Brevet FR3086701A1 — publié le 20200403

ETANCHEITE DE PIED D'AUBE DOMAINE [1] La présente invention concerne un ensemble rotatif pour turbomachine, telle qu'en particulier un turboréacteur d'avion, ainsi qu'une 5 turbomachine comprenant un tel ensemble. CONTEXTE [2] Il est connu que, dans une turbomachine aéronautique, comme notamment dans une partie de turbine de celle-ci, il existe au moins un ensemble 10 rotatif qui comprend, comme illustré en figures 1 et 2 au titre de 10 l'art antérieur, et le long d'un axe X de rotation des disques 12 ; 12a, 12b étagés porteurs chacun d'aubes 14 s'étendant radialement depuis le disque concerné. Par leurs pieds 16, les aubes 14 sont engagées axialement et retenues radialement dans des alvéoles 18 de la périphérie externe de chaque disque 12, formées en alternance avec des dents 20 de ce disque 15 12. Les aubes 14 comprennent également des plates-formes internes agencées circonférentiellement bout à bout de manière à définir ensemble la limite interne d'une veine 22 où s'écoule des gaz chauds circulant dans la turbomachine. [3] II est précisé que ci-après : 20 la direction axiale s'étend suivant, ou parallèlement à, l'axe X de rotation de l'ensemble rotatif, les termes amont AM et aval AV sont définis par rapport à la direction axiale d'écoulement du flux de gaz chauds dans la veine 22, globalement de l'amont vers l'aval, 25 - les termes radialement vers l'intérieur et radialement vers l'extérieur sont en relation avec l'axe X de rotation, - la direction radialement interne s'étend radialement en direction de l'axe X de rotation, 2 - la direction radialement externe s'étend radialement vers l'opposé de l'axe X de rotation, et - la direction circonférentielle s'étend autour de l'axe X de rotation. [004] Un air de refroidissement 24 est souvent prélevé, dans un compresseur basse-pression ou haute-pression de la turbomachine par exemple, et acheminé jusqu'à des cavités 26 de fond 27 d'alvéole 18 afin d'assurer le refroidissement du disque 12 et protéger ce dernier de l'échauffement provoqué par les gaz chauds du flux de la veine 22 (voir aussi figure 3). [005] On cherche à empêcher la réintroduction de cet air de refroidissement 24 dans la veine 22, d'autant que, sinon, il faut prélever une quantité d'air de refroidissement 24 plus importante, ce qui réduit le rendement de la turbomachine. [6] Afin de remédier à ce problème, il est connu d'interposer entre deux disques 12 ; 12a, 12b, axialement successifs, un anneau mobile 28 qui maintient un jonc annulaire 30 d'étanchéité. [7] L'anneau mobile 28 présente une bride annulaire radiale 33 de fixation disposée en butée avec une bride annulaire radiale aval 36 de fixation du disque amont 12, 12a et une bride annulaire radiale amont 38 de fixation du disque aval 12, 12b. L'anneau mobile 28 présente à partir de l'extrémité radialement externe de sa bride annulaire radiale 33 de fixation, une paroi sensiblement cylindrique 40 présentant une bride annulaire 42 aval. La bride annulaire aval 42 s'étend radialement à proximité de la face amont du disque aval 12,12b, et plus particulièrement des dents 20 et des pieds 16 d'aubes. Cette bride annulaire 42 aval présente une rainure annulaire 44 débouchant vers l'aval dans laquelle est inséré le jonc annulaire 30. La rainure annulaire 44 présente une paroi radialement externe qui comprend une face oblique aval 34. [8] Comme illustré en figure 4 et 5, encore au titre de l'art antérieur, le 30 jonc annulaire 30 est plaqué : 3 - axialement contre une face amont 32a, 32b des dents 20 du disque aval 12,12b concerné et des pieds 16 d'aubes correspondants, et - axialement et radialement contre la face oblique aval 34 de l'anneau mobile 28. 5 [009] Ce jonc annulaire 30 permet alors une isolation entre un passage annulaire 33 d'air de refroidissement 24 et la veine 22 de gaz chauds située radialement à l'extérieur du jonc annulaire 30. [010] Cependant, il a été remarqué que, quand la turbomachine fonctionne, chaque aube 14 possède typiquement un degré de liberté axial dans l'alvéole 10 18 qui est permis : - d'une part, par les dilatations différentielles entre le disque 12 et les aubes 14, en particulier lorsque ces dernières sont en Composite à Matrice Céramique et que les disques 12 sont en alliage métallique, - d'autre part, par un dimensionnement axial des pieds 16 d'aubes 15 nominalement plus petit que le dimensionnement axial du disque 12, afin de s'assurer que les extrémités des pieds 16 d'aubes ne dépassent pas des extrémités axiales des alvéoles 18, évitant ainsi d'appliquer des contraintes axiales de serrage sur les pieds d'aubes. [11] Un tel dimensionnement axial induit des interstices 46 (voir figure 5) 20 entre le jonc annulaire 30 d'étanchéité (appliqué axialement contre les faces amont 32a des dents 20 du disque), et les faces amont 32b des pieds 16 des aubes. Une partie de l'air de refroidissement 24 acheminé dans les cavités 26 de fond d'alvéole circule à travers ces interstices 46 jusqu'aux cavités inter-aubes et ne remplit plus sa fonction primaire de refroidissement des 25 alvéoles 18. La quantité d'air de refroidissement 24 fuyant par les interstices 46 est non négligeable et impacte les performances de la turbomachine. [12] Certes la bride annulaire aval 42 de l'anneau mobile 28 est frettée contre la face amont du disque 12. Toutefois, la bride annulaire présente un jeu J avec les pieds d'aubes 16 par lequel s'échappe l'air de refroidissement s'étant écoulé au travers des interstices 46 (voir médaillon figure 5). 4 [13] Par ailleurs, quand la turbomachine fonctionne, le jonc annulaire 30 est annulairement fortement sollicité par le déplacement des aubes 14. L'étanchéité dépend donc de la manière dont le jonc annulaire 30 se déforme. Ainsi, une fatigue du jonc annulaire 30 peut rendre l'étanchéité plus 5 aléatoire. [14] La présente invention vise à éviter une telle situation et à sécuriser l'étanchéité, en apportant une solution simple, efficace et économique à une partie au moins de ces problèmes. RESUME DE L'INVENTION 10 [015] La présente invention concerne ainsi un ensemble rotatif pour turbomachine aéronautique, l'ensemble rotatif présentant un côté amont et un côté aval, et comprenant : - au moins un disque s'étendant circonférentiellement autour d'un axe (X) et présentant des alvéoles et des dents se succédant 15 circonférentiellement autour dudit axe (X), - des aubes disposés dans les alvéoles, chacune par l'intermédiaire d'un pied d'aube, - un anneau mobile disposé en amont du disque, un jonc annulaire d'étanchéité disposé axialement entre une face aval 20 de l'anneau mobile et une face amont des dents du disque et des pieds d'aubes, le jonc annulaire étant maintenu axialement et radialement par ledit anneau mobile, l'ensemble étant caractérisé en ce que les dents et les pieds d'aubes présentent chacun une saillie axiale dirigée vers l'anneau mobile, les saillies 25 axiales formant conjointement une surface continue qui fait radialement face au jonc annulaire, de façon que le jonc annulaire vienne annulairement en contact avec la surface annulaire continue selon au moins une composante radiale. 5 [016] La continuité de ladite surface annulaire continue (formée par l'ensemble des saillies axiales circonférentiellement adjacentes deux à deux) permet au jonc annulaire d'être appliqué contre cette dernière de manière à former un contact annulaire continu et uniforme sur l'intégralité de la surface 5 annulaire. Ceci évite la formation d'interstices axiaux entre le jonc annulaire et les faces amont des pieds d'aubes, dont la dimension axiale est inférieure à celle des dents. L'absence d'interstice implique une absence de fuite d'air de refroidissement, dans la direction radiale vers l'extérieur, entre l'anneau mobile et le disque. 10 [017] De cette manière, l'air de refroidissement est intégralement guidé vers les alvéoles recevant les pieds d'aubes et donc intégralement utilisé pour le refroidissement des pieds d'aubes et du disque. [18] II n'est ainsi pas nécessaire d'extraire de la turbomachine la quantité d'air de refroidissement supplémentaire précitée. De cette manière, les 15 performances de la turbomachine sont améliorées. [19] Le jonc annulaire, tel un anneau fendu, peut être souple. [20] Avantageusement, la souplesse du jonc lui permet à ce dernier de venir se plaquer par force centrifuge contre la surface annulaire de l'anneau mobile, d'une part, et la surface annulaire continue formée par les saillies 20 axiales des dents et pieds d'aubes, d'autre part. Le jonc annulaire est ainsi apte à subir une déformation qui lui permet d'épouser de manière continu les surfaces annulaires de l'anneau et des saillies axiales. [21] Le jonc annulaire peut présenter, en plus du contact annulaire avec ladite surface annulaire continue, un contact annulaire axial avec les faces 25 amont des dents et des pieds d'aubes. [22] Le contact du jonc annulaire sur des surfaces annulaires distinctes permet d'augmenter l'étanchéité en présentant un double niveau d'étanchéité. De cette manière, seul l'air de refroidissement s'échappant du premier niveau d'étanchéité, défini par le contact annulaire du jonc annulaire, 30 est encore à bloquer par le deuxième niveau d'étanchéité, défini par le 6 contact du jonc annulaire et radial avec la surface annulaire continue formée par les saillies axiales. [23] Pour le contact avec le jonc annulaire, les saillies axiales peuvent comporter chacune une surface annulaire continue s'étendant selon une 5 composante axiale, vers l'amont, et une composante radiale vers l'extérieur. [24] Ceci permet de limiter le déplacement radialement vers l'extérieur du jonc annulaire et d'offrir un contact circonférentiel du jonc annulaire à la fois radial et axial. [25] La surface annulaire continue formée par les saillies axiales peut être 10 définie par un chanfrein. [26] Un tel profil, incliné axialement et radialement, de la face radialement interne des saillies axiales concernées offrira une surface de contact annulaire continue comprenant une composante axiale et une composante radiale sur lequel le jonc annulaire peut venir en butée selon une composante 15 axiale et un composante radiale. [27] En alternative, ladite surface annulaire continue pourrait présenter un profil curviligne. [28] On pourrait ainsi encore mieux tenir compte d'une variation de profil des aubes quand ma turbomachine fonctionne. 20 [029] Le profil curviligne de la surface annulaire continue peut être convexe. [30] Lorsque la turbomachine est en fonctionnement, le profil curviligne permet au jonc annulaire de rester en contact avec les saillies des pieds d'aubes sans se déformer, bien que les aubes soient inclinées vers l'aval. [31] Le profil curviligne peut présenter un rayon de courbure constant. 25 [032] Le rayon de courbure constant permet de maintenir le contact annulaire du jonc annulaire avec les saillies axiales des pieds d'aubes à tout moment de l'inclinaison de l'aube lorsque la turbomachine fonctionne, ou lorsque l'aube s'étend radialement, lorsque la turbomachine est à l'arrêt. [033] En outre, la constance du rayon de courbure rend la réalisation des 30 saillies axiales plus facile. 7 [034] L'invention vise également une turbine comprenant un ensemble rotatif tel que décrit précédemment. En outre, l'invention vise une turbomachine comprenant une turbine comportant un ensemble rotatif, tel que décrit précédemment. 5 [035] L'invention pourra être encore 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'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES 10 la figure 1 est une vue en coupe d'une partie de turbine selon l'art antérieur ; - la figure 2 est une vue en perspective d'un disque et d'une aube montée dans une alvéole du disque, selon l'art antérieur ; - la figure 3 est une vue de détail de côté , avec coupe radiale locale (plan 15 contenant les axes X et Z), de la figure 1 illustrant uniquement la bride aval de l'anneau mobile et une aube selon l'art antérieur ; la figure 4 est une vue schématique en coupe selon un plan passant par l'axe X de l'agencement du jonc annulaire entre l'anneau mobile et le disque, selon l'art antérieur; 20 la figure 5 est, avec son médaillon, une vue de dessus, en coupe du disque, des pieds d'aubes, et du jonc annulaire plaqué axialement contre ces derniers, selon l'art antérieur; - la figure 6A est une vue schématique partielle de la zone VI de la figure 4, selon un premier mode de réalisation de l'invention ; 25 - la figure 6B est une vue en perspective du disque selon le premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 6C est une vue en perspective du disque et des aubes, selon le premier mode de réalisation de l'invention et selon la même vue que la figure 2; 8 - la figure 7A est une vue schématique partielle de ladite zone VI de la figure 4, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - les figures 7B et 7C sont deux vues schématiques de l'agencement des saillies axiales selon le deuxième mode de réalisation de l'invention 5 lorsque la turbomachine est à l'arrêt et lorsque la turbomachine est en fonctionnement, respectivement. DESCRIPTION DETAILLEE [36] La présentation de l'art antérieur ayant été faite en liaison avec les figures 1 à 5, les figures 6A à 7C illustrent que, conformément à l'invention, 10 et dans la même structure que celle des figures 2 et 4, les faces radiales annulaires amont respectivement 132a, 132b (voir figures 6A et 7A notamment) des dents 120 et des pieds 116 des aubes 114 (représentés en pointillés) présentent maintenant chacune une saillie axiale, respectivement 48a, 48b (figures 6A, 6B et 6C) ou respectivement 148a, 148b (figures 7A, 15 7B et 7C). [37] Chaque saillie axiale s'étend axialement en direction de l'anneau mobile 28. [38] Ces saillies axiales comprennent chacune au moins une paroi oblique s'étendant selon une composante axiale (axe X), vers l'amont et une 20 composante radiale (axe Z), vers l'extérieur. Ces parois obliques forment circonférentiellement, bout à bout, une surface annulaire 49 (voir figure 6A) continue, suivant annulairement le trait discontinu 51 (figure 6C), contre laquelle le jonc annulaire 30 vient annulairement en contact, au niveau d'une surface de contact 60, afin d'éviter une fuite de l'air de refroidissement 24 25 vers la veine 22. [39] Dans un premier mode de réalisation, illustré aux figures 6A à 6C, les saillies axiales respectivement 48a, 48b présentent une face annulaire radialement interne, respectivement 50a, 50b, une face annulaire radialement externe, respectivement 52a, 52b, et une face amont, 9 respectivement 54a,54b, reliant les faces annulaires radialement interne et externe. La face radialement interne, respectivement 50a, 50b, est oblique (62a, 62b en figure 6B et 6C, et 154a, 154b en figure 7B) et s'étend selon une composante axiale (X) vers l'aval et une composante radiale (Z) vers 5 l'intérieur, formant un chanfrein respectivement 62a, 62b. Chaque chanfrein définit une surface de contact 60 avec le jonc annulaire 30, comprenant une composante axiale (X) et une composante radiale (Z). [040] Contre jonc annulaire 30 vient ainsi axialement et radialement en butée contre les chanfreins 62a et 62b, en alternance sur sa circonférence. 10 [041] Dans un second mode de réalisation, illustré aux figures 7A à 7C, les saillies axiales et leurs parois sont référencées additionnées de cent par rapport aux références du premier mode de réalisation. [42] La face amont 154a, 154b de chacune des saillies axiales 148a, 148b, présente maintenant un profil curviligne. Ce profil curviligne s'étend selon 15 une composante axiale (X) et une composante radiale (Z) et forme toujours une surface de contact 60 contre laquelle le jonc annulaire 30 vient axialement et radialement en butée. [43] Préférentiellement, les saillies axiales 148a, 148b des dents 120 et des pieds 116 d'aubes sont identiques, et encore plus préférentiellement, le 20 profil curviligne de la face amont 154a, 154b est convexe. Le profil curviligne peut présenter un rayon de courbure constant. [44] Comme mentionné au paragraphe [008] de la demande et illustré dans les figures 1 et 4 de l'art antérieur, le jonc annulaire 30 présente également un contact annulaire selon une composante axiale (X) et une 25 composante radiale (Z) sur une surface de contact 56 de la face oblique 34 de la bride annulaire aval 42 de l'anneau mobile 28. [45] Le jonc annulaire 30 vient ainsi axialement et radialement en contact sur une surface annulaire continue de l'anneau mobile et contre la surface annulaire continue 49 formée par les saillies axiales. 10 [46] Comme précisé au paragraphe [012] de la demande, la bride annulaire aval 42 de l'anneau mobile 28 est frettée à partir d'une surface radiale aval 35 contre la face amont 132a des dents 120 de l'anneau 112. [47] En plus du contact avec l'anneau mobile 28 et les saillies axiales, le 5 jonc annulaire 30 peut également présenter un autre contact annulaire, selon une composante strictement axiale (X), avec les dents 120 et les pieds d'aubes 116. Ce contact est réalisé sur une surface de contact 58 annulaire radiale. [48] Le jonc peut ainsi présenter une première et une seconde surfaces de 10 contact 58, 60 avec chacune des faces amont 132a, 132b des dents 120 et des pieds 116 d'aubes. [49] Etagées sur le chemin de fuite de de l'air de refroidissement 24 dans la veine 22, ces deux surfaces de contact 58, 60 permettent de notablement améliorer l'étanchéité du passage 33 annulaire d'air de refroidissement 24. 15 Seul l'air fuyant par des interstices 46 du contact au niveau de la première surface de contact 58, atteint la zone de contact du jonc annulaire 30 avec la surface annulaire continue 49 formant la seconde surface de contact 60. [50] Les figures 7B et 7C illustrent le positionnement des saillies axiales 148a, 148b selon le second mode de réalisation, suivant que la turbine est à 20 l'arrêt ou en fonctionnement, respectivement. [51] La figure 7B illustre les contacts du jonc annulaire 30 avec les saillies axiales 148a, 148b des dents 120 et des pieds 116 d'aubes, lorsque la turbine est à l'arrêt. Le jonc annulaire 30 vient en contact sensiblement contre les mêmes surfaces de contact - 58 ; 60, 60a, 60c - que ce soit contre la face 25 amont 154a au profil annulaire des dents 120 ou contre la face amont 154b des pieds 116 d'aubes. [52] La figure 7C illustre les contacts du jonc annulaire 30 avec les saillies axiales 148a, 148b des dents 120 et des pieds 116 d'aubes lorsque la turbine est en fonctionnement. 30 [053] Lorsque la turbomachine fonctionne, l'aube 114 possède un degré de liberté axial dans l'alvéole 18 qui est permis : 11 - d'une part par le fait que le dimensionnement axial des pieds 116 d'aubes doit être nominalement plus petit que le dimensionnement axial du disque 112, et - d'autre part, par les dilatations différentielles entre le disque 112 et les 5 aubes 114, en particulier lorsque ces dernières sont formées en Composite à Matrice Céramique et que les disques sont réalisés en alliage métallique. [054] L'aube 114 peut ainsi se déplacer et présenter une inclinaison vers l'aval induit par la force du flux de gaz chauds de la veine en direction des aubes 114. 10 [055] Lorsque les aubes 114 sont inclinées, axialement vers l'aval (X) et radialement vers l'extérieur (Z), à haute vitesse, le jonc annulaire 30 ne peut plus venir porter contre les mêmes surfaces de contact 60, que ce soit les saillies (148a, 148b respectivement) des dents 120 ou des pieds 116 d'aubes. Les aubes 114 étant inclinées, les saillies axiales 148b des pieds 15 116 d'aubes sont également inclinées. [56] Lorsque la turbine est à l'arrêt, le jonc annulaire 30 vient en contact avec une seconde surface de contact 60 ; 60a et lorsque la turbomachine fonctionne, le jonc annulaire 30 vient en contact avec une autre seconde surface de contact 60 ; 60b, lorsque la turbine est en fonctionnement. Les 20 secondes surfaces de contact 60 ; 60a, 60b des saillies axiales 148b des pieds 116 d'aubes sont au moins pour partie distinctes. [57] Lorsque la turbomachine fonctionne et que les aubes sont inclinées, la seconde de surface de contact 60 ; 60b se situe à proximité de l'extrémité radialement interne de la face amont 154b de la saillie axiale 148b, tout en 25 restant en contact avec la face amont 154b à profil curviligne. Tandis que, lorsque la turbomachine est à l'arrêt le jonc annulaire 30 vient en contact avec la seconde surface de contact 60 ; 60a qui est située, au moins pour partie, radialement à l'extérieur de la seconde surface de contact 60 ; 60b, quand la turbomachine fonctionne. 12 [58] Concernant les dents 120, le jonc annulaire 30 vient en contact avec la même seconde surface de contact 60c des saillies axiales 148a des dents 120, que la turbomachine soit en fonctionnement ou à l'arrêt. [59] Indépendamment du changement de la seconde surface de contact 5 60a, 60b des saillies 148b des pieds 116 d'aubes, suivant que la turbomachine est en fonctionnement ou non, le jonc annulaire 30 vient annulairement en contact de manière continue avec la surface annulaire 49 formée par les saillies 148a, 148b des dents 120 et des pieds 116 d'aubes. [60] De cette manière, le jonc annulaire 30 n'est plus fortement sollicité par 10 le déplacement des aubes 114. Dès lors que la surface de contact 60, 60a, 60b, 60c des saillies 148a, 148b pivote en fonction de l'inclinaison des aubes, le jonc annulaire 30 n'est pas déformé. Ce jonc annulaire 30 est donc soumis à une fatigue plus faible que le jonc annulaire 30 selon l'art REVENDICATIONS1. Ensemble rotatif (10) pour turbomachine aéronautique, l'ensemble rotatif (10) présentant un côté amont et un côté aval, et comprenant : - au moins un disque (112) s'étendant circonférentiellement autour d'un axe (X) et présentant des alvéoles (18) et des dents (120) se succédant circonférentiellement autour dudit axe (X), - des aubes (114) disposés dans les alvéoles (18) , chacune par l'intermédiaire d'un pied (116) d'aube, - un anneau mobile (28) disposé en amont du disque (112), - un jonc annulaire (30) d'étanchéité disposé axialement entre une face aval (34) de l'anneau mobile (28) et une face amont (132a, 132b) des dents (120) du disque (112) et des pieds (116) d'aubes, le jonc annulaire (30) étant maintenu axialement et radialement par ledit anneau mobile (28), l'ensemble étant caractérisé en ce que les dents (120) et les pieds (116) d'aubes présentent chacun une saillie axiale (48a, 48b, 148a, 148b) dirigée vers l'anneau mobile (28), les saillies axiales (48a, 48b, 148a, 148b) formant conjointement une surface annulaire (49) continue qui fait radialement face au jonc annulaire (30), de façon que le jonc annulaire (30) vienne annulairement en contact avec la surface annulaire (49) continue selon au moins une composante radiale. 2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel le jonc annulaire (30) est souple. 3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le jonc annulaire (30) présente en plus du contact annulaire avec la surface annulaire (49) continue, un contact annulaire axial avec les faces amont (132a, 132b) des dents (120) et des pieds (116) d'aubes. 4. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel, pour le contact avec le jonc annulaire (30), les saillies axiales (48a, 48b, 14 148a, 148b) comportent chacune une dite surface annulaire continue (49) s'étendant selon une composante axiale, vers l'amont, et une composante radiale vers l'extérieur. 5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, dans lequel la surface annulaire continue (49) est définie par un chanfrein (62a,62b). 6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la surface annulaire continue (49) présente un profil curviligne. 10 7. Ensemble selon la revendication 6, dans lequel le profil curviligne de la surface annulaire continue (49) est convexe. 8. Ensemble selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le profil curviligne présente un rayon de courbure constant. 9. Turbine caractérisée en ce qu'elle comprend un ensemble 15 rotatif (10) pour turbomachine selon l'une des revendications 1 à 8. 10. Turbomachine caractérisée en ce qu'elle comprend une turbine selon la revendication 9 et un ensemble rotatif (10) pour turbomachine, selon l'une des revendications 1 à 8.