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Dispositif de limitation de survitesse de turbine
dans une turbomachine
La présente invention concerne un dispositif de limitation de
survitesse dans une turbomachine telle qu'un turboréacteur d'avion, pour
parer à une rupture de l'arbre de turbine, phénomène rarissime mais dont
les conséquences peuvent être désastreuses.
A la rupture de cet arbre, le rotor de la turbine se retrouve
désaccouplé de la soufflante qui limitait sa vitesse de rotation mais les
aubes mobiles de la turbine continuent d'être entraînées en rotation par les
gaz sortant de la chambre de combustion de la turbomachine. La turbine
passe alors en survitesse , ce qui soumet le rotor à des forces
centrifuges excessives susceptibles de provoquer son éclatement, avec
des risques de perforation du carter externe de la turbine et aussi de la
carlingue de l'avion équipé de cette turbomachine. La limitation de
survitesse est donc une contrainte impérative à respecter dans les
turbomachines.
Les dispositifs connus de limitation de survitesse exploitent en
général le déplacement vers l'aval du rotor de la turbine qui résulte de la
rupture de l'arbre de turbine et de la pression des gaz sur les aubes du
rotor.
On a ainsi déjà proposé des dispositifs de freinage mécanique du
rotor de la turbine, comprenant des moyens portés par le rotor et destinés à
venir en appui sur des moyens correspondants du stator de manière à
freiner le rotor, suite à son déplacement vers l'aval après la rupture de
l'arbre de turbine.
On a également proposé de monter les aubes directrices du stator
de façon amovible ou basculante pour que le rotor, du fait de son
déplacement vers l'aval après la rupture de l'arbre de turbine, vienne
s'appuyer sur ces aubes et les fasse basculer sur la trajectoire des aubes
mobiles pour les détruire et ainsi ralentir la rotation de la turbine. Cette
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solution connue est toutefois relativement complexe et coûteuse.
Les dispositifs connus ont l'inconvénient d'être relativement lents, ce
qui nuit à leur efficacité. Ceci est particulièrement pénalisant dans le cas
des petits moteurs, dont l'inertie plus faible du rotor de turbine induit un
risque de départ en survitesse plus rapide.
Par ailleurs, les dispositifs nécessitant un contact franc entre des
pièces, peuvent se révéler inopérants en cas de rebond du rotor sur une
pièce fixe ou en cas d'orbitage de ce rotor.
Les dispositifs de freinage fondés sur le frottement entre des pièces
ont une efficacité difficilement prévisible du fait qu'ils font intervenir de
multiples paramètres incertains tels que la température ou l'effort exercé
entre les pièces.
En outre, certains dispositifs connus ont l'inconvénient d'augmenter
la masse totale de la turbine et de modifier le profil aérodynamique de ses
composants au détriment des performances du moteur.
L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple,
économique et efficace à ces problèmes, permettant d'éviter les
inconvénients de la technique connue.
L'invention a aussi pour but de répondre de façon plus satisfaisante
aux exigences de fiabilité et de rapidité d'un dispositif de limitation de
survitesse d'une turbine dans une turbomachine.
Elle propose à cet effet un dispositif de limitation de survitesse de
turbine dans une turbomachine en cas de rupture de l'arbre de turbine,
comprenant des moyens de cisaillement des aubes mobiles d'au moins un
étage de la turbine, caractérisé en ce que ces moyens de cisaillement
comprennent des moyens de projection d'une goupille sur le trajet des
aubes mobiles, ces moyens de projection étant montés sur un carter de la
turbine ou de la turbomachine et commandés par des moyens de détection
d'une survitesse de rotation de la turbine ou de détection d'une rupture de
l'arbre de cette turbine.
Les aubes mobiles interceptées par la goupille sont détruites sous
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l'effet de la collision avec cette goupille et leurs fragments sont projetés
sur
les autres aubes du rotor et sur celles du stator de la turbine et provoquent
leur destruction. Le rotor, qui n'est plus entraîné par les aubes, ne risque
plus de destruction pour cause de survitesse.
L'avantage essentiel de ce dispositif est qu'il n'est pas tributaire du
recul du rotor et peut être déclenché sans attendre que ce recul se
produise, ce qui garantit une plus grande vitesse de réaction, la rapidité du
dispositif ne dépendant plus que du temps de réponse des moyens de
projection. De plus, le fonctionnement de ce dispositif ne se trouvera pas
pénalisé, contrairement à certains dispositifs antérieurs, en cas de rebond
de la turbine ou d'orbitage du rotor.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les moyens de
projection comprennent une capsule de matière explosive logée dans un
cylindre apte à guider la goupille lors de l'explosion de la capsule.
Avantageusement, des pastilles d'une matière susceptible de
générer un gaz sous l'effet d'une détonation, telle par exemple de l'acide de
sodium, sont placées à proximité de la capsule de matière explosive dans
ce cylindre.
Ainsi, c'est le souffle produit par l'explosion de la capsule et, le cas
échéant, par le dégagement gazeux produit par les pastilles précitées, qui
projette la goupille sur le trajet des aubes pour les détruire. L'utilisation
de
pastilles d'acide de sodium, déjà connue dans le domaine des coussins
gonflables d'automobiles, permet une vitesse de réaction optimale.
En variante, il est possible de recourir à une amenée de gaz sous
pression prélevé sur le moteur ou fourni par une réserve de gaz sous
pression.
Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le cylindre est
monté à l'extérieur du carter dans l'alignement d'un orifice de ce carter
débouchant sur le trajet des aubes mobiles, et comprend une extrémité
ouverte par laquelle il est fixé sur le carter, son autre extrémité étant
fermée
et contenant la capsule de matière explosive.
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La goupille s'étend entièrement à l'intérieur du cylindre lorsqu'elle est
en condition de repos, avant détection d'un départ en survitesse ou avant
détection d'une rupture de l'arbre de turbine basse pression, et elle
comporte un corps cylindrique dont une extrémité est guidée en
coulissement dans l'extrémité du cylindre fixée sur le carter, l'autre
extrémité du corps cylindrique comportant une tête dont le diamètre est
supérieur à celui du corps cylindrique ainsi qu'au diamètre de l'extrémité
ouverte du cylindre, de manière à former un organe de retenue de la
goupille dans le cylindre.
Ainsi, en condition de repos, la goupille ne perturbe en rien le flux
des gaz dans la turbine et ne pénalise donc pas les performances du
moteur.
En cas de détection d'un départ en survitesse ou d'une rupture de
l'arbre de turbine basse pression, la poussée de l'explosion et des gaz
libérés s'exerce sur la tête de la goupille et pousse violemment la goupille
en coulissement au travers de l'extrémité ouverte du cylindre, jusqu'à ce
que la tête de la goupille vienne buter contre le bord de l'ouverture du
cylindre, retenant ainsi la goupille dans le cylindre.
Avantageusement, l'orifice du carter est fermé par un opercule de
matière résistant aux températures de fonctionnement de la turbomachine
et propre à être rompue par la goupille en cas de détection d'un départ en
survitesse, la goupille comportant de préférence une pointe apte à percer
cet opercule, formée à l'extrémité du corps cylindrique opposée à la tête.
Grâce à cet opercule, la goupille est bloquée à l'intérieur du cylindre
en position de repos, et seule l'explosion et la libération de gaz,
consécutives à une détection de départ en survitesse ou de rupture de
l'arbre de turbine basse pression, peuvent, par la violente poussée exercée
sur la goupille, amener celle-ci à percer l'opercule pour sortir du cylindre.
En outre, cet opercule interdit aux gaz passant dans la turbine de pénétrer
à l'intérieur du cylindre contenant la goupille et la capsule explosive.
Le cylindre comprend avantageusement un rebord latéral de fixation
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sur le carter et des moyens de connexion électrique de la charge explosive
aux moyens de détection d'une survitesse de rotation de la turbine ou d'une
rupture de l'arbre de cette turbine.
La présente invention concerne également une turbomachine, telle
5 qu'un turboréacteur d'avion, équipée d'un dispositif de limitation de
survitesse du type décrit ci-dessus.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à
la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et
en
référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une demi-vue schématique partielle en coupe axiale
d'une turbine basse-pression de turboréacteur équipée d'un dispositif
selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique agrandie d'une partie de la figure 1
illustrant le dispositif de limitation de survitesse de la turbine selon
l'invention en position de repos ;
- la figure 3 est une vue semblable à la figure 2 illustrant le dispositif de
limitation de survitesse de la turbine en position active.
On se réfère d'abord à la figure 1 qui représente un rotor de turbine
basse-pression comprenant quatre disques 12, 14, 16, 18 assemblés
axialement les uns aux autres par des brides annulaires 20 et portant des
aubes 22 qui sont montées par des pieds d'aube à leur extrémité
radialement interne dans des rainures de la périphérie extérieure des
disques 12, 14, 16, 18. Le rotor est relié à l'arbre de turbine 24 par
l'intermédiaire d'un cône d'entraînement 26 fixé au moyen d'une bride
annulaire 28 entre les brides annulaires 20 des disques 14 et 16.
Entre les étages d'aubes mobiles 22 se trouvent des étages d'aubes
fixes 30 qui sont montées par des moyens appropriés à leurs extrémités
radialement externes sur un carter 32 de la turbine basse-pression.
Un dispositif 40 de limitation de vitesse de la turbine selon l'invention
est monté sur la surface extérieure d'un carter d'échappement 34 auquel
est lié le carter de turbine 32. Le dispositif 40 ainsi positionné est associé
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au dernier étage de la turbine, mail il est possible de l'utiliser pour
n'importe
quel étage.
La turbine est en outre équipée de moyens de détection d'une
survitesse de rotation du rotor ou d'une rupture de l'arbre 24 de cette
turbine, représentés schématiquement en 36.
Comme on le voit mieux en figure 2, le dispositif de limitation de
survitesse 40 comprend une goupille 42 en métal très dur logée dans un
cylindre 44, qui comporte à son extrémité appliqué sur le carter 34 un
rebord latéral 46 fixé par une ou des vis 48 à une platine 50 formée sur la
surface extérieure du carter 34, le cylindre 44 étant ouvert à son extrémité
fixée sur le carter et fermé à son autre extrémité.
La goupille 42 comprend un corps cylindrique 52 comportant
respectivement, à ses deux extrémités, une pointe 56 et une tête 54, cette
dernière présentant un diamètre supérieur à celui du corps cylindrique 52,
de manière à former un organe de retenue de la goupille dans le cylindre.
La tête 54 est au voisinage de l'extrémité fermée du cylindre 44 tandis que
la pointe 56 fait face à son extrémité ouverte.
Une charge explosive représentée schématiquement en 38 et
éventuellement des pastilles d'acide de sodium ou d'une autre matière
génératrice de gaz sont placées à l'intérieur du cylindre, dans l'espace libre
58 entre la tête 54 de la goupille et l'extrémité fermée du cylindre.
Le cylindre 44 est monté dans l'alignement d'un orifice 60 du
carter 34 qui débouche sur le trajet des aubes 22 du dernier étage du rotor
de la turbine. Cet orifice 60 a un diamètre légèrement supérieur à celui du
corps cylindrique 52, et inférieur à celui de la tête 54.
Dans la position de repos représentée à la figure 2, la goupille 42 est
logée entièrement dans le cylindre 44 et l'orifice 60 est obstrué par un
opercule d'une matière, telle qu'une résine ou un mastic, résistant aux
températures de fonctionnement de la turbomachine et propre à être
perforée par la pointe 56 de la goupille 42 sous l'effet d'une forte poussée.
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Des moyens de connexion électrique 64 sont montés sur un support
latéral 62 lié au cylindre 44 et au rebord latéral de fixation 46, pour
permettre la commande de la charge explosive par les moyens 36 de
détection d'une survitesse de rotation de la turbine ou d'une rupture de
l'arbre 24 de cette turbine.
Le dispositif décrit ci-dessus fonctionne de la façon suivante :
lorsqu'un départ en survitesse du rotor de la turbine est détecté,
suite à une rupture de l'arbre de turbine 24, ou lorsqu'une rupture de l'arbre
de turbine 24 est détectée, les moyens de détection 36 engendrent un
signal appliqué aux moyens de connexion 64 pour déclencher l'explosion
de la charge explosive 38, ce qui provoque une libération brutale d'azote
par les pastilles d'acide de sodium. Le signal peut aussi déclencher
l'ouverture d'une vanne entraînant une alimentation en gaz sous pression
provenant d'un réservoir de stockage ou prélevé sur le moteur.
Sous l'effet de la forte poussée exercée par les gaz sur sa tête 54, la
goupille perce alors par sa pointe 56 l'opercule obstruant l'orifice 60, et
est
projetée vers l'intérieur de la turbine à travers l'orifice 60, jusqu'à ce que
la
tête 54 vienne buter contre le bord de l'orifice 60, comme montré en
figure 3.
Une partie de la goupille 42 se trouve alors sur le trajet des aubes
mobiles 22 précitées, de telle sorte que ces aubes viennent se briser contre
elle.
La destruction des aubes mobiles empêche tout risque de survitesse
du rotor de la turbine.
Le temps de réponse du dispositif selon l'invention est très court
:
environ 40 millisecondes (10 ms pour la détection de la survitesse et 30 ms
pour l'explosion de la charge et la projection de la goupille), alors que le
temps de réponse des dispositifs connus de la technique antérieure est
supérieur à 100 ms.
