FR3009582A1 - Raidisseur pour section d'echappement de turbomachine - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une section d'échappement de turbomachine, comprenant un carter d'échappement, un ensemble tubulaire de circulation de fluides agencé radialement à l'intérieur du carter d'échappement et une tôle annulaire d'étanchéité (54) s'étendant radialement et reliée extérieurement au carter d'échappement et intérieurement à l'ensemble tubulaire. Selon l'invention, la tôle d'étanchéité annulaire comprend une pluralité de raidisseurs (80), l'écartement entre les flancs latéraux (82, 84) des raidisseurs diminuant depuis leurs extrémités radiales (86, 88) vers leurs centres (90).

Description

RAIDISSEUR POUR SECTION D'ECHAPPEMENT DE TURBOMACHINE L'invention se rapporte à une section d'échappement de turbomachine, telle qu'en particulier un turboréacteur d'avion.

Une telle section peut notamment comprendre, agencés autour de l'axe de la turbomachine, un carter d'échappement, un ensemble tubulaire de circulation de fluides agencé radialement à l'intérieur du carter d'échappement, et une tôle annulaire d'étanchéité s'étendant radialement et reliée extérieurement au carter d'échappement et intérieurement à l'ensemble tubulaire de circulation de fluides. Plus précisément, l'ensemble tubulaire de circulation des fluides comprend d'amont en aval un tube d'éjection monté à l'intérieur d'un arbre d'une turbine basse-pression et relié à étanchéité en aval à un support annulaire solidaire du stator portant un tube d'éjection débouchant en aval à l'air libre, la tôle annulaire étant reliée au support annulaire. Selon un assemblage particulier de ces éléments et mis en oeuvre dans le cadre de l'invention, des vibrations peuvent apparaître en fonctionnement au niveau du tube d'éjection fixe et provoquer l'apparition de modes de flexion générant des contraintes nuisibles au bon fonctionnement de la turbomachine. La tôle d'étanchéité doit donc respecter un certain critère de souplesse afin qu'elle puisse maintenir rigidement l'ensemble tubulaire et prévenir l'apparition de ces vibrations. L'épaississement de la tôle dans ce but précis n'est pas une solution envisageable, car il impliquerait une augmentation de la masse contribuant à une augmentation de la consommation de carburant. Il est déjà connu dans de la demande FR 2896304A1 de la demanderesse, de rigidifier la paroi annulaire ou fond de chambre recevant les têtes d'injecteurs de carburant, à l'aide de raidisseurs formés par des emboutissages du fond de chambre, afin d'atténuer les vibrations du fond de chambre et d'en augmenter simultanément la fréquence propre de résonnance. Bien que ces raidisseurs ne soit pas utilisés dans le même cadre que celui exposé dans la présente demande de brevet, il est proposé dans la présente demande de brevet de former des raidisseurs répartis autour de l'axe de la tôle d'étanchéité et formés chacun par une excroissance allongée en direction radiale sur la paroi, afin de rigidifier la tôle d'étanchéité. Une difficulté technique supplémentaire se présente cependant à la formation de raidisseurs semblables à ceux de l'art antérieur sur la tôle d'étanchéité, telle que décrit plus haut. En effet, des contraintes perpendiculaires à l'axe de la turbomachine, appliquées au niveau de l'extrémité radialement interne de la tôle d'étanchéité, et dues aux vibrations du tube d'éjection fixe, induisent une déformation des raidisseurs dont les flancs s'écartent sous la charge supportée. Cette déformation est encore plus grande lorsque les raidisseurs sont allongés afin d'augmenter leur effet rigidifiant. L'écartement des flancs des raidisseurs va à l'encontre de leur effet rigidifiant, et implique également une usure accélérée de la tôle d'étanchéité au niveau des raidisseurs. La présente invention apporte une solution simple, efficace et économique à ces problèmes, permettant notamment d'adapter des raidisseurs à l'environnement décrit plus haut, c'est-à-dire lorsqu'ils sont soumis à des contraintes longitudinales, afin de rigidifier la tôle d'étanchéité et d'éviter l'apparition de modes de flexion indésirables dans l'ensemble tubulaire. A cette fin, elle propose une section d'échappement de turbomachine, comprenant un carter d'échappement, un ensemble tubulaire de circulation de fluides agencé radialement à l'intérieur du carter d'échappement et une tôle annulaire d'étanchéité s'étendant radialement et reliée extérieurement au carter d'échappement et intérieurement à l'ensemble tubulaire, la tôle annulaire d'étanchéité comprenant en outre une pluralité de raidisseurs répartis autour de l'axe de la tôle et formés chacun par une excroissance ou partie en saillie sur une des faces de la tôle, chaque excroissance étant allongée en direction radiale et délimitée par deux flancs latéraux dont l'écartement diminue depuis les extrémités radiales de l'excroissance vers son centre. Comme indiqué précédemment, lorsque l'ensemble tubulaire induit sur la tôle d'étanchéité des contraintes perpendiculaires à son axe, la forme particulière des flancs des raidisseurs selon l'invention, qui donne un aspect cintré aux raidisseurs, permet de s'opposer aux forces provoquant les déformations observées lorsque les raidisseurs ont une forme droite. Ainsi, les raidisseurs remplissent parfaitement leur rôle en rigidifiant la tôle, ce qui permet d'éviter l'apparition de modes de flexion indésirables au niveau de l'ensemble tubulaire. De plus, la réduction de la déformation des raidisseurs de la tôle permet d'augmenter la durée de vie de la tôle. Préférentiellement, les excroissances, selon une surface parallèle à celle de la tôle, sont concaves au niveau de leurs flancs latéraux. La forme incurvée ou arrondie concave est particulièrement bien adaptée puisqu'elle permet de déporter une partie des efforts, tendant à écarter les flancs l'un de l'autre, en direction des extrémités des excroissances. Dans une réalisation particulièrement avantageuse, les flancs latéraux incurvés concaves présentent un profil parabolique dans la direction d'allongement de l'excroissance. La forme parabolique parait en effet être la forme permettant le mieux de s'opposer et de compenser les forces tendant à écarter l'un de l'autre les flancs des raidisseurs Selon une autre caractéristique de l'invention, l'extrémité radialement externe de la tôle d'étanchéité est fixée à une extrémité, préférentiellement amont, d'une paroi annulaire du carter d'échappement définissant la surface annulaire interne d'écoulement d'un flux d'air d'échappement. Avantageusement, le carter d'échappement comprend une pluralité de bras s'étendant vers l'extérieur depuis la paroi annulaire, chaque zone de contact entre un bras radial et la paroi annulaire étant alignée radialement avec un raidisseur de la tôle, ce qui permet un calage angulaire aisé de la tôle et une répartition homogène des contraintes dans la tôle et le carter d'échappement. Le nombre de raidisseurs sur la tôle d'étanchéité est préférentiellement égal au nombre de bras radiaux du carter.

Selon une autre caractéristique de l'invention, l'ensemble tubulaire comprend un support annulaire sur lequel est fixé en aval un tube fixe d'éjection de fluide et qui coopère à étanchéité à son extrémité amont avec un tube rotatif d'éjection de fluide. Préférentiellement, l'extrémité radialement interne de la tôle est fixée à l'extrémité amont du support annulaire. Préférentiellement, les raidisseurs sont formés par emboutissage de la tôle d'étanchéité. Par rapport à des raidisseurs formés par ajout de matière par exemple, des raidisseurs emboutis sont plus légers et plus faciles à mettre en forme. De plus, les effets de l'invention sont particulièrement remarquables sur des raidisseurs emboutis. Selon un mode de réalisation de l'invention, la tôle annulaire d'étanchéité est annulairement bombée en direction axiale, et les raidisseurs sont formés sur la face convexe de la tôle. L'invention est particulièrement remarquable sur ce type de tôle, car les contraintes appliquées perpendiculairement à l'axe de la tôle se concentrent dans ce cas ou niveau du bombage. Selon une autre caractéristique de l'invention, les raidisseurs sont centrés radialement sur les zones les plus contraintes de la tôle d'étanchéité lorsque son extrémité interne est chargée perpendiculairement par rapport à son axe. Cette caractéristique de l'invention permet notamment d'obtenir un effet optimal des raidisseurs sur la tôle. L'invention concerne également une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur, comprenant une section d'échappement telle que décrite dans la présente demande de brevet.

L'invention concerne encore une tôle comprenant au moins un raidisseur formé par une excroissance allongée dans une direction sur la tôle et délimitée par deux flancs latéraux, les flancs latéraux de l'excroissance étant formés de manière à ce que leur écartement diminue depuis les extrémités de l'excroissance vers son centre. Il est important de souligner que les effets de l'invention peuvent s'appliquer à différents types de tôles dans de nombreux contextes, du moment qu'il apparait avantageux de rigidifier une tôle et d'éviter la déformation des raidisseurs lorsque des contraintes s'appliquent et tendent à écarter les flancs des raidisseurs. Dans un mode de réalisation avantageux de cette tôle, les flancs latéraux de l'excroissance sont symétriques et ont une forme telle que l'excroissance est concave sur toute la longueur de ses flancs. Préférentiellement, chaque flanc latéral concave d'un raidisseur de la tôle suit un profil parabolique dans la direction d'allongement de l'excroissance.

Dans un mode de particulier de réalisation, cette tôle est annulaire et comprend une pluralité de raidisseurs orientés radialement et régulièrement répartis circonférentiellement. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en 20 référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'une section d'échappement d'un type connu ; la figure 2 est une vue schématique d'une tôle d'étanchéité destinée à être intégrée à la section d'échappement de la figure 1 ; 25 la figure 3 est une vue schématique à plus grande échelle de la zone A délimitée en pointillés sur la figure 2 ; la figure 4 est une vue schématique depuis l'aval d'une tôle d'étanchéité selon l'invention ; la figure 5 est une vue schématique à plus grande échelle de la zone B 30 délimitée en pointillés sur la figure 4; la figure 6 est une représentation en perspective d'un mode de réalisation d'une tôle d'étanchéité selon l'invention ; la figure 7 est une représentation de profil de la tôle d'étanchéité en figure 6. On se réfère tout d'abord à la figure 1 qui représente 5 schématiquement une section d'échappement de turbomachine agencé en sortie d'une turbine basse pression 10 et comprenant un carter d'échappement 12 formé de deux parois cylindriques coaxiales interne 14 et externe 16 reliées l'une à l'autre par une pluralité de bras radiaux 18 régulièrement répartis autour de l'axe 20 du carter. Les parois interne 14 et 10 externe 16 délimitent intérieurement et extérieurement la veine 22 d'écoulement des gaz d'échappement de la turbomachine sortant de la turbine basse pression. La paroi interne du carter d'échappement comprend à ses extrémités amont et aval des brides annulaires radiales 24, 26. 15 Un ensemble tubulaire 28 de circulation de fluides est agencé à l'intérieur du carter d'échappement 12 et s'étend axialement suivant le même axe 20. Cet ensemble tubulaire comprend successivement d'amont en aval un tube d'éjection rotatif 30 agencé à l'intérieur de l'arbre de turbine basse pression (non représenté), un support annulaire 32 et un tube 20 d'éjection fixe 34. Le support annulaire 32 comprend une paroi 36 sensiblement cylindrique reliée à son extrémité amont à deux parois tronconiques interne 38 et externe 40 s'étendant en direction amont respectivement vers l'intérieur et vers l'extérieur. L'extrémité amont de la paroi tronconique interne comprend un rebord cylindrique 42 amont à 25 l'intérieur duquel est engagé et coopère à étanchéité, au moyen d'un joint à labyrinthe 44, l'extrémité aval du tube rotatif. L'extrémité amont de la paroi tronconique externe comprend une bride annulaire 46 s'étendant radialement vers l'extérieur. L'extrémité aval de la paroi cylindrique 36 du support annulaire comprend une bride annulaire 48 de fixation sur une 30 bride annulaire 50 correspondante de l'extrémité amont du tube fixe 34. Le support annulaire 32 a sensiblement la même dimension axiale que le carter d'échappement 12, et est légèrement décalé axialement vers l'aval par rapport à ce dernier. Ainsi, la bride annulaire 46 de la paroi tronconique externe se situe à l'intérieur et légèrement plus en aval que la bride amont 24 de la paroi interne 14 du carter d'échappement.

L'ensemble tubulaire 28 est destiné à la ventilation d'amont en aval de la turbomachine. Une tôle annulaire d'étanchéité 54 est formée radialement entre le carter d'échappement et le support de tubes d'éjection. Plus précisément, cette tôle d'étanchéité comprend une bride annulaire externe 56 de fixation sur la bride annulaire amont 24 de la paroi interne du carter d'échappement. Une bride annulaire interne 58 de la tôle annulaire 54 est fixée à la bride annulaire amont 46 de la paroi tronconique externe du support annulaire. Ainsi, comme représenté en figure 1, la tôle d'étanchéité 54 est sensiblement tronconique, sa circonférence interne étant décalée en aval par rapport à sa circonférence externe. La tôle annulaire assure l'étanchéité de la zone située immédiatement en amont de la tôle annulaire. Une paroi tronconique à section diminuant vers l'aval, appelée cône d'éjection 62, est fixée par une bride annulaire amont 64 à la bride annulaire aval 26 de la paroi interne du carter d'échappement, et est reliée en aval au tube d'éjection fixe 34 dont il assure le maintien. . Dans le montage décrit ci-dessus, les nécessités d'intégration dans l'environnement de la turbomachine peuvent résulter, en fonctionnement, en l'apparition de vibrations au niveau du tube d'éjection fixe 34 dans une direction perpendiculaire à l'axe général de la section et orienté de l'intérieur vers l'extérieur (flèche 68). Il est d'intérêt d'assurer un maintien rigide du tube d'éjection fixe 34 afin d'éviter l'excitation d'un de ses modes de flexion, et donc l'apparition de contraintes de fatigue indésirables. Le tube d'éjection fixe est relié à son extrémité amont au carter d'échappement 12 qui est une pièce structurale, par l'intermédiaire du support annulaire 32 et de la tôle d'étanchéité 54. Bien que le support annulaire 32 présente une rigidité suffisante au maintien du tube d'éjection fixe 34, il a été remarqué qu'une tôle d'étanchéité classique ne respectait pas les critères de souplesse (ou de rigidité) attendus pour prévenir les vibrations citées, et éviter ainsi l'apparition des modes de flexion indésirables.

Comme visible en figures 1 et 2, une rangée annulaire de raidisseurs 70 a donc été formée sur la face aval de la tôle d'étanchéité, chaque raidisseur étant radialement aligné avec une zone de contact entre un bras radial 18 et la paroi cylindrique interne 14 du carter d'échappement. De manière générale, il est préférable que le nombre de raidisseur soit un multiple du nombre de bras du carter d'échappement, afin d'obtenir une répartition homogène des efforts. Ces raidisseurs 70, connus de manière générale dans l'art antérieur comme permettant de rigidifier les tôles où ils sont formés afin d'en atténuer les vibrations, consistent ici en des excroissances rectilignes 70 allongées en direction radiale sur la tôle.

Le terme « excroissance » désigne une partie en saillie par rapport au reste de la tôle annulaire. Ainsi, dans une première réalisation, l'excroissance 70 peut être formée par un emboutissage localisé de la tôle. Dans une seconde réalisation, les excroissances peuvent être rapportées sur la surface de la tôle par ajout de matière. Le terme excroissance couvre ainsi ces deux réalisations. Bien que dans la description effectuée ci-après, il ne soit traité que d'excroissances formées par emboutissage, cette description s'applique également à des excroissances formées par ajout de matière. Ces excroissances ou raidisseurs 70 ont été formés sur la tôle d'étanchéité 54 afin d'en augmenter la rigiditéet de répondre au problème technique posé plus haut. Cependant, la configuration particulière du secteur d'échappement a fait apparaitre un problème technique inconnu de l'art antérieur au niveau de ces raidisseurs et représenté en figure 3. En effet, sous l'effet des contraintes radiales appliquées à l'extrémité interne de la tôle 54 et dues aux vibrations du tube d'éjection fixe 34, les flancs 72, 74 de chaque excroissance s'écartent l'un de l'autre circonférentiellement dans les directions indiquées par les flèches 76, 78. De plus, l'écartement des flancs 72, 74 augmente avec l'augmentation de la dimension radiale des excroissances. L'écartement des flancs a pour effet de diminuer la rigidité de la tôle. Les raidisseurs ne remplissent donc plus leur fonction attendue. Ainsi, pour éviter une déformation des raidisseurs, il est donc nécessaire de réduire leur dimension radiale, ce qui ne permet pas d'avoir la rigidité souhaitée de la tôle. L'invention, représentée aux figures 4 à 7, a notamment pour but d'adapter les raidisseurs afin que leurs flancs résistent aux forces tendant à les écarter, de manière à ce que les raidisseurs assurent parfaitement et de manière optimale le raidissement de la tôle d'étanchéité. Dans les figures 4 à 6, on voit que les raidisseurs 80 selon l'invention ont été agencés sur la tôle de manière sensiblement identique par rapport aux raidisseurs rectilignes de l'art antérieur. En figure 5, on peut observer la forme particulière donnée aux raidisseurs 80 selon l'invention. Les excroissances 80 formées conservent une forme générale allongée radialement sur la tôle, avec une longueur pouvant mesurer de 50 à 150 millimètres. Selon l'invention, l'écartement entre les flancs latéraux 82, 84 des excroissances 80 diminue en allant des extrémités radiales 86, 88 des excroissances vers leurs centres 90. L'écartement entre les flancs 82, 84 est minimum aux centres 90 des excroissances 80. Les limites entre la tôle non emboutie et les zones de début d'emboutissage des flancs sont définies comme étant les zones de raccordement latéral 92, 94. Le rapport de dimensions entre leur écartement central, pouvant mesurer entre 10 et 20 millimètres, et leur écartement aux extrémités des excroissances, pouvant mesurer entre 20 et 30 millimètres, se situe préférentiellement entre 0,5 et 0,7. Bien entendu, ces dimensions peuvent varier afin de s'adapter à l'environnement des raidisseurs, et à la spécification de souplesse désirée.

Dans la réalisation représentée en figure 5, les flancs latéraux 82, 84 des excroissances 80 pris selon une surface parallèle à celle de la tôle, et les zones de raccordement latéral 92, 94, suivent le profil général d'une fonction parabolique centrée sur son sommet, et s'étendant vers l'extérieur de l'excroissance. Les flancs 82, 84 de chaque excroissance sont symétriques entre eux par rapport à un plan radial P1 et sont également symétriques par rapport à un plan P2 perpendiculaire au plan P1 et coupant transversalement l'excroissance et les flancs en leurs centres. De part leur forme, les flancs peuvent également se rejoindre partiellement au niveau des centres 90 des excroissances. La nouvelle forme donnée aux raidisseurs, et plus particulièrement à ses flancs et à ses zones de raccordement avec le reste de la tôle, leur permet de mieux résister aux forces tendant à écarter les flancs latéraux. Les raidisseurs 80 selon l'invention ne se déforment donc plus sous l'effet des contraintes transmises par le tube fixe, ce qui implique que la tôle d'étanchéité est suffisamment rigidifiée pour éviter l'apparition des modes de flexion non voulus au niveau du tube d'éjection fixe. Les figures 6 et 7 représentent un cas où la tôle d'étanchéité 54 est annulairement bombée en direction axiale, entre sa périphérie interne et sa périphérie externe. Cette forme peut notamment être utile quand il est nécessaire de contourner des éléments formés adjacents à la tôle et immédiatement en amont, tels que par exemple des pièces rotatives de la turbine basse pression. Dans ce cas, les déformations, lorsque l'extrémité interne de la tôle est contrainte radialement, se concentrent principalement au niveau du bombage 96. Il est donc particulièrement avantageux de former les raidisseurs 80 de l'invention circonférentiellement du côté convexe du bombage. Plus généralement, il sera toujours avantageux de former les raidisseurs de l'invention sur les zones les plus contraintes de la tôle de manière à ce que l'invention produise le plus d'effet en procurant une augmentation de la rigidité dans ces zones.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Section d'échappement de turbomachine, comprenant un carter d'échappement (12), un ensemble tubulaire (28) de circulation de fluides agencé radialement à l'intérieur du carter d'échappement et une tôle annulaire d'étanchéité (54) s'étendant radialement et reliée extérieurement au carter d'échappement (12) et intérieurement à l'ensemble tubulaire (28), la tôle annulaire d'étanchéité (54) comprenant en outre une pluralité de raidisseurs (80) répartis autour de l'axe de la tôle et formés chacun par une excroissance ou partie en saillie sur une des faces de la tôle, chaque excroissance étant allongée en direction radiale et délimitée par deux flancs latéraux (82, 84) dont l'écartement diminue depuis les extrémités radiales (86, 88) de l'excroissance vers son centre (90).
2. 2. Section d'échappement selon la revendication 1, caractérisée en ce que les excroissances (80), selon une surface parallèle à celle de la tôle, sont concaves au niveau de leurs flancs latéraux (82, 84).
3. 3. Section d'échappement selon la revendication 2, caractérisée en ce que les flancs latéraux (82, 84) incurvés concaves présentent un profil parabolique dans la direction d'allongement de l'excroissance.
4. 4. Section d'échappement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'extrémité radialement externe de la tôle d'étanchéité (54) est fixée à une extrémité, préférentiellement amont, d'une paroi annulaire (14) du carter d'échappement définissant la surface annulaire interne d'écoulement d'un flux d'air d'échappement.
5. 5. Section d'échappement selon la revendication 4, caractérisée en ce que le carter d'échappement (12) comprend une pluralité de bras (18) s'étendant vers l'extérieur depuis la paroi annulaire (14), et en ce que chaque zone de contact entre un bras radial et la paroi annulaire (14) est aligné radialement avec un raidisseur (80) de la tôle.
6. 6. Section d'échappement selon la revendication 5, caractérisée en ce que le nombre de raidisseurs (80) sur la tôle d'étanchéité est égal au nombre de bras radiaux (18) du carter.
7. 7. Section d'échappement selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'ensemble tubulaire (28) comprend un support annulaire (32) sur lequel est fixé en aval un tube fixe (34) d'éjection de fluide et qui coopère à étanchéité à son extrémité amont avec un tube rotatif (30) d'éjection de fluide.
8. 8. Section d'échappement selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'extrémité radialement interne de la tôle (54) est fixée à l'extrémité amont du support annulaire (32).
9. 9. Section d'échappement selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les raidisseurs (80) sont formés par emboutissage de la tôle d'étanchéité (54).
10. 10. Section d'échappement selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en que la tôle annulaire d'étanchéité (54) est annulairement bombée en direction axiale et en ce que les raidisseurs (80) sont formés sur la face convexe de la tôle.
11. 11. Turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur, comprenant une section d'échappement selon l'une des revendications 1 à 10.
12. 12. Tôle comprenant au moins un raidisseur formé par une excroissance allongée dans une direction sur la tôle et délimitée par deux flancs latéraux, les flancs latéraux de l'excroissance étant formés de manière à ce que leur écartement diminue depuis les extrémités de l'excroissance vers son centre.
13. 13. Tôle selon la revendication 12, caractérisée en ce que les flancs latéraux de l'excroissance sont symétriques et ont une forme telle que l'excroissance est concave sur toute la longueur de ses flancs.
14. 14. Tôle selon la revendication 13, caractérisée en ce que chaque flanc latéral concave d'un raidisseur suit un profil parabolique dans la direction d'allongement de l'excroissance.
15. 15. Tôle selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisée en ce qu'elle est annulaire et en ce qu'elle comprend une pluralité de raidisseurs orientés radialement et régulièrement répartis circonférentiel lem ent.