Brevet FR3123943A1 — publié le 20221216

Ensemble d’anneau de turbine monté sur entretoise L’invention concerne un ensemble (2) d’anneau de turbine s’étendant autour d’une axe (X-X), comprenant une pluralité de secteurs d’anneau (10) en matériau composite à matrice céramique formant un anneau de turbine (4) et une structure de support d’anneau (6) maintenue par un carter de turbine (32), chaque secteur d’anneau (10) comprenant une base (12) à partir de laquelle s’étendent radialement vers l’extérieur une patte amont (16) et une patte aval (18) espacées axialement l’une de l’autre. L’ensemble (2) comprend en outre au moins deux pions transversaux (40) par secteur d’anneau (10), chaque pion transversal (40) traversant axialement l’entretoise (20), un secteur d’anneau (10), et le carter de turbine (32) pour maintenir l’anneau de turbine (4), le support d’anneau (6) et le carter de turbine (32) solidaires les uns des autres. Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Ensemble d’anneau de turbine monté sur entretoise L’invention concerne un ensemble d’anneau de turbine pour une turbomachine dans lequel l’ensemble comprend une pluralité de secteurs angulaires d’anneau en matériau composite à matrice céramique mis bout à bout pour former un anneau de turbine. Le domaine d'application de l'invention est notamment celui des moteurs aéronautiques à turbine à gaz. L'invention est toutefois applicable à d'autres turbomachines, par exemple des turbines industrielles. Dans le cas d’ensembles d’anneau de turbine entièrement métalliques, il est nécessaire de refroidir tous les éléments de l’ensemble et en particulier l’anneau de turbine qui est soumis aux flux les plus chauds. Ce refroidissement a un impact significatif sur la performance du moteur puisque le flux de refroidissement utilisé est prélevé sur le flux principal du moteur. En outre, l’utilisation de métal pour l’anneau de turbine limite les possibilités d’augmenter la température au niveau de la turbine, ce qui permettrait pourtant d’améliorer les performances des moteurs aéronautiques. Afin de tenter de résoudre ces problèmes, il a été envisagé de réaliser des secteurs d’anneau de turbine en matériau composite à matrice céramique (CMC) afin de s’affranchir de la mise en œuvre d’un matériau métallique. Les matériaux CMC présentent de bonnes propriétés mécaniques les rendant aptes à constituer des éléments de structures et conservent avantageusement ces propriétés à températures élevées. La mise en œuvre de matériaux CMC a avantageusement permis de réduire le flux de refroidissement à imposer lors du fonctionnement et donc à augmenter la performance des turbomachines. En outre, la mise en œuvre de matériaux CMC permet avantageusement de diminuer la masse des turbomachines et de réduire l’effet de dilatation à chaud rencontré avec les pièces métalliques. On connait par ailleurs les documents FR 2 540 939, GB 2 480 766, EP 1 350 927, US 2014/0271145, US 2012/082540 et FR 2 955 898 qui divulguent des ensembles d’anneau de turbine. Les secteurs d'anneau comportent une base annulaire dont la face interne définit la face interne de l'anneau de turbine et une face externe à partir de laquelle s'étendent radialement deux pattes dont les extrémités sont maintenues entre les deux brides d'une structure métallique de support d'anneau. L’utilisation de secteurs d’anneau en CMC permet ainsi de réduire significativement la ventilation nécessaire au refroidissement de l’anneau de turbine. Toutefois, le CMC ayant un comportement mécanique différent d’un matériau métallique, son intégration ainsi que la manière de le positionner au sein de la turbine ont dû être repensés. En effet, le CMC ne supporte pas les montages frettés (usuellement employés pour les anneaux métalliques) et sa dilation thermique est plus faible qu’un matériau métallique. De plus, l’utilisation de secteurs d’anneau en CMC accroît le nombre de pièces nécessaires pour son intégration sur le carter de turbine, ce qui augmente le coût et le poids de l’ensemble et nécessite des opérations de montage complexes (frettage de douilles, montage de goupilles, etc.). La présente invention a donc pour but principal de proposer un ensemble d’anneau de turbine qui ne présente pas les inconvénients précités tout en possédant une masse réduite. Ce but est atteint grâce à un ensemble d’anneau de turbine s’étendant autour d’un axe, l’ensemble comprenant une pluralité de secteurs d’anneau en matériau composite à matrice céramique formant un anneau de turbine et une structure de support d’anneau maintenue par un carter de turbine. Chaque secteur d’anneau comprend une base à partir de laquelle s’étendent radialement vers l’extérieur une patte amont et une patte aval espacées axialement l’une de l’autre, la structure de support d’anneau comprenant une entretoise annulaire, de préférence en une pièce. L’ensemble d’anneau de turbine selon l’invention est remarquable notamment en ce qu’il comprend en outre au moins deux pions transversaux par secteur d’anneau, chaque pion transversal traversant axialement l’entretoise, un secteur d’anneau, et le carter de turbine pour maintenir l’anneau de turbine, le support d’anneau et le carter de turbine solidaires les uns des autres. Cette configuration architecturale de l’ensemble d’anneau de turbine offre ainsi une solution dépourvue de liaison boulonnée entre l’anneau de turbine et la structure de support d’anneau et le carter, la liaison étant effectuée grâce aux pions transversaux ce qui permet de réduire la masse totale de l’ensemble de manière importante. En outre, la suppression des liaisons boulonnées permet également d’agencer différemment les pièces de l’ensemble d’anneau ce qui permet également un gain de masse par une réduction du nombre d’éléments constituants l’ensemble d’anneau de turbine. Cette configuration permet en outre de simplifier le montage de l’ensemble d’anneau de turbine et ne nécessite pas d’outillage. Par ailleurs, les tolérances de fabrication sont moins sévères, l’entretoise permettant de rattraper les écarts entre les secteurs d’anneau, ce qu’un flasque à 360° ne peut pas faire. En outre, la suppression de pions radiaux diminue les opérations d’usinage des pièces de la structure de support d’anneau. Il en résulte un gain de pièces, et donc une diminution du poids et du coût de l’ensemble. Selon un premier aspect de l’ensemble d’anneau de turbine, l’entretoise peut comprendre une première bride, une deuxième bride et une troisième bride s’étendant toutes les trois radialement vers l’anneau de turbine, la première bride et la deuxième bride étant disposées axialement entre la patte aval et la patte amont des secteurs d’anneau, et la patte amont des secteurs d’anneau étant disposée axialement entre la troisième bride et la deuxième bride de l’entretoise. L’entretoise est ainsi configurée pour aussi bien s’insérer entre les pattes des secteurs d’anneau pour assurer leur maintien, et se rabattre en amont des secteurs d’amont pour englober les secteurs d’anneau et ainsi assurer la reprise des efforts s’appliquant en fonctionnement en limitant la transmission aux anneaux CMC de par une raideur importante de l’entretoise. Le maintien en position des secteurs d’anneau est assuré par un pré-serrage introduit de par les jeux de montage et grâce aux efforts de pression appliqués par le distributeur haute pression sur l’entretoise vers l’aval en fonctionnement. Selon un deuxième aspect de l’ensemble d’anneau de turbine, chaque pion transverse peut traverser axialement la patte amont, la deuxième bride de l’entretoise, la première bride de l’entretoise et la patte aval. Selon un troisième aspect de l’ensemble d’anneau de turbine, le carter de turbine peut comprendre une bride s’étendant radialement vers l’intérieur, et la structure de support d’anneau peut comprendre en outre un flasque aval intercalé entre la bride du carter de turbine et la patte aval d’une part, et entre la bride du carter de turbine et l’entretoise d’autre part, chaque pion transversal traversant axialement le flasque aval du support d’anneau et la bride radiale du carter de turbine. En outre, chaque pion transversal peut également comprendre une première extrémité axiale et une seconde extrémité axiale, la bride radiale du carter de turbine étant disposée entre la première extrémité axiale et la patte aval, et la seconde extrémité axiale étant logée dans la troisième bride de l’entretoise. Selon un quatrième aspect de l’ensemble d’anneau de turbine, la structure de support d’anneau peut comprendre en outre un diffuseur d’air destiné à diffuser de l’air de refroidissement sur une face externe de la base des secteurs d’anneau. Le diffuseur d’air de refroidissement permet de minimiser les gradients thermiques de l’anneau. Dans cette configuration, les pions transversaux traversent également de préférence le diffuseur d’air. Selon un cinquième aspect de l’ensemble d’anneau de turbine, le diffuseur d’air peut comprendre une surface disposée en regard de la base des secteurs d’anneau, ladite surface comportant une pluralité de perçages permettant de diffuser de l’air de refroidissement sur l’anneau de turbine pour réaliser une ventilation par impact. Selon un sixième aspect de l’ensemble d’anneau de turbine, l’entretoise peut comprendre des orifices de passage radial, et le diffuseur d’air de la structure de support d’anneau peut comprendre des canaux s’étendant radialement vers l’extérieur et traversant lesdits orifices de passage radial pour être branchés à un circuit d’alimentation d’air de refroidissement. De préférence, l’entretoise présente une raideur importante permettant de limiter la transmission des efforts aux secteurs d’anneau. Selon un septième aspect de l’ensemble d’anneau de turbine, le flasque aval de la structure de support d’anneau peut comprendre un crochet pour le montage de ladite structure de support d’anneau sur le carter de turbine. De plus, le carter de turbine peut comprendre en outre un crochet aval pour le maintien d’un distributeur de turbine, tel qu’un distributeur de turbine basse-pression, positionné en aval de l’ensemble de turbine, et une surface d’appui radiale pour fretter le carter de turbine sur un autre carter de turbine. Selon un huitième aspect de l’ensemble d’anneau de turbine, le secteur d’anneau peut présenter une section en π selon le plan de coupe défini par la direction axiale et la direction radiale, et l’ensemble comprend, pour chaque secteur d’anneau, la patte amont et la patte aval de chaque secteur d’anneau comprenant chacune une première extrémité solidaire d’une face radialement externe de la base annulaire, une seconde extrémité libre, au moins quatre oreilles de réception desdits au moins deux pions transversaux, au moins deux oreilles s’étendant en saillie de la seconde extrémité de la patte amont ou de la patte aval dans la direction radiale de l’anneau de turbine et au moins deux oreilles s’étendant en saillie de la seconde extrémité de l’autre patte dans la direction radiale de l’anneau de turbine, chaque oreille de réception comportant un orifice de réception d’un des pions. L’invention a également pour objet une turbomachine comprenant un ensemble tel que défini précédemment. La est une vue schématique en coupe selon un plan comprenant la direction axiale et la direction radiale d’un ensemble d’anneau de turbine selon l’invention. La représente une vue schématique en coupe et en perspective de l’ensemble de turbine de la . La représente une vue schématique éclatée en coupe et en perspective de l’ensemble de turbine de la . Ensemble (2) d’anneau de turbine s’étendant autour d’un axe (X-X), comprenant une pluralité de secteurs d’anneau (10) en matériau composite à matrice céramique formant un anneau de turbine (4), un carter de turbine (32) et une structure de support d’anneau (6) maintenue par le carter de turbine (32), chaque secteur d’anneau (10) comprenant une base (12) à partir de laquelle s’étendent radialement vers l’extérieur une patte amont (16) et une patte aval (14) espacées axialement l’une de l’autre, et dans lequel la structure de support d’anneau (6) comprend une entretoise (20) annulaire, caractérisé en ce que l’ensemble (2) comprend en outre au moins deux pions transversaux (40) par secteur d’anneau (10), chaque pion transversal (40) traversant axialement l’entretoise (20), un secteur d’anneau (10), et le carter de turbine (32) pour maintenir l’anneau de turbine (4), le support d’anneau (6) et le carter de turbine (32) solidaires les uns des autres. Ensemble (2) selon la revendication 1, dans lequel l’entretoise (20) comprend une première bride (208), une deuxième bride (210) et une troisième bride (212) s’étendant toutes les trois radialement vers l’anneau de turbine (4), la première bride (208) et la deuxième bride (210) étant disposées axialement entre la patte aval (14) et la patte amont (16) des secteurs d’anneau (10), et la patte amont (16) des secteurs d’anneau (10) étant disposée axialement entre la troisième bride (212) et la deuxième bride (210) de l’entretoise (20). Ensemble (2) selon la revendication 2, dans lequel chaque pion transversal (40) traverse axialement la patte amont (16), la deuxième bride (210) de l’entretoise (20), la première bride (208) de l’entretoise (20) et la patte aval (14). Ensemble (2) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le carter de turbine (32) comprend une bride radiale (326) s’étendant radialement vers l’intérieur, et la structure de support d’anneau (6) comprend en outre un flasque aval (22) intercalé entre la bride radiale (326) du carter de turbine (32) et la patte aval (14) d’une part, et entre la bride radiale (326) du carter de turbine (32) et l’entretoise (20) d’autre part, chaque pion transversal (40) traversant axialement le flasque aval (22) du support d’anneau (6) et la bride radiale (326) du carter de turbine (32). Ensemble (2) selon la revendication 4, dans lequel chaque pion transversal (40) comprend une première extrémité axiale (402) et une seconde extrémité axiale (404), la bride radiale (326) du carter de turbine (32) étant disposée entre la première extrémité axiale (402) et la patte aval (14), et la seconde extrémité axiale (404) étant logée dans la troisième bride (212) de l’entretoise (20). Ensemble (2) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la structure de support d’anneau (6) comprend en outre un diffuseur d’air (26) destiné à diffuser de l’air de refroidissement sur une face externe (12b) de la base (12) des secteurs d’anneau (10), les pions transversaux (40) traversant également le diffuseur d’air (26), et le diffuseur d’air (26) comprenant une surface (262) disposée en regard de la base (12) des secteurs d’anneau (10), ladite surface (262) comportant une pluralité de perçages permettant de diffuser de l’air de refroidissement sur l’anneau de turbine (4) pour réaliser une ventilation par impact. Ensemble (2) selon la revendication 6, dans lequel l’entretoise (20) comprend des orifices de passage radial (214), et le diffuseur d’air (26) de la structure de support d’anneau (6) comprend des canaux (264) s’étendant radialement vers l’extérieur et traversant lesdits orifices de passage radial (214) pour être branchés à un circuit d’alimentation en air de refroidissement. Ensemble (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le flasque aval (22) de la structure de support d’anneau (6) comprend un crochet (223) pour le montage de ladite structure de support d’anneau (6) sur le carter de turbine (32). Ensemble (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le carter de turbine (32) comprend en outre un crochet aval (324) pour le maintien d’un distributeur de turbine, tel qu’un distributeur de turbine basse-pression, positionné en aval de l’ensemble de turbine, et une surface d’appui radiale pour fretter le carter de turbine sur un autre carter de turbine. Ensemble (2) selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le secteur d’anneau présente une section en π selon le plan de coupe défini par la direction axiale (D A ) et la direction radiale (D R ), la patte amont (16) et la patte aval (14) de chaque secteur d’anneau (10) comprenant chacune une première extrémité solidaire d’une face radialement externe (12b) de la base annulaire (12), une seconde extrémité libre, au moins quatre oreilles (17, 18) de réception desdits au moins deux pions transversaux (40), au moins deux oreilles (17) s’étendant en saillie de la seconde extrémité de la patte amont (16) ou de la patte aval (14) dans la direction radiale (D R ) de l’anneau de turbine (1) et au moins deux oreilles (18) s’étendant en saillie de la seconde extrémité de l’autre patte (14, 16) dans la direction radiale (D R ) de l’anneau de turbine (1), chaque oreille de réception (17, 18) comportant un orifice (170, 180) de réception d’un des pions (40). Turbomachine comprenant un ensemble (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10.