FR3009579A1 - Carter de turbine en deux materiaux - Google Patents

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Abstract

L'invention propose un carter (30) de turbine (16) d'aéronef, destiné à porter un ensemble de secteurs d'anneau (28) qui délimite en partie un conduit de passage d'un flux de gaz au travers la turbine (16), le carter (30) comportant des moyens de réglage dynamique de la position radiale des secteurs d'anneau (28) par l'injection contrôlée d'un flux d'air sur des portions (36) d'une paroi annulaire (34) du carter (30), le carter (30) comportant une patte radiale amont (38) qui relie une extrémité amont de chaque secteur d'anneau (28), selon le sens d'écoulement du flux de gaz, au carter (30), et une patte radiale aval (40) qui relie une extrémité aval de chaque secteur d'anneau (28) au carter (30), les deux pattes radiales (38, 40) amont et aval étant réalisées d'une seule pièce avec le carter (30), caractérisé en ce que chaque patte radiale (38, 40) est réalisée en deux parties (42, 44) de matériaux différents.

Description

CARTER DE TURBINE EN DEUX MATERIAUX DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention propose un carter de turbomachine comportant des moyens de fixation de secteurs d'anneau. L'invention propose plus particulièrement un carter comportant des pates radiales qui sont adaptées pour subir à la fois les contraintes thermiques issues des gaz d'échappement et les contraintes liées aux variations dimensionnelles du carter lors du pilotage de jeu. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans une turbomachine d'aéronef, la position radiale du sommet des aubes de la turbine haute pression varie selon les conditions de fonctionnement de la turbomachine, notamment du fait que les aubes se dilatent plus ou moins car elles sont chauffées par les gaz de combustion et aussi du fait que la vitesse de rotation de la turbomachine provoque un allongement des aubes plus ou moins important par action centrifuge. Les aubes de la turbine haute pression sont agencées dans une veine de la turbine, qui est délimitée par un anneau externe formé d'une pluralité de secteurs d'anneau adjacents. Les sommets des aubes évoluent à proximité de la face interne de chaque secteur d'anneau. Puisque la position radiale du sommet de chaque aube varie en fonction des conditions de fonctionnement de la turbomachine, le jeu radial entre le sommet de chaque aube et les secteurs d'anneau varie lui aussi. Si ce jeu est trop important, un tourbillonnement des gaz se produit au niveau du sommet de chaque aube, ce qui nuit à l'efficacité de la turbomachine. Si le jeu est trop faible, le sommet d'une aube peut venir en contact avec un secteur d'anneau et endommager celui-ci.
Le document FR A 2.972.483 décrit un carter de turbomachine permettant de piloter de façon dynamique la position radiale des secteurs d'anneau par rapport aux sommets des aubes. Selon ce document, chaque secteur d'anneau est porté par un carter externe de la turbomachine qui est réalisé de manière à contrôler l'étendue de ce jeu radial. Pour cela, le carter comporte des bosses sur lesquelles est projeté un flux d'air plus froid que la température du carter pour refroidir le carter et provoquer une contraction radiale du carter. Cette contraction du carter amène une diminution du diamètre du carter et de l'anneau, réduisant ainsi le jeu radial entre les sommets des aubes et les secteurs d'anneau. Le carter est généralement appelé "carter de pilotage". La liaison entre les secteurs d'anneau et le carter est réalisée par l'intermédiaire de pattes radiales qui sont formées d'une seule pièce avec le carter, et qui sont reliées à chaque extrémité axiale des secteurs d'anneau. La qualité du pilotage de jeu dépend du matériau utilisé pour former le carter. En effet, ce matériau doit pouvoir se dilater ou se contracter selon une amplitude relativement importante. Cependant, les pattes radiales sont soumises à des contraintes thermiques importantes au niveau de leurs extrémités radiales internes qui sont reliées aux secteurs d'anneau. Par conséquent, le matériau constitutif du carter de pilotage doit aussi pouvoir supporter des hautes températures, pouvant atteindre environ 800°C. L'invention a pour but de proposer un carter de pilotage réalisé en une seule pièce, qui est apte à se dilater efficacement pour réaliser le pilotage de jeu et qui est apte à supporter les contraintes thermiques au niveau des extrémités radiales internes des pattes de liaison. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention propose un Carter de turbine d'aéronef, destiné à porter un ensemble de secteurs d'anneau qui délimite en partie un conduit de passage d'un flux de gaz au travers la turbine, le carter comportant des moyens de réglage dynamique de la position radiale des secteurs d'anneau par l'injection contrôlée d'un flux d'air sur des portions d'une paroi annulaire du carter, le carter comportant une patte radiale amont qui relie une extrémité amont de chaque secteur d'anneau, selon le sens d'écoulement du flux de gaz, au carter, et une patte radiale aval qui relie une extrémité aval de chaque secteur d'anneau au carter, les deux pattes radiales amont et aval étant réalisées d'une seule pièce avec le carter, caractérisé en ce que chaque patte radiale est réalisée en deux parties de matériaux différents. La réalisation du carter en deux matériaux différents permet d'adapter chaque partie du carter à sa fonction ou aux contraintes qu'elle subit. De préférence, chaque patte radiale comporte une partie radialement interne réalisée dans un premier matériau et une partie radialement externe réalisée dans un deuxième matériau. De préférence, la paroi annulaire du carter est réalisée dans ledit deuxième matériau. De préférence, les deux parties de chaque patte radiale sont solidarisées ensemble par soudage. De préférence, le cordon de soudure des deux parties d'une patte radiale est circulaire et coaxial à l'axe principal du carter.
De préférence, le premier matériau est un matériau résistant à la chaleur et le deuxième matériau est un matériau à coefficient de dilatation linéique important. De préférence, le premier matériau est un alliage d'aluminium et de titanium connu sous la désignation C263.
De préférence, le deuxième matériau est un alliage à base de nickel et de chrome connu sous la désignation "inconel 718". L'invention propose aussi une turbine de turbomachine d'aéronef caractérisé en ce qu'elle comporte un ensemble statorique composé d'un carter selon l'invention, et composé d'une pluralité de secteurs d'anneau qui sont fixés directement au moins à la patte radiale amont du carter.
L'invention propose aussi une turbomachine d'aéronef comportant une turbine et/ou un carter selon l'invention. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 est une vue en coupe axiale partielle d'une turbomachine comportant un carter réalisé conformément à l'invention ; - la figure 2 est un détail à plus grande échelle du carter de pilotage représenté à la figure 1, montrant la structure en deux parties des pattes radiales. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On a représenté partiellement à la figure 1 une turbomachine 10 d'axe principal A, qui comporte successivement, dans le sens d'écoulement du flux de gaz, c'est-à-dire ici, de gauche à droite, un compresseur haute pression 12, une chambre de combustion 14 et une turbine haute pression 16. La turbine haute pression 16 comporte une conduite annulaire 18, communément appelée "veine", au travers de laquelle les gaz provenant de la chambre de combustion 14 circulent de l'amont vers l'aval, des distributeurs 20 fixes et des aubes 22 mobiles qui sont agencées dans la veine 18.
Les aubes 22 sont portées par un corps haute pression 24 de la turbine haute pression 16, qui est mobile en rotation autour de l'axe principal A de la turbomachine 10, et relie la turbine haute pression 16 au compresseur haute pression 12. La turbine haute pression 16, comporte un ensemble statorique radialement externe qui délimite en partie la veine et qui comporte une pluralité de secteurs d'anneau 28 adjacents qui délimitent radialement la veine 18. L'ensemble statorique comporte aussi un carter externe de la turbine haute pression 16 qui porte les secteurs d'anneau 28, comme on peut le voir plus en détails à la figure 2.
Le carter 30 comporte une paroi annulaire 34 située radialement à distance des secteurs d'anneau 28 sur la face interne 34i de laquelle les secteurs d'anneau 28 sont montés. Le carter 30 est aussi réalisé de manière à permettre un réglage dynamique de la position radiale des secteurs d'anneau 28 par rapport à l'axe principal A de la turbomachine 10, pour optimiser le jeu radial entre le sommet 32 de chaque aube 22 et la face interne 28i en vis-à-vis de chaque secteur d'anneau 28. Ce réglage dynamique s'effectue selon les conditions de fonctionnement de la turbomachine 10, il consiste principalement à injecter une quantité d'air en direction d'une partie du carter 30, en vue de refroidir en partie le carter 30 et réduire sa dilatation. Pour cela, une quantité d'air est prélevée dans le compresseur haute pression 12 et est amenée vers le carter 30 par des conduits pour être injectés sur la face externe 34e de la paroi annulaire 34.
L'air prélevé est injecté dans un boîtier de pilotage 60 du carter 30, qui est solidaire de la paroi annulaire 34. Le boîtier de pilotage 60 comporte des bosses 36 qui sont réalisées sur la face externe 34e de la paroi annulaire 34. Les bosses 36 sont formées pour favoriser les échanges de chaleur avec l'air injecté.
Le boîtier de pilotage 60 est multi perforé, c'est-à-dire qu'il comporte une pluralité de perforations traversées par l'air pour permettre un refroidissement des bosses 36 par impact avec l'air. En fonction de la quantité d'air qui est injectée sur les bosses 36, le carter 30 est refroidi de manière plus ou moins importante et l'amplitude de sa dilatation est ainsi maitrisée. Les secteurs d'anneau 28 sont montés sur la paroi 34 du carter 30, ils se déplacent donc radialement de manière solidaire à la dilatation ou la contraction du carter 30. Ainsi, l'air projeté sur les bosses 36 permet de modifier la position radiale des secteurs d'anneau 28 par rapport à l'axe principal A de la turbomachine 10.
Le montage de chaque secteur d'anneau 28 sur le carter de pilotage 30 est réalisé par l'intermédiaire de deux pattes radiales 38, 40 qui s'étendent radialement depuis la paroi annulaire 34 du carter de pilotage 30 jusqu'au secteur d'anneau 28. Une première patte radiale 38 amont est située au niveau de l'extrémité amont 28a de chaque secteur d'anneau 28, selon le sens de l'écoulement du flux de gaz et une deuxième patte radiale 40 aval est située au niveau de l'extrémité aval 28b du secteur d'anneau 28. L'extrémité radiale interne 38a, 40a de chaque patte radiale 38, 40 est fixée à l'extrémité associée 28a, 28b du secteur d'anneau 28, par des moyens de fixation conventionnels. Chaque patte radiale 38, 40 est réalisée d'une seule pièce avec la paroi annulaire 34 du carter 30. Ainsi, chaque patte radiale 38, 40 est fixée à la paroi annulaire 34 du carter 30 à son extrémité radiale externe 30b, 40b. Cela permet de simplifier la structure du carter 30 puisqu'il ne comporte aucun moyen de fixation des pattes radiales 38, 40 au carter, qui pourrait rendre l'installation complexe ou augmenter la masse du carter 30. La partie radialement externe du carter 30, qui comprend notamment la paroi annulaire 34 et les bosses 36 a pour fonction principale le pilotage de jeu, tandis que la partie radialement interne du carter 30, qui est notamment constituée des extrémités radiales internes 38a, 40a des pattes radiales 38, 40 est soumise à des contraintes thermiques importantes. En effet, les secteurs d'anneau 28 sont en contact direct avec des gaz chauds et leur température peut atteindre environ 800°C. Par conséquent, les extrémités radiales internes 38a, 40a des pattes radiales 38, 40 doivent résister à de telles températures.
Selon l'invention, chacune des deux pattes radiales 38, 40 est réalisée en deux matériaux, chaque matériau étant adapté à l'utilisation du carter. Ainsi, une première partie de chaque patte radiale 38, 40 est réalisée en un premier matériau qui est résistant aux températures élevées et une deuxième partie de chaque patte radiale 38, 40 est réalisée en un deuxième matériau qui possède de bonnes propriétés de dilatation thermique.
Selon un autre aspect de l'invention, la paroi annulaire 34 et les bosses 36 du carter 30 sont réalisées dans le même deuxième matériau que la deuxième partie de chaque patte radiale 38, 40, qui possède de bonnes propriétés de dilatation thermique. Cette deuxième partie de chaque patte radiale 38, 40 peut ainsi être réalisée d'une seule pièce, par moulage, avec la paroi annulaire 34 et les bosses 36 du carter 30. Chaque patte radiale 38, 40 comporte une partie radialement interne 42 qui est réalisée à partir du premier matériau et qui porte les secteurs d'anneau 28, et chaque patte radiale 38, 40 comporte une partie radialement externe 44 qui est réalisée à partir du deuxième matériau.
La partie radialement externe 44 de chaque patte radiale 38, 40 est réalisée dans le même matériau que la paroi annulaire 34 et les bosses 36 du carter 30. Ainsi, la partie radialement externe 44 de chaque patte radiale 38, 40 est réalisée d'une seule pièce avec la paroi annulaire 34 et les bosses 36 du carter 30. La partie radialement interne 42 de chaque patte radiale 38, 40 est solidarisée à la partie radialement externe 44 de la patte radiale 38, 40 associée par soudage. Chaque patte radiale 38, 40 est un élément de révolution centré sur l'axe principal du carter. Chaque partie 42, 44 de la patte radiale 38, 40 est elle aussi un élément de révolution et les deux parties 42, 44 sont reliées entre elles par soudage selon un cordon de soudure 46 circulaire au niveau de leurs bords respectifs en contact. Le procédé de soudage des deux parties 42, 44 est de préférence un procédé de soudage par électrons car il permet notamment de souder des parties d'épaisseur relativement importantes. Le premier matériau, dans lequel la première partie radialement interne 42 est réalisée est un matériau résistant à la chaleur, c'est-à-dire qu'il ne se détériore pas sous les agressions dues à la chaleur, qui peut atteindre environ 800°C. Selon un mode de réalisation préféré, le premier matériau constitutif de la première partie 42 de chaque patte radiale 38, 40 est un alliage d'aluminium et de titane connu sous la désignation "C263".
Aussi, le deuxième matériau constitutif de la deuxième partie 44 de chaque patte radiale 38, 40 est un matériau possédant des propriétés de dilatation linéique important, afin d'optimiser le pilotage de jeu, tout en injectant une quantité réduite d'air sur les bosses 36 du carter 30. Cela permet de limiter l'impact du pilotage de jeu sur le rendement de la turbomachine. Selon un mode de réalisation préféré, le deuxième matériau constitutif de la deuxième partie 44 de chaque patte radiale 38, 40 est un alliage à base de nickel et de chrome connu sous la désignation "inconel 718". En outre, le premier matériau, c'est-à-dire "l'inconel 718" possède, à froid, des propriétés mécaniques plus avantageuses que le deuxième matériau (le C263). L'utilisation de ce matériau pour former la paroi annulaire 34 et les bosses 36 du carter 30 permet aussi d'augmenter la durée de vie du carter 30.15

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Carter (30) de turbine (16) d'aéronef, destiné à porter un ensemble de secteurs d'anneau (28) qui délimite en partie un conduit de passage d'un flux de gaz au travers la turbine (16), le carter (30) comportant des moyens de réglage dynamique de la position radiale des secteurs d'anneau (28) par l'injection contrôlée d'un flux d'air sur des portions (36) d'une paroi annulaire (34) du carter (30), le carter (30) comportant une patte radiale amont (38) qui relie une extrémité amont de chaque secteur d'anneau (28), selon le sens d'écoulement du flux de gaz, au carter (30), et une patte radiale aval (40) qui relie une extrémité aval de chaque secteur d'anneau (28) au carter (30), les deux pattes radiales (38, 40) amont et aval étant réalisées d'une seule pièce avec le carter (30), caractérisé en ce que chaque patte radiale (38, 40) est réalisée en deux parties (42, 44) de matériaux différents.
  2. 2. Carter (30) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que chaque patte radiale (38, 40) comporte une partie radialement interne (42) réalisée dans un premier matériau et une partie radialement externe (44) réalisée dans un deuxième matériau.
  3. 3. Carter (30) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la paroi annulaire (34) du carter (30) est réalisée dans ledit deuxième matériau.
  4. 4. Carter (30) selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les deux parties (42, 44) de chaque patte radiale (38, 40) sont solidarisées ensemble par soudage.
  5. 5. Carter (30) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le cordon de soudure des deux parties (42, 44) d'une patte radiale est circulaire et coaxial à l'axe principal du carter (30).
  6. 6. Carter (30) selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le premier matériau est un matériau résistant à la chaleur et le deuxième matériau est un matériau à coefficient de dilatation linéique important.
  7. 7. Carter (30) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier matériau est un alliage d'aluminium et de titane connu sous la désignation C263.
  8. 8. Carter (30) selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le deuxième matériau est un alliage à base de nickel et de chrome connu sous la désignation "inconel 718".
  9. 9. Turbine (16) de turbomachine (10) d'aéronef caractérisé en ce qu'elle comporte un ensemble statorique composé d'un carter (30) selon l'une quelconque des revendications précédentes, et composé d'une pluralité de secteurs d'anneau (28) qui sont fixés directement au moins à la patte radiale amont (38) du carter (30).
  10. 10. Turbomachine d'aéronef comportant une turbine selon la revendication précédente et/ou un carter (30) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.
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