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Turbomachine avec moyens de retenue axiale du rotor
L'invention concerne le domaine des turbomachines et en particulier des
turboréacteurs avec soufflante solidaire d'un arbre d'entraînement qui est
supporté par
au moins un premier palier.
Un tel turboréacteur comprend, d'amont en aval dans le sens de (écoulement
des gaz, une soufflante, un ou plusieurs étages de compresseurs, une chambre
de
compression, un ou plusieurs étages de turbines et une tuyère d'échappement
des gaz.
La soufflante comporte un rotor pourvu d'aubes à sa périphérie qui,
lorsqu'elles sont
mises en rotation, entraînent l'air dans le turboréacteur. Le rotor de
soufflante est
supporté par l'arbre du rotor basse pression du moteur. Il est centré sur Taxe
du
turboréacteur par un premier palier qui est en amont d'un deuxième palier
relié à la
structure fixe, notamment le carter intermédiâire.
Dans la suite de la description, dans la mesure où la soufflante est montée
solidaire de l'arbre du compresseur, qui est l'arbre du rotor basse pression
dans un
moteur à double corps, on désigne cet arbre par l'unique terme arbre du
compresseur.
Le premier palier est supporté par une pièce de support, formant une
enveloppe autour de l'arbre du compresseur, orientée vers l'aval du premier
palier et
fixée à une structure fixe du turboréacteur. Le deuxième palier est supporté
par une
pièce de support fixée également à une structure fixe du turboréacteur.
Il peut se produire, accidentellement, la perte d'une aube de soufflante. Il
s'ensuit un balourd important sur (arbre du compresseur, qui entraîne des
charges et
des vibrations sur les paliers, transmises par leurs pièces de support aux
structures
fixes du turboréacteur, qui peuvent de ce fait être endommagées.
Pour prévenir un risque de détérioration trop important du turboréacteur, on
peut sur-dimensionner la structure ou, comme dans le brevet FR 2, 752, 024,
proposer
un système de découplage du premier palier. La pièce de support du premier
palier est
fixée à la structure du turboréacteur par des vis dites fusibles, comportant
une portion
affaiblie entraînant leur rupture en cas d'efforts trop importants. Ainsi, à
l'apparition du
balourd sur l'arbre du compresseur, les efforts induits sur le premier palier
sont
transmis aux vis fusibles qui cassent, découplant la pièce de support du
premier palier
de la structure du turboréacteur. Selon d'autres modes de réalisation, le
support du
deuxième palier est associé à celui du premier palier pour l'accompagner en
cas de
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découplage, ou comprend son propre système de découplage, indépendant de celui
du
premier palier. Après découplage, les efforts provoqués par le balourd ne sont
plus
transmis à la structure fixe du turboréacteur par les pièces de support du ou
des paliers.
Toutefois, après le découplage d'un ou des deux paliers, la soufflante
continue
de tourner et l'arbre du compresseur peut ne plus tourner sur son axe et subir
des
débattements importants pouvant endommager la structure fixe du turboréacteur.
Le
brevet FR 2, 752, 024 propose dans ce cas de prévoir, sur la structure fixe du
turboréacteur, une nervure entourant la pièce de support du premier palier,
dont est ici
solidaire celle du deuxième palier, et remplissant une fonction de limiteur de
mouvements ou de palier de secours.
La poursuite de la rotation de la soufflante peut néanmoins entraîner des
contraintes sur (arbre de compresseur et l'arbre de turbine, qui sont
solidaires, et
provoquer la rupture de fun des deux, ou des deux. On parlera quel que soit le
cas de
rupture de (arbre de compresseur. Dans ce cas, la rotation de la soufflante
entraîne
cette dernière, ainsi que (arbre de compresseur dont elle est solidaire, vers
(avant. La
soufflante est alors expulsée hors du turboréacteur, ce qui doit être évité.
La nervure proposée dans le brevet FR 2, 752, 024 peut toutefois assurer, en
cas de rupture de l'arbre de compresseur, une fonction de retenue axiale du
rotor de la
soufflante, la bride de fixation de la pièce support du premier palier à la
structure fixe
du turboréacteur venant alors en butée sur une paroi radiale de cette nervure.
Toutefois, du fait de la flexion à laquelle peut être soumis (arbre de
compresseur dans
cette situation, un angle peut exister entre la paroi de la bride et la paroi
de la nervure
destinées à venir en butée, impliquant, soit un arrêt peu efficace de (arbre
avec
dégradation des éléments par frottement, soit même, si l'angle est trop
important, un
passage de la bride, inclinée radialement vers l'axe du turboréacteur, au-delà
de la
nervure et donc l'impossibilité d'endiguer (avancée de (arbre de compresseur
et du
rotor de la soufflante, qui se trouve alors expulsée ou coincée en travers de
son carter
de rétention, détériorant de ce fait toute la structure du turboréacteur.
La présente invention vise à pallier ces inconvénients.
A cet effet, (invention concerne une turbomachine, s'étendant
longitudinalement suivant un axe, comprenant un rotor, solidaire d'un arbre
d'entraînement, agencé pour tourner autour d'un axe, supporté par au moins un
premier
palier, monté sur la structure fixe de la turbomachine par une pièce support
de palier,
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caractérisée par le . fait qu'elle comprend un anneau d'arrêt, monté sur la
structure fixe
de la turbomachine pour coopérer avec la pièce de support du premier palier et
assurer,
en cas de déplacement du rotor par rapport à la structure fixe, une fonction
de retenue
axiale du rotor, de façon homogène, sans effet d'angle entre l'axe de la
turbomachine et
l'axe de l'arbre d'entraînement.
Grâce à l'invention, la retenue axiale du rotor, par exemple dans le cas d'une
rupture de l'arbre de compresseur faisant suite à la perte d'une aube de la
soufflante, si
le rotor est un rotor de soufflante, se fait de façon homogène quel que soit
l'angle entre
Taxe du compresseur et l'axe de la turbomachine au moment de la retenue. Cet
angle,
qui peut varier en raison du balourd subi par (arbre, n'influe donc pas sur la
retenue
axiale du rotor.
De préférence, la pièce de support du premier palier présente une portée
destinée à coopérer avec la surface d'un bourrelet de (anneau d'arrêt.
Avantageusement dans ce cas, la portée est de forme tronconique.
Avantageusement encore, la surface du bourrelet de (anneau d'arrêt présente
en coupe axiale une forme courbe, à symétrie de révolution autour de l'axe de
la
turbomachine.
De préférence dans ce cas, la forme courbe est un arc de cercle.
De préférence, (anneau d'arrêt ceinture longitudinalement la partie aval de la
pièce de support du premier palier, sans contact en mode de fonctionnement
normal de
la turbomachine.
Selon une forme de réalisation, l'arbre d'entraînement étant supporté par un
deuxième palier, le deuxième palier étant monté sur la structure fixe de la
turbomachine par une pièce support de palier, la pièce de support du premier
palier est
fixée à la pièce de support du deuxième palier par des vis fusibles permettant
son
découplage de la pièce de support du deuxième palier.
Selon une forme de réalisation, l'arbre d'entraînement étant supporté par un
deuxième palier, le deuxième palier étant monté sur la structure fixe de la
turbomachine par une pièce support de palier, fixée par des vis, (anneau
d'arrêt
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comporte des évidements longitudinaux permettant le passage desdites vis pour
assurer
la fixation de l'anneau d'arrêt à la structure fixe de la turbomachine.
Selon un mode de fonctionnement, la pièce de support du premier palier étant
montée sur la structure fixe de la turbomachine par un dispositif permettant
son
découplage par rapport à la structure fixe de la turbomachine, l'anneau
d'arrêt est
agencë pour ne pas interférer sur la phase de découplage.
Selon un autre mode de fonctionnement, la pièce de support du premier palier
étant montée sur la structure fixe de la turbomachine par un dispositif
permettant son
découplage par rapport à la structure fixe de la turbomachine, l'anneau
d'arrêt est
agencé pour limiter les débattements de l'arbre de compresseur lors de la
phase de
découplage.
Selon un mode de réalisation particulier, le deuxième palier est monté sur la
structure fixe de la turbomachine par un dispositif permettant son découplage
par
rapport à la structure fixe de la turbomachine.
De préférence enfin, la pièce de support du premier palier étant montée sur la
structure fixe de la turbomachine par un dispositif permettant son découplage
par
rapport à la structure fixe de la turbomachine, l'anneau d'arrêt assure en
particulier la
retenue axiale du rotor en cas de rupture de (arbre d'entraînement après
découplage du
premier palier.
L'invention s'applique particulièrement à un turboréacteur à double corps,
dont le deuxième palier est un palier supportant le rotor basse pression, mais
la
demanderesse n'entend pas limiter la portée de ses droits à cette application.
L'invention sera mieux comprise grâce à la description suivante de la forme
de réalisation préférée du turboréacteur de (invention, en référence aux
dessins
annexés, sur lesquels
- la figure 1 représente une vue en coupe axiale, de profil, de la forme de
réalisation préférée de l'invention ;
- la figure 2 représente une vue agrandie de la zone de la figure 1 contenue
dans le cadre C ;
- la figure 3 représente une vue en coupe axiale, de profil, de la zone du
deuxième palier du turboréacteur de la forme de réalisation préférée de
(invention;
pendant une phase de découplage, et
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- la figure 4 représente une vue en coupe axiale, de profil, de la zone du
deuxième palier du turboréacteur de la forme de réalisation préférée de
l'invention,
après rupture de l'arbre de compresseur.
5 En référence à la figure 1, le turboréacteur 1 de (invention comprend une
soufflante 2; dont le rotor comporte des aubes 3 s'étendant radialement autour
de Taxe
4 du turboréacteur. L'arbre de soufflante 2 est fixé, en aval des aubes 3, à
l'arbre du
compresseur 5. Il s'agit ici de l'arbre du compresseur basse pression. On
désignera dans
la suite l'ensemble de l'arbre de la soufflante 2 et de (arbre du compresseur
5 par arbre
du compresseur 5, ou arbre d'entraînement 5. L'arbre du compresseur 5 est
supporté
par un premier palier 6 et un deuxième palier 7, situé en aval du premier
palier 6.
Le premier palier 6 comporte une bague interne 8 et une bague externe 9,
entre lesquelles sont montés des billes 10 ou autres organes de roulement. La
bague
interne 8 est montée solidaire de l'arbre du compresseur 5 et la bague externe
solidaire
d'une pièce support de palier 11, appelée dans la suite support du premier
palier 11.
Les billes 10 autorisent la rotation de la bague interne 8, donc de l'arbre du
compresseur 5, par rapport â la bague externe 9, donc au support du premier
palier 11.
Le support du premier palier 11 s'étend, à partir du premier palier 6, vers
l'aval ; il est de forme légèrement tronconique, son diamètre augmentant vers
l'aval.
Le deuxième palier 7 comporte une bague interne 14 et une bague externe 15,
entre lesquelles sont montés des rouleaux 16 ou autres organes de roulement.
La bague
interne 14 est montée solidaire de l'arbre du compresseur 5 et la bague
externe 15 est
montée solidaire de la structure fixe du turboréacteur 1. Les rouleaux 16 sont
montés
parallèles à l'axe 4 du turbôréacteur 1, dans une rainure s'étendant à la
circonférence
de la bague interne 14, et sont tenus espacés les uns des autres par une cage,
bien
connue de l'homme du métier. Ils permettent la rotation de la bague interne 14
par
rapport à la bague externe 15, et donc par leur intermédiaire de l'arbre du
compresseur
5 par rapport à la structure fixe du turboréacteur 1.
Le deuxième palier 7 est supporté par une pièce support de palier 19, nommée
par la suite support du deuxième palier 19, se présentant globalement sous la
forme
d'un flasque s'étendant transversalement à l'axe 4 du turboréacteur 1. La
bague externe
15 du deuxième palier 7 comporte, sur sa face externe, une bride radiale 20,
fixée au
support du deuxième palier 19 par des vis 21.
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En référence à la figure 2, le support du deuxième palier 19 est fixé, par une
bride radiale 22, à la structure fixe du turboréacteur 1, ici à un carter 23
dit carter
intermédiaire 23, par des vis 24.
Le support du premier palier 11 présente à son extrémité aval une portion
d'arrêt 26, ici d'épaisseur supérieure à sa partie amont. Cette portion
d'arrêt 26 présente
en coupe axiale une section en forme de triangle rectangle. La paroi interne
27 de cette
portion d'arrêt 26 est de forme cylindrique, sa paroi aval 28 s'étend
transversalement à
Taxe 4 du turboréacteur, les parois interne 27 et aval 28 étant reliées par
une paroi 29
présentant une surface de forme globalement tronconique, dont le diamètre
augmente
vers (aval, et qui correspond à (hypoténuse du triangle rectangle que définit
la portion
d'arrêt 26 en coupe axiale. Le support du premier palier 11 présente donc,
dans sa
partie aval, une portée tronconique 29 constituée par la paroi tronconique 29.
La portion d'arrêt 26 comporte des évidements longitudinaux 26' permettant le
passage de vis fusibles 25 de fixation du support du premier palier 11 à la
bride 22 du
support du deuxième palier 19. Ces vis fusibles 25 sont radialement situées
entre l'axe
4 du turboréacteur 1 et les vis 24 de fixation du support du deuxième palier
19 au
carter intermédiaire 23. Ces vis fusibles 25 comprennent une portion de plus
faible
section 25', présentant une résistance à la traction déterminée entraînant
leur rupture en
cas d'efforts trop importants, notamment lors de l'apparition d'un balourd sur
l'arbre du
compresseur 5, suite par exemple à la perte d'une aube 3.
Le carter intermédiaire 23 supporte un anneau d'arrêt 30, qui s'étend autour
de
la portion d'arrêt 26 du support du premier palier 11; le ceinturant
longitudinalement,
sans qu'il n'y ait de contact entre eux en fonctionnement normal du
turboréacteur 1.
Cet anneau d'arrêt 30 est de forme tronconique, son diamètre augmentant vers
(amère,
ses parois interne 30' et externe 30" étant ici à peu près parallèles sur la
majorité de sa
longueur. Il comporte, à son extrémité aval, une bride radiale 31 par laquelle
il est fixé
au carter intermédiaire 23, ici par les vis 24 de fixation du support du
deuxième palier
19 au carter intermédiaire 23.
L'anneau d'arrêt 30 comporte, à son extrémité amont, un bourrelet 32 faisant
saillie radialement vers l'intérieur. La surface interne 33 du bourrelet 32
est de forme
courbe convexe, en coupe axiale, suivant une courbe schématisée sur la figure
2 par la
portion de courbe 33'.
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L'anneau d'arrêt 30 est agencé de façon à ce que la surface de la portée
tronconique 29 du support du premier palier 11 puisse venir en butée sur la
surface
interne 33 de son bourrelet 32, si le support du premier palier 11 est amené à
être
entraîné axialement vers l'avant. La fonction de l'anneau d'arrêt 30 est de
bloquer
axialement, par le biais du support du premier palier 11, l'arbre du
compresseur 5 en
cas de rupture, afin que la soufflante 2 qui lui est solidaire ne soit pas
entraînée vers
(avant dans ce cas, comme il sera expliqué plus loin.
Le fonctionnement du turboréacteur 1 de l'invention lors de la perte d'une
aube 3 de soufflante 2 va maintenant être expliqué plus en détails.
La perte d'une aube 3 en cours de fonctionnement du turboréacteur 1, donc en
cours de rotation de la soufflante 2, provoque un balourd sur l'arbre du
compresseur 5.
En référence à la figure 3, les efforts induits provoquent la rupture des vis
fusibles 25
de fixation du support du premier palier 11 au support du deuxième palier 19,
au
niveau de leur portion affaiblie 25'. Les vis fusibles 25 ne cassent pas
toutes en même
temps, mais en général de proche en proche. Sur la figure 3, une vis fusible
25 est
représentée cassée, du côté inférieur de la figure, tandis que la vis fusible
25 du côté
supérieur est encore intacte. Dans cette situation, le balourd a induit une
flexion de
(arbre du compresseur S, dont Taxe 5' est incliné par rapport à Taxe 4 du
turboréacteur
1. Cette flexion de (arbre du compresseur 5 est autorisée par un glissement
des
rouleaux du deuxième palier 7 sur leur bague externe 15, avec cela dit une
probable
détérioration de ce palier 7.
Le support du premier palier 11, solidaire de (arbre du compresseur S, est du
même coup également incliné par rapport à Taxe 4 du turboréacteur 1. La
surface de la
portée tronconique 29 du premier palier 11 peut alors venir en butée sur la
surface de
la paroi 33 du bourrelet 32 de l'anneau d'arrêt 30, dans les régions où les
vis fusibles
25 ont cassé. Du fait de la forme dûment optimisée de la surface 33 du
bourrelet 32,
l'angle n'a aucun effet sur ce contact, qui se fait de façon homogène quel que
soit
(angle considéré. Ainsi, pendant la phase de découplage du support du premier
palier
11 de la structure fixe du turboréacteur 1, l'anneau d'arrêt 30 permet, dans
la forme de
réalisation ici décrite, de limiter quelque peu la flexion de (arbre du
compresseur 5, de
façon homogène. Cette flexion peut par ailleurs être limitée, comme c'est
généralement
le cas, du fait de la consommation du jeu entre les extrémités des aubes 3 de
la
soufflante 2 et leur carter de rétention.
,.
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ô
Selon une autre forme de réalisation, la distance longitudinale entre la
portée
tronconique 29 du support du premier palier 11 et le bourrelet 32 de l'anneau
d'arrêt 30
peut être dimensionnée de façon à ce que les surfaces de la paroi tronconique
29 et du
bourrelet 32 ne viennent jamais en contact pendant la phase de découplage,
afin de ne
pas interférer sur cette dernière. C'est d'ailleurs cette forme de réalisation
qui sera
préférée, dans laquelle l'anneau d'arrêt 30 n'assure qu'une fonction d'arrêt
axial et pas
de fonction de limitation de mouvements radiaux.
Quelle que soit la forme de rëalisation, une fois l'ensemble des vis fusibles
25
cassées, le support du premier palier 11 est découplé du support du deuxième
palier
19, donc du carter intermédiaire 23, c'est-à-dire qu'il est découplé de la
structure fixe
du turboréacteur 1. Les efforts ne sont plus alors transmis à la structure
fixe du
turboréacteur par le support du premier palier 11 et l'arbre du compresseur S
peut
librement tourner sur son axe 5', la portée tronconique 29 du support du
premier palier
11 et le bourrelet 32 de l'anneau d'arrêt 30 n'étant pas en contact.
Toutefois, la poursuite de la rotation de la soufflante 2 peut entraîner des
contraintes sur (arbre du compresseur 5 et l'arbre de turbine, qui sont
solidaires, et
provoquer la rupture de l'un des deux, ou des deux. On parle alors, comme il a
été vu
précédemment, de rupture de l'arbre du compresseur 5. Dans ce cas, la rotation
de la
soufflante 2 entraîne cette dernière, ainsi que l'arbre du compresseur 5 qui
lui est
solidaire, vers (avant.
Le support du premier palier 11 est alors également entraîné vers l'avant,
ainsi
que les rouleaux 16 du deuxième palier 7, qui glissent sur leur bague externe
15. En
référence à la figure 4, cette fuite en avant est arrêtée grâce à l'anneau
d'arrêt 30,
solidaire de la structure fixe du turboréacteur 1. En effet, lors de la fuite
vers l'avant du
support du premier palier 11, la portée tronconique 29 du support du premier
palier 11
vient en butée sur la paroi 33 du bourrelet 32 de l'anneau d'arrêt 30, qui
assure ainsi
(arrêt axial du support du premier palier 11 et donc de la soufflante 2, qui
n'est pas
expulsée hors du turboréacteur. La rotation de la soufflante 2 peut se
prolonger
quelque peu, avant de s'arrêter par frottements.
La courbe 33' définissant la surface interne 33 du bourrelet 32 est optimisée
de façon à ce que la butée de la portée 29 du premier palier 11 sur cette
surface 33, et
donc l'arrêt axial de la soufflante 2, se fasse de façon homogène,
indépendante de
(angle pouvant exister entre l'axe 5' de l'arbre du compresseur 5 avec Taxe 4
du
turboréacteur 1. Cette forme courbe de la surface interne 33 du bourrelet 32
est une
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courbe méridienne, dans un plan axial, à symétrie de révolution autour de Taxe
4 du
turboréacteur. La courbe 33' est ici, en vue en coupe axiale, de forme
circulaire. Cette
courbe 33' pourrait être de forme plus complexe, afin par exemple de respecter
les
différentes phases du découplage - avec ou sans contact selon les étapes.
De fait, la poursuite de la rotation de la soufflante 2 après découplage du
support du premier palier 11 ne se fait pas forcément autour de l'axe 4 du
turboréacteur
1, puisque justement l'arbre du compresseur 5 n'est plus centré par le premier
palier 6.
Au moment de la rupture de l'arbre du compresseur 5 et de sa fuite en avant,
l'angle de
son axe S' avec l'axe 4 du turboréacteur 1 est aléatoire. Cet aléa ne perturbe
pas l'arrêt
de la soufflante 2 par l'anneau de retenue 30 du fait de la forme optimisée de
la paroi
33 de son bourrelet 32. Cette dernière permet d'ailleurs, avec la continuation
de la
rotation de la soufflante 2 liée à son avancée, de remettre la soufflante 2 et
l'arbre du
compresseur 5 dans l'axe 4 du turboréacteur 1, comme c'est le cas sur la
figure 4.
L'invention a été décrite en lien avec le support du premier palier fixé à la
structure fixe du turboréacteur par le biais du support du deuxième palier,
tandis que
l'anneau d'arrêt est fixé à la structure fixe du turboréacteur par les vis de
fixation du
support du deuxième palier à cette structure fixe. II va de soi que le premier
support de
palier, le deuxième support de palier et l'anneau d'arrêt pourraient être
fixés à la
structure fixe du turboréacteur indépendamment les uns des autres et remplir
les
mêmes fonctions qui ont été décrites.
En outre, dans le cas où l'anneau d'arrêt est fixé à la structure fixe du
turboréacteur de façon indépendante, le support du deuxième palier pourrait
être fixé à
cette structure par des vis fusibles. Ainsi, le découplage des deux paliers
seraient
possible, (arrêt axial par (anneau d'arrêt n'intervenant qu'en cas de rupture
de l'arbre
du compresseur.
La portée aval 29 du premier palier 11 a ici été décrite de forme tronconique.
Il va de soi qu'elle pourrait également présenter une forme courbe, en vue en
coupe
axiale, cette forme étant optimisée en corrélation avec la courbe 33' que
présente la
surface 33 du bourrelet 33 de l'anneau d'arrêt 30 pour que l'arrêt de la
soufflante se
fasse de façon homogène, sans effet d'angle.
On peut noter que l'anneau d'arrêt 30 pourrait également assurer une fonction
de palier de secours, faisant office de palier pour (arbre de compresseur S,
en cas de
rupture de ce dernier après découplage du premier palier 6.
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L'invention a été décrite en relation avec un turboréacteur, en particulier un
turboréacteur à double corps dont le deuxième palier est un palier supportant
le rotor
basse pression. L'invention s'applique à d'autres types de turbomachines,
telles qu'un
turbopropulseur, un turbocompresseur industriel ou une turbine industrielle,
le rotor
n'étant pas alors un rotor de soufflante mais tout simplement un rotor.
