FR3033827B1 - Ensemble a plaquettes d'etancheite pour turbine a gaz - Google Patents

Abstract

Il s'agit d'un ensemble pour turbine à gaz, comportant des aubes fixes formant distributeur (5) dont des faces latérales (171,173) adjacentes sont mises bout à bout et qui comprennent des fentes (31 a,33a) pratiquées en vis-à-vis dans les faces latérales adjacentes de deux aubes fixes successives, et des plaquettes d'étanchéité (35) disposées individuellement dans les fentes en vis-à-vis de deux aubes fixes successives. Certaines au moins des plaquettes d'étanchéité présentent une courbure naturelle et sont coincées, déformées sous contrainte de flexion, dans les fentes.

Description

Ensemble à plaquettes d'étanchéité pour turbine à gaz

La présente invention se rapporte au domaine général des dispositifs assurant une fonction d'étanchéité dans une turbomachine, en particulier un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion.

Les turbines de telles machines comprennent typiquement plusieurs étages comportant chacun une rangée annulaire d’aubes fixes portées par un carter de la turbine et une rangée annulaire d’aubes montées rotatives autour d’un axe central de rotation.

Radialement, en délimitations de la veine de gaz circulant, notamment les aubes fixes présentent des zones appelées plateformes à l’endroit desquelles deux aubes successives sont adjacentes. S’étendant annulairement, ces plateformes sont sectorisées, c'est à dire qu'elles se composent chacune d'une pluralité de segments réunis bout à bout, suivant une circonférence, autour de l’axe central de rotation.

Il est nécessaire d'assurer une étanchéité au moins relative entre les segments adjacents de ces plateformes afin d'éviter des fuites d'air particulièrement préjudiciables notamment au bon refroidissement de ces segments et risquant en outre de conduire à une diminution des performances du moteur, voire à des endommagements de pièces situées en aval.

Dans ce but, il est connu d'interposer des languettes ou plaquettes d'étanchéité entre les segments voisins. De telles languettes ou plaquettes sont généralement logées dans des fentes sensiblement axiales et/ou radiales pratiquées en vis-à-vis dans les faces latérales adjacentes des segments. Elles permettent ainsi d'obstruer le jeu existant entre deux segments adjacents afin de limiter les fuites d'air quelle que soit la dilatation thermique subie par les segments.

Ainsi il est par exemple connu un ensemble pour turbine à gaz, comportant : - une pluralité d'aubes fixes formant un distributeur dont des faces latérales adjacentes sont mises bout à bout et qui comprennent des fentes pratiquées en vis-à-vis dans les faces latérales adjacentes de deux aubes fixes successives, - et des plaquettes d'étanchéité disposées individuellement dans les fentes en vis-à-vis de deux aubes fixes successives.

Un problème persistant demeure toutefois, lié à une usure prononcée de ces plaquettes d’étanchéité, voir à leur absence : Les usures réduisent les dimensions des plaquettes qui peuvent alors aller jusqu’à sortir de leurs logements (fentes).

Une solution ici proposée consiste en ce que certaines au moins desdites plaquettes d'étanchéité présentent naturellement une courbure et soient coincées dans les fentes, en y étant déformées sous contrainte mécanique.

Monter ces plaquettes galbées dans les fentes d’étanchéité actuelles conçues pour des plaquettes planes va permettre un montage en précontrainte, sans avoir à modifier les fentes.

Ainsi bloquées sous tension, les plaquettes seront moins sensibles à la conjonction des vibrations et de la température, causes typiques des usures. En effet, poussées au fond de leurs logements par la force de l’air, les plaquettes actuelles vibrent et viennent s’user en fond de distributeurs.

Favorablement, certaines au moins des plaquettes présenteront une longueur et plusieurs courbures inverses suivant cette longueur.

Ainsi (au moins) doublement galbée, les plaquettes pourront donc non seulement être montées en précontrainte dans leurs fentes réceptrices, mais conserver une précontrainte même en cas d’usure légère d’une extrémité de plaquette.

Par souci d’un équilibre optimisé efficacité/facilité de fabrication/coût, il est conseillé que certaines au moins des plaquettes présentent deux courbures inverses.

Ainsi doublement galbée dans leur longueur, les plaquettes pourront donc non seulement être montées en précontrainte dans leurs fentes réceptrices, mais conserver une précontrainte même en cas d’usure légère d’une extrémité de plaquettes.

Et en prévoyant : - suivant ladite longueur, uniquement deux sommets courbés, respectivement situés à environ 1/4 et environ 3/4 de cette longueur, - et/ou des plaquettes présentant une flèche maximale de 1mm à +/-10% à l’endroit de ces deux sommets, on équilibrera les contraintes sur les plaquettes et continuera à tendre vers l’équilibre optimisé précité.

Pour allier par ailleurs une flexibilité adaptée et une résistance dans le temps, il est recommandé que les plaquettes soient en alliage résistant à chaud à base de Nickel et Cobalt, avec une épaisseur de 0.2mm à +/-10%.

Et il est aussi conseillé: - que les aubes radiales du distributeur présentent des plates-formes externe et interne délimitant respectivement, de façon radialement extérieure et intérieure, la veine de circulation du gaz dans la turbine, - que les fentes dans lesquelles sont disposées lesdites plaquettes d'étanchéité soient allongées suivant une direction générale allant de l’amont vers l’aval par rapport à une circulation du gaz dans la turbine, - et que, dans une telle fente ainsi allongée, la plaquette d'étanchéité soit, par pression contre des parois desdites fentes, disposée à l’écart d’une extrémité aval de la fente.

En effet, on évitera, ou du moins limitera, ainsi les usures typiques en fond de fentes. D'autres caractéristiques et avantages sont encore détaillés ci-après, en référence aux dessins d'accompagnement où : - la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe médiane axiale d'une partie de turbomachine, étant précisé que la solution s’applique tant à un ou plusieurs étages basse pression qu’à un ou plusieurs étages haute pression. - la figure 2 est une vue locale en perspective, suivant la flèche II de la figure 1, d’une partie du distributeur schématisé sur la figure 1 et porteuse des moyens d’étanchéité de l’invention, - les figures 3,4 sont des vues agrandies, en coupes axiales médianes, d’une partie radialement externe d’une des aubes du distributeur de la figure 2, montée, avec dans chaque cas un mode de réalisation de plaquette, - et la figure 5 est une vue de côté d’un des modes de réalisation de la plaquette présentée comme moyen d’étanchéité pertinent dans l’invention.

Sur la figure 1 est plus précisément schématisée une partie de turbine 1 d’un turbomoteur aéronautique.

On voit, dans la turbine à gaz 1, un rotor 3 et un stator, aussi appelé distributeur, 5 appartenant à un même étage de la turbine qui peut en comporter plusieurs, successivement, parallèlement à l’axe 7 autour duquel tournent les aubes du rotor 3.

Dans cette description est « radial » ce qui est (sensiblement) rayonnant vis-à-vis de l’axe 7 et est « axial » ce qui s’étend (sensiblement) suivant, ou parallèlement, à l’axe 7.

Le rotor 3 définit une roue comportant une pluralité d'aubes 9 fixées à un disque 11 et montées rotatives chacune autour de l’axe 7, ici axialement en aval du distributeur.

Chaque aube mobile 9 comprend une pale 13 et une plate-forme 15 radialement interne.

Un anneau 16 d'étanchéité de l'aube vis-à-vis de l'air extérieur est disposé autour des pales 13, radialement à l'extérieur de celles-ci, afin de limiter le fait que l’air dans la veine ne contourne l’aubage.

Le stator 5 comprend une pluralité d'aubes fixes 17 qui collectivement forment une structure annulaire, centrée sur l’axe 7, et individuellement un segment d’anneau (voir figure 2).

Chaque segment 17 comporte une ou plusieurs pale 19 s’étendant radialement entre une plate-forme externe 21 et une plate-forme interne 23.

Les plates-formes internes 23 sont fixées à une structure de support fixe, ou stator, 25 et les plates-formes externes 21 sont supportés par l'enveloppe, ou carter, 27 disposé radialement à l'extérieur (autour) du stator 5. Ceci peut être spécifique à la partie haute pression ou à l’étage 1 d’une turbine basse pression. Sur les autres étages, les aubes peuvent être fixées à leur partie externe 21 au carter de turbine et la plateforme 23 interne n’être pas maintenue. Les plates-formes externe et interne 21,23 forment collectivement les limites respectivement extérieure et intérieure de la veine 29 du gaz circulant à travers la turbine, cette veine étant aussi limitée radialement par la plate-forme interne 15 et le joint d'étanchéité externe16, à l’endroit du rotor 3.

Sur la figure 2, on remarque que des faces latérales 171,173 adjacentes des aubes fixes 17 de ce distributeur appartenant à deux secteurs successifs d’aubes 17a, 17b sont mises bout à bout, circonférentiellement, autour de l’axe précité 7.Dans chaque face latérale (voir par exemple celle repérée 175 du secteur 17a, à l’opposé de la face 171) sont pratiquées une ou plusieurs fentes, ici 31 a,33a.

En l’espèce deux séries de fentes ont été prévues, dans les faces latérales des plates-formes respectivement externe et interne 21,23.

Dans les faces latérales adjacentes correspondantes, telles ici 171 et 173, de deux plates-formes internes (et/ou externes) de deux aubes fixes circonférentiellement successives, les fentes considérées, telles celles repérées 31 b,31c figure 2, sont situées en vis-à-vis.

Et dans chaque double fente en vis-à-vis de deux secteurs successifs de ce distributeur, est logée (au moins) une plaquette d'étanchéité 35 destinée à obstruer le jeu existant entre deux segments adjacents afin de limiter les fuites d'air, quelle que soit la dilation thermique subie par les segments.

Or, de telles plaquettes sont fortement sollicitées dans cet environnement où les vibrations et la température sont critiques pour leur usure. C’est donc en particulier pour limiter une usure prématurée et inappropriée de ces plaquettes 35 qu’il est prévu qu’individuellement elles présentent une courbure naturelle (voir figure 2, plaquette de gauche au repos, hors de ses fentes réceptrices) et soient coincées dans leurs fentes réceptrices (voir à droite figure 2, par exemple dans la double fente en vis-à-vis 31 b,31c, mais aussi figures 3 et 4), en y étant déformées sous contrainte mécanique, ici de flexion.

Galbées, les plaquettes 35 vont donc pouvoir être montées en précontrainte dans les fentes réceptrices typiquement non galbées (planes) des segments de distributeurs conventionnels.

Ainsi bloquées sous tension, les plaquettes seront moins sensibles à la conjonction des vibrations et de la température.

Sur les figures 3 et 4 (où les dessins sont moins symboliques que sur les figures précédentes), on voit une partie radialement extérieure d’une aube fixe 17 et deux types de plaquettes 35 galbées, que l’on voit aussi respectivement figure 2 à gauche et figure 5, au repos.

Figure 3, la plate-forme externe 21 est pourvue de deux pattes, respectivement amont et aval, 211,213, de liaison (fixation) au carter 27 et qui s’étendent radialement vers l’extérieur.

La fente 31 d, ménagée dans la face latérale 177 de la plate-forme externe 21, se prolonge par ou comprend, dans l’exemple, deux parties 311 d, 313d transversales par rapport à une partie intermédiaire 315d.

La partie intermédiaire 315d s’étend dans la plateforme 21 qui est légèrement inclinée par rapport à l’axe 7. Les deux parties 311d, 313d transversales s’étendent respectivement dans la patte amont (AM) 211 et dans la patte aval (AV) 213.

Dans l’exemple, seule la partie 315d de la fente 31 d loge, sur une partie de sa largeur ou profondeur, une plaquette courbe conforme à un mode de réalisation de l’invention et repérée 35a, par différence avec celle à courbures multiples 35b des figures 4 et 5.

Dans cet exemple, la plaquette 35a, de longueur L, présente une courbure unique, avec un sommet centré à mi-longueur, en 350a figure 3.

Sous contrainte de flexion dans les fentes contiguës qui le reçoivent, la plaquette y est en appui, à ses extrémités et en 350a, contre deux parois opposées qui les limitent intérieurement, comme illustré.

Figures 4,5, la plaquette 35b présente la même longueur L et plusieurs courbures inverses, deux en l’espèce, suivant cette longueur

Cette solution favorisera une conservation de la précontrainte, même en cas d’usure légère d’une extrémité de plaquettes, dans les fentes.

Par souci d’un équilibre optimisé efficacité/facilité de fabrication/coût, la plaquette 35b présente deux courbures inverses, avec un point d’inflexion à mi-longueur.

De fait, elle présente : - suivant la longueur L, uniquement deux sommets courbés 350b,351 b, respectivement situés à environ 1/4 et environ 3/4 de cette longueur, - et une hauteur maximale de courbure, ou flèche, h de 1mm à +/-10% à l’endroit de ces deux sommets.

On aura compris que cette flèche h est, perpendiculairement à la longueur L et à la larguer I, la distance entre les sommets, ou celle entre l’un des sommets et l’une des extrémités, comme illustré figure 5.

Pour allier par ailleurs une flexibilité adaptée et une résistance dans le temps, il est recommandé que les plaquettes 35,35a,35b soient en alliage résistant à chaud à base de Nickel et Cobalt, avec une épaisseur de 0.2mm, à +/-10%.

Globalement, chaque plaquette se présentera favorablement comme un corps en forme de plaque mince parallélépipédiques, éventuellement à angles biseautés.

Il doit être considéré que, mises à dimensions, les plaquettes incurvées précitées pourraient être introduites utilement dans les fentes « radiales » 311 d,313d, et être prévues tant à l’endroit des plates-formes externes 21 qu’internes 23.

Figures 3 et 4, on remarquera encore que l’engagement sous contrainte des plaquettes permet qu’en particulier dans les fentes « axiales » 315d s’étendant sur la longueur des plates-formes 21 (comme celles 31 a,33a figure 2, mais différemment donc des fentes « radiales » des parties transversales 311 d, 313d), les plaquettes ne soient pas plaquées en fond aval de fente. Figures 3 et 4, un espace 31 Od demeure d’ailleurs entre l’extrémité aval de la plaquette et la paroi aval de la fente considérée.

Ainsi, dans la fente 315d ainsi allongée globalement suivant une direction allant de l’amont (AM) vers l’aval (AV) en référence au sens de circulation du gaz dans la veine 29, la plaquette d'étanchéité qui y est disposée est, par pression contre des parois de la fente, maintenue à l’écart d’une extrémité aval 3150d de la fente, même si, en fonctionnement, les plaquettes se plaqueront, malgré la précontrainte, au fond des fentes.

Claims (6)

1. REVENDICATIONS

   1. Ensemble pour une turbine où circule un gaz, comportant : - une pluralité d'aubes fixes formant un distributeur (5) dont des faces latérales (171,173) adjacentes sont mises bout à bout et qui comprennent des fentes (31 a,33a,315d...) pratiquées en vis-à-vis dans les faces latérales adjacentes de deux aubes fixes successives, lesdites aubes s’étendant radialement autour d’un axe (7) et présentant des plates-formes externe et interne (21,23) délimitant respectivement, de façon radialement extérieure et intérieure, une veine (29) pour un gaz circulant à travers la turbine, - et des plaquettes d'étanchéité (35,35a,35b) disposées individuellement dans les fentes (31 a,33a,315d...) en vis-à-vis de deux aubes fixes successives, lesdites fentes étant allongées suivant une direction générale allant de l’amont (AM) vers l’aval (AV) par rapport à une circulation du gaz dans la turbine, certaines au moins des plaquettes d'étanchéité (35,35a,35b) présentant au moins une courbure naturelle et étant coincées, déformées sous contrainte mécanique, dans les fentes caractérisé en ce que : - la turbine est celle d’un turbomoteur aéronautique, - et, dans une dite fente, ladite plaquette d'étanchéité (35,35a,35b) déformée sous contrainte est, par pression contre des parois desdites fentes, disposée à l’écart d’une extrémité aval (3150d) de la fente.
2. 2. Ensemble selon la revendication 1, où certaines au moins des plaquettes (35,35a,35b) présentent une longueur (L) et plusieurs courbures inverses suivant cette longueur.
3. 3. Ensemble selon la revendication 2, où certaines au moins des plaquettes présentent deux courbures inverses suivant ladite longueur, avec des sommets (350b,351 b) respectivement à environ 1/4 et environ 3/4 de cette longueur.
4. 4. Ensemble selon la revendication 2 ou 3, où certaines au moins des plaquettes présentent une flèche maximale (h) de 1mm à +/-10% à l’endroit des sommets (350b, 351b).
5. 5. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 4, où les plaquettes (35,35a,35b) sont en alliage résistant à chaud à base de Nickel et Cobalt, avec une épaisseur de 0.2mm à +/-10%.
6. 6. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 5, où les aubes fixes appartiennent à une turbine basse pression (1) du turbomoteur aéronautique.