FR3049000A1 - Distributeur d'une turbine comprenant une couronne interne monobloc - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un distributeur d'une turbine et un redresseur d'un compresseur pour une turbomachine (1) comprenant une pluralité d'aubages (12) disposés radialement par rapport à un axe (X) de rotation de la turbomachine (1) reliant une couronne annulaire radialement interne (14) et une couronne annulaire radialement externe (16). La couronne externe (16) est sectorisée et comprend au moins deux secteurs d'anneau (17) s'étendant coaxialement avec l'axe (X) de rotation de la turbomachine (1) et la couronne interne (14) est monobloc.
Description
DOMAINE DE L’INVENTION L’invention concerne le domaine général des turbomachines à simple ou double flux, et plus particulièrement les couronnes des étages d’aubages fixes (distributeurs ou redresseurs) de ces turbomachines.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Une turbomachine 1 (voir notamment figure 1) comporte typiquement une nacelle ou entrée d’air (plénum) qui forme une ouverture pour l’admission d’un flux déterminé d’air vers le moteur proprement dit. Généralement, la turbomachine comprend une ou plusieurs sections de compression 2, 3 de l’air admis dans le moteur (typiquement une section basse pression et une section haute pression). L’air ainsi comprimé est admis dans la chambre de combustion 4 et mélangé avec du carburant avant d’y être brûlé.
Les gaz de combustion chauds issus de cette combustion sont ensuite détendus dans différents étages de turbine 5, 6. Une première détente est faite dans un étage à haute pression 5 immédiatement en aval de la chambre de combustion 4 et qui reçoit les gaz à la température la plus élevée. Les gaz sont détendus à nouveau en étant guidés à travers les étages de turbine dits à basse pression 6.
Une turbine haute pression 5 ou basse pression 6 comporte classiquement un ou plusieurs étages, chacun étant constitué d’une rangée d’aubages de turbine fixes, aussi appelée distributeur, suivie d’une rangée d’aubages mobiles de turbine espacées circonférentiellement tout autour du disque de la turbine. Le distributeur dévie et accélère le flux de gaz issu de la chambre de combustion vers les aubages mobiles de turbine à un angle et une vitesse appropriés afin d’entraîner en rotation ces aubages mobiles et le disque de la turbine.
Il en est de même pour le compresseur, basse pression 2 ou haute pression 3, qui comporte un ou plusieurs étages comprenant chacun une rangée d’aubages de compresseur fixes, ou redresseur, et une rangée d’aubages mobiles de compresseur.
Dans tous les cas, la rangée d’aubages fixes (distributeur ou redresseur) comprend une pluralité d'aubages disposés radialement par rapport à un axe X de rotation de la turbomachine 1 reliant un élément annulaire radialement externe (ou couronne externe) et un élément annulaire radialement interne (ou couronne interne), qui reconstituent la veine d’air et sont fixés sur le carter. L'ensemble forme une veine annulaire en regard des aubages mobiles de la turbine.
Pour optimiser au maximum le rendement de la turbomachine, il est nécessaire que le flux d’air qui agit sur les différents aubages subisse le moins de perte possible, notamment au niveau des aubages fixes (distributeurs pour les turbines ou redresseurs pour les compresseurs).
Afin que l’ensemble du flux d’air travaille, il est préférable d’éviter les recirculations d’air ainsi que les fuites au niveau de la jonction entre les parties fixes et les parties mobiles. Pour cela, la couronne interne est configurée pour limiter les fuites entre les parties fixes et les parties mobiles en réalisant une étanchéité cylindre/cylindre.
Certaines turbomachines de l’art antérieur comprennent des rangées d’aubages fixes (de distributeur ou de redresseur) comportant chacune des aubages individuels et unitaires. Toutefois, il s’avère que de l’air peut passer entre les parties de couronne externe et de couronne interne formant ces aubages individuels, créant ainsi une recirculation de fluide importante.
Il existe également des rangées d’aubages fixes comprenant une couronne interne et une couronne externe monobloc et non sectorisées qui permettent de supprimer ces recirculations d’air. Toutefois, les rangées d’aubage sont soumises à des environnements thermiques sévères au cours du fonctionnement de la turbomachine qui engendrent des dilatations thermiques importantes dans les rangées d’aubages. Ces dilatations thermiques engendrent donc des contraintes importantes dans les couronnes interne et externe lorsque celles-ci sont monobloc, aucun mouvement relatif au sein des couronnes n’étant possible, qui sont susceptibles de dégrader les rangées d’aubages. C’est pourquoi, actuellement, les rangées d’aubages fixes sont généralement divisées en une pluralité de segments répartis circonférentiellement autour de l’axe X de la turbomachine. Chaque segment comprend plusieurs aubages fixes adjacents solidaires au niveau de leurs extrémités radialement interne et externe d’éléments en secteur correspondant à des secteurs de couronne interne et de couronne externe. Cette forme de réalisation permet, certes, de réduire les fuites au niveau des bornes amont et aval des secteurs d’anneau tout en permettant à la rangée d’aubages de se dilater. Toutefois, la quantité de fuites à l’intersection des secteurs d’anneau reste importante.
RESUME DE L’INVENTION
Un objectif de l’invention est donc de proposer une rangée d’aubages fixes, telle qu’un distributeur d’une turbine ou un redresseur d’un compresseur, capable de réduire de façon notable les fuites d’air au niveau de la couronne interne et de la couronne externe tout en autorisant la dilatation de la rangée d’aubages afin de limiter les contraintes susceptibles d’endommager ladite rangée.
Pour cela, l’invention propose une rangée d’aubages fixes d’une turbine ou d’un compresseur d’une turbomachine comprenant une pluralité d'aubages disposés radialement par rapport à un axe de rotation de la turbomachine reliant une couronne annulaire radialement interne et une couronne annulaire radialement externe .
La couronne externe est sectorisée et comprend au moins deux secteurs d’anneau s’étendant coaxialement avec l’axe de rotation de la turbomachine et en ce que la couronne interne est monobloc.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de la rangée d’aubages fixes décrite ci-dessus sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison : - la couronne interne est formée intégralement et en une seule pièce, - les aubages sont monoblocs avec la couronne interne, - chaque secteur d’anneau est fixé sur un nombre prédéterminé d’aubages, ledit nombre prédéterminé étant compris entre quatre et dix, de préférence entre cinq et neuf, par exemple sept, - deux secteurs d’anneau adjacents de la couronne externe sont séparés par une fente, la rangée d’aubages fixes comprenant en outre au moins un organe d’étanchéité fixé sur la couronne externe de manière à recouvrir au moins partiellement ladite fente, - la rangée comprend en outre des moyens de blocage en rotation formés sur la couronne externe et configurés pour coopérer avec des moyens de blocage complémentaires formés sur un carter en regard de la turbomachine, l’organe d’étanchéité comprenant une virole sensiblement annulaire dans laquelle est formée une fente de sorte que ladite virole présente deux extrémités non jointives et étant positionnée sur la couronne externe de sorte que les extrémités s’étendant de part et d’autre des moyen de blocage, - l’organe d’étanchéité est monté à coulissement sur l’un au moins des secteurs d’anneau de la couronne externe de manière à permettre une dilatation de la couronne externe, et/ou - la couronne interne et/ou la couronne externe est de forme conique.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose également une turbine et/ou un compresseur pour une turbomachine comprenant une rangée d’aubages fixes comme décrite ci-dessus.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :
La figure 1 est une vue en coupe illustrant, de manière schématique, un exemple de turbomachine pouvant comprendre une rangée d’aubes fixes conforme à l’invention,
La figure 2a est une vue partielle en perspective d’une rangée d’aubages fixes conforme à un premier mode de réalisation de l’invention, et
La figure 2b est une vue partielle en perspective d’une rangée d’aubages fixes conforme à un deuxième mode de réalisation de l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE D’UN MODE DE REALISATION L’invention va être décrite tout particulièrement en référence à une turbine basse pression 6 comprenant au moins un distributeur basse pression 10 (ou stator) et une roue mobile (ou rotor). Ceci n’est cependant pas limitatif, dans la mesure où la turbine 6 pourrait comprendre davantage d’étages et que l’invention trouve aussi bien application dans une turbine haute pression 5 (mono ou multi-étages) que dans un compresseur (haute ou basse pression 3, 2), qui comprennent également un ou plusieurs étages fixes (redresseurs) et autant d’étages mobiles.
Dans ce qui suit, par ‘interne’ on désignera une partie de la turbine s’étendant à proximité de l’axe de la turbine (qui est coaxial avec l’axe X de la turbomachine) par opposition à ‘externe’ qui désignera une partie qui s’étend radialement à distance dudit axe.
La turbine 6 comporte classiquement un ou plusieurs étages, chacun étant constitué d’une rangées d’aubages fixes (distributeur 10) suivi d’une rangée d’aubages mobiles de turbine 6 espacées circonférentiellement tout autour du disque de la turbine 6. Chaque rangée d’aubages mobiles comprend généralement des léchettes, placées en regard d’un distributeur 10 associé.
Le distributeur 10 dévie le flux de gaz issus de la chambre de combustion 4 vers les aubages mobiles à un angle et une vitesse appropriés afin d’entraîner en rotation les aubages et le disque de la turbine 6. Ce distributeur 10 comprend une pluralité d'aubages 12 fixes disposés radialement par rapport à l’axe X de rotation de la turbomachine reliant une couronne annulaire radialement interne 14 et une couronne annulaire radialement externe 16.
Chaque aubage 12 comprend une surface aérodynamique (ou pale) s’étendant entre un pied d'aubage, fixé sur la couronne interne 14, et une tête d'aubage, fixée sur la couronne externe 16.
Afin de réduire les fuites entre les parties fixes et les parties mobiles de la turbine 6 tout en permettant au distributeur 10 de se dilater en raison des gradients thermiques, la couronne externe 16 est sectorisée et comprend au moins deux secteurs d’anneau 17 s’étendant coaxialement avec l’axe X de rotation de la turbomachine tandis que la couronne interne 14 est monobloc (voir notamment figures 2a et 2b).
Le caractère monobloc de la couronne interne 14 permet ainsi de supprimer les fuites en partie interne du distributeur 10 tandis que le caractère sectorisé de la couronne externe 16 autorise les dilatations thermiques du distributeur. L’invention propose de rendre la couronne interne 14 monobloc plutôt que la couronne externe 16 afin de limiter les défauts de courbure et d’excentricité du distributeur 10 et d’assurer la continuité de la couronne interne 14, qui se trouve en regard des léchettes de l’étage d’aubages mobiles.
La couronne interne 14 peut être formée intégralement et en une seule pièce ou en variante comprendre plusieurs secteurs d’anneau coaxiaux assemblés et fixés ensemble de manière à obtenir une couronne 14 monobloc et dépourvue d’espace entre les secteurs d’anneau adjacents.
De manière optionnelle, les aubages 12 peuvent être monoblocs avec la couronne interne 14.
La couronne externe 16 quant à elle comprend plusieurs secteurs d’anneau 17. Chaque secteur d’anneau 17 est fixé sur un ou plusieurs aubages. Par exemple, chaque secteur d’anneau 17 peut être fixé sur plusieurs aubages 12, typiquement entre quatre et dix, de préférence entre cinq et neuf aubages, par exemple sept aubages.
Chaque secteur d’anneau 17 peut alors être formé intégralement avec ces aubages 12 ou rapporté et fixé sur ces aubages 12. En variante, le distributeur 10 peut comprendre au moins un secteur d’anneau 17 formé intégralement avec des aubages 12 et des secteurs d’anneau 17 rapportés et fixé sur les aubages 12 restants. Par exemple, un secteur d’anneau 17 peut être formé intégralement avec les aubages 12 auxquels il est fixé, tandis que les secteurs d’anneau 17 adjacents sont rapportés et fixés sur les aubages 12 associés.
La couronne externe 16 peut être obtenue soit en fabricant séparément chaque secteur d’anneau 17, puis en les fixant sur la couronne interne 14 par l’intermédiaire des aubages 12 de manière à laisser une fente 18 entre deux secteurs d’anneau 17 adjacents, soit en fabricant une couronne externe 16 monobloc en une seule pièce et en réalisant des fentes 18 dans ladite couronne 16 monobloc de manière à obtenir les secteurs d’anneau 17. Dans tous les cas, la couronne externe 16 est sectorisée et comprend des secteurs d’anneau 17 séparés mais s’étendant dans le prolongement les uns des autres de manière à délimiter une veine d’air continue dans le distributeur tout en permettant la dilatation du distributeur 10.
Afin de réduire les risques de fuite au niveau de la couronne externe 16, le distributeur 10 peut en outre comprendre un organe d’étanchéité 20, rapporté et fixé sur la couronne externe 16 de manière à recouvrir au moins partiellement la jonction entre deux secteurs d’anneau 17 adjacents (voir
Fig. 2b). De préférence, l’organe d’étanchéité 20 recouvre totalement cette jonction. L’organe d’étanchéité 20 est monté à coulissement sur au moins l’un des secteurs d’anneau 17 afin de ne pas bloquer le déplacement relatif desdits secteurs lors de la dilatation du distributeur 10. Par exemple, l’organe d’étanchéité 20 peut comprendre une virole sensiblement annulaire conformée de manière à venir en contact surfacique avec les secteurs d’anneau 17 afin d’obturer de manière efficace la jonction entre les secteurs. La virole 20 peut être insérée dans des rails de guidage formés dans les secteurs d’anneau 17 de manière à rester en contact avec lesdits secteurs d’anneau 17 tout en ayant un jeu dans la direction tangentielle par rapport à l’axe de la turbomachine.
Le cas échéant, l’organe d’étanchéité 20 peut présenter une forme complémentaire de celle des rails de guidage afin d’assurer le contact surfacique avec les secteurs d’anneau 17.
De manière conventionnelle, la couronne externe 16 peut comprendre des moyens de blocage 22 en rotation du distributeur 10. Le distributeur 10 est en effet soumis à des efforts tangentiels résultant de l’écoulement gazeux susceptibles de le faire tourner malgré sa fixation au carter de la turbine 6. Par exemple, les moyens de blocage 22 peuvent comprendre des logements (respectivement, des pions anti-rotation) formés dans un ou plusieurs secteurs d’anneau 17 de la couronne externe 16 et autant de pions anti-rotation (respectivement, autant de logements) fixés en regard sur le carter de turbine. Les moyens de blocage 22 sont préférentiellement aménagés à distance des jonctions entre secteurs d’anneau, encore plus préférentiellement à égale distance de deux jonctions adjacentes.
Dans une forme de réalisation, l’organe d’étanchéité 20 peut alors être configuré pour venir en butée contre les moyens de blocage 22 en s’étendant de part et d’autres desdits moyens, afin de permettre le coulissement de l’organe d’étanchéité 20 lors des dilatations du distributeur 10. Le distributeur 10 peut donc se dilater sans risque d’endommagement grâce au jeu laissé par l’organe d’étanchéité 20 lorsque celui-ci coulisse autour de la couronne externe 16, tandis que les moyens de blocage 22 en rotation (et en particulier le pion anti-rotation) forment une butée pour l’organe d’étanchéité 20 afin d’éviter que l’organe d’étanchéité ne se déplace et découvre une jonction entre deux secteurs d’anneau 17.
Par exemple, lorsque les moyens d’étanchéité 20 comprennent une virole annulaire, la virole peut être fendue de manière à présenter deux extrémités libres 21 disjointes. La virole peut alors être placée de sorte que ses extrémités libres s’étendent de part et d’autre du moyen de blocage 22 afin de permettre le coulissement de l’organe d’étanchéité 20 lors des dilatations du distributeur 10 tout en évitant que la fente définie entre les deux extrémités libres 21 ne se place en regard d’une jonction entre deux secteurs d’anneau 17.
Afin d’assembler les rangées d’aubages fixes (distributeurs 10) et mobiles (rotors) et d’obtenir ainsi la turbine 6, la couronne interne 14 et/ou la couronne externe 16 de chaque rangée d’aubages fixe 10 est de préférence conique. De préférence, à la fois la couronne interne 14 et la couronne externe 16 sont coniques. Il est alors possible d’insérer axialement les rangées d’aubages (fixes et mobiles) dans un carter de turbine 6 monobloc en alternant les rangées d’aubages fixes (distributeurs 10) et les rangées d’aubages mobiles (rotors) le long de l’axe X de la turbomachine (qui est coaxial à l’axe de la turbine 6).
Contrairement aux distributeurs assemblés par insertion tangentielle des rangées d’aubages dans un carter de turbine formé de deux demi-coquilles, la turbine 6 ainsi obtenue ne présente alors par de risque de fuites au niveau de la jonction entre les demi-coquilles du carter de turbine 6 ni entre les couronnes internes des rangées d’aubages fixes et les rangées d’aubages mobiles qui seraient dues à des défauts de courbure d’excentricité ou de continuité de la couronne interne.
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Rangée d’aubages fixes (10) d’une turbine (5, 6) ou d’un compresseur (2, 3) d’une turbomachine (1) comprenant une pluralité d'aubages (12) disposés radialement par rapport à un axe (X) de rotation de la turbomachine (1) reliant une couronne annulaire radialement interne (14) et une couronne annulaire radialement externe (16), la rangée d’aubages fixes (10) étant caractérisée en ce que la couronne externe (16) est sectorisée et comprend au moins deux secteurs d’anneau (17) s’étendant coaxialement avec l’axe (X) de rotation de la turbomachine (1) et en ce que la couronne interne (14) est monobloc.
- 2. Rangée d’aubages fixes (10) selon la revendication 1, dans laquelle la couronne interne (14) est formée intégralement et en une seule pièce.
- 3. Rangée d’aubages fixes (10) selon l’une des revendications 1 ou 2, dans laquelle les aubages (12) sont monoblocs avec la couronne interne (14).
- 4. Rangée d’aubages fixes (10) selon l’une des revendications 1 à 3, dans laquelle chaque secteur d’anneau (17) est fixé sur un nombre prédéterminé d’aubages (12), ledit nombre prédéterminé étant compris entre quatre et dix, de préférence entre cinq et neuf, par exemple sept.
- 5. Rangée d’aubages fixes (10) selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle deux secteurs d’anneau (17) adjacents de la couronne externe sont séparés par une fente (18), la rangée d’aubages fixes (10) comprenant en outre au moins un organe d’étanchéité (20) fixé sur la couronne externe (16) de manière à recouvrir au moins partiellement ladite fente (18).
- 6. Rangée d’aubages fixes (10) selon la revendication 5, comprenant en outre des moyens de blocage en rotation (22) formés sur la couronne externe (16) et configurés pour coopérer avec des moyens de blocage complémentaires formés sur un carter en regard de la turbomachine, l’organe d’étanchéité (20) comprenant une virole sensiblement annulaire dans laquelle est formée une fente de sorte que ladite virole présente deux extrémités (21) non jointives et étant positionnée sur la couronne externe (16) de sorte que les extrémités (21) s’étendant de part et d’autre des moyen de blocage (22).
- 7. Rangée d’aubages fixes (10) selon l’une des revendications 5 ou 6, l’organe d’étanchéité (20) est monté à coulissement sur l’un au moins des secteurs d’anneau (17) de la couronne externe (16) de manière à permettre une dilatation de la couronne externe (16).
- 8. Rangée d’aubages fixes (10) selon l’une des revendications 1 à 7, dans laquelle la couronne interne (14) et/ou la couronne externe (16) est de forme conique.
- 9. Turbine (5, 6) pour une turbomachine (1), caractérisée en ce qu’elle comprend une rangée d’aubages fixes (10) selon l’une des revendications 1 à 8.
- 10. Compresseur (2, 3) pour une turbomachine (1), caractérisé en ce qu’il comprend une rangée d’aubages fixes (10) selon l’une des revendications 1 à 8.
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Cited By (1)
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| FR3139858A1 (fr) * | 2022-09-15 | 2024-03-22 | Safran Aircraft Engines | Distributeur pour une turbine d’une turbomachine d’aéronef |
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2016
- 2016-03-18 FR FR1652340A patent/FR3049000B1/fr active Active
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| FR3049000B1 (fr) | 2019-05-10 |
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Owner name: SAFRAN AIRCRAFT ENGINES, FR Effective date: 20180809 |
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