FR3081523A1 - Turbomachine d'aeronef comportant des moyens de decouplage - Google Patents

Turbomachine d'aeronef comportant des moyens de decouplage Download PDF

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Abstract

Turbomachine (10) d'aéronef, comportant un générateur de gaz (12) et une soufflante (14) située en amont du générateur de gaz et entourée par un carter de soufflante (16), le générateur de gaz comportant un corps haute pression (12b) et un corps basse pression (12a) qui est relié à un arbre de la soufflante (32), les corps haute et basse pression comportant des compresseurs (22, 20) entre lesquels est situé un carter intermédiaire (40) qui relie le générateur de gaz audit carter de soufflante, la turbomachine comportant en outre des moyens de découplage (60) configurés pour désolidariser l'arbre de soufflante du corps basse pression suite à une détection d'un évènement critique, caractérisée en ce que lesdits moyens de découplage comprennent des moyens fusibles (62) de fixation d'un stator du compresseur du corps basse pression au carter intermédiaire.

Description

Turbomachine d’aéronef comportant des moyens de découplage
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne une turbomachine d’aéronef comportant des moyens de découplage.
ETAT DE L’ART
L’état de l’art comprend notamment les documents EP-A1-1403468, EP-A1 -1439316, EP-A1-1308602 et EP-A1-2721260.
De manière classique, une turbomachine comprend un générateur de gaz et une soufflante située à une extrémité du générateur de gaz, entourée par un carter de soufflante. La soufflante est destinée à générer un flux d’air dont une partie alimente le générateur de gaz et forme un flux primaire, et une autre partie s’écoule entre le générateur de gaz et le carter de soufflante et forme un flux d’air secondaire qui génère une majeure partie de la poussée de la turbomachine.
Le générateur de gaz comporte, d’amont en aval dans le sens de l’écoulement des gaz, au moins un compresseur, une chambre de combustion et au moins une turbine. Le rôle du compresseur est d’accroître la pression de l’air fourni à la chambre de combustion. Le rôle de la turbine est d’assurer l’entraînement en rotation du compresseur en prélevant une partie de l’énergie de pression des gaz chauds sortant de la chambre de combustion et en la transformant en énergie mécanique.
Le compresseur et la turbine sont constitués d’un premier ensemble de pièces fixes constituant le stator et un second ensemble de pièces, susceptible d’être mis en rotation par rapport au stator, constituant le rotor.
Le rotor du compresseur et le rotor de la turbine forment un ensemble solidairement relié par un arbre tournant. La rotation du rotor par rapport au stator est rendue possible au moyen de paliers, un palier étant un organe mécanique supportant et guidant un rotor, en particulier l’arbre de ce rotor. Ce palier comporte une première partie fixée sur l’arbre rotor et une seconde partie fixée sur le stator par l’intermédiaire d’un support de palier. Un roulement est disposé entre les deux parties du palier autorisant ainsi la rotation d’une partie du palier par rapport à l’autre. Le roulement peut par exemple être de type à billes, à rouleaux cylindriques ou à rouleaux coniques.
Une turbomachine peut également être du type à « double-corps >> ce qui signifie qu’elle comporte deux rotors agencés coaxialement, un palier autorisant la rotation relative entre ces deux rotors. Un premier corps est appelé corps basse pression et un second corps est appelé corps haute pression. De façon connue, le générateur de gaz comporte dans ce cas, d’amont en aval, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, la chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression.
Un carter intermédiaire est situé entre les compresseurs basse et haute pression et relie structurellement le générateur de gaz au carter de soufflante. Il comprend en général une rangée annulaire de bras radialement internes s’étendant dans le flux primaire, entre les veines des compresseurs basse et haute pression, et une rangée annulaire de bras radialement externes s’étendant dans le flux secondaire. Le corps basse pression est guidé à l’amont par des paliers dont les supports sont fixés au carter intermédiaire.
La soufflante comporte des aubes de très grande taille, dites aubes de soufflante, dont l’un des effets est d’augmenter la masse et l’inertie du corps basse pression.
En cas de rupture d’une aube de soufflante, un balourd est produit sur l’arbre de soufflante. Un balourd est un phénomène de déséquilibre du rotor dont le centre de gravité ne se situe plus exactement sur l’axe de rotation comme il devrait l’être. Des charges cycliques et des vibrations importantes sont ainsi communiquées au stator de la turbomachine, par l’intermédiaire des supports de paliers, avec d’importants risques de détérioration pouvant mener à son autodestruction. Pour éviter la transmission de ces phénomènes indésirables au stator, il est nécessaire de découpler les supports de palier, c’est-à-dire interrompre la transmission mécanique de la rotation, notamment en désolidarisant les supports de palier du carter intermédiaire.
On connaît une solution consistant à utiliser des vis fusibles pour la fixation d’une partie amont et d’une partie aval, ou d’une partie externe et d’une partie interne, formant un support de palier. Ces vis fusibles présentent une portion de section réduite susceptible de se rompre au-delà d’un effort de traction prédéterminé et ainsi de réaliser le découplage des deux parties constituant le support de palier.
Pour une turbomachine équipée de telles vis fusibles, une perte d’aube de soufflante est marquée par deux instants critiques majeurs pendant lesquels de fortes charges transitent dans les structures du générateur de gaz, du pylône de suspension de la turbomachine à l’aéronef, et de la nacelle s’étendant autour du carter de soufflante :
- l’impact de l’aube sur le carter de soufflante, et
- le passage du mode du corps basse pression lors de la décélération du rotor.
En plus des vis fusibles de découplage des supports de paliers, il est connu de prévoir un flambement des aubes du compresseur basse pression lors de la perte d’une aube de soufflante. Ces aubes sont en effet conçues pour flamber à partir d’une certaine charge de contacts entre le rotor et le stator du compresseur basse pression. Le flambage des aubes limite les contacts rotor-stator dans ce compresseur et permet d’abaisser la position du mode d’arbre.
Cependant, la Demanderesse a constaté que des contacts non négligeables perdurent entre le rotor et le stator durant la décélération du rotor. Ces contacts tendent à rigidifier la ligne rotor et ainsi à augmenter la fréquence du mode du corps basse pression.
La présente invention propose un perfectionnement à cette technologie, qui est notamment efficace et économique, et permet de réduire les charges induites par le passage de ce mode.
EXPOSE DE L’INVENTION
L’invention propose une turbomachine d’aéronef, comportant un générateur de gaz et une soufflante située en amont du générateur de gaz et entourée par un carter de soufflante, le générateur de gaz comportant un corps haute pression et un corps basse pression qui est relié à un arbre de la soufflante, les corps haute et basse pression comportant des compresseurs entre lesquels est situé un carter intermédiaire qui relie le générateur de gaz audit carter de soufflante, la turbomachine comportant en outre des moyens de découplage configurés pour désolidariser l’arbre de soufflante du corps basse pression suite à une détection d’un évènement critique, caractérisée en ce que lesdits moyens de découplage comprennent des moyens fusibles de fixation d’un stator du compresseur du corps basse pression au carter intermédiaire.
L’invention propose ainsi une solution permettant de supprimer la raideur de contact rotor-stator au niveau du compresseur basse pression lors de l’apparition de l’événement critique, à savoir par exemple la perte d’une aube de soufflante. L’impact direct de cette mesure se quantifie par la réduction des charges moteur lors de cet évènement.
La présente invention se démarque de l’état de l'art notamment par le positionnement de la zone d’implantation des moyens de découplage. Ici, ce qui est par exemple recherché est le découplage entre un carter du compresseur basse pression et le carter intermédiaire, et non le découplage au niveau de paliers (qui constitue cependant une solution complémentaire).
La turbomachine selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- le compresseur du corps basse pression comprend plusieurs étages de compression, au moins un de ces étages comportant une rangée annulaire d’aubes fixes et une rangée annulaire d’aubes mobiles, les rangées annulaires d’aubes fixes étant solidaires les unes des autres et fixées au carter intermédiaire par lesdits moyens fusibles ;
- lesdits moyens fusibles comprennent au moins une rangée annulaire de vis fusibles qui sont réparties autour d’un axe longitudinal de la turbomachine et qui s’étendent sensiblement parallèlement à cet axe ;
- les vis fusibles traversent une bride annulaire sensiblement radiale dudit stator et une paroi annulaire sensiblement radiale dudit carter intermédiaire, les vis fusibles étant configurées pour serrer axialement la bride et la paroi l’une contre l’autre ;
- les vis fusibles sont engagées axialement depuis l’amont dans des orifices de la bride et de la paroi, les vis fusibles comportant des têtes destinées à venir en appui sur une face radiale amont de ladite bride ;
- les têtes des vis fusibles sont logées dans une cage annulaire portée par et/ou formée sur ladite paroi, la cage étant configurée pour retenir les têtes de vis en cas de découplage dudit stator dudit carter intermédiaire ;
- ladite cage comprend un premier organe annulaire à section axiale en L, C ou U qui est solidaire de ladite paroi et qui s’étend radialement à l’intérieur de ladite bride qui est au moins partiellement engagée dans une ouverture annulaire définie par ledit premier organe et débouchant radialement vers l’extérieur ;
- ladite cage comprend un second organe annulaire à section axiale en L, C ou U qui est solidaire de ladite paroi et qui s’étend radialement à l’extérieur de ladite bride, ce second organe étant configuré pour s’étendre en amont desdits têtes de vis ainsi que radialement à l’intérieur et à l’extérieur de celles-ci ;
- au moins un desdits premier et second organes est rapporté et fixé sur ladite paroi ; et
- au moins une desdits premier et second organes est formé d’une seule pièce avec ladite paroi.
DESCRIPTION DES FIGURES
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 schématique en coupe axiale d’une turbomachine d’aéronef ;
- la figure 2 est une vue schématique partielle en coupe axiale d’une turbomachine d’aéronef ;
- la figure 3 est une vue très schématique partielle en coupe axiale d’un compresseur basse pression et d’un carter intermédiaire d’une turbomachine d’aéronef selon l’invention ;
- la figure 4 est une vue schématique partielle en coupe axiale de moyens de fixation d’un stator de compresseur basse pression à un carter intermédiaire ; et
- la figure 5 est une vue schématique partielle en coupe axiale de moyens améliorés de fixation d’un stator de compresseur basse pression à un carter intermédiaire.
DESCRIPTION DETAILLEE
On se réfère tout d’abord aux figures 1 et 2 qui représentent schématiquement une turbomachine 10 d’aéronef à double corps et double flux.
La turbomachine 10 comporte de façon classique un générateur de gaz 12 à l’amont duquel est disposée une soufflante 14. La soufflante 14 est entourée par un carter de soufflante 16 qui fait partie d’une nacelle 18 qui s’étend autour et le long d’une majeure partie du générateur de gaz 12.
Le générateur de gaz 12 comprend ici deux corps, à savoir un corps basse pression 12a et un corps haute pression 12b. Chaque corps comprend un compresseur et une turbine.
Les termes « amont >> et « aval >> sont considérés selon une direction principale F d’écoulement des gaz dans la turbomachine 10, cette direction F étant parallèle à l’axe longitudinal A de la turbomachine.
De l’amont vers l’aval, le générateur de gaz 12 comprend un compresseur basse pression 20, un compresseur haute pression 22, une chambre de combustion 24, une turbine haute pression 26 et une turbine basse pression 28.
La soufflante 14 comprend une rangée annulaire d’aubes 30 entraînée en rotation par un arbre de soufflante 32 relié au rotor du corps basse pression 12a. Le flux de gaz qui traverse la soufflante (flèche F) est séparé à l’amont du générateur de gaz 12 par un bec annulaire 34 en un flux annulaire radialement interne, appelé flux primaire 36 qui alimente le générateur de gaz 12, et en un flux annulaire radialement externe, appelé flux secondaire 38 qui s’écoule entre le générateur de gaz 12 et la nacelle 18 et fournit la majeure partie de la poussée de la turbomachine.
Un carter intermédiaire 40 est situé entre les compresseurs basse et haute pression 20, 22 et relie structurellement le générateur de gaz 12 au carter de soufflante 16 et à la nacelle 18. Le carter intermédiaire 40 comprend une rangée annulaire de bras 42 radialement internes s’étendant dans le flux primaire 36, entre les veines des compresseurs basse et haute pression 20, 22, et une rangée annulaire de bras 44 radialement externes s’étendant dans le flux secondaire 38. Les bras 42 sont en général en nombre limités (moins de dix) et sont tubulaires et traversés par des servitudes.
Comme cela est visible à la figure 2, le rotor du corps basse pression 12a ainsi que l’arbre de soufflante 32 sont guidés par des paliers 46, 47. Le palier 46 est du type à billes et le palier 47 est du type à rouleaux. Ces paliers 46, 47 comprennent chacun une bague interne montée sur l’arbre à guider, une bague externe portée par un support de paliers 50, 51 et un roulement entre les bagues.
Le rotor du corps haute pression 12b est guidé par un palier 48 qui est du type à billes et qui comprend une bague interne montée sur l’arbre à guider, une bague externe portée par un support de palier 52 et un roulement entre les bagues.
Les supports 50, 51, 52 des paliers sont des pièces fixes reliées au stator et ici en particulier au carter intermédiaire 40.
Comme on le voit également dans la figure 2, le compresseur basse pression 20 comprend plusieurs étages de compression (par exemple un nombre d’étages compris entre deux et cinq et par exemple de trois) dont au moins un, et de préférence chacun, comprend une rangée annulaire d’aubes fixes 56 de stator, appelées redresseurs, et une rangée annulaires d’aubes mobiles 54 de rotor. Préférentiellement, chaque étage de compression comprend une rangée annulaire d’aubes fixes 56 de stator, appelées redresseurs, et une rangée annulaires d’aubes mobiles 54 de rotor. Préférentiellement, la rangée d’aubes fixes de stator et la rangée d’aubes mobiles de rotor d’un même étages sont adjacentes axialement.
Les aubes mobiles 54 sont portées par un tambour 58 commun qui est solidaire de l’arbre de soufflante 32. Les aubes fixes 56 sont solidaires les unes des autres et fixées au carter intermédiaire 40.
Comme évoqué dans ce qui précède, en cas de rupture d’une aube de soufflante 30, un balourd est produit sur l’arbre de soufflante 32, et la turbomachine est équipée de moyens de découplage qui sont destinés à limiter les effets de ce balourd sur le reste de la turbomachine.
Ces moyens de découplage comprennent en général des vis fusibles 60 agencées dans la zone Z1 de la figure 2, à savoir sur la zone de fixation du support de paliers 50, 51 au carter intermédiaire 40. La zone Z2 est une zone de fixation du support de palier 52 au carter intermédiaire 40.
La Demanderesse a constaté que, en cas de perte d’une aube de soufflante 30, des contacts non négligeables perdurent entre le rotor et le stator du compresseur 20 durant la décélération du rotor. Ces contacts tendent à rigidifier la ligne rotor et à augmenter la fréquence du mode du rotor du corps basse pression 12a.
L’invention propose des moyens de découplage, qui peuvent être combinés aux moyens de découplage de la technique antérieure, et qui permettent d’obtenir une raideur de contact négligeable au niveau du compresseur basse pression 20.
L’invention propose ainsi de rompre, par exemple dans la zone Z3, la liaison entre le stator du compresseur basse pression 20 et le carter intermédiaire 40 à l’aide de vis fusibles 62 capables de rompre en traction sous l’effort tranchant induit par les contacts du rotor sur le stator.
Le découplage n’empêchera pas les contacts entre le rotor et stator mais, le chemin d’effort étant coupé, la raideur de contact sera négligeable et les charges remontant par les paliers 46, 47 diminueront.
La figure 3 montre de manière très schématique un compresseur basse pression 20 avec ses aubes de rotor 54 et ses aubes de stator 56, ces dernières étant reliées entre elles et fixées par l’intermédiaire d’une bride annulaire 64 à une paroi 66 du carter intermédiaire 40. Les doubles flèches montrent les risques de contact entre le rotor et le stator du compresseur. L’étoile montre la zone d’implantation des vis fusibles 62, c’est-à-dire la zone de découplage sous effort tranchant.
Comme cela est schématiquement représenté à la figure 4, les moyens de découplage peuvent se résumer à une rangée annulaire de vis fusibles 62. Dans l’exemple représenté, les vis 62 sont réparties autour de l’axe longitudinal de la turbomachine et s’étendent sensiblement parallèlement à cet axe. Les vis fusibles 62 traversent des orifices de la bride 64 ainsi que des orifices alignés de la paroi 66. Les vis 62 sont configurées pour serrer axialement la bride et la paroi l’une contre l’autre. Les vis sont ici engagées axialement depuis l’amont dans les orifices de la bride et de la paroi, les vis fusibles 62 comportant des têtes 68 destinées à venir en appui sur une face radiale amont de la bride 64.
En cas de rupture d’une vis 62, elle va se diviser en deux morceaux dont l’un devrait comprendre la tête 68. Le morceau de vis comportant la tête devrait se désolidariser de l’assemblage alors que le reste de la vis pourrait rester vissé dans l’orifice de la paroi 66 du carter intermédiaire 40.
Pour éviter la perte du morceau comportant la tête 68, le mode de réalisation de la figure 5 propose de prévoir une cage 70 autour des têtes de vis 68.
Dans l’exemple représenté, les têtes 68 des vis fusibles 62 sont logées dans une cage annulaire 70 en partie portée par la paroi 66 et en partie formée sur cette paroi.
La cage 70 comprend un premier organe annulaire 72 à section axiale en L, C ou U qui est solidaire de la paroi 66 et qui s’étend radialement à l’intérieur de la bride 64. La bride est au moins partiellement engagée dans une ouverture annulaire 74 définie par le premier organe 72 et débouchant radialement vers l’extérieur. Le premier organe 72 est ici formé d’une seule pièce avec la paroi 66.
La cage 70 comprend un second organe annulaire 76 à section axiale en L, C ou U qui est solidaire de la paroi 66 et qui s’étend radialement à l’extérieur de la bride 64. Ce second organe 76 est configuré pour s’étendre en amont des têtes de vis 68 ainsi que radialement à l’intérieur et à l’extérieur de celles-ci. Le second organe 76 est ici rapporté et fixé sur la paroi 66, ici au moyen de vis 78 non fusibles. Le nombre de vis 78 est de préférence inférieur au nombre de vis 68.
Les vis 78 peuvent être remplacées par d’autres moyens de fixation comme des clips, car le second organe 76 ne forme qu’un capot.
Ces moyens de découplage à cage permettent :
- d’éviter au carter du compresseur basse pression 20 de « tomber >> du fait de sa désolidarisation avec le carter intermédiaire 40 ; la géométrie de la cage 70 permet en effet une retenue radiale et axiale du carter, une fois celui-ci désaccouplé ;
- de garantir un positionnement quasi-nominal de ce carter tout en lui permettant de se mouvoir lors des contacts rotor/stator ; le maintien du positionnement du carter permet également de ne pas perturber l’écoulement du flux secondaire ;
- de contenir les têtes de vis 68 découplées ;
- un jeu entre la cage et le carter du compresseur basse pression permet à ce dernier d’osciller de manière restreinte après découplage.
Dans la technique actuelle, les aubes du compresseur basse pression sont conçues avec la contrainte de devoir flamber à partir d’une certaine charge. Avec la présente invention, cette contrainte disparait et ouvre la voie à l’utilisation d’autres matériaux pour ces aubes.
Cette innovation permet de réduire les charges transitant dans les structures moteur lors d’un évènement de perte d’aube de soufflante, qui 10 est l’un des cas de dimensionnement majoritaire d’une turbomachine d’aéronef. Cette diminution de charge permet d’optimiser l’architecture moteur pour l’alléger et le rendre ainsi plus performant.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Turbomachine (10) d’aéronef, comportant un générateur de gaz (12) et une soufflante (14) située en amont du générateur de gaz et entourée par un carter de soufflante (16), le générateur de gaz comportant un corps haute pression (12b) et un corps basse pression (12a) qui est relié à un arbre de la soufflante (32), les corps haute et basse pression comportant des compresseurs (22, 20) entre lesquels est situé un carter intermédiaire (40) qui relie le générateur de gaz audit carter de soufflante, la turbomachine comportant en outre des moyens de découplage (60) configurés pour désolidariser l’arbre de soufflante du corps basse pression suite à une détection d’un évènement critique, caractérisée en ce que lesdits moyens de découplage comprennent des moyens fusibles (62) de fixation d’un stator du compresseur du corps basse pression au carter intermédiaire.
  2. 2. Turbomachine (10) selon la revendication 1, dans laquelle le compresseur (20) du corps basse pression (12a) comprend plusieurs étages de compression, au moins un de ces étages comportant une rangée annulaire d’aubes fixes (56) et une rangée annulaire d’aubes mobiles (54), les rangées annulaires d’aubes fixes étant solidaires les unes des autres et fixées au carter intermédiaire (40) par lesdits moyens fusibles (62).
  3. 3. Turbomachine (10) selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle lesdits moyens fusibles comprennent au moins une rangée annulaire de vis fusibles (62) qui sont réparties autour d’un axe longitudinal (A) de la turbomachine et qui s’étendent sensiblement parallèlement à cet axe.
  4. 4. Turbomachine (10) selon la revendication 3, dans laquelle les vis fusibles (62) traversent une bride annulaire (64) sensiblement radiale dudit stator et une paroi annulaire (66) sensiblement radiale dudit carter intermédiaire (40), les vis fusibles étant configurées pour serrer axialement la bride et la paroi l’une contre l’autre.
  5. 5. Turbomachine (10) selon la revendication 4, dans laquelle les vis fusibles (62) sont engagées axialement depuis l’amont dans des orifices de la bride (64) et de la paroi (66), les vis fusibles comportant des têtes (68) destinées à venir en appui sur une face radiale amont de ladite bride.
  6. 6. Turbomachine (10) selon la revendication 5, dans laquelle les têtes des vis fusibles (62) sont logées dans une cage annulaire (70) portée par et/ou formée sur ladite paroi (66), la cage étant configurée pour retenir les têtes de vis (68) en cas de découplage dudit stator dudit carter intermédiaire (40).
  7. 7. Turbomachine (10) selon la revendication 6, dans laquelle ladite cage (70) comprend un premier organe annulaire (72) à section axiale en L, C ou U qui est solidaire de ladite paroi (66) et qui s’étend radialement à l’intérieur de ladite bride (64) qui est au moins partiellement engagée dans une ouverture annulaire (74) définie par ledit premier organe et débouchant radialement vers l’extérieur.
  8. 8. Turbomachine (10) selon la revendication 6 ou 7, dans laquelle ladite cage (70) comprend un second organe annulaire (76) à section axiale en L, C ou U qui est solidaire de ladite paroi (66) et qui s’étend radialement à l’extérieur de ladite bride (64), ce second organe étant configuré pour s’étendre en amont desdits têtes de vis (68) ainsi que radialement à l’intérieur et à l’extérieur de celles-ci.
  9. 9. Turbomachine (10) selon la revendication 7 ou 8, dans laquelle au moins un desdits premier et second organes (72, 76) est rapporté et fixé sur ladite paroi (66).
  10. 10. Turbomachine (10) selon l’une des revendications 7 à 9, dans laquelle au moins une desdits premier et second organes (72, 76) est formé d’une seule pièce avec ladite paroi (66).
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