FR3024884B1 - Procede de realisation d'un anneau sectorise d'etancheite et d'une turbine de turbomachine - Google Patents

Abstract

Procédé (A) de réalisation d'un anneau sectorisé d'étanchéité pour une turbomachine, cet anneau comportant une rangée annulaire de secteurs d'anneau disposés circonférentiellement bout à bout, chaque secteur d'anneau comportant au moins un crochet circonférentiel qui est configuré pour coopérer avec un rail annulaire d'accrochage d'un carter de turbomachine, ledit au moins un crochet circonférentiel comportant un rayon de courbure différent de celui dudit rail de façon à être monté en précontrainte radiale sur ledit rail, comprenant les étapes consistant à a) définir un critère d'interférence maximale entre les extrémités circonférentielles dudit au moins un crochet et ledit rail, b) déterminer une dimension circonférentielle maximale de chaque secteur d'anneau à partir dudit critère d'interférence maximale, et c) réaliser les secteurs d'anneau, les secteurs d'anneau ayant ladite dimension circonférentielle maximale.

Description

Procédé de réalisation d’un anneau sectorisé d’étanchéité et d’une turbine de turbomachine

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un procédé de réalisation d’un anneau sectorisé d’étanchéité et d’une turbine de turbomachine.

ETAT DE L’ART

Une turbine de turbomachine comprend un ou plusieurs étages comportant chacun un distributeur formé d’une rangée annulaire d’aubes fixes portées par un carter de la turbine, et une roue à aubes montée rotative en amont ou en aval du distributeur. La roue est entourée par un anneau d’étanchéité qui est sectorisé et formé par des secteurs qui sont disposés circonférentiellement bout à bout et qui sont accrochés sur le carter de la turbine.

Chaque secteur d’anneau comprend en général une plaque métallique à orientation circonférentielle qui porte un bloc de matière abradable fixé sur la surface interne de la plaque. Ce bloc est par exemple du type en nid d’abeille et est destiné à s’user par frottement sur des léchettes annulaires externes des aubes de la roue, pour former un joint d’étanchéité à labyrinthe et minimiser les jeux radiaux entre la roue et les secteurs d’anneau.

Chaque secteur d’anneau comprend à ses extrémités amont et aval des moyens d’accrochage sur le carter. Chaque secteur d’anneau peut comprendre à son extrémité amont deux crochets ou rebords circonférentiels qui définissent entre eux une gorge annulaire dans laquelle est engagé un rail annulaire du carter. L’extrémité aval du secteur d’anneau peut être serrée radialement sur un autre rail annulaire du carter par l’intermédiaire de moyens d’accrochage du distributeur situé en aval de la roue. Les systèmes d’accrochage des secteurs d’anneau sur le carter rendent les secteurs d’anneau solidaires radialement du carter. Les crochets amont des secteurs d’anneau sont « pré-cambrés >> par rapport au rail de carter, c'est-à-dire qu’ils ont des rayons de courbure supérieurs à celui du rail de carter, ce qui permet de les monter avec une certaine précontrainte radiale sur le rail.

Par ailleurs, une cavité annulaire s’étend entre l’anneau et le carter et il est important qu’une étanchéité soit assurée entre les secteurs d’anneau pour éviter des fuites de gaz entre les secteurs, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, c'est-à-dire depuis la veine de la turbine jusque dans la cavité précitée. En effet, les gaz de veine ont pour rôle de transmettre de l’énergie aux roues mobiles afin d’entraîner la turbine qui elle-même entraîne le rotor du compresseur du moteur. Plus le débit de fuite est important, moins il y a d’énergie transmise aux roues mobiles et moins le rendement de la turbine est bon. L’étanchéité entre les secteurs d’anneau est en général assurée par des lamelles d’étanchéité montées entre les secteurs d’anneau. Cependant, cette technologie n’est pas toujours efficace.

On a de plus constaté que le coût de production d’un anneau dépend notamment du nombre de pièces. La réduction du nombre de secteurs d’anneau pourrait donc permettre de réduire le coût de fabrication du moteur.

La présente invention a notamment pour but d’apporter une solution simple, efficace et économique à ce besoin.

EXPOSE DE L’INVENTION

La présente invention propose ainsi un procédé de réalisation d’un anneau sectorisé d’étanchéité pour une turbomaehine, cet anneau comportant une rangée annulaire de secteurs d’anneau disposés circonférentiellement bout à bout, chaque secteur d’anneau comportant au moins un crochet circonférentiel qui est configuré pour coopérer avec un rail annulaire d’accrochage d’un carter de turbomaehine, ledit au moins un crochet circonférentiel comportant un rayon de courbure différent de celui dudit rail de façon à être monté en précontrainte radiale sur ledit rail, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes consistant à : a) définir un critère d’interférence maximale entre ledit au moins un crochet et ledit rail, et en particulier entre les extrémités circonférentielles dudit au moins un crochet et ledit rail, b) déterminer une dimension circonférentielle maximale de chaque secteur d’anneau à partir dudit critère d’interférence maximale, et c) réaliser les secteurs d’anneau, les secteurs d’anneau ayant la dimension circonférentielle maximale déterminée à l’étape b). L’invention propose ainsi de prévoir des secteurs d’anneau ayant une dimension circonférentielle la plus importante possible de façon à réduire le nombre de secteurs d’anneau. Elle propose ainsi de déterminer cette dimension circonférentielle maximale à dimension circonférentielle de ses secteurs. Le critère est déterminé pour optimiser la dimension circonférentielle sans toutefois surcontraindre l’anneau, ce qui se traduirait pas un risque de plastification. L’étape c) peut comprendre les sous-étapes consistant à : c1) déterminer un nombre de secteurs d’anneau à partir d’un rayon de l’anneau et de la dimension circonférentielle maximale déterminée à l’étape b), c2) déterminer la dimension circonférentielle effective des secteurs d’anneau de façon à ce qu’elle soit la même pour tous les secteurs d’anneau, et c3) réaliser les secteurs d'anneau.

Le critère d’interférence maximale peut être défini à l’étape a) à partir d’un rayon de l’anneau.

La présente invention concerne également un procédé de réalisation d’une turbine de turbomachine, cette turbine comprenant au moins un étage comportant une roue de rotor entourée par un anneau sectorisé d’étanchéité et un distributeur sectorisé, chaque secteur d’anneau comportant au moins un crochet circonférentiel qui est configuré pour coopérer avec un rail annulaire d’accrochage d’un carter de turbomachine, ledit au moins un crochet circonférentiel comportant un rayon de courbure différent de celui dudit rail de façon à être monté en précontrainte radiale sur ledit rail, chaque secteur de distributeur comportant au moins un rebord circonférentiel qui est configuré pour recouvrir ou pour être recouvert par une portion circonférentielle d’un secteur d’anneau, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes du procédé tel que décrit ci-dessus, et en ce qu’il comprend en outre les étapes consistant à : d) définir un critère de recouvrement circonférentiel minimum entre les secteurs d’anneau et les secteurs de distributeur dudit au moins un étage, e) positionner angulairement les secteurs d’anneau vis-à-vis des secteurs de distributeur de façon à respecter le critère de recouvrement défini à l’étape d), et f) réaliser la turbine.

Dans le cas où aucune position angulaire ne permet de respecter le critère de recouvrement à l’étape e), le procédé peut comprendre une sous étape consistant à augmenter le nombre de secteurs d’anneau.

Le nombre de secteurs d’anneau peut être identique au nombre de secteurs de distributeur. En variante, le nombre de secteurs d’anneau est inférieur au nombre de secteurs de distributeur. L’étape f) peut comprendre une sous étape consistant à rapporter et fixer des moyens d’anti-rotation sur les secteurs d’anneau, et à usiner des encoches ou orifices dans un rail de carter, ces encoches ou orifices étant configurés pour recevoir lesdits moyens d’anti-rotation.

Les moyens d’anti-rotation des secteurs d’anneau peuvent être identiques et positionnés de la même façon sur tous les secteurs d’anneau de façon à ce qu’ils soient identiques et donc interchangeables.

La présente invention concerne également un anneau sectorisé d’étanchéité ou turbine de turbomaehine obtenu par l’un des procédés tels que décrits ci-dessus.

DESCRIPTION DES FIGURES L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe axiale d’une turbine de turbomaehine ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe selon la ligne II-II de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique partielle et de dessus d’une turbine de turbomaehine ; - la figure 4 est un organigramme représentant des étapes de procédés selon l’invention ; - les figures 5a et 5b sont des représentations très schématiques montrant les positions angulaires respectives de secteurs d’anneau et de secteur de distributeur d’une turbine ; et - la figure 6 est une vue schématique en perspective et en coupe axiale d’une turbine selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE

On se réfère d’abord à la figure 1 qui représente une turbine 10, ici basse-pression, d’une turbomaehine telle qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion, cette turbine comportant plusieurs étages comportant chacun un distributeur 121; 122 formé d’une rangée annulaire d’aubes fixes portées par un carter 14 de la turbine, et une roue à aubes 16 montée en amont du distributeur 12Ί, 122 et tournant dans un anneau 18 accroché au carter 14. L’anneau 18 est sectorisé et formé de plusieurs secteurs qui sont portés circonférentiellement bout à bout par le carter 14 de la turbine.

Chaque secteur d’anneau 18 comprend une paroi tronconique 20 et un bloc 22 de matière abradable fixé par brasage et/ou soudage sur la surface radialement interne de la paroi 20, ce bloc 22 étant du type en nid d’abeille et étant destiné à s’user par frottement sur des léchettes annulaires externes 24 des aubes de la roue 16 pour minimiser les jeux radiaux entre la roue et les secteurs d’anneau 18.

Chaque secteur d’anneau 18 comprend à son extrémité amont un organe circonférentiel 32 à section en C dont l’ouverture débouche vers l’amont et qui est engagé axialement depuis l’aval sur un rail cylindrique 34 orienté vers l’aval du distributeur 12i situé en amont des secteurs d’anneau 18, d’une part, et sur un rail cylindrique 36 du carter 14 sur lequel est accroché ce distributeur, d’autre part. L’organe 32 de chaque secteur d’anneau 18 comprend deux rebords ou crochets circonférentiels 38 et 40 s’étendant vers l’amont, radialement externe et radialement interne respectivement, qui sont reliées entre eux à leurs extrémités amont par une paroi radiale 42, et qui sont appliquées respectivement sur une face cylindrique radialement externe et interne du rail 36, le crochet 40 retenant le rebord cylindrique 34 du distributeur contre le rail 36.

Les extrémités aval des secteurs d’anneau 18 sont serrées radialement sur un rail cylindrique 30 du carter par le distributeur 122 situé en aval des secteurs d’anneau.

Les secteurs d’anneau 18 sont en appui radial vers l’extérieur sur une face cylindrique radialement interne du rail 30 du carter, et vers l’intérieur sur une face cylindrique radialement externe d’un rebord cylindrique 28 du distributeur 122.

Comme cela est visible en figure 2, les crochets 38, 40 des secteurs d’anneau 18 sont « pré-cambrés >> par rapport au rail de carter 36, c'est-à-dire qu’ils ont des rayons de courbure supérieurs à celui du rail de carter 36, ce qui permet de les monter avec une certaine précontrainte radiale sur le rail. Du fait de ce pré-cambrage, le secteur d’anneau 18 représenté en figure 2 a des zones d’appui C1, C2, C3 peu étendues sur le rail 36. La partie médiane de la face interne du crochet 38 du secteur 18 est en appui en C1 sur la face externe du rail 36 et les parties d’extrémité de la face externe du crochet 40 sont en appui en C1 et C3 sur la face interne du rail 36.

Afin de ne pas sur-contraindre les extrémités de l’anneau 18 (risque de plastification), un critère a d’interférence maximale au niveau des extrémités circonférentielles de ses secteurs est défini. Cette interférence se définit comme la flèche aux extrémités en appui de l’anneau monté. Ce critère peut notamment être issu de l’expérience. Pour un même rayon d’anneau, l’interférence est dépendante de la dimension circonférentielle D des secteurs d’anneau 18.

Toujours dans l’optique de limiter les fuites de gaz intersecteurs d’anneau, les secteurs d’anneau 18 et les secteurs de distributeur 121; 122 sont décalés en direction circonférentielle les uns par rapport aux autres, comme cela est visible en figure 3.

La figure 3 représente une turbine à au moins quatre étages, chaque étage comprenant une roue (non visible) entourée par un anneau sectorisé dont seul un secteur 18Ί, 182, 183, 184 est ici représenté, et un distributeur situé en amont de l’anneau et dont seul un secteur 12-i, 122,123, 124 est également représenté. L’indice i (i allant de 1 à 4) indique le numéro de l’étage. Ainsi, les secteurs 12Ί, 181 appartiennent au premier étage, les secteurs 122,182 appartiennent au second étage, etc.

On note L, la distance circonférentielle entre l’extrémité circonférentielle d’un secteur d’anneau et l’extrémité circonférentielle la plus proche d’un secteur de distributeur adjacent du même étage. Autrement dit, Li correspond à la distance circonférentielle minimale entre les intersecteurs d’anneau et les intersecteurs du distributeur adjacent d’un même étage.

Selon l’invention, on définit un critère β de recouvrement minimum entre les secteurs d’anneau et les secteurs de distributeur. Le recouvrement correspond à la distance circonférentielle L, précitée. De la même façon, ce critère peut notamment être issu de l’expérience.

La figure 4 représente des étapes d’un exemple de réalisation de procédés selon l’invention, à savoir un premier procédé A de réalisation d’un anneau sectorisé d’étanchéité pour une turbomachine, et un second procédé B de réalisation d’une turbine de turbomachine.

Le premier procédé A selon l’invention comprend les étapes consistant à : a) définir le critère a d’interférence maximale, par exemple à partir du rayon de l’anneau 18, b) déterminer la dimension circonférentielle maximale D de chaque secteur d’anneau 18 à partir dudit critère a, et c) réaliser les secteurs d’anneau 18 qui ont la dimension circonférentielle maximale D déterminée à l’étape b).

Le nombre minimum de secteurs d’anneau 18 est atteint par le choix de la plus grande dimension circonférentielle D de secteurs qui respecte le critère souhaité d’interférence maximale a. L’étape c) peut comprendre les sous-étapes consistant à : c1) déterminer un nombre de secteurs d’anneau 18 à partir du rayon de l’anneau et de la dimension D, c2) déterminer la dimension circonférentielle effective D’ des secteurs d’anneau de façon à ce qu’elle soit la même pour tous les secteurs d’anneau, et c3) réaliser les secteurs d’anneau.

Le second procédé B selon l’invention comprend, en plus des étapes précitées, les étapes consistant à : d) définir le critère de recouvrement circonférentiel minimum β entre les secteurs d’anneau 18 et les secteurs de distributeur 12 d’un étage, e) positionner angulairement les secteurs d’anneau 18 vis-à-vis des secteurs de distributeur 12 de façon à respecter le critère β, et f) réaliser la turbine.

Dans le cas où aucune position angulaire ne permet de respecter le critère de recouvrement à l’étape e), il comprend une sous étape consistant à g) augmenter le nombre de secteurs d’anneau. Cette sous-étape g) peut être suivie d’une nouvelle étape b) dans laquelle la dimension D est optimisée en fonction du nombre modifié de secteurs d’anneau.

Avec le nombre de secteurs d’anneau minimisé, il convient donc de positionner angulairement les secteurs d’anneau de sorte à ce que chaque secteur ait un recouvrement respectant le critère β fixé. La figure 5a montre un exemple de mauvais positionnement angulaire car on voit que la distance L peut être très faible (dans la zone I) et est inférieure au critère β. La figure 5b montre un exemple de bon positionnement angulaire car on voit que la distance L’ est plus importante et est supérieure au critère β. L’invention a ainsi pour but de réduire au maximum le nombre de secteurs d’anneau. Bien qu’il soit possible que ce nombre reste égal au nombre de secteurs de distributeur du même étage, comme dans la technique antérieure, il est également possible que le nombre de secteurs d’anneau soit ici inférieur au nombre de secteurs de distributeur.

Lorsque le nombre de secteurs d’anneau est identique au nombre de secteurs de distributeur, chaque secteur d’anneau est positionné de la même façon par rapport aux secteurs de distributeur adjacent (recouvrements identiques entre les inter-secteurs anneau et distributeur). De cette manière, il est possible de créer l’anti-rotation des secteurs d’anneau par les secteurs de distributeur.

On connaît par exemple une première technologie d’anti-rotation consistant à bloquer les déplacements circonférentiels des secteurs d’anneau en créant une encoche à l’amont de chaque secteur d’anneau. Une extrémité du secteur de distributeur positionné à l’amont de l’anneau vient se loger dans cette encoche de sorte à empêcher le secteur d’anneau de tourner tangentiellement. Pour augmenter la surface d’appui du blocage tangentiel, un pion anti-rotation peut être brasé sur le secteur d’anneau à côté de son encoche.

Une seconde technologie d’anti-rotation consiste à positionner une languette à l’aval de chaque secteur d’anneau. Cette languette se loge dans une encoche du secteur de distributeur situé à l’aval de l’anneau, empêchant le secteur d’anneau de tourner tangentiellement.

Que ce soit à l’amont ou à l’aval, la technologie d’anti-rotation est positionnée au même endroit sur tous les secteurs d’anneau et sur tous les secteurs de distributeur car ces secteurs sont en nombre identique.

En minimisant le nombre de secteurs d’anneau, on cherche à être indépendant du nombre de secteurs de distributeur. Le nombre de secteurs d’anneau minimum à installer a donc des chances d’être différent (plus faible) que le nombre de secteurs de distributeur adjacent.

Dans ces conditions, il est difficile d’assurer l’anti-rotation des anneaux par les distributeurs car le positionnement de la technologie d’anti-rotation (à l’amont ou à l’aval) devrait être spécifique à chaque secteur d’anneau et à chaque secteur de distributeur. Ceci impliquerait : - une référence de pièce propre à chaque secteur d’anneau et à chaque secteur de distributeur, et donc une multiplication du nombre de références - une fabrication différente pour chaque secteur d’anneau et pour chaque secteur de distributeur d’un même étage, et - une non-interchangeabilité des secteurs d’anneau entre eux et des secteurs de distributeur entre eux, ce qui se traduirait par une complexification des opérations de montage et de changement de pièces sur moteurs en flotte.

Selon l’invention, ces problèmes sont résolus grâce au fait que, à l’étape f) précitée, le procédé comprend une sous étape consistant à rapporter et fixer des moyens d’anti-rotation sur les secteurs d’anneau, et à usiner des encoches ou orifices dans le rail de carter, ces encoches ou orifices étant configurés pour recevoir lesdits moyens d’anti-rotation. Les moyens d’anti-rotation des secteurs d’anneau peuvent ainsi être identiques et positionnés de la même façon sur tous les secteurs d’anneau de façon à ce qu’ils soient identiques et donc interchangeables.

Dans l’exemple représenté en figure 6, les moyens d’anti-rotation de chaque secteur d’anneau 18 comprennent un pion 50 qui est positionné et fixé, par exemple par brasage, à l’extrémité aval du secteur. Il est ici situé sur la face radialement externe du secteur 18 destinée à être appliquée contre le rail 30 du carter 14. Le rail 30 comprend une encoche radiale 52 de réception du pion 50 de chaque secteur d’anneau 18. Le pion 50 est destiné à coopérer par butée en direction circonférentielle avec les parois latérales de l’encoche 52 pour bloquer tangentiellement le secteur d’anneau vis-à-vis du carter 14, indépendamment des distributeurs.

En plus des avantages précités de cette solution, la réalisation d’encoches 52 dans le rail de carter 30 permet de diminuer les contraintes dans ce rail en fonctionnement. En effet, le rail n’est plus continu sur 360° et les contraintes tangentielles dues aux températures s’annulent aux extrémités circonférentielles du rail.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé (A) de réalisation d’un anneau (18) sectorisé d’étanchéité pour une turbomaehine, cet anneau comportant une rangée annulaire de secteurs d'anneau disposés circonférentieitement bout à bout, chaque secteur d’anneau comportant au moins un crochet circonférentiel (40) qui est configuré pour coopérer avec un rail annulaire d’accrochage (36) d’un carter (14) de turbomaehine, ledit au moins un crochet circonférentiel comportant un rayon de courbure différent de celui dudit rail de façon à être monté en précontrainte radiale sur ledit rail, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes consistant à : a) définir un critère (a) d’interférence radiale maximale entre ledit au moins un crochet et ledit rail, et en particulier entre les extrémités circonférentielles dudit au moins un crochet et ledit rail, b) déterminer une dimension circonférentielle maximale (D) de chaque secteur d’anneau à partir dudit critère d’interférence maximale, et c) réaliser les secteurs d’anneau, les secteurs d’anneau ayant la dimension circonférentielle maximale déterminée à l’étape b).
2. 2. Procédé (A) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’étape c) comprend les sous-étapes consistant à : d ) déterminer un nombre de secteurs d’anneau (18) à partir d’un rayon de l’anneau et de la dimension circonférentielle maximale (D) déterminée à l’étape b), c2) déterminer la dimension circonférentielle effective des secteurs d’anneau de façon à ce qu’elle soit la même pour tous les secteurs d’anneau, et c3) réaliser tes secteurs d’anneau.
3. 3. Procédé (A) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le critère (a) d’interférence maximale est défini à l’étape a) à partir d’un rayon de l’anneau.
4. 4. Procédé (B) de réalisation d’une turbine (10) de turbomaehine, cette turbine comprenant au moins un étage comportant une rooe de rotor (16) entourée par un anneau (18) sectorisé d’étanchéité et un distributeur (12^) sectorisé, chaque secteur d’anneau comportant au moins un crochet circonférentiel (40) qui est configuré pour coopérer avec un rail annulaire d’accrochage (36) d’un carter (14) de turbomaehine, ledit au moins un crochet circonférentiel comportant un rayon de courbure différent de celui dudit rail de façon à être monté en précontrainte radiale sur ledit rail, chaque secteur de distributeur comportant au moins un rebord circonférentiel (28) qui est configuré pour recouvrir ou pour être recouvert par une portion circonférentielle d’un secteur d’anneau, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes du procédé selon l'une des revendications précédentes, et en ce qu’il comprend en outre tes étapes consistant à : d) définir un critère (β) de recouvrement circonférentiel minimum entre tes secteurs d’anneau et les secteurs de distributeur dudit au moins un étage, e) positionner angulairement les secteurs d’anneau vis-à-vis des secteurs de distributeur de façon à respecter le critère de recouvrement défini à l’étape d), et f) réaliser la turbine.
5. 5. Procédé (B) selon la revendication 4, caractérisé en ce que, dans te cas où aucune position angulaire ne permet de respecter te critère de recouvrement (β) à l’étape e), il comprend une sous étape consistant à augmenter te nombre de secteurs d’anneau (18).
6. 8. Procédé (B) selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le nombre de secteurs d’anneau (18) est identique au nombre de secteurs de distributeur (12i).

   7. Procédé (B) selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le nombre de secteurs d’anneau (18) est inférieur au nombre de secteurs de distributeur (12-i).

   8. Procédé (B) selon Tune des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que l’étape f) comprend une sous étape consistant à rapporter et fixer des moyens d’anti-rofation (50) sur les secteurs d’anneau (18), et à former des encoches (52) ou orifices dans un rail de carter (30), ces encoches ou orifices étant configurés pour recevoir lesdits moyens d’anti-rotation.
7. 9. Procédé (B) selon la revendication 8, caractérisé en ce que tes moyens d’anti-rotation (50) des secteurs d’anneau (18) sont identiques et positionnés de ia même façon sur tous les secteurs d’anneau de façon à ce qu’ils soient identiques et donc interchangeables.