FR2941488A1

FR2941488A1 - Anneau de turbine a encoche anti-rotation

Info

Publication number: FR2941488A1
Application number: FR0950502A
Authority: FR
Inventors: Bruno Druez; Thomas Langevin; Sebastien Jean Laurent Prestel; Guillaume Sevi
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2009-01-28
Publication date: 2010-07-30
Anticipated expiration: 2029-01-28
Also published as: US20100284811A1; US8425184B2; FR2941488B1

Abstract

Secteur d'anneau de turbine pour turbomachine destiné à être soutenu en amont par un support aval (8) d'un carter de turbine (3) de façon glissante circulairement, comprenant une première butée (11) apte à coopérer avec une seconde butée (12) portée par un élément (13) de ladite turbomachine adjacent audit anneau pour le bloquer circulairement, ledit secteur (4) comportant sur une extrémité faisant face audit élément (13) une encoche (10) apte à laisser passer ladite seconde butée (12) pour entrer en contact avec ladite première butée (11), ladite encoche étant découpée sensiblement sous la forme d'un rectangle comportant au niveau du fond de l'encoche (10) des coins arrondis selon un arc de cercle de rayon r, caractérisé en ce que le fond de l'encoche (10) a une forme convexe tangente aux arcs de cercle des coins arrondis et présentant une courbure évolutive entre un rayon de courbure r au niveau de son rattachement aux coins arrondis et un rayon R, supérieur au rayon r, en un point situé entre les deux coins arrondis.

Description

Le domaine de la présente invention est celui des moteurs aéronautiques et plus particulièrement celui des turbomachines. Les turbomachines aéronautiques comprennent classiquement plusieurs modules tels qu'un compresseur basse pression (BP) suivi d'un compresseur haute pression (HP), une chambre de combustion, une turbine haute pression suivie d'une turbine basse pression, qui entraînent chacune le compresseur BP ou HP correspondant, et un dispositif d'éjection des gaz. Chacune des turbines est formée alternativement de roues d'aubes fixes ou distributeurs et de roues d'aubes mobiles qui forment ensemble un étage de turbine. Les modules de turbine BP peuvent comporter plusieurs étages, qui sont le plus souvent au nombre de deux. Dans la suite de la description les mentions amont et aval s'entendent en référence au sens de circulation des gaz dans la 15 turbomachine, Les aubes mobiles sont portées à leur partie inférieure par le rotor de la turbomachine et fixées sur un disque de turbine. Les aubes de distributeurs sont réalisées sous la forme de secteurs d'aubes adjacentes, tenus par leur partie supérieure et fixés sur un carter dénommé carter de 20 turbine. Les aubes mobiles sont, en général, positionnées en face d'un matériau abradable porté par une pièce circulaire fixée au carter et dénommée anneau de turbine. Des léchettes portées par le talon de l'aube s'engagent dans cet abradable pour assurer une étanchéité entre l'amont de l'aube et son aval, malgré les déformations dues aux vibrations et aux 25 dilatations différentes des divers matériaux. Les anneaux de turbine des étages BP sont réalisés sous la forme de plusieurs secteurs, qui sont, pour chacun d'eux, montés sur une nervure du carter de turbine et maintenus en rotation, en général par la coopération d'une première butée portée par l'anneau avec une seconde 30 butée portée soit par le secteur d'aubes de distributeurs qui est situé en amont de ce secteur de l'anneau, soit par le carter. Pour que la butée du distributeur ou du carter puisse atteindre la butée de l'anneau, une découpe, ou encoche, est pratiquée dans l'anneau au travers de laquelle s'étend la butée du distributeur ou du carter. 35 Dans l'art antérieur cette encoche a la forme d'un cylindre à génératrices radiales, de section rectangulaire, le rectangle étant ouvert sur un côté en débouchant vers le distributeur et présentant d u côté opposé des coins arrondis et un fond plat. L'anneau de turbine est soumis au cours de sa vie, à une succession de séquences de chauffage et de refroidissement, avec pour chaque chauffage une déformation en aplatissement du secteur chauffé. Chaque secteur de l'anneau est donc soumis à un cycle de contraintes, qui, dans l'art antérieur, a pour conséquence l'apparition de criques dans la zone du raccordement des coins arrondis au fond de l'encoche. De façon connue il est possible de diminuer le niveau de ces contraintes en augmentant le rayon de courbure de ces coins, mais cette technique atteint très rapidement ses limites, du fait de la largeur limitée de la partie de l'anneau dans laquelle est découpée cette encoche. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un anneau de turbine avec une encoche qui ne présente pas certains des inconvénients de l'art antérieur et, notamment, qui bénéficie d'une durée de vie améliorée. A cet effet, l'invention a pour objet un secteur d'anneau de turbine pour turbomachine destiné à être soutenu en amont par un support aval d'un carter de turbine de façon glissante circulairement, comprenant une première butée apte à coopérer avec une seconde butée portée par un élément de ladite turbomachine adjacent audit anneau pour le bloquer circulairement, ledit secteur comportant sur une extrémité faisant face audit élément une encoche apte à laisser passer ladite seconde butée pour entrer en contact avec ladite première butée, ladite encoche étant découpée sensiblement sous la forme d'un rectangle comportant au niveau du fond de l'encoche des coins arrondis selon un arc de cercle de rayon r, caractérisé en ce que le fond de l'encoche a une forme convexe tangente aux arcs de cercle des coins arrondis et présentant une courbure évolutive entre un rayon de courbure r au niveau de son rattachement aux coins arrondis et un rayon R, supérieur au rayon r, en un point situé entre les deux coins arrondis. Le passage d'un fond d'encoche en rectangle à un fond en anse de panier permet de réduire de façon très sensible le niveau des contraintes observées en fonctionnement au niveau du raccordement entre les coins arrondis et le fond de l'encoche.

De façon préférentielle le fond de ladite encoche comporte au moins une portion en arc de cercle, de rayon R. De façon alternative le fond de ladite encoche comporte au moins deux arcs de cercle tangents l'un à l'autre, de rayons R1 et R2, supérieurs à r, R2 étant supérieur à R1 et l'arc de cercle de rayon R1 étant tangent à l'arc de cercle de rayon r d'un des coins arrondis. L'amélioration consiste à repousser le plus possible vers l'aval de l'anneau, la tangente au point de raccordement des coins avec le fond de l'encoche, de façon à éviter des courbures trop faibles qui pourraient servir de point de départ à des criques. Dans un mode particulier de réalisation le fond de ladite encoche a la forme de deux hélices ayant chacune une tangente commune avec un des arcs de cercle des coins arrondis, et dont la courbure varie continûment du rayon r au rayon R.

Cette configuration constitue une version particulière de la configuration précédente, avec une multitude d'arcs de cercle dont les rayons sont en progression constante. Préférentiellement le rayon R est supérieur d'au moins 5 fois au rayon r. de façon encore plus préférentielle le rayon R est supérieur d'au 20 moins 10 fois au rayon r. Ces rapports garantissent des contraintes faibles en fonctionnement, et corrélativement une absence de développement de criques. L'invention concerne également un module de turbine d'une 25 turbomachine comprenant au moins un secteur d'anneau de turbine tel que décrit ci-dessus et une turbomachine comprenant un tel module de turbine. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au 30 cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue en coupe radiale d'un deuxième étage 35 d'une turbine BP, avec une aube de distributeur et un anneau immobilisés en rotation par un ensemble de butées ; - la figure 2 est une vue en perspective d'un secteur d'anneau de turbine, comportant une encoche selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 est une vue en perspective d'un secteur de 5 distributeur de deuxième étage de turbine BP et de l'anneau de turbine correspondant, avec la butée du distributeur en place dans l'encoche de l'anneau; - la figure 4 est une vue d'un détail de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue schématique donnant la forme d'une 10 encoche d'anneau de turbine, selon l'art antérieur ; - la figure 6 est une vue schématique donnant la forme d'une encoche d'anneau de turbine selon un mode de réalisation de l'invention. En se référant à la figure 1, on voit en coupe un second étage de turbine BP, au niveau de sa circonférence extérieure, comprenant une 15 aube de distributeur, ou aube fixe 1, en amont d'une aube mobile 2 (l'amont étant positionné à gauche sur la figure), les deux aubes étant toutes deux contenues dans un carter de turbine 3. L'aube mobile 2 est placée en vis-à-vis d'un anneau de turbine 4, qui porte un matériau abradable 5, dans lequel peuvent pénétrer des léchettes 6 portées par 20 l'aube mobile 2 pour assurer l'étanchéité longitudinale entre l'amont et l'aval de l'aube dans la veine de gaz. Le talon 13 de l'aube de distributeur 1 est porté du côté amont par une nervure en forme de crochet amont 7 s'étendant axialement à partir du carter 3, et du côté aval par un support 9 ménagé dans l'anneau 25 de turbine 4. L'anneau de turbine 4 présente, du côté amont, une extension en forme de rainure 14, la partie supérieure d e la rainure s'étendant axialement pour venir prendre appui sur une nervure du carter 3. Celle-ci, qui s'étend axialement en aval du distributeur 1 sous la forme d'un crochet ou support aval 8, forme un support amont à l'anneau de 30 turbine. La partie inférieure de la rainure 14 forme le support 9 qui soutient la partie aval du talon 13 de l'aube fixe 1. La figure 2 montre un secteur 4 d'un anneau de turbine avec la couche de matériau abradable 5 située à sa partie inférieure et son support 9 à la partie inférieure de la rainure 14, qui a pour fonction de 35 soutenir le talon 13 d'un secteur de distributeur BP. Sur la circonférence du support 9 est découpée une encoche 10, qui est positionnée à côté d'une première butée circonférentielle 11 dont la fonction est de retenir l'anneau en rotation, l'anneau étant en son absence libre de glisser le long du crochet aval 8 sur lequel il est posé. Sur les figures 3 et 4 on voit un secteur d'anneau 4 en position sur le crochet aval 8 du carter 3. Un secteur d'aubes de distributeur BP 1 est également en position, l'extrémité aval de son talon 13 étant aussi en contact avec le support 9 de l'anneau 4. Le secteur de distributeur porte une seconde butée 12 qui fait saillie axialement du flanc du talon 13 du distributeur 1 pour coopérer avec la première butée 11 du secteur d'anneau 4. Cette seconde butée 12 passe au travers de l'encoche 10 qui est pratiquée dans le support 9 pour lui permettre d'atteindre la première butée 11. En se référant aux figures 5 et 6 on voit, en coupe, la section de l'encoche 10 dans deux configurations. Dans l'art antérieur représenté sur la figure 5, l'encoche 10 a la forme d'un rectangle ouvert découpé dans le support 9, dont les deux angles du fond sont arrondis, avec un rayon de courbure relativement faible noté r ; le fond de l'encoche est rectiligne. Dans le mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 6, l'encoche 10 a également sensiblement la forme d'un rectangle dont les angles du fond sont arrondis avec le même faible rayon de courbure r. En revanche le fond de l'encoche est découpé selon un arc de cercle dont le rayon de courbure R est très supérieur à r, pour donner à l'encoche une forme en anse de panier. Les arcs de cercle de rayon de courbure r et R sont dans le prolongement l'un de l'autre, alignés selon leur tangente commune. Les expérimentations menées ont montré une diminution très significative du niveau des contraintes, à laquelle est associée la quasi disparition des criques en fond d'encoche, dès que le rapport des rayons r et R atteint la valeur 5. L'amélioration est encore meilleure si l'on choisit pour le fond de l'encoche 10, un rayon de courbure R dix fois supérieur à celui du rayon r qu'il prolonge. En revanche pour des rapports encore plus élevés (par exemple de l'ordre de 50) ce bénéfice s'estompe. De façon alternative l'anse de panier peut être réalisée par une succession de rayons de courbure adjacents RI, R2, ..., sans que leur nombre soit limité à deux, de façon à obtenir la plus grande réduction possible du niveau des contraintes relevées en fond d'encoche. Cette possibilité d'utiliser en cascade un rayon R1, plus grand que r, suivi d'un second rayon R2 encore plus grand que R1, est utile pour pratiquer une découpe qui ne s'enfonce pas trop dans la profondeur du support 9 ; on peut ainsi conserver une épaisseur de métal la plus grande possible pour le support 9, au niveau du fond de l'encoche 10, tout en gardant un rayon de courbure le plus élevé possible au niveau du raccordement du fond de l'encoche avec le coin arrondi. A la limite il est possible de multiplier indéfiniment le nombre de rayons de courbure pour arriver ainsi à une forme en hélice. Le fond de l'encoche a alors la forme de deux hélices partant, chacune, d'un des coins du fond du rectangle en prolongeant l'arrondi de rayon r, et se rejoignant au centre du fond de l'encoche, le rayon de courbure en ce point étant un rayon R supérieur à r. De manière plus générale le fond de l'encoche 10 a une forme convexe, présentant une courbure évolutive entre un rayon de courbure r égal à celui des coins arrondis, au niveau de son rattachement à ces coins arrondis, et un rayon R, supérieur au rayon r, en un point situé entre les deux coins arrondis. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec plusieurs modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.25

Claims

REVENDICATIONS1. Secteur d'anneau de turbine pour turbomachine destiné à être soutenu en amont par un support aval (8) d'un carter de turbine (3) de façon glissante circulairement, comprenant une première butée (11) apte à coopérer avec une seconde butée (12) portée par un élément (13) de ladite turbomachine adjacent audit anneau pour le bloquer circulairement, ledit secteur (4) comportant sur une extrémité faisant face audit élément (13) une encoche (10) apte à laisser passer ladite seconde butée (12) pour entrer en contact avec ladite première butée (11), ladite encoche étant découpée sensiblement sous la forme d'un rectangle comportant au niveau du fond de l'encoche (10) des coins arrondis selon un arc de cercle de rayon r, caractérisé en ce que le fond de l'encoche (10) a une forme convexe tangente aux arcs de cercle des coins arrondis et présentant une courbure évolutive entre un rayon de courbure r au niveau de son rattachement aux coins arrondis et un rayon R, supérieur au rayon r, en un point situé entre les deux coins arrondis.
2. Secteur d'anneau de turbine selon la revendication 1 dans 20 lequel le fond de ladite encoche comporte au moins une portion en arc de cercle, de rayon R.
3. Secteur d'anneau de turbine selon la revendication 1 dans lequel la fond de ladite encoche comporte au moins deux arcs de cercle tangents l'un à l'autre, de rayons RI et R2, supérieurs à r, R2 étant 25 supérieur à RI et l'arc de cercle de rayon R1 étant tangent à l'arc de cercle de rayon r d'un des coins arrondis.
4. Secteur d'anneau de turbine selon la revendication 1 dans lequel le fond de ladite encoche a la forme de deux hélices ayant chacune une tangente commune avec un des arcs de cercle des coins arrondis, et 30 dont la courbure varie continûment du rayon r au rayon R.
5. Secteur d'anneau de turbine selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le rayon R est supérieur d'au moins 5 fois au rayon r.
6. Secteur d'anneau de turbine selon la revendication 5 dans lequel le rayon R est supérieur d'au moins 10 fois au rayon r.
7. Module de turbine d'une turbomachine comprenant au moins un secteur d'anneau de turbine selon l'une des revendications précédentes.
8. Turbomachine comprenant un module de turbine selon la 5 revendication précédente.