Brevet FR3066782A1 — publié le 20181130

AGENCEMENT DE TURBOMACHINE COMPRENANT UN ANNEAU D'ETANCHEITE LIE A UN CARTER, ET PROCEDE DE MONTAGE DESCRIPTION Le sujet de l'invention présente est un agencement de turbomachine comprenant un anneau d'étanchéité attaché à un carter, et un procédé de montage de cet agencement. Dans une turbomachine, afin d'obtenir le meilleur rendement possible, les jeux entre les parties mobiles et fixes (du rotor et du stator) doivent être les plus faibles possibles, afin de minimiser les fuites de gaz soustraites aux écoulements utiles de la machine ; cela est vrai en particulier le long de la veine aérodynamique d'écoulement des gaz. Dans les conceptions actuelles, les aubes mobiles, par exemple celles des turbines à basse pression, sont situées en vis-à-vis d'anneaux d'étanchéité de stator, appelés aussi anneaux de turbine, qui sont généralement divisés en secteurs. Ces secteurs sont constitués d'une cartouche structurale munie d'une garniture d'étanchéité, typiquement en matière abradable. Ils sont accrochés à un carter de stator adjacent et juxtaposés sur la circonférence, de manière à entourer les aubes mobiles d'une piste abradable continue. Les aubes mobiles ont leurs bords extérieurs généralement réunis par un anneau garni de structures, appelées léchettes, saillant vers l'extérieur, dans un sens radial de la machine, et dont les crêtes formant des sillons dans l'abradable et obturent ainsi presque complètement les jeux autour des aubes mobiles. Ces jeux sont variables en fonction du régime de la machine et de ses variations, qui impliquent des échauffements et des dilatations thermiques différents, dont des dilatations différentielles entre les aubes mobiles et le carter les entourant. On cherche à obtenir des jeux aussi petits que possible, en pilotant d'après le régime de la machine le débit d'un écoulement d'air de ventilation extrait des compresseurs de la machine et plus frais que les gaz de la veine d'écoulement, ce qui rafraîchit le carter, contracte l'anneau d'étanchéité et permet donc de réduire le jeu. Le pilotage est toutefois difficile à bien assurer, puisqu'il s'effectue par un réseau de ventilation qui se 3066782 2 ramifie et dans lequel un partage du débit de ventilation n'est pas toujours obtenu, ce qui provoque des irrégularités de dilatation le long du stator ; la minimisation des jeux est encore plus difficile à certaines phases, par exemple dans les décélérations où la température des aubes mobiles décroît plus vite que celle du carter, et où l'évaluation 5 des jeux est plus difficile à prédire. Des jeux plus importants que ceux qu'on souhaiterait sont donc acceptés. L'objet de l'invention est de réduire les jeux observés entre les étages d'aubes mobiles et la garniture d'étanchéité les entourant, afin de réduire la consommation du moteur, tout en simplifiant éventuellement le dispositif. 10 Sous une forme générale, on y parvient au moyen d'un agencement de turbomachine, la turbomachine comprenant un rotor tournant autour d'un axe de rotation et définissant une direction radiale perpendiculaire à l'axe de rotation, un carter circulaire formant en partie le stator et un anneau d'étanchéité entourant un étage d'aubes mobiles du rotor, soutenu par le carter et divisé en secteurs, chacun des secteurs 15 comprenant une garniture d'étanchéité en regard des aubes et une cartouche comprenant une portion principale sur laquelle la garniture d'étanchéité est fixée, caractérisé en ce que les secteurs comprennent encore un corps, reliant le carter à la cartouche, la cartouche étant unie au corps par une liaison coulissante dans la direction radiale, et un élément élastique déformé entre le corps et la portion principale de la 20 cartouche pour repousser la portion principale dans un sens intérieur de la direction radiale. Les cartouches d'étanchéité ont ainsi la faculté de se déplacer vers la partie du rotor qui est en regard d'elles et de contracter l'anneau d'étanchéité, jusqu'à l'annulation complète ou presque du jeu. L'ajustement de diamètre de l'anneau 25 d'étanchéité se fait automatiquement grâce à l'élasticité de la partie déformable, qui le fait venir en appui sur la partie mobile de la machine. Le pilotage par de l'air de ventilation n'est plus nécessaire pour assurer cette fonction de minimisation de jeu. D'après certains modes de réalisation, susceptibles de donner une construction simple : le corps joint au carter comprend une virole et deux cloisons latérales jointes au carter et s'étendant dans le sens intérieur de la direction radiale à 3066782 3 distribuée entre les cloisons latérales et les bordures ; l'élément élastique est monobloc avec la partie principale de la cartouche ; l'élément élastique est une tôle courbée comprenant une partie fixée à la partie principale et au moins une partie d'extrémité en appui sur la virole du support ; la cartouche est une tôle recourbée aux bordures, la tôle de 5 l'élément élastique est plus fine que la tôle de la portion principale. Avantageusement, la liaison coulissante comprend une butée d'arrêt de la portion principale de la cartouche dans le sens intérieur de la direction radiale, ce qui maintient la cohésion de chacun des secteurs et permet de les manipuler séparément sans précaution particulière avant leur montage. 10 Un objectif de l'invention est que la garniture d'étanchéité soit en contact avec les extrémités des aubes du rotor. Un autre aspect de l'invention est un procédé de montage d'un agencement de turbomachine selon ce qui précède, caractérisé en ce qu'il consiste à assembler les secteurs de l'anneau d'étanchéité au carter de stator, puis à repousser les 15 cartouches ensemble dans un sens extérieur de la direction radiale, et à introduire l'étage d'aubes du rotor entre les secteurs par un mouvement dans la direction axiale. Ainsi qu'on l'a mentionné, l'invention convient particulièrement à un agencement de turbomachine tel que détaillé ci-dessus, comprenant encore des aubes mobiles entourées par l'anneau d'étanchéité et porteuses de léchettes dont des crêtes 20 reposent sur les garnitures, les extrémités axiales des secteurs étant séparées des rebords par des jeux radiaux. L'invention sera maintenant décrite dans ses différents aspects, caractéristiques et avantages au moyen de la description détaillée d'un de ses modes de réalisation particulier, qui n'est pas exclusif d'autres : 25 - la figure 1 est une vue générale d'un agencement d'étanchéité de turbomachine conforme à l'art antérieur ; - la figure 2, un détail agrandi de la figure 1; et - les figures suivantes 3 à 8 illustrent l'invention, la figure 3 étant une vue partielle d'un support de cartouche ; la figure 4, une vue d'un secteur d'anneau complet ; 3066782 4 - la figure 2, un détail agrandi de la figure 1; et - les figures suivantes 3 à 8 illustrent l'invention, la figure 3 étant une vue partielle d'un support de cartouche ; la figure 4, une vue d'un secteur d'anneau complet ; les figures 5 et 6, une vue de la cartouche du secteur d'anneau et une vue de la 5 garniture d'étanchéité ; la figure 7, une vue de détail de l'ajustement de la cartouche au corps de secteur d'anneau ; et la figure 8 illustre l'interaction avec le rotor. La figure 1 illustre une turbine à basse pression composée d'un rotor 1 entouré par un stator 2, entre lesquels s'étend une veine 3 d'écoulement des gaz. Le reste de la turbomachine à laquelle cette turbine appartient n'est pas du ressort de 10 l'invention et n'est donc pas plus décrit. Une direction axiale X est définie par l'axe de rotation du rotor 1, ainsi qu'une direction radiale R perpendiculaire à la précédente. Le stator 2 comporte un carter de turbine 4 intérieur qui soutient des anneaux d'étanchéité 5 venant en face d'étages circulaires successifs d'aubes mobiles 6 liées au rotor 1 en les entourant. Afin de pouvoir être assemblés, les anneaux d'étanchéité 5 sont composés 15 normalement de portions en secteurs de cercle. Comme le montre la figure 2, les secteurs composant les anneaux d'étanchéité 5 sont eux-mêmes composés d'une cartouche 7 structurale et d'une garniture d'étanchéité formée en général d'une couche d'abradable 8 fixée à la face radiale intérieure de la cartouche 7. Les aubes mobiles 6 se terminent à leur bord extérieur par un anneau de liaison 9 porteur de léchettes 10 (deux dans le cas 20 présent), saillant en direction radiale extérieure et dont les crêtes sont adjacentes à la couche abradable 8. Dans cette réalisation typique de l'art connu, le carter 4 est muni, pour chacun des anneaux d'étanchéité 5, de deux nervures ou cloisons 11 et 12 s'étendant en direction radiale intérieure et dont l'extrémité est recourbée en un crochet 13 ou 14 s'étendant en direction axiale de la machine. Et les cartouches 7 comprennent 25 une agrafe 15 à une extrémité s'ouvrant en direction axiale vers le crochet 13, et une rainure 16 à l'autre extrémité, s'ouvrant en direction radiale extérieure vers l'autre crochet 14. Le montage des secteurs de chaque anneau d'étanchéité 5 s'effectue par un mouvement axial pour faire entrer le crochet 13 dans les agrafes 15, puis par un mouvement de pivotement vers l'extérieur pour faire entrer l'autre crochet 14 dans les 30 rainures 16. On monte ensuite, en aval de l'anneau d'étanchéité 5, un étage d'aubes fixes 3066782 5 17 dont un anneau de liaison extérieur 18 porte une agrafe 19 qui pince et maintient l'assemblage du crochet 14 dans les rainures 16. Avec cette disposition, les anneaux d'étanchéité 5 sont maintenus fermement et fixement dans le carter 4. Les jeux entre la couche abradable 8 et les 5 léchettes 10 et 11 peuvent être réglés en modifiant le diamètre du carter 4, ce qui est accompli par un dispositif de soufflage d'air 20 entourant le carter 4, et dans lequel des rampes de soufflage 21 circulaires s'étendent devant le carter 4, essentiellement devant les cloisons 11 et 12, et projettent sur lui de l'air plus frais par des orifices de soufflage 22. Cet air est originaire des compresseurs de la turbomachine, circule dans le dispositif de 10 soufflage d'air 20 grâce à sa pression élevée, et sa température est inférieure à celle de la veine d'écoulement 3 dans les turbines. Ainsi, l'air de ventilation rafraîchit le carter 4 et le contracte en réglant le diamètre des anneaux d'étanchéité 5. L'intensité de la contraction est assurée par le réglage d'une vanne. On passe maintenant aux commentaires d'une réalisation de l'invention, 15 au moyen d'abord des figures 3, 4 et 8. Les étages d'aubes de la turbine concernée par l'invention comprennent des secteurs d'anneaux d'étanchéité 50 qui remplacent les secteurs 5 de la réalisation connue. Les secteurs d'anneaux d'étanchéité 50 comprennent d'abord des corps 51 rigides et immobiles, accrochés aux carters 4. Pour cela, les corps 51 sont munis de cloisons 24 et 25 à leurs extrémités en direction axiale, de part et d'autre 20 de l'étage d'aubes mobiles 6, associé à l'anneau d'étanchéité, et ces cloisons 24 et 25 s'étendent radialement vers l'intérieur à partir d'une virole 23. La virole 23 est en appui par un de ses bords axiaux sur le crochet 13 correspondant, et son bord opposé porte une gorge 52 de réception d'une partie de l'autre crochet 14. La cloison 24 est recourbée pour s'imbriquer autour du crochet 13, et l'autre cloison 25 est en appui sur la patte 25 radialement interne 53 de l'agrafe 19. Le corps 51 est donc retenu parfaitement par le carter 4. Et un logement 26 s'étend entre les cloisons 24 et 25 ; il est limité aussi par la virole 23, et s'ouvre vers les aubes mobiles 6. Ce logement 26 contient une autre partie des secteurs d'anneau d'étanchéité 50, à savoir une cartouche 32 qu'on décrit aussi au moyen de la figure 5. La cartouche 32 est composée d'une armature principale 33 rigide, 30 et d'une armature déformable 34. L'armature principale 33 est composée d'une tôle 3066782 6 épaisse, principalement en forme de secteur de cylindre, ou de cône, mais pourvue de deux extrémités axiales recourbées vers l'intérieur en direction radiale, qui sont des bordures 35 et 36 planes et parallèles, et dont les bords libres sont pourvus d'encoches 37, 38 et 39, 40 aux extrémités. L'armature déformable 34 comprend une partie centrale 5 41 tangente à l'armature principale 33 et fixée à elle, et deux extrémités 42 et 43 axiales qui en sont décollées et incurvées vers l'extérieur radialement. Une garniture d'étanchéité 44, analogue à la couche abradable 8 déjà rencontrée, est collée sur la face intérieure de l'armature principale 33. Elle est retenue et s'étend entre les bordures 35 et 36 en s'étendant radialement vers l'intérieur au-delà d'elles. L'armature déformable 34 10 est aussi une tôle recourbée, beaucoup plus fine que l'armature principale 33, par exemple cinq fois (0,3 mm d'épaisseur au lieu de 1,5 mm), qui lui permet de se déformer élastiquement dans les conditions de service. Quand les secteurs d'anneaux d'étanchéité 50 sont assemblés, la cartouche 32 de chacun d'eux est donc contenue dans le logement 26 du corps 51. Les 15 bordures 35 et 36 sont alors adjacentes aux faces internes des cloisons 24 et 25. Elles sont aussi en appui, en direction radiale intérieure, sur des rebords 27 et 28 saillants des faces internes des cloisons 24 et 25. Enfin, les rebords 27 et 28 sont alors pourvus à leurs extrémités de taquets 29 et 30 (seuls ceux de la cloison 25 sont visibles à la figure 3, mais ceux de la cloison 24 sont symétriques) saillants en direction radiale extérieure. Les 20 taquets 29 et 30 pénètrent dans ces encoches 37, 38, 39 et 40 à l'état de montage, établissant une butée de la cartouche 32 dans le corps 51 d'anneau d'étanchéité, en direction angulaire de la machine. Les portions médianes d'extrémités des bordures 35 et 36 forment des ergots 45 et 46 qui pénètrent dans des rainures 31 des cloisons 24 et 25 entre les taquets 29 et 30. Des liaisons coulissantes sont ainsi formées entre la cartouche 25 32 et le corps 51, qui permettent le débattement de la cartouche 32 jusqu'à la butée des ergots 45 et 46 contre les rebords 27 et 28. Cet état de butée est maintenu par l'armature déformable 34 élastique, dont les extrémités touchent la virole 23 en étant déformées, et pressent ainsi les ergots 45 et 46 vers l'intérieur radialement. Quand toutefois la machine est montée (figure 8), les léchettes telles 30 que 10 et 11 des aubes mobiles 6 viennent en contact avec la face radiale interne des 3066782 7 garnitures d'étanchéité 44 et repoussent les cartouches 32 vers l'extérieur et vers le fond du logement 26, en augmentant la compression de l'armature déformable 34, des jeux radiaux apparaissant entre les bordures 35 et 36 et les rebords 28 et 27. Cette situation est durable et se maintient à tout moment à l'intérieur 5 de la machine, pour tous les régimes, stables et transitoires, quelles que soient les dilatations thermiques, différentielles ou non, la compression de l'armature déformable 34 assurant le contact, mais avec une force réduite qui limite leur usure, des garnitures d'étanchéité 44 sur les léchettes 10. On arrive donc à une situation où les jeux sont nuls ou presque, et les fuites de gaz réduites en conséquence. Le mouvement coulissant radial 10 permis par les ajustements de guidage des ergots 45 et 46 dans les rainures 31 assure cette liberté de dilatation et de contraction de l'anneau d'étanchéité, tout en maintenant les secteurs en place dans la direction angulaire grâce à l'imbrication des ergots 45 et 46 et des taquets 29 et 30. Le montage préliminaire s'effectue simplement en dilatant le diamètre 15 de l'anneau d'étanchéité avec un outil approprié avant d'introduire sans frottement l'étage d'aubes mobiles 6 dans l'espace central, l'outil étant d'un genre connu consistant en languettes disposées en couronne sur une armature et dont on peut dilater le cercle à volonté. Ces languettes peuvent être disposées en appui sur une portion 54 de la face radialement interne des garnitures d'étanchéité 44, et écartées au-delà du diamètre 20 extérieur des léchettes 10. Quand l'étage d'aubes mobiles 6 a été installé, l'outil peut être retiré et les secteurs d'aubes fixes adjacentes, comprenant les agrafes 19, peuvent être montés. REVENDICATIONS1) Agencement de turbomachine, la turbomachine comprenant un rotor tournant autour d'un axe de rotation (X) et définissant une direction radiale (R) perpendiculaire à l'axe de rotation, un carter (4) circulaire formant en partie le stator et un anneau d'étanchéité entourant un étage d'aubes (6) mobiles du rotor, soutenu par le carter et divisé en secteurs (50), chacun des secteurs comprenant une garniture d'étanchéité (44) en regard des aubes (6) et une cartouche (32) comprenant une portion principale (33) sur laquelle la garniture d'étanchéité est fixée, caractérisé en ce que les secteurs comprennent corps (51), reliant le carter (4) à la cartouche (32), la cartouche (32) étant unie au corps par une liaison coulissante dans la direction radiale, et un élément élastique (34) déformé entre le corps (51) et la portion principale (33) de la cartouche (32) pour repousser la portion principale dans un sens intérieur de la direction radiale. 2) Agencement de turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps (51) joint au carter (4) comprend une virole (23) et deux cloisons latérales (24, 25) et s'étendant dans le sens intérieur de la direction radiale à partir de la virole. 3) Agencement de turbomachine selon la revendication 2, caractérisé en ce que la portion principale (33) de la cartouche (32) comprend deux bordures (35, 36) adjacentes aux cloisons latérales (24, 25) et s'étendant dans des plans radiaux, la liaison coulissante étant distribuée entre les cloisons latérales et les bordures. 4) Agencement de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la liaison coulissante comprend une butée (27, 28) d'arrêt de la portion principale (33) de la cartouche (32) dans le sens intérieur de la direction radiale. 5) Agencement de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément élastique (34) est monobloc avec la partie principale (33) de la cartouche (32). 6) Agencement de turbomachine selon les revendications 2 et 5, caractérisé en ce que l'élément élastique (34) est une tôle courbée, comprenant une 3066782 9 partie (41) fixée à la partie principale et au moins une partie d'extrémité (42, 43) en appui sur la virole (23) du corps (51). 7) Agencement de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la portion principale (33) de la cartouche est 5 une tôle recourbée aux bordures (35, 36). 8) Agencement de turbomachine selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la tôle de l'élément élastique (34) est plus fine que la tôle de la portion principale (33). 9) Agencement de turbomachine selon l'une quelconque des 10 revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la garniture d'étanchéité (44) est en contact avec des extrémités (10) des aubes (6) du rotor en regard. 10) Procédé de montage d'un agencement de turbomachine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à assembler les secteurs de l'anneau d'étanchéité au carter de stator, puis à repousser les cartouches 15 ensemble dans un sens extérieur de la direction radiale, et à introduire l'étage d'aubes (6) du rotor entre les secteurs par un mouvement dans la direction axiale.