Brevet FR3134135A1 — publié le 20231006

Ensemble d’anneau de turbine à dispositif de refroidissement amélioré Ensemble d’anneau de turbine comportant un anneau de turbine en matériau composite à matrice céramique et un carter en alliage métallique (12) formant structure de support d'anneau, dans lequel le carter comporte une virole centrale (12a) de laquelle se déploient radialement des brides annulaires amont (26) et aval (28) entre lesquelles sont maintenues des pattes d'accrochage amont et aval (22, 24) s’étendant radialement d’une base annulaire (20) de chaque secteur d'anneau, la bride annulaire amont (26) étant pourvue de trous de ventilation destinés à alimenter un dispositif de refroidissement en air de refroidissement formé d’une pluralité de secteurs d’entretoise (14) en alliage métallique, chaque secteur d’entretoise s’étendant entre les pattes d’accrochage amont et aval pour en épouser la forme à une distance d de diffusion près, une partie radialement interne du secteur d’entretoise intégrant des trous de refroidissement (14a) formant diffuseur d’air pour refroidir par impact une surface externe (20b) de la base annulaire des secteurs d’anneau. Figure pour l’abrégé : Fig. 2. Ensemble d’anneau de turbine à dispositif de refroidissement amélioré La présente invention se rapporte au domaine des turbines à gaz pour aviation (moteurs à réaction, à propulsion, moteurs d’hélicoptères), turbines à gaz pour générateurs électriques et turbines de turbocompresseurs. La tendance actuelle en aéronautique est à une augmentation de la température des gaz en sortie de la chambre de combustion, conduisant à une élévation de température des composants de turbine. Le besoin de refroidir ces pièces est donc de plus en plus important. Or, l’air frais qui permet ce refroidissement est prélevé en sortie du compresseur haute pression et va donc contourner la chambre de combustion sans participer à la combustion, donc au rendement de la turbomachine. C’est pourquoi, le recours à des matériaux composites à matrice céramique (CMC) sur les pièces de turbines les plus chaudes permet actuellement de réduire le besoin de les refroidir et donc corrélativement d’augmenter le rendement, car ces matériaux CMC sont performants à hautes températures. Ils permettent en outre un gain de masse car ils sont plus légers que les alliages métalliques traditionnellement utilisés pour ces pièces les plus chaudes. Toutefois, l’intégration de ces pièces en CMC dans la turbomachine, du fait de la différence des coefficients de dilatation existant entre CMC et alliages métalliques, et aussi du fait de leur faible tenue mécanique, peut conduire à une rupture du CMC par sur-contrainte thermomécanique. Il convient donc de pouvoir y remédier pour éviter tout disfonctionnement de la turbomachine. La présente invention a donc pour but principal de réduire la contrainte thermomécanique dans le CMC ainsi que de réduire encore le débit de refroidissement, tout en assurant à la fois un gain de masse et de performance à la turbomachine. Ces buts sont atteints par un ensemble d’anneau de turbine comportant un anneau de turbine en matériau composite à matrice céramique et un carter en alliage métallique formant structure de support d'anneau, dans lequel le carter comporte une virole centrale qui s’étend autour de l’anneau de turbine et de laquelle se déploient radialement des brides annulaires amont et aval entre lesquelles sont maintenues des pattes d'accrochage amont et aval s’étendant radialement d’une base annulaire de chaque secteur d'anneau, la bride annulaire amont formée intégralement avec le carter étant pourvue de trous de ventilation destinés à alimenter un dispositif de refroidissement en air de refroidissement, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement est formé d’une pluralité de secteurs d’entretoise en alliage métallique, chaque secteur d’entretoise étant fixé aux brides annulaires amont et aval par des vis d’assemblage et s’étendant entre les pattes d’accrochage amont et aval pour en épouser la forme à une distance d de diffusion près, une partie radialement interne de chaque secteur d’entretoise intégrant des trous de refroidissement formant diffuseur d’air pour refroidir par impact une surface externe de la base annulaire des secteurs d’anneau. Ainsi, l’introduction d’une entretoise en contact avec les brides annulaires évite toute contrainte sur le CMC tout en améliorant le débit de refroidissement par son diffuseur d’air intégré épousant au plus près la forme intérieure de l’anneau de turbine. De préférence, l’ensemble d'anneau de turbine comporte en outre un support souple monté en appui radial et axial sur la bride annulaire aval et en appui axial sur les secteurs d’anneau de turbine pour maintenir ces derniers en contact axial avec la bride annulaire amont. Ainsi, du fait des dilatations thermiques ou des tolérances dimensionnelles des différents éléments, les réintroductions d’air de la veine chaude par ouverture de jeu axial entre anneaux et brides amont et aval sont évitées et la surcharge mécanique de l’anneau de turbine réduite. Avantageusement, le support souple est réalisé en un alliage résistant au fluage, typiquement un alliage à base de nickel et présente une forme de S ou W. De préférence, les secteurs d’entretoise formant diffuseur d’air sont en contact latéral plan avec les brides annulaires amont et aval. Avantageusement, les secteurs d’entretoise, pour recevoir les vis d’assemblage, comportent des oreilles radiales au niveau d’orifices de fixation axialement décalés des brides annulaires amont et aval. De préférence, les secteurs d’entretoise formant diffuseur d’air et les secteurs d’anneau sont séparés par un jeu radial à froid r réduit à zéro à chaud. Avantageusement, des surfaces externes des pattes d'accrochage amont et aval qui sont en contact avec les secteurs d’entretoise sont recouvertes d’une couche de matériau abradable. De préférence, la bride annulaire aval est constituée d’une juxtaposition sur 360° de flasques de rétention en appui cylindrique sur le carter. L’invention concerne également une turbomachine comportant un ensemble d’anneau de turbine tel que précité. D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur les lesquels : la illustre en perspective trois secteurs d’un ensemble d’anneau de turbine conforme à l’invention, la montre en coupe transversale l’ensemble d’anneau de turbine de la , la est une vue en coupe du dispositif de refroidissement intégré à l’ensemble d’anneau de turbine de la , et la est un détail de la montrant un jeu radial. Ensemble d'anneau de turbine comprenant un anneau de turbine en matériau composite à matrice céramique (10) et un carter en alliage métallique (12) formant structure de support d'anneau, dans lequel le carter comporte une virole centrale (12a) qui s’étend autour de l’anneau de turbine (10) et de laquelle se déploient radialement des brides annulaires amont (26) et aval (28) entre lesquelles sont maintenues des pattes d'accrochage amont et aval (22, 24) s’étendant radialement d’une base annulaire (20) de chaque secteur d'anneau, la bride annulaire amont (26) formée intégralement avec le carter étant pourvue de trous de ventilation (34) destinés à alimenter un dispositif de refroidissement en air de refroidissement, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement est formé d’une pluralité de secteurs d’entretoise (14) en alliage métallique, chaque secteur d’entretoise (14) étant fixé aux brides annulaires amont et aval par des vis d’assemblage (16) et s’étendant entre les pattes d’accrochage amont et aval pour en épouser la forme à une distance d de diffusion près, une partie radialement interne de chaque secteur d’entretoise (14) intégrant des trous de refroidissement (14a) formant diffuseur d’air pour refroidir par impact une surface externe (20b) de la base annulaire des secteurs d’anneau. Ensemble d'anneau de turbine selon la revendication 1, comportant en outre un support souple (30) monté en appui radial et axial sur la bride annulaire aval (28) et en appui axial sur les secteurs d’anneau de turbine (10) pour maintenir ces derniers en contact axial avec la bride annulaire amont (26). Ensemble d'anneau de turbine selon la revendication 2, dans lequel le support souple (30) est réalisé en un alliage résistant au fluage, typiquement un alliage à base de nickel. Ensemble d'anneau de turbine selon la revendication 2, dans lequel le support souple présente une forme de S ou de W. Ensemble d'anneau de turbine selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les secteurs d’entretoise formant diffuseur d’air sont en contact latéral plan avec les brides annulaires amont et aval. Ensemble d'anneau de turbine selon la revendication 5, dans lequel les secteurs d’entretoise formant diffuseur d’air (14), pour recevoir les vis d’assemblage (16), comportent des oreilles radiales (14b) au niveau d’orifices de fixation axialement décalés (26b) des brides annulaires amont et aval (26, 28). Ensemble d'anneau de turbine selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les secteurs d’entretoise formant diffuseur d’air (14) et les secteurs d’anneau (10) sont séparés par un jeu radial à froid r réduit à zéro à chaud. Ensemble d'anneau de turbine selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel des surfaces externes des pattes d'accrochage amont et aval (22, 24) qui sont en contact avec les secteurs d’entretoise (14) sont recouvertes d’une couche de matériau abradable (23). Ensemble d'anneau de turbine selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la bride annulaire aval est constituée d’une juxtaposition sur 360° de flasques de rétention (28) en appui cylindrique sur le carter (12). Turbomachine aéronautique comportant un ensemble d’anneau de turbine selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.