Anneau de turbine sectorisé

Abstract

 Un anneau de turbine est constitué d'un support annulaire en deux parties (12,13) et d'un anneau (14) d'étanchéité en secteurs céramiques (14a). Les deux parties (12,13) de support coopèrent par une gorge axiale (18) et une partie mâle coulissante (25). Chacune comporte une rainure annulaire axiale (19,28) dans laquelle est engagé le rebord axial (33,34) de chaque secteur (14a). Les faces coopérantes radialement intérieures (33a,34a,21,30) respectivement du rebord et de la rainure sont circonférentielles alors que la face radialement extérieure (33b,34b) de chaque secteur (14a) comporte au moins une zone plate (33c,34c). Ladite face (21,30) de rainure peut être polygonale.

Description

[0001] La présente invention concerne un anneau de turbine à éléments sectorisés en composite céramique entrant dans la partie statorique d'une turbomachine.

[0002] FR-A 2 371 575 décrit un anneau de turbine à gaz comportant un support annulaire en deux parties fixé à l'intérieur du carter de turbine et un anneau en un matériau céramique qui présente de bonnes propriétés en abradabilité et érosion, une bonne tenue aux hautes températures et qui joue un rôle de barrière thermique. Cet anneau en matériau céramique est formé de secteurs. Un mode particulier de montage des secteurs céramiques dans le support métallique faisant appel notamment à des moyens élastiques vise à assurer une bonne tenue en service, en tenant compte des dilatations thermiques différentielles génératrices de contraintes mécaniques entre éléments céramiques et support métallique et des propriétés de faible ductilité et de relative fragilité du matériau céramique utilisé.

[0003] Ces dispositions connues se sont révélées toutefois insuffisantes pour certaines applications aux turbomachines où de hautes performances et en particulier des températures élevées de fonctionnement sont recherchées. L'invention vise ainsi à assurer les étanchéités, tant du côté amont que du côté aval, définis par rapport au sens normal de circulation des gaz dans la turbomachine, ainsi qu'un positionnement amélioré des secteurs et l'invention recherche un mode particulier de montage des secteurs d'anneau en céramique qui permette aux secteurs de se déformer sans induire de contraintes mécaniques excessives dans les secteurs, et en particulier des contraintes de traction sur la face externe des secteurs.

[0004] Ces résultats avantageux sont obtenus et les inconvénients précédents évités par un anneau de turbine selon l'invention du genre précité, caractérisé en ce que les deux parties de support annulaire coopèrent entre elles au moyen d'une gorge annulaire axiale et d'une partie mâle axiale coulissante et comportent chacune, dans une partie radialement intérieure, respectivement une rainure annulaire axiale en U couché dont respectivement la face interne de la branche inférieure est circonférentielle et coopère avec la face radialement intérieure d'un rebord axial des secteurs et la face interne de la branche supérieure coopère avec la face radialement extérieure d'un rebord axial des secteurs, face qui comporte sur chaque secteur au moins une zone plate raccordée à au moins une zone circonférentielle de face de secteur.

[0005] Avantageusement, la partie radialement extérieure d'une première partie de support annulaire est bloquée entre une bride radialement interne du carter de turbine et une pièce cylindrique prolongée par une bride radiale fixée entre deux brides radiales du carter, et la partie radialement extérieure d'une deuxième partie du support annulaire comporte une bride axiale coulissant dans une gorge axiale annulaire ménagée dans une bride radialement interne du carter de turbine et une virole annulaire souple fixée à une extrémité à une bride du carter de turbine a son autre extrémité en appui axial sur la partie radialement intérieure de la deuxième partie du support annulaire, au droit du bord axial correspondant des secteurs.

[0006] Avantageusement, au moins une zone plate peut également être ménagée sur la face radialement intérieure d'un rebord axial des secteurs.

[0007] A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous un mode de réalisation d'un anneau de turbine conforme à la présente invention, ainsi que deux variantes s'appliquant à cette forme de réalisation d'où il ressort d'autres caractéristiques et avantages de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

- la figure 1 est une vue partielle, en coupe par un demi-plan axial, du carter d'une turbine, muni d'un anneau selon la présente invention ;

- la figure 2 est une vue partielle, en section transversale, selon les lignes II-II de la figure 1, du rebord axial des secteurs d'anneau montés dans leur logement ;

- la figure 3 est une vue analogue à la figure 2, représentant une première variante de réalisation ;

- la figure 4 est une vue partielle analogue aux figures 2 et 3, représentant une deuxième variante de réalisation.

- la figure 5 est une vue partielle analogue aux figures 2, 3 et 4, représentant une troisième variante de réalisation.

[0008] Sur la figure 1, on a désigné par 1 une partie du carter d'une turbine à gaz. Cette partie du carter 1 comporte respectivement à chaque extrémité une bride radiale annulaire amont 2 et une bride radiale annulaire aval 3, toutes deux dirigées vers l'extérieur, l'amont et l'aval étant définis par rapport au sens normal de circulation des gaz dans la turbomachine à laquelle appartient la turbine. La partie de carter 1 comporte également deux brides radiales annulaires dirigées vers l'axe longitudinal de la machine, respectivement amont 4 et aval 5. Dans la bride radialement interne aval 5 est ménagée une gorge annulaire axiale 6. En amont est située une partie 7 de carter coopérant avec la bride radiale 2 de la partie 1 du carter au moyen d'une bride radiale annulaire 8 dirigée vers l'extérieur. En aval, est située une partie 9 du carter coopérant avec la bride radiale 3 de la partie 1 du carter au moyen d'une bride radiale annulaire 10 dirigée vers l'extérieur.

[0009] A l'intérieur du carter 1 de turbine est monté un anneau de turbine 11 composé d'une première partie 12 de support annulaire disposée du côté amont, d'une deuxième partie 13 de support annulaire disposée du côté aval et d'un anneau 14 d'étanchéité. La première partie 12 de support annulaire comporte une partie 15 radialement extérieure, une partie intermédiaire 16 et une partie 17 radialement intérieure. Dans la partie intermédiaire 16 est ménagée une gorge annulaire axiale 18 ouverte vers l'aval. Dans la partie intérieure 17 est ménagée une rainure annulaire axiale 19 en forme de U couché, ouvert vers l'aval, présentant une branche supérieure 20 à face interne 21 et une branche inférieure 22 à face interne 23. La deuxième partie 13 de support annulaire comporte un élément cylindrique 24 dirigé vers l'amont à partir d'une zone radialement médiane de la partie 13. Les parties 12 et 13 du support annulaire coopèrent au moyen de la gorge 18 et d'une partie mâle 25 axiale coulissante d'extrémité de l'élément cylindrique 24. La partie radialement extérieure de la deuxième partie 13 de support annulaire comporte un rebord axial 26 dirigé vers l'amont. De manière analogue à la première partie 12, la deuxième partie 13 de support annulaire comporte, dans sa partie 27 radialement intérieure, une rainure axiale 28 en forme de U couché, ouvert vers l'amont, présentant une branche supérieure 29 à face interne 30 et une branche inférieure 31 à face interne 32.

[0010] L'anneau d'étanchéité 14 est constitué d'une succession circonférentielle de secteurs 14a contigus, en un matériau céramique adéquat tel qu'un composite connu formé de fibres noyées dans une matrice en la même matière et qui présente des propriétés de bonne tenue aux températures élevées, de bonnes propriétés en abradabilité et érosion et de faible conductivité thermique susceptible de lui conférer un rôle de barrière thermique. Chaque secteur céramique 14a comporte sur ses bords axiaux, respectivement un rebord circonférentiel amont 33 et un rebord circonférentiel aval 34, qui coopèrent avec les rainures axiales du support annulaire, respectivement 19 à l'amont et 28 à l'aval. La face radialement intérieure 33a et 34a des rebords axiaux 33 et 34 des secteurs 14a est circonférentielle et est par conséquent en contact sur toute sa surface avec la face interne respectivement 23 et 32 des branches inférieures 22 et 31 formant les rainures axiales en U 19 et 28.

[0011] Selon le mode de réalisation représenté à la figure 2, les faces internes 21 et 30 des branches supérieures 20 et 29 formant les rainures axiales en U 19 et 28, ont une forme périphérique polygonale. De préférence, chaque côté du polygone est placé au droit d'un secteur. Dans ce cas, chaque secteur 14a présente une face radialement extérieure 33b et 34b des rebords axiaux 33 et 34 respectivement comportant une zone plate 33c ou, de manière analogue à l'autre extrémité, 34c, située dans la zone médiane de chaque secteur et sur laquelle s'effectue l'appui entre le secteur 14a et les parties de support 12 et 13, comme représenté à la figure 1.

[0012] Entre les brides radialement extérieures 2 et 7 du carter est insérée et fixée une bride radiale 35 d'une pièce cylindrique 36 disposée à l'intérieur du carter 1 de turbine et concentriquement à lui. L'extrémité aval 37 de la pièce cylindrique 36 maintient la partie radialement extérieure 15 de la première partie 12 de support ₅ annulaire en appui contre la bride interne amont 4 de carter. De même entre les brides radialement extérieures 3 et 10 de carter est insérée et fixée une bride radiale 38 d'une virole 39 annulaire souple dont l'autre ext(émité 40 est en appui axial sur la partie radialement intérieure 27 de la deuxième partie 13 de support annulaire.

[0013] En fonctionnement, particulièrement lorsque des températures élevées à l'entrée de la turbine sont atteintes, l'anneau de turbine selon l'invention qui vient d'être décrite permet d'assurer les étanchéités amont et aval. En effet, un contact permanent est assuré entre, d'une part, les bords respectivement amont et aval des rebords axiaux, respectivement 33 et 34, des secteurs 14a d'anneau et les fonds des rainures axiales, respectivement 19 et 28, d'autre part. Le maintien axial assuré par l'extrémité 37 de la pièce cylindrique 36 sur la bride intérieure 4 de carter et par l'extrémité 40 de la virole 39 permet, grâce à la souplesse élastique de la virole 39, de rattraper les différences des dilatations axiales d'origine thermique entre les secteurs 14a d'anneau et le carter 1 de turbine. Par ailleurs, la limitation du contact entre la face extérieure, respectivement 33b et 34b, de chaque rebord axial 33 et 34 de secteur 14a et la face interne, respectivement 21 et 30, de la branche supérieure 20 et 29 de rainure en U 19 et 28, à une zone médiane plate, respectivement 33c et 34c, permet toute déformation des secteurs d'anneau 14a sous l'action des gradients thermiques sans l'apparition de contraintes mécaniques supérieures aux capacités de résistance du matériau composite céramique constituant lesdits secteurs 14a, en particulier la résistance à la traction sur la face extérieure des secteurs 14a. En même temps, un maintien radial et circonférentiel des secteurs 14a est ainsi assuré. De plus, les languettes 41 sont engagées axialement dans des rainures 42 et 43 pratiquées au même niveau radial sur les flancs en regards des secteurs 14a contigus et assurent ainsi l'étanchéité entre lesdits secteurs. En outre, de manière connue, un moyen de blocage en rotation, par exemple un pion 44, est prévu entre un rebord axial, par exemple le rebord axial 34 d'un secteur 14a, et la branche supérieure 29 de la rainure axiale 28 de la deuxième partie 13 de support annulaire.

[0014] La présente invention n'est pas limitée à la forme de réalisation précédemment décrite. Elle englobe toutes ses variantes, dont quelques unes seulement vont être indiquées ci-après, à titre d'exemples non limitatifs.

[0015] Une telle variante de réalisation de l'invention est représentée à la figure 3. Les zones plates 133c ménagées sur la face radialement extérieure du rebord axial 133 de chaque secteur 14a sont reportées à chaque extrémité circonférentielle de secteur, côté amont et il en est de même pour les zones plates 134c des rebords axiaux 134, côté aval. En outre, selon cette variante de réalisation, les faces internes respectives 121 et 130 des branches supérieures 120 et 129 des rainures axiales 19 et 28 du support annulaire 12-13 (représenté à la figure 1) sont circonférentielles. Ainsi, comme dans la réalisation précédemment décrite en référence aux figures 1 et 2, la zone de contact entre la face extérieure de chaque secteur 14a et la face de rainure axiale est située dans la zone médiane circonférentielle de chaque secteur et les zones circonférentielles d'extrémité présentent un jeu j entre la face extérieure de secteur et la face de rainure coopérante. Comme précédemment, en fonctionnement et en particulier aux températures élevées, les secteurs d'anneau 14a peuvent se déformer sous l'action d'un gradient thermique sans subir de contraintes mécaniques excessives qui seraient, en l'absence du mode de montage prévu par l'invention, susceptibles d'entraîner uÀà2 détérioration des secteurs et des défauts de tenue en service de l'anneau de turbine.

[0016] La figure 4 représente une autre possibilité qui constitue une variante de réalisation de l'invention. Comme dans la variante représentée à la figure 3 et précédemment décrite, la face de rainure coopérant avec la face extérieure des secteurs d'anneau 14a est circonférentielle et cette face radialement extérieure de secteur 14a comporte une zone plate à chaque extrémité circonférentielle de rebord axial. Selon la présente variante, une troisième zone plate, respectivement 233c et 234c, est ménagée dans la zone médiane circonférentielle de chaque rebord axial de secteur 14a. De cette manière, chaque secteur 14a présente deux zones circonférentielles espacées, respectivement 233d sur le rebord axial amont 33 et 234d sur le rebord axial aval 34 (rebords représentés à la figure 1) qui sont en contact avec la face circonférentielle de rainure. Comme précédemment, une minimisation des contraintes mécaniques s'exerçant sur les secteurs 14a sous l'effet du gradient thermique est obtenue de cette façon.

[0017] Enfin, comme représenté à la figure 5, il peut s'avérer dans certaines applications particulières, souhaitable de porter sur le diamètre interne des secteurs en céramique les mêmes dispositions que celles qui ont été décrites pour leur diamètre externe. Cette variante de réalisation peut être appliquée à chacune des trois variantes de réalisation précédemment décrites en référence respectivement aux figures 2,3 et 4. La figure 5 représente cette nouvelle variante appliquée à la réalisation de la figure 4. Ainsi, la face radialement intérieure des rebords axiaux 33 et 34 des secteurs 14a au lieu d'être circonférentielle comme représenté en 33a et 34a sur la figure 1, présente des zones plates 333c, 433c et 533c et de manière analogue à l'autre extrémité, 333d, 433d et 533d, de manière à assurer dans ce cas un appui régulier des secteurs 14a sur la face interne respectivement, 23 et 32, des branches inférieures 22 et 31 formant les rainures axiales en U 19 et 28 (voir figure 1).

Revendications

1. Anneau de turbine comportant un support annulaire en deux parties (12 et 13) fixé à l'intérieur du carter de la turbine et un anneau d'étanchéité (14) constitué d'une succession de secteurs (14a) contigus en un matériau composite céramique caractérisé en ce que les deux parties (12, 13) de support annulaire coopèrent entre elles au moyen d'une gorge annulaire axiale (18) et d'une partie mâle axiale coulissante (25) et comportent chacune, dans une partie radialement intérieure (17, 27), respectivement une rainure (19, 28) annulaire axiale en U couché dont respectivement la face interne (23, 32) de la branche inférieure (22, 31) est circonférentielle et coopère avec la face (33a, 34a) radialement intérieure d'un rebord axial (33, 34) des secteurs (14a) et la face interne (21, 30) de la branche supérieure (20, 29) coopère avec la face radialement extérieure (33b, 34b) du rebord axial (33, 34) des secteurs (14a), face qui comporte sur chaque secteur (14a) au moins une zone plate (33c, 34c ; 133c, 134c ; 233c, 234c) raccordée à au moins une zone circonférentielle de face de secteur.

2. Anneau de turbine selon la revendication 1 caractérisé en ce que la face interne (21, 30) de la branche supérieure (20, 29) des rainures (19, 28) du support annulaire (12 et 13) est polygonale et que la zone plate (33c) d'appui des secteurs (14a) est placée dans la zone médiane de chaque secteur (14a), chaque côté dudit polygone étant situé au droit d'un desdits secteurs.

3. Anneau de turbine selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque secteur (14a) comporte sur sa face radialement extérieure de chaque rebord axial une zone plate (133c, 134c) à chaque extrémité, ces deux zones étant reliées par une zone circonférentielle et la face interne (121, 130) de la branche supérieure (120, 129) des rainures du support annulaire (12 et 13) étant circonférentielle.

4. Anneau de turbine selon la revendication 1 caractérisé - - en ce que chaque secteur (14a) comporte sur sa face radialement extérieure deux zones circonférentielles (233d, 234d) coopérant avec la face interne circonférentielle de la branche supérieure des rainures du support annulaire, lesdites zones circonférentielles de secteur étant respectivement situées entre une zone plate d'extrémité (133c, 134c) et une zone plate médiane (233c, 234c).

5. Anneau de turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la partie radialement extérieure (15) d'une première partie (12) de support annulaire est bloquée entre une bride (4) radialement interne du carter (1) de turbine et une pièce cylindrique (36) prolongée par une bride radiale (35) fixée entre deux brides radiales (2, 8) de carter, que la partie radialement extérieure d'une deuxième partie (13) de support annulaire comporte un rebord axial (26) coulissant dans une gorge (6) axiale annulaire ménagée dans une bride (5) radialement interne de carter (1) de turbine et qu'une virole (39) annulaire souple fixée à une extrémité entre deux brides (3, 10) de carter a son autre extrémité (40) en appui axial sur la partie radialement intérieure (27) de la deuxième partie (13) du support annulaire, au droit du bord axial correspondant des secteurs (14a).

6. Anneau de turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un moyen de blocage en rotation du genre pion (44) est monté entre au moins un secteur (14a) et la branche supérieure (29) de rainure axiale (28) d'une partie (13) de support annulaire.

7. Anneau de turbine selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la face radialement intérieure (33a, 34a) du rebord axial (33,34) des secteurs (14a) comporte sur chaque secteur (14a) au moins une zone plate (333c, 333d, 433c, 433d, 533c, 533d) raccordée à au moins une zone circonférentielle de face de secteur.

8. Anneau de turbine selon la revendication 7 caractérisé en ce que chaque secteur (14a) comporte sur sa face radialement intérieure de chaque rebord axial une zone plate (333c, 333d, 533c, 533d) à chaque extrémité, ces deux zones étant reliées par une zone circonférentielle.

9. Anneau de turbine selon la revendication 7 caractérisé en ce que chaque secteur (14a) comporte sur sa face radialement intérieure une zone plate (333c, 333d, 533c, 533d) à chaque extrémité et une zone plate (433c, 433d) en position médiane, ces zones plates étant reliées respectivement par deux zones circonférentielles.

Dessins