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CA 02647058 2008-12-10
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Etanchéité d'une cavité de moyeu d'un carter d'échappement dans
une turbomachine
La présente invention concerne un carter d'échappement dans une
turbomachine, telle qu'un turboréacteur d'avion, et se rapporte plus
particulièrement à l'étanchéité d'une cavité de moyeu dans le carter
d'échappement.
Arrière plan technologique de l'invention
Le carter d'échappement d'une turbomachine est monté en aval
d'une turbine et comprend en général deux parois cylindriques coaxiales,
respectivement radialement interne et externe, qui sont reliées par des bras
radiaux, la paroi interne étant entourée par une enveloppe cylindrique
destinée au guidage d'un flux de gaz d'échappement provenant de la
turbine.
L'enveloppe cylindrique est fixée par son extrémité aval à la paroi
interne du carter d'échappement, et elle comprend à son extrémité amont
une partie annulaire radiale s'étendant librement vers l'axe de la
turbomachine de sorte que la paroi interne du carter d'échappement et
l'enveloppe cylindrique délimitent une cavité, couramment appelée cavité
de moyeu.
Cette cavité est ouverte au niveau de l'extrémité interne de la partie
annulaire radiale de l'enveloppe cylindrique.
Il en résulte une circulation d'air provenant de l'amont dans la cavité
de moyeu, cet air entrant dans la cavité par son ouverture amont et étant
prélevé entre les compresseurs haute-pression et basse-pression de la
turbomachine, ce qui a une influence négative sur la consommation en
carburant de cette turbomachine.
La circulation d'air frais dans la cavité de moyeu tend à refroidir la
paroi interne du carter d'échappement et les extrémités radialement
internes des bras radiaux de ce carter, tandis que les parties radialement
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externes de ces bras sont maintenues à des températures relativement
élevées par le flux de gaz d'échappement. Cela induit dans ces bras
radiaux un gradient thermique important qui s'avère préjudiciable à leur
durée de vie.
En outre, du fait de sa partie annulaire radiale libre, l'enveloppe
cylindrique présente des modes de vibration correspondant sensiblement
aux fréquences du ou des rotors de la turbomachine, et est donc
susceptible d'entrer en résonance avec le ou les rotors, générant alors de
fortes vibrations de nature à pénaliser la durée de vie de l'enveloppe
cylindrique.
Résumé de l'invention
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.
Elle propose à cet effet un carter d'échappement de turbomachine,
comprenant deux parois cylindriques coaxiales, respectivement
radialement interne et radialement externe, reliées par des bras radiaux, et
une enveloppe cylindrique solidaire de l'extrémité aval de la paroi
radialement interne et qui délimite une cavité de moyeu avec la paroi
radialement interne et un espace d'écoulement de gaz d'échappement
avec la paroi radialement externe, l'enveloppe cylindrique comportant à son
extrémité amont une partie annulaire radiale s'étendant vers l'axe de la
turbomachine, caractérisé en ce que la partie annulaire radiale de
l'enveloppe comporte à son extrémité interne un rebord annulaire
coopérant par glissement radial sensiblement à étanchéité avec la paroi
cylindrique interne du carter d'échappement.
Le rebord annulaire de la partie radiale de l'enveloppe cylindrique
permet d'empêcher la circulation d'air dans la cavité de moyeu.
Cela permet de minimiser le gradient thermique dans les bras
radiaux du carter d'échappement, et ainsi d'accroître leur durée de vie, et
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cela réduit le prélèvement d'air sur les compresseurs de la turbomachine.
Ce mode de liaison glissante radialement permet d'assurer une
bonne étanchéité de la cavité de moyeu tout en évitant l'apparition de
contraintes mécaniques dans l'enveloppe cylindrique du fait des dilatations
thermiques susceptibles de se produire aux températures de
fonctionnement de la turbomachine.
En outre, le maintien axial de l'extrémité amont de l'enveloppe
cylindrique permet d'élever les fréquences des modes de vibration de
l'enveloppe et d'éviter ainsi les phénomènes de résonance, par exemple
avec le rotor de la turbomachine, qui sont préjudiciables à sa tenue dans le
temps.
Selon une autre caractéristique de l'invention, la paroi interne du
carter d'échappement comporte deux brides annulaires, respectivement
amont et aval, s'étendant radialement vers l'extérieur et disposées en
regard l'une de l'autre de manière à former une gorge annulaire destinée à
recevoir le rebord annulaire de l'enveloppe cylindrique avec un jeu axial
pour une liaison sensiblement étanche de l'enveloppe cylindrique à la paroi
radialement interne autorisant un déplacement radial du rebord annulaire
de l'enveloppe.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les deux brides
de la paroi interne du carter d'échappement ont une dimension radiale
supérieure à une amplitude maximale admissible d'un déplacement radial
du rebord annulaire de l'enveloppe cylindrique provoqué par une dilatation
thermique de cette dernière.
Ainsi, le rebord annulaire de l'enveloppe cylindrique ne risque pas de
se désengager de la gorge annulaire formée par les deux brides de la paroi
interne du carter d'échappement sous l'effet des dilatations thermiques, du
moins tant que le déplacement radial du rebord annulaire ne dépasse pas
une valeur maximale correspondant à une température maximale
prédéfinie que l'enveloppe cylindrique ne risque pas de dépasser lors du
fonctionnement normal de la turbomachine.
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Le rebord annulaire de l'enveloppe cylindrique s'étend de préférence
sensiblement jusqu'au fond de la gorge annulaire de la paroi interne du
carter d'échappement en condition d'arrêt de la turbomachine.
Cela permet de maximiser l'amplitude des dilatations thermiques
admissibles pour l'enveloppe cylindrique.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'enveloppe
cylindrique est précontrainte élastiquement, en condition d'arrêt de la
turbomachine, de manière à appliquer la face amont du rebord annulaire de
sa partie annulaire radiale contre la bride annulaire amont de la paroi
interne du carter d'échappement, pour assurer l'étanchéité de la cavité de
moyeu.
En variante, l'enveloppe cylindrique est précontrainte élastiquement,
en condition d'arrêt de la turbomachine, de manière à appliquer la face aval
du rebord annulaire de sa partie annulaire radiale contre la bride annulaire
aval de la paroi interne du carter d'échappement, pour assurer l'étanchéité
de la cavité de moyeu.
Les phénomènes de dilation thermique en fonctionnement tendent
alors à déplacer le rebord annulaire vers l'amont de sorte que sa face
amont se retrouve appliquée contre la bride annulaire amont de la paroi
interne du carter d'échappement, si bien que l'étanchéité de la cavité est
préservée.
Le rebord annulaire de la partie annulaire radiale de l'enveloppe
cylindrique comprend de préférence à son extrémité radialement externe
une collerette cylindrique s'étendant vers l'amont et formant une butée
radiale d'appui sur la bride annulaire amont de la paroi interne du carter
d'échappement.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la partie annulaire
radiale de l'enveloppe cylindrique comprend des orifices destinés au
passage d'un flux d'air frais.
Ce mode de réalisation est bien adapté au cas où la cavité de
moyeu requiert d'être ventilée. La dimension des orifices peut alors être
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choisie en fonction du niveau de ventilation nécessaire et permet de
contrôler le débit d'air de ventilation.
L'invention concerne également une enveloppe cylindrique pour une
turbomachine du type décrit ci-dessus, comprenant à l'une de ses
5 extrémités une bride annulaire et à l'autre de ses extrémités une partie
annulaire radiale s'étendant vers l'intérieur, caractérisée en ce que la
partie
annulaire radiale comporte à son extrémité radialement interne un rebord
annulaire radial formé avec une collerette cylindrique.
L'invention concerne aussi une turbomachine équipée d'un carter
d'échappement tel que décrit ci-dessus.
Brève description des dessins
L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et
caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement 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 perspective d'un carter
d'échappement d'une turbomachine selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique en perspective d'une enveloppe
cylindrique selon l'invention, équipant le carter d'échappement de la
figure 1 ;
- la figure 3 est une vue schématique partielle en coupe axiale d'une
turbomachine comprenant le carter d'échappement de la figure 1
- la figure 3a est une vue agrandie du détail IIIa de la figure 3.
Description détaillée
La figure 1 représente un carter d'échappement 10 de turbomachine
comprenant deux parois cylindriques coaxiales, respectivement
radialement interne 12 et externe 14, reliées par des bras radiaux
structuraux 16.
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Une enveloppe cylindrique 18 est montée autour de la paroi
radialement interne 12 du carter d'échappement 10.
Cette enveloppe 18, représentée isolément sur la figure 2, comprend
une paroi cylindrique 20 dans laquelle sont formées des découpes 22
ouvertes vers l'aval pour le passage des bras radiaux 16 du carter
d'échappement 10.
L'enveloppe cylindrique 18 comprend à son extrémité aval une bride
annulaire radiale 24 de fixation au carter d'échappement 10, et à son
extrémité amont, une partie annulaire radiale 26 s'étendant radialement
vers l'intérieur.
Comme cela sera expliqué plus en détail dans ce qui suit,
l'enveloppe 18 comprend, selon l'invention, un rebord annulaire 28 formé à
l'extrémité radialement interne de sa partie annulaire radiale 26.
L'enveloppe 18 et la paroi radialement externe 14 du carter
d'échappement délimitent un espace annulaire d'écoulement de gaz
d'échappement à l'intérieur d'une turbomachine, représentée partiellement
sur la figure 3.
Cette figure 3 montre le carter d'échappement 10 monté en aval
d'une turbine basse-pression 30, comprenant des disques 32 portant des
aubes 34, et entraînant en rotation un arbre relié à un compresseur en
amont (non représenté), d'une manière bien connue.
Le carter d'échappement 10 comprend une paroi radiale aval 36
s'étendant radialement vers l'extérieur depuis l'extrémité aval de la paroi
interne 12 du carter, et à laquelle est fixée la bride annulaire radiale 24 de
l'enveloppe cylindrique.
L'ensemble formé par la paroi interne 12 et la paroi radiale aval 36
du carter d'échappement 10 ainsi que par l'enveloppe cylindrique 18
délimite une cavité torique 38 couramment appelée cavité de moyeu.
Dans les turbomachines selon l'art antérieur, la partie annulaire
radiale de l'enveloppe cylindrique est libre à son extrémité radialement
interne et ménage ainsi une ouverture annulaire dans la cavité de moyeu,
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entre l'extrémité libre de cette partie annulaire radiale et l'extrémité amont
de la paroi interne du carter d'échappement.
Pour éviter les inconvénients liés à cette configuration et comme
cela a déjà été évoqué en référence à la figure 2, l'enveloppe cylindrique 18
selon l'invention comprend un rebord annulaire 28 formé à l'extrémité
interne de la partie annulaire radiale 26 de l'enveloppe, et engagé, comme
le montre la figure 3, dans une gorge annulaire 40 (fig. 3a) ouverte vers
l'extérieur et formée par deux brides radiales, respectivement amont 42 et
aval 44, disposées en regard l'une de l'autre et solidaires de la paroi
interne 12 du carter d'échappement 10, pour fermer la cavité de moyeu 38
de manière sensiblement étanche et empêcher ainsi la circulation d'air frais
dans cette cavité.
La bride aval 44 est par exemple formée à l'extrémité radialement
externe d'une virole 46 s'étendant radialement vers l'extérieur depuis
l'extrémité amont de la paroi interne 12 du carter d'échappement 10.
La bride amont 42 peut quant à elle être formée par exemple dans le
prolongement d'une bride radiale 48 de fixation d'un carter interne 50,
couramment appelé carter de récupération d'huile, au carter
d'échappement 10, le carter interne 50 s'étendant axialement entre l'arbre
de la turbine et les disques 32 du rotor de cette turbine, en amont du carter
d'échappement 10.
Par ailleurs, le rebord annulaire 28 de l'enveloppe cylindrique 18
comprend à son extrémité radialement externe une collerette cylindrique 52
s'étendant vers l'amont et formant une butée radiale d'appui sur la bride
annulaire amont 42 de la paroi interne 12 du carter d'échappement 10.
Comme le montre la figure 3a, l'étendue axiale de la gorge
annulaire 40 est un peu supérieure à l'épaisseur du rebord annulaire 28 de
l'enveloppe cylindrique 18 de sorte que ce dernier est engagé avec un jeu
axial, par exemple de l'ordre de 1 mm, dans la gorge 40, de manière à
autoriser un glissement radial du rebord annulaire 28 dans la gorge 40.
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Cette possibilité de déplacement radial du rebord 28 à l'intérieur de
la gorge 40 permet d'éviter l'apparition de contraintes mécaniques dans
l'enveloppe cylindrique 18 du fait de phénomènes de dilatation thermique
induits par l'élévation de la température au niveau du carter
d'échappement 10 pendant le fonctionnement de la turbomachine.
Par ailleurs, l'enveloppe cylindrique 18 est formée de telle sorte qu'à
la température ambiante, lorsque la turbomachine est à l'arrêt, le rebord
annulaire 18 s'étend sensiblement jusqu'au fond de la gorge annulaire 40.
Cela permet de maximiser le déplacement radial vers l'extérieur
admissible du rebord annulaire 28, c'est-à-dire le déplacement radial au-
delà duquel le rebord 28 se désengage de la gorge annulaire 40, sous
l'effet de la dilatation thermique de l'enveloppe cylindrique 18.
Les brides radiales 42 et 44 du carter d'échappement ont des
dimensions radiales supérieures à une valeur de déplacement radial du
rebord annulaire 28 considérée comme un maximum admissible dans des
conditions de fonctionnement normal de la turbomachine, afin d'éviter tout
risque de désengagement du rebord 28 hors de la gorge 40.
En outre, l'enveloppe cylindrique 18 est précontrainte axialement
pour appliquer, en condition d'arrêt de la turbomachine, la face amont 54
du rebord annulaire 28 contre la face aval 56 de la bride amont 42 de la
paroi interne 12 du carter d'échappement 10, pour garantir au mieux
l'étanchéité de la liaison entre l'enveloppe cylindrique 18 et la paroi
interne 12 du carter.
En fonctionnement, la dilatation thermique de l'enveloppe cylindrique
tend alors à accroître encore la pression exercée par le rebord 28 sur la
bride amont 42 du carter, si bien que l'étanchéité de la cavité de moyeu 38
est assurée en permanence.
En variante, l'enveloppe cylindrique 18 pourrait être précontrainte
axialement pour appliquer la face aval 58 du rebord annulaire 28 contre la
face amont 60 de la bride aval 44 de la paroi interne 12 du carter
d'échappement 10. Dans ce cas, si la pression de l'air dans la cavité de
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moyeu 38 devient supérieure à la pression de l'air en amont du carter
d'échappement, ou si une dilatation thermique de l'enveloppe
cylindrique 18 conduit son rebord annulaire 28 à se déplacer vers l'amont,
ce dernier se retrouve rapidement plaqué contre la bride amont 42 du
carter d'échappement, de sorte que l'étanchéité de la cavité de moyeu 38
est préservée.
Du fait du maintien de son extrémité amont, l'enveloppe
cylindrique 18 présente des modes propres de vibration de fréquences plus
élevées que dans l'art antérieur.
Cela diminue considérablement les risques de résonance entre cette
enveloppe 18 et un rotor de la turbomachine, et améliore de ce fait la durée
de vie de l'enveloppe 18.
En outre, l'étanchéité de la cavité de moyeu 38 permet, comme cela
a été expliqué ci-dessus, d'améliorer la durée de vie des bras radiaux 16 du
carter d'échappement.
Il se peut toutefois qu'un certain niveau de ventilation de la cavité de
moyeu 38 soit nécessaire, auquel cas il peut être avantageux de ménager
des orifices d'entrée d'air de diamètre déterminé dans la partie annulaire
radiale 26 de l'enveloppe 18.
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