Brevet FR3079868A1 — publié le 20191011

LECHETTE D'ETANCHEITE ENTRE ROTOR ET STATOR ET TURBINE AINSI EQUIPEE INTRODUCTION [001] 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. [002] En tant que « partie de rotor » sont notamment concernées les aubes (dites mobiles), en ce qu'elles sont des éléments de rotor. [003] 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 "wiper" 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 20 déplacement global des gaz dans la turbomachine, et - tranche a pour sens bord, donc extrémité, mince d'un objet de relativement faible épaisseur (tranche d'une léchette ; edge en anglais). [4] Une turbomachine à gaz pour aéronef est souvent à soufflante amont, dit aussi soufflante avant, et à double corps et comprend alors, d'amont en 25 aval, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression. [5] Ainsi, le flux de gaz qui traverse la turbomachine d'amont en aval passe t'il entre : 30 - une partie de stator et 2 - une partie de rotor apte à tourner par rapport à la partie de stator, autour d'un axe (X) de la turbomachine. [6] Or, il faut maîtriser l'étanchéité entre ces parties de rotor et de stator. [7] Par exemple, FR 2977274 divulgue une turbine comprenant un 5 dispositif d'étanchéité formant un joint d'étanchéité dynamique établi à cette fin. [8] Sur les turbomachines à gaz, il est ainsi connu de disposer des joints d'étanchéité dynamique comprenant : - au moins un élément en matériau abradable fixé à la partie de stator, et 10 - au moins une léchette dont est pourvue la partie de rotor, sensiblement radialement audit axe (X) de rotation, ladite au moins une léchette étant adaptée à coopérer avec ledit au moins un élément en matériau abradable, pour atteindre l'étanchéité recherchée. [9] Le joint d'étanchéité ainsi formé, souvent de type à labyrinthe sur une 15 turbine, permet de limiter le débit d'air passant axialement à travers l'espace situé entre les parties concernées de stator et de rotor. [10] Ainsi, lors de la rotation du rotor, les léchettes des joints sont entraînées en rotation tout en conservant un jeu aussi faible que possible avec les éléments (en matériau) abradable(s) qui demeurent fixes. [011] 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. Cet échauffement peu, sous certaines conditions, provoquer une fusion locale du matériau du stator dont les résidus vont alors soit se déposer sur la léchette, soit être libérés dans la veine où circule le flux gazeux et occasionner des dommages en percutant des pièces en aval. Il peut également en résulter une fusion du matériau du stator avec celui de la léchette qui conduit à un blocage du rotor lors du refroidissement (rotor-lock). [012] De telles situations peuvent survenir tant en extrémités externes d'aubes mobiles, qu'en particulier en pied de distributeur. 3 [13] La présente invention vise à éliminer au moins partiellement ces inconvénients. [14] A cet effet, Il est proposé que, sur le joint d'étanchéité dynamique précité, ladite au moins une léchette présente, en extrémité libre radiale, des 5 ailettes de refroidissement qui la traverse. [15] C'est donc une structure à passages multiples traversants que la léchette concernée présentera, voire par laquelle elle se terminera, en extrémité libre radiale. [16] On va ainsi pouvoir au moins limiter l'échauffement par frottement 10 dans cette zone, lors du fonctionnement du moteur. Le flux d'air passant entre les ailettes de refroidissement, à travers la léchette concernée, va en effet emporter avec lui des calories qui vont donc être évacuées à l'écart de ladite zone. [17] Pour limiter les perturbations sur le flux d'air en circulation, tout en 15 favorisant encore cette évacuation de calories, il est proposé que les ailettes de refroidissement traversent ladite au moins une léchette sensiblement parallèlement à l'axe (X) de rotation de la turbomachine à gaz. [18] Ainsi, notamment si (au moins) deux léchettes successives, respectivement amont et aval, sont prévues par partie de rotor concernée, la 20 léchette aval recevra t'elle en outre assez directement le flux passé entre les ailettes de refroidissement de la léchette amont. [19] Des ailettes de refroidissement définies par des dents (relativement fines), à la manière d'un peigne radialement ouvert vers l'extérieur favoriseront d'autant mieux une évacuation des calories. 25 [020] Une considération corolaire à ce qui précède est d'assurer un compromis pertinent entre les exigences d'étanchéité (effet d'étanchéité du joint dynamique) et de limitation de l'échauffement. Aussi est-il proposé : - que ladite au moins une léchette présente: 4 -- latéralement, dans la direction de rotation, une première tranche d'extrémité d'attaque et une seconde tranche d'extrémité de fuite, opposée, et -- une longueur (L) entre les première et seconde tranches d'extrémité, et 5 - que, sur ladite largeur (L), les ailettes de refroidissement soient situées au moins vers ladite première tranche d'extrémité. [021] Dans ce contexte, il est aussi proposé: - que ladite au moins une léchette soit plus haute (donc plus étendue radialement ; axe Z) et/ou plus épaisse (donc plus étendue suivant 10 sensiblement l'axe X) vers la première tranche d'extrémité que vers la seconde tranche d'extrémité, et - que les ailettes de refroidissement s'étendent sur plus de 90% de ladite longueur. [22] On favorisera ainsi l'évacuation thermique là où la léchette attaque en 15 premier l'abradable et où elle peut être aussi tant la plus épaisse et/ou la plus haute que la plus solide, avec donc davantage de choix quant à sa forme ; voir ci-après. [23] En outre, en prolongeant la zone à ailettes de refroidissement sur plus de 90% de la longueur de la léchette, on augmentera la surface d'échange 20 thermique. [24] Par souci de fabrication et de tenue mécanique, on pourra préférer que les ailettes soient sensiblement rectangulaires. [25] Elles pourront l'être individuellement sur toute leur hauteur et/ou en section, perpendiculairement à leur hauteur. 25 [026] Pour poursuivre plus loin encore dans le compromis entre les contraintes en particulier thermiques et mécaniques (tenue), on pourra préférer qu'individuellement les ailettes s'affinent en direction de leur extrémité libre et soient alors par exemple sensiblement trapézoïdales sur leur hauteur. 30 [027] Pour favoriser au mieux au moins l'étanchéité, on pourra par ailleurs souhaiter que soient prévues deux dites léchettes, respectivement 5 axialement (axe X) amont et aval, et que, pour l'évacuation thermique, au moins la léchette amont présente desdites ailettes de refroidissement qui la traversent pour que de l'air puisse ainsi passer vers la léchette aval. [028] En termes de domaine d'application, on notera encore qu'une mise en 5 place sur une turbine de turbomachine à gaz aéronautique sera pertinente, et ce : - tant avec une partie de rotor comprenant une aube de turbine et une partie de stator comprenant un anneau de turbine, - qu'avec une partie de rotor comprenant un disque de turbine et une 10 partie fixe partie de stator comprenant un pied de distributeur de turbine. [029] L'invention sera si nécessaire mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention pourront apparaître à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemples non limitatifs en référence 15 aux dessins annexés. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES - la figure 1 est une demi-vue locale schématique en coupe d'une turbine basse-pression de turbomachine aéronautique à monter sur un aéronef, - la figure 2 est un schéma très local (détail II figure 1) et en perspective d'un 20 flasque annulaire de retenue axiale d'aubes mobiles sur un disque de turbine, ce flasque étant pourvu de léchettes à ailettes de refroidissement, conformément à l'invention, - la figure 3 schématise la vue de face selon la flèche III de la figure 1 ou 2, - la figure 4 reprend un détail de la figure 1, suivant une alternative, 25 - la figure 5 schématise, en coupe longitudinale (axe X), une partie de turbine basse pression de turbomachine aéronautique dont la figure 7 montre le détail V, - la figure 6 schématise une aube de rotor pourvue de léchettes à ailettes de refroidissement, 6 - la figure 8 schématise la vue de dessus selon la flèche VIII de la figure 9 (les flèches du flux gazeux vont de l'amont vers l'aval), - la figure 9 schématise la vue selon la flèche IX (de l'amont vers l'aval) de la figure 6, 5 - la figure 10 agrandit un détail de la figure 8: passage d'air entre deux ailettes de refroidissement, - les figures 11-12 schématisent de face deux réalisations de partie de rotor pourvue de léchettes à ailettes de refroidissement, - la réalisation de la figure 12 est reprise figure 14, suivant une variante de 10 forme d'ailettes, avec un détail agrandi XIII montré figure 13, - et les figures 13 à 18 schématisent encore, de face, respectivement six autres possibles réalisations de parties de rotor pourvue de léchettes à ailettes de refroidissement. DESCRIPTION DETAILLEE 15 [030] La présente invention est décrite en référence à une turbine de turbomachine 1 d'aéronef, mais s'applique à tout type de turbine d'un moteur à gaz fonctionnant de manière similaire. [031] On se réfère d'abord à la figure 1 qui schématise donc en particulier, au sein de la turbomachine 1 à gaz pour aéronef, une partie de turbine 10 20 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 coaxialement les uns aux autres par des brides annulaires 14 et portant des rangées annulaires d'aubes 16 (dites mobiles) montées par des pieds d'aubes, par exemple en queue d'aronde, à leurs extrémités 25 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 moyen d'une bride annulaire 20 entre les brides annulaires 14 des disques 12. Des flasques annulaires 22 de retenue axiale des aubes 16 mobiles sur les disques 12 sont en outre montés entre les 7 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 16 mobiles se trouvent des distributeurs 25 du stator 26 qui comportent chacun deux plateformes annulaires, respectivement interne 26a 5 et externe (non représentée figure 1; voir figure 5), reliées entre elles par une rangée annulaire de pales fixes 28. Les plateformes externes des distributeurs 25 sont accrochées par des moyens appropriés sur un carter de la turbine 10 basse-pression. Les plateformes internes 26a des distributeurs 25 comprennent chacune une paroi radiale 30 qui s'étend, 10 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 forment ainsi deux cavités 31a et 31b. 15 [032] 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 du rotor. Ces léchettes 36' externes sont portées ici par les flasques 22, mais 20 pourraient l'être directement par les disques, en particulier les parties des brides annulaires 14 qui longent dans l'exemple les flasques 22. [33] Les léchettes 36' sont destinées à coopérer avec les éléments en matériau abradables 34 de façon à former ensemble des joints dynamiques, typiquement de type à labyrinthe, dont le plan de joint est parallèle à l'axe de 25 rotation X du rotor de turbine 11, limitant ainsi le passage d'air en direction axiale à travers ces joints. [34] Comme décrit ci-avant, notamment deux inconvénients d'un tel rotor 11 concernent le fait que : - des situations surviennent de chauffe excessive des léchettes, ceci pouvant 30 provoquer une fusion locale du matériau du stator, avec production néfaste de résidus, 8 - des situations peuvent survenir lors de l'arrêt de certaines turbomachines ; la/les léchette(s) telles que 36' viennent en contact excessif avec les éléments 34 en matériau abradable, - le rallumage, donc le redémarrage, de la turbomachine peut devenir 5 impossible si la/le(s) léchette(s) 36' sont en contact sur toute(s) sa(leurs) circonférence(s) avec les éléments 34 abradables: Les efforts de frottement peuvent être alors supérieurs aux efforts d'entrainement transmis par la turbomachine, ceci pouvant provoquer une fusion avec le matériau de la léchette, d'où un possible « rotor-lock ». 10 [035] En liaison notamment avec les figures 2,3, une solution à une partie au moins de ces inconvénients telle que proposée par l'invention comprend le fait que la/chaque léchette 36' présente des ailettes 38 de refroidissement. Les ailettes 38 de refroidissement s'étendent en extrémité libre radiale 360 (axe Z) de la léchette considérée et la traverse de part en part (voir figure 8, 15 léchette 36). La traversée est sensiblement suivant l'axe X; voir figure 8, donc sensiblement transversale aux axes Y et Z. Elle peut présenter, par rapport à l'axe X, un angle û aigu, par exemple tel que 0 REVENDICATIONS1. Joint d'étanchéité dynamique de turbomachine à gaz, le joint d'étanchéité comprenant : - une partie de stator (25) auquel est fixé au moins un élément (34) en matériau abradable, et - une partie de rotor (11) apte à tourner, suivant une direction de rotation, par rapport à la partie de stator (25), autour d'un axe (X) de rotation de la turbomachine à gaz, la partie de rotor (11) étant pourvue, sensiblement radialement audit axe (X) de rotation, d'au moins une léchette (36,36',360a,360b,360'a,360'b) : -- adaptée à coopérer avec ledit au moins un élément (34) en matériau abradable, pour l'étanchéité, et -- présentant latéralement, dans la direction (S) de rotation de la partie de rotor(25), une première tranche (37a) d'extrémité d'attaque et une seconde tranche (37b) d'extrémité de fuite, opposée, caractérisé en ce qu'en extrémité libre radiale, ladite au moins une léchette présente des ailettes (38) de refroidissement qui la traverse. 2. Joint d'étanchéité dynamique selon la revendication 1, dans lequel les ailettes (38) de refroidissement traversent ladite au moins une 20 léchette sensiblement parallèlement à l'axe (X) de rotation de la turbomachine à gaz. 3. Joint d'étanchéité dynamique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les ailettes (38) de refroidissement comprennent des dents, à la manière d'un peigne radialement ouvert vers 25 l'extérieur. 4. Joint d'étanchéité dynamique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel : - ladite au moins une léchette (36,36',360a,360b,360'a,360'b) présente une longueur (L) entre les première et seconde tranches d'extrémité, et 16 - sur ladite longueur (L), les ailettes (38) de refroidissement sont situées au moins vers ladite première tranche d'extrémité. 5. Joint d'étanchéité dynamique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel : 5 - ladite au moins une léchette (36,36',360a,360b,360'a,360'b) est plus haute et/ou plus épaisse vers la première tranche d'extrémité que vers la seconde tranche d'extrémité, et - les ailettes (38) de refroidissement s'étendent sur plus de 90% de ladite largeur. 10 6. Joint d'étanchéité dynamique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les ailettes (38) de refroidissement s'étendent obliquement par rapport à la radiale à l'axe (X) de rotation, en direction de ladite première tranche (37a) d'extrémité d'attaque. 7. Joint d'étanchéité dynamique selon l'une quelconque des 15 revendications précédentes, dans lequel les ailettes (38) de refroidissement sont sensiblement rectangulaires. 8. Joint d'étanchéité dynamique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les ailettes (38) de refroidissement s'affinent individuellement en direction de ladite extrémité libre. 9. Turbine de turbomachine à gaz comprenant un joint d'étanchéité dynamique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie de rotor (11) comprend une aube de turbine et la partie de stator (25) comprend un anneau de turbine. 10. Turbine de turbomachine à gaz comprenant un joint d'étanchéité dynamique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie de rotor (11) comprend un disque de turbine et la partie fixe partie de stator (25) comprend un pied de distributeur de turbine.30