FR3094395A1 - turbine - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un dispositif d’étanchéité dynamique pour turbomachine comprenant au moins une léchette annulaire (30) dont le pourtour externe est agencée en vis-à-vis radial d’un anneau abradable (28) présentant une surface ayant en section une forme sensiblement circulaire, ladite léchette annulaire (30) présentant un profil périphérique radialement externe comprenant une pluralité de sommets (32) en saillie, respectivement radialement vers l’extérieur relativement à des portions de jonction (34, 36) desdits sommets. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 4

Description

turbine

Domaine technique de l’invention

La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz tel qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion, et plus spécifiquement un dispositif d’étanchéité dynamique pour une turbine d’un tel moteur.

Etat de la technique antérieure

Un moteur à soufflante avant et à double corps, par exemple, comprend, d'amont en aval, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression. Par convention, dans la présente demande, les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de circulation de l'air dans le turboréacteur. De même, par convention dans la présente demande, les termes « intérieur » et « extérieur », et « interne » et « externe » sont définis radialement par rapport à l'axe du moteur. Ainsi, un cylindre s'étendant selon l'axe du moteur comporte une face intérieure tournée vers l'axe du moteur et une face extérieure, opposée a sa surface intérieure.

Classiquement, comme représenté en figure 1, une turbine 10 comprend plusieurs étages comportant chacun une rangée annulaire d’aubes mobiles 12 et un distributeur 14 formé d’une rangée annulaire d’aubes fixes. Chaque rangée annulaire d’aubes mobiles 12 comprend un disque 16 portant à sa périphérie radialement externe des aubes 18 sensiblement radiales, les disques 16 des différentes roues étant reliés coaxialement par des parois de liaisons 18 les uns aux autres et à un arbre d'entrainement du rotor de la turbine par des moyens appropriés. Chaque distributeur 14 comprend une plateforme annulaire interne 20 et une plate-forme annulaire externe (non représenté) entre lesquelles s'étendent des pales 22 sensiblement radiales. La plate-forme externe du distributeur 14 comprend des moyens d'accrochage et de fixation sur un carter externe (non représenté) de la turbine.

Pour éviter et à tout le moins limiter les circulations d’air parasites (flèche F) radialement entre les parois de liaisons 18 et les plates-formes internes 20, il est connu de disposer à cet endroit une pièce de frottement 23 solidaire des aubes mobiles. Cette pièce 23 comprend des léchettes annulaires 24 coopérant à étanchéité avec un anneau 26 en matériau abradable porté par la face radialement interne de la plate-forme interne 20 de la rangée annulaire d’aubes fixes 14. Ces léchettes annulaires 24 s’étendent sur 360° et présentent un pourtour extérieur qui est circulaire. L’anneau abradable 26 est généralement formé d’une pluralité de secteurs 26a abradable agencés circonférentiellement bout à bout (figure 2). La problématique de circulation d’air parasite se pose à d’autres endroits de la turbomachine, de sorte que l’on peut avoir un agencement inversé, avec l’anneau abradable 26 qui est entouré par les léchettes annulaires 24.

En fonctionnement, le rotor formé des rangées annulaires d’aubes mobiles 12 se dilate permettant à celles-ci de venir en contact avec l’anneau 26 abradable, ce qui permet d’assurer l’étanchéité. Toutefois, le temps de refroidissement du rotor étant plus long que celui des parties statoriques, du fait essentiellement de la masse importante du rotor, plus particulièrement des disques, il peut arriver que les pourtours radialement externes des léchettes 24 se bloquent dans l’anneau abradable 26 durant un certain temps jusqu’à un refroidissement plus important du rotor (figure 3). Cette différence de vitesse de refroidissement entre le rotor et le stator peut ainsi empêcher un redémarrage du moteur sur la période de temps précitée. Ce phénomène de blocage du rotor est connu est anglais sous le terme de « rotor block ».

Par ailleurs, on a observé que les efforts de frottements entre les léchettes 24 et l’anneau abradable 26 pouvaient être plus importants que ce qui a été initialement prévu à la conception de la turbomachine. Il peut ainsi s’ensuivre, que suite à une demande d’accélération du moteur, un blocage peut intervenir du fait de frottements trop importants. En effet, la remise des gaz induit une augmentation de la température au sein de la turbine, laquelle augmente le contact entre les léchettes 24 et l’anneau abradable 26. La turbine basse pression ne tournant plus, celle-ci n’est plus ventilée et la température peut rapidement dépasser la température de fusion des matériaux de fabrication de ses pièces constitutives. Il peut ainsi s’ensuivre un endommagement important de la turbine basse pression nécessitant d’importantes opérations de maintenance.

Présentation de l’invention

L’invention proposée a notamment pour but d’apporter une solution simple et efficace à cette problématique.

L’invention concerne un dispositif d’étanchéité dynamique pour turbomachine comprenant au moins une léchette annulaire dont le pourtour externe ou interne est agencée en vis-à-vis radial d’un anneau abradable présentant une surface radialement interne ou une surface radialement externe ayant en section une forme sensiblement circulaire, caractérisé en ce que ladite léchette annulaire présente un profil périphérique radialement externe ou radialement interne comprenant une pluralité de sommets en saillie, respectivement radialement vers l’extérieur ou radialement vers l’intérieur relativement à des portions de jonction desdits sommets.

Le joint proposé présente l’avantage de réduire la surface de contact entre la léchette et l’anneau abradable. La formation, pour chaque léchette, d’un profil extérieur ou intérieur, comme indiqué ci-dessus permet de créer des dents permettant de faciliter la pénétration de la léchette dans l’abradable quel que soit la situation de fonctionnement de la turbomachine.

On comprend que le dispositif d’étanchéité peut comprendre plusieurs léchettes annulaires et qu’une seule ou plusieurs d’entre elles peuvent être configurées avec des sommets en saillie radialement vers l’intérieur ou l’extérieur par rapport à des zones de jonction. On peut ainsi envisager un ensemble comprenant deux léchettes annulaires dont l’une est conforme à l’invention et l’autre est une léchette annulaire comme dans la technique antérieure.

Selon une autre caractéristique de l’invention, un cercle peut passer par tous lesdits sommets de ladite léchette.

Egalement, ladite au moins une léchette annulaire peut être sensiblement continue sur 360° et l’anneau abradable être formé de plusieurs secteurs agencés circonférentiellement bout à bout.

Ladite au moins une léchette peut comprendre un nombre de sommets supérieur ou égal au nombre de secteurs. Au moins certaines des portions de jonction peuvent présenter un profil qui est droit ou incurvé concave. Plus généralement, au moins certaines des parties de jonction peuvent présenter un profil comprenant au moins l’une d’une partie droite, incurvée convexe et incurvé concave.

Plus particulièrement, la distance radiale maximale séparant une portion de jonction dudit cercle est comprise entre 0,05 et 3 mm. Cette faible distance permet ainsi de former en périphérie interne ou externe des léchettes une structure de dimensions similaires à celle d’une meule de rectification.

Egalement, chaque sommet peut être délimité, par rapport au sens de rotation de la léchette annulaire, par une portion de jonction amont et une portion de jonction aval, la portion de jonction amont formant un angle d’attaque non nul avec une tangente au sommet et la portion de jonction aval formant un angle de dépouille non nul avec ladite tangente.

L’angle d’attaque et l’angle de dépouille sont compris entre 0,5 et 60°. Le choix de l’angle dépend du volume d’air de fuite acceptable et du nombre de léchettes annulaires en contact avec l’abradable.

L’angle de dépouille et l’angle d’attaque peuvent être identiques. Si ce n’est pas le cas, alors on comprend que les portions de jonction entre deux sommets présentent au moins deux parties distinctes, une partie destinée à former une face de dépouille et partie destinée à former une face d’attaque.

L’invention concerne une turbine comprenant joint d’étanchéité tel que décrit ci-dessus.

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 en référence aux dessins annexés.

Brève description des figures

, déjà décrite précédemment, est une vue schématique en coupe d’une turbine selon la technique connue ;

, déjà décrite précédemment, illustre schématiquement une léchette annulaire en vis-à-vis d’une pluralité de secteurs d’anneau abradable ;

, déjà décrite précédemment, est une illustration schématique d’un blocage d’une léchette dans un anneau abradable ;

est une vue schématique en coupe d’un dispositif d’étanchéité dynamique selon l’invention ;

représente une variante d’un pourtour extérieur d’une léchette annulaire pour dispositif d’étanchéité dynamique selon l’invention

représente plusieurs variantes d’une léchette selon l’invention.

Description détaillée de l’invention

Les figures 1 à 3 ont été décrites précédemment en référence à la technique antérieure. La figure 4 représente un dispositif d’étanchéité dynamique selon l’invention destiné à être monté entre un rotor et une plate-forme interne d’un distributeur d’une turbine comme représenté en figure 1. Comme cela est représenté, l’anneau abradable 28 comprend une pluralité de secteurs 28a abradables agencés circonférentiellement bout à bout et entourant une léchette annulaire 30.

La léchette 30 présente un pourtour ayant une pluralité de sommets 32 reliés les uns aux autres par des portions de jonction 34 de sorte que les sommets 32 sont en saillie radialement vers l’extérieur par rapport aux portions de jonction 34. Dans la réalisation représentée, les portions de jonctions 34 sont rectilignes et on observe qu’un cercle C passe par tous les sommets 32 du pourtour de la léchette 30. Ce cercle C est schématisé en pointillés et son centre est sur l’axe A de rotation de la turbine. Ce cercle passe les faces radialement internes de chaque secteur 28a d’anneau abradable.

Une léchette 30 ainsi configurée présente moins de surface de contact avec l’abradable 28 par rapport à une léchette 24 de la technique antérieure. Il est ainsi possible d’éviter les problèmes de blocage de rotor de la technique antérieure. Un anneau abradable 28 peut coopérer avec au moins une léchette 30 comme représentée en figure 4 et une léchette 24 comme dans la technique antérieure de manière à réduire les effets de blocage tout en conservant une bonne étanchéité aux recirculations d’air.

Idéalement, pour chaque léchette 30, on peut prévoir un nombre de sommets 32 supérieur ou égal au nombre de secteurs d’abradable 28a. Le nombre de sommets 32 sera adapté au nombre de secteurs abradables 28a et à la distance radiale à l’axe A de la turbine à laquelle ils se trouvent. Le nombre de léchettes est également fonction du niveau de frottement induit sur l’abradable afin d’éviter un blocage du rotor.

La figure 4 indique le sens de rotation R de la léchette annulaire 30. Ainsi, chaque sommet 32 présente en amont, par rapport au sens de rotation, une partie d’attaque 34a et en aval, une partie 34b de dépouille. Bien évidemment, une portion de jonction 34 donnée comprend à la fois une partie d’attaque 34a et une partie 34b de dépouille. Cette partie d’attaque 34a forme ainsi un angle d’attaque α₁non nul avec une tangente T au sommet 32 et la partie de dépouille 34b forme un angle de dépouille α₂non nul avec ladite tangente. Dans le cas de la figure, 4, les angles d’attaque α₁et de dépouille α₂sont bien évidemment identiques. Toutefois, dans le cas de la figure 3, on comprend que la forme des parties de jonctions 34 autorise des valeurs d’angles différentes. Ainsi, les angles d’attaque α₁et de dépouille α₂peuvent être compris entre 0,5 et 60°.

Pour limiter les fuites d’air entre les portions de jonction 34 et l’anneau abradable 28, on prévoiera que la distance radiale maximale séparant une portion de jonction 34 et le cercle C est comprise entre 0,05 et 3 mm.

Dans un exemple pratique de réalisation pour un diamètre extérieur d’un disque de support d’aubes, les portions de jonctions 34 peuvent être droites, le nombre de portions de jonction 34 étant de 9, l’angle d’attaque α₁et l’angle de dépouille α₂est de l’ordre de 5° et la distance radiale maximale est de 0,15 mm.

La figure 5 illustre une variante d’une léchette dans laquelle les portions 36 de jonction sont courbes. Plus particulièrement, les portions de jonction 36 sont incurvées concaves. Ces portions de jonction comprennent également une partie d’attaque 36a et une partie de dépouille 36b de manière similaire à ce qui a été décrit en référence à la figure 4.

De manière générale et non représentée, les portions de jonction peuvent encore présenter un profil présentant à la fois des parties droites et des parties incurvées concaves.

Egalement, la figure 6 illustre trois variantes d’une léchette comprenant des sommets 42a, 42b, 42c reliées à des portions de jonction 44. Dans une première variante, la léchette 40a peut présenter un sommet 42a ayant une forme plane (figure 6A). Dans une deuxième variante, la léchette 40b peut présenter un sommet 42b ayant une forme incurvée convexe, par exemple avec un rayon de courbure constant. Dans une troisième variante, la léchette 40c peut présenter un sommet 42c ayant une forme plane avec des extrémités 46c arrondies convexe, par exemple avec un rayon de courbure constant.

Bien que cela ne soit pas représenté, le dispositif d’étanchéité peut également être utilisé dans une configuration pour laquelle le rotor entoure un anneau abradable de sorte que les sommets de léchettes sont en saillie radialement vers l’intérieur par rapport aux portions de jonction desdits sommets et frottent sur les secteurs d’anneau abradable.

Claims (10)

1. Dispositif d’étanchéité dynamique pour turbomachine comprenant au moins une léchette annulaire (30, 38) dont le pourtour externe ou interne est agencée en vis-à-vis radial d’un anneau abradable (28) présentant une surface radialement interne ou une surface radialement externe ayant en section transversale une forme sensiblement circulaire, caractérisé en ce que ladite léchette annulaire (30, 38) présente un profil périphérique radialement externe ou radialement interne comprenant une pluralité de sommets (32) en saillie, respectivement radialement vers l’extérieur ou radialement vers l’intérieur relativement à des portions de jonction (34, 36) desdits sommets (32).
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel un cercle (C) passe par tous lesdits sommets (32) de ladite léchette (30, 38).
3. Dispositif d’étanchéité selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite au moins une léchette (30, 38) annulaire est sensiblement continue sur 360° et en ce que l’anneau (28) abradable est formé de plusieurs secteurs (28a) agencés circonférentiellement bout à bout.
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel ladite au moins une léchette (30, 38) comprend un nombre de sommets (32) supérieur ou égal au nombre de secteurs (28a).
5. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel au moins certaines des portions de jonction (34, 36) présentent un profil comprenant au moins l’une d’une partie droite, incurvée convexe et incurvée concave.
6. Dispositif selon l’une des revendications précédentes et la revendication 2, dans lequel la distance radiale maximale séparant une portion de jonction (34, 36) dudit cercle est comprise entre 0,05 et 3 mm.
7. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chaque sommet (32) est délimité, par rapport au sens (R) de rotation de la léchette annulaire (30, 38) ,par une portion de jonction amont et une portion de jonction aval, la portion de jonction amont formant un angle d’attaque α₁non nul avec une tangente (T) au sommet (32) et la portion de jonction (34) aval formant un angle de dépouille α₂non nul avec ladite tangente (T).
8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel l’angle de d’attaque α₁et l’angle de dépouille α₂sont compris entre 0,5 et 60°.
9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel l’angle de dépouille α₁et l’angle d’attaque α₂sont identiques.
10. Module de turbomachine comprenant un dispositif selon l’une des revendications 1 à 9, un rotor portant ladite léchette annulaire (30, 38) et l’anneau abradable (28) étant fixé à un stator dudit module.