FR3104198A1 - Agencement de limitation de survitesse d’une turbine - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un limiteur de survitesse de turbine de turbomachine, cette turbine comprenant un disque tournant autour d’un axe longitudinal (AX) et portant des aubes rotatives (11), et un distributeur (13) portant des aubes fixes (12), chaque aube rotative (11) comportant une extrémité libre terminée par un talon (19) portant au moins une léchette (23), chaque aube directrice (12) comportant une plateforme (29) radialement externe par laquelle elle est solidarisée à un élément de carter (9). Chaque plateforme (29) a une extrémité amont comportant une face de frottement (36) située en vis-à-vis de la léchette (23), la léchette (23) venant en appui sur la face de frottement (36) en cas de déplacement vers l’aval (AV) du disque tournant. La face de frottement (36) comporte une portion amont cylindrique radialement au même niveau ou plus éloignée qu’une extrémité libre de la léchette (23), et une portion aval conique inclinée selon une orientation qui s’éloigne de l’axe longitudinal (AX) de l’aval (AV) vers l’amont (AM). Figure pour l’abrégé : Figure 3
Description
La présente invention concerne un agencement de limitation de survitesse de turbine dans une turbomachine telle qu’un turboréacteur, notamment dans le cas d’une rupture de l’arbre de turbine.
Dans un moteur de type turboréacteur, l'air est admis dans une manche d'entrée correspondant à l’amont du moteur 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 est comprimé par des compresseurs basse pression et haute pression avant d'atteindre une chambre de combustion, après quoi il se détend en traversant une turbine haute pression et une turbine basse pression, avant d'être évacué en générant une poussée auxiliaire. Le flux secondaire est quant à lui propulsé directement par la soufflante pour générer une poussée principale.
Chaque turbine peut comporter un ou plusieurs étages, chaque étage comprenant un disque rotatif portant une série d’aubes mobiles régulièrement espacées autour d’un axe de rotation, suivi d’un distributeur porté par un élément de carter entourant l’ensemble du moteur, chaque distributeur comportant une série d’aubes fixes régulièrement espacées autour de l’axe.
La turbine basse pression est reliée à la soufflante par un arbre central, dit arbre basse pression, de manière à l’entrainer en rotation pour générer la poussée principale du moteur. En cas de rupture de cet arbre basse pression, les aubes rotatives de la turbine basse pression sont entraînées en rotation par les gaz sortant de la chambre de combustion, alors qu’elles sont désolidarisées en rotation de la soufflante qui limite leur vitesse de rotation en fonctionnement normal.
La turbine s’emballe alors et passe en « survitesse », ce qui soumet les aubes à des contraintes pouvant provoquer l’éclatement du rotor avec risque de perforation du carter externe et de la carlingue de l’avion équipé de cette turbomachine.
Les dispositifs connus de limitation de survitesse exploitent en général le recul du rotor portant les disques de turbine qui résulte de la rupture de l’arbre basse pression combiné à la pression exercée par les gaz sur les aubes de son rotor, pour freiner le rotor.
Ces solutions connues consistent par exemple à concevoir les aubes fixes d’un distributeur amont pour qu’elles soient heurtées par les aubes rotatives situées immédiatement à leur amont en cas de recul du disque portant ces aubes rotatives, dans le but de casser ces aubes mobiles, ainsi que par voie de conséquence les autres aubes situées à leur aval.
L’objet de l’invention est de proposer une solution permettant d’améliorer et de fiabiliser la limitation du régime en survitesse d’une telle turbine en cas de rupture de l’arbre.
A cet effet, l’invention a pour objet un ensemble de turbine pour la limitation de survitesse d’une turbine de turbomachine, l’ensemble s’étendant autour d’un axe longitudinal et comprenant:
– un carter;
– un disque rotatif mobile en rotation par rapport au carter portant des aubes rotatives;
– un distributeur fixé au carter portant des aubes fixes en aval des aubes rotatives selon un sens de circulation d’amont en aval le long de l’axe longitudinal,
et dans lequel:
– au moins une aube rotative comporte une extrémité libre radialement externe pourvue d’au moins une léchette d’étanchéité destinée à coopérer avec un élément abradable d’étanchéité disposé en regard et porté par le carter;
– au moins une aube directrice fixe comporte une plateforme radialement externe par laquelle elle est montée sur le carter,
caractérisé en ce que la plateforme présente une extrémité amont comportant un becquet pourvu d’une face de frottement, et en ce que la turbine est configurée pour qu’en cas de rapprochement vers l’aval du disque rotatif par rapport au distributeur, la léchette vienne en appui contre la face de frottement.
Cette solution permet d’offrir un couple résistant significatif, grâce au fait que l’effort exercé radialement par les aubes rotatives résultant de l’effet centrifuge est important. En outre, l’intégration de ce dispositif est sans impact sur l’aérodynamisme.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel la léchette est configurée pour venir en appui contre le becquet selon une composante principalement radiale, en cas de rapprochement vers l’aval du disque rotatif par rapport au distributeur.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel la face de frottement comporte une portion amont en forme de portion de cylindre située radialement au delà de la léchette.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel la face de frottement comporte une portion aval en forme de portion de cône orientée selon une inclinaison qui s’éloigne de l’axe longitudinal de l’aval vers l’amont et située longitudinalement en vis-à-vis de la léchette.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel la face de frottement est portée par un becquet qui dépasse en amont de la plateforme.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel le becquet prolonge la plateforme en amont et présente une forme incurvée radialement décalée par rapport à la plateforme qu’il prolonge.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, comportant des moyens de destruction des aubes en cas de recul du disque, ces moyens étant portés par des aubes fixes du distributeur, ces moyens étant destinés à heurter les aubes rotatives en cas de rapprochement vers l’aval du disque rotatif par rapport au distributeur.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel les moyens de destruction sont formés par des aubes fixes ayant un bord d’attaque bombé vers l’amont pour entrer en interférence avec les bords de fuite des aubes rotatives en cas de rapprochement vers l’aval du disque rotatif par rapport au distributeur.
L’invention concerne également un une turbine de turboréacteur comprenant un ensemble ainsi défini.
L’invention concerne également un turboréacteur comportant une turbine basse-pression comportant un ensemble ainsi défini.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE L’INVENTION
Dans le turboréacteur repéré par 1 sur la figure 1, l'air est admis par une manche d'entrée 2 pour traverser une soufflante comportant une série de pales rotatives 3 avant de se scinder en un flux primaire central et un flux secondaire entourant le flux primaire. Ce turboréacteur 1 qui a une forme générale de révolution s’étend selon une direction principale AX, l’air circulant dans celui-ci depuis l’amont AM vers l’aval AV.
Le flux primaire est comprimé par des compresseurs basse pression 4 et haute pression 5 avant d'atteindre une chambre de combustion 6, après quoi il se détend en traversant une turbine haute pression 7 puis une turbine basse pression 8, avant d'être évacué en générant une poussée auxiliaire. Le flux secondaire est quant à lui propulsé directement par la soufflante pour générer une poussée principale. Cette poussée principale résulte de l’entrainement de la soufflante par la turbine basse pression 8 au moyen d’un arbre basse pression non représenté.
Chaque turbine 7, 8 comporte plusieurs étages se succédant le long de la direction principale AX du moteur, l’ensemble étant entouré par un carter 9. Chaque étage comporte un distributeur comprenant une série d’aubes fixes directrices suivi d’une série d’aubes tournantes portées par un disque tournant autour de l’axe AX.
La figure 2 montre une portion de la turbine basse pression 8 comportant une aube rotative 11, portée par un disque non représenté, à l’aval AV de laquelle s’étend radialement une aube fixe 12 d’un distributeur 13. A l’aval AV de cette aube fixe 12, une autre aube rotative 14 s’étend radialement, portée par un autre disque non représenté, et à l’aval AV de laquelle se situe une autre aube fixe 16 faisant partie d’un autre distributeur 17.
Comme visible sur la figure 3, l’aube rotative 11 comporte un corps 18 s’étendant radialement, qui est terminé par un talon 19 correspondant à son extrémité radialement externe.
Le talon 19 comporte une plateforme 21 portant une léchette amont 22 et une léchette aval 23, ayant chacune une forme de paroi dépassant de la plateforme 21 en s’étendant chacune selon une orientation sensiblement normale à l’axe AX. Les léchettes 22 et 23 sont espacées l’une de l’autre le long de l’axe AX, en étant situées radialement en vis-à-vis d’un élément abradable 24 porté par une nervure 26, présentant en section une forme de crochet dépassant radialement vers l’intérieur du carter 9.
Le talon 19 a ainsi en section longitudinale une forme s’apparentant à celle de la lettre π inversée, dont les branches correspondent aux léchettes 22 et 23. Chaque léchette est en contact ou à faible jeu vis-à-vis de l’élément abradable 24, pour limiter la circulation d’air entre les léchettes et l’élément abradable 24, afin de former une barrière sensiblement étanche.
A son extrémité radialement interne, non représentée, le corps 18 de cette aube 11 est terminé par un pied au moyen duquel elle est montée sur le disque rotatif qui la porte.
L’aube fixe 12 du distributeur 13 comporte elle aussi un corps, repéré par 27, s’étendant radialement, qui est terminé par un talon fixe 28 correspondant à son extrémité radialement externe, et par lequel cette aube fixe 12 est fixée au carter 9.
Ce talon fixe 28 comporte une plateforme 29 portant une branche amont 31 et une branche aval 32 s’étendant toutes deux radialement au-delà de la plateforme 29 vers le carter 9. La branche amont 31 et la branche aval 32 assurent conjointement la fixation du talon 28 au carter 9 par accrochage à la nervure 26 formant crochet et par fixation à une autre nervure interne 33 formant crochet portées par le carter 9 et dépassant radialement vers l’axe AX. L’aube directrice fixe 12 est ainsi montée sur le carter 9, qui la porte et l’entoure.
Comme visible sur la figure 3, la plateforme 21 du talon 19 de l’aube rotative 11 et la plateforme 29 du talon 28 de l’aube fixe 12 s’étendent dans le prolongement l’une de l’autre. Elles s’étendent l’une et l’autre selon une orientation qui est inclinée pour s’écarter de l’axe AX de l’amont AM vers l’aval AV.
Comme visible sur la figure 3, la plateforme 29 est prolongée en amont par un becquet 34 qui est situé approximativement à même la distance de l’axe AX que la léchette aval 23 du talon de l’aube rotative 11. Ce becquet 34 se situe ainsi en vis-à-vis de la léchette aval 23 selon une direction longitudinale parallèle à l’axe AX, de telle manière qu’en cas de recul vers l’aval AV du disque portant l’aube rotative 11, la léchette 23 vient alors en appui sur une face de frottement 36 ce becquet 34.
Comme visible sur la figure 3, la face 36 est une face amont du becquet 34 située en vis-à-vis de la léchette aval 23 selon la direction longitudinale AX. Elle présente une forme définie pour favoriser un contact principalement radial de la léchette 23 en cas de recul du rotor.
Plus particulièrement, et comme visible sur la figure 4, cette face 36 comporte une portion amont 36a ayant une forme de portion de cylindrique se prolongeant vers une portion aval 36b de raccordement à la plateforme 29 en forme de portion de tronc de cone. La portion amont 36a est située à une distance de l’axe AX qui est égale ou sensiblement supérieure à la distance séparant l’extrémité radiale de la léchette aval 23 de l’axe AX.
La portion aval 36b présente une inclinaison par rapport à l’axe AX qui est opposée à celle de la plateforme 29. Autrement dit, la portion 36b s’étend selon une orientation qui s’éloigne de l’axe AX de l’aval AV vers l’amont AM.
En cas de rupture de l’arbre basse pression, entre la soufflante et la turbine basse pression, les disques de la turbine basse pression reculent vers l’aval comme illustré sur la figure 5, de sorte que la léchette 23 se place radialement en vis-à-vis de la face de frottement 36 sensiblement au niveau de sa portion amont 36a.
Du fait de la rupture de l’arbre, la vitesse de rotation de l’aube 11 augmente (survitesse), ce qui augmente la longueur de l’aube 11 selon la direction radiale par effet centrifuge, de sorte que l’extrémité radiale de la léchette aval 23 vient alors en appui sur la face de frottement 36.
L’extrémité radiale de la léchette 23 portée par l’aube rotative 11 exerce ainsi sur la face de frottement 36 qui est fixe, un effort principalement radial d’autant plus élevé que la vitesse de l’aube 11 qui la porte est importante. Autrement dit, compte tenu de l’effet centrifuge, le freinage est d’autant plus important que la vitesse du rotor est élevée, ce qui permet d’obtenir un ralentissement efficace.
Par ailleurs, l’inclinaison de la face de frottements 36 au niveau de sa portion aval 36b, contribue à rendre le freinage d’autant plus intense que l’effort axial exercé par le rotor vers l’aval est important, cet effort axial correspond à l’effort exercé par les gaz de combustion sur les pales.
Ainsi, la forme particulière du becquet 34 présentant une face de frottement tournée vers l’amont qui comporte une portion de tronc de cone se prolongeant en une portion cylindrique permet de favoriser un appui principalement radial de la léchette 23 en complément de son appui axial, pour accroître les frottements afin d’obtenir un arrêt du rotor plus rapide et plus efficace.
D’une manière générale, la portion amont cylindrique 36a permet de favoriser un contact principalement radial de la léchette avec la face de frottement 36, par rapport au contact axial, l’effort de contact centrifuge s’avérant être plus important que l’effort axial.
Le jeu radial existant entre l’extrémité de la léchette 23 et la portion cylindrique 36a est dimensionné pour assurer qu’un contact principalement radial s’établit lors du recul du rotor. Plus particulièrement, ce jeu est dimensionné pour ne pas être trop important afin d’assurer que le contact principalement radial peut s’établir grâce à l’allongement de l’aube rotative par effet centrifuge, et il n’est pas trop faible sans quoi la léchette entrerait alors en contact axialement avec l’extrémité amont du becquet.
La turbine peut également être pourvue de moyens de freinage complémentaires comme illustré sur les figures 6 et 7. Dans ce cas, une ou plusieurs des aubes fixes de l’un des distributeurs situés en amont, à savoir une ou plusieurs aube 12 du distributeur 13 présente un bord d’attaque 37 ayant une forme bombée pour dépasser vers l’amont dans sa région centrale.
Autrement dit, et comme visible sur la figure 6, le bord d’attaque 37 est bombé vers l’amont, de sorte que sa portion centrale est déportée vers l’amont par rapport à ses extrémités radialement interne et radialement externe.
Dans ces conditions, en cas de recul du rotor portant les disques aubagés, d’une part les talons des aubes rotatives viennent en appui sur les faces de frottements 36 des aubes fixes 12, afin de ralentir, mais de plus, les bords de fuite 38 des aubes rotatives 11 viennent heurter les portions bombées des bords d’attaque 37 des aubes fixes du distributeur 13. Cette interférence mécanique provoque alors la rupture des aubes rotatives 11, ce qui génère des débris se détachant pour venir endommager les autres aubes de la turbine qui sont situées en aval et accentuer ainsi le ralentissement de la turbine par perte d’aérodynamisme.
Claims (10)
- Ensemble de turbine pour la limitation de survitesse d’une turbine de turbomachine, l’ensemble s’étendant autour d’un axe longitudinal (AX) et comprenant:
– un carter (9);
– un disque rotatif mobile en rotation par rapport au carter (9) portant des aubes rotatives (11);
– un distributeur (13) fixé au carter (9) portant des aubes fixes (12) en aval (AV) des aubes rotatives (11) selon un sens de circulation d’amont en aval le long de l’axe longitudinal (AX),
et dans lequel:
– au moins une aube rotative (11) comporte une extrémité libre radialement externe pourvue d’au moins une léchette (23) d’étanchéité destinée à coopérer avec un élément abradable d’étanchéité disposé en regard et porté par le carter (9);
– au moins une aube directrice fixe (12) comporte une plateforme (29) radialement externe par laquelle elle est montée sur le carter (9),
caractérisé en ce que la plateforme (29) présente une extrémité amont comportant un becquet (34) pourvu d’une face de frottement (36), et en ce que la turbine est configurée pour qu’en cas de rapprochement vers l’aval du disque rotatif par rapport au distributeur (13), la léchette (23) vienne en appui contre la face de frottement (36). - Ensemble selon la revendication 1, dans lequel la léchette (23) est configurée pour venir en appui contre le becquet (34) selon une composante principalement radiale, en cas de rapprochement vers l’aval du disque rotatif par rapport au distributeur (13).
- Ensemble selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la face de frottement (36) comporte une portion amont (36a) en forme de portion de cylindre située radialement au delà de la léchette (23).
- Ensemble selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la face de frottement comporte une portion aval (36b) en forme de portion de cône orientée selon une inclinaison qui s’éloigne de l’axe longitudinal (AX) de l’aval (AV) vers l’amont (AM) et située longitudinalement en vis-à-vis de la léchette (23).
- Ensemble selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la face de frottement (36) est portée par un becquet (34) qui dépasse en amont de la plateforme (29).
- Ensemble selon la revendication 5, dans lequel le becquet (34) prolonge la plateforme (29) en amont et présente une forme incurvée radialement décalée par rapport à la plateforme (29) qu’il prolonge.
- Ensemble selon l’une des revendications précédentes, comportant des moyens de destruction des aubes (11, 12, 14, 16) en cas de recul du disque, ces moyens étant portés par des aubes fixes (12, 16) du distributeur, ces moyens en étant destinés à heurter les aubes rotatives (11, 14) en cas de rapprochement vers l’aval du disque rotatif par rapport au distributeur.
- Ensemble selon la revendication 7, dans lequel les moyens de destruction sont formés par des aubes fixes ayant un bord d’attaque (37) bombé vers l’amont (AM) pour entrer en interférence avec les bords de fuite (38) des aubes rotatives (11) en cas de rapprochement vers l’aval du disque rotatif par rapport au distributeur.
- Turbine de turboréacteur comprenant un ensemble selon l’une quelconque des revendications précédentes.
- Turboréacteur comportant une turbine basse-pression comportant un ensemble selon la revendication 9.
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