FR3085410A1 - Accouplement pour turbomachine de type curvic avec verrouillage - Google Patents

Accouplement pour turbomachine de type curvic avec verrouillage Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un accouplement pour turbomachine, comportant un premier et un deuxième disque (17, 18) accolés le long d'un axe (AX), et s'étendant en majorité respectivement d'un premier et d'un deuxième côté (C1, C2) d'un plan médian (PM) normal à l'axe (AX), le premier et le deuxième disque (17, 18) étant pourvus respectivement de premières et de deuxièmes dents (19, 21) s'engageant mutuellement à travers le plan médian (PM) pour former une liaison curvic. Selon l'invention : - plusieurs premières et deuxièmes dents (19, 21) sont prolongées respectivement par une première et une deuxième patte (19b, 21b) terminée par un ergot (E) radialement externe ayant respectivement une première et une deuxième face de rétention (19c, 21c) tournée respectivement vers le premier et le deuxième élément (17, 18) et située respectivement du deuxième et premier côté (C2, C1) ; - le premier et le deuxième élément (17, 18) comportent respectivement un premier et un deuxième rebord interne (27, 24) pour recevoir les premières et deuxièmes faces de rétention (19c, 21c).

Description

ACCOUPLEMENT POUR TURBOMACHINE DE TYPE CURVIC AVEC VERROUILLAGE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne le couplage de deux éléments rotatifs tels que des disques portant des aubages dans un moteur de type turbomachine, au moyen d'une liaison de type « curvic ».
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Dans un tel moteur, l'air extérieur est admis dans une manche d'entrée pour traverser une soufflante comportant une série de pales rotatives avant de se scinder en un flux primaire central et un flux secondaire entourant le flux primaire.
Le flux primaire traverse ensuite un compresseur haute pression avant d'arriver dans une chambre de combustion, après quoi il se détend en traversant successivement une turbine haute pression et une turbine basse pression avant d'être évacué après récupération d'énergie pour l'entrainement de la soufflante et en générant de la poussée. Le flux secondaire est quant à lui propulsé directement vers l'arrière par la soufflante pour générer lui aussi une poussée.
Pour permettre la récupération d'énergie la turbine haute pression est liée en rotation avec le compresseur haute pression pour l'entraîner en rotation, et la soufflante est liée en rotation avec la turbine basse pression par laquelle elle est entraînée en rotation, l'essentiel de la poussée étant généré par la soufflante.
Les parties de compresseur ou de turbines d'un tel moteur comportent le plus souvent plusieurs étages formés par des éléments rotatifs solidarisés en rotation les uns aux autres pour tourner autour d'un axe de rotation AX du moteur.
Dans ce cadre, la figure 1 montre une turbine haute pression 1 comprenant une partie 2 incluant un premier étage 3 et un deuxième étage 4 en aval du premier étage par rapport au sens de circulation du flux. Le premier étage 3 comporte un premier disque 6 portant une première série d'aubes 7, le deuxième étage comportant un deuxième disque 8 portant une deuxième série d'aubes 9. Un distributeur 11 formé d'une série d'aubes fixes 12 est interposé entre la première série d'aubes mobiles et la deuxième série d'aubes mobiles. Chaque disque comprend une ouverture centrale et porte des aubes à sa périphérie externe.
Comme visible sur cette figure 1, le premier disque 6 est accolé au deuxième disque 8 le long de l'axe AX, et il est accouplé en rotation à ce premier disque par une liaison de type « curvic coupling », encore appelée crabot ou liaison à denture trapézoïdale.
La liaison des deux disques qui apparaît plus clairement sur les figures 2 et 3 comporte des premières dents trapézoïdales 13 portées par le premier disque 6 qui sont orientées vers le deuxième disque 8, et des deuxièmes dents trapézoïdales 14 portées par le second disque en étant orientées vers le premier disque 6.
Dans le cas des figures 2 et 3, le premier et le deuxième disque sont désaccouplés en étant espacés l'un de l'autre, ce qui permet de faire apparaître leurs dentures. Lorsque l'agencement est en service comme dans le cas de la figure 1, les disques sont accouplés du fait qu'ils sont appliqués l'un contre l'autre, les premières dents étant engagées avec les deuxièmes dents selon un assemblage de type créneaumortaise permettant de transférer un couple d'un disque vers l'autre.
Le choix d'un accouplement par liaison curvic permet notamment aux disques de se centrer indépendamment l'un de l'autre autour de l'axe de rotation en cours de fonctionnement, tout en transférant efficacement un couple d'un disque vers l'autre. Ce couplage permet également de faciliter l'assemblage et le désassemblage du rotor dont font partie les disques qui le composent tout en ayant un encombrement limité.
Néanmoins, si l'un des disques perd l'une des aubes qu'il porte, les efforts axiaux auxquels il est soumis deviennent déséquilibrés, comme illustré schématiquement sur la figure 4. En pratique, le disque ayant perdu une ou plusieurs aubes tend alors à s'incliner par rapport à son orientation nominale, ce qui peut se conduire à un désaccouplement des deux disques, illustré sur la figure 5. En cas de désaccouplement, le disque peut entrer dans un état de survitesse conduisant à son explosion et/ou sa sortie du moteur.
Le but de l'invention est d'apporter une solution permettant d'éviter le désaccouplement d'une liaison interdisque de type curvic, notamment en cas de perte d'une aube.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention a pour objet un accouplement rotatif pour turbomachine entre un premier élément et un deuxième élément qui s'étendent autour d'un axe en étant engagés l'un dans l'autre le long de l'axe, chaque élément comprenant des dents qui s'étendent axialement pour être s'engagées axialement dans une concavité respective de l'autre élément, caractérisé en ce que les dents du premier et du deuxième élément comportent des moyens de blocage configurés pour bloquer axialement le premier élément par rapport au deuxième élément.
Avec cette solution, le désaccouplement des premier et deuxième éléments est empêché dans la direction axiale, ce qui est notamment efficace pour éviter des phénomènes de survitesse pouvant conduire à l'endommagement du rotor de la turbomachine en cas de séparation entre ces deux éléments en fonctionnement. De plus, l'encombrement des moyens de blocage est limité par le fait qu'ils sont au plus près des dentures d'accouplement.
L'invention a également pour objet un accouplement ainsi défini, dans lequel :
- les moyens de blocage du premier élément comprennent des pattes terminées chacune par un ergot d'orientation radialement externe et pourvu d'une face de rétention;
- chaque face de rétention vient en appui sur une face de blocage du deuxième élément pour bloquer axialement le premier élément par rapport au deuxième élément.
L'invention a également pour objet un accouplement ainsi défini, dans lequel :
- les moyens de blocage du deuxième élément comprennent des pattes terminées chacune par un ergot d'orientation radialement externe et pourvu d'une face de rétention ;
- chaque face de rétention vient en appui sur une face de blocage du premier élément pour bloquer axialement le premier élément par rapport au deuxième élément.
L'invention a également pour objet un accouplement ainsi défini, comprenant un plan médian normal à l'axe et dans lequel, le premier et le deuxième élément s'étendant en majorité respectivement d'un premier et d'un deuxième côté du plan médian, chaque patte est portée par une dent qu'elle prolonge, et dans lequel les faces de rétention des pattes du premier élément et les faces de rétention des pattes du deuxième élément sont situées respectivement du deuxième côté et du premier côté. L'invention a également pour objet un accouplement ainsi défini, dans lequel chaque patte est configurée pour se déplacer radialement vers l'extérieur par effet centrifuge, afin de placer sa face de rétention en appui sur le rebord interne correspondant lorsque la turbomachine est en service.
L'invention a également pour objet un accouplement ainsi défini, dans lequel chaque patte comporte un corps qui présente une striction.
L'invention a également pour objet un accouplement ainsi défini, dans lequel certaines premières et certaines deuxièmes dents sont dépourvues de pattes.
L'invention a également pour objet une turbine comprenant un accouplement ainsi défini.
L'invention a également pour objet une turbomachine comprenant une turbine ainsi définie.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 déjà décrite est une vue en coupe d'une portion de turbine haute pression connue ;
La figure 2 déjà décrite est une vue en perspective d'une portion de liaison de type curvic connue ;
La figure 3 déjà décrite est une vue schématique à plat d'une portion de liaison de type curvic connue ;
La figure 4 déjà décrite est une vue latérale montrant un déséquilibre de répartition d'efforts dans une liaison curvic connue en cas de perte d'une aube ;
La figure 5 déjà décrite est une vue en perspective montrant un désaccouplement de liaison curvic connue ;
La figure 6 est une vue schématique à plat d'une portion de liaison curvic selon l'invention ;
La figure 7 est une vue schématique en coupe d'une liaison curvic selon l'invention verrouillé par effet centrifuge ;
La figure 8 est une vue schématique en coupe d'une liaison curvic selon l'invention verrouillé par effet centrifuge ;
La figure 9 est une vue schématique en coupe d'une liaison curvic selon l'invention avant verrouillage par effet centrifuge ;
La figure 10 est une autre vue schématique en coupe d'une liaison curvic selon l'invention avant verrouillage par effet centrifuge ;
La figure 11 est une vue en perspective d'une portion de premier disque à liaison curvic selon l'invention ;
La figure 12 est une vue en perspective d'une portion de liaison curvic selon l'invention ;
La figure 13 est une vue d'ensemble en perspective d'une liaison curvic selon l'invention ;
La figure 14 est une vue d'ensemble d'une variante de liaison curvic selon l'invention ;
La figure 15 est une vue d'ensemble d'une autre variante de liaison curvic selon l'invention ;
La figure 16 est une vue d'ensemble d'une autre variante de liaison curvic selon l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
L'idée à la base de l'invention est de tirer parti du chevauchement alterné des dentures de la liaison curvic pour maintenir un organe de blocage annulaire par des excroissances dépassant radialement des dents vers l'axe.
Sur la figure 6, une vue schématique à plat d'une portion d'une liaison 16 de type curvic selon l'invention assure l'accouplement d'un premier disque 17 avec un deuxième disque 18 qui tournent autour d'un axe AX en étant accolés l'un à l'autre le long de cet axe.
Le premier disque 17 porte à l'une de ses faces une première denture s'étendant selon une couronne centrée sur l'axe AX, cette première denture étant formée par des premières dents 19 trapézoïdales régulièrement espacées qui sont orientées vers le deuxième disque 18.
Le deuxième disque 18 porte à l'une de ses faces une denture s'étendant selon une couronne centrée sur l'axe AX, cette deuxième denture étant formée par des deuxièmes dents 21 trapézoïdales régulièrement espacées et orientées vers le premier disque 17.
Chaque dent 19 du premier disque 17 comporte un profil principal trapézoïdal 19a orienté axialement et dirigé vers le deuxième disque, et une patte 19b prolongeant une extrémité de ce profil principal 19a en s'étendant parallèlement à l'axe AX. De la même manière, chaque dent 21 du deuxième disque 18 comporte un profil principal trapézoïdal 21a orienté axialement et dirigé vers le premier disque, et une patte 21b prolongeant une extrémité de ce profilé principal en s'étendant axialement.
L'accouplement en rotation du premier disque 17 avec le deuxième disque 18 est assuré par emboîtement des profils principaux 19a, 21a les uns avec les autres qui constituent les dents proprement dites, et par l'intermédiaire desquels un couple est transféré d'un disque vers l'autre lorsque l'ensemble est en service. Chaque dent est ainsi engagée dans une concavité délimitée par l'intervalle séparant deux dents consécutives de l'autre disque.
Comme visible sur la figure 7, la première patte 19b est radialement en saillie d'une première dent 19 appartenant au premier disque, la première dent 19 étant orienté axialement. Cette première patte 19b comporte un corps C qui s'étend axialement en pointant vers le deuxième disque 18, et elle est terminée par une tête T se trouvant radialement en regard d'une face interne cylindrique 23 du deuxième disque 18. Cette face interne cylindrique 23 étant commune aux deuxièmes dents 21 du deuxième disque 18.
La première patte 19b comporte à son extrémité libre une tête T comportant une masselotte M et un ergot E orienté radialement vers l'extérieur et comportant une première face de rétention 19c tournée vers le premier disque 17. Elle comporte en outre, sensiblement à la moitié de la longueur de son corps C, une striction S c'est-à-dire une réduction localisée de sa section courante permettant d'accroître localement la flexibilité du corps C dans le domaine élastique. Complémentairement, la deuxième face interne cylindrique 23 est pourvue d'un deuxième rebord interne circonférentiel repéré par 24 portant une deuxième face de blocage 26 tournée vers le deuxième disque 18.
Lorsque les deux disques sont accouplés, le deuxième rebord 24 est situé axialement entre la tête T de la première patte 19b et la base de cette patte définissant un profil trapézoïdal 19a correspondant.
Lorsque les disques sont accolés l'un à l'autre et en rotation comme sur les figures 6 à 8, les effets centrifuges écartent radialement la masselotte M de l'axe AX, ce qui rapproche l'ergot E de la deuxième face cylindrique interne 23. Dans cette situation qui correspond à la figure 7, la face de rétention 19c de la patte 19b est en appui axial sur la deuxième face de blocage 26 portée par le rebord 24 dépassant de la deuxième face interne cylindrique 23 : les deux disques sont de par conséquent bloqués axialement l'un par rapport à l'autre.
De manière analogue, chaque deuxième patte 21b est radialement en saillie d'une deuxième dent 21. Elle comporte un corps C comportant une striction S et terminé par une tête T comprenant une masselotte M et un ergot E orienté radialement vers l'extérieur. Cet ergot E comporte une deuxième face de rétention 21c tournée vers le deuxième disque 18 pour se bloquer sur un premier rebord interne circonférentiel 27 formé à la première face cylindrique 22, ce premier rebord 27 portant une première face de blocage 28 tournée vers le premier disque 17. De la même manière, les effets centrifuges plaquent la tête T de la deuxième patte 21b contre la première face cylindrique interne 22, pour que sa face de rétention 21c se bloque axialement contre la première face de blocage 28 afin de verrouiller axialement les deux disques.
Comme visible sur les figures, chaque première patte est symétrique d'une deuxième patte par rapport à un plan médian PM de la liaison qui est normal à l'axe AX. Les faces de rétention 19c et 21c sont disposées de façon alternée de part et d'autre de ce plan PM, les faces 19c étant toutes d'un côté de ce plan PM et les faces 21c étant toutes de l'autre côté de ce plan PM.
Comme illustré sur les figures 9 et 10, en l'absence de rotation des disques aucun effort n'est exercé sur les masselottes M, de sorte que les têtes T des pattes 19b et 21b restent écartées des première et deuxième faces cylindriques 22 et 23. Les corps C des premières et des deuxièmes pattes ont alors une orientation globale sensiblement oblique par rapport à l'axe AX.
Dans cette situation, les disques peuvent être désolidarisés l'un de l'autre simplement par translation le long de l'axe AX, par exemple pour les besoins d'une opération de maintenance. De manière analogue, l'assemblage des disques est lui aussi assuré en rapprochant un disque l'un contre l'autre par translation selon l'axe AX sans qu'il soit nécessaire d'exercer un effort presseur.
Comme on le comprend, l'invention utilise la force centrifuge pour déformer élastiquement les pattes entre une position de repos comme sur les figures 9 et 10, et une position de service correspondant aux figures 7 et 8.
En pratique, la course radiale des têtes T est faible afin de rester dans le domaine élastique de déformation en flexion des corps C des pattes 19b et 21b. Cette déformation est comprise entre deux et quinze dixièmes de millimètres, ces grandeurs étant conditionnées par les matériaux et le dimensionnement qui sont utilisés.
Comme visible plus clairement sur les figures 11 à 13, chaque dent de la liaison curvic porte une patte d'accrochage correspondante, terminée par une face de rétention apte à se bloquer sur un rebord du disque opposé lorsque l'ensemble est en rotation.
Les moyens de verrouillage de la liaison sont ainsi formés par une alternance relativement dense de premières pattes et de deuxièmes pattes, pointant respectivement vers le deuxième disque et vers le premier disque, et qui sont en prise avec des ergots qui s'étendent à partir des faces cylindriques internes 22 et 23 de ces disques.
Dans l'exemple des figures, chaque dent est pourvue d'une patte, mais seulement une partie des dents peuvent être pourvues de telles pattes, par exemple une dent sur deux ou une dent sur trois. En pratique, la liaison comporte un minimum de trois premières pattes prolongeant trois premières dents et de trois deuxièmes pattes prolongeant trois deuxièmes dents.
Les formes de dents sont illustrées sur les figures 6 à 10 de manière schématique, attendu qu'en pratique, plusieurs forme appropriées peuvent convenir, comme dans l'exemple des figures 11 à 13 dans lesquelles chaque dent comporte un corps rectiligne dépourvu de striction, qui est prolongé par une tête T recourbée à angle droit et constituant un tout formant à la fois masselotte et ergot.
D'autres formes de pattes peuvent être mises en œuvre conformément à l'invention, comme illustré sur les figures 14 à 16 où l'on a représenté trois exemples de formes possibles pour les premières pattes 19b, les deuxièmes pattes étant alors identiques.

Claims (9)

  1. REVENDICATIONS
    1. Accouplement pour turbomachine entre un premier élément (17) et un deuxième élément (18) qui s'étendent autour d'un axe (AX) en étant engagés l'un dans l'autre le long de l'axe (AX), chaque élément (17, 18) comprenant des dents (19, 21) qui s'étendent axialement pour être engagées axialement dans une concavité respective de l'autre élément, caractérisé en ce que les dents (19, 21) du premier et du deuxième élément comportent des moyens de blocage configurés pour bloquer axialement le premier élément (17) par rapport au deuxième élément (18).
  2. 2. Accouplement selon la revendication 1, dans lequel :
    - les moyens de blocage du premier élément (17) comprennent des pattes (19b) terminées chacune par un ergot (E) d'orientation radialement externe et pourvu d'une face de rétention (19c);
    - chaque face de rétention (19c) vient en appui sur une face de blocage (26) du deuxième élément (18) pour bloquer axialement le premier élément (17) par rapport au deuxième élément (18).
  3. 3. Accouplement selon la revendication 2, dans lequel :
    - les moyens de blocage du deuxième élément (18) comprennent des pattes (21b) terminées chacune par un ergot (E) d'orientation radialement externe et pourvu d'une face de rétention (21c) ;
    - chaque face de rétention (21c) vient en appui sur une face de blocage (28) du premier élément (17) pour bloquer axialement le premier élément (17) par rapport au deuxième élément (18).
  4. 4. Accouplement selon la revendication 2 ou 3, comprenant un plan médian (PM) normal à l'axe (AX) et dans lequel, le premier et le deuxième élément (17, 18) s'étendent en majorité respectivement d'un premier et d'un deuxième côté (Cl, C2) du plan médian (PM), chaque patte (19b, 21b) étant portée par une dent (19, 21) qu'elle prolonge, et dans lequel les faces de rétention (19c) des pattes (19b) du premier élément (17, 18) et les faces de rétention (21c) des pattes (21b) du deuxième élément (17, 18) sont situées respectivement du deuxième côté (C2) et du premier côté (Cl).
  5. 5. Accouplement selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel chaque patte (19b, 21b) est configurée pour se déplacer radialement vers l'extérieur par effet centrifuge, afin de placer sa face de rétention (19c, 21c) en appui sur le rebord interne (27, 24) correspondant lorsque la turbomachine est en service.
  6. 6. Accouplement selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel chaque patte (19b, 21b) comporte un corps (C) qui présente une striction (S).
  7. 7. Accouplement selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel certaines premières et certaines deuxièmes dents (19, 21) sont dépourvues de pattes.
  8. 8. Turbine comprenant un accouplement selon l'une des revendications précédentes.
  9. 9. Turbomachine comprenant une turbine selon la revendication 8.
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