Brevet FR3084106A1 — publié le 20200124

DISTRIBUTEUR BASSE PRESSION AVEC PALES COULISSANTES DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne les distributeurs de turbines de turbomachines, et notamment, mais non limitativement, tes distributeurs à circulation d'air de refroidissement. ETAT DE LA TECHNIQUE Rappels généraux sur les turbomachines En référence à la figure 1, on a représenté de manière schématique un turboréacteur axial 1 à double flux. Le turboréacteur 1 illustré comporte d'amont en aval une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6, et une turbine basse pression 7. La soufflante 2 et le compresseur basse pression 3 sont reliés à la turbine basse pression 7 par un premier arbre de transmission 9, tandis que le compresseur haute pression 4 et la turbine haute pression 6 sont reliés par un deuxième arbre de transmission 10. En fonctionnement, un écoulement d'air comprimé par les compresseurs basse et haute pression 3 et 4 alimente une combustion dans la chambre de combustion 5, dont [expansion des gaz de combustion entraîne les turbines haute et basse pression 6, 7. Les turbines 6, 7 entrainent la soufflante 2 et les compresseurs 3, 4 via les arbres 9 et 10. L'air propulsé par la soufflante 2 (soit dans une veine secondaire, soit par passage de l'ensemble du fluide à travers les modules compresseurs et turbines, dans le cas d'une veine simple) et tes gaz de combustion sortant du turboréacteur 1 à travers une tuyère propulsive (non illustrée) en aval des turbines 6, 7 exercent une poussée de réaction sur le turboréacteur 1 et sur l'aéronef que celui-ci équipe (non illustré). Dans tout le présent texte, les termes amont et/ou aval doivent être compris par rapport au sens d'écoulement des fluides dans la turbomachine. Les termes intérieur/extérieur doivent quant à eux être compris par rapport à l'axe de la turbomachine. Classiquement, comme illustré sur la figure 2 dans le cas de la turbine basse pression 7, chaque turbine comporte plusieurs étages formés chacun d'un distributeur 11 (partie stator) et d'une roue mobile aubagée 12 (partie rotor). 2 Le distributeur 11 est lui formé d'une pluralité de pales directrices 13 réparties autour de celui-ci. Ces pales 13 s'étendent entre une plateforme annulaire intérieure 14 et une plateforme annulaire extérieure 15. Les plateformes intérieure et extérieure 14, 15 sont coaxiales. 5 Dans la majorité des cas, les distributeurs sont sectorisés. Les plateformes intérieures et extérieures sont généralement fixées sur le carter 16 du turboréacteur (respectivement sur les lignes intérieure et extérieure dudit carter 16) grâce à des formes plus ou moins complexes, adaptées pour coopérer avec des formes complémentaires du carter 16 ou de pièces fixées à celui-ci (flasques par exemple). 10 Refroidissement des distributeurs Les pales des distributeurs 11 des turbines sont exposées à des contraintes thermiques importantes. Pour limiter celles-ci, il est habituellement prévu, notamment pour les distributeurs de la turbine haute pression et pour le distributeur du premier étage de la 15 turbine basse pression, un système qui permet leur refroidissement par circulation d'air plus froid à l'intérieur des pales. L'air de refroidissement est par exemple l'air prélevé en sortie du compresseur haute pression 4. Typiquement, ainsi que l'illustre la figure 3, les pales 13 sont des pales creuses dans 20 la hauteur desquelles de l'air de refroidissement circule. Cet air de refroidissement est injecté par une ouverture 19b sur la plateforme extérieure 15 de la pale 13 et en en ressortant par une ouverture 19a sur la plateforme intérieure 14. Pour permettre l'injection de l'air de refroidissement à travers l'ouverture 19b en tête d'une pale 13 et l'évacuation de l'air sortant via l'ouverture 19a en pied de ladite pale 25 13, celle-ci présente des douilles d'attache (respectivement 21b et 21a) destinées à recevoir des connexions creuses articulées dites « en os de chien » (non représentées sur la figure 3 et détaillées ultérieurement). Plus précisément, une chemise 17 est classiquement prévue à l'intérieur d'une pale 13 pour guider l'air de refroidissement. Des perforations 18 sont ménagées sur ladite chemise 30 17 pour que l'air de refroidissement s'échappe à l'intérieur de l'pale 13, via lesdites perforations 18, en direction des parois intérieures de ladite pale 13. Des perforations 20 sont également prévues au niveau des parois de la pale 13 et notamment au niveau de son 3 bord de fuite, afin de contribuer au refroidissement des parois les plus épaisses de l'pale et de permettre à l'air de s'échapper pour rejoindre le flux d'air primaire traversant la turbine. Contraintes sur les pales et les secteurs 5 Le croisement d'une part de l'air chaud qui circule dans la veine autour des pales 13 d'un distributeur 11 et d'autre part de l'air de refroidissement qui circule à l'intérieur des pales 13 impose sur lesdites pales 13 des gradients de température qui créent sur celles-ci de fortes sollicitations mécaniques. Ces sollicitations mécaniques sont particulièrement importantes dans le cas du 10 distributeur 11 du premier étage de la turbine 7 basse pression (étage 1 sur la figure 2), mais sont également conséquentes pour les autres distributeurs de ladite turbine. La problématique existe pour tous les distributeurs, qu'ils soient BP ou HP, refroidis ou non refroidis. Les pales sont de ce fait fragilisées et sujettes à fissuration (formation de criques). 15 Les fissurations qui se créent peuvent aller jusqu'à provoquer des fuites d'air, voire des ruptures des pales. Il peut en résulter une diminution des performances du moteur ainsi que des endommagements sur les pièces en aval de la turbine. On a représenté sur les figures 4a et 4b un secteur 22 d'un distributeur 11, d'une part Lorsqu'il est non déformé (figure 4a) et d'autre part lorsqu'il est déformé sous l'effet des 20 sollicitations thermiques exposées ci-dessus (figure 4b). Ce secteur 22 de distributeur comporte en l'occurrence quatre pales 13a à 13d, qui s'étendent entre les plateformes intérieure et extérieure 14, 15. L'analyse montre que le comportement mécanique général d'un tel distributeur est principalement influencé par le chargement thermique des plateformes 14, 15. 25 Notamment, sous l'effet des différences de températures, les plateformes 14, 15 se déforment en sens opposé (effet dit « effet banane ») (flèches sur la figure 4b - les déformations sont bien entendu ici fortement accentuées pour les besoins de l'explication). Par ailleurs, les gradients de températures subis par les pales créent des contraintes élevées en compression en bord d'attaque. Les parties les plus fines (intrados et extrados) 30 peuvent se dilater, tandis que les parties les plus massives les en empêchent, les parties les plus fines sont sollicitées en compression, tandis que les parties les plus épaisses le sont en traction. 4 La combinaison de ces deux sollicitations et le gradient axial de contraintes qui en résulte dans la pale constituent un autre facteur important intervenant dans l'apparition de criques. Il résulte de ces effets combinés que les pales situées au milieu des plateformes (sur 5 les figures 4a et 4b, les pales centrales 13b et 13c encadrées par les pales d'extrémité 13a et 13d) sont particulièrement sollicitées, notamment dans leur partie médiane. EXPOSE DE L'INVENTION 10 Un but de l'invention est de proposer une solution qui permette de pallier les inconvénients des turbines de turbomachine. Notamment, un but de l'invention est de proposer une solution qui permette de diminuer les contraintes thermomécaniques et mécaniques subies par les pales et les 15 plateformes dudit distributeur. Selon un aspect, l'invention propose un secteur de distributeur d'une turbine de turbomachine comprenant d'une part deux secteurs coaxiaux de plateformes annulaires, l'une intérieure, l'autre extérieure, et d'autre part au moins trois pales sensiblement radiales qui s'étendent entre lesdites plateformes, au moins deux pales, dites pales 20 d'extrémité, encadrant l'autre (ou les autres) pale (s), dites pales centrales, caractérisé en ce que au moins une pale centrale est désolidarisée de l'un des secteurs de plateforme. Notamment par exemple, les pales d'extrémité sont solidaires de chacune des deux plateformes, la ou les pales centrales étant solidaire(s) de l'un des secteurs de plateformes et étant désolidarisée(s) de l'autre. 25 Un tel secteur de distributeur peut également être complété par les différentes caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison. Notamment, au moins une pale désolidarisée de l'un des secteurs de plateforme peut comporter : - au moins une amenée d'air de refroidissement en tête de pale, 30 - au moins une sortie d'air de refroidissement en pied de pale, - au moins un espace intérieur (chemisage par exemple) configuré pour la circulation d'air de refroidissement entre ladite amenée d'air et ladite sortie. 5 On comprend ici que la structure ainsi proposée à l'avantage de permettre de conserver les circuits de circulation d'air de refroidissement sur certains moteurs sans nécessiter d'adaptation pour ceux-ci si l'on veut juste changer le distributeur. L'amenée et la sortie d'air comportent par exemple deux douilles d'attache, l'une située en tête de pale 5 et l'autre située en pied de pale. Selon un autre aspect, la plateforme dont au moins une pale centrale est désolidarisée peut comporter une ouverture de débattement au niveau de laquelle ladite pale centrale traverse ladite plateforme. Par exemple, les rebords de ladite ouverture entourent avec jeu le bord d'attaque, 10 ainsi que l'intrados et l'extrados de ladite pale centrale et sont ouverts au niveau du bord de fuite de ladite pale. Cette ouverture a principalement un intérêt pour la fabrication et rend accessible les parties intrados, extrados et bords d'attaque. Par ailleurs, le secteur peut comporter sur la plateforme dont une pale est 15 désolidarisée au moins un écran d'étanchéité qui ferme l'ouverture de débattement de ladite pale, tout en autorisant le jeu de ladite pale dans ladite ouverture. Cet écran est situé sur la plateforme, du côté de celle-ci à l'intérieur de la veine de distributeur. L'ouverture peut par exemple être d'une géométrie et d'un dimensionnement 20 autorisant un débattement inférieur à 1% de la hauteur de la pale dans les directions axiale et tangentielle. Selon d'autres aspects encore, l'invention concerne un distributeur d'une turbine de turbomachine, qui comprend une pluralité de secteurs du type précité disposés circonférentiellement les uns à côté des autres. 25 Elle concerne également une turbine, et notamment, mais non limitativement, une turbine basse pression de turbomachine dont le distributeur de premier étage comprend une pluralité de secteurs du type précité. Elle concerne en outre une turbomachine. 30 6 DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des 5 dessins annexés sur lesquels : - La figure 1, déjà décrite, représente de façon schématique différentes composantes d'un turboréacteur à double flux avec des flux qui les traversent ; - La figure 2, déjà décrite, illustre la structure générale de la turbine basse pression d'une turbomachine ; 10 - La figure 3 illustre schématiquement la circulation d'air de refroidissement dans une pale ; - Les figures 4a et 4b illustrent les sollicitations thermomécaniques que peuvent subir les différents éléments d'un secteur de distributeur ; - La figure 5 est une représentation en perspective d'un secteur de distributeur 15 conforme à un mode de réalisation possible de l'invention ; - La figure 6 est une autre vue en perspective du secteur de distributeur de la figure 5 (vue par en dessous de la plateforme intérieure et des pales) ; - La figure 7 est encore une autre vue en perspective du secteur de distributeur de la figure 5 (vue par l'arrière de la plateforme intérieure et des pales) ; 20 - La figure 8 est une représentation en coupe illustrant un autre mode de réalisation possible de l'invention ; - La figure 9 est une représentation en vue en perspective d'un secteur de la plateforme extérieure (vue de dessus) sur laquelle on a illustré les débattements possibles pour les pales centrales. 25 DESCRIPTION DETAILLEE On se place dans ce qui suit dans le cas d'une turbomachine du type de celle de la figure 1 (déjà décrite) et d'un distributeur de turbine de celle-ci. 30 Ce distributeur est par exemple un distributeur 11 de la turbine basse pression illustrée sur la figure 2, par exemple le distributeur refroidi du premier étage. L'invention s'applique néanmoins de façon plus générale à tout type de distributeur de turbine, qu'il soit refroidi ou non. 7 Comme déjà indiqué, un tel distributeur est classiquement sectorisé et formé de plusieurs secteurs de distributeur disposés les uns à côté des autres sur une circonférence centrée sur l'axe de la turbine. Typiquement, le nombre de secteurs du distributeur est de compris entre 20 et 26. 5 Secteur de distributeur à pale(s) centrale(s) désolidarisée(s) de l'une des plateformes Le secteur 32 de distributeur représenté sur les figures 5 à 7 comporte : - un secteur de plateforme intérieure 34, - un secteur de plateforme extérieure 35, 10 - quatre pales 33a à 33d réparties sur ledit secteur 32 en s'étendant entre ces deux plateformes 34 et 35. Les deux secteurs 34 et 35 sont coaxiaux. Les deux pales d'extrémité 33a et 33d sont fixées à la fois sur la plateforme intérieure 34 et sur la plateforme extérieure 35. 15 Les pieds des deux autres pales (les pales centrales 33b et 33c) sont quant à eux désolidarisés de la plateforme intérieure 34. Notamment, la plateforme intérieure 34 présente autour de chacun des pieds de ces pales 33b et 33c une ouverture 36b, 36c traversées par lesdits pieds de pales et autorisant, pour lesdites pales 33b et 33c, un jeu de débattement par rapport à la tôle de la plateforme intérieure 34. 20 Bien entendu, le nombre de pales des différents secteurs du distributeur peut être différent. Le nombre de pales centrales entre deux pales d'extrémité peut également être égal à 1 ou à 3, ou être extérieur, dès lors que le nombre du secteur est extérieur à 3. Avec la structure proposée sur les figures 5 à 7, la ou les pales centrales sont désolidarisées de la plateforme intérieure 34, ce qui optimise les sollicitations mécaniques 25 subies par les pales. La libération des pales centrales par rapport aux plateformes leur donne plus de degrés de liberté en radial et facilite le passage d'effort. Ceci permet la diminution des contraintes sur les pales centrales. Egalement, la libération des pales centrales 33b, 33c permet aux plateformes intérieure et extérieure 34 et 35 de se déformer plus librement. 30 Dans l'exemple des figures, la plateforme par rapport à laquelle les pales centrales 33b, 33c sont désolidarisées est la plateforme intérieure 34. Comme on l'aura compris néanmoins, une désolidarisation de la ou des pales centrales 33b, 33c par rapport à la plateforme extérieure 35 du secteur permet d'obtenir les mêmes 8 effets d'optimisation mécaniques pour les pales centrales 33b, 33c et de libération de la déformation pour les plateformes 34, 35. Forme des ouvertures de désolidarisation 5 Dans l'exemple des figures 5 à 8, les deux ouvertures 36b, 36c sont identiques. Les rebords de la tôle qui délimitent leurs contours ont une forme générale qui entoure avec jeu le pied desdites pales 33b et 33c d'une part au niveau des bords d'attaque de celles-ci et d'autre part au niveau de leurs intrados et extrados. Par ailleurs, dans l'exemple donné sur les figures 5 à 7, les ouvertures 36b, 36c ne sont pas refermées et sont ouvertes au niveau 10 des bords de fuite des pales centrales 33b et 33c, ce qui facilite les débattements nécessaires. Ces ouvertures 36b, 36c de la désolidarisation des pieds des pales par rapport à la tôle de la plateforme 34 peuvent être réalisées à posteriori par usinage EDM (électroérosion ou Electrical Discharge Machining » selon la terminologie anglosaxonne), ou par usinage 15 mécanique. En variante, le secteur 32 peut être moulé d'une pièce avec ces ouvertures 36b, 36c dans la plateforme 34 ou 35 dont les pales centrales 33b et 33c sont désolidarisées. Cas d'un redresseur à circuit de refroidissement 20 Les structures des pales 33b et 33c sont identiques à celles des pales 33a et 33d : ces quatre pales 33a à 33d sont des pales creuses qui comportent une chemise intérieure, analogue à la chemise 17 sur la figure 3, qui définit un espace intérieur dans laquelle de l'air de refroidissement circule. Elles présentent chacune : 25 - une douille d'attache 41 en tête de pale par laquelle l'air de refroidissement est introduit (amenée d'air) (figure 5), - une douille d'attache 42 en pied de pale par laquelle l'air de refroidissement ressort (sortie d'air) (figure 6). Ces douilles d'attache 41, 42 sont destinées à recevoir des extrémités complémentaires 30 d'attaches creuses articulées 43 (figure 8) qui assurent la connexion entre lesdites douilles des pales et le reste du circuit d'air de refroidissement dans les parties extérieure et intérieure du carter. 9 Ces attaches sont par exemple formées de tuyaux se terminant à chacune de leurs extrémités par des sphères d'articulation coopérant avec les douilles 41, 42 et des douilles du carter (attaches dites en « os de chien »). Elles assurent ainsi la circulation de l'air de refroidissement entre les parties 5 extérieures et intérieures du carter, tout en accompagnant le débattement des pales centrales désolidarisées. Comme on l'aura compris, la structure ainsi proposée réduit les contraintes subies par les pales, sans nécessiter de modifications du circuit de refroidissement. 10 Etanchéité Des plaquettes 44 (figure 5) sont brasées sur la plateforme extérieure 35 pour fermer les ouvertures des pales creuses chemisées et assurer une étanchéité. Pour éviter que les ouvertures 36b, 36c présentes autour des pales centrales 33b, 33c soient source de perturbation du flux circulant à travers le distributeur, on prévoit sur la 15 plateforme intérieure 34 un ou plusieurs inserts d'étanchéité 45 (figure 8). Un tel insert d'étanchéité 45 est une plaque qui entoure les pales centrales 33a, 33b à l'intérieur de la veine. Il est en un matériau qui lui permet de former écran mécanique permettant d'éviter les fuites de la veine tout en accompagnant le débattement des pales centrales 33b, 33c. Cet écran assure ainsi l'étanchéité entre la veine de circulation du flux 20 primaire et la cavité sous le distributeur. Un insert d'étanchéité 46 similaire peut également être prévu sur la plateforme 35 extérieure. Débattement 25 Comme l'illustre la figure 9, les ouvertures 36b, 36c sont d'une géométrie et d'un dimensionnement permettant un débattement des pales 33b, 33c dans les tolérances classiquement admises : inférieures à 1% et préférentiellement de l'ordre de 0,5 % de la hauteur de l'pale maximum, dans les directions axiale et tangentielle (débattements illustrés par les double-flèches DAx et DT et les différentes positions des pales sur la figure 8). 30 La direction axiale correspond aux débattements parallèlement à l'axe moteur. La direction tangentielle est définie comme perpendiculaire au plan de l'axe du moteur et de la direction radiale selon laquelle l'pale s'étend. 10 A titre d'exemple, le débattement axial ou tangentiel toléré est de l'ordre de +/-0.3mm pour une hauteur de pale de 70mm. En tout état de cause, la désolidarisation ainsi réalisée permet ces débattements avec une optimisation des contraintes subies par les pales centrales 33b, 33c. 5 Les variations radiales sont également similaires à celles classiquement admises. Modélisations - Résultats Des modélisations par éléments finis thermomécaniques ont été effectuées pour connaître les effets induits par la désolidarisation entre les pales centrales et l'une des 10 plateformes. Ces modélisations confirment que les contraintes diminuent. Notamment, dans le cadre de ces modélisations, on a comparé - pour une pale désolidarisée et pour une pale sans désolidarisation - les contraintes de von Mises calculées par éléments finis sur une zone de bord d'attaque et sur une zone d'intrados qui pourraient 15 être sujettes à formation de criques (zones situées en milieu de pale - entre 30 % et 60 % de la hauteur de pale). On constate une forte baisse des contraintes dans l'une et l'autres des deux zones : - jusqu'à - 30 % dans la zone du bord d'attaque, - bien au-delà (jusqu'à -50 %) en contrainte dans la zone intrados. 20 On a en outre comparé la répartition des contraintes globales (au niveau des zones critiques de bord d'attaque et d'intrados de pales centrales) par rapport à une zone d'une pale non désolidarisée en extrémité de secteur. Cette zone est en partie haute de cette pale d'extrémité. Elle est comprise entre 60 et 90% de la hauteur de ladite pale. La comparaison est faite avec et sans désolidarisation des pales centrales : Cette comparaison montre que la 25 désolidarisation des pales centrales n'inverse pas la répartition des zones critiques sur les pales d'un même secteur. La zone la plus critique avec et sans désolidarisation reste dans tous les cas la zone en partie haute de ['pale d'extrémité. Les contraintes sur cette zone critique sont moins importantes avec la désolidarisation de pale (- 13%). REVENDICATIONS1. Secteur de distributeur d'une turbine de turbomachine comprenant d'une part deux secteurs coaxiaux de plateformes annulaires (34, 35), L'une (34) intérieure, L'autre (35) extérieure, et d'autre part au moins trois pales (33a à 33d) sensiblement radiales qui s'étendent entre lesdites plateformes (34, 35), au moins deux pales (33a, 33d), dites pales d'extrémité, encadrant circonférentiellement l'autre (ou les autres) pale (s) (33b, 33c), dites pales centrales, caractérisé en ce que au moins une pale centrale (33b, 33c) est désolidarisée de l'un (34) des secteurs de plateformes. 2. Secteur de distributeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les pales d'extrémité (33b, 33c) sont solidaires de chacun des deux secteurs de plateformes 34, 35), La ou les pales centrales (33b, 33c) étant solidaire(s) de l'un (34) des secteurs de plateformes et étant désolidarisée(s) de l'autre. 3. Secteur de distributeur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que au moins une pale désolidarisée de l'un des secteurs de plateforme comporte : au moins une amenée (41) d'air de refroidissement en tête de pale, au moins une sortie (42) d'air de refroidissement en pied de pale, au moins un espace intérieur (17) configuré pour la circulation d'air de refroidissement entre ladite amenée d'air (41) et ladite sortie (42). 4. Secteur de distributeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'amenée et La sortie d'air comportent deux douilles d'attache (41, 42), L'une située en tête de pale et l'autre située en pied de pale. 5. Secteur de distributeur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le secteur de plateforme (34), dont au moins une pale centrale (33b, 33c) est désolidarisée, comporte une ouverture de débattement (36b, 36c) au niveau de laquelle ladite pale centrale (33b, 33c) traverse ladite plateforme. 6. Secteur de distributeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les rebords de ladite ouverture (36b, 36c) entourent avec jeu Le bord d'attaque, ainsi que 12 l'intrados et l'extrados de ladite pale centrale et sont ouverts au niveau du bord de fuite de ladite pale. 7. Secteur de distributeur selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'il 5 comporte sur le secteur de plateforme (34) dont une pale est désolidarisée, au moins un écran d'étanchéité (45) qui ferme l'ouverture de débattement de ladite pale, tout en autorisant le jeu de ladite pale dans ladite ouverture. 8. Secteur de distributeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'écran 10 d'étanchéité (45) est situé sur la plateforme, du côté de celle-ci à l'intérieur de la veine de distributeur. 9. Secteur de distributeur selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que l'ouverture autorise un débattement inférieur à 1% de la hauteur de la pale dans les 15 directions axiale et tangentielle. 10. Distributeur (11) d'une turbine de turbomachine, comprenant une pluralité de secteurs disposés circonférentiellement les uns à côté des autres, caractérisé en ce que au moins un secteur est un secteur (22) selon l'une des revendications 1 à 9. 20 11. Turbine de turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un distributeur selon la revendication 10. 12. Turbine basse pression de turbomachine selon la revendication 11, caractérisée en ce 25 qu'elle comporte un distributeur de premier étage selon la revendication 10. 13. Turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte une turbine selon l'une des revendications 11 et 12. 30