FR2893357A1 - Lechette annulaire destinee a un labyrinthe d'etancheite et son procede de fabrication - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une pièce thermomécanique de turbomachine de révolution autour d'un axe longitudinal (X-X'), en particulier un rotor, comprenant au moins une léchette annulaire (10) destinée à un labyrinthe d'étanchéité.De façon caractéristique, la léchette (10) présente en direction radiale une hauteur variable le long de sa circonférence en formant plusieurs parties en saillie (14).

Description

L'invention concerne une pièce thermomécanique de turbomachine de

révolution autour d'un axe longitudinal, comprenant au moins une léchette annulaire destinée à un labyrinthe d'étanchéité, son procédé de fabrication, et une turbomachine équipée d'une telle pièce thermomécanique. Un labyrinthe d'étanchéité, encore appelé joint labyrinthe, comprend une partie tournante à ailettes (ou léchettes) avec un alésage statique recouvert d'un matériau abradable mou, ou une structure en nid d'abeilles capable de résister à des températures élevées. Au démarrage du moteur, les ailettes du joint frottent légèrement contre la garniture, mordant dans cette dernière, ce qui aboutit à un écartement minimum. Ce jeu varie au cours des différents cycles de vol, selon la dilatation des pièces et la souplesse naturelle des parties mobiles. Les léchettes de labyrinthes permettent d'assurer les étanchéités aérodynamiques entre des enceintes d'air sous des pressions différentes. Elles sont en général situées sur la partie rotor en vis-à-vis de parties statoriques. Elles sont constituées principalement de lames continues ou segmentées de forme annulaire, pouvant être dirigées radialement vers l'intérieur ou vers l'extérieur.

En particulier, lorsqu'elles présentent une forme continue, les léchettes sont susceptibles d'entrer en contact avec le stator dans certaines configurations de fonctionnement. Pour éviter leur destruction dans ces situations, on équipe les stators de revêtements permettant l'interface et qui sont dénommés abradables . Dans ce cas, les séquences usuelles de pénétration des léchettes dans les abradables consistent en une coupe radiale associée à un déplacement axial ( chariotage ). Les matériaux abradables usuels peuvent se révéler en réalité relativement abrasifs, particulièrement vis-à-vis de certaines léchettes continues, surtout si celles-ci sont réalisées en alliage à base de titane, mais aussi en acier ou en alliage à base de nickel. C'est notamment particulièrement vrai pour les abradables réalisés sous la forme de nids d'abeilles en alliage réfractaire. Pour éviter les détériorations, voir les destructions, des 35 léchettes, habituellement on revêt celles- ci par projection thermique (torche à plasma, à flamme oxygène à haute vitesse HVOF, ...) d'un dépôt abrasif de type alumine/bioxyde de titane ou carbure, par exemple sur une sous-couche d'alliage aluminium et nickel, pour en assurer l'adhérence. Le dépôt par projection thermique requiert de respecter des angles relatifs de projection entre l'axe de la torche et les surfaces des pièces à revêtir, de manière à ce que l'impact des particules projetées soit le plus orthogonal possible par rapport à la surface à revêtir afin d'obtenir une qualité et une adhérence du dépôt satisfaisantes. Également cette technique exige une distance minimale entre l'outil de projection et la surface : en effet la zone centrale chaude du dard de la torche est à plusieurs milliers de degrés centigrades et il faut donc la tenir suffisamment éloignée de la pièce ; en outre, les particules à déposer doivent être suffisamment accélérées pour adhérer sur les surfaces à protéger.

Par ailleurs, les gaz propulseurs ou plasmagènes utilisés pour la projection doivent pouvoir être aisément évacués sans toutefois souffler la poudre projetée en créant des turbulences. En général, les léchettes sont orientées quasiment de façon orthogonale aux surfaces cylindriques des rotors, et elles sont souvent situées au voisinage de toiles de disques ou de labyrinthes, au fond de cavités ou à proximité d'autres léchettes lorsqu'elles sont disposées en série. Parmi ces situations, nombreux sont les cas qui présentent un agencement géométrique qui rend la réalisation de dépôt par projection thermique très aléatoire ou quasiment impossible. La présente invention a pour but de surmonter cet inconvénient en proposant une solution qui permette de s'affranchir de la réalisation de dépôt par projection thermique afin de pouvoir tout de même réaliser des léchettes qui ne sont pas endommagées par leur contact avec la couronne d'abradable. Ce but de l'invention est atteint par le fait que la pièce thermomécanique de turbomachine est équipée d'une léchette qui présente en direction radiale une hauteur variable le long de sa circonférence en formant plusieurs parties radialement en saillie.

De cette façon, on comprend que la léchette ne forme plus une lame continue présentant une hauteur constante, mais que du fait de la

présence des parties en saillie distinctes, c'est-à-dire d'un profil tranversal de léchette ayant un contour extérieur non circulaire, elle présente, outre la fonction d'étanchéité, également un aspect outil de coupe . De cette façon, on peut se passer du dépôt d'un revêtement abrasif.

En effet, on propose donc de remplacer une lame continue, de section constante, revêtue d'un dépôt de protection également continu, par une léchette formé d'une lame continue ou discontinue comportant des éléments abrasifs ou coupants résultants des différentes parties en saillie réparties sur différents secteurs angulaires.

En particulier, on prévoit que la léchette forme un anneau de forme discontinue en section présentant le long de sa circonférence plusieurs parties en saillie entre lesquelles subsiste un intervalle ou une rupture dans la hauteur. De cette façon, on forme directement dans le volume de la léchette des dents de scie qui pourront entamer plus facilement le matériau abradable qu'une léchette formée d'une lame continue. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication d'une léchette annulaire destinée à un labyrinthe d'étanchéité, sur une pièce thermomécanique de turbomachine de révolution autour d'un axe longitudinal. L'invention a pour but de proposer un procédé permettant de manière simple de fabriquer une telle léchette sans recourir à un dépôt de revêtement. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que le procédé 25 comporte les étapes suivantes : a) on fournit une pièce thermomécanique de turbomachine de révolution autour d'un axe longitudinal présentant une léchette annulaire de hauteur en direction radiale sensiblement constante tout le long de la circonférence, 30 b) on fournit une machine d'usinage ainsi qu'un outil d'usinage ayant un profil en creux qui contient le profil radial de la léchette annulaire, c) on réalise l'usinage de dépouilles au moins sur un secteur angulaire par dégagement de matière sur les flancs et sur le sommet de la léchette en faisant tourner la pièce autour de son axe sur un angle inférieur à 360 35 tout en réalisant une plongée radiale de l'outil d'usinage en direction de l'axe longitudinal , d) on retire l'outil d'usinage, ce par quoi on obtient une forme de léchette avec une hauteur variant progressivement au moins sur un secteur angulaire.

Dans ce cas, on comprend que la forme de la léchette est modifiée par usinage, plus précisément par tournage, à l'aide d'un outil d'usinage, pour former différentes parties en saillie, ayant par exemple la forme d'une dent de scie, c'est-à-dire une hauteur de léchette variable le long de sa circonférence.

Par exemple, on réalise les étapes c) et d) sur trois secteurs angulaires de 120 pour former trois dents de scie le long de la circonférence de la léchette. On comprend que l'on réalise une léchette apte, par sa seule forme présentant une hauteur variable, en l'espèce une surépaisseur formée par le cavalier, à usiner l'abradable à l'instar d'un outil de coupe, sans recourir à un dépôt par projection thermique. En outre, ce procédé de fabrication conforme à l'invention peut être mis en oeuvre quel que soit l'emplacement ou l'agencement de la léchette, en particulier quel que soit l'espace disponible autour de la léchette qui forme une partie d'une pièce thermomécanique, en particulier un rotor de turbomachine. Egalement, la présente invention porte sur une turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte une pièce thermomécanique réalisée conformément au procédé décrit précédemment et/ou conforme à la description qui suit. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation de l'invention représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 montre une demi coupe axiale d'un rotor de turbine d'un turboréacteur avec la disposition du flasque et des labyrinthes d'étanchéité en amont des injecteurs principaux, - la figure 2 représente une vue en coupe axiale schématique partielle et agrandie d'une pièce thermomécanique de révolution montrant le profil de la circonférence d'une léchette conformément à une première variante de réalisation de l'invention,

- les figures 3 et 4 représentent des vues en coupe radiale agrandies et partielles montrant la fabrication de la léchette lors de deux étapes différentes du procédé de fabrication conforme à l'invention, respectivement selon les lignes III-III et IV-IV de la figure 2, et - les figures 5 à 7 sont des vues identiques à celles des figures 2 à 4 pour une autre variante de réalisation de l'invention. La présente invention portant sur des léchettes d'étanchéité d'une pièce thermomécanique de révolution de turboréacteur, en particulier pour un rotor, on décrit ci-après une application possible, non limitative, de cette forme de léchette conforme à la présente invention. La figure 1 représente un cas dans lequel les léchettes sont utilisées dans les labyrinthes étanchéité et sont disposées en face d'éléments abradables. Il s'agit du cas du circuit de ventilation d'une turbine à haute pression disposée en aval d'une chambre de combustion 106. En particulier, on y trouve une turbine 108 avec son rotor de révolution, mobile en rotation autour d'un axe X-X'. Le rotor de la turbine 108 comporte un disque de turbine 40 équipé d'aubes 42, et un flasque 44 disposé en amont du disque 40. Le disque 40 et le flasque 44 comportent chacun une bride amont, référencée 40a pour le disque 40 et 44a pour le flasque 44, pour leur fixation à l'extrémité aval 46 du cône aval 48 du compresseur haute pression entraîné par le rotor de la turbine 108. Cet agencement de circuit de refroidissement comporte trois labyrinthes successifs de décharge. Un premier labyrinthe de décharge 60 est formé en amont de l'enceinte 52 séparant le flasque 44 du fond de chambre et en aval de l'enceinte 54 séparant le cône aval 48 du compresseur à haute pression du carter intérieur 50 de la chambre de combustion 106. Ce premier labyrinthe de décharge 60 comprend des léchettes 48a formée sur le cône aval 48 et une couronne 50a de matériau abradable montée à l'extrémité d'un flasque solidaire du carter intérieur 50. Un deuxième labyrinthe de décharge 62 est situé sous des injecteurs 64, en aval de l'enceinte 52. Ce deuxième labyrinthe de décharge 62 est formé de léchettes 44b du flasque 44 et d'une couronne de matériau abradable 64a montée sur les injecteurs 64.

Le troisième labyrinthe de décharge 66 est situé au-dessus des injecteurs 64, et comporte trois léchettes 44c successives formées sur une portion coudée 44d du flasque 44 et une couronne d'étanchéité abradable 68a montée sur le carter intérieur 68.

Selon l'invention, toutes ou une partie de ces différentes léchettes 48a, 44b et 44c présentent une forme avec une épaisseur variable le long de leur circonférence, sans aucun revêtement, et non une forme d'anneau d'épaisseur constante présentant un revêtement. Sur la figure 1, l'application de la présente invention est représentée en relation avec une turbine haute pression. Toutefois, il faut comprendre que la présente invention peut être mise en oeuvre dans d'autres zones d'une turbomachine, notamment dans un compresseur haute pression, un compresseur basse pression ou une turbine basse pression. Également, sur la figure 1, les léchettes sont disposées sur un rotor mobile en étant toutes dirigées radialement en direction de l'extérieur. Cependant, on conçoit tout à fait que la présente invention peut également s'appliquer à des léchettes dirigées radialement en direction de l'axe de rotation. À titre d'exemple de la présente invention, on se reporte maintenant aux figures 2 à 4. Sur la figure 2, on retrouve l'axe de rotation X-X' autour duquel s'étend radialement une léchette 10 présentant un contour intérieur circulaire l0a d'axe X-X' et un contour extérieur 10b circonscrit dans un cercle 10c d'axe X-X' indiqué en traits pointillés. On peut considérer que le cercle 10c forme le contour extérieur d'une léchette annulaire conforme à l'art antérieur, c'est-à-dire qui présente une hauteur constante le long de sa circonférence. Ici, le contour extérieur 10b présente la forme de trois lignes sensiblement courbes, réparties chacune sur un angle de 120 , et dont la distance par rapport à l'axe X-X' varie progressivement dans le même sens en diminuant dans le sens horaire sur la figure 2 . Pour comprendre quelle forme présente précisément ce contour extérieur 10b, on se reportera maintenant aux figures 3 et 4 illustrant le procédé de fabrication par usinage de cette léchette 10. À titre d'exemple, on utilise une machine à électro érosion ("Electro Discharge Machine" ou machine d'usinage par procédé électrolytique) qui utilise un outil d'usinage formé d'une électrode 12. Cette électrode 12 comporte une zone de coupe 12a ayant un profil en creux dont la section présente une forme en U assez proche du contour en coupe radiale de la léchette 10 comme il apparaît sur la figure 3. En effet, la léchette 10 présente, avant usinage un contour radial avec deux flancs 10c (ou parois latérales) inclinés qui se rapprochent en convergeant en direction du contour extérieur 10b formant le sommet et qui est parallèle à l'axe X-X' sur une largeur Il. Le profil en creux de l'électrode 12 présente une forme similaire avec des dimensions toutefois légèrement différentes. En effet, le profil en creux de l'outil d'usinage, en l'espèce l'électrode 12, forme une zone de coupe 12a en U dont les branches (parois inclinées 12c) forment entre elles sensiblement le même angle que les parois latérales (flancs 10c) de la léchette 10, et dont la base du U (fond 12b) est moins large que le sommet (contour extérieur 10b) de la léchette 10 en direction longitudinale. En particulier, le fond 12b de l'électrode présente une largeur 12 plus faible que 11 et les deux parois inclinées 12c de l'électrode 12 forment entre elles le même angle que les flancs 10c de la léchette 10. De cette façon, on comprend, comme il ressort de la figure 3, que lorsque les parois inclinées 12c de l'électrode 12 sont mises en contact contre les flancs 10c de la léchette, le fond 12b de l'électrode n'est pas encore en contact avec le contour extérieur 10b ou sommet de la léchette puisqu'il existe un espace de hauteur d entre ces deux surfaces. Pour réaliser chacune des trois zones dépouillées qui vont former respectivement les trois lignes courbes du contour extérieur 10c, on réalise une seule passe d'usinage pendant la rotation sur un tiers de tour de la pièce sur laquelle est présente la léchette 10 (en particulier le rotor), par plongée radiale d'un pas p en direction de l'axe X-X' de l'électrode 12. Au cours de cette étape d'usinage, l'électrode 12 étant au départ dans la position illustrée sur la figure 3, les parois inclinées 12c de l'électrode 12 commencent à entamer les flancs 10c tandis que le contour extérieur 10b n'est pas encore usiné puisque le fond 12b de l'électrode n'a pas encore atteint le sommet 10b de la léchette. Ensuite est réalisé l'usinage simultané du contour extérieur 10b et des flancs 10c de la léchette comme il ressort de la figure 4, sur une épaisseur de plus en plus importante au fur et à mesure de la plongée de l'électrode 12 ; avant une dernière zone d'usinage au cours de laquelle l'électrode 12 est maintenue en position radiale constante alors que la rotation de la léchette 10 continue un peu, ce qui engendre une zone de dépouille identique jusqu'au secteur angulaire suivant. Enfin, on arrête la rotation et on retire l'électrode 12 avant de recommencer cet usinage pour un autre secteur angulaire de 120 . Ces étapes d'usinage engendrent la formation d'une dent 14 au niveau de chaque secteur angulaire entre lesquels est formé une rupture ou un intervalle 15 de la hauteur de la léchette 10. Sur l'exemple illustré par les figures 2 à 4, l'usinage est réalisé sur un secteur angulaire de 120 , ce qui réalise trois dents 14. Néanmoins, plus généralement, on peut prévoir que cette étape d'usinage est réalisée en au moins trois emplacements, en faisant tourner la pièce tour de son axe sur un angle au plus égale à 120 . Le procédé de fabrication comporte donc une étape d'usinage c) au cours de laquelle on réalise l'usinage de dépouilles au moins sur un secteur angulaire par dégagement de matière sur les flancs 10c et sur le sommet 10b de la léchette en faisant tourner la pièce autour de son axe sur un angle inférieur à 360 tout en réalisant une plongée radiale de l'outil d'usinage 12 en direction de l'axe longitudinal X-X'.

De façon générale, cette étape c) d'usinage est réalisée en au moins trois emplacements, l'angle étant au plus égal à 120 . Avec les dents 14 de la figure 2, on comprend que grâce à ce procédé chaque partie en saillie ( dent 14) présente une hauteur variant progressivement dans le même sens depuis un intervalle (15) jusqu'à l'intervalle (15) suivant. Selon ce procédé de réalisation conforme à l'invention, il ressort que la léchette 10 est entièrement réalisée dans le même matériau que le reste de la pièce puisque seul un usinage est avantageusement réalisé sans avoir nécessairement à recourir à un dépôt ultérieur.

On prévoir selon une autre variante visible sur les figures 5 à 7, que les dents présentent une autre forme par le fait que chaque partie en saillie présente une hauteur augmentant progressivement depuis un intervalle jusqu'à une pointe et diminuant progressivement depuis ladite pointe jusqu'à l'intervalle suivant. Dans la cas de l'exemple des figures 5 à 7, les étapes de procédé mises en oeuvre sont les mêmes que celles décrites précédemment en relation avec les figures 2 à 4, la seule différence résidant dans le fait que la rotation n'est pas arrêtée entre l'usinage de deux secteurs angulaires et, pour ce faire plutôt que retirer l'électrode 12, on l'écarte assez rapidement avant de la rapprocher à nouveau, ce qui forme une pointe ou dent. A titre indicatif, on peut envisager de mettre en oeuvre le procédé conforme à la présente invention pour des pièces thermomécaniques, en particulier des rotors, réalisées en acier ou en superalliage à base de nickel qui sont destinés à venir se positionner face à une couronne abradable en un matériau métallique déposé par projection plasma (par exemple un dépôt de nickel/graphite ou encore de nickel-chrome-aluminium/bentonite), ou bien un abradable en nid d'abeille en alliage nickel molybdène chrome (de type hastelloy X ûmarque déposée).

Dans ce cas, chaque partie en saillie (14) présente une hauteur maximale dépassant de la hauteur minimale de la léchette (10) d'environ 0,2 mm. Dans ce qui précède on a décrit des léchettes 10 avec trois parties saillantes (dents 14), mais un nombre différent peut être prévu à partir de deux et plus de trois, en respectant de référence une répartition angulaire régulière. De préférence, la léchette 10 comporte au moins trois parties en saillie (14) régulièrement réparties angulairement. En outre sur les dessins, on a représenté une léchette annulaire qui est dirigée radialement vers l'extérieur, mais on peut prévoir d'appliquer la présente invention également pour une léchette annulaire qui est dirigée radialement vers l'intérieur.

Claims (15)

REVENDICATIONS

1. Pièce thermomécanique de turbomachine de révolution autour d'un axe longitudinal (X-X'), comprenant au moins une léchette annulaire (10 ; 20) destinée à un labyrinthe d'étanchéité, caractérisée en ce que la léchette (10) présente en direction radiale une hauteur variable le long de sa circonférence en formant plusieurs parties en saillie (14).

2. Pièce thermomécanique selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la léchette (10) forme un anneau de forme discontinue en section présentant le long de sa circonférence plusieurs parties en saillie (14) entre lesquelles subsiste un intervalle ou une rupture (15) dans la hauteur.

3. Pièce thermomécanique selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque partie en saillie présente une hauteur augmentant progressivement depuis un intervalle jusqu'à une pointe et diminuant progressivement depuis ladite pointe jusqu'à l'intervalle suivant.

4. Pièce thermomécanique selon la revendication 2, caractérisée en ce que chaque partie en saillie (14) présente une hauteur variant progressivement dans le même sens depuis un intervalle (15) jusqu'à l'intervalle (15) suivant.

5. Pièce thermomécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la léchette (10) est entièrement réalisée dans le même matériau que le reste de la pièce.

6. Pièce thermomécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque partie en saillie (14) présente une hauteur maximale dépassant de la hauteur minimale de la léchette (10) d'environ 0,2 mm.

7. Pièce thermomécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la léchette (10) comporte au moins trois parties en saillie (14) régulièrement réparties angulairement.

8. Pièce thermomécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle forme un rotor de turbomachine.

9. Pièce thermomécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la léchette annulaire (10) est dirigée radialement vers l'extérieur.

10.Turbomachine, caractérisée en ce qu'elle comporte une pièce thermomécanique selon l'une quelconque des revendications précédentes.

11. Procédé de fabrication d'une léchette annulaire (10) destinée à un labyrinthe d'étanchéité, sur une pièce thermomécanique de turbomachine de révolution autour d'un axe longitudinal (X-X'), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : a) on fournit une pièce thermomécanique de turbomachine de révolution autour d'un axe longitudinal présentant une léchette annulaire (10) de hauteur en direction radiale sensiblement constante tout le long de la circonférence, b) on fournit une machine d'usinage ainsi qu'un outil d'usinage (12) ayant un profil en creux qui contient le profil radial de la léchette annulaire (10), c) on réalise l'usinage de dépouilles au moins sur un secteur angulaire par dégagement de matière sur les flancs (10c) et sur le sommet (10b) de la léchette (10) en faisant tourner la pièce autour de son axe sur un angle inférieur à 360 tout en réalisant une plongée radiale de l'outil d'usinage (12) en direction de l'axe longitudinal (X-X'), d) on retire l'outil d'usinage (12), ce par quoi on obtient une forme de léchette avec une hauteur variant progressivement au moins sur un secteur angulaire.

12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le profil en creux de l'outil d'usinage (12) forme un U dont les branches (12c) forment entre elles sensiblement le même angle que les parois latérales (10c) de la léchette (10), et dont la base du U (12b) est moins large que le sommet (10b) de la léchette (10) en direction longitudinale.

13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 12, 30 caractérisé en ce que l'étape c) est réalisée en au moins trois emplacements, l'angle étant au plus égal à 120 .

14. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que la machine d'usinage est une machine à électro-érosion (ou machine d'usinage par procédé électrolytique) et en ce que ledit outil 35 d'usinage est une électrode.

15. Procédé selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que la pièce est en acier, en superalliage, en particulier en superalliage à base de nickel, ou en alliage de titane.