FR3030626A1 - Dispositif d'accouplement en rotation robuste entre arbres tournants - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'accouplement (5) en rotation d'un arbre de turbine (2) avec un tube de dégazage (3), comprenant : une première partie d'accouplement (50) et une deuxième partie d'accouplement (51) s'étendant coaxialement à l'intérieur de la première, l'arbre de turbine et le tube de dégazage étant respectivement pourvus de ladite première et de ladite deuxième partie, dans lequel la deuxième partie comprend au moins deux bossages (52) agencés régulièrement sur sa circonférence, et la première partie comporte, sur une surface interne (20), au moins deux encoches (53) adaptées pour recevoir les bossages (52) et en ce que chaque bossage s'étend sur un arc de la surface externe de la deuxième partie correspondant à un angle supérieur à au moins 10°, et présente une hauteur, mesurée radialement par rapport à un axe de révolution (X-X) du tube de dégazage, supérieure à au moins 1,10 fois le rayon dudit tube.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un ensemble comprenant un arbre de turbine de turbomachine, un tube de dégazage s'étendant à l'intérieur de l'arbre de turbine, et un dispositif d'accouplement en rotation de l'arbre et du tube.

ETAT DE LA TECHNIQUE Une turbomachine 1 comporte classiquement, d'amont en aval par rapport à la circulation F de l'air, une soufflante 10, un ou plusieurs étages de compresseurs 11 basse pression puis haute pression, une chambre de combustion 12, un ou plusieurs étages de turbine 13 haute pression puis basse pression, et une tuyère d'échappement 14. Les étages de turbine basse pression sont montés sur un arbre 2, appelé arbre basse-pression, cet arbre étant creux et s'étendant vers l'amont jusqu'à la soufflante, la rotation de l'arbre provoquée par la turbine entrainant en rotation la soufflante. La turbomachine comprend également certains organes devant être lubrifiés par injection d'huile, comme c'est le cas notamment de paliers à roulements P supportant en rotation l'arbre de soufflante. Ces organes sont aussi refroidis en permanence par un flux de gaz qui se charge en huile lors de son écoulement au travers des organes. Pour évacuer ce flux de gaz huilés, la turbomachine comprend un tube de dégazage 3, aussi appelé couramment tube « CVT » pour l'acronyme anglais « Center Vent Tube », s'étendant coaxialement à l'intérieur de l'arbre de turbine. Ce tube sert de voie d'évacuation aux gaz huilés, et permet d'éviter que ces gaz ne viennent en contact avec l'arbre de turbine, dont la température élevée entrainerait la cokéfaction de l'huile contenue dans le flux de gaz et la dégradation de la turbomachine. Pour assurer un accouplement en rotation entre l'arbre de turbine et le tube de dégazage monté dans celui-ci, il a été proposé par exemple dans le document EP 1 626 160, de prévoir sur le tube de dégazage un embout de fixation 24 comprenant un épaulement 30, dans lequel vient se loger un doigt 28 de l'arbre de turbine. Ce doigt se loge également dans une encoche d'un écrou 32 serré sur le tube de dégazage et assurant le maintien de celui-ci dans l'arbre de turbine.

Or, transposer cette solution sur un modèle de turbomachine dont le diamètre de l'arbre de turbine basse-pression serait petit rendrait extrêmement problématique le dimensionnement des pièces. En effet, les arbres seraient de trop petit diamètre pour supporter les efforts et/ou de la place manquerait pour loger tous les éléments tels que l'écrou ou le doigt. De plus, il est d'autant mieux de préserver de l'espace radialement pour les aubes de soufflante, en réduisant autant que possible le diamètre des éléments centraux tels que les arbres ou les supports de roulement par exemple. Ainsi, l'espace utile pour les aubes et la propulsion est privilégié à l'espace radialement consommé pour le cône à l'entrée de la turbomachine. Il est donc nécessaire de trouver un dispositif alternatif d'accouplement en rotation entre l'arbre de turbine et le tube de dégazage. Or, compte-tenu de la vitesse de rotation de l'arbre de turbine, des dimensions de l'aubage de soufflante pouvant par exemple avoir un diamètre de l'ordre de deux mètres et des efforts correspondants sur les arbres, ce dispositif d'accouplement en rotation doit être très robuste et notamment éviter de comprendre des pièces intermédiaires subissant de trop fortes contraintes. De plus, ce dispositif ne doit pas nécessiter d'usinage complexe ou délicat, rendant l'ensemble fragile, et long et coûteux à produire ou réparer, avec un risque accru de casse d'outils. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention a pour but de proposer un dispositif d'accouplement entre un arbre de turbine et un tube de dégazage répondant au besoin évoqué ci-avant.

En particulier, un but de l'invention est de proposer un dispositif d'accouplement robuste et aisé à fabriquer. A cet égard, l'invention a pour objet un dispositif d'accouplement en rotation d'un arbre de turbine avec un tube de dégazage, comprenant une première partie d'accouplement et une deuxième partie d'accouplement s'étendant coaxialement à l'intérieur de la première, l'arbre de turbine et le tube de dégazage étant respectivement pourvus de ladite première partie d'accouplement et de ladite deuxième partie d'accouplement, caractérisé en ce que la deuxième partie comprend au moins deux bossages agencés régulièrement sur sa circonférence, et la première partie comporte, sur une surface interne, au moins deux encoches adaptées pour recevoir les bossages, et en ce que chaque bossage s'étend sur un arc de la surface externe de la deuxième partie correspondant à un angle supérieur à au moins 100, et présente une hauteur, mesurée radialement par rapport à un axe de révolution du tube de dégazage, supérieure à au moins 1,10 fois le rayon du tube de dégazage. Avantageusement, mais facultativement, le dispositif d'accouplement selon l'invention peut en outre comprendre au moins l'une des caractéristiques suivantes : - chaque bossage s'étend sur un arc correspondant à un angle supérieur à au moins 20°, de préférence compris entre 20 et 30°. - chaque bossage comprend deux parois s'étendant à partir d'une surface externe d'un tronçon du tube de dégazage duquel les bossages dépassent et un sommet reliant entre elles les parois, et chaque paroi présente au moins un point d'inflexion. - chaque paroi comprend : o une première partie s'étendant entre le point d'inflexion et la surface externe, ladite partie comprenant au moins un arrondi au niveau d'une jonction avec la surface externe du tube de dégazage, et o une seconde partie s'étendant entre le point d'inflexion et le sommet, comprenant au moins un arrondi au niveau d'une jonction avec le sommet. - le sommet est un segment ou est ponctuel.

L'invention concerne également un ensemble, comprenant un arbre de turbine et un tube de dégazage s'étendant à l'intérieur de l'arbre de turbine coaxialement à celui-ci, caractérisé en ce que l'arbre de turbine et le tube de dégazage sont accouplés en rotation par un dispositif selon la description qui précède. Avantageusement, mais facultativement, l'invention peut en outre comprendre au moins l'une des caractéristiques suivantes : l'ensemble comprend en outre un joint amortisseur monté sur une paroi interne de l'arbre de turbine en amont par rapport à la première partie d'accouplement, et chaque bossage présente une hauteur inférieure à la distance entre l'axe du tube de dégazage et le joint.

L'invention concerne également une turbomachine comprenant un ensemble selon la description qui précède. L'invention concerne enfin un procédé de fabrication d'un ensemble selon la description qui précède, comprenant la fabrication d'un tube de dégazage comprenant au moins deux bossages agencés régulièrement sur sa circonférence, la fabrication d'un arbre de turbine comprenant, sur une surface interne, au moins deux encoches adaptées pour recevoir les bossages, et le montage du tube de dégazage à l'intérieur de l'arbre de turbine.

Avantageusement, mais facultativement, lors du procédé de fabrication selon l'invention, les bossages du tube de dégazage et/ou les encoches de l'arbre de turbine sont usinés avec une fraise de diamètre supérieur ou égal à 10 mm.

Le dispositif proposé assure un accouplement en rotation robuste entre un arbre de turbine et un tube de dégazage qui ne nécessite pas d'usinage délicat ou complexe à réaliser, puisqu'il peut être obtenu aisément avec une fraise de diamètre relativement important. Par exemple, des fraises de diamètre de 20 millimètres devraient pouvoir être utilisées pour les usinages.

Ainsi, ce dispositif d'accouplement en rotation présente une durée de vie élevée. DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - La figure 1, déjà décrite, représente schématiquement une turbomachine, - La figure 2, déjà décrite également, représente schématiquement un dispositif d'accouplement en rotation entre un arbre de turbine et un tube de dégazage selon l'art antérieur. - Les figures 3a et 3b représentent un ensemble selon un mode de réalisation de l'invention, respectivement en vue en perspective tridimensionnelle et en section bidimensionnelle, - Les figures 4a et 4b représentent des vues en coupe transversale d'un ensemble selon plusieurs modes de réalisation de l'invention, - Les figures 5a et 5b représente des vues en perspective partielle d'un ensemble selon un mode de réalisation de l'invention illustrant l'usinage d'un arbre de turbine. DESCRIPTION D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION En référence à la figure 3a, on a représenté un sous-ensemble de turbomachine comprenant un arbre de turbine basse-pression 2, cet arbre étant creux et de révolution autour d'un axe X-X, et s'étend lui-même coaxialement à l'intérieur d'un arbre de compresseur basse-pression 40. L'ensemble comprend également un tube de dégazage 3 s'étendant à l'intérieur de l'arbre de turbine 2, coaxialement à celui-ci. Ce tube est creux pour permettre l'écoulement et l'évacuation de gaz huilés provenant par exemple d'un module de soufflante de la turbomachine analogue à celui décrit ci-avant en référence à la figure 2, comprenant en particulier un arbre de soufflante et un palier à roulement. Le tube de dégazage et l'arbre de turbine 2 sont montés rotatif autour de leur axe de révolution, et tournent à la même vitesse qui est la vitesse de la soufflante 10, cette vitesse étant par exemple comprise entre 0 et 4000 tours par minute. Typiquement la vitesse de croisière de la soufflante est comprise entre 3000 et 3500 tours par minute, de l'ordre d'environ 3300 tours par minute, et la vitesse maximale est comprise entre 3800 et 4000 tours par minute.

Pour assurer l'arrêt axial des arbres 2, 40, et du tube 3 les uns par rapport aux autres, le sous-ensemble comprend un écrou 60 d'arrêt axial du tube de dégazage 3, cet écrou étant vissé sur un filetage agencé sur la surface interne de l'arbre de turbine. Un frein d'écrou 61 permet de maintenir cet écrou en position.

De plus, un autre écrou 62, vissé sur un filetage disposé au droit du premier, sur la surface externe de l'arbre de turbine 2, permet d'assurer l'arrêt axial de l'arbre de turbine 2 par rapport à l'arbre de compresseur 40. Enfin, un frein d'écrou 63 permet de maintenir l'écrou 62 en position.

Pour assurer l'accouplement en rotation entre le tube de dégazage 3 et l'arbre de turbine 2, l'ensemble comprend en outre un dispositif d'accouplement 5 en rotation de ces deux pièces. Ceci permet de bloquer toute rotation relative entre l'arbre de turbine et le tube de dégazage, et permet donc que l'arbre de turbine entraine le tube de dégazage en rotation à la même vitesse.

Le dispositif d'accouplement est décrit plus en détails ci-après en référence aux figures 4a et 4b. Ce dispositif d'accouplement comprend une première partie 50, formée d'un tronçon de l'arbre de turbine, et une deuxième partie 51, formée par un tronçon du tube de dégazage.

Ces deux tronçons sont en regard l'un de l'autre, positionnés axialement en aval de l'écrou 60 assurant l'arrêt axial du tube de dégazage par rapport à l'arbre de turbine, et à l'aval de la zone du joint amortisseur et de la zone de butée entre CVT et arbre de turbine. Sur le tronçon correspondant, la deuxième partie 51 comprend une pluralité de bossages 52 qui sont radialement en saillie par rapport à une surface externe 30 du tube de dégazage. Les bossages 52 sont répartis régulièrement, c'est-à-dire à intervalle angulaire constant autour de la circonférence du tube de dégazage 3, pour ne pas créer de balourd lors de la rotation du tube. De préférence, comme représenté sur la figure 4a, la deuxième partie 51 25 d'accouplement comprend deux bossages 52 diamétralement opposés. Alternativement, cette partie pourrait comprendre 3, ou quatre bossages 52. La première partie 50 comprend quant à elle une pluralité d'encoches 53 adaptées pour recevoir les bossages, ceci permettant que la rotation de l'un de l'arbre 2 et du tube 3 entraine en rotation l'autre. Il y a donc autant d'encoches 53 30 que de bossages 52, et les encoches sont réparties à intervalle angulaire constant pour se trouver en regard des bossages. Chaque encoche présente en outre une forme complémentaire à celle d"un bossage. Une encoche 53 est particulièrement visible sur les figures 5a et 5b, dans lesquelles le tube de dégazage n'est pas représenté.

De retour aux figures 4a et 4b, chaque bossage présente deux parois 54 s'étendant à partir de la surface externe 30 du tube de dégazage, les deux parois se rejoignant au niveau d'un sommet 56. Bien qu'un dispositif d'accouplement comprenne de préférence des bossages qui soient tous identiques, on a montré sur la figure 4b, fictivement disposées sur le pourtour d'une partie d'accouplement en plusieurs quartiers schématisés, plusieurs géométries possibles de bossages. Afin de former un dispositif d'accouplement en rotation robuste et peu coûteux à réaliser, les encoches dans l'arbre de turbine sont conformées de sorte que leur fabrication ne nécessite pas d'usinage complexe ou délicat. Par exemple, ces encoches doivent pouvoir être réalisés par usinage avec une fraise de diamètre supérieur à au moins 10 mm, par exemple une fraise de diamètre 20 mm (puisque dans le cas présenté ces rayons font 10,5 mm). A cet égard, chaque bossage s'étend, sur la surface externe 30 du tube de dégazage, sur un arc correspondant à un angle a, supérieur à au moins 100, et de préférence, comme sur la figure 4a, supérieur à au moins 20°. Dans le cas de deux bossages, l'angle a est inférieur à 170° pour respecter un angle minimum entre deux bossages, pour conserver suffisamment d'espacement angulaire entre les bossages. Cet angle a est l'angle s'étendant entre les deux segments reliant, dans le plan d'une section du tube, l'axe X-X et chaque jonction entre l'une des parois 54 du bossage et la surface externe 30 du tube de dégazage. Avantageusement, l'angle a est compris entre 20 et 30°. De plus, chaque bossage 52 présente une forme arrondie pour éviter des arêtes vives qui pourraient être le siège d'une accumulation de contraintes entrainant une dégradation du dispositif d'accouplement. A cet égard, chaque paroi 54 d'un bossage est avantageusement courbe et présente au moins un point d'inflexion 55 strictement compris entre la jonction de la paroi avec la surface externe 30 du tube de dégazage et le sommet 56. Ainsi chaque paroi 54 comprend : - Une première partie 540 entre le point d'inflexion 55 et le tube 3, qui est courbe au moins au niveau de la jonction avec la surface 30 du tube pour assurer avec celle-ci une transition arrondie, dépourvue d'angle, et - Une deuxième partie 541 entre le point d'inflexion 55 et le sommet 56, qui est également courbe au moins au niveau de la jonction avec le sommet 56, de concavité opposée, pour assurer une transition arrondie avec ce sommet. Comme visible sur la figure 4b, le sommet 56, qui correspond au point du bossage le plus éloigné de l'axe X-X, et au niveau duquel la tangente au bossage est orthogonale à un rayon autour de l'axe X-X, peut être ponctuel ou être un segment reliant les extrémités des parois 54. On peut donc considérer, comme visible en pointillés sur la figure 4b, la forme d'un bossage comme un arc de cercle relié à la surface externe du tube par les parties 540 de parois, ou d'une autre manière par un triangle dont le sommet est arrondi. Dans ce cas les parois peuvent être essentiellement droites et terminées à leurs extrémités par un arrondi. Enfin, afin d'assurer un accouplement en rotation efficace, chaque bossage présente avantageusement une hauteur h, mesurée radialement entre le sommet 56 d'un bossage et l'axe X-X, supérieure à au moins 1,10 fois le rayon externe du tube de dégazage. Cependant, cette hauteur est limitée par le montage du tube de dégazage 3 dans l'arbre de turbine 2. En effet, de retour à la figure 3b, l'ensemble comprend en outre un joint amortisseur 7 logé dans une gorge dans le tube de dégazage 3 et qui est en contact (en compression) sur la paroi interne 20 de l'arbre de turbine en amont par rapport à la première partie 50 d'accouplement. Le diamètre interne de l'arbre 2 au droit du joint amortisseur 7 correspond au maximum de distance que peuvent avoir les sommets des bossages du tube CVT par rapport à l'axe X-X. En d'autres termes, le rayon s'étendant entre l'axe X-X et le sommet d'un bossage est inférieur ou égal au rayon interne de l'arbre au niveau du joint 7).

Dans l'exemple de la figure 4a le diamètre du tube de dégazage 3 est de 23,7 mm et le diamètre théorique des sommets des bossages est de 26,1 mm soit un ratio proche de 1,1. Le diamètre de l'arbre 2 de turbine en regard du joint amortisseur est légèrement supérieur à cette valeur pour permettre le montage du tube de dégazage.

En effet, lors du montage, le tube de dégazage 3 est inséré dans l'arbre de turbine 2 depuis l'amont vers l'aval. Par conséquent, un bossage doit présenter une hauteur inférieure au rayon interne de l'arbre de turbine 2 au niveau de ce joint 7 pour que le tube puisse être inséré dans l'arbre.

Comme indiqué précédemment, les bossages 52 du tube de dégazage et/ou les encoches 53 de l'arbre de turbine sont avantageusement usinés au moyen d'une fraise d'un diamètre supérieur ou égal à 10 mm, avantageusement de l'ordre de 20 mm. Ce type de fraise est suffisamment robuste ne pas risquer de casser au cours de l'usinage, tout en permettant d'obtenir la géométrie du dispositif d'accouplement. Une fois l'arbre 2 et le tube 3 usinés, on peut monter le tube à l'intérieur de l'arbre jusqu'à ce que le tube vienne en butée contre un rebord circonférentiel 22 de l'arbre 2 (voir figure 5b). A cet égard, la géométrie de l'arbre et du tube est adaptée pour que la butée survienne pour une position axiale pour laquelle les bossages sont engagés dans les encoches, cette position correspondant également à la position extrême de l'écrou 60 une fois vissé. Une fois le tube engagé en butée dans l'arbre 2, on peut ensuite monter l'écrou 60 d'arrêt du tube 3, le frein d'écrou 61, ainsi que l'écrou 62 d'arrêt des arbres 2 et 40 et le frein d'écrou 63 correspondant. Le dispositif d'arrêt en rotation obtenu est donc robuste, dépourvu de pièces intermédiaires susceptibles de se casser, et facile à usiner.20

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif d'accouplement (5) en rotation d'un arbre de turbine (2) avec un tube de dégazage (3), comprenant : une première partie d'accouplement (50) et une deuxième partie d'accouplement (51) s'étendant coaxialement à l'intérieur de la première (50), l'arbre de turbine et le tube de dégazage étant respectivement pourvus de ladite première partie d'accouplement (50) et de ladite deuxième partie d'accouplement (51), caractérisé en ce que la deuxième partie (51) comprend au moins deux bossages (52) agencés régulièrement sur sa circonférence, et la première partie comporte, sur une surface interne (20), au moins deux encoches (53) adaptées pour recevoir les bossages (52), et en ce que chaque bossage s'étend sur un arc de la surface externe de la deuxième partie correspondant à un angle (a) supérieur à au moins 100, et présente une hauteur (h), mesurée radialement par rapport à un axe de révolution (X-X) du tube de dégazage, supérieure à au moins 1,10 fois le rayon du tube de dégazage.
2. 2. Dispositif d'accouplement (5) selon la revendication 1, dans lequel chaque bossage (52) s'étend sur un arc correspondant à un angle (a) supérieur à au moins 20°, de préférence compris entre 20 et 30°.
3. 3. Dispositif d'accouplement (5) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel chaque bossage (52) comprend deux parois (54) s'étendant à partir d'une surface externe (30) d'un tronçon (51) du tube de dégazage (3) duquel les bossages dépassent et un sommet (56) reliant entre elles les parois (54), et chaque paroi présente au moins un point d'inflexion (55).
4. 4. Dispositif d'accouplement (5) selon la revendication 3, dans lequel chaque paroi (54) comprend : une première partie (540) s'étendant entre le point d'inflexion (55) et la surface externe (30), ladite partie (540) comprenant au moins un arrondi au niveau d'une jonction avec la surface externe (30) du tube de dégazage, etune seconde partie (541) s'étendant entre le point d'inflexion (55) et le sommet (56), comprenant au moins un arrondi au niveau d'une jonction avec le sommet (56).
5. 5. Dispositif d'accouplement (5) selon la revendication 3, dans lequel le sommet (56) est un segment ou est ponctuel.
6. 6. Ensemble, comprenant un arbre de turbine (2) et un tube de dégazage (3) s'étendant à l'intérieur de l'arbre de turbine (2) coaxialement à celui-ci, caractérisé en ce que l'arbre de turbine (2) et le tube de dégazage (3) sont accouplés en rotation par un dispositif (5) selon l'une des revendications précédentes.
7. 7. Ensemble selon la revendication précédente, comprenant en outre un joint (7) amortisseur monté sur une paroi interne (20) de l'arbre de turbine (2) en amont par rapport à la première partie (50) d'accouplement, et chaque bossage présente une hauteur inférieure à la distance entre l'axe (X-X) du tube (3) de dégazage et le joint (7).
8. 8. Turbomachine (1), comprenant un ensemble selon l'une des revendications 6 ou 7.
9. 9. Procédé de fabrication d'un ensemble selon l'une des revendications 6 ou 7, comprenant la fabrication d'un tube de dégazage (3) comprenant au moins deux bossages (52) agencés régulièrement sur sa circonférence, la fabrication d'un arbre de turbine (2) comprenant, sur une surface interne, au moins deux encoches (53) adaptées pour recevoir les bossages, et le montage du tube de dégazage (3) à l'intérieur de l'arbre de turbine (2).
10. 10. Procédé de fabrication selon la revendication 9, dans lequel les bossages (52) du tube de dégazage (3) et/ou les encoches (53) de l'arbre de turbine sont usinés avec une fraise de diamètre supérieur ou égal à 10 mm.