FR3150236A1 - Distributeur de turbine - Google Patents

Abstract

Le présent document présente un distributeur de turbine comportant : une virole interne et une virole externe ; une pluralité de pales agencées entre les viroles ; une poche (20) formée dans une plateforme externe (16) de la virole externe, entre deux pales (12) circonférentiellement adjacentes, la poche (20) présentant un fond (22) ainsi que des raidisseurs (26) s’étendant en saillie depuis le fond (22) ; une tôle recouvrant la poche (20) à distance radiale des raidisseurs (26) ; et des plots (28) s’étendant en saillie depuis le fond (22) et sur lesquels repose la tôle. Figure de l’abrégé : Figure 3

Description

Distributeur de turbine

La présente divulgation concerne la conception d’un distributeur de turbine et plus particulièrement la maintenance d’un tel distributeur.

Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s’applique à la fois aux nouveaux types d’avions mais aussi ceux en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.

Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l’intégration et l’utilisation dans l’aviation civile entraînent des conséquences environnementales modérées dans un but d’amélioration de l'efficacité énergétique des avions.

Dans ce contexte, le rendement des moteurs est constamment amélioré, ce qui a parfois un impact sur la température des gaz ou des éléments structurels en aval de la chambre de combustion. La maîtrise des températures au niveau des turbines est primordiale pour des raisons de tenue mécanique et de maîtrise des déformations de dilatation.

Le document de brevet FR 3 080 406 A1 décrit un distributeur de turbine dans lequel les pales sont creuses et sont adaptées pour recevoir un écoulement d’air refroidissant les pales et prélevé au niveau du compresseur. Afin d’éviter l’obturation de la cavité interne de la pale, des éléments de blocage tels que des pions ou des arceaux sont prévus en tête de pale.

Pour améliorer le refroidissement des distributeurs de turbine, il peut être nécessaire de complexifier encore leur conception, mais en général, une conception complexe conduit souvent à des difficultés supplémentaires lors des opérations de fabrication ou de maintenance du moteur.

La présente demande vise donc à proposer une conception qui permet de mieux maîtriser l’élévation de température du distributeur sans pour autant présenter des inconvénients lors de la maintenance.

Résumé

A cet effet, le présent document concerne un distributeur de turbine formant une couronne autour d’un axe et comportant : une virole interne comprenant une pluralité de plateformes internes agencées circonférentiellement autour de l’axe et une virole externe comprenant une pluralité de plateformes externes agencées circonférentiellement autour de l’axe; une pluralité de pales agencées radialement entre la virole interne et la virole externe ; une poche formée dans une plateforme externe entre deux pales circonférentiellement adjacentes, la poche présentant un fond ainsi que des raidisseurs s’étendant en saillie depuis le fond ; une tôle recouvrant la poche radialement à distance des raidisseurs ; et des plots s’étendant en saillie depuis le fond et sur lesquels repose la tôle.

La poche permet d’affiner la structure et donc d’évacuer la chaleur plus rapidement. Elle permet aussi la circulation d’un flux d’air froid, par exemple prélevé sur une portion amont du moteur. Les raidisseurs viennent renforcer mécaniquement la structure du distributeur pour compenser la perte de rigidité due à la présence de la poche. La poche est recouverte d’une tôle qui peut être à remplacer au cours de la vie du moteur : la tôle ou sa liaison par brasage au distributeur peuvent être endommagés. Afin d’anticiper des détériorations lors de la dépose de la tôle, et des inexactitudes de positionnement lors de la pose d’une nouvelle tôle, les plots sont prévus pour servir à la fois de repère à l’opérateur déposant la tôle (par exemple avec un procédé de débrasage par électrodes) et servir de butée lors de la mise en place d’une nouvelle tôle.

Selon un mode de réalisation avantageux, les raidisseurs s’étendent en saillie depuis le fond d’une première hauteur et les plots s’étendent en saillie depuis le fond d’une seconde hauteur, la seconde hauteur étant au moins trois fois supérieure à la première hauteur. Ce facteur de sécurité de trois fois permet de garantir un dégagement minimal en hauteur au-dessus des raidisseurs pour que la poche reste suffisamment spacieuse au regard des raidisseurs : des raidisseurs trop grands par rapport à la hauteur totale de la poche gêneraient la circulation de l’air et/ou diminueraient l’efficacité de l’échange de chaleur entre la plateforme et l’air.

Selon un mode de réalisation avantageux, la poche comprend des ouvertures traversantes de circulation de fluide et la tôle comprend des orifices traversants en communication fluide avec les ouvertures traversantes de la poche, les plots comprenant des plots amont au voisinage des orifices traversants et décalés circonférentiellement des orifices traversants, et des plots aval au voisinage des ouvertures traversantes et décalés circonférentiellement des ouvertures traversantes. Le « voisinage » s’entend ici comme une distance entre les plots et les orifices, ou respectivement les évents, qui est inférieure à 20% de la longueur axiale de la poche. Ces décalages évitent que les plots n’entravent le bon écoulement du flux d’air (et donc la dispersion de chaleur) lorsque l’air pénètre ou s’échappe de la poche au niveau des évents et des orifices.

Selon un mode de réalisation avantageux, le fond de la poche est délimité par un contour formé d’un bord amont, d’un bord aval et de deux bords latéraux, les plots étant agencés à distance de tous les bords et à distance d’une ligne médiane équidistante aux bords latéraux. Le flux d’air peut subir des effets de bord (couche limite) au voisinage des bords latéraux et le flux d’air peut avoir un débit non homogène sur toute la section de la poche, avec notamment un débit plus important le long d’une ligne médiane, ligne qui « voit » plus d’orifices et d’évents que le reste de la poche. La disposition des plots en retrait des bords latéraux évite un effet de blocage aérodynamique et la disposition des plots en retrait de la ligne médiane évite que la ligne de plus grand débit ne se heurte à des obstacles.

Selon un mode de réalisation avantageux, les plots présentent une section circulaire ou elliptique. Ces sections sont aérodynamiques et laissent donc facilement l’air s’écouler autour des plots. En particulier, les orientations des ellipses peuvent être alignées avec les lignes de champs de vitesse du flux d’air dans la poche.

Selon un mode de réalisation avantageux, le distributeur comprend trois paires de plots, dont deux plots amont, deux plots centraux et deux plots aval. Cette disposition permet de garantir une hauteur radiale constante d’amont en aval pour la poche (et donc un refroidissement bien maîtrisé) et en particulier lorsque la tôle est incurvée (vu dans un plan longitudinal). Sans cette disposition, des déformations de la tôle pourraient altérer la poche.

Selon un mode de réalisation avantageux, le fond de la poche est délimité par un contour formé d’un bord amont, d’un bord aval et de deux bords latéraux, les raidisseurs s’étendant parallèlement au bord amont et/ou au bord aval, depuis un bord latéral jusqu’à l’autre bord latéral, les plots centraux étant disposés entre deux raidisseurs adjacents, les plots amont étant disposés entre le bord amont et un raidisseur, et les plots aval étant disposés entre le bord aval et un raidisseur. Ainsi, en décalant les plots par rapport aux raidisseurs, ceux-ci ne sont pas soumis à des contraintes mécaniques.

Selon un mode de réalisation avantageux, les plots sont venus de matière avec la plateforme externe qui comprend la poche. Selon une alternative, les plots sont rapportés sur la plateforme externe qui comprend la poche et sont constitués d’un matériau plus dur que le matériau constituant la plateforme externe qui comprend la poche. Selon une variante, des plots sont rapportés sur la plateforme externe et sont formés du même matériau que la plateforme externe. Selon une autre variante, un ou plusieurs plots sont venus de matière (c’est-à-dire monoblocs, formés avec la plateforme) et un ou plusieurs autres plots sont rapportés dans la poche (par exemple par soudage, ou fixation démontable).

L’invention porte également sur un procédé de remplacement d’une tôle de distributeur, pour un distributeur selon l’un des modes de réalisation exposés ci-dessus, le procédé comprenant le retrait de la tôle du distributeur au moyen d’une opération de débrasage, la pose d’une tôle de remplacement au contact des plots et le brasage de la tôle de remplacement à la plateforme externe qui comprend la poche.

Comme évoqué plus haut, la présence des plots permet de ne pas trop enlever de matière lors du débrasage, et ensuite, de bien positionner la nouvelle tôle.

Le gain obtenu par la conception proposée par l’invention en termes de refroidissement n’est donc pas accompagné d’inconvénients liés à sa maintenance.

D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :

est une vue isométrique d’un segment de distributeur selon la présente divulgation ;

est une vue de face ainsi qu’une coupe transversale de la tôle ;

est une vue isométrique d’une poche avec les raidisseurs et les plots, la tôle étant illustrée en transparence ;

est une vue de face de la poche ;

est une coupe transversale de la plateforme externe et de la tôle.

La montre un distributeur 10 de turbine. Le distributeur 10 peut être un distributeur de turbine haute pression ou de turbine basse pression. Le distributeur 10 est formé comme une couronne autour d’un axe A, avec une virole interne 2 et une virole externe 4. Le distributeur 10 est principalement composé d’une rangée annulaire de pales 12 s’étendant sensiblement selon une direction radiale R, entre la virole interne 2 et la virole externe 4.

Les viroles 2, 4 peuvent être formées de plusieurs secteurs angulaires assemblés entre eux (voir partie droite de la ), ou elles peuvent être monobloc et s’étendre sur 360° autour d’un axe de rotation A d’une turbomachine. Comme illustré sur la partie gauche de la , les secteurs de viroles 2, 4 comprennent une plateforme interne 14, une plateforme externe 16 ainsi qu’une ou plusieurs pales 12. Ainsi, l’ensemble des pales 12 et des plateformes 14, 16 peut être formé d’un seul tenant, venu de matière par fonderie ou déformation plastique.

Les pales 12 et les plateformes 14, 16 délimitent une veine de gaz. En amont du distributeur, le gaz s’écoule principalement selon la direction axiale A. En aval du distributeur 10 le flux de gaz est dévié et sa vitesse a donc une composante tangentielle permettant la mise en rotation de la turbine (non représentée) qui se trouve en aval du distributeur 10.

Chaque pale 12 peut être creuse et peut présenter une cavité interne 13 qui peut s’étendre sur toute la hauteur radiale de la pale 12. Cette cavité 13 est en liaison fluidique avec une source d’air froid et elle permet ainsi de maîtriser l’élévation de température dans la pale 12.

Au niveau de la plateforme externe 16, les espaces inter-aubes dans une direction circonférentielle, identifiée par la flèche T, accueillent une poche (20 sur la et les suivantes). La montre des tôles 18 venant recouvrir ces poches.

Une tôle 18 est représenté en détail sur la , en vue de face et en coupe transversale. La tôle 18 se présente sous la forme d’une plaque ou d’un capot, avec une surface supérieure 18.1 (visible sur la également) et une surface inférieure 18.2 faisant face à la poche (numéro 20 sur la ). L’épaisseur de la tôle 18 peut être constante et la tôle 18 peut être incurvée pour suivre la courbure de la plateforme externe 16. Le contour 18.3 de la tôle 18 peut comprendre un bord amont et un bord aval, tous deux sensiblement rectilignes (dans la vue de face, mais arqués pour suivre la courbure autour de l’axe de la turbomachine, noté A sur la ). Le contour 18.3 comprend également des bords latéraux qui suivent essentiellement la forme des profils extrados et intrados des pales 12. Ainsi, la tôle 18 occupe tout l’espace entre deux pales 12 circonférentiellement adjacentes.

Le contour 18.3 est destiné à être brasé sur la plateforme externe 16. Il peut arriver que la tôle 18 ou la brasure le liant à la plateforme 16 se détériore(nt), la tôle 18 devant ainsi être remplacée.

La tôle 18 comprend également des orifices 18.4 permettant la circulation de l’air vers ou en dehors de la poche. Les orifices 18.4 peuvent être régulièrement distribués dans une direction circonférentielle et/ou peuvent être disposés dans une partie amont de la tôle 18.

La montre une poche 20 formée dans la plateforme externe 16, recouverte d’une tôle 18 illustrée en transparence. Cette poche 20 est borgne dans le sens où elle débouche radialement vers l’extérieur de la plateforme 16, mais ne débouche pas intérieurement. La poche 20 peut occuper une grande partie de l’espace entre deux aubes (ou entre deux cavités 13) adjacentes. Une « grande partie » peut s’entendre comme la totalité de l’espace inter-aubes à l’exception d’un léger liseré permettant la brasure de la tôle 18 (voir « B » sur la ).

La poche 20 présente un fond 22 qui peut être pourvu d’ouvertures 24 destinées à apporter ou évacuer un flux d’air dans/depuis la poche 20. Les ouvertures 24 peuvent être distribuées régulièrement circonférentiellement et/ou peuvent être agencées dans une partie aval de la poche 20. Avantageusement, les ouvertures 24 sont disposées à l’opposé des orifices 18.4 de la tôle 18, c’est-à-dire que les uns sont disposés au voisinage d’une extrémité aval de la poche et les autres sont disposés au voisinage d’une extrémité amont.

Depuis le fond 22 s’étendent en saillie des raidisseurs 26. Ceux-ci peuvent être parallèles les uns aux autres et/ou parallèles à un des côtés de la poche 20. Dans l’exemple illustré, les raidisseurs 26 sont principalement circonférentiels.

La poche 20 accueille également des plots 28. Ces plots 28 ont pour double fonction de maintenir la tôle 18 à distance du fond 22, pour garantir que la poche 20 conserve un certain volume en toute circonstance (sollicitations thermiques et mécaniques), mais aussi de servir de repère à l’opérateur lors d’une opération de maintenance et en particulier d’une opération de débrasage de la tôle 18 et de repositionnement d’une tôle 18 de remplacement.

Les plots 28 peuvent être monoblocs avec la plateforme 16 ou y être rapportés. Lorsqu’ils sont rapportés, les plots 28 peuvent être fait d’un matériau distinct de celui de la plateforme 16 et en particulier un matériau plus dur. Ainsi, même lorsque la tôle 18 est détériorée, les plots demeurent intacts et la distance entre le fond 22 et la tôle 18 reste inchangée.

Les plots 28 peuvent être distribués sur toute la surface du fond 22. Dans l’exemple illustré sont présentés 6 plots, groupés en 3 paires de plots, les plots de chaque paire partageant une même position axiale. Un plus petit ou un plus grand nombre de plots 28 est envisageable.

La montre une vue de dessus de la poche 20, l’amont étant en bas de cette figure, et l’aval en haut. Le fond 22 de la poche 20 est délimité par un contour comprenant un bord amont 22.1, deux bords latéraux 22.2, 22.3 et un bord aval 22.4. Dans la version illustrée, les bords amont 22.1 et aval 22.4 sont sensiblement parallèles et sont orientés selon la direction circonférentielle. Les bords latéraux 22.2, 22.3 suivent les contours des cavités 13 des pales 12.

La tôle 18 et le fond 22 ont un contour sensiblement identique, à la différence que la tôle 18 est légèrement plus grande. La tôle 18 peut ainsi recouvrir l’intégralité de la poche 20 et être brasée à la plateforme 16, radialement au-dessus, en regard de la poche 20.

La montre également les plots, dont une paire de plots amont 28.1, une paire de plots centraux 28.2 et une paire de plots aval 28.3. Les plots amont 28.1 sont disposés entre le bord amont 22.1 et un raidisseur 26, les plots centraux 28.2 sont disposés entre deux raidisseurs successifs 26 et les plots aval 28.3 sont disposés entre un raidisseur 26 et le bord aval 22.4. D’autre distributions ou un autre nombre de plots sont naturellement envisageables mais cette répartition et ce nombre sont particulièrement appropriés pour bien supporter la tôle 18 de la .

Les plots 28.1, 28.2, 28.3 sont à distance des bords 22.1, 22.2, 22.3, 22.4 du fond ainsi qu’à distance d’une ligne médiane 30. Cette ligne médiane 30 est la moyenne entre les bords latéraux 22.2, 22.3. Selon la disposition des orifices 18.4 et des évents 24, et notamment lorsque ceux-ci sont régulièrement distribués d’un bord latéral à l’autre, la ligne médiane 30 est la ligne selon laquelle le flux d’air a la plus grande vitesse, du fait des effets de bord. Il est donc judicieux d’éloigner les plots 28 de cette ligne. De même, il est avantageux d’éloigner les plots 28 des bords latéraux pour éviter un blocage aérodynamique.

Il est également visible sur la que les plots 28 ont une section circulaire (ce sont des cylindres avec un congé de raccordement au fond 22). D’autres sections sont envisageables, comme par exemple une section elliptique ou une section avec un intrados et un extrados. Dans ce cas, les plots sont orientés pour faciliter au maximum l’écoulement du flux entre les évents 24 et les orifices 18.4. Il est également envisageable, lorsque les plots sont rapportés sur la plateforme, de prévoir des plots à orientation contrôlée, afin de réguler le flux dans la poche 20. Un mécanisme approprié (type bague de synchronisation VSV) pourra être envisagé. Il est également possible de prévoir des éléments d’évacuation de la chaleur (par exemple des ailettes qui peuvent être parallèles au fond 22) sur les plots 28, afin d’augmenter la surface de contact entre la plateforme 16 et le flux d’air circulant dans la poche.

La montre une coupe transversale de la poche 20. On y voit les raidisseurs 26, les plots 28, les orifices et ouvertures 18.4, 24 ainsi qu’une pale 12. Les zones notées B sont les zones de brasage de la tôle 18 à la plateforme 16. La montre également les hauteurs H1 et H2 respectivement des raidisseurs 26 et des plots 28. Dans l’exemple illustré, les raidisseurs ont tous la même hauteur et les plots ont tous la même hauteur. Mais d’autres conceptions sont possibles, notamment avec une hauteur en progression ou en dégression d’amont vers l’aval.

L’invention porte également sur un procédé de maintenance. Dans ce procédé, une tôle nécessite un remplacement. Le procédé de maintenance comprend la dépose de la tôle présente sur la plateforme, par exemple au moyen d’un procédé de débrasage par électrodes. L’opérateur peut se servir des plots 28 comme indicateur de la limite de la matière à débraser. Une nouvelle tôle peut ensuite être posée, au contact des plots 28.

Dans une alternative non représentée, la tôle 18 peut comporter des trous borgnes destinés à accueillir la tête des plots 28. Cette solution permet de centrer la tôle lors de sa pose, voire de servir de détrompeur.

Dans une alternative non illustrée, les plots sont monoblocs avec la tôle ou rapportés sur la tôle. Ils peuvent alors reposer sur le fond 22 de la poche 20. Dans ce cas, le fond 22 de la poche 20 peut présenter des puits recevant la tête des plots.

Claims (10)

1. Distributeur (10) de turbine formant une couronne (10) autour d’un axe (A) et comportant :
   une virole interne (2) comprenant une pluralité de plateformes internes (14) agencées circonférentiellement autour de l’axe (A) et une virole externe (4) comprenant une pluralité de plateformes externes (16) agencées circonférentiellement autour de l’axe (A);
   une pluralité de pales (12) agencées radialement entre la virole interne (2) et la virole externe (4) ;
   une poche (20) formée dans une plateforme externe (16) entre deux pales (12) circonférentiellement adjacentes (12), la poche (20) présentant un fond (22) ainsi que des raidisseurs (26) s’étendant en saillie depuis le fond (22) ;
   une tôle (18) recouvrant la poche (20) radialement à distance des raidisseurs (26) ; et
   des plots (28) s’étendant en saillie depuis le fond (22) et sur lesquels repose la tôle (18).
2. Distributeur (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les raidisseurs (26) s’étendent en saillie depuis le fond (22) d’une première hauteur (H1) et les plots (28) s’étendent en saillie depuis le fond (22) d’une seconde hauteur (H2), la seconde hauteur (H2) étant au moins trois fois supérieure à la première hauteur (H1).
3. Distributeur (10) selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la poche (20) comprend des ouvertures traversantes (24) de circulation de fluide et la tôle comprend des orifices traversants (18.4) en communication fluide avec les ouvertures traversantes (24) de la poche (20), les plots (28) comprenant des plots amonts (28.1) agencés au voisinage des orifices traversants (18.4) et décalés circonférentiellement des orifices traversants (18.4), et des plots aval (28.3) agencés au voisinage des ouvertures traversantes (24) et décalés circonférentiellement des ouvertures traversantes (24).
4. Distributeur (10) selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le fond (22) de la poche (20) est délimité par un contour (22.1, 22.2, 22.3, 22.4) formé d’un bord amont (22.1), d’un bord aval (22.4) et de deux bords latéraux (22.2, 22.3), les plots (28) étant agencés à distance de tous les bords (22.1, 22.2, 22.3, 22.4) et à distance d’une ligne médiane (30) équidistante aux bords latéraux (22.2, 22.3).
5. Distributeur (10) selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les plots (28) présentent une section circulaire ou elliptique.
6. Distributeur (10) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend trois paires de plots (28), dont deux plots amont (28.1), deux plots centraux (28.2) et deux plots aval (28.3).
7. Distributeur (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le fond (22) de la poche (20) est délimité par un contour formé d’un bord amont (22.1), d’un bord aval (22.4) et de deux bords latéraux (22.2, 22.3), les raidisseurs (26) s’étendant parallèlement au bord amont (22.1) et/ou au bord aval (22.4), depuis un bord latéral (22.2) jusqu’à l’autre bord latéral (22.3), les plots centraux (28.2) étant disposés entre deux raidisseurs (26) adjacents, les plots amont (28.1) étant disposés entre le bord amont (22.1) et un raidisseur (26), et les plots aval (28.3) étant disposés entre le bord aval (22.4) et un raidisseur (26).
8. Distributeur (10) selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les plots (28) sont venus de matière avec la plateforme externe (16) qui comprend la poche (20).
9. Distributeur (10) selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les plots (28) sont rapportés sur la plateforme externe (16) qui comprend la poche (20) et sont constitués d’un matériau plus dur que le matériau constituant la plateforme externe (16) qui comprend la poche (20).
10. Procédé de remplacement d’une tôle (18) de distributeur, pour un distributeur (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, le procédé comprenant le retrait de la tôle (18) du distributeur au moyen d’une opération de débrasage, la pose d’une tôle de remplacement (18) au contact des plots (28) et le brasage de la tôle de remplacement (18) à la plateforme externe (16) qui comprend la poche (20).