FR3039201A1 - Partie de turbomachine a tole de protection thermique pourvue d'epingles - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une partie de turbomachine comprenant un carter (100) annulaire, un distributeur (800), des pions (200) fixes par rapport au carter, une tôle (300) de protection thermique interposée radialement entre le carter et le distributeur. Sont en outre prévus des épingles (12) fixées à la tôle (300) de protection thermique et s'étendant localement autour d'elle, pour caler radialement ladite tôle entre le carter (100) et certains au moins des pions (200) et/ou des secteurs du distributeur.

Description

PARTIE DE TURBOMACHINE A TOLE DE PROTECTION THERMIQUE

POURVUE D’EPINGLES

La présente invention concerne le domaine des turbomachines et vise une partie de turbomachine comprenant un distributeur, tel en particulier un distributeur annulaire de turbine axiale.

Dans le présent texte, est axial ce qui s’étend suivant ou parallèlement à l’axe longitudinal (X) de rotation de la partie concernée de la turbomachine, lequel axe sera a priori l’axe général de rotation de cette turbomachine. Sera radial ce qui s’étend radialement à cet axe. Par ailleurs, les références amont et aval sont à considérer en liaison avec l’écoulement des gaz dans la (partie de) turbomachine considérée : ces gaz entrent à l’amont et sortent à l’aval, en circulant globalement parallèlement à l’axe longitudinal de rotation précité.

Un moteur à turbine à gaz tel qu'utilisé en aéronautique comprend une entrée amont par laquelle de l'air est aspiré puis comprimé en étant guidé à travers le compresseur. L'air comprimé est introduit dans une chambre de combustion où est également admis du carburant avec lequel l'air est mélangé et où s'opère la combustion. Les gaz de combustion chauds sont détendus dans la turbine dont généralement (au moins) un étage à haute pression, disposé immédiatement en aval de la chambre de combustion, reçoit les gaz à la température la plus élevée. Ensuite les gaz sont en général détendus à nouveau en étant guidés à travers d’autres étages de turbine dits à basse pression.

Un étage de turbine comprend une roue fixe de distributeur en amont d'une roue mobile de turbine. L’écoulement gazeux est globalement axial.

Une roue de distributeur comprend une pluralité d'aubes disposées radialement par rapport à l'axe de la machine reliant un élément annulaire radialement interne et un élément annulaire radialement externe. L'ensemble forme une veine annulaire en regard des aubes mobiles d'une roue de turbine. La roue mobile est elle-même constituée d'aubes s'étendant radialement depuis la jante d'un disque ou d'un tambour mobile autour de l’axe de rotation. Les aubes sont traversées axialement par les gaz moteurs. La section basse pression d'un moteur comprend ainsi généralement plusieurs étages de turbine.

Typiquement, les roues de distributeurs sont sectorisées en une pluralité de secteurs ou segments répartis autour de l'axe de la machine, chaque secteur comprenant une pluralité d'aubes s’étendant entre deux secteurs d'anneau. Chaque secteur est monté à l'intérieur d’un carter de la turbine par le secteur d'anneau radialement extérieur. Le montage est agencé de manière à permettre une dilatation relative du distributeur par rapport au carter, en fonction des variations de régime de la turbomachine. En raison de la symétrie axiale des roues de distributeur et des efforts tangentiels résultant de l'écoulement gazeux qui les traverse, il est nécessaire de prévoir des moyens de blocage des secteurs en rotation.

Le brevet FR 2 743 603 décrit un mode de montage de tels secteurs de distributeur. Les secteurs de distributeurs comprennent une nervure extérieure périphérique, s'appuyant sur la paroi intérieure du carter. Des pinces, formées par l'anneau de turbine aval à ce niveau, retiennent les secteurs à l’encontre de mouvements radiaux. Une saillie sur la face amont de la nervure de chaque secteur comprend un cran dans lequel est logé un pion. Ce pion a une fonction anti-rotation qui vise à empêcher tout mouvement de rotation du secteur de distributeur autour de l'axe de ce dernier.

Par ailleurs, afin de protéger la paroi du carter contre le rayonnement thermique produit par le distributeur, une tôle est interposée entre le distributeur et la paroi interne du carter. En aval, cette tôle de protection comprend une série d’échancrures, chacune avec une languette dans le fond de l'échancrure qui s'appuie contre le pion anti-rotation correspondant du secteur.

Si ce montage donne satisfaction sur le plan du maintien du distributeur à l'intérieur du carter et de la protection thermique de celui-ci, il a cependant été constaté que la tôle était susceptible de se dégager de son contact avec le pion.

Dans WO 2011/15196, une solution est proposée; mais elle demeure onéreuse et parfois délicate à mettre en place.

Il ressort notamment de ce qui précède qu’est connue à ce jour une partie de turbomachine présentant un axe longitudinal de rotation et comprenant : - un carter annulaire, - un distributeur disposé radialement à l'intérieur du carter et comprenant une pluralité de secteurs disposés circonférentiellement autour de l’axe longitudinal, - des pions fixes par rapport au carter, - au moins une tôle de protection thermique interposée radialement entre le carter et le distributeur.

Parmi les problèmes persistants, on peut aussi noter, sur un tel montage : - le caractère parfois imparfait du maintien du centrage de la(des) tôle(s) de protection thermique vis-à-vis du distributeur pour assurer un contact approprié entre les languettes de serrage axial (quand elles existent) et les pions anti-rotation, - et le fait que le formage de la tôle tel que réalisé ne permet pas d’assurer pleinement d’une part le montage du distributeur, et d’autre part un jeu suffisamment faible avec ce distributeur pour atteindre pleinement la fonction de protection thermique attendue.

En, outre, et dans le cadre plus général de l’art antérieur, on peut en outre noter la volonté de limiter ici encore davantage le risque que le montage anti-rotation échappe les pions du carter.

Afin de proposer une solution pertinente à tout ou partie de ces inconvénients, il est proposé que la partie concernée de la turbomachine comprenne des épingles fixées à la tôle de protection thermique et s’étendant localement autour d’elle, pour la caler radialement entre le carter et certains au moins des pions et/ou des secteurs du distributeur.

En étant fixée(s) à la tôle de protection thermique la(les) épingle(s) formeront avec elle un tout, à poser comme une seule pièce.

On limitera par ailleurs le risque que notamment la partie aval de la tôle s’échappe de sa retenue et qu’ainsi, non retenue contre le pion où se trouve la languette, elle vienne frotter contre la face interne de la paroi du carter, et rayer celle-ci.

Pour un calage radial optimisé et une facilité de montage des épingles, il est conseillé qu’en pratique, autour de la tôle de protection thermique, chaque épingle vienne radialement en butée contre le pion et le secteur de distributeur considérés.

Outre un positionnement et maintien radial meilleurs, une optimisation des positionnements et maintien axiaux doivent pouvoir être atteints. A cette fin, il est proposé: - que parallèlement à l’axe longitudinal (X) soient définis un amont et un aval, en référence au sens de circulation de gaz dans ladite partie de turbomachine, - et, qu’autour de la tôle de protection thermique, chaque épingle : - vienne axialement en butée, vers l’amont, contre une face intérieure d’un rebord de ladite tôle, -- et, vers l’aval, s’étende plus près d’une partie sensiblement radiale du secteur de distributeur considéré qu’une extrémité aval de la tôle (300) de protection thermique. Par ailleurs, pour favoriser tant le montage et l’efficacité des épingles que le calage de la tôle de protection thermique, une fois en place, il est recommandé que, face aux pions, la dite tôle présente des encoches dans lesquelles passeront les épingles.

Pour encore faciliter la mise en place de l’épingle sur la tôle de protection thermique, il est aussi conseillé que chaque épingle soit définie par une tôle pliée non totalement refermée sur elle-même.

On pourra alors jouer sur une certaine élasticité due à cette forme. A nouveau pour une efficacité de maintien final de la tôle de protection thermique et des épingles, voire encore de facilité de montage, il est aussi proposé que chaque épingle présente radialement une face interne et une face externe opposées et, axialement, deux extrémités opposées chacune arrondie, dont l’une au moins s’étendra radialement du côté de la face interne de l’épingle considérée.

Pour la fixation entre l’épingle et la tôle de protection thermique, plusieurs manières de faire ont été retenues, de préférence. D’abord, il est proposé que chaque épingle soit bloquée sous contrainte élastique à la manière d’un clip par engagement avec la tôle de protection thermique.

En alternative ou complément, il est proposé que chaque épingle présente des extrémités opposées dont une sera engagée (et maintenue) sous contrainte élastique dans une fente de la tôle de protection thermique.

Ce type de solution(s) permet un montage aisé de l’épingle, très rapide donc peu coûteux, sans endommager la tôle de protection thermique. Une fois montée, l’épingle est prisonnière et ne peut être démontée sans une manipulation particulière, ce qui garantit le montage de la tôle avec ses épingles et permet de ne constituer qu’une seule et même pièce à installer dans l’espace entre le distributeur et le carter.

En alternative, il est aussi proposé que les/certaines au moins des épingles soient fixées par des soudures à la tôle de protection thermique.

En autre alternative, il est encore proposé que les/certaines au moins des épingles soient fixées par des rivets à la tôle de protection thermique.

Les opérations de soudage ou de rivetage sont des procédures bien maîtrisées et fiables. L'invention porte également sur un moteur à turbine à gaz comprenant un étage de turbine correspondant à cette partie de turbomachine.

Si nécessaire, l’invention sera encore mieux comprise et d’autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit, faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est un schéma en coupe axiale d’un moteur à turbine à gaz connu sur lequel la solution à épingle(s) de l’invention peut s’appliquer ; - la figure 2 est une vue partielle en coupe axiale d’une section de turbine basse pression selon la figure 1, au niveau de sa circonférence extérieure; - la figure 3 est une vue en direction de l'axe du moteur du distributeur de la figure 2 avec une partie arrachée; - la figure 4 est une coupe comme la figure 2, plus localisée, où la tôle de protection, l’un des pions anti-rotation et une épingle conformes à l’invention sont illustrés, montés dans la partie concernée de la turbomachine, - les figures 5 et 6 schématisent une possible réalisation de la zone entre l’un des pions et la tôle de protection (en vue par-dessous figure 6), - et les figures 7,8,9 montrent trois assemblages possibles entre une épingle et la tôle de protection.

En se référant d’abord à la figure 1, on voit schématiquement un moteur à turbine à gaz 1 du type à turbosoufflante. Cette turbomachine comprend, de l'amont (AM) vers l'aval (AV), le long de l’axe longitudinal X, qui est un axe de rotation : une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6 et une turbine basse pression 7.

La turbine basse pression 7 peut comprendre plusieurs étages mobiles sur un même rotor et ainsi entraîner, par l'intermédiaire d'un arbre central, l'ensemble formé par la soufflante 2 et le compresseur basse pression 3.

La turbine haute pression 6, à un seul étage dans l’exemple, entraîne de façon indépendante le compresseur haute pression 4.

Comme illustré sur la figure 2, la section de turbine basse pression 7 comprend un distributeur 8 ou stator.

Ce distributeur 8 est en amont d'une roue pourvue d’aubes mobiles 9 et disposée à l'intérieur du carter 10 de la turbine. La roue mobile tourne autour de l'axe X (figure 1), à l'intérieur d'un anneau de turbine 9'.

Le distributeur 8 est formé d'aubes fixes disposées en une roue divisée en une pluralité de secteurs 80a,80b... (figure 3) répartis autour de l'axe de la machine, circonférentiellement. Chaque secteur comprend plusieurs aubes fixes adjacentes solidaires d'un élément en secteur d'anneau 81 (figure 2).

Comme les autres secteurs, le secteur 80a de distributeur est maintenu à l'amont par une nervure en forme de rail 101 s'étendant axialement depuis une nervure sensiblement radiale 103 de la paroi interne du carter 10. Un crochet amont 82 solidaire de l'élément en secteur d'anneau 81 est en appui contre une face radialement externe du rail 101. A l'aval, l'élément 81 comprend une nervure radiale périphérique 83, perpendiculaire à l'axe (X) du distributeur, qui s'appuie par une face radialement extérieure 83a et une face aval 83b sur des faces correspondantes d'un rail annulaire 102 qui s'étend axialement depuis la paroi intérieure du carter 10 avec un bord aval tourné vers l'axe. L’un parmi une série de pions anti-rotation 20 est logé dans un logement 11, ici radial, du carter 10. Le pion 20 est en saillie à l'intérieur du carter et s’engage dans un cran 83c usiné dans la nervure 83 du secteur 80a (figure 3).

Le pion 20 est ajusté serré dans le logement 11 du carter mais aussi dans le cran 83c. Il comporte deux flancs qui sont glissés entre les flancs du cran usinés parallèlement à l'axe du distributeur. Le cran est ouvert à l'amont et est situé au centre du secteur. De cette manière chaque secteur est maintenu fixe en rotation par rapport au carter tout en pouvant se dilater circonférentiellement, de part et d'autre du pion, et se mouvoir axialement dans une certaine mesure.

Une tôle de protection thermique 30 est disposée entre le secteur d'anneau 81 de chaque secteur, tel ici celui 80a, et la paroi interne du carter.

La tôle a une forme générale en secteur d'anneau qui à l'amont s'appuie contre une surface de butée ménagée dans le carter qui peut être au niveau du rail amont 101. A l'aval, la tôle de protection 30 est découpée en une série d’échancrures suivant le contour de la saillie 83' de la nervure correspondante (figure 3). Une languette 30a dans le fond de l'échancrure prend appui contre le pion anti-rotation 20 considéré. La tôle étant légèrement déformable, un effet ressort peut être prévu pour assurer le maintien en place de la tôle lors du fonctionnement de la turbomachine.

Sur les figures 4 et suivantes, ce n’est plus l’art antérieur, mais un montage possible conforme à l’invention, étant précisé que les pièces identiques, dans leur fonction et/ou leur structure, à celles précitées ont reçu la même référence augmentée d’une centaine.

Comme montrée figure 4, une épingle 12 parmi ici une série d’épingles identiques est fixée à la tôle 300 de protection thermique et s’étend localement autour d’elle, pour caler radialement cette tôle 300 de protection thermique entre le carter 100 et certains au moins des secteurs du distributeur 800 et/ou des pions 200.

Ainsi, la tôle 300 va pouvoir être radialement maintenue plus précisément dans l’espace annulaire 13 qui s’étend radialement entre le carter 100 et les secteurs du distributeur 800. Les épingles 12 vont recentrer la tôle 300 sur le distributeur, en limitant les jeux entre celle-ci et ce distributeur.

On retrouve dans cette solution, un carter 100 annulaire présentant un logement 110 pour le pion 200 illustré. Et une pluralité de secteurs (tel celui 800a figure 5) de distributeur 800, chacun en forme de secteur d'anneau, sont répartis circonférentiellement autour de l’axe X.

Pour caler en rotation les secteurs du distributeur 800, les pions 200 peuvent être montés comme sur la figure 3.

La tôle 300 de protection thermique est toujours interposée radialement entre une paroi interne du carter 100 et une paroi externe du secteur, ici 800a, du distributeur.

Comme préféré pour caler au mieux la tôle 300, chaque épingle 12 viendra de préférence, autour de cette tôle de protection thermique et aux jeux de montage près, en butée radiale contre le pion et le secteur de distributeur considérés, comme illustré figures 4 et 6.

On notera qu’en extrémité radialement interne, l’épingle 12 viendra favorablement, comme montré figure 4, en appui contre la face radialement externe 820a du crochet amont 820 solidaire de l'élément en secteur d'anneau 810 du secteur concerné du distributeur 800. Et comme dans l’art antérieur ci-avant, ce crochet amont 820 pourra être au contact de la nervure en forme de rail 201 qui s'étend axialement depuis la paroi interne du carter 100.

La forme en section de la tôle 300 de protection thermique comme montré aussi sur la figure 4 est favorable au montage et à l’efficacité des épingles 12. En effet, cette tôle 300 de protection thermique présente à son extrémité amont (AM) un bec 14 définissant un rebord dirigé vers l’axe X. A l’extrémité aval (AV) 300c, on voit mieux figure 5 que la tôle 300 présente une encoche 16 où passe l’épingle 12 considérée (figure 6 notamment).

Par la forme du bec 14, la tôle 300 de protection thermique vient axialement en appui contre la nervure sensiblement radiale 203 de la paroi interne du carter 100.

Favorablement, chaque encoche 16 de la tôle de protection thermique 300 sera positionnée face au pion considéré, comme montré figures 5, 6 où le pion 200 s’engage dans l’encoche 16, dans l’exemple via une excroissance sensiblement axiale 18 du pion. Dans l’exemple privilégié, chaque pion présente une tige radiale 22 engagée dans l’encoche 16 et prolongée vers l’espace 13 par l’excroissance 18.

Quant au positionnement axial des épingles 12, il est préféré : - que, parallèlement à l’axe longitudinal (X) soient donc définis un amont (AM) et un aval (AV), en référence au sens de circulation de gaz dans la turbomachine (voir flèches figure 1), - et qu’autour de la tôle 300 de protection thermique, chaque épingle 12 : -- vienne axialement en butée, vers l’amont, contre la face intérieure 140 d’un rebord 14 de ladite tôle 300, -- et, vers l’aval, s’étende plus près d’une partie sensiblement radiale du secteur considéré du distributeur 800 que l’extrémité aval 300c de la tôle 300., Ladite partie sensiblement radiale du secteur considéré du distributeur 800 pourra en particulier être la nervure périphérique 830, sensiblement radiale, montrée figure 4, qui se dresse sur l'élément en secteur d'anneau 810. Le jeu axial J réduit qui sera ainsi maintenu avec cette partie sensiblement radiale permettra de limiter au maximum un éventuel débattement axial de l’épingle en cas de perte de serrage de l’épingle sur la tôle thermique 300.

Pour une facilité de fabrication en série et de montage favorisant un assemblage entre les épingles et la tôle 300 de protection thermique, chaque épingle pourra être définie par une fine tôle métallique 24 pliée non totalement refermée sur elle-même, comme on le voit en section en particulier figures 7 à 9. La tôle 24 pourra être de la même matière que la tôle 300, donc en Inconel ™, étant toutefois précisé que le terme « tôle » pour l’élément 300 ne doit pas être considéré comme en limitant la constitution à du métal. .

Pour une élasticité favorable à son maintien et son montage sur la tôle 300, on préférera que chaque épingle 12 présente axialement deux extrémités opposées chacune à pliure arrondie, respectivement 26a (amont) et 26b (aval).

Et, la tôle 300 de protection thermique présentant radialement des face externe 300a et interne 300b opposées (voir notamment figure 7), l’une au moins des extrémités axialement opposées 28a,28b de l’épingle considérée s’étendra radialement, de préférence, du côté de la face interne 300b, comme montré aux figures 6 à 9. Ceci sera favorable à la mise en place de l’ensemble. A ce sujet, on remarquera que dans les trois solutions des figures 7 à 9, qui montrent trois manières de rendre solidaires les épingles 12 et la tôle 300 de protection thermique, chaque épingle ne s’étend, à partir de l’arrondi d’une des extrémités de l’épingle (ici celui aval 26a), que du côté de la face radialement interne 300b de la tôle 300.

Figure 7, l’épingle est bloquée sous contrainte élastique à la manière d’un clip par engagement avec ladite tôle 300 de protection thermique.

Dans l’exemple préféré illustré, les extrémités opposées 28a,28b de l’épingle, sont recourbées et l’extrémité 28a est engagée sous contrainte élastique dans une fente traversante 32a de la tôle de protection. L’extrémité opposée 28b de l’épingle est, sous contrainte élastique, en appui contre la face radialement externe 300a.

Un tel montage doit permettre un montage aisé de l’épingle, très rapide donc peu coûteux, sans endommager la tôle 300. Une fois montée, l’épingle 12 est prisonnière sous contrainte et ne peut être démontée sans une manipulation particulière, ce qui garantit le montage de la tôle 300 avec ses épingles, et permet de constituer une seule et même pièce, avant positionnement de cet ensemble dans la turbomachine.

Le montage de l’épingle concernée s’effectuera de préférence à partir de la face radialement interne 300b de la tôle 300 de protection thermique. Les extrémités opposées 28a,28b recourbées en becs dirigés radialement vers l’extérieur faciliteront l’engagement dans les fentes 32a,32b1,32b2.

Figure 8, la solution prévoit que les épingles 12 soient fixées à la tôle 300 par des rivets 34. Chaque rivet traversera des parties planes de l’épingle. Dans l’exemple préféré illustré, un rivet 34 traverse : - la partie extrême plane 38 de l’épingle jouxtant l’extrémité 28b qui s’étend radialement à l’extérieur de la tôle 300, - et une partie intermédiaire également plane 40 qui épouse sensiblement la forme de la tôle 300 à cet endroit. Dès la pliure arrondie 26b qui suit la partie 38, l’extrémité 28a, l’épingle s’étend radialement à l’intérieur de la tôle 300, jusqu’à l’extrémité opposée 28a qui s’appuie contre la face 300b.

Figure 9, la solution prévoit que les épingles 12 soient fixées à la tôle 300 de protection thermique par une ou plusieurs soudures 36. L’épingle est la même que celle rivetée. Trois soudures peuvent être prévues : en zones 38,40 et sur la partie extrême plane de l’épingle jouxtant l’extrémité 28a.

La solution clipsée devrait être a priori préférée aux autres.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Partie de turbomachine présentant un axe longitudinal (X) de rotation et comprenant : - un carter (100) annulaire, - un distributeur (800) disposé radialement à l'intérieur du carter (10) et comprenant une pluralité de secteurs (20) disposés circonférentiellement autour de l’axe longitudinal (X), - des pions (200) fixes par rapport au carter (100), - une tôle (300) de protection thermique interposée radialement entre le carter et le distributeur (800), caractérisée en ce qu’elle comprend en outre des épingles fixées à la tôle (300) de protection thermique et s’étendant localement autour d’elle, pour caler radialement la tôle (300) de protection thermique entre : - le carter (100), - et certains au moins des secteurs du distributeur (800) et/ou des pions (200).
2. 2. Partie de turbomachine selon la revendication 1, où autour de la tôle (300) de protection thermique, chaque épingle (12) vient radialement en butée contre le pion (200) et le secteur de distributeur (800) considérés.
3. 3. Partie de turbomachine selon la revendication 1 ou 2, où : parallèlement à l’axe longitudinal (X) sont définis un amont et un aval, en référence au sens de circulation de gaz dans ladite partie de turbomachine, - et, autour de la tôle (300) de protection thermique, chaque épingle (12) : -- vient axialement en butée, vers l’amont, contre une face intérieure (140) d’un rebord (14) de la tôle (300) de protection thermique, - et, vers l’aval, s’étend plus près d’une partie sensiblement radiale du secteur de distributeur (800) considéré qu’une extrémité aval de la tôle (300) de protection thermique.
4. 4. Partie de turbomachine selon l’une des revendications précédentes, où chaque épingle (12) est définie par une tôle pliée non totalement refermée sur elle-même.
5. 5. Partie de turbomachine selon la revendication 4, où chaque épingle (12) présente radialement une face interne et une face externe opposées et, axialement, deux extrémités opposées (28a, 28b) chacune arrondie, dont l’une au moins s’étend radialement du côté de la face interne de l’épingle (12) considérée.
6. 6. Partie de turbomachine selon l’une des revendications précédentes, où face aux pions (200) la tôle (300) de protection thermique présente des encoches (16) dans lesquelles passent les épingles (12).
7. 7. Partie de turbomachine selon l’une des revendications précédentes, où chaque épingle (12) est bloquée sous contrainte élastique à la manière d’un clip par engagement avec la tôle (300) de protection thermique.
8. 8. Partie de turbomachine selon la revendication 4 ou 7, où chaque épingle (12) présente des extrémités opposées (28a, 28b) dont une est engagée sous contrainte élastique dans une fente (32a) de la tôle (300) de protection thermique.
9. 9. Partie de turbomachine selon l’une des revendications 1 à 6, où les épingles (12) sont fixées par des soudures (36) à la tôle (300) de protection thermique.
10. 10. Partie de turbomachine selon l’une des revendications 1 à 6, où les épingles (12) sont fixées par des rivets (34) à la tôle (300) de protection thermique.