FR3135754A1 - Supportage d’un stator d’une machine électrique en aval d’une turbine - Google Patents

Abstract

Une machine électrique est montée à l’arrière d’une turbine, et son stator (9) est monté sur un support (11) dont l’extrémité avant (10) est reliée rigidement au carter de la turbine et l’extrémité arrière, qui s’étend en arrière du stator (9), est reliée à une autre structure fixe de la turbomachine, comme le cône arrière (13), par un élément de liaison souple (49) permettant à la fois des débattements radiaux et axiaux, et de l’amortissement. Une position plus stable du stator (9) est alors obtenue. Figure pour l’abrégé : Figure 2.

Description

Supportage d’un stator d’une machine électrique en aval d’une turbine

Le sujet de l’invention est le supportage du stator d’une machine électrique en aval d’une turbine, à l’extrémité arrière d’une turbomachine d’aéronef.

Les machines électriques dont il est question ici sont des génératrices d’électricité ou des machines réversibles, pouvant aussi travailler en moteur électrique et qui sont alors aptes à faire démarrer l’arbre de turbine ou à lui apporter un surcroît de puissance. Elles viennent en complément de la génératrice d’électricité qu’on trouve habituellement sur le boîtier d’accessoires (AGB) et qui prélève de la puissance, généralement sur le corps haute pression des turbomachines habituelles à deux corps.

L’arbre de turbine est un arbre saillant d’un carter à l’extrémité arrière du stator de la turbomachine, souvent appelé carter d’échappement de turbine ; cet arbre entraîne préférentiellement le corps basse pression des turbomachines à deux corps. Et la turbomachine peut être un turboréacteur ou un turbopropulseur.

L’addition d’une machine électrique à l’arrière de l’arbre de turbine se révèle assez facile et avantageuse car la machine occupe alors un volume qui reste habituellement vide, et son rotor peut être entraîné directement par l’arbre de turbine, parfois même sans mécanisme de changement de vitesse de rotation. Un certain nombre de difficultés sont toutefois impliquées par une telle disposition.

On doit mentionner parmi ces difficultés la création d’un support convenable pour le stator de la machine électrique. Il est en effet normal de monter ce stator sur un manchon lié par une bride boulonnée au carter d’échappement de la turbine. La rigidité de ce montage peut toutefois se révéler insuffisante quand le manchon est trop long, et le porte-à-faux du stator de la machine électrique trop important.

L’objet de l’invention est donc d’améliorer le supportage offert par une telle structure.

Un aspect général de l’invention est une turbomachine pour aéronef, comprenant : un arbre de turbine s’étendant dans une direction axiale de la turbomachine jusqu’à une extrémité arrière de la turbomachine ; une machine électrique comprenant un rotor entraîné par l’arbre de turbine, et un stator soutenu par un support uni rigidement par une extrémité avant à un stator de la turbomachine ; caractérisé en ce que le support est uni par une extrémité arrière, opposée à l’extrémité avant, à une structure rigidement unie au stator de turbomachine par une pièce de liaison comprenant un manchon coulissant sur l’arbre de turbine dans la direction axiale, deux couronnes coaxiales dont une est rigidement unie au manchon et l’autre à la structure, des éléments amortissants étant disposés entre les couronnes.

Il est à noter que ces éléments sont en nombre quelconque. On rencontrera souvent un nombre plus ou moins grand d’éléments distincts répartis autour des circonférences des couronnes, mais un seul élément, continu sur ces circonférences, serait envisageable.

Par rapport au montage connu, le manchon de support est prolongé vers l’arrière pour que son extrémité arrière soit unie à la structure (et donc au stator de la turbomachine) par une liaison souple et amortissante, et que le support soit donc soutenu par ses deux extrémités. Le caractère souple de la liaison permet de s’affranchir des inconvénients de déplacements relatifs entre le carter d’échappement et la virole et d’éviter de remplacer le montage insuffisant avec un porte-à-faux du manchon par un montage trop rigide, hyperstatique. On évite ainsi l’apparition de contraintes excessives pendant le fonctionnement. Le caractère amortissant de la liaison permet aussi d’éviter l’apparition de contraintes excessives, cette fois de nature dynamique, pendant le fonctionnement.

Les éléments amortissants peuvent prendre de nombreux aspects dans les réalisations concrètes. Ils peuvent ainsi s’étendre en disposition rayonnante entre les deux couronnes et consister par exemple en ressorts rayonnants, paires de plaquettes en friction respectivement assujetties aux couronnes, ou en anneaux compressibles. Leur caractère déformable avec une rigidité modérée, élastique ou non, assure le maintien du support à son extrémité arrière.

D’après une construction plausible, le support est cylindrique, les extrémités avant et arrière sont circulaires, et le stator de la machine électrique s’étend entre l’extrémité avant et l’extrémité arrière.

Selon d’autres constructions plausibles, l’extrémité avant est boulonnée à un carter d’échappement du stator de la turbomachine, qu’une extrémité de l’arbre de turbine traverse ; et la structure est un cône arrière (« plug ») de la turbine.

Contrairement aux conceptions habituelles où le support est monté en porte-à-faux par sa seule extrémité avant, il est ici en général avantageux de le rendre assez souple. A cet effet, il peut comprendre une portion plus souple entre l’extrémité avant et le stator de la machine électrique.

L’invention sera maintenant décrite dans ses différents aspects, caractéristiques et avantages au moyen des figures suivantes, qui représentent une réalisation préférée, donnée à titre purement illustratif :

: représentation d’un agencement de genre connu comprenant une machine électrique à l’arrière d’un arbre de turbine ;

: représentation d’un mode de réalisation de l’invention ;

: un premier mode de réalisation des éléments amortissants ;

: un deuxième mode de réalisation des éléments amortissants ;

: un troisième mode de réalisation des éléments amortissants ;

: un quatrième mode de réalisation des éléments amortissants ;

: un cinquième mode de réalisation des éléments amortissants ;

: un sixième mode de réalisation des éléments amortissants ;

: schéma complet d’une turbomachine où l’invention est implantée.

On se reporte d’abord à la . Elle représente schématiquement et partiellement une turbine de turbomachine, qui comprend un arbre de turbine 1 s’allongeant d’avant en arrière dans une direction axiale X-X de la turbomachine, en tournant autour d’un axe central de celle-ci, et qui est soutenu par divers paliers 2, dont un roulement arrière 3 monté dans un stator 4 de la turbomachine. L’arbre de turbine 1 comporte une extrémité arrière 5, en arrière du roulement arrière 3, saillant d’un carter d’échappement 6 qui constitue une face arrière du stator 4. Une machine électrique 7 s’étend en arrière de ce carter d’échappement 6, et elle comprend un rotor 8 entraîné en rotation par l’arbre de turbine 1 en étant monté sur son extrémité arrière 5, et un stator 9 monté sur un support 11 en forme de manchon approximativement cylindrique, qui est relié au carter d’échappement 6 par une bride 10 boulonnée.

On a représenté à la une turbomachine complète dans laquelle le dispositif de la est présent. La turbomachine comprend, outre l’arbre de turbine 1 ou arbre basse pression, un arbre haute pression 32 qui l’entoure à une portion centrale dans la direction axiale X-X. Les paliers 2 de support de l’arbre de turbine 1 et de l’arbre haute pression 32 sont montés dans le stator 4 et le carter d’échappement 6, comme on l’a mentionné, ainsi que dans un carter avant 33 et un carter intermédiaire 34 situés en avant des précédents. L’ensemble des carters 4, 6, 33 et 34 compose un carter inter-veine 35. La turbomachine comprend encore un carter extérieur 36 entourant le carter inter-veine 35. Une veine primaire 37 d’écoulement des gaz s’étend à l’intérieur du carter inter-veine 35, et une veine secondaire 38 s’étend autour du carter inter-veine 35 en étant limitée par le carter extérieur 36. Un écoulement de gaz dans la veine primaire 37 et la veine secondaire 38 est suscité par une soufflante 39 à l’avant de la turbomachine, montée sur un arbre de soufflante 40 s’étendant à l’avant de l’arbre de turbine 1 et coaxial à lui auquel il est relié par un mécanisme de réduction de vitesse 41. La veine primaire 37 contient habituellement un compresseur basse pression 42, un compresseur haute pression 43, une chambre de combustion 44, une turbine haute pression 45 et une turbine basse pression 46 d’avant en arrière. Un arbre de démarrage 47 d’orientation à peu près perpendiculaire à la direction axiale X-X est représenté.

La structure générale de cette turbomachine est connue. L’invention pourrait être placée sur d’autres réalisations de turbomachines.

Dans de nombreuses réalisations concrètes, le support 11 aura une longueur importante entre la bride boulonnée 10 et le stator 9 et donc un porte-à-faux inadmissible.

C’est pourquoi, selon l’invention que représente la , le support 11 est prolongé par une portion antérieure 12 en avant du stator 9 de la machine électrique 7, qui s’étend jusqu’à proximité d’une structure du stator 4 de la turbomachine, comme un cône arrière (« plug ») 13 de la turbine, qui est lui aussi relié au carter d’échappement 6 par une bride boulonnée 14.

La portion antérieure 12 du support 11 est unie au cône arrière 13 par une liaison souple 49 dont voici les caractéristiques. Elle comprend d’abord une portion coulissante 15 dans la direction de l’axe X-X, composée d’un manchon intérieur 16 qui appartient à la portion antérieure 12, et d’un manchon extérieur 17 appartenant à une pièce mobile 18 de la liaison souple 49. Le manchon extérieur 17 coulisse avec un frottement réduit et un jeu réduit autour du manchon intérieur 16 et permet donc de compenser les déformations différentielles, notamment les dilatations d’origine thermique, entre le cône arrière 13 et le carter d’échappement 4 pendant le fonctionnement.

La pièce mobile 18 comprend encore une couronne 19 concentrique au manchon extérieur 17, et encore concentrique à une seconde couronne 20 appartenant à une pièce fixe 21 de la liaison souple 49 ; la pièce fixe 21 est fixée au cône arrière 13 par une bride 22 préférentiellement boulonnée. Des éléments 23 souples et amortissants sont disposés entre les couronnes 19 et 20. Ils contribuent à absorber les désaxages entre le support 11 et le cône arrière 13, dus à des imprécisions de fabrication ou à des efforts statiques ou dynamiques. Le montage du support 11 au stator 4 de la turbomachine par ses deux extrémités ne s’accompagne donc pas de contraintes excessives ni au repos, ni en service. Les éléments 23 sont dotés toutefois d’une élasticité ou d’une résistance aux déformations qui maintient le soutien du support 11 avec une force modérée.

Certaines réalisations de ces éléments 23 souples et amortissants vont maintenant être décrites.

La montre qu’il peut s’agir de ressorts 24, ici comprimés entre les couronnes 19 et 20 en direction radiale ; par exemple des ressorts hélicoïdaux ou à lames dont la déformation est orientée radialement. Un certain nombre d’entre eux est réparti autour de la circonférence, selon une disposition en étoile. Un tel dispositif offre une excellente souplesse et de l’élasticité, et un amortissement plus réduit. Des ressorts différents sont envisageables. On pourrait ainsi employer un ressort composé d’ondulations et faisant le tour de l’espace entre les couronnes 19 et 20.

La montre que les éléments 23 pourraient consister en une paire de lamelles, piges ou plaquettes circulaires 25 et 26, l’une solidaire de la couronne externe 19 et l’autre de la couronne interne 20, situées face à face et frottant l’une sur l’autre. Un tel dispositif offre à la fois de la souplesse, et un amortissement important.

Une autre conception, représentée à la , comporte des anneaux 27 déformables dont la paroi cylindrique est comprimée entre les couronnes 19 et 20, et apte à s’écraser aux endroits où celles-ci s’approchent l’une de l’autre, la section des anneaux 27 devenant elliptique. Les anneaux 27 peuvent être composés de spires d’un câble enroulé en hélice. La déformation du câble s’accompagne d’une dissipation d’énergie, et donc d’amortissement.

La représente une variante de réalisation, d’après laquelle des plots 28 élastiques et amortissants sont intercalés entre les couronnes 19 et 20 à la place de l’anneau ou des anneaux 27. Les plots 28 peuvent être répartis en nombre quelconque autour de la circonférence des couronnes 19 et 20. Les plots 28 pourraient être remplacés par un anneau continu s’étendant sur toute la circonférence des couronnes 19 et 20, avec la même représentation. On pourrait envisager des plots 28 ou des anneaux continus ayant toutes sortes de sections, pleines ou creuses.

D’autres conceptions, représentées aux figures 7 et 8, illustrent que la liaison souple 49 pourrait être composée de colonnettes 29 ou 30 s’étendant dans la direction axiale X-X entre les couronnes, ici 19a et 20a, et 19b et 20b. Ces couronnes, auxquelles les colonnettes 29 et 30 sont fixées par leurs extrémités, sont ici coaxiales sans être concentriques, et elles se font face dans la direction axiale X-X. Les colonnettes 29 et 30 sont réparties sur la circonférence des couronnes 19a et 20a, ou 19b et 20b. La réalisation de la montre que les colonnettes 29 peuvent être cylindriques à section circulaire, de forme parfaitement régulière ; alors que les colonnettes 30 de la présentent une portion centrale amincie 31 pour accroître leur souplesse. Leur section est rectangulaire. Une plus grande souplesse dans une direction (radiale ou angulaire, selon le cas) est alors obtenue.

De nombreuses autres réalisations des éléments 23 sont évidemment possibles.

Dans toutes ces réalisations, des éléments tels que des glissières radiales unissent les couronnes 19 et 20 entre elles, de manière à les maintenir toutes deux à une position axiale invariable par rapport au cône arrière 13. Les manchons 16 et 17 sont couverts d’un revêtement anti-adhérent qui diminue les frottements entre eux. Leur superficie en contact peut être assez grande, afin de diminuer la pression de contact et de prolonger ainsi la durée du dispositif. La zone de coulissement axiale pourrait aussi être assurée par d’autres moyens, comme par une succession de piges de direction axiale réparties autour de la circonférence de la turbomachine et qui remplaceraient un des deux manchons 16 et 17.

Le support 11 est avantageusement moins rigide que dans les montages classiques où il est soutenu seulement par l’extrémité avant, encore afin de réduire les contraintes internes au montage. Cela peut être obtenu en attribuant une épaisseur plus petite à une portion avant 48 s’étendant entre la bride boulonnée 10 et le stator 9 de la machine électrique 7.

Claims (12)

1. Turbomachine pour aéronef comprenant : un arbre de turbine (1) s’étendant dans une direction axiale (X-X) de la turbomachine jusqu’à une extrémité arrière de la turbomachine ; une machine électrique (7) comprenant un rotor (8) entraîné par l’arbre de turbine, et un stator (9) soutenu par un support (11) uni rigidement par une extrémité avant à un stator (4) de la turbomachine ; caractérisé en ce que le support est uni par une extrémité arrière, opposée à l’extrémité avant, à une structure (13) rigidement unie au stator de turbomachine par une pièce de liaison (49) comprenant un manchon (17) coulissant sur l’arbre de turbine (1) dans la direction axiale, deux couronnes coaxiales dont une (19, 19a, 19b) est rigidement unie au manchon (17) et l’autre (20, 20a, 20b) à la structure, et des éléments souples (23) disposés entre les couronnes (19,20).
2. Turbomachine pour aéronef selon la revendication 1, caractérisée en ce que les couronnes sont concentriques et les éléments souples s’étendent en disposition rayonnante entre les deux couronnes.
3. Turbomachine pour aéronef selon la revendication 2, caractérisée en ce que les éléments souples (23) sont des ressorts (24) rayonnants.
4. Turbomachine pour aéronef selon la revendication 2, caractérisée en ce que les éléments souples sont des paires de plaquettes (25, 26) de friction, respectivement assujetties aux couronnes.
5. Turbomachine pour aéronef selon la revendication 2, caractérisée en ce que les éléments souples sont des anneaux (27) compressibles.
6. Turbomachine pour aéronef selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments souples sont des colonnettes (29, 30) s’étendant dans la direction axiale (X-X).
7. Turbomachine pour aéronef selon la revendication 6, caractérisée en ce que les colonnettes (30) ont une partie, centrale dans la direction axiale, amincie (31).
8. Turbomachine pour aéronef selon la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments souples comprennent des plots (28).
9. Turbomachine pour aéronef selon les revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le support (11) est cylindrique, les extrémités avant et arrière sont circulaires, et le stator (9) de la machine électrique s’étend entre l’extrémité avant et l’extrémité arrière.
10. Turbomachine pour aéronef selon les revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le support comprend une portion (48) plus souple entre l’extrémité avant et le stator (9) de la machine électrique.
11. Turbomachine pour aéronef selon les revendications 1 à 10, caractérisée en ce que l’extrémité avant est boulonnée à un carter d’échappement (6) du stator de la turbomachine, qu’une extrémité (5) de l’arbre de turbine traverse.
12. Turbomachine pour aéronef selon les revendications 1 à 11, caractérisée en ce que la structure (13) est un cône arrière de turbine.