FR3113922A1 - Frein de turbine - Google Patents

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Jean Laurent Sultana Patrick
Thanh Nhan Nguyen Alexandre
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Abstract

L’invention concerne un dispositif de freinage d’une turbine de turbomachine à gaz comprenant un premier bras (540) pourvu d’un premier patin de freinage (541) et un second bras (560) pourvu d’un second patin de freinage (561), les premier et second bras étant solidaires l'un du rotor, l'autre du stator et étant adaptés à venir en contact en cas de rupture de l'arbre auquel est relié le rotor. Les premier et second bras (540,560) peuvent être axiaux, et/ou les patins de freinage (541,561) être axialement écartés d’une distance (d1) qui est la plus courte distance axiale entre toute partie dudit rotor et toute partie du stator, et/ou qui est inférieure à la distance axiale (d2) entre les extrémités axiales libres, aval et amont, respectivement de plateformes radialement intérieures (61) d’aubes (547) dont le rotor est pourvu, et d’une languette annulaire d'étanchéité (63,65) dont le stator est pourvu. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 3

Description

Frein de turbine
Domaine technique de l’invention
L’invention concerne un dispositif de freinage d’une turbine de turbomachine à gaz dont on peut prévoir d’équiper un aéronef.
Sur une turbomachine à gaz comprenant un rotor qui entraîne un arbre et qui est mobile en rotation autour d’un axe (X) par rapport à un stator, l’invention est plus précisément relative à un système permettant, en cas de rupture de l'arbre, d'en obtenir l'arrêt dans un délai aussi bref que possible.
Est ainsi visée une solution simple, efficace et peu onéreuse pour réduire rapidement la vitesse de rotation d'une turbine dans une turbomachine à gaz.
Etat de la technique antérieure
Une turbomachine comporte classiquement, d’amont en aval dans le sens de circulation des gaz au sein de la turbomachine, une soufflante, un ou plusieurs étages de compression, par exemple un compresseur basse pression et un compresseur haute pression, une chambre de combustion, un ou plusieurs étages de turbine, par exemple une turbine haute pression et une turbine basse pression, et une tuyère d’échappement des gaz. Chaque compresseur est relié à une turbine par un arbre, de manière à former par exemple un corps haute pression et un corps basse pression. Dans le cas de turbomachines à turbine rapides, au moins un réducteur peut être prévu sur l’arbre, comme connu en soi.
Comme l’explique le document FR2916482, dans une telle turbomachine à gaz, la soufflante est entraînée par une turbine ; typiquement la turbine basse pression. Lorsque l'arbre reliant le rotor de soufflante à celui de la turbine se rompt, le couple résistant sur la turbine est brutalement annulé alors que le flux de gaz moteur continue à transmettre son énergie au rotor. Il s'ensuit une augmentation rapide de la vitesse de rotation du rotor, ce qui est un problème.
Des dispositifs assurant le freinage du rotor lorsque survient un tel incident ont déjà été proposés.
Ainsi, dans EP1640564 le déplacement axial du rotor consécutif à la rupture de l'arbre déclenche l'actionnement de mécanismes visant à en dissiper l'énergie cinétique, via des moyens de destruction basculants montés sur une roue fixe adjacente à une roue de la turbine à freiner et qui sont agencés pour cisailler les échasses des aubes du rotor amont en début de déplacement vers l'aval du rotor. Cette solution, quoiqu’efficace, entraîne des coûts de réparation importants en raison des dégâts occasionnés sur les aubes.
Dans FR2916482 est divulgué un dispositif de freinage du rotor en cas de rupture d’arbre qui comprend:
- un premier organe de freinage comprenant un premier bras et un élément abrasif, et
- un second organe de freinage comprenant un second bras et un élément en forme d'anneau réalisé en un matériau susceptible d'être érodé par l'élément abrasif, les premier et second organes de freinage étant solidaires l'un du rotor, l'autre du stator et étant adaptés à venir en contact par déplacement axial du rotor après rupture de l'arbre, pour que l'élément abrasif du premier organe de freinage érode alors l'élément à éroder du second organe de freinage.
Il existe toutefois encore aujourd’hui un besoin de sécuriser encore davantage le freinage que l’on va imposer.
Présentation de l’invention
A cet effet, l’invention concerne un dispositif de freinage d’une turbine de turbomachine à gaz comprenant un rotor qui entraîne un arbre et qui est mobile en rotation autour d’un axe (X) par rapport à un stator, le dispositif de freinage, qui est adapté à agir en cas de rupture dudit arbre, comprenant :
- un premier organe de freinage comprenant un premier bras et un premier patin de freinage solidaire du premier bras à une extrémité libre du premier bras, et
- un second organe de freinage comprenant un second bras et un second patin de freinage solidaire du second bras à une extrémité libre du second bras, les premier et second organes de freinage étant solidaires l'un du rotor, l'autre du stator et étant adaptés à venir en contact par déplacement axial du rotor après rupture de l'arbre, pour que les premier et second patins frottent l’un contre l’autre,
caractérisé en ce que :
- les premier et second bras sont globalement rectilignes et s’étendent chacun principalement axialement, et/ou
- les premier et second patins de freinage sont axialement écartés d’une distance (d1 ci-après ; ce qui suit étant valable même après l’usure d’au moins un des patins lors du freinage) :
-- qui est la plus courte distance axiale entre toute partie dudit rotor et toute partie dudit stator, et/ou
-- qui est inférieure à la distance axiale (d2 ci-après) entre les extrémités axiales libres, aval et amont, respectivement :
--- de plateformes radialement intérieures d’aubes dont le rotor est pourvu, et
--- de plateformes radialement intérieures d’aubes dont le stator est pourvu.
Les termes axial, radial (axe conventionnel Z) et circonférentiel sont définis par rapport à l’axe (X) précité de la (turbine de) turbomachine. Les termes amont et aval sont définis par rapport au sens de circulation des gaz au sein de la turbomachine. Intérieur et extérieur s’apprécient radialement : respectivement plus près et plus loin de l’axe (X).
Axial a pour sens : disposé, ou s’étendant, suivant ledit axe (X) ou parallèlement à lui.
« Principalement axialement » a pour sens axial ou suivant une direction dont la composante suivant l’axe X est plus grande que toute autre composante projetée suivant l’un des axes Y, Z, dans le trièdre conventionnel X,Y,Z, un angle jusqu’à 10° avec l’axe X étant ainsi possible.
« Globalement rectiligne » a pour sens qui s’écarte de moins de 10° de la ligne droite.
Rectiligne et droit sont des synonymes.
Patin (de freinage) a pour sens : élément adapté à frotter pour réaliser (au moins) un ralentissement en rotation de la pièce qui le porte et/ou de celle contre laquelle il va frotter. Un patin peur être une seule pièce (s’étendant de façon monobloc sur 360° autour de l’axe X), ou formé par secteurs, qui s’étendent chacun circonférentiellement autour de l’axe X.
Solidaire a pour sens : fixé avec ou monobloc avec, par exemple soudé avec, ou fixé avec, par une/des vis.
Prévoir des premier et second bras axiaux vise à augmenter la raideur de ces bras par rapport à des bras non axiaux et doit permettre de limiter leur déformation lors du déplacement axial du rotor après rupture de l'arbre ou lors d’un départ en survitesse du rotor. On doit aussi réduire alors l’effet « ressort » lié à cette déformation, et donc réduire le freinage lors d’un rebond.
Adapter les distances axiales précitées (d1,d2..) limite notablement les risques de contact entre rotor et stator là où ce n’est pas souhaité, quand survient un recul de la turbine, lors d’un départ en survitesse du rotor.
Ainsi, on s’assurera qu’en se déplaçant axialement (vers l’aval, typiquement en reculant) lors d’une dite rupture d'arbre, le rotor entrera (d’abord) en contact avec le stator à l’endroit desdits premier et second organes de freinage, a priori à l’exclusion de toute autre partie du rotor et toute autre partie du stator. Ce sera donc là que seront concentrés les efforts et les moyens ou zones de contact entre le rotor et le stator pour ralentir le rotor, ceci pouvant ou devant se poursuivre au cours du freinage, c’est-à-dire lors de l’usure des organes de freinage.
Le premier patin pourra être un élément abrasif et le second patin être un (autre) élément réalisé en un matériau susceptible d'être érodé par le premier patin, de sorte qu’en frottant l’un contre l’autre l'élément abrasif du premier organe de freinage érode l'élément du second organe de freinage. Les matériaux des premier et second patins de freinage peuvent être identiques.
Grâce au dispositif de freinage, ou frein, ici proposé, il va d’ailleurs être possible d’installer un système de coupure de carburant, car ce frein permet d’accepter un délai de coupure du carburant plus long, en particulier pour les turbines dites rapides. L’installation d’un tel couple dispositif de freinage et système de coupure de carburant doit permettre de s’affranchir du dispositif d’arrêt en survitesse connu sous le nom de « DBP bombés » qui est couteux en rendement turbine. De plus la technologie « DBP bombés » n’est connue que sur les turbines conventionnelles (c’est-à-dire pas de type « rapide »), à ce jour.
De nouveau pour favoriser une résistance mécanique en modifiant de manière limitée la géométrie des pièces en cause, tout en pouvant adapter dans un espace contraint cette géométrie, par exemple en fonction de l’équilibre des efforts à atteindre, il est par ailleurs proposé que, chacun des premier et second bras présentant une épaisseur radiale, cette épaisseur radiale de l’un au moins des premier et second bras varie axialement.
Une spécificité d’adaptation de géométrie dans un espace contraint pourra en particulier conduire à ce que ladite épaisseur radiale de l’un au moins des premier et second bras qui varie axialement:
- soit maximum à l’extrémité libre dudit bras, et/ou
- s’étende depuis l’extrémité libre dudit bras.
Ainsi, on raidira d’autant plus le bras vers cette extrémité libre, où on aura réduit les risques de déformation du bras.
Dans le but déjà exprimé de sécurité, ici en termes tant de contact que de résistance mécanique, il est aussi proposé que les premier et second bras s’étendent coaxialement, autrement dit à une même distance radiale dudit axe (X) autour duquel le rotor est mobile en rotation par rapport au stator.
Ainsi, il n’y aura pas de décalage radial susceptible de créer un couple néfaste à un appui axial ou principalement axial entre les premier et second organes de freinage.
Autre possibilité alternative ou complémentaire, sur le même sujet : que l’épaisseur radiale précitée de l’un au moins des premier et second bras qui varie axialement s’évase radialement vers l’intérieur et vers l’extérieur en direction de l’extrémité libre dudit bras.
Et, afin de lutter contre un dit couple néfaste, risquant de favoriser un basculement du rotor reculé, il est aussi proposé que les évasements radiaux vers l’intérieur et vers l’extérieur en direction de l’extrémité libre dudit bras soient identiques, pour donc équilibrer les efforts lors d’un dit déplacement axial du rotor.
De nouveau pour équilibrer les efforts lors d’un dit déplacement axial du rotor, et pour lutter contre un couple risquant de favoriser un basculement du rotor reculé, il est par ailleurs proposé, à ladite extrémité libre :
- que le premier et/ou second bras présente un plateau de préférence radial, pour un appui (contre lui) axial ou principalement axial du patin de freinage concerné, et
- que ledit plateau présente au moins un rebord saillant qui sera orienté vers le patin de freinage concerné en appui contre lui, pour un centrage et un maintien, ceci radialement.
Dans un but comparable, il est aussi proposé, toujours à ladite extrémité libre, là où ledit premier et/ou second bras présentera donc un dit plateau de préférence radial, que lesdits premier et second patins de freinage soient situés à une même distance radiale de l’axe (X), de sorte que celui desdits patins de freinage qui appartient à l’organe de freinage solidaire du rotor puisse venir intégralement en contact avec l’autre patin de freinage qui appartient à l’organe de freinage solidaire du stator, lors d’un déplacement axial du rotor.
Cette coaxialité sera aussi favorable à une résistance mécanique accrue.
Il est précisé que l’expression « patin de freinage » concerne tant un patin monobloc, s’étendant sur 360° autour de l’axe X, qu’un patin sectorisé, comprenant une série de secteurs ou tronçons de patin
A ce sujet, même si une épaisseur radiale du/des bras comme précitée variant uniformément sur 360°, tout autour de l’axe X, est possible, on pourra préférer qu’une épaisseur radiale de l’un au moins des premier et second bras varie de façon discrète, par tronçons, autour dudit axe (X).
Ainsi, on pourra optimiser les rapports :
- résistance mécanique-lutte contre un effet « ressort » / masse, et
- résistance mécanique-lutte contre un effet « ressort » / encombrement-coût.
On pourra par ailleurs chercher à sécuriser la position des patins de freinage.
A cette fin, il est proposé que tout ou partie des patins de freinage présente des passages pour des moyens de fixation :
- qui les traversent,
- qui sont adaptés à une fixation audit plateau, et
- qui sont situés en retrait d’une interface de contact entre les patins de freinage se faisant face.
Autre proposition : que tout ou partie des patins de freinage présente des canaux d’évacuation débouchants, adaptés à (permettre d’)évacuer hors du patin de freinage concerné du métal liquide ou un gaz.
Il est en outre aussi proposé que les canaux d’évacuation comprennent:
- des rainures radiales, pour favoriser notamment une évacuation de métal en fusion, voire de gaz, et/ou
- des orifices axiaux ou à composante axiale, pour favoriser notamment une évacuation de gaz.
L’invention concerne également une turbomachine pour un aéronef, comportant une turbine ayant tout ou partie des caractéristiques précitées.
La turbomachine peut notamment être un turboréacteur ou un turbopropulseur.
Dans cette turbomachine, le rotor étant une turbine BP, le stator sera ou comprendra utilement un carter d'échappement. Ainsi, le dispositif de freinage pourra être disposé axialement entre les deux.
L’invention concerne également un aéronef comportant une turbomachine du type précité.
Brève description des figures
est une vue schématique en coupe longitudinale (axe X) d'une partie amont d'un type de turbomachine à laquelle s'applique l'invention,
est une demi-vue schématique en coupe longitudinale (que l’on compléter par symétrie axiale) d'une turbomachine comparable équipée d'un dispositif de limitation de survitesse selon l'invention juste repéré en 52 en zone identifiée III ;
est en coupe longitudinale locale (seuls les patins ont été hachurés pour ne pas surcharger la figure) le détail de la zone identifiée III, alors que le dispositif de limitation de survitesse ou dispositif de freinage du rotor est dans un dans un état nominal, ou mode inactif (le rotor n’a pas axialement reculé) ;
est un détail en perspective vu de l’aval d’une réalisation possible d’une partie du dispositif de freinage du rotor, suivant la coupe IV-IV de la fig.3 ;
est un autre détail en perspective vu de l’amont d’une réalisation possible d’une partie du dispositif de freinage du rotor, qui peut être suivant la flèche V de la fig.4 ;
est un autre détail en perspective vu de l’aval d’une réalisation possible d’une autre partie du dispositif de freinage du rotor, qui peut le pendant de la solution illustré fig.5 ;
est un autre détail en perspective vu de l‘aval d’une réalisation possible d’une autre zone du dispositif de freinage du rotor ;
schématise une réalisation possible de la coupe VIII-VIII de la fig.6.
Description détaillée de l’invention
Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires. Est représentée figures 1,2 une partie d’un exemple de turbomachine 10 d'aéronef qui peut inclure tout ou partie des caractéristiques selon l'invention présentées ci-avant.
La turbomachine 10 à gaz est ici un turboréacteur à double flux et à double corps. La turbomachine 10 comprend, d'amont (AM) vers l’aval (AV) selon le sens d'écoulement des flux de gaz F dans la turbomachine, une soufflante 12, un compresseur basse-pression 14, un compresseur haute-pression 72, une chambre annulaire de combustion 45, une turbine haute-pression 40 et une turbine basse-pression 44. Le rotor 72R du compresseur haute-pression 72 et le rotor 40R de la turbine haute-pression 40 sont reliés par un arbre haute-pression (HP) 41 et forment avec lui un corps haute-pression. Le rotor 14R du compresseur basse-pression 14 et le rotor 44R de la turbine basse-pression 44 sont reliés par un arbre basse-pression (BP) 16 et forment avec lui un corps basse-pression. Comme l'illustrent les figures 1 et 2, dans la partie amont de la turbomachine 10, la soufflante 12 comporte des pales 13 qui sont reliées à un arbre de soufflante 18 qui, dans l'exemple représenté, est lié en rotation à l'arbre BP 16 par l'intermédiaire d'un réducteur 20. La soufflante 12 et le compresseur basse pression 14 forment ainsi un module amont basse pression de la turbomachine. Les arbres HP 41 et BP 16 s'étendent suivant l’axe X longitudinal de la turbomachine 10. La turbomachine 10 comprend également un carter de soufflante 21 qui s'étend autour des pales 12 et qui définit une veine d'entrée d'air des flux F. Une partie F1 de cet air pénètre dans une veine annulaire interne 22 d'écoulement d'un flux primaire et l'autre partie F2 alimente une veine annulaire externe 23 d'écoulement d'un flux secondaire. La veine 22 traverse les compresseurs basse-pression 14 et haute-pression 72, la chambre de combustion 45 et les turbines haute-pression 40 et basse-pression 44. La veine externe 23 enveloppe des carters des compresseurs et des turbines et rejoint la veine primaire 22 dans une tuyère (non représentée) de la turbomachine 10. La turbine basse-pression 44 peut comporter une pluralité d'étages. Comme schématisé sur la figure 2, la turbine BP 44 peut comporter plusieurs étages de pales 44a, 44b,44c, par exemple trois étages. Les turbines HP 40 et BP 44 sont chacune logées dans un carter 46 de turbine HP et un carter 48 de turbine BP correspondants, qui portent des étages fixes de distributeurs correspondants 46a et 48a, 48b interposés entre les étages d'aubes mobiles 40a, 44a, 44b, 44c. En aval du carter 48 de turbine BP, un carter d'échappement 50 permet l'évacuation des gaz ayant circulé dans la veine primaire 22. Un carter inter-turbines 55 est disposé entre les turbines HP 40 et BP 44, et plus particulièrement entre le carter 46 de turbine HP et le carter 48 de turbine BP.
Les arbres 16, 18 sont centrés et guidés en rotation autour de l'axe X par des paliers 32, 34, 36. Chaque arbre 16 est guidé par au moins un palier à billes 36 qui forme une butée axiale qui conditionne la position axiale de l'arbre BP 16 correspondant en fonctionnement. Dans le cas d'une rupture de l'arbre BP 16, le recul de l'arbre basse-pression 16 peut être mis à profit pour parer au risque de survitesse. En effet, dans le cas d'une telle rupture, la partie amont de l'arbre BP 16 n'est plus retenue par le palier 36 et est donc libre de reculer axialement.
Pour mémoire, une survitesse de rotor peut typiquement être liée à une perte de la résistance de la soufflante, ce qui fait que la puissance de la turbine sert alors à son accélération et non plus à entrainer la soufflante. Ce phénomène est appelé survitesse de la turbine, car la vitesse dépasse la vitesse maximale de fonctionnement normal.
Ce peut donc être dans ce cadre que l’invention propose ce qui suit, à savoir donc un dispositif permettant de mettre à profit ce recul pour ralentir l'arbre BP 16.
Comme dans l’illustration de la figure 3 fournie à titre d’exemple, il est ainsi proposé pour pallier une rupture d’arbre, tel en particulier que l’arbre BP 16 dans l’exemple, qu’une partie de turbomachine à gaz, telle que celle ci-avant présentée, comprenne un dispositif 52 de freinage de rotor.
Mobile en rotation autour de l’axe X par rapport au stator, qui peut en particulier être le carter 50 d’échappement, le rotor peut en particulier être l’étage d'aubes mobiles 44c de la turbine basse-pression 44 qui entraîne donc l’arbre BP 16 dans l’exemple.
Le dispositif de freinage 52 comprend :
- un premier organe de freinage 54 comprenant un premier bras 540 et un premier patin de freinage 541 solidaire du premier bras, à une extrémité libre 540a du premier bras, et
- un second organe de freinage 56 comprenant un second bras 560 et un second patin de freinage 561 solidaire du second bras, à une extrémité libre 560a du second bras.
Favorablement, l’un des premier patin et second patin de freinage 541,561 pourra être abrasif, c’est-à-dire comprendre au moins un élément (ou plaquette) de frein abrasif. L’autre patin de freinage pourra être en un matériau susceptible d'être érodé par le patin abrasif, donc comprendre un tel élément (ou plaquette).
Les premier organe de freinage et second organe de freinage 54,56 sont solidaires l'un du rotor (44c dans l’exemple), l'autre du stator (50 dans l’exemple) et sont adaptés à venir en contact par déplacement axial du rotor après rupture de l'arbre (16 dans l’exemple), pour que les premier patin de freinage 541 et second patin de freinage 561 frottent alors l’un contre l’autre.
En effet, alors que les premier patin de freinage 541 et second patin de freinage 561 sont écartés axialement l’un de l’autre d’une distance axiale d1 non nulle dans l’état nominal (ou opérationnel) de fonctionnement de la turbine, comme montré figure 3, le recul axial du rotor 44c vers le stator en cas de rupture de l'arbre 16 aura rapproché axialement les premier patin de freinage 541 et second patin de freinage 561.
Le premier bras 540 fait saillie, vers l’aval, du corps (ici le disque 543 ; voir ci-après) du rotor (44c ici).
Le second bras 560 fait saillie, vers l’amont, du corps (ici une jante ou bride 631 ; voir ci-après) du stator (50 ici).
La sécurité du freinage sera favorisée en s’assurant de préférence que la distance axiale d1 entre les interfaces devant venir en contact (ci-après 541a,561a) des premier et second patins de freinage soit la distance axiale minimum (la plus courte distance axiale) entre toute partie dudit rotor et toute partie dudit stator, dans l’état nominal précité de fonctionnement de la turbine, et ce même après l’usure d’au moins un des patins 541,561 lors du freinage.
Ainsi, dans cet état nominal,la distance d1 sera en particulier favorablement inférieure à la distance axiale d2 définie entre les extrémités axiales libres, respectivement aval 61a et amont 63a, des zones 61,63.
Ces zones 61,63 sont celles qui, axialement entre le rotor (44c dans l’exemple) et le stator (50 dans l’exemple) ici en cause, et à leur niveau, limitent de façon radialement intérieure la veine primaire 22.
Ces zones 61,63 sont ici respectivement ;
- la plateforme radialement intérieure de l’une des aubes du rotor 44c, et
- la (partie incluant la) surface radialement intérieure des, ou d’une des, aubes de stator. Le stator peut être un carter d'échappement 50.
Le carter d'échappement 50 est représenté fig.3 dans sa zone qui est en vis-à-vis du rotor 44c.
Il comprend :
- des plateformes (fixes), repère 63 ci-avant, formant ici la paroi intérieure de la veine primaire 22, et
- des aubes de redresseur 630 s'étendant radialement dans la veine primaire 22.
Concernant ladite paroi intérieure 63, il peut s’agit d’une partie annulaire (sur 360°) du carter d'échappement 50, cette partie étant monobloc avec les aubes de redresseur 630 et formant circonférentiellement (autour de l’axe X) une série de plateformes, chacune définie entre deux aubes successives.
La paroi intérieure 63 peut en particulier s’étendre dans le prolongement des plateformes 61 radialement intérieures des aubes du rotor 44c, ici du dernier étage de la turbine BP.
La paroi intérieure, ou les plateformes, 63 peu(ven)t inclure (plus ou moins) axialement, en extrémité amont et en direction du disque 543, une languette 65 d'étanchéité qui peut être annulaire.
La languette 65 d'étanchéité, ou du moins la zone 63, s’étend à distance axiale, mais dans le prolongement (plus ou moins axial) des plateformes radialement intérieures, telle celle 61, des aubes 547.
Avec la solution de l’invention, et en particulier de telles distances axiales d1<d2, il doit être possible notamment d’installer un système de coupure de carburant, car le frein proposé permet d’accepter un délai de coupure du carburant plus long que sur les dispositifs préexistants.
De préférence, situés hors de la veine primaire 22, les bras 540 et 560 seront positionnés respectivement :
- au niveau de la jante 543a du disque 543 de laquelle le premier bras 540 sera donc solidaire, radialement entre les fentes périphériques 545 et sa partie intérieure plus fine 543b, et
- au niveau de la bride 631 du carter d'échappement 50 qui prolonge radialement vers l’intérieur la plateforme annulaire 63.
De façon discrète (par tronçons successifs) ou continue, les premier bras 540 et second bras 560, et les premier patin de freinage 541 et second patin de freinage 561 s’étendent sur 360° autour de l’axe X. C’est ce que simulent les traits discontinus latéraux sur les figures 4 et 6.
Pour augmenter la raideur desdits bras et permettre de limiter leur déformation lors du déplacement axial du rotor, les premier bras 540 et second bras 560 sont principalement axiaux et de préférence globalement rectilignes.
Le premier bras 540 est solidaire du disque 543 du rotor qui le porte. C’est dans l’une 545 des fentes en périphérie radiale du disque 543 qu’est engagée l’une (celle repérée 547) des aubes du rotor. Comme connu, ce rotor s’étend sur 360° autour de l’axe X. Le disque 543 est annulaire et les aubes (dont celle 547), toutes identiques, sont allongées radialement et sont réparties circonférentiellement, côte-à-côte, autour du disque 543, dans leurs fentes (dont celle 545) successives respectives.
Les différents disques des étages d'aubes mobiles 40a, 44a, 44b, 44c du rotor basse-pression 44 peuvent être boulonnés entre eux.
Avantageusement, les organes de freinage 54,56, et en particulier les premier patin de freinage et second patin de freinage 541,561, seront situés en dehors de la veine primaire 22. En les disposant ainsi, on va préserver les aubes 547 et on peut localiser la zone où se produit la dissipation d'énergie due au frottement entre les patins.
Pour une turbomachine comprenant un carter d'échappement 50, le premier organe de freinage 54 pourra donc être, comme schématisé, solidaire du dernier étage de turbine du rotor et le second organe 56 solidaire du carter d'échappement 50. Cette solution est avantageuse, car elle interfère moins avec les zones amont et le carter d'échappement est pourvu de moyens d'attache pour un montage sur l’aéronef. Mais d’autres rotor et stator pourraient être utilisés.
Pour encore favoriser la résistance mécanique sans modification notable imposée de la géométrie des pièces en cause, tout en permettant d’adapter dans un espace limité cette géométrie, chacun des premier et second bras 540,560 peut avantageusement présenter une épaisseur radiale e1 et/ou e2 dont l’une au moins varie axialement ; voir figures 3,4.
A titre complémentaire et favorablement, ladite épaisseur radiale e1 et/ou e2 de l’un au moins des premier et second bras 540, 560 pourra, comme illustré :
- varier axialement de façon à être maximum à l’extrémité libre 540a ou 560a dudit bras 540, 560, et/ou
- s’étendre depuis cette extrémité libre 540a ou 560a du bras 540, 560.
Dans le but déjà exprimé de sécurité, tant de contact que de résistance mécanique, les premier bras 540 et second bras 560 s’étendront de préférence coaxialement suivant l’axe X1. Autrement dit, ils s’étendront à une même distance radialed3dudit axe X (d3= distance radiale entre X et X1 ; voir figure 3). L’axe X1 est parallèle à l’axe X.
Il n’y aura alors pas de décalage radial susceptible de créer un couple néfaste à un appui axial entre les premier et second organes de freinage 54,56.
Autre possibilité alternative ou complémentaire, sur le même sujet : que l’épaisseur radiale précitée e1 et/ou e2 de l’un au moins des premier et second bras 540,560 qui varie axialement s’évase radialement vers l’intérieur et vers l’extérieur en direction de l’extrémité libre 540a ou 560a dudit bras; voir repères 550a,550b et 570a,570b figures 3,4.
Afin encore de lutter contre un dit couple néfaste risquant de favoriser un basculement du rotor axialement reculé, les évasements radiaux vers l’intérieur et vers l’extérieur, 550a,550b et/ou 570a,570b, pourront être identiques.
Dans le même but et de nouveau pour équilibrer les efforts lors du déplacement axial du rotor concerné, on pourra prévoir, à ladite extrémité libre 540a ou 560a :
- que le premier et/ou second bras 540,560 présente un plateau, 580 et 590, respectivement, de préférence radial pour un appui axial contre ce plateau du patin de freinage 541 ou 561 concerné, et
- que ledit plateau 580 ou 590 présente au moins un rebord saillant, 581a,581b figure 6 et/ou 591a,591b figure 8, qui sera orienté vers le patin de freinage concerné, 541 ou 561, en appui contre lui, pour un centrage et un maintien, ceci radialement.
Dans un but comparable, il est aussi proposé, toujours à ladite extrémité libre, là où ledit premier et/ou second bras présentera donc un dit plateau580 ou 590, que lesdits premier et second patins de freinage soient situés à une même distance radiale de l’axe (X), de sorte que celui desdits patins de freinage qui appartient à l’organe de freinage solidaire du rotor puisse venir intégralement en contact avec l’autre patin de freinage qui appartient à l’organe de freinage solidaire du stator, lors d’un déplacement axial du rotor.
Cette coaxialité sera aussi favorable à une résistance mécanique accrue.
Il est précisé que l’expression « patin de freinage » (ou plaquette de frein) concerne tant un patin ou plaquette monobloc, s’étendant sur 360° autour de l’axe X, qu’un patin ou une plaquette sectorisé(e), comprenant une série de secteurs ou tronçons.
A ce sujet, même si une épaisseur radiale du/des bras comme précitée variant uniformément sur 360°, tout autour de l’axe X, est possible (voir figures 6,7), on pourra préférer que ladite épaisseur radiale de l’un au moins des premier et second bras 540,560 varie de façon discrète, par tronçons, autour dudit axe X, comme schématisé figure 4.
Ainsi, les portions d’épaisseur radiale variable 550a,550b et/ou 570a,570b pourront définir des formes discrètes, telles que des lames ou des blocs, par exemple triangulaires en section radiale. Ceci optimisera notamment les masses.
On pourra par ailleurs chercher à sécuriser d’une autre manière la position des patins de freinage. A cette fin :
a) Tout ou partie des patins de freinage 541,561 pourra présenter des passages 60 pour des moyens 62 de fixation (voir exemple figure 7) :
- qui traversent le(s) patin(s) de freinage concerné(s),
- qui sont adaptés à une fixation audit plateau 580 ou 590, et
- qui sont situés en retrait d’une interface de contact entre les patins de freinage se faisant face.
Figures 5,7, on a repéré respectivement 541a,561a cette interface de contact, suivant le patin que l’on considère. C’est lorsque ces surfaces 541a,561a (se faisant face) vont axialement se toucher que ladite « interface de contact » va se créer.
La figure 7 illustre une situation de moyen 62 de fixation en retrait de l’interface de contact considérée, ici 561 : une vis est visible en profondeur, sans que sa tête n’atteigne la surface de contact. Le patin peut donc s’user sans que l’interface de contact risque d’atteindre le moyen 62 de fixation.
b) Autre proposition : que tout ou partie des patins de freinage 541,561 présente des canaux 64 d’évacuation débouchants, adaptés à (permettre d’)évacuer hors du patin de freinage concerné du métal liquide ou un gaz ; voir figures 5,6.
En effet, des patins de freinage 541,561 en matière métallique ou à base de carbone devraient bien convenir. A ce sujet, les couples de matériaux peuvent être :
- acier,
- matériau métallique résistant au chaud type alliages de nickel,
- carbone et fibres de carbone,
- céramique(s).
Il est prévu que les canaux 64 d’évacuation puissent comprendre:
- des rainures radiales 641, pour favoriser notamment une évacuation de métal en fusion, voire de gaz, et/ou
- des orifices 643 axiaux ou à composante axiale, pour favoriser notamment une évacuation de gaz.
Pour rendre les canaux 64 débouchants :
- les rainures radiales 641 s’étendent sur toute la hauteur radiale H du patin concerné, pour déboucher radialement à l’intérieur et/ou à l’extérieur ;
- les orifices 643 débouchent tant côté interface (561a dans l’exemple) que du côté axialement opposé où les orifices se poursuivent en 645 dans le plateau (590 dans l’exemple), jusqu’à déboucher à l’air.
A titre encore d’exemple privilégié, mais non limitatif, il est précisé que les rainures radiales 641 pourront favorablement présenter une ou plusieurs largeur(s) comprise(s) entre 0.5m et 20mm et être disposées circonférentiellement autour dudit axe X, selon une répartition angulaire comprise entre 2° et 40°.

Claims (14)

  1. Dispositif de freinage d’une turbine de turbomachine à gaz comprenant un rotor (44c) entraîné par un arbre (16), le rotor (44c) étant mobile en rotation autour d’un axe (X) par rapport à un stator (50), le dispositif de freinage (52), étant adapté pour agir en cas de rupture dudit arbre (16), et comprenant :
    - un premier organe de freinage (54) comprenant un premier bras (540) et un premier patin de freinage (541) solidaire du premier bras (540) à une extrémité libre du premier bras (540), et
    - un second organe de freinage (56) comprenant un second bras (560) et un second patin de freinage (561) solidaire du second bras (560) à une extrémité libre du second bras, les premier organe de freinage et second organe de freinage (54, 56) étant solidaires l'un du rotor (44c), l'autre du stator (50) et étant adaptés à venir en contact par déplacement axial du rotor (44c) vers le stator (50) après rupture de l'arbre (16), pour que les premier patin de freinage (541) et second patin de freinage (561) frottent alors l’un contre l’autre,
    caractérisé en ce que :
    - les premier bras et second bras (540,560) sont globalement droits et s’étendent chacun principalement axialement, et/ou
    - les premier patin de freinage et second patin de freinage (541,561) sont axialement écartés d’une distance (d1) :
    -- qui est la plus courte distance axiale entre toute partie dudit rotor (44c) et toute partie dudit stator (50), et
    -- qui est inférieure à la distance axiale (d2) entre les extrémités axiales libres, aval et amont, respectivement :
    --- de plateformes radialement intérieures (61) d’aubes (547) dont le rotor est pourvu, et
    --- de plateformes radialement intérieures (63) d’aubes (630) dont le stator est pourvu.
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les premier bras et second bras (540,560) s’étendent coaxialement.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle chacun des premier bras et second bras (540,560) présente une épaisseur radiale et l’épaisseur radiale (e1,e2) de l’un au moins des premier bras et second bras varie axialement.
  4. Dispositif selon la revendication 3, dans laquelle ladite épaisseur radiale (e1,e2) de l’un au moins des premier bras et second bras (540,560) qui varie axialement est maximum à l’extrémité libre dudit bras, et/ou ladite épaisseur radiale s’étend depuis l’extrémité libre dudit bras.
  5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle ladite épaisseur radiale (e1,e2) de l’un au moins des premier bras et second bras (540,560) qui varie axialement s’évase radialement vers l’intérieur et vers l’extérieur, en direction de l’extrémité libre dudit bras.
  6. Dispositif selon la revendication 5, dans laquelle les évasements radiaux vers l’intérieur et vers l’extérieur en direction de l’extrémité libre dudit bras (540,560) sont identiques, pour équilibrer les efforts lors d’un dit déplacement axial du rotor (50).
  7. Dispositif selon l’une des revendications 3 à 6, dans laquelle ladite épaisseur radiale (e1,e2) de l’un au moins des premier bras et second bras (540,560) varie de façon discrète, par tronçons, circonférentiellement autour dudit axe (X).
  8. Dispositif selon l’une des revendications précédentes dans laquelle, à l’extrémité libre, ledit premier bras et/ou second bras (540,560) présente un plateau (590) de préférence radial, pour un appui axial ou principalement axial du premier patin de freinage (541) ou du second patin de freinage (561), et ledit plateau (590) présente au moins un rebord (581a,581b ; 591a,591b) saillant orienté vers ledit patin de freinage en appui, pour un centrage et un maintien, radialement.
  9. Dispositif selon l’une des revendications 1 à 7 dans laquelle, à l’extrémité libre :
    - ledit premier bras et/ou second bras (540,560) présente un plateau (580,590) de préférence radial, pour un appui axial ou principalement axial du premier patin de freinage (541) et/ou du second patin de freinage (561), et,
    - lesdits premier patin de freinage (540) et second patin de freinage (560) sont situés à une même distance radiale dudit axe (X), de sorte que celui desdits premier patin de freinage et second patin de freinage qui appartient à l’organe de freinage solidaire du rotor puisse venir intégralement en contact avec l’autre patin de freinage qui appartient à l’organe de freinage solidaire du stator, lors d’un dit déplacement axial du rotor.
  10. Dispositif selon l’une des revendications 8 ou 9, dans laquelle le premier patin de freinage (541) et/ou le second patin de freinage présente des passages (605) pour des moyens de fixation (62) :
    - qui le(s) traversent,
    - qui sont adaptés à une fixation au plateau (580,590), et
    - qui sont situés en retrait d’une interface de contact entre le premier patin de freinage (541) et le second patin de freinage (561).
  11. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le premier patin de freinage (541) et/ou le second patin de freinage (561) présente des canaux d’évacuation (645) débouchants adaptés à y faire évacuer, hors dudit patin de freinage, du métal liquide ou un gaz.
  12. Dispositif selon la revendication 11, dans laquelle les canaux d’évacuation (645) comprennent des rainures radiales et/ou des orifices axiaux ou à composante axiale.
  13. Turbomachine à gaz, comprenant le dispositif de freinage (52) selon l’une des revendications précédentes.
  14. Turbomachine à gaz selon la revendication 13, dans laquelle le stator comprend un carter d'échappement.

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