FR3122703A1 - Pièce de transmission souple pour réducteur de turbomachine - Google Patents

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Louis Simon Adrien
Jean Pierre Robinet Guillaume
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Safran Transmission Systems SAS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
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    • F02K3/02—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan in which part of the working fluid by-passes the turbine and combustion chamber
    • F02K3/04—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan in which part of the working fluid by-passes the turbine and combustion chamber the plant including ducted fans, i.e. fans with high volume, low pressure outputs, for augmenting the jet thrust, e.g. of double-flow type
    • F02K3/06—Plants including a gas turbine driving a compressor or a ducted fan in which part of the working fluid by-passes the turbine and combustion chamber the plant including ducted fans, i.e. fans with high volume, low pressure outputs, for augmenting the jet thrust, e.g. of double-flow type with front fan

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Abstract

Le présent document concerne un ensemble pour turbomachine (1) comprenant un réducteur (6) qui s’étend autour d’un axe longitudinal (X), l’ensemble comprenant un pignon central (7) et au moins un soufflet (100) qui relie le réducteur (7) à un élément de la turbomachine, ledit soufflet comprenant une succession de parois annulaires (106) disposées en regard le long de l’axe longitudinal (X) et reliées deux à deux par une paroi de liaison annulaire (108,110), le soufflet comprenant, à chacune de ses deux extrémités longitudinales, une paroi annulaire d’extrémité (102,104), et dans lequel une première épaisseur (E1) d’une paroi annulaire d’extrémité du soufflet prise au niveau d’une des extrémités longitudinales du soufflet est plus épaisse qu’une deuxième épaisseur (E2) d’une autre paroi annulaire du soufflet prise entre les deux extrémités longitudinales du soufflet (100). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 3

Description

Pièce de transmission souple pour réducteur de turbomachine
Domaine technique de l’invention
Le présent document concerne le domaine des turbomachines en particulier le domaine de des pièces de transmission souples dans les turbomachines.
Etat de la technique antérieure
Les turbomachines à double flux, notamment les turbomachines comportant une ou plusieurs hélices soufflant un flux secondaire, comprennent un système de transmission, appelé réducteur, pour entraîner cette ou ces hélices à une vitesse de rotation adéquate à partir de l’arbre de la turbine de puissance du corps primaire du moteur.
Le rôle d’un réducteur mécanique est de modifier la vitesse entre l’axe d’entrée et l’axe de sortie d’un mécanisme.
Les nouvelles générations de turbomachines à double flux, notamment celles ayant un haut taux de dilution, comportent un réducteur mécanique pour entraîner l’arbre d’une soufflante (aussi appelé « fan »). De manière usuelle, le réducteur a pour but de transformer la vitesse de rotation dite rapide de l’arbre d’une turbine de puissance en une vitesse de rotation plus lente pour l’arbre entraînant la soufflante.
Un tel réducteur comprend un pignon central, appelé solaire, une couronne et des pignons appelés satellites, qui sont en prise entre le solaire et la couronne. Les satellites sont maintenus par un châssis appelé porte-satellites. Le solaire, la couronne et le porte-satellites sont des planétaires car leurs axes de révolution coïncident avec l’axe longitudinal X de la turbomachine. Les satellites ont chacun un axe de révolution différents et sont équirépartis sur le même diamètre de fonctionnement autour de l’axe des planétaires. Ces axes sont parallèles à l’axe longitudinal X.
Il existe plusieurs architectures de réducteur. Dans l’état de l’art des turbomachines à double flux, les réducteurs sont de type planétaire ou épicycloïdal. Il existe dans d’autres applications similaires, des architectures dites différentielles ou compound. Dans un réducteur planétaire, le porte-satellites est fixe et la couronne constitue l'arbre de sortie du dispositif qui tourne dans le sens inverse du solaire. Dans un réducteur épicycloïdal, la couronne est fixe et le porte-satellites constitue l'arbre de sortie du dispositif qui tourne dans le même sens que le solaire. Dans un réducteur différentiel, aucun élément n’est fixé en rotation. La couronne tourne dans le sens contraire du solaire et du porte-satellites.
Les réducteurs peuvent être composés d’un ou plusieurs étages d’engrènement assuré de différentes façons comme par contact, par friction ou encore par champs magnétique. Il existe plusieurs types d’engrènement par contact comme avec des dentures droites ou en chevron.
Selon le type du réducteur, l’arbre de puissance de la turbine est relié au solaire du réducteur tandis que l’arbre de la soufflante est relié dans un cas à la couronne, du porte-satellites dans l’autre cas. En fonctionnement, les éléments de la turbomachine sont soumis à de fortes contraintes mécaniques et thermiques ce qui induit des déformations dans les éléments de la turbomachine notamment au niveau du réducteur et de ses pièces constitutives notamment des engrenages, de l’arbre de puissance, et de l’arbre de la soufflante. Ces déformations peuvent induire un désalignement entre l’arbre mené et l’arbre menant soit entre les axes de l’arbre de puissance et de l’arbre de la soufflante ce qui engendre encore plus de contraintes en particulier sur le réducteur et peut causer son endommagement. Il est important donc d’assurer la coaxialité entre les axes de rotation des arbres de puissance en entrée et en sortie du réducteur, assurant une répartition des charges acceptables dans ledit réducteur. Pour cela, il est connu de mettre des pièces souples entre le réducteur et au moins l’une de ses interfaces avec le bâti moteur, que cela soit l’arbre d’entrée, l’arbre de soufflante ou la liaison statorique. La solution usuelle d’obtention de cette souplesse est l’utilisation de soufflets. Ces soufflets comprennent une succession de voiles présentant une forme générale d’accordéon qui autorise une flexibilité de l’assemblage du réducteur et des arbres pour assurer la coaxialité des arbres en absorbant une partie des contraintes auxquelles est soumis le réducteur. Ces soufflets forment ainsi des pièces de transmission souples.
Cependant de tels soufflets sont complexes à dimensionner, la souplesse obtenue se faisant au détriment de la résistance mécanique, ce qui induit que le désalignement des arbres de puissance et de la soufflante génère une répartition déséquilibrée des charges dans le réducteur.
Il existe donc un besoin d’amélioration de l’assemblage du réducteur par des soufflets.
A cet effet, le présent document propose un ensemble pour turbomachine comprenant un réducteur qui s’étend autour d’un axe longitudinal, l’ensemble comprenant un pignon central et au moins un soufflet qui relie le réducteur à un élément de la turbomachine, ledit soufflet comprenant une succession de parois annulaires disposées en regard le long de l’axe longitudinal et reliées deux à deux par une paroi de liaison, le soufflet comprenant, à chacune de ses deux extrémités longitudinales, une paroi annulaire d’extrémité, et
dans lequel une première épaisseur d’une paroi annulaire d’extrémité du soufflet prise au niveau d’une des extrémités longitudinales du soufflet est plus épaisse qu’une deuxième épaisseur d’une autre paroi annulaire du soufflet prise entre les deux extrémités longitudinales du soufflet.
Un tel soufflet permet une souplesse entre le réducteur et la turbomachine afin d’assurer la coaxialité de leurs axes de rotation respectifs, tout en gardant une certaine résistance aux contraintes subies dans la turbomachine pour éviter son endommagement. En effet, les inventeurs ont constaté que les voiles d’extrémité étaient plus sollicités que les voiles intermédiaires. La variation des épaisseurs entre les voiles d’extrémité et les voiles intermédiaires permettent de répartir la déformée du soufflet et donc de répartir uniformément les contraintes subies par le soufflet. Ainsi, les contraintes sont mieux réparties dans le soufflet sans altérer la souplesse cible de ce dernier. Cette solution permet donc de limiter l’augmentation de la raideur du soufflet tout en améliorant la résistance du soufflet.
Les parois annulaires peuvent être encore appelées voiles intermédiaires et les parois annulaires d’extrémité peuvent être encore appelées voiles d’extrémité.
Les parois de liaison peuvent s’étendre sensiblement radialement.
L’épaisseur peut être mesuré selon une normale à la paroi annulaire concernée.
Les parois annulaires dudit soufflet peuvent être annulaires autour de l’axe de rotation.
Le réducteur peut être du type planétaire ou épicycloïdal ou différentiel.
Le réducteur peut comprendre un porte-satellites monobloc ou comprenant une cage et un porte-cage. Les satellites peuvent être portés par un palier composé d’élément roulant, un palier hydrodynamique ou tout autre type de paliers.
Le réducteur peut être un réducteur à simple étage ou un réducteur à plusieurs étages.
Le pignon central peut présenter des dentures droites, hélicoïdales ou en chevron.
Le réducteur peut comprendre d’autres pignons, agencés dans le porte-satellites par exemple, présentant des dentures droites, hélicoïdales ou en chevron.
La deuxième épaisseur d’au moins une paroi annulaire peut être comprise entre 50% et 80% de la première épaisseur des parois annulaires d’extrémité, en particulier entre 60% et 70% de la première épaisseur des parois annulaires d’extrémité.
La deuxième épaisseur d’au moins une paroi annulaire peut être inférieure à 80%, en particulier à 50% de la première épaisseur des parois annulaires d’extrémité.
Ledit au moins un soufflet peut comprendre au maximum deux parois annulaires d’extrémité et quatre parois annulaires. En particulier ledit au moins un soufflet peut comprendre deux parois annulaires d’extrémité et deux parois annulaires, ce qui permet de limiter les déformations subies par ledit soufflet.
Ledit au moins un soufflet peut être réalisé en un seul tenant. Les parois annulaires peuvent être des pièces indépendantes reliées entre elles par des moyens de fixation appropriés pour former ledit au moins un soufflet.
La deuxième épaisseur des parois annulaires peut varier entre deux parois annulaires successives ou non.
La deuxième épaisseur des parois annulaires peut être constante, les parois annulaires présentant ainsi toutes une même épaisseur.
Le soufflet peut comprendre une pluralité de parois de liaison, chaque paroi de liaison étant agencée entre deux parois annulaires successives. Les parois de liaison relient les parois annulaires entre elles et peuvent être formées d’un seul tenant avec les parois annulaires ou indépendants de ces dernières.
Une troisième épaisseur d’au moins une paroi de liaison peut être supérieure à la deuxième épaisseur des parois annulaires. Contrairement aux soufflets de l’état de la technique qui présentent une épaisseur uniforme le long du soufflet voire une épaisseur des parois de liaison inférieure à l’épaisseur des parois annulaires, la variation d’épaisseur des parois de liaison dans le soufflet de ce présent document permet une meilleure répartition des contraintes subies par le soufflet et permet ainsi de dimensionner le soufflet pour assurer la souplesse adéquate pour aligner les axes du réducteur et de l’élément de la turbomachine.
La troisième épaisseur d’au moins une paroi de liaison peut être égale ou inférieure à la première épaisseur des parois annulaires d’extrémité.
Une hauteur radiale des parois annulaires d’extrémité peut être supérieure à une hauteur radiale des parois annulaires. Les inventeurs ont constaté que l’augmentation de la dimension radiale des parois annulaires permet une meilleure souplesse du soufflet.
Au moins une des parois annulaires d’extrémité peut être inclinée par rapport à une direction radiale, par exemple perpendiculaire à l’axe de rotation du pignon central.
L’angle d’inclinaison entre les parois annulaires d’extrémité et la direction radiale peut être compris entre 2° et 20°.
Les parois annulaires d’extrémité peuvent converger en direction des parois de liaison radialement internes.
Les parois annulaires d’extrémité peuvent diverger en direction des parois de liaison radialement internes.
Les parois annulaires d’extrémité peuvent s’étendre selon la direction radiale.
De même, une ou toutes les parois annulaires peuvent s’étendre selon la direction radiale ou peuvent être inclinées par rapport à la direction radiale.
L’angle d’inclinaison entre les parois annulaires et la direction radiale peut être compris entre 2° et 20°.
Les parois annulaires peuvent converger en direction des parois de liaison radialement internes. Ainsi, les parois de liaison entre les parois annulaires radialement externes peuvent présenter une longueur supérieure à celles des parois de liaison entre les parois annulaires radialement internes.
Les parois annulaires peuvent diverger en direction des parois de liaison radialement internes. Ainsi, les parois de liaison entre les voiles intermédiaires radialement externes peuvent présenter une longueur inférieure à celles des parois de liaison entre les voiles intermédiaires radialement internes.
Les parois annulaires peuvent s’étendre selon la direction radiale.
Les parois annulaires d’extrémité peuvent présenter une même inclinaison ou différentes inclinaisons.
Les parois annulaires peuvent présenter une même inclinaison ou différentes inclinaisons.
L’inclinaison des parois annulaires par rapport à la direction radiale permet d’augmenter les harmoniques du soufflet, le rendant ainsi plus résistant aux contraintes subies. En outre, lorsque les parois annulaires convergent vers les parois de liaison radialement internes permet d’augmenter encore plus la souplesse du soufflet et donc d’améliorer l’alignement entre le réducteur et l’élément de la turbomachine.
Les parois annulaires d’extrémité peuvent converger radialement vers l’intérieur ou vers l’extérieur en direction des parois de liaison.
La première épaisseur des parois annulaires d’extrémité peut varier entre une extrémité radialement externe et une autre radialement interne desdits parois annulaires d’extrémité. Ainsi, les parois annulaires d’extrémité peuvent présenter une ou plusieurs sections radialement externes ayant une épaisseur à une section radialement interne des parois annulaires d’extrémité.
Les parois annulaires d’extrémité, les parois annulaires et les parois de liaison peuvent être réalisées dans un même matériau ou dans différents matériaux.
L’élément de la turbomachine peut un élément statorique, en particulier une pièce de support pour liaison à ladite pièce statorique, ou un arbre rotatif. Par exemple, l’élément de la turbomachine peut être un arbre d’un compresseur basse pression de la turbomachine, un arbre de la soufflante, etc. Par exemple, l’élément de la turbomachine peut être un arbre d’entrainement d’un solaire du réducteur. L’élément de la turbomachine peut être un élément fixe du carter de la turbomachine, par exemple un élément relié à une couronne fixe du réducteur.
Le présent document concerne encore une turbomachine comprenant un ensemble tel que précité.
Brève description des figures
représente une vue schématique en coupe axiale d’une turbomachine utilisant l’invention.
représente une vue partielle en coupe axiale d’un réducteur mécanique équipé d’un premier mode de réalisation d’un soufflet selon le présent document.
représente une vue schématique partielle en coupe axiale du soufflet de la .
représente une vue schématique en coupe axiale agrandie d’un deuxième mode de réalisation d’un soufflet selon le présent document.
représente une vue schématique partielle en coupe axiale d’un troisième mode de réalisation d’un soufflet selon le présent document.
représente une vue schématique partielle en coupe axiale d’un quatrième mode de réalisation d’un soufflet selon le présent document.

Claims (11)

  1. Ensemble pour turbomachine (1) comprenant un réducteur (6) qui s’étend autour d’un axe longitudinal (X), l’ensemble comprenant un pignon central (7) et au moins un soufflet (100,200,300) qui relie le réducteur (7) à un élément de la turbomachine, ledit soufflet comprenant une succession de parois annulaires (106) disposées en regard le long de l’axe longitudinal (X) et reliées deux à deux par une paroi de liaison annulaire (108,110), le soufflet comprenant, à chacune de ses deux extrémités longitudinales, une paroi annulaire d’extrémité (102,104), et
    dans lequel une première épaisseur (E1) d’une paroi annulaire d’extrémité du soufflet prise au niveau d’une des extrémités longitudinales du soufflet est plus épaisse qu’une deuxième épaisseur (E2) d’une autre paroi annulaire du soufflet prise entre les deux extrémités longitudinales du soufflet (100,200,300).
  2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel la deuxième épaisseur (E2) d’au moins une paroi annulaire (106) prise entre les deux extrémités longitudinales du soufflet (100,200,300) est comprise entre 50% et 80% d’une première épaisseur (E1) d’au moins une des parois annulaires d’extrémité (102,104) du soufflet (100,200,300).
  3. Ensemble selon la revendication 1 ou 2, dans lequel une troisième épaisseur (E3) d’au moins une paroi de liaison annulaire (108,110) du soufflet (100,200,300) est supérieure à la deuxième épaisseur (E2) d’une des autres parois annulaires du soufflet (100,200,300) prise entre les deux extrémités longitudinales du soufflet (100,200,300).
  4. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel une hauteur radiale (h1) d’au moins une des parois annulaires d’extrémité (102,104) du soufflet (100,200,300) est supérieure à une hauteur radiale (h2) d’au moins une autre des parois annulaires (106) du soufflet (100,200,300) prise entre les deux extrémités longitudinales du soufflet (100,200,300).
  5. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la deuxième épaisseur (E2) des parois annulaires (106) du soufflet (100,200,300) prise entre les deux extrémités longitudinales du soufflet (100,200,300) varie entre deux parois annulaires successives de ces parois annulaires (106).
  6. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la deuxième épaisseur (E2) de deux parois annulaires (106) qui relient des parois de liaison annulaire (108,110) entre elles est constante.
  7. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel au moins une des parois annulaires d’extrémité (102,104) est inclinée par rapport à une direction radiale.
  8. Ensemble selon la revendication 7, dans lequel les parois annulaires d’extrémité (102,104) convergent radialement vers l’intérieur ou vers l’extérieur en direction des parois de liaison (108).
  9. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la première épaisseur (E1) de la ou des parois annulaires d’extrémité (102,104) varie entre une extrémité radialement externe (A) et une autre radialement interne (B) de la ou des parois annulaires d’extrémité (102,104).
  10. Ensemble selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel l’élément de la turbomachine est un élément statorique (4) ou un arbre rotatif (3).
  11. Turbomachine (1) comprenant un ensemble selon l’une des revendications 1 à 10.
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