FR2859002A1 - Dispositif abradable sur carter de soufflante d'un moteur de turbine a gaz - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne une turbomachine d'axe de rotation B comprenant un carter (10) de soufflante et une soufflante (V) à aubes mobiles (17). Un jeu s'étend entre la surface interne du carter et les extrémités libres des aubes. Un palier de la soufflante est relié à des parties fixes de la turbomachine par des liaisons telles qu'en cas de charge sur les aubes de la soufflante, ces liaisons cassent et l'axe de rotation de la soufflante oscille autour de l'axe de rotation B. Le carter comprend, collée sur sa surface interne et sur une partie de l'étendue du jeu, une couche de mousse thermo-formable (12) placée en vis à vis des extrémités des aubes (17) de la soufflante (V). La couche de mousse thermo-formable (12) est recouverte en partie d'une couche de substance abradable (14), l'épaisseur de la couche de substance abradable (14) est telle que les extrémités libres des aubes de la soufflante n'atteignent pas la couche de mousse lors du fonctionnement normal de la turbomachine, et en cas de charge sur la soufflante, les extrémités libres des aubes fragmentent au moins en partie la couche de substance abradable (14).
Description
Dispositif abradable sur carter de soufflante d'un moteur de turbine à gaz
L'invention concerne le domaine des moteurs de turbine à gaz, et plus particulièrement des carters de soufflante de moteur de turbine à gaz.
Dans le cas de moteurs d'avion, un disque aubagé de soufflante se trouve sur la partie rotor à l'entrée du moteur et précède les disques aubagés du compresseur. Ce disque aubagé de soufflante permet d'accélérer l'air avant l'entrée dans les étages du compresseur. Ce disque aubagé de soufflante est susceptible de recevoir des corps étrangers tels que glaçons, oiseaux ou autres. De ce fait, ce disque aubagé est susceptible de se déformer, de provoquer un balourd sur l'arbre de support de la soufflante et des charges cycliques et de vibrations communiquées par les paliers de support de l'arbre de soufflante aux parties fixes de la turbomachine, auxquelles sont reliées ces paliers de support.
Pour éviter la communication de ces charges et vibrations, il est connu de la demande FR 2 752 024 de mettre en place un palier dit "fusible", c'est-à-dire que le palier supportant l'arbre de la soufflante est relié aux parties fixes de la turbomachine par des liaisons assez faibles pour qu'elles cassent dès qu'une certaine charge est exercée sur les aubes de la soufflante. Ces liaisons faibles peuvent être des liaisons par vis par exemple. Une fois la liaison cassée, le disque aubagé de la soufflante continue de tourner librement ce qui évite de transmettre des efforts sur les parties fixes de la turbomachine. Toutefois, l'axe de rotation du disque aubagé de la soufflante oscille autour de l'axe de rotation fixe de la turbomachine. Cette oscillation engendre celle des aubes qui touchent alors violemment le carter de la soufflante. Ce dernier est ainsi fortement sollicité mécanique-ment, voire déchiré, lors de ces chocs.
Pour y remédier, il a été développé des panneaux collés à l'intérieur du carter de la soufflante, ces panneaux étant composés d'une structure en nid d'abeille nomex rempli de matériau abradable, collé à un tissu de verre, lui-même collé à un nid d'abeille en aluminium, l'ensemble étant collé au carter de la soufflante. Une telle technologie est coûteuse et les réparations doivent être réalisées dans des ateliers spécifiques, notamment dans le cas de carters de forme spécifique, par exemple conique.
La présente invention vient améliorer la situation.
L'invention concerne une turbomachine d'axe de rotation comprenant un carter de soufflante et une soufflante à aubes mobiles, un jeu s'étendant entre la surface interne du carter et les extrémités libres des aubes, un palier de la soufflante étant relié à des parties fixes de la turbomachine par des liaisons telles qu'en cas de charge sur les aubes de la soufflante, ces liaisons cassent et l'axe de rotation de la soufflante oscille autour de l'axe de rotation de la turbomachine.
Selon une première caractéristique de l'invention, le carter comprend, collée sur sa surface interne et sur au moins une partie de l'étendue du jeu, une couche de mousse thermoformable placée en vis à vis des extrémités des aubes de la soufflante, la couche de mousse thermoformable étant recouverte en partie d'une couche de substance abradable, l'épaisseur de la couche de substance abradable étant telle que les extrémités libres des aubes de la soufflante n'atteignent pas la couche de mousse lors du fonctionnement normal de la turbomachine, et en cas de charge sur la soufflante, les extrémités libres des aubes fragmentent au moins en partie l'ensemble des couches d'abradable et de mousse thermoformable.
Des caractéristiques optionnelles de la turbomachine selon l'invention, complémentaires ou de substitution, sont énoncées ci-après: - l'épaisseur de la couche de mousse et de la couche de substance abradable est telle qu'il existe un jeu restant entre les extrémités libres des aubes de la soufflante et la couche de substance abradable lors du fonctionnement normal du moteur, ce jeu restant étant suffisamment réduit pour limiter le passage de l'air afin de conserver un écoulement dynamique de l'air dont la trajectoire est forcée par les aubes de la soufflante, - la couche de mousse thermo-formable est constituée de secteurs préformés, - la couche de mousse thermo-formable est une couche de mousse imide polyacrylique, la couche de substance abradable est en résine époxy chargée de billes de verre, - la couche de substance abradable est en silicone chargée de 20 billes de verre, - la couche de substance abradable adhère directement ou indirectement à la couche de mousse thermo-formable.
Les figures ci-après illustrent de manière non limitative des modes de réalisation de l'invention: - la figure 1 représente une vue en coupe d'une partie avant d'une turbomachine comprenant une soufflante reliée par un 30 palier fusible aux parties fixe de la turbomachine, - la figure 2A représente en coupe une partie de l'entrée du moteur de turbine à gaz comprenant un exemple de carter de soufflante selon l'art antérieur, - la figure 2B représente en coupe une partie de l'entrée du moteur de turbine à gaz comprenant un exemple de carter de soufflante selon l'invention, la figure 3 est un détail de la figure 2B représentant l'interaction entre une aube de soufflante et le carter de soufflante selon l'invention.
Les dessins contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la description, mais aussi contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant.
La figure 1 représente une coupe de turbomachine T selon son axe de rotation. Cette coupe comprend une soufflante V permettant d'accélérer l'air avant l'entrée dans les étages d'un compresseur C, puis d'un compresseur haute-pression CC. La soufflante V comprend un disque muni d'aubes 17 raccordé par vissage au bout avant BA d'un arbre de soufflante AV monté sur un palier avant PAV et un palier arrière PAR comme détaillé dans la demande FR 2 752 024. Les paliers avant et arrière sont soutenus par des pièces de support reliées à une partie fixe de la turbomachine (stator), au moins un des paliers étant relié par des liaisons suffisamment fragiles pour casser lors d'une charge excessive sur une aube de la soufflante. Un tel palier est appelé "palier fusible". Ces liaisons faibles peuvent être des liaisons par vis dont la section est réduite sur une partie de la longueur de la vis par exemple. Une fois la liaison cassée, le disque aubagé de la soufflante continue de tourner librement ce qui évite de transmettre des efforts sur les parties fixes de la turbomachine. Toutefois, l'axe de rotation du disque aubagé de la soufflante oscille autour de l'axe de rotation fixe de la turbomachine. Cette oscillation engendre celle des aubes qui touchent alors violemment le carter de la soufflante. Ce dernier est ainsi fortement sollicité mécaniquement, voire déchiré, lors de ces chocs.
Comme connu de l'homme du métier, la figure 2A représente une partie de turbomachine T comprenant une soufflante V suivi d'un compresseur C. Cette partie de turbomachine comprend un carter 10 formant la partie stator S de la soufflante V et un carter formant la partie rotor R de la turbomachine. L'arbre de la partie rotor de la turbomachine est entraînée en rotation par une turbine située en aval du compresseur. L'axe de rotation est noté B. La surface externe du carter de la partie rotor et la surface interne du carter de la partie stator délimitent une "veine d'écoulement" pour le flux d'air. Sur le rotor R est fixé le disque aubagé 18 de la soufflante V comprenant des aubes 17. Le disque aubagé de soufflante se trouve à l'entrée du moteur et précède les disques aubagés du compresseur. Sur la figure 2A, l'arbre de la soufflante est supposé être supporté par au moins un palier avant PAV formant un palier fusible. Pour répondre aux chocs des aubes de la soufflante contre le carter 10, il a été développé des panneaux 3 collés à l'intérieur de ce carter 10 de soufflante, ces panneaux étant composés d'une structure en nid d'abeille nomex rempli de matériau abradable, collé à un tissu de verre, lui-même collé à un nid d'abeille en aluminium, l'ensemble étant collé au carter de soufflante. L'épaisseur de ces panneaux permet de conserver la veine d'écoulement pour qu'en fonctionnement normal, l'extrémité des aubes du disque de la soufflante n'entre pas en contact avec ces panneaux. La technologie des panneaux de la figure 2A présentent des inconvénients de coût, et la réparation et la mise en place de ces panneaux doit se faire en ateliers équipés. De plus, les matériaux utilisés ne sont pas isotropes, la fabrication de la structure en nids d'abeille pour un carter de forme spéciale (par exemple conique) est plus complexe en raison des caractéristiques mécaniques de cette structure et les nids d'abeille sont soumis au flambage.
L'invention permet de remédier à ces inconvénients.
Comme sur la figure 2A, la figure 2B illustre une partie de turbomachine T comprenant la soufflante V suivie du compres- seur C. Sur le rotor R est fixé le disque aubagé 18 de la soufflante V comprenant des aubes 17. On se référera égale- ment à la figure 3 représentant en détail le carter 10 positionné en vis à vis des extrémités des aubes du disques aubagé 18. Dans l'exemple de la figure 2B, le carter 10 a une forme générale de tronc de cône dont l'axe de symétrie coïncide avec l'axe de rotation B de la turbomachine. D'amont en aval, c'est à dire dans le sens d'écoulement du flux d'air ou encore de l'entrée de la soufflante vers l'entrée du compresseur, le carter 10 de la soufflante V comprend une première partie de tronc de cône 20 reliée à un anneau de décrochement diamétral 21 lui-même relié à une deuxième partie de tronc de cône 22. La surface interne de la première partie de tronc de cône 20 délimite la veine d'écoulement de l'air. Les extrémités des aubes sont placées en vis à vis de la surface interne de la deuxième partie de tronc de cône 22 et sont éloignées de cette surface interne par un espace annulaire interne 15. On parle d'un jeu e, par exemple de 20 mm entre la surface interne du carter de soufflante et les extrémités libres des aubes.
Sur au moins une partie de la paroi interne de la deuxième partie de tronc de cône est collée une couche de mousse thermo-formable 19 par l'intermédiaire d'un film d'adhésif 12. Dans l'exemple des figures 2B et 3, la couche de mousse thermo- formable a une forme complémentaire de celle de l'espace annulaire interne de manière à emplir ce dernier.
Avantageusement, la couche de mousse a une largeur axiale 1g correspondant au moins à la largeur axiale le selon l'axe B de l'extrémité libre des aubes 17 de la soufflante V. La couche de mousse thermo-formable 19 est recouverte d'une couche de substance abradable 14, sur au moins la largeur axiale le des extrémités des aubes. L'épaisseur de la couche de substance abradable est telle que les extrémités libres des aubes de la soufflante n'atteignent pas la couche de mousse lors du fonctionnement normal du moteur. Avantageuse- ment, la couche de mousse thermo-formable recouverte de substance abradable emplit entièrement l'espace annulaire interne et est usinée de manière à ce qu'il n'y ait pas de discontinuité avec la surface interne de la première partie de cône, la veine d'écoulement étant ainsi conservée. Plus particulièrement, l'épaisseur de la couche de substance abradable est telle qu'il existe un jeu entre les extrémités libres des aubes de la soufflante et la couche de substance abradable lors du fonctionnement normal du moteur, ce jeu étant suffisamment réduit pour limiter le passage de l'air afin de conserver un écoulement dynamique de l'air dont la trajectoire est forcée par les aubes de la soufflante. En aval de cette couche peuvent être positionnés des panneaux acoustiques 13 de manière à conserver la continuité de la veine d'écoulement.
Dans l'exemple des figures 2B et 3, la largeur 1g est 10 supérieure à la largeur le et l'espace annulaire interne 15 est délimité par une butée en amont.
D'autres réalisations sont possibles: par exemple, le carter de soufflante peut être constitué d'une seule pièce (tronco- nique, cylindrique ou autre) à symétrie de révolution recouverte sur sa surface interne d'un écran protecteur constitué d'une couche de mousse thermo-formable, elle-même recouverte en partie d'une substance abradable. Comme précédemment, les couches de mousse thermo-formable et de substance abradable, appelées couches d'abradable "grand jeu", sont placées en vis à vis des extrémités des aubes. Le carter de soufflante présente un jeu entre sa surface interne et les extrémités libres des aubes de manière à coller une certaine épaisseur de couches sur la surface interne du carter, par exemple de l'ordre de 20 mm. La veine d'écoulement est conservée par la mise en place, en amont et en aval des couches protectrices, de panneaux acoustiques par exemple.
La protection du carter, en cas de rupture de la liaison cassante du palier fusible, se fait par l'écran constitué de mousse thermo-formable et de la substance abradable. Dans ce cas, les paliers de l'arbre de la soufflante ne sont plus reliés aux parties fixes de la turbomachine et l'axe de rotation de la soufflante oscille autour de l'axe de rotation B de la turbomachine. Les extrémités des aubes viennent creuser l'écran par fragmentation de matière. Avantageuse- ment, la présence de la couche de mousse thermoformable offre une résistance à l'enlèvement de matière moindre que la couche de substance abradable, ce qui permet la pulvérisation de l'ensemble des couches d'abradable "grand jeu" en cas de rupture des fusibles du palier.
Pour faciliter la mise en place de la couche de mousse thermo-formable, celle-ci est constituée de secteurs préformés. A titre d'exemple, la couche de mousse thermo-formable est une couche de mousse imide polyacrylique. Egalement à titre d'exemple, la couche de substance abradable peut être en résine époxy chargée de billes de verre, en silicone chargée de billes de verre ou tout autre matière ayant les propriétés d'abrasion d'une substance abradable.
Plus particulièrement, la couche de substance abradable adhère à la couche de mousse thermo-formable par ses propriétés adhésives et par diffusion dans les cellules de la mousse thermo-formable.
Grâce à ces couches d'abradable "grand jeu", le carter n'est pas endommagé lors d'un fonctionnement anormal (par exemple en cas d'ingestion d'un corps étranger). L'utilisation de mousse thermo-formable permet une mise en forme simple, l'usinage pouvant se faire avant la mise en forme, par exemple pour une partie conique de carter de soufflante, profil évolutif. La réparation des couches d'abradable "grand jeu" peut s'effectuer sans matériel requérant un atelier spécifique, ce qui offre un gain de temps et d'argent.
L'épaisseur de ces couches permet de conserver la veine d'écoulement pour qu'en fonctionnement normal, l'extrémité des aubes du disque de la soufflante n'entre pas en contact avec ces couches.
L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation de dispositif de fixation décrits ci-avant, seulement à titre d'exemple, mais elle englobe toutes les variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre des revendications ci-après.
L'invention ne s'applique pas uniquement au carter de forme tronconique mais peut s'appliquer dans le cas de toutes autres formes de carter, par exemple cylindrique.
Claims (8)
1. Turbomachine d'axe de rotation B comprenant un carter (10) de soufflante et une soufflante (V) à aubes mobiles (17), un jeu s'étendant entre la surface interne du carter et les extrémités libres des aubes, un palier de la soufflante étant relié à des parties fixes de la turbomachine par des liaisons telles qu'en cas de charge sur les aubes de la soufflante, ces liaisons cassent et l'axe de rotation de la soufflante oscille autour de l'axe de rotation B, caractérisé en ce que le carter comprend, collée sur sa surface interne et sur au moins une partie de l'étendue du jeu, une couche de mousse thermo-formable (12) placée en vis à vis des extrémités des aubes (17) de la soufflante (V), la couche de mousse thermo- formable (12) étant recouverte en partie d'une couche de substance abradable (14), l'épaisseur de la couche de substance abradable (14) étant telle que les extrémités libres des aubes de la soufflante n'atteignent pas la couche de mousse lors du fonctionnement normal de la turbomachine, et en cas de charge sur la soufflante, les extrémités libres des aubes fragmentent au moins en partie l'ensemble des couches d'abradable (14) et de mousse thermo-formable (12).
2. Turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de mousse et de la couche de substance abradable est telle qu'il existe un jeu restant entre les extrémités libres des aubes de la soufflante et la couche de substance abradable lors du fonctionnement normal du moteur, ce jeu restant étant suffisamment réduit pour limiter le passage de l'air afin de conserver un écoulement dynamique de l'air dont la trajectoire est forcée par les aubes de la soufflante.
3. Turbomachine selon l'une des revendications 1 et 2, 35 caractérisé en ce que la couche de mousse thermo-formable est constituée de secteurs préformés.
4. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche de mousse thermo-formable est une couche de mousse imide polyacrylique.
5. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de substance abradable est en résine époxy chargée de billes de verre.
6. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 4, 10 caractérisé en ce que la couche de substance abradable est en silicone chargée de billes de verre.
7. Turbomachine selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de substance abradable adhère directement ou indirectement à la couche de mousse thermoformable.
8. Carter deÉsoufflante propre à faire partie d'une turbomachine selon l'une des revendications 1 à 7, le carter comprenant, collée sur sa surface interne, une couche de mousse thermo-formable destinée à être placée en vis à vis d'extrémités libres d'aubes (17) de la soufflante (V), la couche de mousse thermo-formable étant recouverte en partie d'une couche de substance abradable, l'épaisseur de la couche de substance abradable étant telle que les extrémités libres des aubes de la soufflante n'atteignent pas la couche de mousse lors du fonctionnement normal de la turbomachine, et en cas de charge sur la soufflante, l'extrémité des aubes fragmente au moins en partie l'ensemble des couches d'abradable et de mousse thermo-formable.
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