FR2933129A1 - Carter de turbomachine a la tenue mecanique amelioree, turbine comprenant un tel carter et moteur d'aeronef equipe d'une telle turbine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un carter (1) de turbomachine à la tenue mécanique améliorée. Selon l'invention, on réalise des renforcements supplémentaires (13) localisés chacun autour d'un bossage (11) adapté pour être en contact et fixé avec l'extrémité d'un bras de support de palier d'arbre de turbomachine.

Description

1 CARTER DE TURBOMACHINE A LA TENUE MECANIQUE AMELIOREE, TURBINE COMPRENANT UN TEL CARTER ET MOTEUR D'AERONEF EQUIPE D'UNE TELLE TURBINE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne la réalisation d'un carter de turbomachine à la tenue mécanique améliorée. Elle concerne également une turbine comprenant un tel carter et un moteur d'aéronef, tel qu'un turboréacteur d'avion équipé d'un tel carter. ART ANTERIEUR Dans un turboréacteur d'avion, le carter de turbomachine fait partie intégrante de la structure du moteur dans la mesure où il doit reprendre les efforts essentiellement radiaux provenant des paliers portant les arbres et transmis par l'intermédiaire des bras qui supportent de tels paliers et qui sont fixés audit carter.

Plus exactement, un carter comprend une peau dont l'une de ses périphéries annulaires comprend une pluralité de bossages sur lequel est réalisée la fixation des bras Lorsque l'on conçoit de tels carters de turbomachine, les calculs de dimensionnement doivent prendre en compte les cas de chargement ou contrainte extrêmes susceptibles de se produire lors de la durée de vie du turboréacteur. 2 Un cas de contrainte extrême est le cas où le turboréacteur subit une perte ou une rupture d'aube et est toujours en fonctionnement. Quelle que soit l'aube considérée, les efforts exercés sur les arbres peuvent alors conduire dans ce cas, par effet de balourd, à des efforts inadmissibles pour les bras avec le risque de désolidarisation des bras du carter et donc des paliers avec les arbres. Sur les figures 1 et 1A, on a représenté en zones noircies, les zones critiques de contrainte Z susceptibles d'apparaître autour de bossages de fixation des bras d'un carter de turbomachine 1 d'un turboréacteur. Ces zones Z ont été obtenues à partir d'un logiciel de simulation numérique simulant un cas de contrainte extrême d'une perte d'aube. Une première solution évidente pour résoudre ce problème consisterait à surdimensionner la peau du carter et les moyens de fixation du carter aux autres éléments de structure environnants afin de supporter de tels efforts. Or, une telle première solution entraînerait nécessairement une augmentation de masse. En outre, il y a un fort risque qu'en surdimensionnant ainsi le carter et les moyens de fixation, le comportement dynamique de l'ensemble moteur soit modifié. Un but de l'invention est donc de proposer une nouvelle conception de carter de turbomachine qui lui permette de répondre aux contraintes extrêmes de chargement liées à la perte ou la rupture d'aube(s), sans augmenter la masse et sans modifier le 3 comportement dynamique du carter et plus généralement du moteur qui en est équipé. EXPOSÉ DE L'INVENTION Pour ce faire, l'invention a pour objet un carter comprenant une peau dont l'une de ses périphéries annulaires comprend une pluralité de bossages adaptés chacun pour être en contact et fixé avec l'extrémité d'un bras de support de palier d'arbre de turbine, dans lequel chaque bossage présente une surface S sensiblement égale à celle de l'extrémité du bras avec laquelle elle est en contact et qui est percée d'un premier trou adapté pour loger un pion de reprise d'effort de cisaillement du bras de support et d'un deuxième trou adapté pour loger une vis de fixation du bras de support au carter, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de renforcements supplémentaires agencés chacun autour et en continuité de chaque bossage, chaque renforcement supplémentaire étant en surépaisseur par rapport à la peau en délimitant une surface S' supplémentaire autour de la surface S. Ainsi, selon l'invention, grâce aux renforcements localisés autour des bossages existants et prévus pour fixer les bras, on augmente la tenue mécanique du carter de turbomachine pour des cas de contraintes extrêmes en limitant au maximum la masse totale du carter et en modifiant le moins possible la raideur globale du carter. Chaque surépaisseur du renforcement local 30 permet de renforcer une zone critique (telle que 4 représentée en Z sur les figures 1 et 1A) tout autour de chaque bossage et ainsi, de diminuer les contraintes trop importantes sur le carter. Le fait de localiser ainsi les renforcements autour des bossages de fixation a un impact moindre sur la raideur globale du carter. Or, la raideur globale du carter joue un rôle prépondérant dans la valeur de l'effort transmis à l'interface entre les bras de fixation et le carter. Plus, cette valeur est augmentée, plus l'effort radial est important. Donc, ne pas l'augmenter grâce à des renforcements locaux en surépaisseur selon l'invention conduit à conserver les mêmes efforts radiaux. En outre, la localisation des renforcements selon l'invention autour des bossages permet d'augmenter très peu la masse totale du carter et donc, de la turbine et du moteur associés. Enfin, le coût de production d'un carter muni de renforcements localisés autour des bossages selon l'invention reste identique par rapport à un même carter dépourvu de renforcements selon l'état de l'art. Par rapport à une solution de renforcement qui consisterait à surdimensionner globalement la peau du carter, la solution selon l'invention permet au carter de conserver une certaine souplesse entre deux renforcements localisés consécutifs. Selon une caractéristique de l'invention, la surépaisseur e' de chaque renforcement supplémentaire est comprise entre 1,5 et 3 fois l'épaisseur E de peau du carter. La valeur exacte e' de la surépaisseur est choisie en fonction du niveau de sollicitations mécaniques présentes au niveau de chaque bossage 11, dans des cas de contraintes extrêmes de perte d'aube. La surépaisseur e' de chaque renforcement 5 supplémentaire peut être inférieure ou sensiblement égale à celle e du bossage autour duquel il est agencé. Avantageusement, les bossages et les renforcements supplémentaires sont obtenus dans le même brut forgé que la peau.

De préférence, la surépaisseur e' et la surface supplémentaire S' de chaque renforcement sont telles que le poids total du carter est augmenté d'une valeur comprise entre 2 et 15 % par rapport à celui d'un carter de mêmes dimensions, réalisé dans le même matériau mais dépourvu des renforcements. De préférence encore, la surépaisseur e' et la surface supplémentaire S' de chaque renforcement sont telles que, sous chargement identique, les contraintes radiales exercées par les vis de fixation des bras de support sur le carter sont diminuées d'une valeur comprise entre 18 et 59 % par rapport à celles exercées sur un carter de mêmes dimensions, réalisé dans le même matériau mais dépourvu des renforcements. Selon une variante de réalisation particulièrement avantageuse du carter selon laquelle chaque bossage a une section axiale de forme oblongue, chaque renforcement a une section axiale de forme générale rectangulaire centrée autour de chaque bossage, le poids total du carter étant augmenté d'une valeur de l'ordre de 11 % avec une diminution de contraintes radiales d'une valeur de l'ordre de 59 % 6 par rapport, au poids d'un carter de mêmes dimensions, réalisé dans le même matériau mais dépourvu des renforcements et, aux contraintes radiales supportées sous chargement identique par ce dernier.

Le carter selon l'invention est avantageusement constitué par une seule virole. L'invention concerne également une turbine comprenant un carter tel que décrit précédemment. Une turbine visée avantageusement par l'invention comprend des bras, chaque bras ayant une extrémité qui supporte un palier d'arbre(s) et une autre extrémité qui est en contact et fixée à un des bossages de surface S sensiblement égale et autour duquel est agencé un renforcement supplémentaire de surface S'. L'invention concerne enfin un moteur d'aéronef comprenant une turbine définie ci-dessus. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d'un exemple de réalisation de l'invention faite en référence aux figures suivantes parmi lesquelles : - la figure 1 est une représentation en perspective d'une simulation numérique d'un carter de turbomachine d'un turboréacteur selon l'état de l'art soumis à un cas de contrainte extrême, - la figure 1A est une représentation de détail du carter selon la figure 1, 7 - la figure 2 est une vue en demi-coupe longitudinale d'une turbine d'un turboréacteur selon l'état de l'art, - la figure 3A est une vue en perspective 5 d'un carter de turbomachine selon un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3B est une vue de détail du carter selon la figure 3A, - la figure 3C est une vue en coupe 10 longitudinale partielle réalisée au niveau du détail de la figure 3B, - les figures 4A à 4C montrent d'autres variantes de réalisation de renforcements localisés selon l'invention. 15 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Sur les figures 1 et 1A, on a représenté en zones noircies, les zones critiques de contrainte Z susceptibles d'apparaître autour de bossages de fixation des bras d'un carter de turbomachine 1 d'un 20 turboréacteur selon l'état de l'art. Ces zones Z ont été obtenues à partir d'un logiciel de simulation numérique simulant un cas de contrainte extrême d'une perte d'aube. On voit sur ces figures que ces zones Z 25 peuvent être relativement étendues autour des trous de fixation 10 des bras lesquels trous sont pratiqués individuellement dans chaque bossage. Il existe donc clairement un risque d'apparition de crique voire de rupture au niveau des 30 bossages de fixation selon l'état de l'art. 8 L'invention vise donc à supprimer ce risque d'apparition de crique. Cela étant, les inventeurs se font fixés comme objectif de définir une solution qui limite au maximum l'augmentation de la masse totale du carter et qui modifie le moins possible sa raideur globale. En effet, tel que représenté en figure 2, chaque bras 2 a une extrémité 20 qui supporte un palier 30 d'arbre 3 de la turbine et une extrémité 21 qui est fixée à un bossage 11 de carter 1. La fixation est réalisée par l'intermédiaire d'une part d'une vis de fixation 14 logée dans un trou 10 pratiqué dans le bossage 11 et d'autre part d'un pion 15 de reprise d'effort logé dans un autre trou pratiqué également dans le bossage 11. Les inventeurs sont parvenus à la conclusion qu'une solution qui consisterait, pour supprimer le risque d'apparition de criques en cas de contrainte extrême due à une perte d'aube du turboréacteur, à surdimensionner la peau 12 du carter et les moyens de fixation 4 avec les autres carters en amont 5 et en aval 6 du turboréacteur, conduirait à modifier la dynamique du turboréacteur. Une telle modification est bien entendu néfaste.

Dans l'ensemble des modes de réalisation illustrés, chaque bossage 11 a une section axiale de forme oblongue et est percé d'un trou de fixation 10 dans lequel est logé une vis de fixation 14 de bras et d'un trou supplémentaire 10A dans est logé un pion 15 de reprise d'effort de cisaillement. 9 Un mode de réalisation avantageux de la solution selon l'invention qui tient compte de l'ensemble des exigences ci-dessus est représenté aux figures 3A à 3C.

Le carter selon l'invention 1 représenté comprend une pluralité de renforcements supplémentaires 13 identiques et agencés chacun autour et en continuité de chaque bossage 11. Chaque renforcement supplémentaire 13 est en surépaisseur par rapport à la peau 12 en délimitant une surface S' supplémentaire autour de la surface S délimitée par chaque bossage 11. La surface S de chaque bossage 11 est sensiblement égale à celle de l'extrémité 21 de bras 2 avec laquelle elle est en contact.

Plus exactement, dans le mode de réalisation avantageux des figures 3A à 3C, chaque bossage 11 a une section axiale (c'est-à-dire selon l'axe de la turbine) de forme oblongue en définissant une surface S. Chaque renforcement supplémentaire 13 a une section axiale de surface supplémentaire S' de forme générale rectangulaire centrée autour de chaque bossage 11. Ici, la surface supplémentaire S' est égale sensiblement à 3 fois la surface S du bossage. La surépaisseur e' de chaque renforcement supplémentaire 13 est inférieure à celle e du bossage 11 autour duquel il est agencé et de l'ordre de 2,5 fois l'épaisseur E de peau 12 du carter 1 (figure 3C). Plus exactement dans ce mode illustré aux figures 3A à 3C, S 470 mm', S' 1450 mm', E 3 mm, e 9,5 mm, e' 7,5 mm.

Selon ce mode de réalisation avantageux illustré aux figures 3A à 3C, le poids total du carter 10 1 est augmenté d'une valeur de l'ordre de 11 % par rapport, au poids d'un carter de mêmes dimensions, réalisé dans le même matériau mais dépourvu des renforcements 13. Le carter 1 supporte des contraintes radiales diminuées d'une valeur de l'ordre de 59 % par rapport à celles supportées sous chargement identique par un carter de mêmes dimensions, réalisé dans le même matériau mais dépourvu des renforcements 13. Le carter 1 selon le mode de réalisation illustré aux figures 3A à 3C, est constitué par une seule virole et est obtenu dans un même brut forgé. Le carter selon le mode de réalisation illustré aux figures 3A à 3C est prévu avec un nombre de renforcements supplémentaires identiques 13 agencés chacun autour d'un bossage 11. Différentes variantes de réalisation avantageuses des renforcements localisés 13 selon l'invention autour des bossages 11 sont représentées aux figures 4A à 4C.

Sur l'ensemble de ces figures 4A à 4C, un renforcement supplémentaire selon l'invention est localisé autour de chaque bossage 11. La surépaisseur e' de chaque renforcement supplémentaire 13 est égale à la surépaisseur e du bossage 11 autour duquel il est localisé. Le renforcement supplémentaire 13 envisagé à la figure 4A a une forme générale de haricot. Les dimensions données à titre illustratif et non limitatif sont les suivantes : L1 = 10 mm ; L2 = 25,8 mm ; L3 = 20,2 mm ; L4 = 67,7 mm. Avec une telle forme, on obtient une surface S de l'ordre de 310 mm', une 11 surface S' de l'ordre de 2500 mm2 et, le surpoids du carter 1 selon l'invention est d'environ 5 % par rapport à un carter de mêmes dimensions et réalisé dans le même matériau mais dépourvu des renforcements 13. Le gain en contraintes pour le carter 1 selon l'invention est d'environ 35 % par rapport à un carter de mêmes dimensions et réalisé dans le même matériau mais dépourvu des renforcements. Le renforcement supplémentaire 13 envisagé à la figure 4B a une forme générale de haricot. Les dimensions données à titre illustratif et non limitatif sont les suivantes : L1 = 10 mm ; L2 = 26,1 mm ; L3 = 20,2 mm. Avec une telle forme, on obtient une surface S de l'ordre de 310 mm2, une surface S' de l'ordre de 2300 mm2 et le surpoids du carter 1 selon l'invention est d'environ 2 % par rapport à un carter de mêmes dimensions et réalisé dans le même matériau mais dépourvu des renforcements. Le gain en contraintes pour le carter 1 selon l'invention est d'environ 18 % par rapport à un carter de mêmes dimensions et réalisé dans le même matériau mais dépourvu des renforcements 13. Le renforcement supplémentaire 13 envisagé à la figure 4C a une forme générale rectangulaire centrée sur le bossage 13 et prolongée par une bande étroite de longueur finie. Les dimensions données à titre illustratif et non limitatif sont les suivantes : L1 = 15mm ; L2 = 52 mm ; L3 = 20,2 mm. Avec une telle forme, on obtient une surface S de l'ordre de 600 mm2, une surface S' de l'ordre de 4050 mm2 et le surpoids du carter 1 selon l'invention est d'environ 11 % par 12 rapport à un carter de mêmes dimensions et réalisé dans le même matériau mais dépourvu des renforcements. Le gain en contraintes pour le carter 1 selon l'invention est d'environ 57 % par rapport à un carter de mêmes dimensions et réalisé dans le même matériau mais dépourvu des renforcements. L'invention qui vient d'être décrite permet de définir un carter de turbomachine susceptible de tenir aux sollicitations mécaniques extrêmes (augmentation des contraintes acceptables de 18 à 59 % dans les variantes illustrées) résultant d'une perte d'aube du turboréacteur qui en est muni et ce, avec un surpoids faible (2 à 15 % dans les variantes illustrées) et une raideur globale quasiment peu modifiée.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Carter (1) comprenant une peau (12) dont l'une de ses périphéries annulaires comprend une pluralité de bossages (11) adaptés chacun pour être en contact et fixé avec l'extrémité (21) d'un bras (2) de support de palier d'arbre (3) de turbine, dans lequel chaque bossage (11) présente une surface S sensiblement égale à celle de l'extrémité du bras avec laquelle elle est en contact et qui est percée d'un premier trou (10A) adapté pour loger un pion (15) de reprise d'effort de cisaillement du bras de support et d'un deuxième trou (10) adapté pour loger une vis de fixation (14) du bras de support au carter, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de renforcements supplémentaires (13) agencés chacun autour et en continuité de chaque bossage (11), chaque renforcement supplémentaire (13) étant en surépaisseur par rapport à la peau (12) en délimitant une surface S' supplémentaire autour de la surface S.
2. 2. Carter (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surépaisseur e' de chaque renforcement supplémentaire (13) est inférieure ou sensiblement égale à celle e du bossage (11) autour duquel il est agencé.
3. 3. Carter (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la surépaisseur e' de chaque renforcement supplémentaire (13) est comprise 14 entre 1,5 et 3 fois l'épaisseur E de peau (12) du carter.
4. 4. Carter (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bossages (11) et les renforcements supplémentaires (13) sont obtenus dans le même brut forgé que la peau.
5. 5. Carter (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surépaisseur e' et la surface supplémentaire S' de chaque renforcement (13) sont telles que le poids total du carter est augmenté d'une valeur comprise entre 2 et 15 % par rapport à celui d'un carter de mêmes dimensions, réalisé dans le même matériau mais dépourvu des renforcements.
6. 6. Carter (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surépaisseur e' et la surface supplémentaire S' de chaque renforcement (13) sont telles que, sous chargement identique, les contraintes radiales exercées par les vis de fixation des bras (2) de support sur le carter sont diminuées d'une valeur comprise entre 18 et 59 % par rapport à celles exercées sur un carter de mêmes dimensions, réalisé dans le même matériau mais dépourvu des renforcements.
7. 7. Carter (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque bossage (11) a une section axiale de forme oblongue caractérisé 15 en ce que chaque renforcement a une section axiale de forme générale rectangulaire centrée autour de chaque bossage, le poids total du carter étant augmenté d'une valeur de l'ordre de 11 % avec une diminution de contraintes radiales d'une valeur de l'ordre de 59 % par rapport, au poids d'un carter de mêmes dimensions, réalisé dans le même matériau mais dépourvu des renforcements et, aux contraintes radiales supportées sous chargement identique par ce dernier.
8. 8. Carter (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est constitué par une seule virole.
9. 9. Turbine comprenant un carter selon l'une quelconque des revendications précédentes.
10. 10. Turbine selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comprend des bras (2), chaque bras ayant une extrémité qui supporte un palier d'arbre(s) et une autre extrémité qui est en contact et fixée à un des bossages de surface S sensiblement égale et autour duquel est agencé un renforcement supplémentaire de surface S'.
11. 11. Moteur d'aéronef comprenant une turbine selon la revendication 9 ou 10.