FR3121473A1 - Fixation de viroles dans une turbomachine - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un ensemble (5) d’un moteur (1) à turbine à gaz comprenant : - une première virole (6) comprenant une première paroi (7) et une première bride radiale (8) s’étendant depuis la première paroi (7) ; - une deuxième virole (9) comprenant une deuxième paroi (10) et une deuxième bride radiale (11) s’étendant depuis la deuxième paroi (10) ; - un organe de fixation (12) reliant la première et la deuxième bride radiale (8, 11) ; et - une plaque rapportée et fixée sur la première paroi (7) et la deuxième paroi (10) à l’opposé de l’organe de fixation (12). Figure pour l’abrégé : Fig. 3

Description

Fixation de viroles dans une turbomachine
DOMAINE DE L'INVENTION
L’invention concerne de manière générale les moteurs à turbine à gaz, et plus particulièrement une liaison mécanique de deux pièces d’une turbomachine telles que deux viroles. Des domaines d’application de l’invention sont les turboréacteurs et turbopropulseurs d’avions et les turbines à gaz industrielles.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Un exemple de moteur à turbine à gaz du type turbomachine est illustré en .
Une turbomachine 1 comporte typiquement une nacelle qui forme une ouverture pour l’admission d’un flux déterminé d’air vers le moteur. Conventionnellement, les gaz s’écoulent d’amont en aval à travers la turbomachine le long de l’axe X autour duquel s’étend la turbomachine.
Généralement, la turbomachine comprend une ou plusieurs sections de compression 2 de l’air admis dans le moteur (généralement une section basse pression et une section haute pression). L’air ainsi comprimé est admis dans la chambre de combustion 5 et mélangé avec du carburant avant d’y être brûlé.
Les gaz de combustion chauds issus de cette combustion sont ensuite détendus dans différents étages de turbine 3. Une première détente est faite dans un étage à haute pression immédiatement en aval de la chambre de combustion 5 et qui reçoit les gaz à la température la plus élevée. Les gaz sont détendus à nouveau en étant guidés à travers les étages de turbine dits à basse pression.
Chaque étage de turbine ou de compresseur comporte classiquement une rangée de pales fixes (partie stator) suivie d’une rangée d’aubes mobiles (partie rotor).
Une telle turbomachine comprend un grand nombre de pièces devant être raccordées entre elles de façon fixe (pièces de stator) ou afin de les rendre solidaires en rotation (pièces de rotor). Par exemple, une turbomachine peut comprendre en plusieurs endroits des viroles, généralement annulaires ou tronconiques, comprenant chacune une bride radiale qui sont raccordées entre elles par une liaison mécanique, typiquement une liaison boulonnée.
C’est notamment le cas des viroles annulaires ou tronconiques des rotors de turbine, entre lesquelles peuvent être fixé un anneau d’étanchéité tournant à léchettes. La virole de chaque disque est fixée solidairement sur la virole en regard d’un disque adjacent du rotor.
C’est également le cas du carter de soufflante  qui comprend une virole annulaire amont entourant le rotor de soufflante sur laquelle est fixée, par l’intermédiaire d’une liaison boulonnée, une virole annulaire aval entourant l’étage de redresseurs de la soufflante  mais également des raccords entre les viroles des carters de compresseur basse pression, intermédiaire, de compresseur haute pression, etc.
La liaison mécanique des viroles subit des contraintes qui peuvent être importantes, par exemple en cas de rupture d’aube ou de chargement limite. Un décollement (séparation partielle des brides radiales dans leur zone d’interface) et/ou un glissement (déplacement relatif des brides radiales suivant une direction radiale par rapport à leur axe de symétrie) peuvent alors survenir. En cas de décollement, la totalité des efforts extérieurs appliqués aux viroles transite par la liaison mécanique sous la forme d’efforts de traction et les brides radiales subissent des moments en flexion. En cas de glissement, la liaison mécanique est sollicitée en cisaillement. Dans tous les cas, ces chargements et déformations peuvent mener à une rupture de la liaison mécanique qui, selon l’emplacement des viroles dans la turbomachine, peut risquer d’endommager la turbomachine ce qui réduit son efficacité en générant des fuites.
Un but de l’invention est de remédier aux inconvénients précités, en proposant une solution permettant d’améliorer la liaison mécanique entre deux viroles d’une turbomachine, qui soit simple à réaliser et plus efficace que dans l’art antérieur.
Un autre but de l’invention est de proposer un ensemble de turbomachine comprenant des viroles (notamment annulaires ou tronconiques) fixées par une liaison mécanique, telle qu’une liaison boulonnée, dont la tenue mécanique est améliorée, notamment vis-à-vis des phénomènes de glissement et de décollement, quel que soit l’emplacement des viroles, notamment dans une partie rotor ou une partie stator de la turbomachine.
Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention un ensemble d’un moteur à turbine à gaz comprenant :
- une première virole comprenant une première paroi et une première bride radiale s’étendant depuis la première paroi ;
- une deuxième virole comprenant une deuxième paroi et une deuxième bride radiale s’étendant depuis la deuxième paroi ;
- un organe de fixation reliant la première et la deuxième bride radiale ; et
- une plaque rapportée et fixée sur la première paroi et la deuxième paroi à l’opposé de l’organe de fixation.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de l’ensemble selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :
- la plaque est fixée sur la première paroi et la deuxième paroi par l’intermédiaire de liaisons mécaniques ;
- les liaisons mécaniques comprennent des liaisons boulonnées et/ou des tiges filetées ;
- la plaque est au moins partiellement en contact surfacique avec la première et la deuxième paroi ;
- la plaque est logée au moins partiellement dans un renfoncement formé en creux dans la première et la deuxième paroi ;
- une profondeur du renfoncement est choisie de sorte que la plaque affleure une face de la première et de la deuxième paroi ;
- la plaque est courbée de sorte à épouser une face de la première et de la deuxième paroi ;
- la plaque comprend une première partie, fixée sur la première paroi et la deuxième paroi, et une deuxième partie s’étendant radialement depuis la première partie et qui est fixée sur la première et la deuxième bride radiale ; et/ou
- la deuxième partie est interposée entre la première et la deuxième bride radiale.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose un moteur à turbine à gaz comprenant un ensemble selon le premier aspect monté dans une partie rotor ou une partie stator du moteur à turbine à gaz.
L’invention propose également un aéronef comprenant un moteur à turbine à gaz conforme au deuxième aspect.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La représente un exemple de moteur à turbine à gaz sur lequel s’applique l’invention ;
La est une vue partielle et en coupe axiale d’un premier exemple de réalisation d’un ensemble conforme à un mode de réalisation de l’invention, lorsque les viroles sont annulaires ; et
La est une vue partielle et en coupe axiale d’une variante de réalisation de l’ensemble de la ;
La est une vue partielle et en coupe axiale d’un exemple de réalisation d’un ensemble conforme à un mode de réalisation de l’invention, lorsque les viroles sont tronconiques ; et
La est une vue partielle, simplifiée et en coupe axiale d’un autre exemple de réalisation d’un ensemble conforme à un mode de réalisation de l’invention, lorsque les viroles sont tronconiques avec une conicité opposée.
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Comme cela a été précisé ci-avant, l’invention s’applique à tout ensemble 5 d’un moteur 1 à turbine à gaz comprenant une première et une deuxième virole 6, 9 raccordées ensemble 5 par des brides radiales 8, 11.
A titre d’exemple non limitatif, l’invention s’applique aux viroles 6, 9 raccordant deux disques adjacents dans un rotor de turbine 4, aux viroles 6, 9 de carter raccordant deux parties de carter ou deux carters du moteur 1, aux viroles raccordant une enceinte (qui peut par exemple loger un réducteur mécanique) à une partie stator du moteur 1, etc. Les viroles 6, 9 peuvent en outre faire partie d’une partie rotor ou d’une partie stator du moteur 1. Des exemples d’emplacements du moteur 1 comprenant un ensemble 5 pouvant être conforme à l’invention ont été encadrés sur la annexée.
Par ailleurs, on appelle axe X des viroles 6, 9, leur axe de symétrie. La direction axiale correspond à la direction de l'axe X et une direction radiale est une direction perpendiculaire à cet axe X et passant par lui. Par ailleurs, la direction tangentielle (ou circonférentielle) correspond à une direction perpendiculaire à l'axe X et ne passant pas par lui. Sauf précision contraire, interne (respectivement, intérieur) et externe (respectivement, extérieur), respectivement, sont utilisés en référence à une direction radiale de sorte que la partie ou la face interne d'un élément est plus proche de l'axe X que la partie ou la face externe du même élément.
La première virole 6 de l’ensemble 5 comprend une première paroi 7 et une première bride radiale 8 qui s’étend depuis la première paroi 7. La deuxième virole 9 comprend une deuxième paroi 10 et une deuxième bride radiale 11 qui s’étend depuis la deuxième paroi 10.
La première paroi 7 et la deuxième paroi 10 peuvent être cylindriques, tubulaires ou tronconiques (avec une même conicité ou une conicité opposée) de sorte que la première et la deuxième virole 6, 9 présentent globalement une symétrie de révolution autour de l’axe X. Sur les figures 2 et 3 annexées, les première et deuxième parois 7, 10 sont par exemple tubulaires, tandis que sur les figures 4 et 5 elles sont tronconiques.
La première et la deuxième bride radiale 8, 11 peuvent être comprises dans un plan radial à l’axe X. Le cas échéant, la première et la deuxième bride radiale 8, 11 peuvent être inclinées par rapport à ce plan radial.
La première bride radiale 8 est en outre raccordée à la deuxième bride radiale 11 par des organes fixations 12 répartis circonférentiellement autour de l’axe X, tels qu’une ou plusieurs liaisons boulonnées. De préférence, une pluralité de liaisons boulonnées 12 sont montées sur la première et la deuxième bride radiale 8, 11 en étant régulièrement répartis circonférentiellement (de manière équidistante).
La première paroi 7 et la deuxième paroi 10 présentent chacune une première face 13, 14 et une deuxième face. De même, la première bride radiale 8 et la deuxième bride radiale 11 sont en contact au niveau d’une face 15, 16. La première face 13 de la première paroi 7 (respectivement, la première face 14 de la deuxième paroi 10) s’étend dans le prolongement de la face 15 de la première bride radiale 8 (respectivement, de la face 16 de la deuxième bride radiale 11). En d’autres termes, la première face 13, 14 de la première et de la deuxième paroi 7, 10 s’étend à l’opposé des brides radiales 8, 11. Lorsque les brides radiales 8, 11 s’étendent radialement à l’extérieur des première et deuxième parois 7, 10, leurs premières faces 13, 14 correspondent à leur face interne (côté axe X). A contrario, lorsque les brides radiales 8, 11 s’étendent radialement à l’intérieur des première et deuxième parois 7, 10, leurs premières faces 13, 14 correspondent à leur face externe.
Afin d’améliorer la tenue de la liaison mécanique (à l’aide du ou des organes de fixation 12) de la première et la deuxième virole 6, 9, l’ensemble 5 comprend en outre au moins une plaque 16 rapportée et fixée sur la première paroi 7 et la deuxième paroi 10 à l’opposé des organes de fixation 12, c’est-à-dire au niveau des premières faces 13, 14 des première et deuxième parois 7, 10. Dans une forme de réalisation, la plaque 16 est fixée sur chaque paroi 7, 10 à l’aide de liaisons mécaniques 17, telles que des liaisons boulonnées et/ou des tiges filetées. Les liaisons mécaniques 17 et la plaque 16 sont de préférence placées à proximités d’un organe de fixation 12.
La plaque 16 est fixée à la fois à la première paroi 7 et à la deuxième paroi 10 afin de les solidariser en mouvement suivant les directions radiale et tangentielle et d’améliorer ainsi la tenue des organes de fixation 12, notamment vis-à-vis des phénomènes de glissement et de décollement. La plaque 16 apporte en effet une rigidité à l’ensemble 5 de par son positionnement et sa fixation aux première et deuxième parois 7, 10, ce qui permet de retarder l’apparition du phénomène de décollement lors du chargement de l’organe de fixation 12. En effet, les efforts de traction et les moments en flexion sont repris par la plaque 16. La fixation de la plaque 16 aux première et deuxième parois 7, 10 permet en outre de retarder l’apparition de phénomènes de glissement. Les liaisons mécaniques 17 empêchent en effet les mouvements de cisaillement des brides radiales 8, 11 et renforcent ainsi la tenue mécanique des organes de fixation 12. On notera en outre que l’effort de serrage nécessaire pour les organes de fixation 12 peut être réduit en comparaison avec l’art antérieur compte-tenu du fait que le glissement est repris par la fixation de la plaque 16, et notamment les liaisons mécaniques 17 (ce qui permet, le cas échéant, de réduire le dimensionnement des organes de fixation 12, typiquement de la section des fûts de vis dans le cas de liaisons boulonnées).
Avantageusement, la plaque 16 permet en outre d’améliorer l’étanchéité de la liaison entre la première et la deuxième virole 6, 9. La plaque 16 forme en effet une barrière physique pour l’air en réduisant le passage d’air dans la fente à l’interface des brides radiales 8, 11 (voir par exemple où la circulation de l’air a été représentée). L’air F devant contourner la plaque 16 pour atteindre cette fente, les pertes de charge sont augmentées en comparaison avec la configuration conventionnelle (sans plaque 16). L’étanchéité de la liaison des brides radiales 8, 11 est donc améliorée, quel que soit l’environnement (thermique, différence de pression, etc.) de l’ensemble 5.
Selon l’emplacement de l’ensemble 5 dans le moteur 1 à turbine à gaz, les viroles 6, 9 peuvent éventuellement se trouver dans des zones baignées dans un flux d’air. Dans ce cas, l’ensemble 5 est de préférence configuré de sorte à ne pas perturber ce flux d’air, pour ne pas affecter l’efficacité du moteur. A cet effet, la plaque 16 peut par exemple être logée au moins partiellement dans un renfoncement 18 formé dans les premières faces 13, 14 de la première et de la deuxième paroi 7, 10 (figures 2 et 4). De préférence, pour limiter tout risque de perturbation du flux d’air, une profondeur du renfoncement 18 est choisie de sorte que la plaque 16 affleure la première face 13, 14 de la première et de la deuxième paroi 7, 10. La profondeur du renfoncement 18 est alors sensiblement égale à l’épaisseur de la plaque 16. La surface des viroles 6, 9 qui comprend la plaque 16 est ainsi sensiblement lisse et continue, ce qui limite les pertes de charge et préserve ainsi le rendement du moteur 1. Le renfoncement 18 peut notamment être réalisé par usinage.
De préférence, les liaisons mécaniques 17 de la plaque 16 sont en outre choisies de sorte à ne pas faire saillie par rapport aux premières faces 13, 14 des parois 7, 10 et limiter ainsi les pertes de charge. Par exemple, les liaisons mécaniques 17 peuvent comprendre des vis chanfreinées de sorte à venir à affleurer la plaque 16. En variante, les liaisons mécaniques 17 peuvent comprendre une ou plusieurs tiges filetées : dans ce cas, la première et la deuxième paroi 7, 10 sont filetées de sorte à permettre la fixation des tiges.
Optionnellement, les bords de la plaque 16 peuvent être biseautés pour faciliter l’insertion de la plaque 16 dans le renfoncement 18 et améliorer sa stabilité (comme illustré par exemple en ). Le biseau est orienté de sorte que la surface la plus grande de la plaque 16 se trouve dans le prolongement des premières faces 13, 14 des parois 7, 10.
En variante, lorsque la plaque 16 est placée dans une zone qui n’est pas soumise à un flux du moteur 1, la plaque 16 peut être logée dans un renfoncement 18 formé dans les parois 7, 10 ou simplement rapportée et fixée sur les premières faces 13, 14 des parois 7, 10, en surépaisseur, ce qui évite l’étape supplémentaire d’usinage pour réaliser le renfoncement 18.
La forme de la plaque 16 est adaptée à la forme des première et deuxième paroi 7, 10 de sorte à épouser au moins partiellement la forme desdites parois 7, 10.
Lorsque la première et la deuxième paroi 7, 10 sont annulaires, la plaque 16 peut être courbe de sorte à venir en contact surfacique sur toute sa surface avec les premières faces 13, 14 des parois 7, 10. La plaque 16 peut ainsi présenter une forme incurvée (secteur d’anneau) ayant un rayon de courbure sensiblement égal à celui des parois 7, 10.
Lorsque la première et la deuxième paroi 7, 10 sont coniques, avec des conicités opposées – comme illustré par exemple en – la plaque 16 peut présenter une section en V, de sorte à venir en contact surfacique (excepté à proximité des brodes radiales) contre les premières faces 13, 14 des parois 7, 10. En variante, la plaque 16 peut comprendre une portion centrale annulaire 19 et des portions tronconiques 20 (dont le rayon de courbure est sensiblement égal à celui de la paroi 6, 9 correspondante) comprenant les liaisons mécaniques 17. Dans cette variante de réalisation, la portion centrale annulaire 19 s’étend en face des brides radiales 8, 11 et les portions tronconiques 20 sont en contact surfacique avec les parois 7, 10.
L’ensemble 5 peut comprendre plusieurs plaques 16 rapportées et fixées sur les première et deuxième paroi 7, 10, par exemple une plaque 16 pour chaque organe de fixation 12, ou une plaque 16 pour un nombre défini d’organes de fixation 12 (entre deux et quatre par exemple). Les plaques 16 sont de préférence réparties de manière équidistantes les unes des autres et sont chacune fixées sur la première et la deuxième paroi 7, 10 des viroles 6, 9. Les plaques 16 peuvent être disjointes ou en variante placées bout à bout, le cas échéant avec un léger chevauchement, notamment dans le cas où une amélioration de l’étanchéité de la liaison mécanique des viroles 6, 9 est recherchée.
En variante, l’ensemble 5 peut comprendre une unique plaque 16 monobloc sur toute sa périphérie (c’est-à-dire sur toute sa circonférence autour de l’axe X). La plaque 16 comprend alors une fente afin de permettre son assemblage contre les viroles 6, 9 et est fixée en plusieurs points le long de sa périphérie sur la première et la deuxième paroi 7, 10 des viroles 6, 9.
La longueur (c’est-à-dire la dimension suivant l’axe X) de la plaque 16 est choisie de sorte à garantir une tenue mécanique de la plaque 16 contre les première et deuxième parois 7, 10 lorsque ces parois 7, 10 sont sous charge.
La plaque 16 peut être réalisée dans tout matériau adapté, selon le type de chargement pouvant être subi par les viroles 6, 9 et leur environnement thermique.
Par exemple, la plaque 16 peut être réalisée dans un même matériau que les viroles 6, 9.
En variante, la plaque 16 peut être réalisée dans un matériau différent des viroles 6, 9, auquel cas le matériau choisi présente de préférence un coefficient de dilatation thermique similaire (à 5 % près) à celui des viroles 6, 9.
La distance L1, L2 entre les liaisons mécaniques de la plaque 16 et les brides radiales 8, 10, d’une part, et la distance L3 entre l’organe de fixation 12 le plus proche et les parois 7, 10, d’autre part, sont en outre choisies de sorte à permettre l’assemblage desdites liaisons mécaniques, et notamment le passage d’outils pour leur montage et leur démontage.
L’ajout de la (ou des) plaque(s) 16 peut modifier en première approche la masse de l’ensemble 5, notamment lorsque la plaque 16 est fixée par des liaisons mécaniques 17. Toutefois, cette augmentation de masse peut notamment être limitée ou compensée en plaçant la plaque 16 dans un renfoncement formé dans les première et deuxième paroi 7, 10 des viroles 6, 9. De plus, l’amélioration de la tenue de l’ensemble 5 grâce à la ou aux plaques 16 permet de réduire les efforts subis par les organes de fixation 12 au niveau des brides radiales 8, 11, dont le nombre et la taille peuvent donc être diminués (les phénomènes de glissement étant repris par les liaisons mécaniques 17 des plaques 16). La rigidité additionnelle apportée par la fixation de la plaque 16 permet en outre, le cas échéant, de diminuer les épaisseurs minimales des parois 7, 10 (en particulier lorsque la plaque 16 est simplement fixée, en surépaisseur, sur les parois 7, 10) et des brides radiales 8, 11, à iso-chargement. Il est donc possible d’obtenir un ensemble 5 dont la masse est sensiblement inchangée en comparaison avec l’art antérieur, tout en améliorant la tenue au décollement et au glissement de la liaison mécanique.
Dans le cas où les viroles 6, 9 sont monolithiques avec des disques 21, 22 du rotor de turbine 4, les viroles 6, 9 sont généralement tronconiques (voir ). Dans cette forme de réalisation, la plaque 16 peut alors comprendre, comme décrit ci-avant, une portion centrale 19 et des portions tronconiques 20 qui sont configurées pour être fixées contre les premières faces 13, 14 des première et deuxième parois 7, 10 des viroles 6, 9. Le cas échéant, la portion centrale 19 peut porter des léchettes 23 configurées pour coopérer avec un élément abradable 24 porté par une partie stator en regard. La plaque 16 peut en outre comprendre un flasque annulaire 25 s’étendant radialement depuis la portion centrale 19 et qui est configuré pour être placé entre la première et la deuxième bride radiale 8, 11. Le flasque 25 peut en particulier être fixé sur les brides radiales 8, 11 via les organes de fixation 12.

Claims (10)

  1. Ensemble (5) d’un moteur (1) à turbine à gaz comprenant :
    - une première virole (6) comprenant une première paroi (7) et une première bride radiale (8) s’étendant depuis la première paroi (7) ;
    - une deuxième virole (9) comprenant une deuxième paroi (10) et une deuxième bride radiale (11) s’étendant depuis la deuxième paroi (10) ; et
    - un organe de fixation (12) reliant la première et la deuxième bride radiale (8, 11) ;
    l’ensemble (5) étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre une plaque rapportée et fixée sur la première paroi (7) et la deuxième paroi (10) à l’opposé de l’organe de fixation (12).
  2. Ensemble (5) selon la revendication 1, dans lequel la plaque (16) est fixée sur la première paroi (7) et la deuxième paroi (10) par l’intermédiaire de liaisons mécaniques (17).
  3. Ensemble (5) selon la revendication 2, dans lequel les liaisons mécaniques (17) comprennent des liaisons boulonnées et/ou des tiges filetées.
  4. Ensemble (5) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel la plaque (16) est au moins partiellement en contact surfacique avec la première et la deuxième paroi (10).
  5. Ensemble (5) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la plaque (16) est logée au moins partiellement dans un renfoncement (18) formé en creux dans la première et la deuxième paroi (10).
  6. Ensemble (5) selon la revendication 5, dans lequel une profondeur du renfoncement (18) est choisie de sorte que la plaque (16) affleure une face (13, 14) de la première et de la deuxième paroi (10).
  7. Ensemble (5) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la plaque (16) est courbée de sorte à épouser une face (13, 14) de la première et de la deuxième paroi (7, 10).
  8. Ensemble (5) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la plaque (16) comprend une première partie (19, 20), fixée sur la première paroi (7) et la deuxième paroi (10), et une deuxième partie (25) s’étendant radialement depuis la première partie (19, 20) et qui est fixée sur la première et la deuxième bride radiale (7, 11).
  9. Ensemble (5) selon la revendication 8, dans lequel la deuxième partie (25) est interposée entre la première et la deuxième bride radiale (7, 11).
  10. Moteur (1) à turbine à gaz comprenant un ensemble (5) selon l’une des revendications 1 à 9 monté dans une partie rotor ou une partie stator du moteur (1) à turbine à gaz.
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Citations (4)

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