alors avantageux de fabriquer l'abradable par une technique additive (c'est-à-dire d'impression tridimensionnelle). Un autre aspect de l'invention est une turbine comprenant un joint à labyrinthe, caractérisé par un abradable annulaire (éventuellement composé de secteurs 25 angulaires juxtaposés, par exemple de 10 à 20 pour une circonférence complète) selon ce qui précède, lesdites régions étant alors des bandes annulaires ; et avantageusement, le joint comprend alors des léchettes faisant face exclusivement à certaines desdites bandes de l'abradable, plus résistantes à l'usure, en régime de croisière, d'autres desdites bandes, moins résistantes à l'usure, étant situées en aval des précédentes. 6 L'invention sera maintenant décrite plus en détail au moyen des figures suivantes, annexées à titre illustratif et non limitatif : - la figure 1, déjà décrite, représente en coupe un joint à labyrinthe connu; 5 - la figure 2, également décrite, un motif usuel d'usure de l'abradable ; - la figure 3, également décrite, représente la structure d'un abradable usuel ; - la figure 4 illustre une première réalisation de l'invention ; - la figure 5, une seconde réalisation de l'invention ; 10 - la figure 6, l'implantation d'une réalisation de l'invention dans un joint à labyrinthe ; et - les figures 7 et 8, deux autres modes de réalisation possibles. Une première réalisation de l'invention apparaît à la figure 4. L'abradable, désormais 29, est composé comme précédemment d'une structure 15 alvéolaire, mais qui ici est formée par des cloisons 30 rectilignes, entrecroisées et délimitant des cellules rectangulaires, ici carrées. Les cloisons 30 sont avantageusement toutes orientées obliquement à l'axe X de la turbomachine, et plus favorablement entre 30 et 60°, notamment à 45° de cet axe. En d'autres termes, aucune des cloisons 30 n'est dirigée dans la direction angulaire T de la turbomachine perpendiculaire à l'axe X et qui 20 est la direction de pénétration des léchettes 4 et 5 dans l'abradable 29. On peut distinguer, parmi les cloisons 30, des cloisons principales 31 de grande longueur, et des cloisons de subdivision 32 parallèles aux précédentes et s'étendant entre elles, mais seulement sur des longueurs réduites et donc le long d'une partie seulement de ces cloisons principales 31. Il en résulte que les cellules présentent des superficies variables : 25 on peut reconnaître, se succédant le long de l'axe X, une bande de petites cellules 33, une bande de cellules moyennes 34, quatre fois plus grandes que les précédentes, et une bande de grandes cellules 35, seize fois plus grandes que les premières. L'abradable 29 a une structure d'un seul tenant, réalisée par une technique additive, et les épaisseurs des cloisons 30 sont ici uniformes, de l'ordre de 0,1 mm à 0,3 mm (des épaisseurs faibles 30 étant préférées) pour des matériaux typiques de construction des abradables. 7 La bande des petites cellules 33 sera placée devant les léchettes 4 et 5 d'après leur emplacement axial du régime de croisière, ce qu'on représente à la figure 6 ; alors que la bande de grandes cellules 35 sera placée devant les positions présumées atteintes par les léchettes 4 et 5 pendant les régimes de rallumage du moteur. La bande 5 de cellules moyennes 34 sera intermédiaire. La résistance à l'usure de l'abradable 29 sera donc déterminée en général par la bande des petites cellules 33, alors que la bande des grandes cellules 35 donnera une résistance à l'usure beaucoup plus faible et sera atteinte par les léchettes 4 et 5 pendant les situations susceptibles d'induire un blocage du rotor, c'est-à-dire à 10 l'emplacement des nouvelles entailles 24 et 25. Il en résulte que les risques de blocage du rotor 1 au redémarrage seront réduits grâce à la résistance localement moindre de l'abradable 29. L'utilisation d'une technique additive pour fabriquer une structure d'un seul tenant et former un réseau de cloisons 30, ici d'épaisseur uniforme, permet de mieux maîtriser la résistance à l'usure et d'éviter les sections dures dues aux remontées de 15 brasures entre les cloisons de l'abradable, l'absence de cloisons orientées dans la direction angulaire de la turbomachine 2 (qui est perpendiculaire à l'axe de la turbomachine) ayant le même effet. Une autre façon de procéder, susceptible aussi de donner de bons résultats, est illustrée à la figure 5. L'abradable, alors référencé par 36, est encore 20 composé de cloisons 37, pouvant encore être entrecroisées et orientées obliquement à la direction axiale X, la superficie des cellules formées par les cloisons est supposée uniforme dans toute la structure présentée. La réduction locale de résistance à l'usure est obtenue par des zones de fragilisation locales 38, qui sont plus abondantes dans les bandes 43 qu'on souhaite affaiblir, comme, ici encore, les régions atteintes par les 25 léchettes 4 et 5 pendant les extinctions momentanées de la turbomachine, et où les nouvelles entailles 24 et 25 peuvent être creusées. Les fragilisations locales 38 peuvent être absentes dans d'autres bandes 44 de l'abradable 36, et de plus en plus nombreuses vers les bandes à affaiblir. Elles peuvent consister en des hétérogénéités de fabrication des cloisons 37, faciles à apporter dans le cas de techniques additives où les cloisons 37 30 sont élevées progressivement, telles que des épaisseurs plus faibles ou des matériaux 8 différents. Dans tous ces exemples, il existe au moins deux bandes présentant des résistances à l'usure différentes découlant de l'hétérogénéité de structures de l'abradable 29 ou 36, mais des bandes intermédiaires des résistances également intermédiaires (45 et 46 pour la réalisation de la figure 5) peuvent être prévues librement, comme on l'a 5 illustré. Un aspect important de l'invention est que les différentes bandes de l'abradable 29 ou 36 ont à l'origine la même hauteur devant une léchette respective, ce qu'on indique par les lignes de niveau 39, 40 et 41 aux figures 5 et 6. En d'autres termes, on n'échancre pas à l'origine les zones de l'abradable 29 ou 36 susceptibles de bloquer le 10 rotor, ce qui aurait eu comme effet de diminuer ce risque d'interférence avec les léchettes 4 et 5, mais au prix de performances réduites pendant le service normal de la turbomachine. D'autres formes de réalisation de l'invention sont possibles : l'abradable peut ainsi ne pas être composé de cloisons entrecroisées, mais de cloisons successives 47 15 dans la direction tangentielle T et sans liaison les unes aux autres que le support circulaire 13 de l'abradable (figure 7) ; il peut encore être constitué de reliefs d'autres matières que des cloisons, ou même d'une structure compacte 48 continue (figure 8), où des fragilisations locales 38 peuvent aussi être incluses. Les variations de résistance entre les bandes (49, 50 et 51 à la figure 7 ; 52, 53 et 54 à la figure 8) peuvent être aussi créées par 20 plusieurs moyens à la fois, comme on le représente à la figure 7, où les bandes présentent à la fois des densités différentes pour des cloisons successives 47 et des emplacements différents pour des fragilisations locales 38, faites par exemple par des perforations des cloisons 47. D'une façon générale, il suffit que la structure qu'on a décrite s'étende 25 dans une couche extérieure de l'abradable, limitée par une surface libre en regard des léchettes : une telle couche extérieure est représentée à la figure 5, où elle porte la référence 55, et où les hétérogénéités de structure sont concentrées ; l'abradable pourrait encore comprendre d'autres couches 56, sous-jacentes à la couche extérieure 55, construites avec une autre structure et éventuellement homogènes, sans sortir du 30 cadre de l'invention. REVENDICATIONS1) Abradable (29, 36) de joint à labyrinthe disposé autour d'un axe (X), caractérisé en ce qu'il comprend, dans une couche extérieure (55), au moins deux régions (33, 34, 35 ; 43, 44, 45, 46) juxtaposées pour se succéder dans une direction de l'axe et ayant des résistances à l'usure de valeurs progressives selon la direction de l'axe. 2) Abradable de joint à labyrinthe selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche extérieure est composée de cloisons (30; 31, 32; 37) délimitant des cellules, et les cellules présentent en section des superficies progressives dans la direction de l'axe. 3) Abradable de joint à labyrinthe selon la revendication 2, caractérisé en ce que les cloisons sont toutes orientées en faisant un angle non nul avec une direction angulaire (T) perpendiculaire à l'axe. 4) Abradable de joint à labyrinthe selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les cloisons (30 ; 31, 32) sont entrecroisées et de préférence définissent des cellules rectangulaires. 5) Abradable de joint à labyrinthe selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les cloisons des cellules sont orientées selon un angle compris entre 30 et 60° par rapport à la direction de l'axe. 6) Abradable de joint à labyrinthe selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que certaines des cloisons sont des cloisons principales (31) rectilignes qui s'étendent à travers plusieurs régions, et d'autres des cloisons sont des cloisons de subdivision (32) rectilignes qui s'étendent entre lesdites cloisons principales le long d'une partie des cloisons principales. 7) Abradable de joint à labyrinthe selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que les cloisons ont une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 0,3 mm. 8) Abradable de joint à labyrinthe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche extérieure est composée 10 d'un matériau principal qui inclut des portions hétérogènes, les portions hétérogènes ayant une résistance à l'usure moindre que le matériau principal. 9) Abradable de joint à labyrinthe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est fabriqué par une technique 5 additive et a une structure formée d'un seul tenant. 10) Abradable de joint à labyrinthe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend plus de deux desdites régions juxtaposées, les résistances à l'usure desdites régions étant de valeurs progressives selon la direction de l'axe. 10 11) Turbine de turbomachine comprenant un joint à labyrinthe, caractérisée en ce qu'elle comprend un abradable de joint à labyrinthe selon l'une quelconque des revendications précédentes, qui est annulaire et de préférence sectorisé, lesdites régions étant formées par des bandes annulaires de l'abradable de joint à labyrinthe. 15 12) Turbine de turbomachine selon la revendication 11, caractérisée en ce que le joint à labyrinthe comprend des léchettes faisant face exclusivement à certaines desdites bandes annulaire de l'abradable de joint à labyrinthe, plus résistantes à l'usure, en régime de croisière, d'autres desdites bandes annulaires, mais moins résistantes à l'usure, étant situées en aval des précédentes.