FR2875850A1 - Carter de rotor de turbomachine pour la retention de corps projetes par le rotor en rotation et procede d'obtention - Google Patents

Carter de rotor de turbomachine pour la retention de corps projetes par le rotor en rotation et procede d'obtention Download PDF

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Abstract

Le carter de rotor de turbomachine comporte au moins une virole (12) annulaire disposée autour des aubes (6) du rotor (2) et au moins un caisson (14) annulaire disposé autour de la virole (12) et rempli au moins partiellement d'une mousse métallique (16) de façon à assurer une rétention de corps projetés par le rotor (2) en rotation. Le caisson (14) peut être formé par une peau (18) annulaire disposée autour de la virole (12) et espacée radialement vers l'extérieur par rapport à celle-ci.

Description

2875850 1
Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des carters de rotor de turbomachine. Elle vise plus particulièrement un carter de soufflante de turbomachine muni d'un caisson pour la rétention de corps projetés par la soufflante en rotation, ainsi que son procédé d'obtention.
La soufflante d'une turbomachine aéronautique se compose essentiellement d'un arbre rotatif qui porte une pluralité d'aubes. A leur extrémité radiale, les aubes sont entourées circonférentiellement par un carter de la turbomachine.
Pendant le fonctionnement de la turbomachine, il est possible que des corps (par exemple des corps étrangers comme de la glace ou bien des débris d'aubes résultant d'une cassure peu probable d'une ou plusieurs aubes de la soufflante) soient projetés radialement par la soufflante en rotation contre le carter. Pour des raisons évidentes de sécurité, il est nécessaire d'éviter autant que possible que ces corps ne traversent le carter de soufflante de part en part.
Afin de se prémunir contre une telle éventualité, différentes techniques de rétention des corps projetés par la soufflante en rotation par le carter ont été élaborées. L'une d'entres elles consiste à dimensionner le carter de soufflante à une épaisseur telle que l'énergie cinétique des corps projetés soit inférieure à l'énergie absorbable en cisaillement dynamique par le matériau composant le carter. Dans ce cas, les matériaux utilisés pour le carter sont généralement de l'acier et des alliages d'aluminium.
Cette solution est efficace dans la pratique mais elle engendre souvent un ajout de masse important. Une autre technique consiste à réaliser la rétention en utilisant un enroulement de tissu en fibres de carbone (de type Kevlar ) autour du carter de soufflante. Bien qu'efficace, cette solution est très onéreuse et engendre également un ajout de masse important.
2875850 2 On connaît aussi du document de brevet US 5,344,280 un carter de soufflante muni, dans la zone de rétention, d'un caisson formé par des structures en nids d'abeille qui permettent d'obtenir une bonne rigidité pour des faibles masses.
De telles structures présentent toutefois de nombreux inconvénients, notamment en terme de tenue mécanique. En effet, les structures en nids d'abeille sont réalisées par collage, ce qui affaiblit la tenue de l'ensemble. De plus, ces structures sont peu efficaces pour assurer une bonne rétention, notamment lorsque les corps projetés par la soufflante en rotation sont des fragments d'aubes pour lesquels la vitesse de projection peut atteindre 150 m/s.
Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant un carter de rotor qui permet de garantir une rétention efficace, à faible coût et sans ajout important de masse.
A cet effet, il est prévu un carter de rotor de turbomachine, le rotor comportant un arbre axial rotatif sur lequel sont montées une pluralité d'aubes sensiblement radiales, le carter comportant au moins une virole annulaire disposée autour des aubes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un caisson annulaire disposé autour de la virole et rempli au moins partiellement d'une mousse métallique, organique ou céramique de façon à assurer une rétention de corps projetés par le rotor en rotation.
Par corps , on entend tous types de corps susceptibles de venir percuter le carter lors du fonctionnement de la turbomachine. Par exemple, ces corps peuvent être étrangers à la turbomachine (comme de la glace) ou peuvent résulter de la cassure d'une ou plusieurs aubes ou d'autres éléments du rotor (comme des fragments d'aubes de soufflante).
De façon plus particulière, le carter comporte au moins une peau annulaire disposée autour de la virole et espacée radialement vers l'extérieur par rapport à celle-ci de façon à former le caisson. Les deux extrémités axiales de la peau peuvent être fixées sur la virole.
L'utilisation d'une mousse au sein d'un caisson permet d'obtenir une rétention efficace de corps projetés par le rotor en rotation, en particulier lorsque ces corps sont des débris d'aubes. En effet, avec un tel caisson, il n'est pas nécessaire de chercher à éviter que la virole entourant les aubes résiste à l'impact de fragments d'aubes. Au contraire, lorsque la virole est transpercée par un débris d'aube ou tout autre corps étranger, la mousse du caisson permet d'amortir la déformation de la virole et de diminuer la vitesse de projection du débris et de changer la trajectoire de projection du débris. Lorsque le débris atteint la peau formant le caisson, son énergie cinétique est donc considérablement réduite et sa trajectoire modifiée de sorte qu'il existe peu de chance pour que cette peau soit également transpercée.
D'une certaine manière, le rôle de la mousse est donc d'autoriser une plus grande déformation de la virole lorsque celle-ci est transpercée, cette déformation étant fortement consommatrice d'énergie. En d'autres termes, l'énergie cinétique de l'objet qui est utilisée pour déformer la virole n'est ainsi pas affectée au déplacement de l'objet. Par ailleurs, l'utilisation d'une mousse qui est un matériau léger et la non nécessité de sur-dimensionner la virole du carter ont aussi pour avantage de réaliser une rétention sans ajout important de masse.
Par ailleurs, lorsque les corps projetés par le rotor en rotation sont des corps étrangers, il est possible de contenir ces corps en dehors de la veine aérodynamique, ce qui évite tout risque de contact entre ces corps et les aubes.
De préférence, la peau du caisson et la virole du carter sont réalisés à partir d'un même matériau afin de faciliter l'assemblage entre ces deux éléments.
De même, la peau du caisson et la mousse peuvent être avantageusement réalisées à partir d'un même matériau, ce qui permet également de faciliter l'assemblage de la mousse dans le caisson.
Le caisson peut comporter au moins une cloison de façon à former au moins deux compartiments distincts chacun rempli au moins partiellement de mousse. Le caisson peut aussi comporter un ou plusieurs raidisseurs.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la mousse utilisée pour remplir le caisson est réalisée à partir d'aluminium. Ce type de mousse est largement répandu dans l'industrie ce qui permet de réaliser le caisson du carter selon l'invention à moindre coût.
2875850 4 La présente invention a également pour objet un caisson pour carter de rotor de turbomachine tel que défini précédemment.
La présente invention a encore pour objet un procédé d'obtention du carter de rotor de turbomachine tel que défini 5 précédemment.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures: - la figure 1 est une vue partielle en coupe longitudinale d'une soufflante de turbomachine muni d'un carter selon l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale illustrant un carter selon un autre mode de réalisation de l'invention; et - les figures 3A à 3C sont des vues en coupe longitudinale d'un carter obtenu selon différents modes de réalisation du procédé selon l'invention.
Description détaillée d'un mode de réalisation
La figure 1 représente partiellement une soufflante 2 d'une turbomachine aéronautique. La soufflante 2, qui constitue un rotor, se compose d'un arbre rotatif 4 sur lequel sont montées une pluralité d'aubes 6. Ces aubes 6 sont régulièrement réparties autour de l'arbre 4 et s'étendent radialement.
En fonctionnement, les aubes 6 sont ainsi animées d'un mouvement de rotation autour d'un axe longitudinal XX' de la turbomachine. Un carter 8 entourant circonférentiellement la soufflante 2 est supporté par l'intermédiaire d'une pluralité de traverses 10 espacées angulairement les unes des autres. Le carter 8 se présente sous la forme d'au moins une virole annulaire 12 entourant les aubes 6.
Lors du fonctionnement de la turbomachine, des corps étrangers à la turbomachine (comme de la glace) peuvent être ingérés par la soufflante 2. Sous l'effet de la force centrifuge de rotation de celle-ci, ces corps étrangers sont projetés radialement et viennent impacter sur la paroi interne du carter 8 de soufflante.
2875850 5 De même, dans le cas peu probable d'une cassure d'une ou de plusieurs aubes 6 de la soufflante, des débris d'aubes sont projetés radialement vers la paroi interne du carter 8 à des vitesses pouvant atteindre 150 m/s. La cassure d'une aube ou de plusieurs aubes de soufflante peut par exemple résulter de l'ingestion de corps étrangers ou de la rupture de l'arbre.
Afin d'éviter que de tels corps ne traversent de part en part le carter 8 de soufflante, il est prévu, conformément à l'invention, de munir le carter d'un caisson annulaire 14 disposé autour de la virole 12 et rempli au moins partiellement d'une mousse 16 qui peut être métallique, organique ou céramique.
Le caisson 14, qui est un compartiment fermé, s'étend axialement sur toute une zone de rétention de longueur axiale L supérieure à la distance séparant la bord d'attaque 6a du bord de fuite 6b des aubes 6 de la soufflante. Le caisson 14 s'étend également sur toute la circonférence de la virole 12. Il peut également être sectorisé en une pluralité de segments de caisson mis bout à bout.
De façon plus particulière, le caisson 14 se compose d'au moins une peau annulaire 18 disposée autour de la virole 12 et espacée radialement vers l'extérieur par rapport à celle-ci. Comme représenté sur les figures 1 et 2, les deux extrémités axiales 18a de la peau 18 peuvent être rabattues vers l'intérieur et fixées directement sur la virole 12. Ainsi, le caisson 14 est délimité radialement par la virole 12 et la peau 18 et axialement par les deux extrémités axiales 18a de la peau 18.
Alternativement, la peau 18 du caisson peut être reliée à la virole 12 par des parois latérales indépendantes.
Le caisson 14 est rempli d'une mousse 16 métallique, organique ou céramique. Ce remplissage peut être partiel ou total (comme illustré sur la figure 1). Afin de faciliter son ancrage dans le caisson 14, la mousse 16 est de préférence réalisée à partir d'un même matériau que la peau 18. Elle peut se présenter sous forme de plaques soudées par diffusion sur la peau 18 et/ou la virole 12. Alternativement, elle peut être introduite dans le caisson 14 déjà formé sous une forme liquide avec un agent moussant.
Selon un mode particulièrement avantageux de l'invention, la mousse 16, la virole 12 et la peau 18 sont tous réalisés à partir d'aluminium afin de faciliter l'assemblage de ces trois éléments. La 2875850 6 mousse d'aluminium présente l'avantage d'être un matériau léger isotrope qui est particulièrement répandu, notamment dans le domaine de la construction, ce qui rend son coût relativement faible.
Bien entendu, d'autres types de matériaux peuvent être utilisés pour la réalisation de la mousse 16, de la virole 12 et de la peau 18. Par exemple, lorsqu'elle est métallique, la mousse peut aussi être obtenue à base d'acier, de titane ou de nickel.
Lorsqu'elle est organique, la mousse peut être obtenue à base de résine phénolique.
Enfin, des exemples de mousses céramiques sont des mousses à base d'alumine ou de silice.
En liaison avec la figure 2, on décrira maintenant une variante de réalisation de l'invention. Sur cette figure, le caisson 14 du carter 8 de soufflante comporte une cloison 20 de façon à former au moins deux compartiments 14a, 14b distincts.
Les deux compartiments 14a, 14b sont séparés par une cloison axiale 20 qui est fixée sur les deux extrémités axiales 18a de la peau 18. Chacun de ces compartiments est par ailleurs rempli de mousse 16 (ils sont complètement remplis sur la figure 2). La cloison 20 peut être indépendante de la peau 18 ou ne former que seule et même pièce avec celle-ci.
Une telle configuration renforce d'autant plus le pouvoir de rétention d'objets projetés par la soufflante en rotation, que ces objets auront à transpercer non seulement la virole 14 et la peau 18, mais également la cloison 20. Pour les mêmes raisons qu'invoquées précédemment, la cloison 20 est de préférence réalisée dans un même matériau que la peau 18 sur laquelle elle est fixée.
D'autres configurations non représentées du caisson 14 sont possibles: la cloison peut être disposée radialement entre la peau 18 et la virole 14; il est possible de disposer plusieurs cloisons axiales et/ou radiales afin de diviser le caisson en plusieurs compartiments.
Par ailleurs, le caisson peut aussi être muni d'au moins un raidisseur 22 afin d'en accroître la rigidité. Comme illustré sur la figure 2, de tels raidisseurs 22 se présentent généralement sous la forme de tôles disposées radialement au travers du caisson.
2875850 7 Il est également possible d'associer le caisson avec une ou plusieurs couches d'isolant sonore (non représentées) et/ou avec une ou plusieurs couches de matériau abradable disposées en regard du sommet des aubes de la soufflantes.
Les caractéristiques géométriques du caisson sont déterminées en fonction des objectifs de masse, de tenue mécanique et de l'application. En particulier, la hauteur radiale du caisson est déterminée en fonction du raidissement du carter recherché, du ralentissement du corps souhaité, et de la géométrie, de la masse et de la vitesse du corps.
De même, les caractéristiques de la mousse utilisée varient en fonction des conditions d'utilisation. Ces caractéristiques sont: densité, taux de porosité, taille des cellules, orientation, cellules fermées ou ouvertes, etc. On décrira maintenant différents modes de réalisation du 15 procédé d'obtention du carter tel que défini précédemment.
Selon un premier mode d'obtention du carter illustré sur la figure 3A, la mousse 16 est dans un premier temps collée directement aux parois internes du caisson 14 à l'intérieur de celui-ci, puis elle est collée à la virole 12 au niveau de sa partie en contact avec celle-ci.
Le collage entre la mousse 16 et la virole 12 permet ainsi d'assurer la fixation du caisson 14 rempli de mousse sur la virole. A titre d'exemple, lorsque la mousse 16 est réalisée à partir d'aluminium, la colle utilisée peut être une résine à base époxyde ou polyuréthane ou acrylique.
Selon un deuxième mode d'obtention du carter illustré sur la figure 3B, il est prévu de réaliser au préalable un ensemble 24 formé par le caisson 14, la mousse 16 et une portion axiale 12a de la virole 12.
Cet ensemble, qui peut être obtenu de fonderie, est ensuite fixé sur la portion restante 12b de la virole 12, par exemple au moyen de soudures 26 ou de liaisons mécaniques (non représentées) de type boulons ou rivets.
Selon un troisième mode d'obtention du carter illustré sur la figure 3C, il est prévu de réaliser un autre ensemble 28 formé par le caisson 14 et la mousse 16.
Cet autre ensemble 28, qui peut également être obtenu de fonderie, est alors fixé sur la virole 12 par brasage. Le brasage peut être 2875850 8 réalisé soit directement sur la mousse lorsque celle-ci est métallique, soit sur l'une des peaux du caisson.
Selon encore un autre mode d'obtention du carter (non représenté sur les figures), la mousse, lorsque métallique, peut être soudée par diffusion ou par friction sur la peau du caisson et/ou sur la virole.

Claims (2)

  1. 9 REVENDICATIONS
    1. Carter de rotor de turbomachine, ledit rotor (2) comportant un arbre axial rotatif (4) sur lequel sont montées une pluralité d'aubes (6) sensiblement radiales, ledit carter (8) comportant au moins une virole (12) annulaire disposée autour des aubes (6), caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un caisson (14) annulaire disposé autour de la virole (12) et rempli au moins partiellement d'une mousse (16) métallique, organique ou céramique de façon à assurer une rétention de corps projetés par le rotor (2) en rotation.
    2. Carter selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une peau (18) annulaire disposée autour de la virole (12) et espacée radialement vers l'extérieur par rapport à celle-ci de façon à former le caisson (14).
    3. Carter selon la revendication 2, caractérisé en ce que deux extrémités axiales (18a) de la peau (18) sont fixées sur la virole (12).
    4. Carter selon la revendication 3, caractérisé en ce que la peau (18) et la virole (12) sont réalisés à partir d'un même matériau.
    5. Carter selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la peau (18) et la mousse (16) sont réalisées à partir 25 d'un même matériau.
    6. Carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le caisson (14) comporte au moins une cloison (20) de façon à former au moins deux compartiments (14a, 14b) distincts chacun rempli au moins partiellement de mousse (16).
    7. Carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le caisson (14) comporte au moins un raidisseur (22).
  2. 2875850 10 8. Carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la mousse (16) est réalisée à partir d'aluminium.
    9. Carter selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, 5 caractérisé en ce que le rotor (2) est une soufflante de turbomachine.
    10. Caisson annulaire (14) pour carter (8) de rotor de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
    11. Procédé d'obtention du carter de rotor de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il consiste à coller la mousse (16) à l'intérieur du caisson (14) puis à la coller à la virole (12).
    12. Procédé d'obtention du carter de rotor de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser de fonderie un ensemble (24) formé par le caisson (14), la mousse (16) et une portion axiale (12a) de la virole (12), et à fixer ledit ensemble sur la portion restante (12b) de la virole par soudage ou par liaison mécanique.
    13. Procédé d'obtention du carter de rotor de turbomachine selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser de fonderie un ensemble (28) formé par le caisson (14) et la mousse (16), et à fixer ledit ensemble sur la virole (12) par brasage.
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