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WO 2014/068220
PCT/FR2013/052519
Moyeu de carter d'échappement pour une turbomachine
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne de manière générale le domaine des
turbomachines, et plus particulièrement les carters d'échappement des
turbomachines.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Une turbomachine présente une direction principale s'étendant selon
un axe longitudinal, et comporte typiquement, d'amont en aval dans le sens
de l'écoulement des gaz, une soufflante, un compresseur basse pression,
un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine
haute pression, et une turbine basse pression comprenant notamment un
carter d'échappement. Le carter d'échappement contribue à délimiter la
veine primaire du fluide (ou flux des gaz) traversant la turbomachine, et
assure, par l'intermédiaire du support de paliers, la concentricité entre le
rotor et le stator de la turbomachine, ainsi que l'accrochage de l'aval du
moteur à la nacelle. Le carter d'échappement est donc l'une des pièces
principales de structure du moteur sujette à des niveaux thermiques très
élevés, et dans lequel transitent des charges de balourds extrêmes.
Ce carter d'échappement comprend conventionnellement :
- un moyeu, centré sur l'axe de la turbomachine,
- une virole externe, coaxiale avec le moyeu, et
- un ensemble de bras, ou manchettes, reliant le moyeu et la virole
externe.
Le moyeu comprend généralement un flasque (de formes très
diverses), connecté au niveau d'une partie interne, à un (ou des) support(s)
de palier(s) adaptés pour centrer le rotor sur l'axe de la turbomachine, et au
niveau d'une partie externe, au cône de sortie (ou cône d'échappement, ou
Plug en anglais) via une bride de fixation externe. Ce flasque est par
ailleurs surmonté d'une tôle délimitant la veine, en partie inférieure, et
présentant des ouvertures adaptées pour recevoir les bras.
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Ces moyeux sont traditionnellement de forme très peu deformable
(dites en Y ou H entre autres), et ce type d'architecture induit de fortes
contraintes dans l'ensemble du carter, par exemple, au niveau de
l'intersection entre le bord d'attaque des bras et le(s) flasque(s). Par
ailleurs, lorsque la turbomachine est en fonctionnement, le carter
d'échappement subit des températures très élevées et des gradients
thermiques transitoires très importants. C'est particulièrement le cas du
moyeu, entre sa partie inférieure, soit au niveau des brides de fixation du
support de paliers, et sa partie supérieure, soit au niveau de la tôle de
veine. Enfin, le moyeu doit être capable de supporter en tenue à la rupture
les efforts et moments résultant d'une perte d'aube.
Il est donc nécessaire que le moyeu soit suffisamment rigide.
Cependant, il doit également être capable d'admettre mécaniquement une
déformation interne suffisante (ou, s'il est associé à des bras tangentiels,
une rotation libre autour de l'axe du carter) pour pouvoir assurer la durée de
vie globale du carter d'échappement.
Compte-tenu de la rigidité du moyeu, les contraintes dues aux forts
gradients thermiques (écarts de températures moyennes et/ou locales)
transitoires se trouvent déplacées vers la virole externe et notamment au
niveau des bords d'attaque et de fuite des bras. Cependant, en
assouplissant le moyeu du carter d'échappement pour répartir les
déformations et limiter les contraintes appliquées aux différentes pièces qui
le constituent, on le sensibilise davantage à son environnement externe
dans la turbomachine, en particulier en vibratoire et sous charges extrêmes.
Il est donc nécessaire de maintenir une rigidité minimum afin que celui-ci
reste stable et robuste même en cas de changement des contraintes
mécaniques et vibratoires subies par la turbomachine (modification des
champs thermiques, des charges extrêmes, etc.).
On cherche donc à proposer un moyeu qui soit à la fois capable de
compenser les dilatations thermiques et d'uniformiser les déformations
radiales sur 3600 au niveau de l'intersection de la paroi de veine interne et
du bord d'attaque des bras, sans pour autant faire obstacle aux
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déformations du reste du carter d'échappement afin d'empêcher la
dégradation prématurée de celui-ci.
Les solutions proposées de nos jours ne sont généralement pas
applicables à tout type de turbomachine, car elles impliquent souvent l'ajout
de pièces, qui représentent à la fois un surcoût et une masse non
négligeables, sont trop complexes à mettre en oeuvre, ou sont trop
volumineuses.
Par exemple, afin de compenser les dilatations relatives des
différentes partie du carter, il a été proposé d'intégrer des bras de manière
tangentielle plutôt que radiale entre le moyeu et la virole externe. De la
sorte, lors des dilatations relatives des pièces dues aux gradients
thermiques dans le carter d'échappement, le moyeu tourne par rapport à la
virole externe, ce qui permet d'éviter le poinçonnement des bras et le risque
de perforation de la virole externe par des déformations relatives différentes
entre deux ou plusieurs pièces adjacentes. Cependant, dans certains
carters d'échappement, la distance entre le moyeu et la virole externe est
très courte, ce qui limite la possibilité de mettre en oeuvre de tels bras
tangentiels. Cette solution n'est donc pas envisageable pour tous les types
de turbomachines.
Il a également été proposé de réaliser la tôle de veine et le flasque
en deux pièces distinctes, afin de permettre leur mouvement relatif lors de
la dilatation thermique des pièces en fonctionnement et de réduire ainsi les
contraintes appliquées à celles-ci et au niveau de leur intersection avec les
bras. Cependant, la séparation de la tôle de veine du moyeu implique
l'utilisation de moyens de fixation supplémentaires, tels que des brides et
des écrous, ce qui augmente l'encombrement du moyeu et donc accroît la
masse globale et le coût du carter. D'importantes fuites de l'écoulement
dans les interstices peuvent en outre résulter de cette forme de réalisation.
Il reste donc nécessaire pour certains carters d'échappement de former le
flasque et la tôle de veine intégralement, c'est-à-dire d'une seule pièce.
On a également proposé dans le document JP 09 324699, un moyeu
d'un carter d'une turbomachine comprenant une paroi de veine interne,
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depuis laquelle s'étendent des aubes et une paroi de connexion de forme
incurvée adaptée pour relier la paroi de veine interne à une bride de fixation
interne. Toutefois, la forme incurvée proposée par ce document forme un
obstacle à l'écoulement susceptible de provoquer des perturbations
aérodynamiques locales. Par ailleurs, la concavité en partie centrale de la
paroi de connexion forme une cavité susceptible de générer des gradients
thermiques parasites très néfastes à ces niveaux de températures.
RESUME DE L'INVENTION
Un objectif de l'invention est donc de proposer un moyeu ainsi qu'un
carter, notamment un carter d'échappement, pouvant être adapté sur un
plus grand nombre de turbomachines, qui permette d'améliorer la durée de
vie du carter, tout en étant capable de supporter les charges vibratoires
extrêmes (dont par exemple les charges induites par la perte d'une aube),
c'est-à-dire, les charges provenant des interfaces du carter (tels que les
paliers, le cône de sortie, ainsi que l'ensemble des pièces adjacentes au
carter d'échappement) ainsi que les gradients thermiques très important
pouvant être atteints en utilisation dans ce type de carter, et de répondre
aux objectifs d'encombrement, de masse et de souplesse, tout en étant
simple à réaliser et pour un coût modéré.
Pour cela, l'invention propose un moyeu de carter d'échappement
d'une turbomachine, comprenant des brides de fixation internes adaptées
pour être fixées à un support de paliers, une paroi une paroi de connexion
annulaire et une paroi de veine interne annulaire, la paroi de connexion
reliant la paroi de veine interne aux brides de fixation internes, dans lequel
une section radiale de la paroi de connexion est courbe, le moyeu
comprenant en outre une série de nervures s'étendant radialement entre la
paroi de connexion et la paroi de veine interne.
Le moyeu présente alors une souplesse suffisante pour lui permet de
supporter les gradients thermiques très importants dans le carter
d'échappement et de laisser respirer globalement le carter
d'échappement afin de ne pas contraindre trop fortement la dilatation de la
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virole externe. Par ailleurs, les nervures, qui forment des renforts
localement
optimisés, permettent de supporter les sollicitations dans le cas d'efforts et
de moments extrêmes générés aux frontières du moyen par la perte
éventuelle d'une aube de soufflante. Enfin, le moyeu ainsi réalisé est
dimensionnellement adapté aux sollicitations dynamiques subies par le
carter d'échappement, dans le respect des spécifications de masse, et peut
être obtenu par une unique étape de fonderie, sans autres opérations
mécano-soudées.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du moyeu
de carter sont les suivantes :
- la paroi de connexion, la paroi de veine interne et les brides de
fixation internes sont formées intégralement,
- la courbure de la section radiale de la paroi de connexion est
dépourvue de point d'inflexion,
- la paroi de connexion présente une concavité orientée vers l'amont
du carter,
- la section radiale de la paroi de connexion comprend, des brides de
fixation internes vers la paroi de veine interne une première portion,
sensiblement droite, s'étendant radialement en direction de l'aval du moyeu
et une deuxième portion, de forme incurvée, dont la concavité est orientée
vers l'amont du moyeu,
- une extrémité amont (par rapport au sens de l'écoulement gazeux
dans le carter d'échappement) de la paroi de connexion, située au niveau
de la jonction entre la paroi de connexion et la paroi de veine interne,
présente une tangente sensiblement parallèle à la paroi de veine interne,
- le moyeu comprend en outre une surépaisseur à l'intersection entre
la paroi de veine interne et la paroi de connexion,
- le moyeu comprend en outre des premières portions de bras,
s'étendant depuis la paroi de veine interne et formées intégralement avec
celle-ci, et adaptées pour être fixées sur des deuxièmes portions de bras
complémentaires du carter,
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- la surépaisseur s'étend au droit d'un bord d'attaque des premières
portions de bras, et
- le moyeu comprend en outre une arête annulaire s'étendant
rad ialement depuis la paroi de veine interne en aval de la série de nervures.
Selon un deuxième aspect, l'invention propose également un carter
d'échappement pour une turbomachine, présentant une direction principale
s'étendant selon un axe longitudinal et comprenant
- un moyeu comme décrit ci-dessus, centré sur l'axe longitudinal,
- une virole externe, coaxiale avec le moyeu, et
- un ensemble de bras reliant la paroi de veine interne du moyeu à la
virole externe.
Selon un troisième aspect, l'invention propose une turbomachine
comprenant un tel carter.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention
apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre,
faite
en référence aux figures annexées données à titre d'exemples non limitatifs
et sur lesquelles :
La figure 1 est une vue en coupe partielle d'un exemple de carter
d'échappement d'une turbomachine conforme à l'invention,
La figure 2 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation
d'un moyeu 2 conforme à l'invention, et
La figure 3 est une vue partielle en perspective de l'exemple de
carter d'échappement de la figure 1, et
La figure 4 est une vue en détails de la figure 1.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION
Dans ce qui suit, l'invention va être décrite dans son application à un
carter d'échappement d'une turbomachine. Ceci n'est cependant pas
limitatif, dans la mesure où elle s'applique à tout carter annulaire soumis à
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des gradients thermiques et devant être capable de supporter des charges
importantes.
Un carter d'échappement 1 d'une turbomachine conforme à
l'invention présente une direction principale s'étendant selon un axe
longitudinal X et comprend:
- un moyeu 2, centré sur l'axe X du carter d'échappement 1,
- une virole externe 3, coaxiale avec le moyeu 2, et
- un ensemble de bras 4, reliant le moyeu 2 et la virole externe 3.
Le moyeu 2 est de forme globalement annulaire et est adapté pour
être connecté en partie interne à des supports de palier 5 via des brides de
fixation internes 24, et en aval, au niveau d'une partie externe, à un cône de
sortie d'échappement via des brides de fixation externes 26.
Le moyeu 2 comprend une paroi de veine interne 20 annulaire,
disposée en regard de la virole externe 3, adaptée pour délimiter la veine
interne de l'écoulement de gaz, de laquelle s'étend radialement vers
l'intérieur une paroi de connexion 22 annulaire. Comme illustré sur la figure
1, l'intersection entre la paroi de connexion 22 et la paroi de veine interne
20 peut se trouver au droit du bord d'attaque BA des bras 4 du carter
d'échappement 1, et comprend une surépaisseur aménagée afin
d'uniformiser dans cette zone les déplacements radiaux sur 360 et limiter
la création de sur-contraintes.
Les brides de fixation internes 24 sont formées d'une pièce avec la
paroi de connexion 22, et s'étendent depuis son extrémité libre 23, tandis
que les brides de fixation externes 26 sont formées intégralement avec la
paroi de veine interne 20 et s'étendent depuis son extrémité libre 21.
Une section radiale (c'est-à-dire dans un plan normal à l'axe
longitudinal X) de la paroi de connexion 22 est courbe et présente une
forme de lyre ou de virgule, ce qui permet de rendre le moyeu 2
suffisamment souple pour accompagner la dilatation des bras 4 et de la
virole externe 3, mais suffisamment rigide d'un point de vue thermique et
mécanique au niveau de l'intersection entre la paroi de veine interne 20 et
le bord d'attaque des bras 4 pour uniformiser les déformations radiales sur
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3600 dans la paroi de veine interne 20. La concavité de la section radiale de
la paroi de connexion 22 est orientée vers l'amont, sans point d'inflexion,
afin de pouvoir se déformer (en s'ouvrant ou en se fermant) et compenser
les dilatations relatives engendrées par les gradients thermiques du moyeu
2 par rapport à la virole externe 3 dans le carter d'échappement 1. La paroi
de connexion 22 peut en effet se déformer en flexion sous l'effet des
différentes déformations, grâce à sa forme qui la rend plus souple.
Par exemple, comme illustré par exemple sur la figure 4, la section
radiale de la paroi de connexion 22 peut comprendre, des brides de fixation
internes 24 vers la paroi de veine interne 20:
- une première portion 22a, sensiblement droite, s'étendant
radialement en direction de la bride de fixation externe 26. Cette première
portion présente donc une section radiale globalement inclinée en direction
de l'aval (dans le sens de l'écoulement des gaz dans le carter
d'échappement) suivant un angle a compris entre 20 et 60 , de préférence
de l'ordre de 40 . Ici, l'angle a est mesuré entre l'axe Xa suivant lequel
s'étend la première portion 22a de la paroi de connexion, et l'axe
sensiblement Y perpendiculaire à l'axe du carter d'échappement passant
par le bord d'attaque BA du bras 4;
- une deuxième portion 22b de forme incurvée, dont la concavité est
orientée vers l'amont du moyeu 2. Par exemple, la section radiale de la
deuxième portion 2b peut présenter un rayon R2 compris entre 15 mm et 30
mm, de préférence entre 15 mm et 20 mm, par exemple de l'ordre de 18,5
mm, et
- une troisième portion 22c, de forme incurvée, dont la concavité est
orientée vers l'amont du moyeu et dont l'extrémité amont est située au
niveau de la jonction entre la paroi de connexion 22 et la paroi de veine
interne 20. Au niveau de cette extrémité amont, la troisième portion 22c
présente une tangente sensiblement parallèle à la paroi de veine interne 20,
de manière à former une jonction adoucie ne perturbant pas l'écoulement
dans le carter d'échappement. La troisième portion 22c et la paroi de veine
interne 20 présentent donc un point de tangence. Par exemple, la section
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radiale de la troisième portion présente un rayon R1 compris entre 5 mm et
20 mm, de préférence entre 10 mm et 15 mm, par exemple de l'ordre de 12
mm.
La deuxième portion 22c et la troisième portion 22c forment
ensemble la partie concave de la paroi de connexion 22.
La première portion 22a d'une part, et la deuxième portion 22b et la
troisième portion 22c d'autre part, présentent une longueur curviligne
sensiblement égale. Par ailleurs, l'intersection entre la paroi de connexion
22 et la paroi de veine interne 20 se trouve globalement à l'aplomb de
l'extrémité libre 23 de la paroi de connexion 22, c'est-à-dire dans le même
plan radial passant par l'axe X du carter 1.
La paroi de connexion 22 peut être relativement fine. Par exemple,
l'épaisseur de la paroi de connexion peut être de l'ordre de l'épaisseur de la
paroi de veine interne, soit entre 1 mm et 3 mm.
Au cours des diverses sollicitations subies par le moyeu 2, le moyeu
2 peut donc se déformer au niveau de la paroi de connexion 22 qui s'ouvre
et fléchit (sa courbure étant alors plus importante qu'au repos) ou s'allonge
et tend à écarter la paroi de veine interne 20 de la bride de fixation interne
24, évitant ainsi d'endommager le reste du moyeu 2 ou le carter
d'échappement 1
La paroi de veine interne 20 peut être formée intégralement avec la
paroi de connexion 22, c'est-à-dire d'une seule pièce, de manière à éliminer
les risques de fuites et réduire l'encombrement et la masse globale du
moyeu 2. Elle est en outre relativement mince afin d'optimiser la masse
globale du moyeu 2, sauf au niveau du bord d'attaque BA, où comme on le
verra par la suite, la paroi de veine interne 20 peut présenter une
surépaisseur annulaire 29 afin d'uniformiser les déformations radiales sur
360 .
La paroi de veine interne 20 et la paroi de connexion 22 sont de
préférence obtenues par coulage dans un matériau conventionnel pour le
moyeu 2, c'est-à-dire un matériau capable de résister, en longue utilisation,
aux très hautes températures subies par le moyeu 2 (de l'ordre de 650 C à
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700 C) tout en supportant la fatigue oligo-cyclique et vibratoire et en
présentant une bonne tenue sous charge. Par exemple, les parois 20 et 22
peuvent être réalisées dans un alliage de nickel-chrome.
Les bras 4 du carter d'échappement 1 s'étendent entre la paroi de
veine interne 20 du moyeu 2 et la virole externe 3. Pour des questions de
faisabilité, les bras 4 sont de préférence réalisés en deux parties, une
première partie 42, formant le pied des bras 4, s'étendant radialement
depuis la paroi de veine interne 20, et une deuxième partie 44, formant le
corps des bras 4, s'étendant rad ialement depuis la virole externe 3.
Les pieds 42 sont de préférence réalisés intégralement avec la paroi
de veine interne 20 du moyeu 2, tandis que les corps 44 peuvent être
formés intégralement avec la virole 3, par exemple par coulage. Les deux
parties de bras 42, 44 sont alors positionnées en regard afin d'être fixées
ensemble, par exemple par soudure le long d'un plan de soudure 43, afin
de relier le moyeu 2 et la virole externe 3.
Selon une forme de réalisation, les pieds 42 s'étendent sur une
hauteur inférieure ou égale à un quart de la hauteur totale des bras 4. Le
démoulage du moyeu 2, formé d'une partie des brides de fixation internes
24 et externes 26, des parois de connexion 22, de la veine interne 20 et des
pieds 42, peut alors être réalisé plus facilement que si le plan de soudure 43
était plus éloigné de la paroi interne de veine 20. Les pieds 42 ont
cependant une hauteur non nulle afin de ne pas interférer, compte tenu du
plan de soudure 43, avec le rayon de raccordement des bras 4 à la paroi de
veine interne 20.
Afin d'améliorer la tenue en charge, notamment en charges extrêmes
(perte d'aube, etc.) ou des paliers, la paroi de veine interne 20 du moyeu 2
peut en outre comprendre des nervures 28. Les nervures 28 s'étendent de
préférence entre la paroi de veine interne 20 et la paroi de connexion 22, en
regard des bras 4 du carter d'échappement 1. Cela améliore la résistance
aux déformations du moyeu 2 résultant des contraintes thermiques et du
chargement en charges extrêmes.
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Par exemple, le moyeu 2 peut comprendre deux nervures 28 en
regard de chaque bras 4 du carter d'échappement 1.
Les nervures 28 peuvent être formées intégralement avec la paroi de
veine interne 20 et la paroi de connexion 22. Comme illustré sur les figures
2 et 3, les nervures peuvent chacune comprendre deux arêtes radiales 28a,
28b, disposées dans le prolongement de la paroi d'extrados et de la paroi
d'intrados respectivement, et qui s'étendent parallèlement à l'axe X de la
paroi de connexion 20 vers l'extrémité aval 21 de la paroi de veine interne
20, jusqu'au droit du bord de fuite BF des bras 4. Les arêtes radiales 28a,
28b des nervures ont par conséquent d'abord une forme convergente de
l'amont vers l'aval dans le sens de l'écoulement des gaz, puis se rejoignent,
et sont ainsi capables de mieux supporter le chargement imposé par les
bras 4 et le support de paliers au moyeu 2.
La hauteur des nervures 28 (selon la direction radiale par rapport à
l'axe X) peut en outre varier entre leur extrémité amont, au niveau de la
paroi de connexion 20, et leur extrémité aval, au droit du bord de fuite BF
des bras 4. Ici, la hauteur des nervures 28 est maximale au niveau de la
paroi de connexion 22, puis diminue en direction aval jusqu'à ce que les
arêtes 28a et 28b se rejoignent, où elle se stabilise jusqu'à l'extrémité aval
des nervures 28, comme illustré sur les figures 2 et 3, afin d'optimiser la
masse globale du moyeu 2 tout en garantissant la tenue en charge par les
nervures 28.
Par ailleurs, le moyeu 2 peut en outre comprendre un raidisseur 28c,
permettant de répartir uniformément les déformations radiales sur 360 en
aval de la paroi de veine interne 20, au voisinage des bords de fuite BF des
bras 4 et de soutenir les nervures sous les charges qui transitent par ces
nervures. Le raidisseur 28c peut notamment être une arête annulaire
coaxiale au moyeu 2, s'étendant radialement depuis la paroi de veine
interne 20 au niveau de l'extrémité aval des nervures 28, soit au droit du
bord de fuite BF des bras 4. Ici, le raidisseur 28c s'étend sur une hauteur
égale à la hauteur de l'extrémité aval des arêtes 28a, 28b de la nervure 28.
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Enfin, le moyeu 2 peut en outre comprendre une surépaisseur 29
annulaire au niveau de l'intersection entre sa paroi de connexion 22 et sa
paroi de veine interne 20, au droit du bord d'attaque BA des bras 4. Cette
surépaisseur 29, qui est visible sur les figures 1 et 3, permet en effet de
d'uniformiser les déformations radiales sur 3600 de la paroi de veine interne
20 malgré les contraintes thermiques ou de charge subies par le carter
d'échappement 1. Cette surépaisseur 29 permet en outre de renforcer
localement le moyeu 2 et d'améliorer sa résistance aux sollicitations dans le
cas d'efforts et de moments extrêmes générés aux frontières du moyeu 2
par la perte éventuelle d'une aube de soufflante.
La surépaisseur 29 est de préférence locale et ne s'étend pas sur
l'ensemble de la paroi de veine interne 20, et reste mince afin de réduire la
masse globale du moyeu 2. Par exemple, la surépaisseur peut présenter
une section radiale d'épaisseur comprise entre 4 mm et 8 mm, typiquement
de l'ordre de 5 mm. Comme visible sur les figures, la surépaisseur 29 peut
être disposée au niveau de la jonction entre la paroi de connexion 22 et la
paroi de veine interne 20, et s'étend globalement le long de la troisième
portion 22c de la paroi de connexion 22.
