Brevet FR3151349A1 — publié le 20250124

Turbomachine et son procédé d’utilisation La présente invention concerne une turbomachine comprenant au moins un rotor (100) et un stator (200). Le rotor (100) est apte à tourner autour d’un axe central (X) au moins un stator (200) et comprend une première surface (150) disposée autour de l’axe central (X). Le stator (200) comprend une deuxième surface (250) disposée opposée à la première surface (150) autour de l’axe central (X). Une desdites première et deuxième surfaces (150,250) présente un rainurage incliné, par rapport à une direction de rotation (R) du rotor (100), en une première direction d’un premier côté (A) du rainurage et en une deuxième direction opposée à la première direction d’un deuxième côté (B) du rainurage. Lors de l’utilisation de la turbomachine, le rainurage forme un coussin de fluide d’épaisseur au moins égale à une distance minimale (d2) entre les première et deuxième surface (150,250) pour empêcher les fuites de fluide entre les première et deuxième surface (150,250). Figure pour l’abrégé : Fig. 1. Turbomachine et son procédé d’utilisation La présente divulgation concerne le domaine technique des turbomachines et plus spécifiquement celui de l’étanchéité entre rotor et stator d’une turbomachine. Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s’applique à la fois aux nouveaux types d’aéronefs mais aussi ceux en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique. Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des aéronefs. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l’intégration et l’utilisation dans l’aviation civile ont des conséquences environnementales modérées dans un but d’amélioration de l'efficacité énergétique des avions. Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son incidence climatique négative par l’emploi de méthodes et l’exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire de l'empreinte environnementale de son activité. Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’aéronefs, l’allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et, indispensables compléments aux progrès technologiques, les biocarburants aéronautiques. On entend généralement par turbomachine un mécanisme dans lequel s’effectue un transfert d'énergie entre au moins une partie tournante et un fluide. Une telle partie tournante de turbomachine est nommée rotor, et les turbomachines comportent aussi normalement au moins une partie fixe, nommée stator. Le transfert d’énergie peut s’effectuer du rotor vers le fluide. Dans ce cas la turbomachine peut être, par exemple un compresseur, une soufflante ou une pompe. Alternativement, le transfert d’énergie peut s’effectuer du fluide vers le rotor. Dans ce cas la turbomachine est une turbine. Une turbomachine peut par ailleurs comporter une succession de plusieurs étages, et des turbomachines complexes sont aussi envisageables, comme par exemple les turbocompresseurs, les turbomoteurs, les turbopropulseurs ou les turboréacteurs, comprenant au moins une partie génératrice dans laquelle l’énergie est transférée du rotor vers le fluide et une partie réceptrice dans laquelle l’énergie est transférée du fluide vers le moteur. Ces turbomachines complexes sont notamment utilisées dans la propulsion aéronautique. Tant les rotors comme les stators comportent typiquement des aubages. Ainsi, il est courant d’alterner des aubages de rotor et des aubages de stator, couramment appelés distributeurs ou redresseurs. Afin d’optimiser le transfert d’énergie entre le fluide et le rotor, il convient de canaliser ce fluide dans une veine de fluide traversant ces aubages. En outre, quand le fluide est à haute température, comme par exemple dans les turbines à gaz, des fuites de fluide chaud en dehors de cette veine pourraient endommager d’autres éléments de la turbomachine. En conséquence, il convient d’empêcher ces fuites, en particulier entre stator et rotor. Pour cela, des tôles fines sont typiquement fixées sous la plateforme de pied des aubes de stator. En complément à de telles tôles, des léchettes fixées au rotor, contre des surfaces abradables du stator peuvent former aussi des joints d’étanchéité entre rotor et stator. Toutefois, ces solutions présentent des inconvénients. Ainsi, les tôles peuvent être compliquées à produire, résultant en un important taux de rebut. En outre, leur fixation, typiquement par brasage, complique également la production des turbomachines. Quant aux léchettes et aux surfaces abradables, leur contact provoque de l’usure, requérant ainsi une maintenance régulière. Un premier aspect de cette divulgation concerne une turbomachine comprenant au moins un rotor apte à tourner autour d’un axe central et comprenant une première surface disposée autour de l’axe central, et au moins un stator comprenant une deuxième surface disposée opposée à la première surface autour de l’axe central, et dans laquelle au moins une desdites première et deuxième surfaces présente un rainurage incliné, par rapport à une direction de rotation du rotor, en une première direction d’un premier côté du rainurage et en une deuxième direction opposée à la première direction d’un deuxième côté du rainurage. Grâce au rainurage, la rotation relative des première et deuxième surfaces lors du fonctionnement de la turbomachine peut provoquer la formation d’un coussin de fluide, de manière analogue aux paliers hydrodynamiques divulgués par J.H. Vohr et C.Y. Chow dans « Characteristics of Herringbone-Grooved, Gas-Lubricated Journal Bearings », Journal of Basic Engineering, ASME, septembre 1965, pages 568-576, servant à empêcher la traversée de fluide entre les deux surfaces. Les fuites peuvent ainsi être limitées ou même supprimées, augmentant ainsi le rendement de la turbomachine sans soumettre ses composants à une usure qui pourrait exiger à terme leur remplacement. Il est ainsi possible d’augmenter leurs performances tout en réduisant leur impact environnemental. Le rotor peut notamment comprendre une pluralité de pales s’étendant chacune, en direction sensiblement perpendiculaire à l’axe central, d’un pied de pale à une tête de pale. Dans ce cas, chaque pale peut comprendre une plateforme disposée en pied de pale et/ou en tête de pale, avec un becquet pour former la première surface, de manière à faciliter l’intégration de cette première surface au rotor. Le rainurage peut notamment être en chevrons, comme ceux divulgués dans l’article susmentionné de Vohr et Chow, ainsi que par E. Guenat et J. Schiffmann dans « Dynamic force coefficients identification on air-lubricated herringbone-grooved journal bearing », Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 136, 19 novembre 2019, dont les caractéristiques sont bien connues et la fabrication comparativement simple. Toutefois, d’autres formes alternatives, comme par exemple un rainurage en diagonale avec des rainures présentant chacune une inclinaison constante entre ses deux extrémités, ou un rainurage en spirale avec des rainures incurvées. Afin aussi de faciliter leur production, mais également pour assurer la génération effective et stable du coussin de fluide, lesdites première et deuxième surfaces peuvent notamment être sensiblement parallèles à l’axe central. Par « sensiblement parallèles », on entend qu’elles ne divergent pas de la direction de l’axe central d’un angle supérieur aux tolérances de fabrication, qui peuvent être par exemple de ±1°. Toutefois, il est alternativement envisageable que lesdites première et deuxième surfaces soient inclinées par rapport à l’axe central, voire même perpendiculaires à celui-ci. Afin d’assurer que le coussin de fluide occupe sensiblement tout l’espace entre les première et deuxième surfaces, de manière à plus effectivement les fuites de fluide entre celles-ci, les premières et deuxièmes surfaces peuvent être séparées par une distance non supérieure à 4 mm. Par ailleurs, pour assurer la génération du coussin de fluide, le rainurage peut avoir une profondeur non inférieure à 0,005 mm. Un deuxième aspect de la présente divulgation concerne un procédé d’utilisation de la turbomachine suivant le premier aspect, dans lequel la première surface tourne avec le rotor, autour de l’axe central, à une telle vitesse de rotation par rapport au stator avec la deuxième surface que le rainurage forme un coussin de fluide d’épaisseur au moins égale à une distance minimale entre les première et deuxième surface, ledit coussin de fluide empêchant les fuites de fluide entre les première et deuxième surface. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, de modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés qui sont schématiques et visent avant tout à illustrer les principes de l’exposé. Sur ces dessins, d’une figure à l’autre, des éléments (ou parties d’élément) identiques ou équivalents sont repérés par les mêmes signes de référence. Sur ces dessins annexés : La est une représentation schématique d’un moteur à turbine à gaz suivant un premier mode de réalisation. La représente une turbine basse pression du moteur à turbine à gaz de la . La représente une vue de détail de la turbine basse pression de la . La représente une pale du rotor de la turbine basse pression de la . La représente un distributeur du stator de la turbine basse pression de la . La représente une vue de détail d’une turbine basse pression suivant un deuxième mode de réalisation. La illustre de manière schématique un moteur à turbine à gaz 1. Dans le sens de l’écoulement du fluide, ce moteur à turbine à gaz 1 peut comprendre une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6, une turbine basse pression 7 et une tuyère 8. L’ensemble peut être entouré par une nacelle 9. Les compresseurs 3,4, la chambre de combustion 5 et les turbines 6, 7 forment ensemble le générateur de gaz 10, qui est traversé par une veine d’air 17 et peut être lui-même entouré par un carénage 11 aboutissant dans la tuyère 8. Ainsi, une veine d’air 12 de la soufflante 2 peut être définie entre le carénage 11 du générateur de gaz 10 et une paroi interne 13 de la nacelle 9. La turbine haute pression 6 peut être reliée au compresseur haute pression 4 par un premier arbre rotatif 14 pour l’entraînement de cette dernière, tandis que la turbine basse pression 7 peut être reliée à la soufflante 2 et au compresseur basse pression 3 par un deuxième arbre rotatif 15 coaxial au premier arbre rotatif 14, de manière analogue. Le débit massique de la veine d’air 12 de la soufflante 2 peut être sensiblement supérieur à celui de la veine d’air 17 du générateur de gaz 10 et le rapport entre ces deux débits massiques est connu comme taux de dilution. Dans le contexte des moteurs à haut et très haut taux de dilution, où le diamètre de la soufflante 2 peut être particulièrement grand afin de maximiser son débit massique par rapport à celui du générateur de gaz 10, un réducteur 16 peut être interposé mécaniquement entre le deuxième arbre rotatif 15 et la soufflante 2, afin de réduire la vitesse de rotation de la soufflante 2 et empêcher que les bouts de pales de la soufflante 2 atteignent des vitesses excessives. La illustre en plus grand détail la turbine basse pression 7 du moteur à turbine à gaz 1. Cette turbine basse pression 7 peut être une turbine axiale avec une pluralité d’étages successifs et comportant un rotor 100 et un stator 200. Le rotor 100, qui peut être solidaire du deuxième arbre rotatif 15 et ainsi être rotatif avec celui-ci autour d’un axe central X du moteur à turbine à gaz 1, peut comporter, pour chaque étage, un aubage tournant 110 formé par une pluralité de pales 120 profilées et s’étendant chacune, suivant une direction radiale Y sensiblement perpendiculaire à l’axe central X, d’un pied de pale 121 à une tête de pale 122. Comme illustré sur la , chaque pale 120 peut être formée individuellement, même s’il est également envisageable de former une pluralité de pales, voire un aubage entier, en une pièce monobloc. Chaque pale 120 peut comporter, au pied de pale 121, un organe de fixation 123, par exemple en sapin ou queue d’aronde, pour fixer la pale 120 au rotor 100, ainsi qu’une plateforme 124 pour délimiter la veine 17. Chaque pale 120 peut également comporter, à la tête de pale 122, une autre plateforme 125 pour délimiter la veine 17, ainsi que, radialement au-delà de cette plateforme 125, des léchettes 126 opposées à des éléments abradables 230 à l’intérieur d’un carter 240 du stator 200. Comme illustré sur la , le stator 200 peut comporter un ou plusieurs aubages fixes 210, nommés distributeurs ou redresseurs, intercalés entre les aubages tournants 110 du rotor 100. La illustre un secteur annulaire d’un tel aubage fixe 210, comportant plusieurs aubes 220 profilées et s’étendant chacune, en direction sensiblement perpendiculaire à l’axe central X, d’un pied d’aube 221 à une tête d’aube 222. Cet aubage fixe 210 peut également comporter des viroles interne 224 et externe 225, respectivement en pied et tête d’aube, contribuant aussi à délimiter la veine 17. Radialement à l’intérieur de la virole interne 224, l’aubage fixe 210 peut également présenter un élément abradable 226 opposé à des léchettes 130 du rotor 100. Afin d’éviter une source de frottement entre rotor 100 et stator 200 pendant le fonctionnement du moteur à turbine à gaz 1, et cela sur une large plage de températures, un certain jeu axial d1 peut être requis entre les plateformes 124, 125 et les viroles 224, 225 adjacentes. Une partie des gaz de combustion chauds circulant dans la veine 17 peut alors s’en échapper par ces espaces, comme illustré par les flèches F sur la . Comme dans le mode de réalisation illustré, afin d’empêcher que ces fuites progressent radialement vers l’intérieur du rotor 100, chaque aubage 110 du rotor 100 peut comporter au moins une surface 150 opposée à une surface correspondante 250 du stator 200, à une distance d2 qui peut être par exemple entre 0 et 4 mm. Les deux surfaces 150 et 250 peuvent être sensiblement cylindriques, coaxiales et parallèles à l’axe central X, quoiqu’elles puissent alternativement être coniques, voire même perpendiculaires à l’axe central X. La première surface 150, appartenant au rotor 100, peut présenter un rainurage en chevrons, comportant une pluralité de rainures 300 inclinées, par rapport à une direction de rotation R du rotor 100, en une première direction d’un premier côté A du rainurage et en une deuxième direction opposée à la première direction d’un deuxième côté B. Ces rainures 300 peuvent présenter une profondeur d3 entre 0.005 et 0.03 mm, une largeur d4 entre 0.1 et 1 mm et un pas d5 entre une et deux foix la largeur d4. Par ailleurs, l’angle d’inclinaison α des rainures 300 par rapport à un plan perpendiculaire à la direction de rotation R peut être, par exemple, entre 15° et 80°. Il est toutefois alternativement envisageable de former ce rainurage sur la deuxième surface 250, appartenant au stator 200, plutôt que sur la première surface 150 appartenant au rotor 100. D’autres formes de rainurage sont également envisageables alternativement à un rainurage en chevrons, comme par exemple un rainurage en diagonale avec des rainures présentant chacune une inclinaison constante entre ses deux extrémités, ou un rainurage en spirale avec des rainures incurvées. Lorsque l’aubage 110 du rotor 100 est formé par des pales 120 individuellement formées, la première surface 150 peut être formée par un ensemble de becquets 160 solidaires des pales 120. En particulier, comme illustré sur la , chaque becquet 160 peut être formé en prolongation axiale de la plateforme 124, décalé en direction radiale vers l’intérieur par rapport à celle-ci, de manière à passer sous la virole interne 224 de l’aubage fixe 210 adjacent, qui forme ainsi la deuxième surface 250. Lorsque le moteur à turbine à gaz 1 est en fonctionnement, la rotation et la vibration de la première surface 150, avec ses rainures 300, par rapport à la deuxième surface 250, génèrent un coussin de fluide dans l’espace entre les deux surfaces 150 et 250 restreignant la circulation de fluide à travers cet espace. Les deux surfaces 150 et 250 forment ainsi entre elles un joint d’étanchéité virtuel empêchant la fuite de gaz chauds de combustion vers l’intérieur du rotor 100. Bien que dans le premier mode de réalisation illustré, les deux surfaces opposées 150 et 250 soient situées radialement à l’intérieur de la veine 17, afin de limiter les fuites vers l’intérieur du rotor 100 il est également envisageable de les disposer radialement à l’extérieur par rapport à cette veine 17, par exemple en remplacement des léchettes 126 en tête de pale et des éléments abradables 230, comme dans le mode de réalisation alternatif illustré sur la , afin d’éviter les fuites entre étages de la turbomachine formée par la turbine basse pression 7. Par ailleurs, bien que dans ces deux modes de réalisation le rotor et le stator auxquels appartiennent respectivement les première et deuxième surfaces soient ceux d’une turbine basse pression d’un turboréacteur à soufflante, il est également envisageable d’appliquer cette solution d’étanchéité à la turbine haute pression, ou à l’un des compresseurs de ce même moteur à turbine à gaz, voire même à d’autres types de turbomachines. Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples spécifiques, il est donc évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif. Turbomachine comprenant : au moins un rotor (100) apte à tourner autour d’un axe central (X) et comprenant une première surface (150) disposée autour de l’axe central (X), et au moins un stator (200) comprenant une deuxième surface (250) disposée opposée à la première surface (150) autour de l’axe central (X), dans laquelle au moins une desdites première et deuxième surfaces (150,250) présente un rainurage incliné, par rapport à une direction de rotation (R) du rotor (100), en une première direction d’un premier côté (A) du rainurage et en une deuxième direction opposée à la première direction d’un deuxième côté (B) du rainurage. Turbomachine suivant la revendication 1, dans laquelle le rotor (100) comprend une pluralité de pales (120) s’étendant chacune, en direction (Y) sensiblement perpendiculaire à l’axe central (X), d’un pied de pale (121) à une tête de pale (122). Turbomachine suivant la revendication 2, dans lequel chaque pale (120) comprend une plateforme (124,125) disposée en pied de pale et/ou en tête de pale, avec un becquet (160) pour former la première surface (150). Turbomachine suivant l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le rainurage est en chevrons. Turbomachine suivant l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle lesdites première et deuxième surfaces (150,250) sont sensiblement parallèles à l’axe central (X). Turbomachine suivant l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les première et deuxième surfaces (150,250) sont séparées par une distance (d2) non supérieure à 4 mm. Turbomachine suivant l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le rainurage a une profondeur (d3) non inférieure à 0,005 mm. Procédé d’utilisation de la turbomachine suivant l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première surface (150) tourne avec le rotor (100), autour de l’axe central (X), à une telle vitesse de rotation par rapport au stator avec la deuxième surface que le rainurage forme un coussin de fluide d’épaisseur au moins égale à une distance minimale (d2) entre les première et deuxième surface (150,250), ledit coussin d’air empêchant les fuites de fluide entre les première et deuxième surface (150,250).