CA2631620C - Systeme de dissipation d'energie en cas de rupture d'arbre de turbine dans un moteur a turbine a gaz - Google Patents
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Abstract
La présente invention porte sur un dispositif de freinage, dans un moteur à turbine à gaz, d'une turbine comprenant un rotor, ayant au moins un disque avec une jante, entraînant un arbre et mobile en rotation par rapport à un stator, dispositif en cas de rupture dudit arbre, caractérisé par le fait qu'il comprend un premier organe de freinage, solidaire de ladite jante et pourvu d'au moins un élément de coupe, et un second organe de freinage, solidaire du stator en aval de la jante, comprenant un élément en forme d'anneau réalisé en un matériau susceptible d'être découpé par l'élément de coupe, les deux organes de freinage venant en contact par déplacement axial du rotor après rupture de l'arbre, l'élément de coupe du premier organe de freinage découpant l'élément en forme d'anneau du second organe de freinage.
Description
Système de dissipation d'énergie en cas de rupture d'arbre de turbine dans un moteur à turbine à gaz.
La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz, en particulier des turboréacteurs multiflux, et porte sur un système permettant en cas de rupture d'un arbre de la machine d'en obtenir l'arrêt dans un délai aussi bref que possible.
Dans un turboréacteur multiflux à turbo soufflante, cette dernière est entraînée par la turbine basse pression. Lorsque l'arbre reliant le rotor de soufflante à celui de la turbine se rompt, le couple résistant sur la turbine est brutalement annulé alors que le flux de gaz moteur continue à
transmettre son énergie au rotor. Il s'ensuit une augmentation rapide de la vitesse de rotation du rotor qui est susceptible d'atteindre sa limite de résistance et d'éclater avec les conséquences catastrophiques qui en résultent.
On a proposé d'interrompre l'arrivée de carburant alimentant la chambre de combustion afin d'éliminer la source d'énergie par laquelle le rotor est accéléré. Une solution consiste à surveiller la vitesse de rotation des arbres par des moyens de mesure redondants et à commander l'interruption de l'alimentation en carburant lorsqu'une survitesse est détectée. Selon le brevet US6494046, on mesure les fréquences de rotation aux deux extrémités de l'arbre au niveau des paliers et on les compare en continue et en temps réel.
Des moyens assurant le freinage du rotor lorsque survient un tel incident ont aussi été proposés. Le déplacement axial du rotor consécutif à la rupture de l'arbre déclenche l'actionnement de mécanismes visant à en dissiper l'énergie cinétique. Il s'agit par exemple d'ailettes fixes de la roue adjacente de distributeurs qui sont basculées en direction des aubes du rotor de manière à venir s'interposer entre elles et couper leur trajectoire.
L'énergie cinétique est dissipée par le frottement des pièces entre elles, leur déformation, voire leur rupture. Une solution 'de ce type est décrite dans la demande de brevet EP 1640564 au nom du présent déposant. Selon cette solution des moyens de destruction sont montés sur une roue fixe adjacente à une roue de la turbine à freiner et sont agencés pour cisailler les échasses des aubes du rotor amont en début de déplacement vers l'aval du rotor.
La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz, en particulier des turboréacteurs multiflux, et porte sur un système permettant en cas de rupture d'un arbre de la machine d'en obtenir l'arrêt dans un délai aussi bref que possible.
Dans un turboréacteur multiflux à turbo soufflante, cette dernière est entraînée par la turbine basse pression. Lorsque l'arbre reliant le rotor de soufflante à celui de la turbine se rompt, le couple résistant sur la turbine est brutalement annulé alors que le flux de gaz moteur continue à
transmettre son énergie au rotor. Il s'ensuit une augmentation rapide de la vitesse de rotation du rotor qui est susceptible d'atteindre sa limite de résistance et d'éclater avec les conséquences catastrophiques qui en résultent.
On a proposé d'interrompre l'arrivée de carburant alimentant la chambre de combustion afin d'éliminer la source d'énergie par laquelle le rotor est accéléré. Une solution consiste à surveiller la vitesse de rotation des arbres par des moyens de mesure redondants et à commander l'interruption de l'alimentation en carburant lorsqu'une survitesse est détectée. Selon le brevet US6494046, on mesure les fréquences de rotation aux deux extrémités de l'arbre au niveau des paliers et on les compare en continue et en temps réel.
Des moyens assurant le freinage du rotor lorsque survient un tel incident ont aussi été proposés. Le déplacement axial du rotor consécutif à la rupture de l'arbre déclenche l'actionnement de mécanismes visant à en dissiper l'énergie cinétique. Il s'agit par exemple d'ailettes fixes de la roue adjacente de distributeurs qui sont basculées en direction des aubes du rotor de manière à venir s'interposer entre elles et couper leur trajectoire.
L'énergie cinétique est dissipée par le frottement des pièces entre elles, leur déformation, voire leur rupture. Une solution 'de ce type est décrite dans la demande de brevet EP 1640564 au nom du présent déposant. Selon cette solution des moyens de destruction sont montés sur une roue fixe adjacente à une roue de la turbine à freiner et sont agencés pour cisailler les échasses des aubes du rotor amont en début de déplacement vers l'aval du rotor.
2 Cette solution quoique efficace, entraîne des coûts de réparation importants en raison des dégâts occasionnés sur les aubages.
La présente invention vise une solution simple, efficace et peu onéreuse pour réduire la vitesse de rotation, dans un moteur à turbine à gaz, d'une turbine comprenant un rotor entraînant un arbre et mobile en rotation à
l'intérieur d'un stator, en cas de rupture dudit arbre.
Conformément à l'invention le dispositif de freinage dans un moteur à
turbine à gaz, d'une turbine comprenant un rotor, ayant au moins un disque avec une jante, entraînant un arbre et mobile en rotation par rapport à un stator, est caractérisé par le fait qu'il comprend un premier organe de freinage, solidaire de ladite jante et pourvu d'au moins un élément de coupe, et un second organe de freinage, solidaire du stator en aval de la jante, comprenant un élément en forme d'anneau réalisé en un matériau susceptible d'être découpé par l'élément de coupe du premier organe de freinage, les deux organes de freinage venant en contact par déplacement axial du rotor après rupture de l'arbre, l'élément de coupe du premier organe de freinage découpant l'élément en forme d'anneau du second organe de freinage.
La solution de l'invention consiste donc à dissiper l'énergie du rotor entre deux organes qui sont agencés spécifiquement pour le freinage. Ces moyens permettent d'augmenter la surface de contact en fonction de l' obj ectif visé et d'assurer un coefficient de frottement important.
L'avantage est aussi de permettre de réduire le régime maximal auquel le rotor doit résister sans éclater. Ce régime est celui qui est susceptible d'être atteint lors de la rupture de l'arbre.
En disposant les organes de freinage en dehors de la veine de gaz, on préserve les aubes et on peut localiser la zone où se produit cette dissipation d'énergie.
Pour un moteur comprenant un carter d'échappement, le premier organe est avantageusement solidaire du dernier étage de turbine du rotor et le second organe du carter d'échappement.
Conformément à un mode de réalisation, le premier organe comprend une pluralité d'éléments de coupe répartis autour de l'axe du moteur, et les
La présente invention vise une solution simple, efficace et peu onéreuse pour réduire la vitesse de rotation, dans un moteur à turbine à gaz, d'une turbine comprenant un rotor entraînant un arbre et mobile en rotation à
l'intérieur d'un stator, en cas de rupture dudit arbre.
Conformément à l'invention le dispositif de freinage dans un moteur à
turbine à gaz, d'une turbine comprenant un rotor, ayant au moins un disque avec une jante, entraînant un arbre et mobile en rotation par rapport à un stator, est caractérisé par le fait qu'il comprend un premier organe de freinage, solidaire de ladite jante et pourvu d'au moins un élément de coupe, et un second organe de freinage, solidaire du stator en aval de la jante, comprenant un élément en forme d'anneau réalisé en un matériau susceptible d'être découpé par l'élément de coupe du premier organe de freinage, les deux organes de freinage venant en contact par déplacement axial du rotor après rupture de l'arbre, l'élément de coupe du premier organe de freinage découpant l'élément en forme d'anneau du second organe de freinage.
La solution de l'invention consiste donc à dissiper l'énergie du rotor entre deux organes qui sont agencés spécifiquement pour le freinage. Ces moyens permettent d'augmenter la surface de contact en fonction de l' obj ectif visé et d'assurer un coefficient de frottement important.
L'avantage est aussi de permettre de réduire le régime maximal auquel le rotor doit résister sans éclater. Ce régime est celui qui est susceptible d'être atteint lors de la rupture de l'arbre.
En disposant les organes de freinage en dehors de la veine de gaz, on préserve les aubes et on peut localiser la zone où se produit cette dissipation d'énergie.
Pour un moteur comprenant un carter d'échappement, le premier organe est avantageusement solidaire du dernier étage de turbine du rotor et le second organe du carter d'échappement.
Conformément à un mode de réalisation, le premier organe comprend une pluralité d'éléments de coupe répartis autour de l'axe du moteur, et les
3 éléments sont réalisés par usinage avec la jante. Les éléments de coupe sont en forme de couteaux agencés pour creuser l'élément en forme d'anneau avec enlèvement de matière.
Conformément à une autre caractéristique, l'élément en forme d'anneau est rapporté sur un flasque monté sur le stator.
L'invention porte également sur un moteur à turbine à gaz à double corps avec une section de turbine basse pression dont ladite section est équipée d'un tel dispositif de freinage.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description d'un mode de réalisation non limitatif de l'invention en référence aux dessins sur lesquels La figure 1 montre une demi-coupe axiale de la section de turbine d'un moteur à turbine à gaz double corps, La figure 2 montre un dispositif de freinage aménagé sur la section de turbine basse pression du moteur à turbine à gaz.
On voit sur la figure 1, une partie de la section de turbine 1 d'un moteur à
turbine à gaz. Dans un moteur à double corps et double flux, la section de turbine 1 comprend une turbine haute pression en amont et non visible sur la figure, qui reçoit les gaz chauds de la chambre de combustion. Les gaz après avoir traversé l'aubage de la roue de turbine haute pression sont dirigés, à travers une roue de distributeurs 3 fixes, sur la section de turbine basse pression 5. Cette section 5 est composée d'un rotor 6 formé ici en tambour de l'assemblage de plusieurs disques 61, 62, 63 aubagés, trois dans cet exemple. Les aubes, comprenant une pale et un pied, sont montées, généralement individuellement, à la périphérie des disques dans des logements ménagés sur la jante. Des roues de distributeurs 7 fixes sont interposées entre les étages de turbine, chacune pour orienter convenablement le flux gazeux par rapport à l'aubage mobile aval. Cet ensemble forme la section 5 de turbine basse pression. Le rotor 6 de la turbine basse pression est monté sur un arbre 8, concentrique à l'arbre haute pression 9, qui se prolonge axialement vers l'avant du moteur où il est solidaire du rotor de soufflante. L'ensemble tournant est supporté par des paliers appropriés situés dans les parties avant et arrière du moteur. Sur la figure 1, on voit l'arbre 8 supporté par un palier 81, dans le carter
Conformément à une autre caractéristique, l'élément en forme d'anneau est rapporté sur un flasque monté sur le stator.
L'invention porte également sur un moteur à turbine à gaz à double corps avec une section de turbine basse pression dont ladite section est équipée d'un tel dispositif de freinage.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description d'un mode de réalisation non limitatif de l'invention en référence aux dessins sur lesquels La figure 1 montre une demi-coupe axiale de la section de turbine d'un moteur à turbine à gaz double corps, La figure 2 montre un dispositif de freinage aménagé sur la section de turbine basse pression du moteur à turbine à gaz.
On voit sur la figure 1, une partie de la section de turbine 1 d'un moteur à
turbine à gaz. Dans un moteur à double corps et double flux, la section de turbine 1 comprend une turbine haute pression en amont et non visible sur la figure, qui reçoit les gaz chauds de la chambre de combustion. Les gaz après avoir traversé l'aubage de la roue de turbine haute pression sont dirigés, à travers une roue de distributeurs 3 fixes, sur la section de turbine basse pression 5. Cette section 5 est composée d'un rotor 6 formé ici en tambour de l'assemblage de plusieurs disques 61, 62, 63 aubagés, trois dans cet exemple. Les aubes, comprenant une pale et un pied, sont montées, généralement individuellement, à la périphérie des disques dans des logements ménagés sur la jante. Des roues de distributeurs 7 fixes sont interposées entre les étages de turbine, chacune pour orienter convenablement le flux gazeux par rapport à l'aubage mobile aval. Cet ensemble forme la section 5 de turbine basse pression. Le rotor 6 de la turbine basse pression est monté sur un arbre 8, concentrique à l'arbre haute pression 9, qui se prolonge axialement vers l'avant du moteur où il est solidaire du rotor de soufflante. L'ensemble tournant est supporté par des paliers appropriés situés dans les parties avant et arrière du moteur. Sur la figure 1, on voit l'arbre 8 supporté par un palier 81, dans le carter
4 structural, désigné carter d'échappement 10. Le carter d'échappement est pourvu de moyens d'attaches pour un montage sur un aéronef.
Lorsque l'arbre 8 se rompt accidentellement, l'ensemble mobile de la turbine basse pression se déplace vers l'arrière, vers la droite sur la figure, en raison de la pression exercée par les gaz. Par ailleurs, il est accéléré en rotation en raison de la disparition de son couple résistant combinée à la poussée tangentielle que les gaz chauds continuent d'exercer sur les aubages mobiles pendant leur traversée de la turbine.
Pour empêcher, conformément à l'invention, que le rotor de turbine s'emballe et que sa vitesse atteigne le régime maximal autorisé avant d'éclater, un dispositif de freinage est incorporé à la section de turbine.
Ce dispositif 100 est représenté sur la figure 2 qui est une vue partielle en perspective du disque de turbine 63' et du carter d'échappement.
Le disque 63' correspond au disque 63 de la figure 1 modifié
conformément à l'invention. Le disque 63' a une forme conventionnelle ou autre, selon cet exemple avec un moyeu 63A, une jante 63'B à sa périphérie et un voile radial 63'C de faible épaisseur entre le moyeu et la jante. La jante 63'B est pourvue de moyens d'attache des aubes qui s'étendent en direction radiale dans le canal annulaire parcouru par le gaz moteur. Les aubes et leur moyen d'attache ne font pas partie de l'invention et n'ont pas été représentés dans leur ensemble sur la figure une silhouette seule dans le plan de coupe est visible. Le carter d'échappement 10 est représenté dans sa partie qui est en vis-à-vis du disque 63'. Il comprend une plateforme annulaire 10A formant la paroi intérieure du canal des gaz dans le prolongement des plateformes à la périphérie du disque 63' du dernier étage de turbine. Des aubes de redresseur lOB s'étendent radialement dans le canal annulaire. La plateforme IOA s'étend axialement en amont vers le disque 63' par une languette annulaire l0A' d'étanchéité.
Le dispositif de freinage 100 de l'invention est décrit ci-après. Il comprend un premier organe de freinage 110 qui est constitué d'éléments de coupe 110A. Le premier organe de freinage 110 est solidaire de la jante 63'B.
Plus précisément pour cet exemple, l'organe 110 est solidaire d'une bride radiale 63'Bl en aval au niveau de la jante. Les éléments 110A sont, selon l'exemple représenté, des dents inclinées dans le sens de rotation du disque.
Leur extrémité distale est en forme de biseau et est taillée de manière à
former un moyen de coupe, tel un ciseau. L'arête de coupe est ici radiale ou bien sensiblement radiale.
Lorsque l'arbre 8 se rompt accidentellement, l'ensemble mobile de la turbine basse pression se déplace vers l'arrière, vers la droite sur la figure, en raison de la pression exercée par les gaz. Par ailleurs, il est accéléré en rotation en raison de la disparition de son couple résistant combinée à la poussée tangentielle que les gaz chauds continuent d'exercer sur les aubages mobiles pendant leur traversée de la turbine.
Pour empêcher, conformément à l'invention, que le rotor de turbine s'emballe et que sa vitesse atteigne le régime maximal autorisé avant d'éclater, un dispositif de freinage est incorporé à la section de turbine.
Ce dispositif 100 est représenté sur la figure 2 qui est une vue partielle en perspective du disque de turbine 63' et du carter d'échappement.
Le disque 63' correspond au disque 63 de la figure 1 modifié
conformément à l'invention. Le disque 63' a une forme conventionnelle ou autre, selon cet exemple avec un moyeu 63A, une jante 63'B à sa périphérie et un voile radial 63'C de faible épaisseur entre le moyeu et la jante. La jante 63'B est pourvue de moyens d'attache des aubes qui s'étendent en direction radiale dans le canal annulaire parcouru par le gaz moteur. Les aubes et leur moyen d'attache ne font pas partie de l'invention et n'ont pas été représentés dans leur ensemble sur la figure une silhouette seule dans le plan de coupe est visible. Le carter d'échappement 10 est représenté dans sa partie qui est en vis-à-vis du disque 63'. Il comprend une plateforme annulaire 10A formant la paroi intérieure du canal des gaz dans le prolongement des plateformes à la périphérie du disque 63' du dernier étage de turbine. Des aubes de redresseur lOB s'étendent radialement dans le canal annulaire. La plateforme IOA s'étend axialement en amont vers le disque 63' par une languette annulaire l0A' d'étanchéité.
Le dispositif de freinage 100 de l'invention est décrit ci-après. Il comprend un premier organe de freinage 110 qui est constitué d'éléments de coupe 110A. Le premier organe de freinage 110 est solidaire de la jante 63'B.
Plus précisément pour cet exemple, l'organe 110 est solidaire d'une bride radiale 63'Bl en aval au niveau de la jante. Les éléments 110A sont, selon l'exemple représenté, des dents inclinées dans le sens de rotation du disque.
Leur extrémité distale est en forme de biseau et est taillée de manière à
former un moyen de coupe, tel un ciseau. L'arête de coupe est ici radiale ou bien sensiblement radiale.
5 Ce premier organe de freinage (110) peut être rapporté sur la bride 63'B 1 de la jante 63'B mais il peut être aussi obtenu par usinage ensemble avec la jante à partir d'une ébauche venue de fonderie. Dans ce cas il est constitué
du même métal que la jante. Sa dureté lui correspond.
Le second organe de freinage 120 est monté sur le stator formé par le carter d'échappement 10. Il comprend un flaque annulaire 120B boulonné sur une nervure annulaire du carter 10 sous la languette 10A'. Le flasque 120B
comprend une bride radiale 120B1 positionnée en aval du premier organe de freinage 110. Un élément en forme d'anneau 120A est solidaire de la bride 120B 1. Cet élément en anneau 120A est à section rectangulaire avec une face radiale perpendiculaire à l'axe de rotation, maintenue à faible distance en aval des arêtes des éléments de coupe (110A) formant le premier organe de freinage (110).
Le matériau constituant l'élément en forme d'anneau 120A est de dureté
inférieure à celle des éléments de coupe 110A. Il peut être constitué d'une pièce avec le flasque 120B mais peut aussi bien avoir été rapporté sur la bride.
En fonctionnement normal, le disque de turbine tourne autour de son axe et les éléments de coupe 110A se déplacent en rotation autour de l'axe moteur, parallèlement à la face avant de l'élément en anneau 120A sans le toucher de préférence.
La combinaison des éléments 110A et 120A doit permettre, lorsque le disque se déplace axialement vers l'aval en raison de la rupture de l'arbre 8, aux éléments de coupe 110A de frotter contre l'élément en anneau 120A.
La rotation associée à la pression conduit à la découpe de l'élément 120A
par les éléments de coupe 110A à l'instar d'un outil de coupe conventionnel. L'énergie est fournie par le rotor en rotation et est ainsi dissipée.
La géométrie des éléments de coupe 110A ; angle du biseau, longueur de l'arête de coupe, et le matériau qui les constitue sont déterminés conjointement et en relation avec le matériau de l'élément annulaire 120A.
du même métal que la jante. Sa dureté lui correspond.
Le second organe de freinage 120 est monté sur le stator formé par le carter d'échappement 10. Il comprend un flaque annulaire 120B boulonné sur une nervure annulaire du carter 10 sous la languette 10A'. Le flasque 120B
comprend une bride radiale 120B1 positionnée en aval du premier organe de freinage 110. Un élément en forme d'anneau 120A est solidaire de la bride 120B 1. Cet élément en anneau 120A est à section rectangulaire avec une face radiale perpendiculaire à l'axe de rotation, maintenue à faible distance en aval des arêtes des éléments de coupe (110A) formant le premier organe de freinage (110).
Le matériau constituant l'élément en forme d'anneau 120A est de dureté
inférieure à celle des éléments de coupe 110A. Il peut être constitué d'une pièce avec le flasque 120B mais peut aussi bien avoir été rapporté sur la bride.
En fonctionnement normal, le disque de turbine tourne autour de son axe et les éléments de coupe 110A se déplacent en rotation autour de l'axe moteur, parallèlement à la face avant de l'élément en anneau 120A sans le toucher de préférence.
La combinaison des éléments 110A et 120A doit permettre, lorsque le disque se déplace axialement vers l'aval en raison de la rupture de l'arbre 8, aux éléments de coupe 110A de frotter contre l'élément en anneau 120A.
La rotation associée à la pression conduit à la découpe de l'élément 120A
par les éléments de coupe 110A à l'instar d'un outil de coupe conventionnel. L'énergie est fournie par le rotor en rotation et est ainsi dissipée.
La géométrie des éléments de coupe 110A ; angle du biseau, longueur de l'arête de coupe, et le matériau qui les constitue sont déterminés conjointement et en relation avec le matériau de l'élément annulaire 120A.
Claims (8)
1. Dispositif de freinage, dans un moteur à turbine à gaz, d'une turbine comprenant un rotor, ayant au moins un disque avec une jante, entraînant un arbre et mobile en rotation par rapport à un stator, dispositif en cas de rupture dudit arbre, caractérisé par le fait qu'il comprend un premier organe de freinage, solidaire de ladite jante et pourvu d'au moins un élément de coupe, et un second organe de freinage, solidaire du stator en aval de la jante, comprenant un élément en forme d'anneau réalisé en un matériau susceptible d'être découpé par l'élément de coupe, les deux organes de freinage venant en contact par déplacement axial du rotor après rupture de l'arbre, l'élément de coupe du premier organe de freinage découpant l'élément en forme d'anneau du second organe de freinage.
2. Dispositif selon la revendication 1, le moteur comprenant un carter d'échappement, dont le premier organe de freinage est solidaire du dernier étage de turbine du rotor et le second organe de freinage du carter d'échappement.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 dont le premier organe de freinage comprend une pluralité d'éléments de coupe répartis autour de l'axe du moteur.
4. Dispositif selon la revendication 1 dont les éléments de coupe du premier organe de freinage sont réalisés par usinage avec la jante.
5. Dispositif selon la revendication 1 dont les éléments de coupe du premier organe de freinage sont réalisés par usinage sur un élément rapporté et fixé sur la jante.
6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5 dont les éléments de coupe sont en forme de couteaux agencés pour creuser l'élément en forme d'anneau du second organe de freinage avec enlèvement de matière.
7. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 dont l'élément en forme d'anneau du second organe de freinage est rapporté sur un flasque monté sur le stator.
8. Moteur à turbine à gaz à double corps avec une section de turbine basse pression dont ladite section est équipée d'un dispositif de freinage selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
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| FR0703759A FR2916483B1 (fr) | 2007-05-25 | 2007-05-25 | Systeme de dissipation d'energie en cas de rupture d'arbre de turbine dans un moteur a turbine a gaz |
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