FR3065481A1 - Ensemble pour turbine, notamment pour une turbomachine - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un ensemble (1) pour turbine, notamment pour une turbomachine, comportant un anneau de turbine (8) en matériau composite à matrice céramique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un support, ledit support étant fixé sur l'anneau de turbine (8), le support comportant un rebord (17) s'étendant circonférentiellement, destiné à être monté sur un carter (2), le support étant flexible de manière à autoriser un déplacement radial et/ou axial de l'anneau de turbine (8), par rapport au rebord (17) et au carter (2).
Description
Titulaire(s) : SAFRAN AIRCRAFT ENGINES Société par actions simplifiée.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : ERNEST GUTMANN - YVES PLASSERAUD SAS.
[04) ENSEMBLE POUR TURBINE, NOTAMMENT POUR UNE TURBOMACHINE.
FR 3 065 481 - A1 _ L'invention concerne un ensemble (1) pour turbine, notamment pour une turbomachine, comportant un anneau de turbine (8) en matériau composite à matrice céramique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un support, ledit support étant fixé sur l'anneau de turbine (8), le support comportant un rebord (17) s'étendant circonférentiellement, destiné à être monté sur un carter (2), le support étant flexible de manière à autoriser un déplacement radial et/ou axial de l'anneau de turbine (8), par rapport au rebord (17) et au carter (2).
Ensemble pour turbine, notamment pour une turbomachine
La présente invention concerne un ensemble pour turbine, notamment pour une turbomachine.
Le domaine d’application est notamment celui des moteurs aéronautiques, tels que des turboréacteurs ou des turbopropulseurs d’avion. L’invention est toutefois applicable à d’autres turbomachines, par exemple des turbines industrielles.
Une turbine comporte classiquement un rotor comprenant une 10 roue à aubes entourée par un anneau de turbine délimitant extérieurement la veine d’écoulement des gaz. Cet anneau est généralement réalisé en un alliage métallique, par exemple un alliage à base de Nickel, et est fixé à un carter de turbine, directement ou par l’intermédiaire d’une entretoise par exemple.
La surface interne de l’anneau peut comporter un revêtement abradable, l’anneau assurant également une fonction de barrière thermique.
Dans les moteurs aéronautiques en particulier, l’amélioration du rendement conduit à rechercher un fonctionnement à des températures toujours plus élevées. Ceci oblige à refroidir l’anneau de turbine, ce dernier étant soumis à des gaz à haute température. Ce refroidissement a un impact significatif sur la performance du moteur puisque le flux de refroidissement utilisé est prélevé sur le flux principal du moteur. Les températures de fonctionnement sont par ailleurs limitées du fait de l’utilisation d’alliages métalliques.
Afin de répondre à cette problématique, il est connu d’utiliser des matériaux composites à matrice céramique, ou CMC. De tels matériaux sont connus pour leur bonnes propriétés mécaniques qui les rendent aptes à constituer des éléments de structure, et pour leur capacité à conserver ces propriétés à des températures élevées.
L’utilisation de CMC pour différentes parties chaudes de moteurs a déjà été envisagée, les CMC ayant par ailleurs une masse volumique inférieure à celles des alliages métalliques traditionnellement utilisés.
La réalisation d’un anneau de turbine en matériau de type CMC est notamment connue du document FR 3 036 432, au nom de la Demanderesse.
En fonctionnement, il existe des phénomènes de dilatation différentielle entre l’anneau en matériau CMC et le carter en alliage métallique, sur lequel l’anneau est fixé.
Un tel anneau en CMC a un taux d’allongement à la rupture qui est relativement faible, compris par exemple entre 0,1 et 0,7% en fonction du type de matériau utilisé. En d’autres termes, un tel anneau supporte mal les déformations. Il est donc important d’éviter que le montage de l’anneau sur le carter ainsi que les phénomènes de dilatation différentielle précités génèrent une déformation de l’anneau risquant d’entraîner une rupture de ce dernier.
L’invention a notamment pour but d’apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème.
A cet effet, elle propose un ensemble pour turbine, notamment pour une turbomachine, comportant un anneau de turbine en matériau composite à matrice céramique, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un support, ledit support étant fixé sur l’anneau de turbine, le support comportant un rebord s’étendant circonférentiellement, destiné à être monté sur un carter, le support étant flexible de manière à autoriser un déplacement radial et/ou axial de l’anneau de turbine, par rapport au rebord et au carter.
Le support permet de réaliser l’interface entre l’anneau de turbine d’une part et le carter, qui peut être métallique, d’autre part. Il n’y a donc pas de contact direct entre l’anneau de turbine et le carter.
La souplesse ou la flexibilité du support permet de compenser les phénomènes de dilatation thermique entre l’anneau de turbine et le carter. En d’autres termes, si le diamètre du carter augmente de façon plus importante avec la température que le diamètre de l’anneau de turbine, le support est apte à compenser, dans une certaine mesure, une telle différence de diamètre. A titre d’exemple, la différence de diamètre à une température de l’ordre de 600°C est comprise entre 15 et 30 mm.
Plus précisément, le support permet la compensation des déformations tangentielles ou locales des interfaces CMC/métal, ces déformations étant dues à la différence de dilatation de ces matériaux.
On évite ainsi tout risque de dégradation de l’anneau de turbine.
Chaque support peut comporter au moins deux pattes de fixation fixées à l’anneau de turbine, lesdites pattes étant écartées circonférentiellement l’une de l’autre, le rebord reliant lesdites pattes.
Chaque patte peut être fixée à l’anneau de turbine par l’intermédiaire d’un rivet ou d’un système vis/écrou par exemple.
Le rebord peut s’étendre circonférentiellement et axialement, chaque patte s’étendant radialement depuis le rebord.
L’ensemble peut comporter deux supports écartés axialement l’un par rapport à l’autre.
L’anneau de turbine peut comporter au moins une bride s’étendant radialement, chaque support étant fixé sur la bride.
Dans ce cas, l’anneau de turbine peut comporter une première et une seconde bride s’étendant radialement, et écartées axialement l’une de l’autre, un premier support étant fixé sur la première bride, un second support étant fixé sur la seconde bride.
L’ensemble peut comporter un carter de turbine, le rebord du support étant engagé dans une rainure du carter s’étendant circonférentiellement ou appliqué sur une surface d’appui du carter, s’étendant circonférentiellement.
Le carter peut comporter une première bride comprenant une rainure s’étendant circonférentiellement et une seconde bride comportant une surface d’appui s’étendant circonférentiellement, l’anneau de turbine étant fixé au carter par l’intermédiaire d’un premier support dont le rebord est engagé dans la rainure de la première bride du carter, et par l’intermédiaire d’un second support dont le rebord est appliqué sur la surface d’appui de la seconde bride du carter et maintenu sur ladite surface d’appui par l’intermédiaire d’un organe élastique, par exemple un clip.
L’anneau de turbine peut être sectorisé ou, en variante, s’étendre circonférentiellement sur 360°.
Le carter peut être sectorisé ou, en variante, s’étendre circonférentiellement sur 360°.
Le rebord de chaque support peut s’étendre sur une plage angulaire limitée, par exemple comprise entre 10 et 25 ° ou, en variante, s’étendre circonférentiellement sur 360°.
Lorsque le rebord s’étend sur 360°, plusieurs secteurs d’anneau de turbine peuvent être fixés au même support.
Chaque bride de l’anneau de turbine peut comporter deux surfaces radiales opposées, dites par exemple surface amont et surface aval.
Chaque patte de fixation peut être en appui sur l’une seulement desdites surfaces radiales de la bride.
En variante, chaque patte de fixation peut présenter une forme générale de U ou de cavalier, de façon à comporter une première branche et une seconde branche s’étendant radialement et décalées axialement l’une par rapport à l’autre, lesdites branches étant reliées par une zone de liaison coudée, chaque branche prenant appui sur l’une desdites surfaces radiales de la bride correspondante de l’anneau.
Chaque patte peut être reliée au support au niveau de sa périphérie radialement interne et/ou au niveau d’une extrémité circonférentielle de ladite patte.
Chaque patte peut venir de matière avec le rebord du support.
En variante, chaque patte peut être soudée au support.
Le support peut être métallique, par exemple en Inconel 718®.
Un revêtement peut être appliqué sur la surface radialement interne de l’anneau.
Ledit revêtement peut être une céramique oxyde, telle que de l’alumine, de la mullite, du disilicat d’yttrium (DSY) ou du disilicate d’ytterbium (DSYb) par exemple.
Un tel revêtement peut former un matériau abradable et/ou former une barrière thermique.
L’invention concerne également une turbomachine comportant une turbine comprenant une roue à aubes, caractérisée en ce qu’elle comprend un ensemble du type précité, l’anneau de turbine entourant les extrémités radialement externes des aubes.
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 dans lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective d’une partie d’un ensemble pour turbine, selon une première forme de réalisation de l’invention,
- la figure 2 est une vue en perspective d’un secteur de l’anneau et des supports associés,
- la figure 3 est une vue en coupe radiale de l’ensemble de la figure 1,
- la figure 4 est une vue correspondant à la figure 2, représentant une deuxième forme de réalisation de l’invention,
- la figure 5 est une vue correspondant à la figure 2, représentant une troisième forme de réalisation de l’invention,
- la figure 6 est une en perspective illustrant plusieurs secteurs d’anneau ainsi que deux supports s’étendant à 360°, appartenant à un ensemble pour turbine selon une quatrième forme de réalisation de l’invention,
- la figure 7 est une vue de détail, en perspective, illustrant notamment la fixation des pattes sur le rebord d’un support de la figure 6.
Les figures 1 à 3 représentent un ensemble 1 pour turbine, notamment pour une turbomachine telle qu’un turboréacteur ou un turbopropulseur d’avion, selon une première forme de réalisation.
Cet ensemble 1 comporte un carter 2 de turbine, qui peut s’étendre circonférentiellement autour de l’axe de la turbomachine sur 360°, ou être sectorisé, c’est-à-dire formé d’une succession de secteurs angulaires positionnés bout à bout.
Le carter 2 comporte une paroi annulaire cylindrique 3, radialement externe, à partir de laquelle s’étendent radialement une première bride 4, située à l’amont par rapport au sens de circulation du flux de gaz au sein de la turbine, et une seconde bride 5, située à l’aval. Les deux brides 4, 5 sont ainsi décalées axialement l’une de l’autre.
La première bride 4 comporte une rainure 6 s’étendant circonférentiellement et axialement en direction de la seconde bride 5. La rainure 6 est située au niveau de l’extrémité radialement externe de la première bride 4.
La périphérie radialement externe de la seconde bride 5 comporte une portion cylindrique s’étendant à l’opposé de la première bride 4 et formant une surface d’appui cylindrique 7 tournée radialement vers l’intérieur.
Le carter 2 est réalisé en un alliage métallique, par exemple du type Waspalloy ® ou de l’Inconel 718 ®.
L’ensemble 1 comporte en outre un anneau de turbine 8, qui est sectorisé dans la forme de réalisation représentée aux figures.
L’anneau de turbine 8 est réalisé en matériau composite à matrice céramique, ou CMC. Chaque secteur 8a comporte une paroi radialement interne 9 en forme de portion de cylindrique, à partir de laquelle une première bride 10 et une seconde bride 11 s’étendent radialement vers l’extérieur. Lesdites brides 10, 11 sont décalées axialement l’une par rapport à l’autre, la première bride 10 étant située à l’amont, la seconde bride 11 étant située à l’aval. Chaque bride 10, 11 s’étend sur toute la circonférence du secteur 8a.
Les extrémités circonférentielles de chaque secteur comportent des rainures 12 servant à l’engagement de languettes d’étanchéité destinées à assurer l’étanchéité entre les différents secteurs 8a angulaires de l’anneau de turbine 8, comme cela est connu en soi.
Les première et seconde brides 10, 11 sont équipées respectivement de premier et second supports 13, 14. Chaque support 13, 14 comporte une première patte de fixation 15 et une seconde patte de fixation 16, décalées circonférentiellement l’une par rapport à l’autre, reliées par un rebord 17 en forme de portion de cylindre, s’étendant circonférentiellement le long de la bride correspondante 10, 11 du secteur d’anneau 8a. Le rebord 17 du premier support 13 a, dans cette forme de réalisation, une dimension axiale plus faible que le rebord 17 du second support 14.
Chaque support 13, 14 est par exemple réalisé en alliage métallique, tel par exemple que l’Inconel 718®.
Chaque patte 15, 16 comporte une forme générale en U ou une forme de cavalier, comprenant une première branche 18 ou branche amont, et une seconde branche 19 ou branche aval, reliées l’une à l’autre par une zone coudée 20. La branche amont 18 est destinée à venir en appui sur la surface amont de la bride 10, 11 correspondante. La branche aval 19 est destinée à venir en appui sur la surface aval de la bride 10, 11 correspondante.
Dans le cas du premier support 13, les extrémités radialement internes des branches 18, 19 amont sont reliées à l’extrémité aval du rebord 17 correspondant. Dans le cas du second support 14, les extrémités radialement internes des branches 18, 19 aval sont reliées à l’extrémité amont du rebord correspondant.
Des rivets 21 assurent la fixation de chaque patte 18, 19 à la bride 10, 11 correspondante. Chaque rivet 21 traverse ainsi un trou de la bride 10, et un trou ménagé dans chaque branche 18, 19 de la patte 15, 16 correspondante. Le rivet 21 comporte notamment une tête en appui sur l’une des branches 18, 19 et une partie qui, par déformation, vient en appui sur l’autre branche 19, 18 de la patte 15,16 correspondante.
On notera que les rivets 21 appartenant aux deux brides 10, 11 sont décalés circonférentiellement les uns des autres de façon à faciliter la mise en place d’un outil de rivetage. En effet, les rivets 21 servant à la fixation des premières pattes 15 des supports 13, 14 sont décalés circonférentiellement l’un par rapport à l’autre. Il en est de même pour les rivets 21 servant à la fixation des secondes pattes 16 des supports 13, 14. En variante, des boulons peuvent être utilisés à la place des rivets 21.
Le rebord 17 du premier support 13 est engagé dans la rainure 6 de la première bride 4. Le rebord 17 du second support est maintenu en appui sur la surface d’appui 7 de la seconde bride 5, par l’intermédiaire d’un ou plusieurs clips 22 élastiquement déformables.
Chaque clip 22 présente une forme générale de U et comporte une première branche 23 radialement interne, en appui sur le rebord 17 du second support 14, une seconde branche 24 radialement externe, en appui sur la portion cylindrique de la seconde bride 5 du carter 2, lesdites branches 23, 24 étant reliées par une portion coudée 25.
Lors du montage du secteur 8a correspondant sur le carter 2, on engage tout d’abord le rebord 17 du premier support 13 dans la rainure 6 du carter 2, puis on plaque le rebord 17 du second support 14 sur la surface d’appui 7 avant de monter le clip 22 en position. On procède ainsi pour les différents secteurs 8a.
Compte tenu de sa structure, le support 13, 14 présente une flexibilité autorisant un déplacement radial et/ou axial de chaque secteur 8a de l’anneau de turbine 8 par rapport au carter 2. Ceci permet de compenser les phénomènes de dilatation différentielle et d’éviter la déformation ou la sollicitation excessive de l’anneau de turbine 8. Un tel montage peut être mis en œuvre facilement par un opérateur, chaque secteur 8a pouvant en outre être démonté aisément en cas de besoin.
La figure 4 illustre une deuxième forme de réalisation, qui diffère de celle exposée en référence aux figures 1 à 3 en ce que chaque patte 15, 16 est reliée au rebord 17 correspondant au niveau de l’une de ses extrémités circonférentielles, à savoir au niveau de son extrémité circonférentielle opposée à l’autre patte du support correspondant.
La patte 15, 16 correspondante est reliée au support par une zone de liaison 26 s’étendant dans un plan s’étendant à la fois radialement et selon l’axe de la turbomachine, ladite zone de liaison 26 présentant une forme générale triangulaire ou trapézoïdale, par exemple.
Une telle forme de réalisation apporte une meilleure flexibilité à chacun des supports 13, 14. Le procédé de montage reste identique à celui décrit précédemment.
La figure 5 représente une troisième forme de réalisation, qui diffère de celle exposée en référence à la figure 4 en ce que chaque patte 15, 16 de fixation comporte uniquement une branche 18,19 (branche amont 18 pour le premier support 13, et branche aval 19 pour le second support 14). Les pattes 15,16 ou les branches 18 du premier support sont en appui sur la surface amont de la première bride 10. Les pattes 15, 16 ou les branches 19 du second support 14 sont en appui sur la surface aval de la seconde bride 11. On simplifie ainsi encore la structure des supports 13, 14.
Les figures 6 et 7 représentent une quatrième forme de réalisation, dans laquelle le rebord 17 de chaque support 13, 14 s’étend circonférentiellement sur 360°, chaque bride 10, 11 de chaque secteur 8a de l’anneau de turbine 8 étant relié au support 13, 14 correspondant par deux pattes 15, 16. Lesdites pattes 15, 16 comporte chacune une branche 18,19 en appui sur la surface amont ou aval correspondante de la bride 10, 11, une zone de liaison 26 triangulaire ou trapézoïdale similaire à celle décrite en référence à la figure 5, et une zone de fixation 27 s’étendant circonférentiellement en direction de l’autre patte 16, 15 du support 13, 14.
La zone de fixation 27 est fixée par soudage à la surface radialement externe du rebord 17 correspondant. Dans cette forme de réalisation, l’anneau de turbine 8 peut être réalisée en une seule partie, c’est-à-dire peut s’étendre circonférentiellement sur 360°.
Afin de permettre le montage d’un tel ensemble 1 sur les brides 4, du carter 2, comme précédemment, ledit carter 2 peut être sectorisé.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Ensemble (1 ) pour turbine, notamment pour une turbomachine, comportant un anneau de turbine (8) en matériau composite à matrice céramique, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un support (13, 14), ledit support (13, 14) étant fixé sur l’anneau de turbine (8), le support (13, 14) comportant un rebord (17) s’étendant circonférentiellement, destiné à être monté sur un carter (2), le support (13, 14) étant flexible de manière à autoriser un déplacement radial et/ou axial de l’anneau de turbine (8), par rapport au rebord (17) et au carter (2).
- 2. Ensemble (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque support (13, 14) comporte au moins deux pattes (15, 16) de fixation fixées à l’anneau de turbine (8), lesdites pattes (15, 16) étant écartées circonférentiellement l’une de l’autre, le rebord (17) reliant lesdites pattes (15, 16).
- 3. Ensemble (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rebord (17) s’étend circonférentiellement et axialement, chaque patte (15, 16) s’étendant radialement depuis le rebord (17).
- 4. Ensemble (1) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comporte deux supports (13, 14) écartés axialement l’un par rapport à l’autre.
- 5. Ensemble (1) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’anneau de turbine (8) comporte au moins une bride (10, 11) s’étendant radialement, chaque support (13, 14) étant fixé sur la bride (10, 11).
- 6. Ensemble selon la revendication 5, caractérisé en ce que l’anneau de turbine (1) comporte une première et une seconde brides (10, 11) s’étendant radialement et écartées axialement l’une de l’autre, un premier support (13) étant fixé sur la première bride (10), un second support (14) étant fixé sur la seconde bride (11).
- 7. Ensemble (1) selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il comporte un carter (2) de turbine, le rebord (17) du support étant engagé dans une rainure (6) du carter (2) s’étendant circonférentiellement ou appliqué sur une surface d’appui (7) du carter (2), s’étendant5 circonférentiellement.
- 8. Ensemble (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le carter (2) comporte une première bride (10) comprenant une rainure (6) s’étendant circonférentiellement et une seconde bride (11) comportant une surface d’appui (7) s’étendant circonférentiellement, l’anneau de turbine (8)10 étant fixé au carter (2) par l’intermédiaire d’un premier support (13) dont le rebord (17) est engagé dans la rainure (6) de la première bride (10) du carter (2), et par l’intermédiaire d’un second support (14) dont le rebord (17) est appliqué sur la surface d’appui (7) de la seconde bride (11 ) du carter (11 ) et maintenu sur ladite surface d’appui (7) par l’intermédiaire d’un organe15 élastique (22), par exemple un clip.
- 9. Turbomachine comportant une turbine comprenant une roue à aubes, caractérisée en ce qu’elle comprend un ensemble (1) selon l’une des revendications 1 à 8, l’anneau de turbine (8) entourant les extrémités radialement externes des aubes.1/4
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