Brevet FR3095833A1 — publié le 20201113

Description Titre de l'invention : ANNEAU D'ETANCHEITE POUR UNE TURBOMACHINE D'AERONEF Domaine technique de l'invention [0001] La présente invention se rapporte au domaine des turbines à gaz, et notamment des turbomachines d'aéronef. Plus particulièrement ; la présente invention concerne un anneau d'étanchéité pour une turbomachine d'aéronef. Arrière-plan technique [0002] Classiquement, une turbine axiale de turbomachine se compose d'une succession d'étages axiaux (selon l'axe de circulation des flux de gaz) disposés les uns derrière les autres. Chaque étage comporte une roue mobile à aubes formant le rotor et un distributeur aubagé formant le stator. La roue mobile est mise en rotation en vis-à-vis du distributeur correspondant. Chaque étage comporte également un élément de stator complémentaire du rotor. [0003] Dans la présente demande, l'amont et l'aval sont définis par rapport au sens d'écoulement normal des flux d'air (de l'amont vers l'aval) à travers la turbomachine. On appelle "axe de la turbomachine", l'axe de rotation du rotor principal de la turbomachine. La direction axiale correspond à la direction de l'axe de la turbomachine, et une direction radiale est une direction perpendiculaire à l'axe de la turbomachine et coupant cet axe. De même, un plan axial est un plan contenant l'axe de la turbomachine, et un plan radial est un plan perpendiculaire à cet axe. Les adjectifs "intérieur" et "extérieur" sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie intérieure d'un élément est, suivant une direction radiale, plus proche de l'axe de la turbomachine que la partie extérieure du même élément. L'axe d'empilement d'une aube est l'axe perpendiculaire à l'axe de la turbomachine, qui passe par le centre de gravité de la section la plus intérieure de la pale de l'aube (i.e., la section la plus proche de l'axe de la turbomachine). Typiquement, une aube de turbomachine comprend une pale s'étendant suivant l'axe d'empilement de l'aube, entre les extrémités proximale et distale (i.e., intérieure et extérieure) de l'aube. [0004] Un besoin d'amélioration constante des performances aérodynamiques des turbines (puissance, masse, consommation de carburant...) passe également par l'optimisation du rendement aérodynamique des composants de la veine d'écoulement. des flux de gaz. Or, les fuites d'air en sommet des roues mobiles de turbines sont un contributeur majeur aux pertes de rendement thermodynamique global d'une turbomachine. [0005] A titre d'exemple, la figure 1 représente schématiquement en coupe axiale partielle un exemple de turbine 1 basse pression de type connu d'une turbomachine, repré- 2 sentative du contexte technique de l'invention. [0006] La roue mobile est classiquement constituée d'un disque annulaire centré su l'axe de rotation de la roue, sur lequel est fixée une pluralité d'aubes. [0007] Afin de limiter ces fuites et d'améliorer le rendement des turbomachines, et notamment sur les étages de basse pression, il est connu d'utiliser des turbines dites à talons. Sur ces turbines, les aubes sont munies à leur extrémité distalc de plateformes appelées talons, qui reconstituent une couronne sur le diamètre extérieur de la roue mobile. Sur leur partie extérieure, ces aubes à talons sont munies de dents, appelées léchettes, qui une fois la roue de turbine assemblée, reconstituent un obstacle à l'écoulement de l'air entre la partie mobile (le rotor) et la partie fixe (le stator). [0008] Une aube de ce type est décrite dans le document de brevet FR-B1-2 985 759. Cette aube comprend une pale 11. A son extrémité distalc, l'aube 10 présente un talon 12. Lorsque plusieurs aubes 10 sont fixées sur le disque, leurs talons 12 sont disposés bord à bord de manière à former une couronne circonférentielle délimitant une surface de révolution autour de l'axe de rotation de la roue. Cette couronne a notamment pour fonction de délimiter la surface extérieure de la veine d'écoulement des flux de gaz circulant entre les pales 11 et de limiter les fuites de gaz au niveau de l'extrémité distalc des aubes 10. [0009] Le talon 12 comprend une platefortne 13 délimitant extérieurement la veine d'écoulement du gaz circulant entre les pales 11, et des léchettes d'étanchéité 14 s'étendant radialement vers l'extérieur à partir de la face extérieure de la plateforme 13. [0010] L'élément de stator 20, complémentaire de la turbine à aubes à talons, est disposé en vis-à-vis des aubes 10. Cet élément présente une paroi annulaire 21 recouverte intérieurement d'un revêtement abradable 22, à savoir un matériau qui est usé ou déformé au contact des léchettes 14 en rotation, préférentiellement à ces dernières. Il peut s'agir tout particulièrement d'un matériau alvéolaire dit en nid d'abeille. Cet élément de stator 20 forme ainsi un anneau d'étanchéité configuré pour coopérer avec les aubes 10 pour ménager un jeu aussi faible que possible, entre l'extrémité des léchettes 14 des aubes 10, et le matériau abradable 22. [0011] En effet, en fonction de leurs conditions de fonctionnement, les turbines subissent des variations de dilatation différentielle entre notamment les éléments de stator et ceux de rotor. Les parties fixes peuvent être amenées à se refroidir plus rapidement que les parties mobiles de turbine, avec un impact sur les jeux. Or, pour avoir un rendement optimal, les jeux sont calculés pour, en fonctionnement, être aussi faibles que possible. [0012] Le matériau abradable 22 permet donc une tolérance de contacts entre les léchettes 14 de la turbine et l'anneau d'étanchéité 20 pendant les phases de fonctionnement transitoires de la turbomachine, ce qui permet de diminuer le jeu de montage par rapport à une turbine munie d'un anneau « lisse », sans matériau 3 abradable 22. [0013] La structure alvéolaire en nid d'abeille du matériau abradable est classiquement obtenue, par brasure de deux ou plus feuillards sur une surface intérieure d'une paroi annulaire lisse au moyen d'un métal intermédiaire en fusion, de sorte à former des alvéoles à partir de cette surface. [0014] Cependant, il a été constaté, lors de cette brasure, une remontée par capillarité (depuis la paroi annulaire vers une extrémité libre des alvéoles) du métal de brasure alors à l'état liquide, le long des cloisons des alvéoles de la structure en nid d'abeille et crée des amas ou phases de métal. Or, en se solidifiant, ce métal de brasure acquiert une dureté supérieure à celle des cloisons constituant les parois des alvéoles de la structure en nid d'abeille. Ainsi, les contacts entre les léchettes 14 de la turbine et l'anneau d'étanchéité 20 (encore appelés « touches ») comportant ces phases de métal de brasure solidifié à forte dureté peuvent être fortement énergétiques et conduire à la fusion des 'échoues 14, et par conséquent à l'ouverture du jeu en sommet d'aube en-tramant une dégradation des performances aérodynamiques de la turbomachine, ou encore à des initiations de criques en sommet des aubes 10 pouvant entraincr la casse de ces dernières. [0015] Pour éviter cela, il serait envisageable d'augmenter le jeu entre les léchettes 14 et le matériau abradable 22 en nid d'abeille. Cependant, cette solution n'est pas viable économiquement en raison de la chute de performance de la turbomachine qu'elle induirait. [0016] Des solutions ont donc déjà été envisagées pour adapter le procédé de fabrication de l'anneau abradable en nid d'abeille. [0017] Plusieurs solutions ont été proposées pour remédier à ces inconvénients. [0018] Par exemple, il a été proposé de procéder à des traitements thermiques permettant de diminuer la dureté de l'anneau, ou encore par sablage des alvéoles, de proposer une conception détaillée des profils de léchette en dents de scie, d'ajouter un cycle de rodage, etc.. Toutefois, toutes ces solutions engendrent des surcoûts importants de développement, de production, et ne permettent pas d'éliminer complètement la présence de phases à dureté élevée dans la zone de contact avec les léchettes 14. [0019] 11 a également été proposé de fabriquer l'anneau muni de la structure en nid d'abeille par un procédé de fabrication autre que le brasage. Par exemple, il a été proposé un procédé de fabrication additive de sorte que l'anneau en nid d'abeille soit alors monobloc. Cependant un tel procédé de fabrication additive ne permet pas de maitriser les épaisseurs des parois des alvéoles du nid d'abeille, qui sont de l'ordre de 0,08 mm [0020] Un but de la présente invention est de proposer un anneau d'étanchéité en matériau abradable de structure en nid d'abeille pouvant être fabriqué par procédé simple de brasage, exempt des inconvénients susmentionnés. Résumé de l'invention [0021] A cet effet, l'invention concerne un anneau d'étanchéité pour une turbomachine d'aéronef comprenant une paroi annulaire, par exemple cylindrique, présentant une surface intérieure munie d'un revêtement abradable, ce revêtement abradable présentant une structure alvéolaire, par exemple en nid d'abeille, comprenant une pluralité d'alvéoles polygonales présentant une première extrémité fixée à la surface intérieure de la paroi annulaire et une seconde extrémité libre, les alvéoles étant reliées entre elles par des cloisons jointives, caractérisé en ce que l'une au moins des cloisons jointives est munie d'une échancrure. [0022] Dans la présente demande, on entend par « cloisons jointives », des parois de deux alvéoles adjacents qui sont appliquées l'une sur l'autre. Elles s'étendent donc l'une contre l'autre. [0023] Ainsi, les bordures des échancrures constituent des obstacles empêchant la pro- pagation dc la remontée par capillarité du matériau de brasage, le long des cloisons des alvéoles. De la sorte, les phases à dureté élevée liée à ces remontées capillaires du métal de brasure sont limitées, les touches sont donc moins énergétiques, réduisant considérablement l'effet de fusion des léchettes des rotors complémentaires et le risque de casse des aubes des rotors, les léchettes et les aubes sont ainsi préservées. [0024] Avantageusement, l'échancrure est disposée au niveau de la seconde extrémité libre des alvéoles. Le fait que l'échancrure soit dans la zone de contact entre les léchettes et le revêtement abradable permet de diminuer la quantité de matière à usiner lors de touches. Elle offre potentiellement également plus d'options de fabrication en termes de procédés. La première extrémité de l'alvéole est mieux maintenue par la brasure si seule la seconde extrémité est exempte de liquide de brasure. [0025] En variante, l'inverse serait envisageable. On pourrait imaginer une échancrure telle qu'une "fenêtre" au niveau de la première extrémité de l'alvéole, qui empêcherait le liquide de brasure de remonter, dans une zone intermédiaire entre la racine et la première extrémité libre. [0026] De préférence et avantageusement, les échancrures sont agencées sur une portion des alvéoles disposées circonférentiellement sur la structure alvéolaire. [0027] Avantageusement, les échancrures sont réparties sur une partie seulement de la largeur de la structure alvéolaire. [0028] Selon un autre mode de réalisation, les échancrures sont réparties sur la totalité de la largeur de la structure alvéolaire. [0029] Selon un mode préféré de réalisation, les échancrures sont formées dans des cloisons qui sont orientées sensiblement parallèlement à un axe de révolution de l'anneau. [0030] De préférence et avantageusement, les échancrures sont formées dans des cloisons qui sont orientées sensiblement circonférentiellement par rapport à un axe de révolution de l'anneau. [0031] Avantageusement, les échancrures présentent une hauteur comprise entre 5% et 50% d'une hauteur des alvéoles, et de préférence comprise entre 15% et 25%. [0032] L'invention concerne également une turbomachine d'aéronef caractérisée en ce qu'elle comprend un rotor comprenant des aubes à talons munis de léchettes et un anneau d'étanchéité présentant l'une quelconque des caractéristiques susmentionnées. [0033] Avantageusement, les échancrures sont ménagées au moins sur une portion des alvéoles de l'anneau d'étanchéité disposées en regard des léchettes des aubes du rotor de la turbomachine. En effet, c'est cette zone d'interaction avec les léchettes qui est problématique et que l'on cherche à préserver. Brève description des figures [0034] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : [0035] [fig.1] La figure 1, déjà discutée, est une vue schématique en coupe illustrant un anneau d'étanchéité et une aube de rotor ; [0036] 1fi8.21 La figure 2 est une vue en perspective de détail de la structure en nid d'abeille de l'anneau d'étanchéité selon l'invention ; [0037] [fig.3] La figure 3 est une vue de coté de la structure en nid d'abeille de l'anneau d'étanchéité selon l'invention ; [0038] [fig.4] La figure 4 est une vue de détail de face de la structure en nid d'abeille de l'anneau d'étanchéité montrant une alvéole ; [0039] [fig..54 La figure Sa est une vue en perspective montrant une première orientation de la structure alvéolaire de l'anneau selon l'invention ; [0040] [fig.511] La figure 5h est une vue de détail de face de la structure alvéolaire illustrée à la figure 5a ; [0041] [fig.64 La figure 6a est une vue analogue à la figure 5a montrant une seconde orientation de la structure alvéolaire de l'anneau selon l'invention ; [0042] [fig.611] La figure 6h est une vue de détail de face de la structure alvéolaire illustrée à la figure Ga. Description détaillée de l'invention 100431 Comme dans l'état de la technique, l'anneau d'étanchéité 20 selon l'invention comporte une paroi annulaire 21 et un revêtement abradahle 22. 100441 Le revêtement abradahle 22 présente une structure alvéolaire, par exemple en nid d'abeille. Les alvéoles 220 de la structure alvéolaire ont une forme polygonale et, comme illustré mais non limitative, une forme hexagonale. La structure alvéolaire du 6 revêtement abradable 22 est par exemple obtenue par pliage de feuillards de sorte à leur donner une forme en créneaux. Les feuillards ainsi pliés sont ensuite joints deux à deux pour créer une pluralité d'alvéoles 220 hexagonales. Une pluralité de couples de feuillards pliés et joints étant ensuite assemblés pour former le nid d'abeille. [0045] Dans cette structure alvéolaire 22, chaque alvéole 220 présente deux de ses cloisons 221, 222 opposées l'une à l'autre, jointive, respectivement, avec des cloisons 222', 221' d'alvéoles 220 adjacentes (figure 4). Chaque alvéole 220 de la structure en nid d'abeille forme un polyèdre à base hexagonale de hauteur H (figure 3). Ces alvéoles 220 présentent une première extrémité 220a et une seconde extrémité 220b opposée à la première extrémité 220a. [0046] La structure alvéolaire 22 est ensuite fixée, par brasage, sur une surface in- térieure 210 de la paroi annulaire 21 de l'anneau 20, les premières extrémités 220a des alvéoles étant alors liées à la paroi annulaire 21, et les secondes extrémités 220b des alvéoles 220 étant libres. [0047] La particularité de l'invention réside dans des échancrures 30 que présentent les alvéoles 220 de la structure alvéolaire 22. [0048] En référence aux figures 2 et 3, les alvéoles 220 comportent, au niveau de leur seconde extrémité libre 220b, des échancrures ou ouvertures 30. Ces échancrures 30 sont par exemple de forme rectangulaire et ont une hauteur h comprise entre 5% et 50% de la hauteur H des alvéoles 220, et de préférence entre 15% et 25%. [0049] Les échancrures 10 sont formées dans l'une 222, 222', 222- des cloisons jointives 221-222, 221'-222', 221"-222" de deux alvéoles 220 adjacentes, l'autre 221, 221', 221" des cloisons jointives 221-222, 221-222', 221--222" demeurant pleine. La figure 4 délimite en traits pointillés une cloison 222 » échancrée jointive d'une cloison 221 non échancrée. [0050] Les cloisons 222, 222', 222" comportant les échancrures 30 présentent une hauteur égale à H-h. Cette hauteur H-h est la dimension maximale de remontée par capillarité du matériau de brasage fondu. En effet, une bordure 2 des cloisons 222, 222', 222- comportant les échancrures 30 (constituant également par conséquent une bordure des échancrures 30) constituent un obstacle empêchant la propagation de la remontée par capillarité du matériau de brasage, le long des alvéoles 220 (figure 2). [0051] Selon un exemple de réalisation, les échancrures 30 sont ménagées dans l'un des feuillards servant à la fabrication des nids d'abeille avant leur assemblage pour former le nid d'abeille 22. Ainsi, lors de l'assemblage des feuillards, on positionne ainsi l'un des feuillards face à l'autre des feuillards de sorte à positionner une cloison échancrée 222, 222', 222- face à une cloison non échancrée 221, 221', 221-. [0052] Ainsi, malgré la présence de ces échancrures 30, le matériau abradable 22 conserve en globalité des cloisons pleines (les cloisons échancrées 222. 222', 222- étant 7 doublées de cloisons non échancrées 221, 221', 221") dc sorte que l'anneau 20 conserve sa fonction d'étanchéité permettant de maintenir les performances aérodynamiques d'une turbomachine d'aéronef qu'il équipe. [0053] En référence aux exemples illustrés aux figures Sa et 6a, les échancrures 30 sont agencées sur la totalité de la largeur I de la structure alvéolaire 22 (autrement dit sur toute la largeur de l'anneau 20). Toutefois, il pourrait être envisagé de ne ménager les échancrures 30 que sur une portion prédéterminée de la largeur 1 de la structure alvéolaire 22. Notamment, elles sont ménagées au moins sur les cloisons 222, 222', 222" des alvéoles 220 de l'anneau d'étanchéité 20 disposées en regard des 'échelles 14 des aubes 10 d'un rotor de turbomachine muni d'un anneau d'étanchéité 20 selon l'invention. En effet, c'est dans cette zone d'interaction entre les 1 échelles 14 et le revêtement abradable alvéolaire 22 que sont susceptibles de se produire des touches. Les échancrures 30 sont ainsi avantageusement agencées sur les extrémités libres des alvéoles 220, au niveau des trajectoires des aubes 10 et en particulier des léchettes 14. [0054] Selon les exemples illustrés aux figures 6a et 6b, les feuillards et les échancrures 30 (identifiables par les bordures 2 sur la figure 6b) sont orientées circonférentiellement (par rapport à l'axe de la turbomachine). Toutefois, cette configuration n'est pas préférée. [0055] Selon les exemples illustrés aux figures 5a et 5b, les feuillards et les échancrures 30 (identifiables par les bordures 2 sur la figure 5b) sont orientées axialement (parallèlement à l'axe de la turbomachine). Cette configuration est préférée car elle pennet de limiter encore plus un éventuel risque de fuite en cas de perte d'étanchéité au niveau des échancrures 30 (par exemple en cas de mauvais pliage des feuillards). De plus, il peut être envisagé que les échancrures 30 soient réalisées pendant ou après l'étape de pliage des feuillards de sorte à obtenir un bon phasage entre les plis et les échancrures 30. Dans ce mode de réalisation, les léchettes 14 vont rencontrer uniquement des parois simples et pas des parois doubles (cloisons jointives), ce qui représente moins d'énergie lors des contacts. [0056] 11 pourrait encore être envisagé d'adapter la formes des échancrures 30 afin d'éviter, lors de la fabrication de la structure alvéolaire du revêtement abradable 22, l'apparition de fissures dans les cloisons des alvéoles 220. Toutefois, de telles fissures ne sont pas rédhibitoires dans la mesure où le revêtement abradable 22 est destiné à être usiné par les aubes en rotation en fonctionnement de la turbomachine. 8 REVENDICATIONS[Revendication 1] Anneau (20) d'étanchéité pour une turbomachine d'aéronef comprenant une paroi annulaire (21) présentant une surface intérieure (210) munie d'un revêtement ahradahle (22), ce revêtement ahradable présentant une structure alvéolaire, par exemple en nid d'abeille, comprenant une pluralité d'alvéoles (220) polygonales présentant une première extrémité (220a) fixée à la surface intérieure (210) de la paroi annulaire (21) et une seconde extrémité (220h) libre, les alvéoles (220) étant reliées entre elles par des cloisons jointives, caractérisé en ce que l'une au moins des cloisons (221, 221', 221", 222, 222', 222") jointives est munie d'une échancrure (30). [Revendication 2] Anneau (20) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échancrure (30) est disposée au niveau de la seconde extrémité (2201)) libre des alvéoles (220). [Revendication 3] Anneau (20) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les échancrures (30) sont réparties sur une partie seulement de la largeur (I) de la structure alvéolaire (22). [Revendication 4] Anneau (20) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les échancrures (30) sont réparties sur la totalité de la largeur (1) de la structure alvéolaire (22). [Revendication 5] Anneau (20) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les échancrures (30) sont formées dans des cloisons qui sont orientées sensiblement parallèlement à un axe de révolution de l'anneau. [Revendication 6] Anneau (20) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les échancrures (30) sont formées dans des cloisons qui sont orientées sensiblement circonférentiellement par rapport à un axe de révolution de l'anneau (21). [Revendication 7] Anneau (20) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les échancrures (30) présentent une hauteur (h) comprise entre 5% et 50% d'une hauteur (H) des alvéoles (220), et de préférence comprise entre 15% et 25%. [Revendication 8] Turbomachine d'aéronef caractérisée en ce qu'elle comprend un rotor comprenant des aubes (10) à talons (12) munis de léchettes (14) et un anneau (20) d'étanchéité selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. [Revendication 9] Turbomachine selon la revendication 8, caractérisée en ce que les échancrures (30) sont ménagées sur au moins une portion des 9 alvéoles (220) disposées en regard des léchettes (14).