FR3106153A1 - Dispositif pour le désengagement de turbine en survitesse de turbomachine - Google Patents

Dispositif pour le désengagement de turbine en survitesse de turbomachine Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un ensemble pour turbine (10) de turbomachine d’axe longitudinal (A-A) comprenant :- un disque rotor (12) de turbine centré sur l’axe longitudinal, - un arbre (14) de turbine centré sur l’axe longitudinal et entrainé en rotation par le disque rotor, - des premiers moyens de transmission de couple du disque rotor à l’arbre, le disque rotor étant bloqué en translation par rapport à l’arbre dans la direction de l’axe longitudinal par un organe vissé (22) sur ledit arbre, et - des seconds moyens de transmission de couple du disque rotor à l’organe vissé, dans lequel l’organe vissé présente un sens de dévissage identique au sens de rotation du disque rotor en fonctionnement et les seconds moyens de transmission de couple sont configurés pour transmettre le couple de rotation du disque rotor vers l’organe vissé lorsque les premiers moyens de transmission de couple cessent de transmettre le couple du disque rotor à l’arbre. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 2

Description

Dispositif pour le désengagement de turbine en survitesse de turbomachine
Domaine technique de l’invention
L’invention concerne un ensemble pour turbine de turbomachine.
L’invention vise plus spécifiquement un ensemble pour turbine de turbomachine comprenant pour désengager la turbine en cas de survitesse.
Etat de la technique antérieure
Dans une turbomachine une soufflante est entrainée en rotation par une turbine ayant un disque rotor muni d’aubes mobile et reliée à un compresseur basse pression. En cas de rupture d’un arbre reliant la soufflante à la turbine, le couple résistant sur la turbine est brusquement annulé alors que le flux de gaz moteur continue à transmettre de l’énergie au disque rotor. Ceci provoque une augmentation incontrôlée de la vitesse de rotation du ou des disques rotor et donc un risque d’éclatement provoquant la libération de débits à haute énergie. La turbine est dans ce cas en «survitesse».
On connait EP1640564 qui propose un dispositif utilisant le déplacement en aval de la turbine pour limiter la survitesse de la turbine. Le dispositif comprend des moyens de destruction des aubes mobiles agencés dans des aubes aval de stator de la turbine. Cependant, le déplacement en aval du disque rotor peut être empêché par des moyens de fixation en translation de la turbine par rapport à son axe de rotation. En conséquence, les aubes mobiles ne sont pas endommagées par les moyens de destruction. De tels dispositifs manquent donc d’efficacité et de fiabilité pour limiter la survitesse.
Présentation de l’invention
Un des buts de l’invention est d’assurer le déplacement en aval de la turbine en cas de rupture de l’arbre afin qu’une rangée annulaire d’aubes mobiles vienne en contact avec une rangée annulaire d’aube de stator permettant ainsi une destruction de la rangée annulaire d’aubes mobiles par la rangée annulaire d’aubes de stator, freinant la turbine.
Un autre but de l’invention est de limiter la survitesse de la turbine en cas de rupture de l’arbre de façon fiable et efficace.
A cet effet, l’invention propose un ensemble pour turbine de turbomachine d’axe longitudinal comprenant:
- un disque rotor de turbine centré sur l’axe longitudinal,
- un arbre de turbine centré sur l’axe longitudinal et entrainé en rotation par le disque rotor,
- des premiers moyens de transmission de couple du disque rotor à l’arbre, le disque rotor étant bloqué en translation par rapport à l’arbre dans la direction de l’axe longitudinal par un organe vissé sur ledit arbre, et
- des seconds moyens de transmission de couple du disque rotor à l’organe vissé,
dans lequel l’organe vissé présente un sens de dévissage identique au sens de rotation du disque rotor en fonctionnement et les seconds moyens de transmission de couple sont configurés pour transmettre le couple de rotation du disque rotor vers l’organe vissé lorsque les premiers moyens de transmission de couple cessent de transmettre le couple du disque rotor à l’arbre.
L’invention est avantageuse en ce que l’organe vissé présente un sens de dévissage identique au sens de rotation de sorte que les seconds moyens de transmission provoquent le dévissage de l’organe vissé lorsque les premiers moyens de transmission de couple cessent de transmettre le couple du disque rotor à l’arbre. En conséquence, la turbine n’est plus retenue dans la direction axiale et peut reculer, causant ainsi la destruction de ses aubes mobiles contre un stator de la turbomachine. Ceci empêche la turbine de partir en survitesse, les aubes mobiles détruites ne lui fournissant plus d’énergie. L’invention assure donc une limitation de la survitesse de la turbine de façon fiable et efficace en cas de perte de la transmission de puissance de l’arbre au disque rotor.
Selon un mode de réalisation, les premiers moyens de transmission de couple peuvent comprendre des premières cannelures longitudinales formées sur l’arbre et réparties circonférentiellement autour de l’axe longitudinal et des secondes cannelures longitudinales en prise avec les premières cannelures et formées dans une face annulaire interne du disque rotor.
Les premiers moyens de transmission de couple peuvent cesser de transmettre le couple du disque rotor à l’arbre en cas de cassure ou de détérioration des premières et/ou deuxièmes cannelures.
Les seconds moyens de transmission de couple peuvent comprendre un anneau centré sur l’axe longitudinal et comprenant des premiers tenons coopérant avec des logements formés dans l’organe vissé et des seconds tenons coopérant avec des logements formés dans le disque rotor.
Les premiers tenons permettent d’entrainer l’organe vissé en rotation lorsque l’anneau est entrainé en rotation par le disque rotor à travers les seconds tenons, par exemple lorsque les premiers moyens de transmission de couple cessent de transmettre le couple du disque rotor à l’arbre.
Dans un mode de réalisation, le jeu circonférentiel entre les premières cannelures et les secondes cannelures peut être inférieur à la somme du jeu circonférentiel entre les seconds tenons et le disque rotor et du jeu circonférentiel entre les premiers tenons et l’organe vissé.
Ainsi, la transmission de la rotation du disque rotor vers l’arbre est privilégiée et l’organe vissé n’est pas entrainé en rotation lorsque les premiers moyens de transmission sont aptes à transmettre la rotation du disque rotor à l’arbre.
Selon un mode de réalisation, l’anneau peut comprendre une partie annulaire, les premiers tenons s’étendant vers l’amont et les seconds étant agencés en aval des premiers tenons.
En outre, l’un au moins des premiers tenons et des seconds tenons peut comprendre des portions arrondies concave de raccordement à la partie annulaire. Ceci permet une meilleure tenue mécanique de l’anneau.
Les seconds tenons peuvent s’étendre principalement dans la direction de l’axe longitudinal. Les seconds tenons peuvent s’étendre vers l’aval dans la direction de l’axe longitudinal.
Les seconds tenons peuvent s’étendre principalement dans une direction radiale perpendiculaire à l’axe longitudinal.
Le nombre des seconds tenons peut être supérieur au nombre de logements du disque rotor.
Le nombre des premiers tenons peut être supérieur au nombre de logements de l’organe vissé.
Un nombre de tenons supérieur au nombre de logements permet de faciliter le montage serré de l’anneau d’une part avec le disque rotor et d’autre part avec l’organe vissé.
Le nombre des seconds tenons peut être inférieur au nombre des premiers tenons.
L’anneau peut être monté de différente façon. Par exemple, l’anneau peut être monté autour de l’organe vissé. L’anneau peut être bloqué en translation vers l’aval par un jonc d’arrêt monté dans une rainure de l’organe vissé.
Selon un mode de réalisation, un espace annulaire peut être ménagé immédiatement en aval de l’organe vissé. L’espace annulaire peut avoir une dimension longitudinale supérieure ou égale à une distance longitudinale entre des aubes mobiles reliées au disque rotor et des aubes de stator immédiatement en aval de la turbine.
Ainsi, la turbine peut reculer d’une distance suffisante pour que les aubes de stator entrent en contact avec des aubes reliées au disque rotor.
L’arbre peut être relié à un compresseur basse pression de la turbomachine.
Selon un autre aspect, l’invention propose une turbine, telle qu’une turbine basse pression, comprenant l’ensemble précité.
Selon un mode de réalisation, la turbine peut s’étendre autour d’un axe longitudinal, et comprendre un stator et un rotor monté rotatif dans le stator. Le rotor peut comprendre un ensemble tel que précité, l’anneau pouvant être bloqué en translation vers l’aval par un jonc d’arrêt monté dans une rainure de l’organe vissé.
Un espace annulaire peut être ménagé immédiatement en aval de l’organe vissé, ledit espace annulaire ayant une dimension longitudinale supérieure ou égale à une distance longitudinale entre des aubes mobiles reliées au disque rotor et des aubes de stator situées immédiatement en aval des aubes mobiles.
Selon un autre aspect, l’invention propose une turbomachine, telle qu’un turboréacteur d’avion, équipée de l’ensemble précité.
Brève description des figures
la figure 1 représente une vue partielle en coupe d’une turbine d’une turbomachine.
la figure 2 représente une vue partielle en couple d’un premier exemple de l’ensemble selon l’invention.
la figure 3 représente une vue en perspective du premier exemple de l’ensemble selon l’invention.
la figure 4a et la figure 4b représentent respectivement un premier exemple d’un anneau selon l’invention et un deuxième exemple d’un anneau selon l’invention.
la figure 5 représente un exemple d’un ensemble selon l’invention équipé de l’anneau de la figure 4a.
la figure 6 représente un exemple d’un ensemble selon l’invention équipé de l’anneau de la figure 4b.
Description détaillée de l’invention
En référence aux figures 1 à 3, la turbine 10 comprend une pluralité d’aubes de stator 24 reliées à un carter 20 fixe et une pluralité d’aubes mobiles 26 reliées à un disque rotor 12 rotatif autour d’un axe longitudinal de rotation A-A. Chacune des aubes de stator 24 est équipée d’une protubérance 28 bombée orientée vers l’amont depuis une plateforme interne, cette protubérance est conformée pour cisailler les aubes mobiles 26 lorsqu’elles entrent en contact avec les protubérances. En particulier, la protubérance 28 est bombée en présentant une surface convexe de l’aube 24 orientée vers l’amont.
Le disque rotor 12 est agencé pour entrainer en rotation un arbre 14 de la turbine 10. Par exemple, l’arbre 14 peut être relié à un compresseur basse pression d’une turbomachine équipée par la turbine 10. Le disque rotor 12 comprend une partie annulaire agencée autour de l’arbre 14 et comprend sur une face intérieure, c’est-à-dire orientée radialement vers l’intérieure, des cannelures 16 distribuées circonférentiellement autour de l’axe de rotation A-A. Les cannelures 16 s’étendent sur une partie longitudinale de la face intérieure du disque rotor 12. L’arbre 14 comprend sur sa face extérieure des cannelures 18, distribuées circonférentiellement autour de l’axe de rotation A-A, et en prise avec les cannelures 16 du disque rotor 12 pour la transmission du couple de ce dernier vers l’arbre 14. Les cannelures 18 s’étendent sur une partie longitudinale de l’arbre 14.
Le disque rotor 12 est maintenu en translation dans la direction de l’axe de rotation A-A par un écrou 22 vissé sur l’arbre 14 et venant en butée contre une collerette 30 du disque rotor 12. L’écrou 22 est monté sur l’arbre 14 de sorte que son sens de dévissage est identique au sens de rotation de la turbine 10. A cet effet, un filetage est prévu dans l’arbre 14 pour assurer un tel sens de dévissage.
En cas de rupture de l’arbre 14 ou de la liaison entre l’arbre 14 et le disque rotor 14, la turbine 10 risque de passer en survitesse incontrôlée du fait de l’entrainement en rotation des aubes mobiles par les gaz chauds issues d’une chambre de combustion amont. Afin de limiter la survitesse, les protubérances 28, bombées des aubes de stator 24 sont agencées pour cisailler et plumer les aubes mobiles 26 pour réduire voire annuler l’énergie reçue par la turbine 10. Ces protubérances sont formées au niveau du bord d’attaque des aubes. Plus particulièrement, le bord d’attaque de chaque aube comprend ainsi une surface convexe.
Pour assurer que les protubérances 28 entrent en contact avec les aubes mobiles 24, la turbine comprend un anneau 32 configuré pour dévisser l’écrou 22 en cas de détérioration de l’arbre 14 libérant ainsi le disque rotor 12 en translation dans la direction de l’axe de rotation A-A.
L’anneau 32 est annulaire et agencé entre l’écrou 22 et le disque rotor 12. L’anneau 32 comprend des premiers tenons 34, répartis circonférentiellement autour de l’axe de rotation A-A, en prise avec des logements prévus dans l’arbre 14. L’anneau 32 comprend aussi des seconds tenons 36, répartis circonférentiellement autour de l’axe de rotation A-A, en prise avec des logements prévus dans le disque rotor 12.
Lorsque l’arbre 14 se rompt ou les cannelures 16 et les cannelures 18 sont désengagées l’une de l’autre, l’anneau 32 transmet la rotation du disque rotor 12 vers l’écrou 22. Ainsi, l’écrou 22 est dévissé par la rotation de la turbine 10 ce qui libère la turbine 10 en translation. La turbine 10 se déplace vers l’aval suivant l’axe de rotation A-A, ce qui cause le cisaillement des aubes mobiles 26 par les protubérances 28 des aubes de stator 24 aval audites aubes mobiles 26.
La turbine 10 comprend un espace en aval de l’écrou 22 ayant une longueur supérieure à la distance entre les protubérances 28 des aubes de stator 24 et les aubes mobiles 26. Par exemple, la longueur dudit espace peut être supérieure ou égale à deux fois ladite distance.
Le jeu circonférentiel entre les cannelures 16 du disque rotor 12 et les cannelures 18 de l’arbre 14 peut être inférieur à la somme du jeu circonférentiel entre les seconds tenons 36 et le disque rotor 12 et du jeu circonférentiel entre les premiers tenons 34 et l’écrou 22.
En outre, un jonc d’arrêt 38 annulaire est agencé en aval de l’anneau 32 dans un emplacement prévu dans l’écrou 22 et en saillie dans la direction radiale en s’éloignant de l’écrou 22. Le jonc d’arrêt 38 permet de maintenir l’anneau 32 fixe en translation dans la direction de l’axe de rotation A-A.
La figure 4a et la figure 5 représentent un premier exemple de réalisation d’un anneau 100 qui peut être installé dans la turbine 10 des figures 1-3. L’anneau 100 comprend une partie annulaire 102, par exemple ayant un rayon supérieur au rayon externe de l’écrou 22. L’anneau 100 comprend d’une part des premiers tenons 104 et d’autre part des seconds tenons 106. Les premiers tenons 104 s’étendent vers l’amont dans la direction de l’axe de rotation A-A depuis la partie annulaire 102 et sont en prise avec des logements prévus dans l’écrou 22. De la même façon, les seconds tenons 106 s’étendent vers l’aval depuis la partie annulaire 102 dans la direction de l’axe de rotation A-A et sont en prise avec des logements prévus dans le disque rotor 12.
Le nombre des premiers tenons 104 est inférieur au nombre de logements de l’écrou 22 et le nombre des seconds tenons 106 est inférieur au nombre de logements du disque rotor 12. Ainsi, le montage de l’anneau 100 d’une part dans le disque rotor 12 et d’autre part dans l’écrou 22 est facilité. Par exemple, le nombre de logements de l’écrou 22 peut être égal à ou supérieur à deux fois le nombre des premiers tenons 104. Le nombre de logements du disque rotor 12 peut être égal à deux fois le nombre des seconds tenons 106. En outre, le nombre des premiers tenons 104 peut être inférieur au nombre des seconds tenons 106.
Chacun des premiers tenons 104 présente un raccord arrondi avec la partie annulaire 102. De façon similaire, chacun des seconds tenons 106 présente un raccord arrondi avec la partie annulaire 102. Ainsi, la tenue mécanique de l’anneau 32 est améliorée.
L’anneau 100 présente en outre un épaulement annulaire 108 porté par la partie annulaire 102 et délimité par les premiers tenons 10, cet épaulement 108 ventant en butée vers l’amont sur un épaulement annulaire de l’écrou 22.
L’anneau 100 peut être fabriqué dans un matériau identique au matériau de l’écrou 22 et/ou du disque rotor 12.
La figure 4b et la figure 6 représentent un deuxième exemple de réalisation d’un anneau 200 qui peut être installé dans la turbine 10 des figures 1-3. L’anneau 200 comprend une partie annulaire 202, par exemple ayant un rayon supérieur au rayon externe de l’écrou 22. L’anneau 200 comprend d’une part des premiers tenons 204 et d’autre part des seconds tenons 206. Les premiers tenons 204 s’étendent dans la direction de l’axe de rotation A-A et sont en prise avec des logements prévus dans l’écrou 22. De la même façon, les seconds tenons 206 s’étendent dans la direction de l’axe de rotation A-A et sont en prise avec des logements prévus dans le disque rotor 12.
Le nombre des premiers tenons 204 est inférieur au nombre de logements de l’écrou 22 et le nombre des seconds tenons 206 est inférieur au nombre de logements du disque rotor 12. Ainsi, le montage de l’anneau 200 d’une part dans le disque rotor 12 et d’autre part dans l’écrou 22 est facilité. Par exemple, le nombre de logements de l’écrou 22 peut être égal à ou supérieur à deux fois le nombre des premiers tenons 204. Le nombre de logements du disque rotor 12 peut être égal à deux fois le nombre des seconds tenons 206. En outre, le nombre des premiers tenons 204 peut être inférieur au nombre des seconds tenons 206.
Chacun des premiers tenons 204 présente un raccord arrondi avec la partie annulaire 102. De façon similaire, chacun des seconds tenons 106 présente un raccord arrondi avec la partie annulaire 202. Ainsi, la tenue mécanique de l’anneau 32 est améliorée.

Claims (11)

  1. Ensemble pour turbine (10) de turbomachine d’axe longitudinal (A-A) comprenant:
    - un disque rotor (12) de turbine centré sur l’axe longitudinal,
    - un arbre (14) de turbine centré sur l’axe longitudinal et entrainé en rotation par le disque rotor,
    - des premiers moyens de transmission de couple du disque rotor (12) à l’arbre (14), le disque rotor (12) étant bloqué en translation par rapport à l’arbre (14) dans la direction de l’axe longitudinal par un organe vissé (22) sur ledit arbre (14), et
    - des seconds moyens de transmission de couple du disque rotor (12) à l’organe vissé (22),
    dans lequel l’organe vissé (22) présente un sens de dévissage identique au sens de rotation du disque rotor (12) en fonctionnement et les seconds moyens de transmission de couple sont configurés pour transmettre le couple de rotation du disque rotor (12) vers l’organe vissé (22) lorsque les premiers moyens de transmission de couple cessent de transmettre le couple du disque rotor (12) à l’arbre (14).
  2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel les premiers moyens de transmission de couple comprennent des premières cannelures longitudinales (18) formées sur l’arbre (14) et réparties circonférentiellement autour de l’axe longitudinal (A-A) et des secondes cannelures longitudinales (16) en prise avec les premières cannelures et formées dans une face annulaire interne du disque rotor (12).
  3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les seconds moyens de transmission de couple comprennent un anneau (32,100,200) centré sur l’axe longitudinal (A-A) et comprenant des premiers tenons (34,104,204) coopérant avec des logements formés dans l’organe vissé (22) et des seconds tenons (36,106,206) coopérant avec des logements formés dans le disque rotor (12).
  4. Ensemble selon les revendications 2 et 3, dans lequel le jeu circonférentiel entre les premières cannelures (18) et les secondes cannelures (16) est inférieur à la somme du jeu circonférentiel entre les seconds tenons (36) et le disque rotor (12) et du jeu circonférentiel entre les premiers tenons (34) et l’organe vissé (22).
  5. Ensemble selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l’anneau (100,200) comprend une partie annulaire (102,202), les premiers tenons (104,204) s’étendant vers l’amont et les seconds tenons (106,206) étant agencés en aval des premiers tenons, l’un au moins des premiers tenons et des seconds tenons comprend des portions arrondies concave de raccordement à la partie annulaire.
  6. Ensemble selon l’une des revendications 3 à 5, dans lequel les seconds tenons (106) s’étendent principalement dans la direction de l’axe longitudinal (A-A), ou s’étendent principalement dans une direction radiale perpendiculaire à l’axe longitudinal (A-A).
  7. Ensemble selon l’une des revendications 3 à 6, dans lequel le nombre des seconds tenons (36,106,206) est inférieur au nombre des premiers tenons (34,104,204).
  8. Ensemble selon l’une des revendications 3 à 7, dans lequel l’anneau (32,100,200) est monté autour de l’organe vissé (22).
  9. Turbine s’étendant autour d’un axe longitudinal (A-A), comprenant un stator et un rotor monté rotatif dans le stator, le rotor comprenant un ensemble selon l’une des revendications 3 à 8, dans lequel l’anneau (22) est bloqué en translation vers l’aval par un jonc d’arrêt (38) monté dans une rainure de l’organe vissé (22).
  10. Turbine selon la revendication 9, dans lequel un espace annulaire est ménagé immédiatement en aval de l’organe vissé (22), ledit espace annulaire ayant une dimension longitudinale supérieure ou égale à une distance longitudinale entre des aubes mobiles (26) reliées au disque rotor (12) et des aubes de stator (24) situées immédiatement en aval des aubes mobiles (26).
  11. Turbomachine, telle qu’un turboréacteur d’avion, caractérisée en qu’elle est équipée d’un ensemble selon l’une des revendications 1 à 10 ou équipée d’une turbine selon la revendication 9 ou 10.
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