Brevet FR3091894A1 — publié le 20200724

Description Titre de l'invention : VIROLE CIRCULAIRE DE STATOR DE TURBOMACHINE A STRUCTURE MONOBLOC, PORTEUSE D'UN ETAGE D'AUBES FIXES [0001] Le sujet de l'invention est une virole circulaire de stator de turbomachine à structure monobloc et porteuse d'un étage d'aubes fixes. [0002] Une structure de stator de turbomachine qu'on pourrait envisager de remplacer par l'invention est décrite à la figure I. Elle comprend deux viroles 1 et 2 circulaires le long d'une turbomachine, assemblées l'une à l'autre par une liaison à brides boulonnées 3. La virole 1, située en amont de l'autre, est reliée à son extrémité amont (d'après un sens d'écoulement des gaz dans une direction axiale de la turbomachine), à une partie principale 19 du stator par une autre liaison à brides boulonnées 4. Elle entoure une première rangée circulaire d'aubes fixes 6 dont une plate-forme extérieure 7 est munie d'extrémités en crochets 8 et 9, dont on ajuste la première dans un crochet appartenant à la face radialement intérieure de la première virole 1, et la seconde dans un crochet 10 de la partie principale 19 du stator, de manière à retenir cette première rangée d'aubes fixes 6. En arrière du crochet 5, la première virole 1 comprend une face d'étanchéité 11 qui s'étend immédiatement autour d'un étage d'aubes mobiles 12 succédant immédiatement à la première rangée d'aubes fixes 6. Une deuxième rangée d'aubes fixes 13 s'étend en arrière de la rangée d'aubes mobiles 12, et elle comporte, comme la rangée d'aubes fixes 6, une plate-forme extérieure 14 munie à ses extrémités axiales de crochets 15 et 16 imbriqués dans des crochets 17 de la deuxième virole 2 et 18 à hu-rière de la première virole 1. Les rangées d'aubes fixes 6 et 13 de la conception connue comportent un anneau de liaison 19 à leur extrémité radialement intérieure, auquel un anneau 20 est assemblé par d'autres liaisons à crochets. L'anneau 20 porte un revêtement 21 destiné à assurer une étanchéité suffisante avec un rotor 22 de la turbomachine, pour éviter des fuites de gaz contournant les aubes fixes 6 et 13. [0003] Cette conception d'un genre connu souffre de certains inconvénients, découlant de la complexité due à un nombre de pièces structurales relativement important : il faut ajouter des brides boulonnées et des crochets d'imbrication pour leur assemblage, le poids total est en conséquence augmenté, et la bonne position des pièces plus difficile à assurer, à cause des longueurs de chaînes de cotes sur lesquelles les incertitudes de fabrication s'ajoutent, ce qui peut particulièrement concerner la deuxième rangée d'aubes fixes 13, reliée de façon lointaine à la partie principale 19 du stator. [0004] L'objet de l'invention est de produire une virole de turbomachine améliorée en cela. 2 Une définition générale de l'invention est ainsi une virole circulaire de stator - de turbomachine, s'étendant autour d'un axe longitudinal, comprenant une interface de liaison à une autre partie du stator à au moins une extrémité axiale, une première portion annulaire porteuse d'aubes fixes et d'un seul tenant avec lesdites aubes, et une deuxième portion annulaire comprenant une face d'étanchéité, destinée à se trouver en regard de sommets d'aubes mobiles de la turbomachine, la virole étant monobloc. [0005] Les deux viroles 1 et 2 de la réalisation connue sont désormais remplacées par une pièce annulaire unique, et les aubes fixes correspondant à la deuxième rangée d'aubes fixes 13 de la réalisation connue sont d'une pièce avec la virole : on supprime ainsi la liaison par brides boulonnées 3 et la liaison par les crochets 15 à 18 de la réalisation connue, ce qui procure une simplification importante de la structure, un gain de poids et une plus grande facilité à assurer une position correcte de la rangée d'aubes, qui dépend seulement des tolérances de fabrication de la virole monobloc. [0006] De même que dans la réalisation antérieure, la virole selon l'invention peut comprendre une troisième portion annulaire entre la deuxième portion annulaire et l'interface de liaison, destinée à entourer d'autres aubes fixes de la turbomachine (correspondant à la première rangée d'aubes fixes 6), la virole comprenant encore un crochet de support desdites autres aubes fixes à une jonction entre la deuxième portion et la troisième portion. [0007] Cet aménagement permet de ne pas modifier le raccordement de la virole de l'invention à la partie principale du stator pai- rapport à la conception connue : on choisit alors de conserver une première rangée d'aubes fixes séparées de la virole et assemblées à elle et au reste du stator par des assemblages de crochets, et ce sont les aubes fixes de l'étage suivant qui sont rendues solidaires de la virole. [0008] Dans un mode particulièrement apprécié de l'invention, la deuxième portion de la virole a une épaisseur plus grande que la première portion dans une direction radiale, perpendiculaire à l'axe longitudinal, de la turbomachine, avec une saillie présente à une face radialement extérieure de la virole : cette conception permet de raidir la virole devant la face d'étanchéité entourant l'étage d'aubes mobiles, et d'éviter des déformations excessives en service qui diminueraient le rendement de la machine. Cette saillie sera à peu près à l'endroit de l'assemblage des brides boulonnées 3 de la conception connue, mais sera moins volumineuse et moins pesante que cet assemblage. Il sera d'ailleurs avantageux que la saillie soit creuse et comprenne une poche ouverte, de manière à conserver une bonne rigidité sans que la saillie accroisse le poids de façon importante. [0009] La virole comprend avantageusement aussi un anneau de liaison des extrémités ra- dialement intérieures des aubes fixes portées par la première portion annulaire, cet anneau de liaison étant monobloc avec les aubes et donc avec la virole. Cette dis- 3 position offre encore une réduction du nombre de pièces et de la complexité de la structure, et éventuellement de son poids. L'anneau 20 porteur du revêtement 21, et séparé de l'anneau de liaison 19 dans la conception précédente, est ici omis sans inconvénient. [0010] Une disposition du même genre que pour la saillie peut alors être retenue à l'anneau de liaison entre les extrémités radialcment intérieures des aubes fixes, qui peut aussi avantageusement être creux et comprendre une poche ouverte. [0011] Tl est particulièrement envisagé de fabriquer la virole conforme à l'invention par une technique dite additive, par exemple dans laquelle la matière de la virole est apportée sous forme de couches successives de poudre, et chacune des couches de poudre est soumise à un chauffage temporaire suffisamment important pour fondre la poudre avant de la laisser se solidifier et se consolider au reste de la structure, alors que d'autres procédés seraient au mieux difficiles à mettre en oeuvre, et nettement plus coûteux. On préconise alors de ne pas fondre ni solidifier la poudre à l'endroit des poches éventuelles, et de la vider par les ouvertures des poches à la fin de la fabrication. [0012] Quand il existe, le revêtement en couche annulaire peut être fabriqué séparément avant d'être rapporté par un procédé quelconque sur l'anneau de liaison de la virole il peut être projeté sur cet anneau. [0013] Ces différents aspects, caractéristiques et avantages de l'invention, ainsi que d'autres, apparaîtront mieux au commentaire détaillé d'un mode de réalisation particulier de l'invention, donné à titre purement illustratif, en s'appuyant sur les figures suivantes : [0014] [fig.1], déjà décrite, représente une virole de turbomachine connue que l'invention perfectionne; [0015] [fig.2] représente une réalisation de l'invention ; [0016] [fig.3] illustre un détail de la réalisation ; [0017] [fig.4] illustre un autre détail de la réalisation ; [0018] [fig.5] illustre un dispositif de fabrication de la virole. [0019] On se reporte à la figure 2. La virole 30 selon l'invention est circulaire de révolution autour de l'axe longitudinal de la turbomachine, et monobloc. La figure 2 la représente en demi-coupe dans un plan axial. Elle comprend une première portion 31 annulaire, porteuse d'une rangée d'aubes fixes 32, une deuxième portion 34 annulaire porteuse d'une face d'étanchéité 35 du côté radialement intérieur, destinée à entourer une rangée d'aubes mobiles 36 immédiatement en amont de la rangée d'aubes fixes 32 avec un jeu faible en regard de leurs sommets, et une troisième portion 37 annulaire comprenant une extrémité libre à l'avant, porteuse à l'amont d'une bride 38 d'assemblage à une bride complémentaire d'une partie principale 39 du stator, par appui des brides l'une sur l'autre à une interface de liaison, et fixation par des boulons 40. Les trois portions 31, 34 et 37 annulaires s'étendent successivement vers l'amont de la turbomachine et sont unies les unes aux autres d'un seul tenant en se succédant et se prolongeant. Si la première portion 31 et la troisième portion 37 ont des épaisseurs constantes et sont assez minces, la deuxième portion 34 présente une surépaisscur en saillie 41 radiale vers l'extérieur. La troisième portion annulaire 37 entoure une autre rangée d'aubes fixes 42. Cette autre rangée d'aubes fixes 42 est semblable ou analogue à la première rangée d'aubes fixes 6 de la conception connue, et elle est en particulier soutenue par un crochet 43 équipant la face radialemcnt intérieure de la virole 30 à une jonction entre la deuxième portion 34 et la troisième portion 37. En revanche, les aubes fixes 32 sont d'un seul tenant avec la première portion de virole 31, et leurs extrémités radialemcnt internes sont monobloc avec un anneau de liaison 33 unitaire qui remplace l'anneau 20 porteur du revêtement. [0020] Les figures 3 et 4 montrent que la saillie 41 et l'anneau de liaison 33 sont creux et contiennent des poches, respectivement 44 et 45, pourvues d'au moins une ouverture 46 ou 47 vers l'extérieur. La saillie 41 creuse permet de rendre la deuxième portion 34 annulaire plus rigide, évitant ainsi les déformations et les variations excessives des jeux entre la face d'étanchéité 35 et la rangée d'aubes mobiles 36, mais la poche 44 évite un alourdissement trop important de la virole 30. L'anneau de liaison 33 est plus volumineux que celui (19) de la figure 1 en incluant l'anneau 20 porte-revêtement, et la poche 45 permet aussi d'éviter qu'il ne soit responsable d'un alourdissement excessif La saillie 41 est ici composée d'une première partie 57, disposée autour des aubes mobiles 36, dans laquelle la poche 44 est creusée et dont la face extérieure est cylindrique, et qui a plus précisément le rôle de rigidification locale de la deuxième portion devant les aubes mobiles 36 ; et d'une deuxième partie 58, saillant plus vers l'extérieur que la précédente et située immédiatement en amont d'elle, et dont la section est pleine et triangulaire s'effilant vers l'extérieur. La deuxième partie 58 a l'apparence et l'effet d'un raidisseur circulaire, apte à raidir la virole 30 dans son ensemble pendant sa fabrication et son service en l'empêchant de s'ovaliser. Elle est adjacente à la troisième portion 37, ce qui n'est cependant pas obligatoire. [0021] La fabrication de la virole 30 conforme à l'invention est envisagée par fabrication additive par dépôt et consolidation de couches successives d'une poudre ; l'avantage de ce procédé est d'être économique et facile à mettre en oeuvre. D'autres procédés de fabrication ne sont toutefois pas exclus. La figure 5 représente très schématiquement un exemple d'un tel procédé de fabrication additive, auquel l'invention n'est pas limitée Une ébauche 48 de la virole 30 en cours de fabrication est posée sur un plateau 49, à côté d'un bac d'alimentation 50 en poudre. Le plateau 49 est mobile verticalement, et un fond 51 du bac d'alimentation 50 l'est aussi. Le bac d'alimentation 50 est rempli d'une poudre 52 jusqu'à son bord supérieur libre. Un racleur 53 est mobile 5 horizontalement au-dessus du bac d'alimentation 50 et du plateau 49 ; quand il est déplacé au-dessus du bac d'alimentation 50, il affleure à son bord supérieur et enlève une quantité de poudre qu'il répartit ensuite sur le plateau 49. Et un laser 54 est mobile au-dessus du plateau 49. Quand il est mis en marche, son faisceau 55, dirigé vers le bas, atteint une portion de la couche de poudre fraîchement déposée et la fond. Le laser 54 suit une trajectoire calculée pour fondre la poudre seulement aux endroits qui formeront la virole 30, en laissant la poudre intacte ailleurs, autour de l'ébauche 48 et dans ses cavités, en particulier les poches 44 et 45. Après avoir été fondues, les portions de poudre atteintes par le faisceau 55 se solidifient en se consolidant pour former un solide unitaire. Ce procédé est répété pour chaque couche de poudre et permet ainsi de construire peu à peu la virole 50. Quand une couche a été déposée et solidifiée, le fond 51 est rehaussé pour permettre le raclage d'une nouvelle quantité de la poudre 52, devant former la couche suivante, et le plateau 49 est descendu pour permettre de répandre cette quantité de poudre. [0022] A la fin du procédé, la poudre restée libre est retirée pour dégager la virole 30. Cela implique aussi de vider les poches 44 et 45 par les ouvertures 46 et 47. La virole 30 subit une retouche des surfaces qui doivent avoir une meilleure qualité, avant tout celles qui guident l'écoulement des gaz dans la veine de la turbomachine, en particulier les surfaces des aubes fixes 32. La plus grande partie des surfaces de la virole 30 n'a toutefois besoin d'aucun traitement après la fabrication additive, en particulier la face radialement externe et toutes les surfaces de la troisième portion 37. La modicité du coût de fabrication de la virole 30 est donc assurée. Par ailleurs, la fabrication additive permet une fabrication précise. [0023] Le revêtement associé à l'anneau de liaison 33, qui est référencé par 56 à la figure 2, peut être construit séparément de la virole 30 et lui être ensuite fixée par brasage, ou être directement projeté sur l'anneau de liaison 33. [0024] Les caractéristiques de l'invention seraient applicables à de nombreuses autres réa- lisations possibles de virole de révolution pour turbomachine ; c'est ainsi qu'on a illustré une virole assemblée au reste du stator par une extrémité seulement, ce qui n'est certes pas une condition limitative de l'invention. La forme de la virole 30 peut ainsi être beaucoup simplifiée, plus régulière et plus lisse que la virole antérieure qui possède de nombreux reliefs pour les crochets d'attache des aubes fixes et les brides d'assemblage. La virole 30 de l'invention se rapproche d'une enveloppe de révolution d'épaisseur régulière, sauf aux endroits où une rigidification est nécessaire, à savoir la deuxième portion 34, destinée à se trouver en face des aubes mobiles 36 plus épaisse donc que la première portion 31 en direction radiale, et munie donc de la saillie 41 à la face extérieure de la virole 30 ; et aux interfaces de liaison avec la portion principale 39 du stator et les aubes 42, puisqu'on ne désire pas modifier la portion principale 39. 6