FR3109401A1

FR3109401A1 - Turbomachine d’aeronef equipee de vis fusibles

Info

Publication number: FR3109401A1
Application number: FR2003834A
Authority: FR
Inventors: Alexandre MOREIRAS Mickaël; Florian GARNIER; Quentin COCHARD; Adrien CABUT; Romuald Gentils
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2020-04-16
Filing date: 2020-04-16
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2040-04-16
Also published as: FR3109401B1

Abstract

Turbomachine (1) d’aéronef, comportant une soufflante (2) reliée par un arbre (10) à un rotor (13) d’une turbine (7), le rotor (13) de la turbine (7) comportant des roues aubagées (14) reliées entre elles et à un tourillon (17) solidaire en rotation dudit arbre (10), les roues aubagées (14) étant reliées au tourillon (17) par un organe de liaison (18) qui est fixé par des vis (19) au tourillon (17), ces vis (19) s’étendant sensiblement parallèlement à un axe de rotation de l’arbre (10), caractérisée en ce qu’au moins une desdites vis (19) est fusible et configurée pour se rompre lorsqu’elle est soumise à un effort de cisaillement supérieur à un seuil prédéterminé. Figure d’abrégé : Figure 2

Description

TURBOMACHINE D’AERONEF EQUIPEE DE VIS FUSIBLES

Domaine technique de l'invention

L’invention concerne le domaine des turbomachines d’aéronef.

Arrière-plan technique

De manière bien connue, une turbomachine d’aéronef, telle qu’un turboréacteur double corps, comprend un moteur ou générateur de gaz typiquement composé d’amont en aval dans le sens d’écoulement des gaz, d’une soufflante munie d’aubes permettant l’aspiration d’un flux d’air, d’un compresseur basse pression et d’un compresseur haute pression permettant de comprimer le flux d’air. Le flux d’air ainsi comprimé est dirigé vers au moins une chambre de combustion dans laquelle il est mélangé à un carburant et brulé. Les gaz formés dans la chambre de combustion traversent alors une turbine haute pression et une turbine basse pression situées en aval de la chambre de combustion et qui permettent d’entrainer la série de compresseurs. Les gaz formés s’échappent enfin au travers d’une tuyère dont la section permet l’accélération de ces gaz pour générer de la propulsion.

La soufflante est entrainée par un arbre basse pression. L’arbre basse pression est soutenu par un premier palier en aval de la soufflante et un deuxième palier en aval du premier palier. Le premier palier est soutenu par un premier support palier s’étendant du premier palier jusqu’à un carter intermédiaire auquel le premier support palier est relié par une liaison. Le deuxième palier est également porté par un second support palier relié au carter intermédiaire par une seconde liaison.

Lorsqu’une aube de la soufflante se rompt, un balourd se produit sur l’arbre basse pression ce qui génère des efforts importants sur l’arbre. Ces efforts sont particulièrement importants pour les turbomachines pour lesquelles le rayon de la soufflante est grand. Pour limiter ces efforts et réduire le risque d’endommagement des turbomachines, notamment en cas de rupture d’une aube, le document FR-A1-2 845 126 propose une turbomachine dans laquelle l’organe de liaison liant le premier support de palier et le carter intermédiaire est un organe de liaison fusible destiné à se rompre lorsque les efforts de traction sur l’organe de liaison sont supérieurs à un seuil déterminé. La rupture de l’organe de liaison permet alors de désolidariser le carter intermédiaire de l’arbre basse pression et donc de limiter les efforts dans les pièces stator de la turbomachine.

Une telle solution permet par conséquent de réduire les efforts qui s’exercent sur les pièces stator de la turbomachine et d’améliorer les performances globales de la turbomachine en allégeant par exemple la structure de la turbomachine et sa masse globale. Cependant, cette solution s’avère insuffisante car les efforts sur l’arbre basse pression peuvent rester importants.

En effet, en aval de la soufflante, la turbine basse pression comprend un rotor comportant des roues aubagées. Un tourillon relie l’arbre basse pression aux roues aubagées par l’intermédiaire d’un organe de liaison.

En cas de rupture d’une aube de la soufflante, un couple de torsion dans l’arbre basse pression, résultant de l’opposition entre le couple de frottement de la soufflante, orbitant fortement du fait du balourd significatif créé par la perte d’une de ses aubes, sur le carter entourant la soufflante, et le couple généré par la turbine basse pression qui continue à entrainer l’arbre tournant basse pression, apparait quasi instantanément après la rupture de l’aube. Ce couple de torsion constitue le chargement mécanique maximal auquel l’arbre basse pression doit résister. Au-delà de ce couple, les risques d’endommagement des turbomachines sont importants.

La présente invention a donc pour objectif de remédier aux inconvénients ci-dessus afin d’améliorer les performances globales de la turbomachine et de réduire les risques d’endommagement de la turbomachine, notamment en cas de rupture d’une aube de soufflante.

A cet effet, l’invention propose une turbomachine d’aéronef, comportant une soufflante reliée par un arbre à un rotor d’une turbine, le rotor de la turbine comportant des roues aubagées reliées entre elles et à un tourillon solidaire en rotation dudit arbre, les roues aubagées étant reliées au tourillon par un organe de liaison qui est fixé par des vis au tourillon, ces vis s’étendant sensiblement parallèlement à un axe de rotation de l’arbre. La turbomachine se distingue en ce qu’au moins une desdites vis est fusible et configurée pour se rompre lorsqu’elle est soumise à un effort de cisaillement supérieur à un seuil prédéterminé

Grâce à l’invention, lorsque le couple sur l’arbre devient supérieur à un seuil prédéterminé, notamment suite à la rupture d’une aube de soufflante qui créé un balourd sur l’arbre et un couple de torsion pré-déterminé, un effort de cisaillement supérieur à la résistance mécanique des vis est transmis aux vis. Cet effort de cisaillement va provoquer la rupture des vis et donc la désolidarisation de la turbine de l’arbre. L’arbre n’étant plus soumis au couple de la turbine, le couple de torsion s’appliquant sur celui-ci est ainsi réduit.

La turbomachine selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :

- l’organe de liaison comprend une bride annulaire interne de fixation au tourillon, cette bride comportant des premiers orifices alignés avec des seconds orifices d’une bride annulaire interne du tourillon, ces premiers et seconds orifices étant traversés par lesdites vis,

- la bride annulaire interne de l’organe de liaison comprend une surface cylindrique externe de centrage configurée pour coopérer avec une surface cylindrique interne complémentaire du tourillon 17,

- le tourillon comprend un rebord cylindrique définissant la surface cylindrique interne, le rebord cylindrique étant configuré pour entourer au moins en partie la bride annulaire interne de l’organe de liaison et étant configuré pour retenir radialement l’organe de liaison vers l’extérieur en cas de rupture desdites vis,

- la bride annulaire interne de l’organe de liaison comprend une surface cylindrique interne de centrage configurée pour coopérer avec une surface cylindrique externe complémentaire du tourillon ou d’un élément rapporté sur le tourillon,

- l’élément rapporté sur le tourillon est une virole annulaire dont au moins une partie porte des léchettes d’un joint d’étanchéité à labyrinthe et dont une autre partie forme ladite surface externe et est intercalée radialement entre la bride annulaire interne de l’organe de liaison et la bride annulaire interne du tourillon,

- la virole annulaire présente une forme générale en U et comprend deux parties cylindriques s’étendant l’une autour de l’autre et portant les léchettes du joint d’étanchéité à labyrinthe, et une partie médiane de liaison des parties cylindriques et qui comprend des orifices traversés par lesdites vis,

- la partie médiane de liaison comprend un rebord annulaire intercalé entre la bride annulaire interne et la bride annulaire interne du tourillon, le rebord annulaire présentant ladite surface externe,

- un joint annulaire d’étanchéité est intercalé radialement entre la virole et le tourillon, et par exemple entre le rebord annulaire et le tourillon,

- les vis sont situées sensiblement au droit d’une extrémité aval du rotor dans le sens d’écoulement des gaz, et en particulier de la roue la plus aval de ce rotor.

Brève description des figures

D’autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui suit d’un mode de réalisation non limitatif de l’invention en référence aux dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 est une demi vue schématique d’une turbomachine selon l’invention ;

la figure 2 est une demi vue schématique partielle d’une turbine équipant la turbomachine selon l’invention ;

la figure 3 est une vue à plus grande échelle d’une partie de la figure 2.

Description détaillée de l'invention

Un exemple de turbomachine 1 d’aéronef est représenté sur la figure 1. La turbomachine 1 comprend un moteur à turbine à gaz s’étendant le long d’un axe X.

Le moteur présente d’amont en aval dans le sens d’écoulement des gaz F le long de l’axe X, une soufflante 2, au moins un compresseur tel qu’un compresseur basse pression 3 et un compresseur haute pression 4, une chambre annulaire de combustion 5, au moins une turbine telle qu’une turbine haute pression 6 et une turbine basse pression 7, et une tuyère 8.

La soufflante 2 permet l’aspiration d’un flux d’air. Elle est formée d’une pluralité d’aubes 20 entrainées en rotation par un arbre 10 dont l’axe est parallèle à l’axe X de la turbomachine 1. La soufflante est entourée par un carter de rétention 11 qui assure la rétention des aubes en cas de rupture notamment. Le carter de rétention 11 présente un corps annulaire dont la surface interne est revêtue d’une couche de matériau abradable. Cette couche permet de réduire l’usure des aubes 20 de la soufflante lors d’un frottement entre les aubes 20 et le carter 11 de la soufflante.

La turbine est reliée à la soufflante 2 par l’arbre 10. Dans l’exemple particulier de la figure 1, la turbine basse pression 7 est reliée à la soufflante 2 et au compresseur basse pression 3 par l’arbre 10, qu’on appellera dans la suite de la description arbre basse pression 10. L’arbre basse pression 10 est libre en rotation autour de son axe.

La turbine haute pression 6 est quant à elle reliée au compresseur haute pression 4 par un arbre haute pression 9. L’arbre basse pression 10 est agencé à l’intérieur de l’arbre haute pression 9 de manière coaxiale et s’étend le long de l’axe X.

La turbine basse pression 7 est formée d’un rotor 13 comportant des roues aubagées 14 reliées entre elles. Le rotor 13 est entrainé en rotation par l’arbre basse pression 10 autour de l’axe X.

Par exemple, le rotor 13 de la turbine basse pression 7 comprend une série de roues munies d’aubes, chaque roue présentant une bride annulaire fixée à la bride annulaire d’une roue adjacente au moyen de boulons (non représenté).

Comme représenté sur la figure 2, le rotor 13 est fixé à un tourillon 17 solidaire en rotation d’une extrémité aval de l’arbre basse pression 10. Le tourillon 17 est par exemple solidarisé à l’arbre basse pression 10 au moyen de cannelures externes formées sur la surface externe de l’arbre basse pression 10 (non représentées) et engagées dans des cannelures internes complémentaires du tourillon 17. Dans un autre exemple, le tourillon 17 et l’arbre basse pression 10 forment une même pièce.

Le tourillon 17 permet de relier l’arbre basse pression 10 au rotor 13 de la turbine basse pression 7. Plus particulièrement, le tourillon 17 est relié aux roues aubagées 14 par un organe de liaison 18 qui est fixé par des vis 19 au tourillon 17.

Comme représenté sur les figures 2 et 3, l’organe de liaison 18 présente un bras 18a s’étendant transversalement par rapport à l’axe X de la turbomachine 1 et une bride annulaire interne 18b à la périphérie interne du bras 18a. La bride annulaire 18b comprend des premiers orifices axiaux 18c de préférence régulièrement répartis sur la circonférence de la bride annulaire 18b.

Le tourillon 17 présente un corps 17a s’étendant à partir de l’arbre basse pression 10 et comportant à son extrémité une bride annulaire 17b. Plus particulièrement, la bride annulaire interne 17b du tourillon 17 comprend des seconds orifices axiaux 17c alignés avec les premiers orifices 18c. Ces orifices 18c, 17c sont traversés par les vis 19 pour fixer les brides 17b et 18b.

La bride annulaire interne 18b de l’organe de liaison 18 coopère ainsi avec la bride annulaire 17b du tourillon 17.

Préférentiellement, la bride 18b de l’organe de liaison 18 est située en amont de la bride 17b du tourillon 17 dans le sens d’écoulement des gaz F.

Les vis 19 s’étendent selon un axe d’allongement Y parallèle à l’axe X.

Selon l’invention, au moins une des vis 19 est fusible et configurée pour se rompre lorsqu’elle est soumise à un effort de cisaillement supérieur à un seuil prédéterminé. La rupture de la vis 19 fusible induit une répartition des efforts dans l’ensemble des vis 19 provoquant la rupture desdites vis 19. Ainsi, lorsqu’une seule des vis 19 est fusible, alors l’ensemble des vis 19 est tout de même rompu compte tenu des efforts exercés sur les vis 19 non fusibles.

Par ailleurs, la bride 18b de l’organe de liaison 18 étant préférentiellement située en amont de la bride 17b du tourillon 17, permet d’éviter le recul du rotor 13 suite à la rupture des vis 19.

Selon un mode préféré, au moins deux des vis 19 ou l’ensemble des vis 19 sont fusibles et configurées pour se rompre lorsqu’elles sont soumises à un effort de cisaillement supérieur à un seuil prédéterminé.

La résistance mécanique en cisaillement de la vis 19 fusible est déterminée en fonction du seuil de couple à partir duquel une désolidarisation du rotor 13 et de l’arbre basse pression 10 est souhaitée et pourra être calculée au cas par cas par l’homme de l’art. La résistance mécanique de la vis fusible prend en compte notamment la température de la turbomachine 1, la fatigue thermique de la vis 19 fusible liée aux variations thermiques répétées au sein de la turbomachine 1 et la fatigue mécanique liée aux variations de couple dans la turbomachine 1. Préférentiellement, les vis 19 fusibles sont situées au droit de l’extrémité aval du rotor 13 dans le sens d’écoulement des gaz F. Les vis 19 fusibles sont par exemple situées au droit de la roue la plus aval du rotor 13.

Comme visible sur la figure 3, les vis 19 présentent une tête de vis 20 prenant appui sur une surface de la bride 18b de l’organe de liaison 18. Les vis 19 présentent une extrémité filetée opposée à la tête de vis 20 sur laquelle est monté un écrou 21. L’écrou 21 prend appui sur une surface de la bride 17b du tourillon 17. Optionnellement, une rondelle 22 est agencée entre l’écrou 21 et la surface extérieure de la bride 17b du tourillon 17.

Lorsqu’il y a rupture des vis 19 fusibles, les brides 17b, 18b ne sont plus fixées ensemble mais la bride 18b de l’organe de liaison 18 est maintenue en butée axiale contre la bride 17b du tourillon 17 grâce à la trainée du rotor 13 pendant la décélération de la turbomachine 1.

Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, la bride annulaire 17b du tourillon présente un rebord cylindrique 171 qui entoure au moins en partie la bride annulaire 18b de l’organe de liaison 18. Le rebord externe 171 forme une surface cylindrique interne complémentaire 172 sur laquelle prend appui radialement une surface externe de centrage 181 de la bride annulaire 18b. Ainsi, lors d’une rupture des vis 19 entrainant une désolidarisation du rotor 13 et de l’arbre basse pression 10, le rebord cylindrique 171 de la bride annulaire 17b du tourillon 17 retient radialement l’organe de liaison 18. Ceci permet d’augmenter la sécurité de la turbomachine 1 en cas de rupture de l’aube 20.

Comme représenté sur la figure 3, la bride annulaire 18b de l’organe de liaison 18 comprend une surface interne de centrage 182 configurée pour coopérer avec une surface externe complémentaire 234 de la bride 17b du tourillon 17 ou d’un élément rapporté sur le tourillon 17.

L’élément rapporté sur le tourillon 17 est par exemple une virole annulaire 23 qui est entièrement visible à la figure 2 et partiellement visible à la figure 3. La virole 23 présente une forme de U dont l’ouverture est orientée en direction axiale, ici vers l’amont. La virole 23 comprend deux parties cylindriques 231, 232 s’étendant l’une autour de l’autre, par exemple une partie cylindrique externe 231 et une partie cylindrique interne 232, reliées entre elles par une partie médiane de liaison 233 s’étendant radialement par rapport à l’axe X de la turbomachine. Les parties cylindriques 231, 232 s’étendent transversalement par rapport à la partie médiane de liaison 233.

La partie médiane 233 est agencée contre la bride annulaire interne 18b de l’organe de liaison 18 qui est intercalée axialement entre la partie médiane 233 et la bride interne 17b du tourillon 17. La partie médiane 233 comprend des orifices 23c alignés avec les premiers et seconds orifices 18c, 17c et est traversés par les vis 19. Ainsi, la partie médiane 233 coopère avec les brides 18b et 17b.

Préférentiellement, la partie médiane 233 comprend un rebord annulaire 234 présentant une surface cylindrique externe 235 intercalée radialement entre la bride annulaire 18b de l’organe de liaison 18 et la bride annulaire 17b du tourillon 17. De manière préférée, un joint d’étanchéité 24 est intercalé radialement entre la virole 23 et le tourillon 17. Par exemple, le joint d’étanchéité 24 est intercalé radialement entre le rebord annulaire 234 et la bride annulaire 17b du tourillon 17. Le joint 24 est retenu axialement par un épaulement de la virole 23.

Préférentiellement, une partie de la virole 23 porte des léchettes 25 d’un joint d’étanchéité à labyrinthe. Par exemple, chacune des parties cylindriques 232, 231 à son extrémité libre amont des léchettes 25 annulaires de joints d’étanchéité à labyrinthe. Ces léchettes 25 sont destinées à coopérer avec des revêtements annulaires abradables 251 entourant les léchettes 25 pour former des joints d’étanchéité à labyrinthe. Ces revêtements 251 sont portés par un stator 28 de la turbine 7.

Lorsque survient une rupture de l’aube 20 de soufflante 2, un couple de torsion s’exerce sur l’arbre basse pression 10 qui peut devenir supérieur à un seuil maximum tolérable déterminé par l’homme de l’art. Selon l’invention, il y a alors un effort de cisaillement qui est transmis à la ou aux vis 19 fusibles supérieur à la résistance en cisaillement desdites vis 19 qui vont alors se rompre. Cette rupture des vis 19 fusibles va permettre de désolidariser le rotor 13 de l’arbre basse pression 10 et donc de réduire le couple sur l’arbre 10. Les risques d’endommagements de la turbomachine 1 sont ainsi réduits et la section de l’arbre 10 peut être réduite afin de diminuer la masse et l’encombrement du rotor 13 basse-pression par exemple. Par ailleurs, les chargements mécaniques sur les structures stator de la turbomachine 1 sont réduits. Cela permet de réduire la masse des structures de la turbomachine 1 et d’en réduire son encombrement pour améliorer les performances de la turbomachine 1.

Claims

Turbomachine (1) d’aéronef, comportant une soufflante (2) reliée par un arbre (10) à un rotor (13) d’une turbine (7), le rotor (13) de la turbine (7) comportant des roues aubagées (14) reliées entre elles et à un tourillon (17) solidaire en rotation dudit arbre (10), les roues aubagées (14) étant reliées au tourillon (17) par un organe de liaison (18) qui est fixé par des vis (19) au tourillon (17), ces vis (19) s’étendant sensiblement parallèlement à un axe de rotation de l’arbre (10), caractérisée en ce qu’au moins une desdites vis (19) est fusible et configurée pour se rompre lorsqu’elle est soumise à un effort de cisaillement supérieur à un seuil prédéterminé.
Turbomachine (1) d’aéronef selon la revendication 1, caractérisée en ce que l’organe de liaison (18) comprend une bride annulaire interne (18b) de fixation au tourillon (17), cette bride (18b) comportant des premiers orifices (18c) alignés avec des seconds orifices (17c) d’une bride annulaire interne (17b) du tourillon (17), ces premiers et seconds orifices (18c, 17c) étant traversés par lesdites vis (19).
Turbomachine (1) d’aéronef selon la revendication 2, caractérisée en ce que la bride annulaire interne (18b) de l’organe de liaison (18) comprend une surface cylindrique externe de centrage (181) configurée pour coopérer avec une surface cylindrique interne complémentaire (172) du tourillon (17).
Turbomachine (1) d’aéronef selon la revendication 3, caractérisée en ce que le tourillon (17) comprend un rebord cylindrique (171) définissant la surface cylindrique interne (172), le rebord cylindrique (171) étant configuré pour entourer au moins en partie la bride annulaire interne (18b) de l’organe de liaison (18) et étant configuré pour retenir radialement l’organe de liaison (18) vers l’extérieur en cas de rupture desdites vis (19).
Turbomachine (1) d’aéronef selon l’une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la bride annulaire interne (18b) de l’organe de liaison (18) comprend une surface cylindrique interne de centrage (182) configurée pour coopérer avec une surface cylindrique externe (234) complémentaire du tourillon (17) ou d’un élément rapporté sur le tourillon (17).
Turbomachine (1) d’aéronef selon la revendication 5, caractérisée en ce que l’élément rapporté sur le tourillon (17) est une virole annulaire (23) dont au moins une partie porte des léchettes (25) d’un joint d’étanchéité à labyrinthe et dont une autre partie forme ladite surface externe (234) et est intercalée radialement entre la bride annulaire interne (18b) de l’organe de liaison (18) et la bride annulaire interne (17b) du tourillon (17).
Turbomachine (1) d’aéronef selon la revendication 6, caractérisée en ce que la virole annulaire (23) présente une forme générale en U et comprend deux parties cylindriques (231, 232) s’étendant l’une autour de l’autre et portant les léchettes (25) du joint d’étanchéité à labyrinthe, et une partie médiane de liaison (233) des parties cylindriques (231, 232) et qui comprend des orifices traversés par lesdites vis (19).
Turbomachine d’aéronef selon la revendication 7, caractérisée en ce que la partie médiane de liaison (233) comprend un rebord annulaire (234) intercalé entre la bride annulaire interne (18b) et la bride annulaire interne (17b) du tourillon (17), le rebord annulaire (234) présentant ladite surface externe (235).
Turbomachine (1) d’aéronef selon la revendication 8, caractérisée en ce qu’un joint annulaire d’étanchéité (24) est intercalé radialement entre la virole (23) et le tourillon (17), et par exemple entre le rebord annulaire (234) et le tourillon (17).
Turbomachine (1) d’aéronef selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les vis (19) sont situées sensiblement au droit d’une extrémité aval du rotor (13) dans le sens d’écoulement des gaz, et en particulier de la roue (14) la plus aval de ce rotor (13).