Brevet FR3119193A1 — publié le 20220729

L'invention concerne notamment une turbine de turbomachine, en particulier turbine basse pression, qui comprend d’amont (AM) en aval (AV) en considérant le sens d’écoulement d’un flux de gaz dans cette turbine, plusieurs étages successifs, chaque étage comprenant un distributeur et une roue de rotor , lesquels sont disposés à l’intérieur d’un carter annulaire d’axe longitudinal formant virole externe, ladite roue de rotor, configurée pour tourner autour dudit axe longitudinal, comprenant un disque qui porte à sa périphérie une pluralités d’aubes radiales (21) pourvues de léchettes d’étanchéité (210) qui forment des saillies radiales externes, un anneau (30) de matériau abradable étant fixé sur la face interne dudit carter en regard desdites léchettes d’étanchéité (210), ledit anneau (30) de matériau abradable comportant, pour chaque léchette 210), une zone d’usure (ZN, ZM) qui est une zone dans laquelle ladite léchette (210) vient en contact avec ledit matériau abradable et l’abrase en raison d’un frottement entre les aubes (21) et le matériau abradable lorsque le rotor est en rotation autour dudit axe , caractérisée par le fait que ledit anneau (30) comporte, dans une région dite « région amont d’auto engagement » (AE1) située en amont de ladite zone d’usure (ZN, ZM), au moins un indicateur (4) qui fournit une information relative à une abrasion dudit matériau abradable par ladite léchette (210) dans cette zone amont d’auto-engagement (AE1), lorsque le rotor est en rotation autour dudit axe. Figure pour l’abrégé : figure 5. Turbine de turbomachine et turbomachine qui en est équipée DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne une turbine de turbomachine, en particulier une turbine basse pression, ainsi qu’une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comprenant la turbine précitée. ETAT DE LA TECHNIQUE De manière classique, dans une architecture de moteur à double corps, une turbomachine comprend une turbine basse pression et une turbine haute pression, qui récupèrent une partie de l'énergie dégagée par la combustion de carburant pour entrainer respectivement, un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, situés au niveau de l'entrée d'air de la turbomachine. On connait également des moteurs à triple corps, avec une turbine intermédiaire venant mettre en rotation un compresseur intermédiaire entre les corps haute et basse pression. La jointe représente un exemple de réalisation d'une turbine T de turbomachine à double corps. Le flux de gaz s’écoule à l’intérieur de la turbine de l’amont AM, vers l’aval AV selon le sens d’écoulement représenté par la flèche V. La turbine présente un axe longitudinal X-X'. Cette turbine comprend plusieurs étages successifs, chaque étage comprenant un distributeur 1 et une roue de rotor 2. Ces derniers sont disposés à l'intérieur d'un carter 3, annulaire, de forme sensiblement tronconique, d’axe X-X’. La roue de rotor 2 tourne autour de l’axe X-X’. Le carter 3 forme une virole externe pour la turbine. Chaque roue de rotor 2 comprend un disque 20 qui porte à sa périphérie une pluralité d'aubes radiales 21. Les différents disques 20 sont assemblés entre eux et fixés sur un arbre de rotation (non représenté sur les figures), qui les entraîne simultanément en rotation. Chaque distributeur 1 comprend une pluralité d'aubes radiales 10 dont l'extrémité radialement externe est fixée sur le carter 3. Un anneau 30, constitué de plusieurs éléments (secteurs) de matériau abradable (matériau qui se présente sous la forme d’une structure en nid d’abeille) disposés bout à bout circonférentiellement, est fixé sur la face interne du carter 3, en regard de l'extrémité radialement externe des aubes de rotor 21. Pendant le fonctionnement de la turbine, le sommet des aubes 21 (c'est-à-dire leur région radialement externe), généralement muni de léchettes 210, pénètre dans le matériau abradable de l'élément d’anneau 30. Il se forme une rainure qui constitue un élément d’étanchéité du type joint labyrinthe, lequel améliore l’étanchéité. Ceci permet d'avoir un jeu essentiellement radial, entre le sommet des aubes mobiles 21 et le carter 3, le plus faible possible, voire nul. On assure ainsi la performance aérodynamique de la turbine et donc de la turbomachine. Pour les mêmes raisons de performance aérodynamique, un pied 12 de distributeur annulaire supporte plusieurs éléments de matériau abradable 11 disposés bout à bout circonférentiellement. Il est agencé à l'extrémité radialement interne des aubes fixes 10, de façon à se trouver en regard d'une bride annulaire 22, elle-même fixée entre deux disques de rotor 21 voisins. Cette bride 22 est munie d’au moins une léchette annulaire 23 qui pénètre dans le matériau abradable 11, pendant le fonctionnement de la turbine. Pour se concentrer plus spécifiquement sur les éléments d’anneau 30 précités, ceux-ci coopèrent avec des léchettes annulaires 210 portées par l’aube 21 associée (c’est-à-dire qui s’étend en regard en direction radiale) pour former des joints d'étanchéité du type "joint à labyrinthe". En effet, en fonctionnement et sous l'effet de la chaleur, les aubes mobiles 21 se dilatent, faisant ainsi translater radialement les léchettes 210, de sorte qu’elles creusent des sillons dans le matériau abradable. Il existe ainsi entre les sillons et les léchettes, un faible jeu qui constitue ce joint à labyrinthe. Ce jeu induit les performances du flux de la veine d'air chaud qui s'écoule dans la turbine. Lors d’essais de fonctionnement de telles turbomachines, un certain nombre de cas de contact entre le rotor et le stator ont pu être constatés. Ces contacts rotor / stator, qui s’opèrent dans une direction généralement axiale, ont eu lieu entre le sommet des aubes de rotor (aussi appelé talon) et les pales du distributeur. Cela a pour conséquence la dépose du moteur et son démontage. Par ailleurs, la formation de criques (fissures non visibles à l’œil nu ou par endoscopie) de fonctionnement dans le col (c’est-à-dire à la base) des aubes a été constaté. Cela signifie qu’en cas de contact rotor/stator non détectable lors d’une inspection par endoscopie, les criques précitées peuvent se propager, ce qui peut mener à la destruction de la turbine. On se reportera ci-après aux figures 2 à 4 pour mieux expliquer et comprendre les phénomènes mis en œuvre. A la , on s’est contenté de représenter très partiellement une aube 21 de rotor et les deux aubes fixes immédiatement voisines 10, qui s’étendent en amont et en aval de celle-ci. L’aube 21 représentée partiellement en trait continu correspond à une position stable de celle-ci. On a représenté en traits interrompus, le talon 211 de cette aube, avec ses léchettes 210, dans deux positions instables opposées axialement, dans lesquelles ce talon rentre en contact avec l’une ou l’autre des aubes 10 (zones de contact identifiées Z1 et Z2 sur cette figure, lesquelles se situent respectivement du côté amont et du côté aval de l’aube 21). Plus précisément et comme déjà évoqué plus haut, lors de la première mise en route du moteur, les léchettes 210 de l’aube 21 vont engendrer une usure dans le matériau en nid d’abeille de l’élément d’anneau 30 étanchéité en vis-à-vis, due à des déplacements axiaux/radiaux du rotor/stator. Lors de ces usures générées essentiellement pendant le rodage au sol et pendant le premier vol du moteur, le talon 211 d’aube 21 subit des efforts importants au niveau des léchettes 210, ce qui fait apparaitre un phénomène « d’auto-engagement » de l’aube, lequel peut générer des contacts entre le rotor et le stator. Un tel phénomène se déroule en deux phases. Une première phase d’auto-engagement de l’aube vers l’amont comprend un déplacement du sommet de l’aube 21 en direction axiale vers l’amont jusqu’à venir en contact avec le distributeur amont 10 (celui représenté à gauche sur la ). Pendant cette phase, les léchettes 210 vient détériorer axialement la structure en nid d’abeille de l’élément d’anneau 30 en vis-à-vis. Une fois ce contact réalisé et par effet de réaction, l’aube 21 subit un retour élastique axial vers l’aval et vient en contact avec le distributeur 10 aval (celui représenté à droite sur la ), et peut générer une crique dans la région du pied de l’aube 21, côté amont. Le système va ainsi osciller jusqu’à revenir à une position stable. Une fois que la structure en nid d’abeille a été détériorée par cet auto-engagement, il n’y a plus de risque que ce phénomène se reproduise ultérieurement lors d’autres utilisations du moteur, car les léchettes 210 d’aube 21 ne subiront plus de tels efforts, le nid d’abeille en vis-à-vis de cette aube ayant été déjà usé. Lors de la conception de telles turbines, il est prévu de laisser une certaine marge axiale pour garantir que les léchettes des aubes se déplacent dans un certain intervalle sans venir interférer avec les pièces de distributeur immédiatement voisines. Pour le calcul de cette marge, on prend non seulement en compte les tolérances de fabrication, mais également des consommations à chaud des éléments de rotor et de stator, c'est-à-dire l’ouverture et la fermeture des jeux qui sont liés à la cinétique des pièces entre elles, et aux montées en températures provoquant des dilatations. La annexée illustre cette situation. On notera que l’on y a référencé 300 l’épaulement circonférentiel formant « marche d’escalier » que présente l’élément 30 de matériau abradable, lequel a pour but de compenser la pente ascendante que présente le carter 3, d’amont en aval. Ainsi, l’élément d’anneau 30 présente une épaisseur en amont de l’épaulement 300 qui est supérieure à l’épaisseur en aval. Dans un souci de clarté et de simplification, on s’est ici contenté ici d’illustrer l’usure qui est générée par la léchette 210 aval, c'est-à-dire celle représentée sur la droite de la figure. Toutefois, ce qui est décrit ci-après vaut également pour la seconde léchette 210 amont, qui est représentée sur la gauche de la figure. La zone d’usure nominale, référencée ZN, correspond à l’usure qui est générée pendant la première utilisation du moteur suite au déplacement du rotor vis-à-vis du stator, en faisant usage de pièces usinées au nominal. La zone d’usure maximale, référencée ZM, correspond à l’usure générée pendant une première utilisation du moteur suite au déplacement du rotor vis-à-vis du stator avec des pièces usinées au Mini/Maxi liasse, c'est-à-dire dans la fourchette de tolérance de la pièce théorique. La marge disponible, référencée MD, qui est située entre la zone ZM et l’épaulement 300, correspond à la zone où la léchette 210 ne se déplacera théoriquement jamais pendant une phase de fonctionnement normale. Mais l’inspection des pièces qui ont subi le phénomène d’auto-engagement expliqué plus haut montre que la structure en nid d’abeille de l’élément 30 est usée voire détruite, en dehors des zones de tolérances, c’est-à-dire dans les régions d’auto-engagement amont et aval repérées AE1 et AE2 sur la . La présente invention a pour but d’apporter une solution à cette problématique en proposant des moyens qui permettent de diagnostiquer ce phénomène d’auto-engagement de manière préventive, pour permettre de sauvegarder un maximum de pièces avant que celles-ci soient irrémédiablement dégradées. Un objectif secondaire de la présente invention est d’anticiper les problématiques de contact rotor / stator, de manière à pouvoir trouver la véritable cause de ce contact, en vue de la mise en place d’actions correctives. PRESENTATION DE L'INVENTION A cet effet, l'invention concerne une turbine de turbomachine, en particulier turbine basse pression, qui comprend d’amont en aval en considérant le sens d’écoulement d’un flux de gaz dans cette turbine, plusieurs étages successifs, chaque étage comprenant un distributeur et une roue de rotor, lesquels sont disposés à l’intérieur d’un carter annulaire d’axe longitudinal formant virole externe, ladite roue de rotor, configurée pour tourner autour dudit axe longitudinal, comprenant un disque qui porte à sa périphérie une pluralités d’aubes radiales pourvues de léchettes d’étanchéité qui forment des saillies radiales externes, un anneau de matériau abradable étant fixé sur la face interne dudit carter en regard desdites léchettes d’étanchéité, ledit anneau de matériau abradable comportant, pour chaque léchette, une zone d’usure qui est une zone dans laquelle ladite léchette vient en contact avec ledit matériau abradable et l’abrase en raison d’un frottement entre les aubes et le matériau abradable lorsque le rotor est en rotation autour dudit axe. Conformément à l’invention, ledit anneau comporte, dans une région dite « région amont d’auto engagement » située en amont de ladite zone d’usure, au moins un indicateur qui fournit une information relative à une abrasion dudit matériau abradable par ladite léchette dans cette zone amont d’auto-engagement, lorsque le rotor est en rotation autour dudit axe. Grâce à ces caractéristiques, les opérateurs qui travaillent sur la turbine sont immédiatement prévenus d’un risque de contact imminent entre les léchettes et les aubes de distributeur, ce qui permet d’arrêter la turbine avant toute casse irrémédiable, de permettre une identification de la cause de contact et/ou de mettre en place des actions correctives. Cela permet également de minimiser le temps de maintenance des aéronefs. Cela contribue aussi à améliorer la robustesse des moteurs soit de série, soit lors d’essais spécifiques avant certification. Enfin, ceci permet de diminuer les risques liés à la sécurité (intégrité de l’aéronef, risques liés aux passagers ainsi qu’aux personnes et infrastructures au sol). Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon une combinaison d’au moins deux d’entre elles : - elle comprend également, dans une autre région dite « région aval d’auto-engagement » située en aval de ladite zone d’usure, au moins un indicateur qui fournit une information relative à une abrasion dudit matériau abradable par ladite léchette dans cette zone aval d’auto-engagement, lorsque le rotor est en rotation autour dudit axe ; - ledit anneau comporte, du côté de sa face radialement interne, un épaulement qui délimite une variation d’épaisseur à la baisse d’amont en aval, et ledit au moins un indicateur, dans ladite région dite « région amont d’auto engagement », s’étend au voisinage dudit épaulement, préférentiellement au pied dudit épaulement ; - ledit au moins indicateur s’étend à la surface dudit anneau ; - ledit au moins indicateur s’étend à l’intérieur dudit anneau ; - ledit au moins un indicateur s’étend à l’intérieur d’une gorge qui débouche à la surface dudit anneau ; - le nombre d’indicateurs est supérieur à deux et ils s’étendent longitudinalement les uns à côté des autres ; - ledit indicateur comporte un câble sécable qui est conducteur électrique et configuré pour être sectionné au moins partiellement lors de ladite abrasion, un dispositif de mesure de tension électrique à l’intérieur de ce câble, ainsi qu’un avertisseur sensoriel d’une variation de tension à l’intérieur dudit câble ; - ledit câble est d’un seul tenant ou constitué de différents tronçons connectés les uns aux autres ; - ledit au moins un câble comporte une âme à base d’alliage de nickel, qui est enrobée d’une gaine isolante en matériau céramique. L'invention concerne également une turbomachine qui est équipée d’au moins une turbine telle que décrite ci-dessus. DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description qui va maintenant en être faite, en référence aux dessins annexés, qui en représentent, à titre indicatif mais non limitatif, des modes de réalisation possibles. Sur ces dessins : la est une vue en coupe longitudinale d'une turbine basse pression de l'état de la technique ; la de détail de la , montrant plus particulièrement et de manière partielle, une aube de rotor et deux aubes fixes immédiatement voisines ; la est également une vue de détail de la , qui montre le « talon » d’une aube de rotor ainsi que l’élément de matériau abradable qui s’étend en vis-à-vis ; la est une vue analogue à la ; la est une vue similaire à la , montrant un premier mode de réalisation de la solution selon l’invention ; la est une vue similaire à la , montrant un deuxième mode de réalisation de la solution selon l’invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION On se reportera essentiellement aux figures 5 et 6 annexées pour décrire spécifiquement l’objet de la présente invention. Sur ces figures, les références identiques à celles déjà utilisées pour les autres figures désignent les mêmes objets ou des objets similaires. Comme pour les figures précédentes, et toujours dans un souci de clarté et de simplification, on s’est ici contenté ici d’illustrer l’usure qui est générée par la léchette 210 aval, c'est-à-dire celle représentée sur la droite des figures 5 et 6. Toutefois, ce qui est décrit ci-après vaut également pour la seconde léchette 210 amont, qui est représentée sur la gauche de ces figures. L’objet de la présente invention réside essentiellement dans l’usage d’au moins un indicateur 4 qui fournit une information relative à une abrasion du matériau abradable de l’anneau 30 par ladite léchette 210 dans la zone amont d’auto-engagement AE1, lorsque le rotor 2 est en rotation autour de l’axe X-X’. En se reportant plus spécifiquement à la , la zone globale d’usure de matériau abradable consécutive à un frottement essentiellement radial est référencé ZN ; ZM. Les zones d'auto-engagement précitées sont quant à elles référencées AE1 et AE2. Conformément à la présente invention, ledit indicateur 4 est disposé dans la zone d’auto-engagement aval AE1. Cet indicateur peut comprendre un capteur qui fournit ladite information lorsqu’il est touché par la léchette 210. Avantageusement et comme illustré ici, on fait usage d’un indicateur 4 comprenant un câble 40 qui est conducteur électrique. Les jeux et déplacements axiaux du talon 211 de la roue mobile 21 étant connus, on installe avantageusement ce câble conducteur d’électricité 40 de manière à lui faire décrire une boucle sur 360° et on le positionne sur l’anneau 30 de matériau abradable. La distance axiale de déplacement du talon 211 étant connue, il convient préférentiellement de placer ce câble 40 de sorte que lorsque la léchette 210 rentre en contact avec l’anneau 30 dans la zone d’auto-engagement aval AE1, cette léchette se déplace au-delà du câble en le sectionnant au moins partiellement. L’indicateur 4 comprend avantageusement en plus du câble 40, un dispositif de mesure de tension électrique à l’intérieur de ce câble, ainsi qu’un avertisseur sensoriel d’une variation de tension à l’intérieur du câble, lesquels ne sont pas représentés sur les figures pour ne pas les alourdir inutilement. Cet avertisseur, par exemple lumineux et/ou sonore, est avantageusement déporté (distant). Le câble 40 étant parcouru par un courant dont la tension est mesurable, lorsqu’il est sectionné, la résistance de celui-ci change, menant à une différence de tension. Ainsi, il est possible de monitorer le contact rotor/stator. Comme le montre la , le câble 40 est positionné à fleur du matériau abradable de l’anneau 30 et de préférence au pied de l’épaulement 300. Avantageusement et pour des raisons de sécurité, on fait usage d’au moins deux, préférentiellement trois câbles 40, lesquels sont placés axialement les uns à côté des autres. Sur la , les deux câbles additionnels sont représentés en trais interrompus. Ainsi, l’information va être transmise même si l’un des câbles est défaillant, d’où une meilleure fiabilité. Dans le mode de réalisation représenté à la , le câble 40 de l’indicateur 4 est logé au fond d’une gorge annulaire 301 qui est pratiquée dans l’anneau 30 et qui débouche à la surface de celui-ci. Il est avantageusement prévu autant de gorges 301 que de câbles 40. Le câble 40 peut être constitué de plusieurs tronçons chacun positionnés sur un secteur d’anneau 30 de matériau abradable, puis connectés ensemble lors du montage. Mais on peut faire usage d’un câble d’un seul tenant placé après avoir installé les secteurs d’anneau. Le carter 3 est avantageusement muni d’un câble additionnel pour assurer la connexion avec le câble 40. On le fait avantageusement passer dans un chemin pratique et adéquat pour permettre une connexion aisée avec un boitier de mesure de tension. Préférentiellement, le câble est réalisé dans un alliage résistant aux fortes températures que subit la turbine T, tel qu’un alliage à base de nickel. Il est avantageusement enrobé d’un isolant céramique pour éviter un court-circuit ou des perturbations dans la résistance de celui-ci. Ainsi, la présente invention apporte notamment les avantages supplémentaires suivants : Son utilisation, soit lors d’essais d’endurance, soit lors essais en vol, permet de mieux comprendre, de caractériser l’instant du contact et corréler l’information correspondante avec les autres données de fonctionnement (régimes, températures, etc.). Cela permet également de « sauver » un maximum de pièces avant toute dégradation qui les rendraient hors d’usage. Elle permet également : - d’économiser de l’argent : En effet, la connaissance du phénomène d’usure en amont permet d’anticiper et de diminuer les déposes moteurs (réduction du nombre de pièces de rechange, réduction du temps de maintenance, etc.). De plus, on réduit les frais de maintenance et le nombre de campagnes de maintenance. - d’améliorer la satisfaction du client final ; - de s’affranchir d’une problématique, qui jusqu’ici était tout simplement subie. Turbine (T) de turbomachine, en particulier turbine basse pression, qui comprend d’amont (AM) en aval (AV) en considérant le sens d’écoulement d’un flux de gaz dans cette turbine, plusieurs étages successifs, chaque étage comprenant un distributeur (1) et une roue de rotor (2), lesquels sont disposés à l’intérieur d’un carter annulaire (3) d’axe longitudinal (X-X’) formant virole externe, ladite roue de rotor (2), configurée pour tourner autour dudit axe longitudinal (X-X’), comprenant un disque (20) qui porte à sa périphérie une pluralités d’aubes radiales (21) pourvues de léchettes d’étanchéité (210) qui forment des saillies radiales externes, un anneau (30) de matériau abradable étant fixé sur la face interne dudit carter (3) en regard desdites léchettes d’étanchéité (210), ledit anneau (30) de matériau abradable comportant, pour chaque léchette 210), une zone d’usure (ZN, ZM) qui est une zone dans laquelle ladite léchette (210) vient en contact avec ledit matériau abradable et l’abrase en raison d’un frottement entre les aubes (21) et le matériau abradable lorsque le rotor (2) est en rotation autour dudit axe (X-X’), caractérisée par le fait que ledit anneau (30) comporte, dans une région dite « région amont d’auto engagement » (AE1) située en amont de ladite zone d’usure (ZN, ZM), au moins un indicateur (4) qui fournit une information relative à une abrasion dudit matériau abradable par ladite léchette (210) dans cette zone amont d’auto-engagement (AE1), lorsque le rotor (2) est en rotation autour dudit axe (X-X’). Turbine (T) selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’elle comprend également, dans une autre région dite « région aval d’auto engagement » (AE2) située en aval de ladite zone d’usure (ZN, ZM), au moins un indicateur (4) qui fournit une information relative à une abrasion dudit matériau abradable par ladite léchette (210) dans cette zone aval d’auto-engagement (AE2), lorsque le rotor (2) est en rotation autour dudit axe (X-X’). Turbine (T) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ledit anneau (30) comporte, du côté de sa face radialement interne, un épaulement (300) qui délimite une variation d’épaisseur à la baisse d’amont en aval, caractérisée en ce que ledit au moins un indicateur (4), dans ladite région dite « région amont d’auto engagement » (AE1), s’étend au voisinage dudit épaulement (300), préférentiellement au pied dudit épaulement (300). Turbine (T) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que ledit au moins indicateur (4) s’étend à la surface dudit anneau (30). Turbine (T) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que ledit au moins indicateur (4) s’étend à l’intérieur dudit anneau. Turbine (T) selon la revendication 5, caractérisée par le fait que ledit au moins un indicateur (4) s’étend à l’intérieur d’une gorge (301) qui débouche à la surface dudit anneau (30). Turbine (T) selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que le nombre d’indicateurs (4) est supérieur à deux et qu’ils s’étendent longitudinalement les uns à côté des autres. Turbine (T) selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que ledit indicateur (4) comporte un câble sécable qui est conducteur électrique et configuré pour être sectionné au moins partiellement lors de ladite abrasion, un dispositif de mesure de tension électrique à l’intérieur de ce câble, ainsi qu’un avertisseur sensoriel d’une variation de tension à l’intérieur dudit câble. Turbine (T) selon la revendication 8, caractérisée par le fait que ledit câble est d’un seul tenant ou constitué de différents tronçons connectés les uns aux autres. Turbine (T) selon l’une des revendications 8 ou 9, caractérisée par le fait que ledit au moins un câble comporte une âme à base d’alliage de nickel, qui est enrobée d’une gaine isolante en matériau céramique. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une turbine (T) selon l’une des revendications 1 à 10.