[0001] La présente invention concerne le domaine des moteurs à turbine à gaz, en particulier
des turboréacteurs multiflux, et porte sur un système permettant en cas de rupture
d'un arbre de la machine d'en obtenir l'arrêt dans un délai aussi bref que possible.
[0002] Dans un turboréacteur multiflux à turbo soufflante, cette dernière est entraînée
par 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 qui est susceptible d'atteindre
sa limite de résistance et d'éclater avec les conséquences catastrophiques qui en
résultent.
[0003] On a proposé d'interrompre l'arrivée de carburant alimentant la chambre de combustion
afin d'éliminer la source d'énergie par laquelle le rotor est accéléré. Une solution
consiste à surveiller la vitesse de rotation des arbres par des moyens de mesure redondants
et à commander l'interruption de l'alimentation en carburant lorsqu'une survitesse
est détectée. Selon le brevet
US6494046, on mesure les fréquences de rotation aux deux extrémités de l'arbre au niveau des
paliers et on les compare en continue et en temps réel.
[0004] Des moyens assurant le freinage du rotor lorsque survient un tel incident ont aussi
été proposés. Le déplacement axial du rotor consécutif à la rupture de l'arbre déclenche
l'actionnement de mécanismes visant à en dissiper l'énergie cinétique. Il s'agit par
exemple d'ailettes fixes de la roue adjacente de distributeurs qui sont basculées
en direction des aubes du rotor de manière à venir s'interposer entre elles et couper
leur trajectoire. L'énergie cinétique est dissipée par le frottement des pièces entre
elles, leur déformation, voire leur rupture. Une solution de ce type est décrite dans
la demande de brevet
EP 1640564 au nom du présent déposant. Selon cette solution des moyens de destruction sont montés
sur une roue fixe adjacente à une roue de la turbine à freiner et sont agencés pour
cisailler les échasses des aubes du rotor amont en début de déplacement vers l'aval
du rotor.
[0005] Cette solution quoique efficace, entraîne des coûts de réparation importants en raison
des dégâts occasionnés sur les aubages.
[0006] La présente invention vise une solution simple, efficace et peu onéreuse pour réduire
la vitesse de rotation, dans un moteur à turbine à gaz, d'une turbine comprenant un
rotor entraînant un arbre et mobile en rotation à l'intérieur d'un stator, en cas
de rupture dudit arbre.
[0007] Conformément à l'invention le dispositif de freinage est caractérisé par le fait
qu'il comprend un premier organe pourvu d'au moins un élément abrasif et un second
organe comprenant un élément en forme d'anneau réalisé en un matériau susceptible
d'être érodé par l'élément abrasif, les deux organes étant solidaires l'un du rotor,
l'autre du stator et venant en contact par déplacement axial du rotor après rupture
de l'arbre, l'élément abrasif du premier organe érodant l'élément en forme d'anneau
du second organe
[0008] La solution de l'invention consiste donc à dissiper l'énergie du rotor entre deux
organes qui sont agencés spécifiquement pour le freinage. Ces moyens permettent d'augmenter
la surface de contact en fonction de l'objectif visé et d'assurer un coefficient de
frottement important.
[0009] L'avantage est aussi de permettre de réduire le régime maximal auquel le rotor doit
résister sans éclater. Ce régime est celui qui est susceptible d'être atteint lors
de la rupture de l'arbre.
[0010] De préférence, le premier organe est solidaire du stator et le second organe est
solidaire du rotor ; plus particulièrement le rotor comprenant au moins un disque
avec une jante, le second organe est solidaire de la jante et le premier organe est
solidaire du stator en aval de la jante. En disposant les organes de freinage en dehors
de la veine de gaz, on préserve les aubes et on peut localiser la zone où se produit
cette dissipation d'énergie.
[0011] Pour un moteur comprenant un carter d'échappement, le second organe est avantageusement
solidaire du dernier étage de turbine du rotor et le premier organe du carter d'échappement.
[0012] Conformément à un mode de réalisation le premier organe comprend une pluralité d'éléments
abrasifs répartis autour de l'axe du moteur. Les éléments abrasifs consistent en des
granulats abrasifs rapportés, par frittage par exemple, sur une toile, par exemple
en fibres de verre, imprégnée de résine résistante à haute température.
[0013] L'invention porte également sur un moteur à turbine à gaz à double corps avec une
section de turbine basse pression dont ladite section est équipée d'un tel dispositif
de freinage.
[0014] D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description d'un mode de
réalisation non limitatif de l'invention en référence aux dessins sur lesquels
La figure 1 montre une demi-coupe axiale de la section de turbine d'un moteur à turbine
à gaz double corps,
La figure 2 montre un dispositif de freinage aménagé sur la section de turbine basse
pression du moteur à turbine à gaz.
[0015] On voit sur la figure 1, une partie de la section de turbine 1 d'un moteur à turbine
à gaz. Dans un moteur à double corps et double flux, la section de turbine 1 comprend
une turbine haute pression en amont et non visible sur la figure, qui reçoit les gaz
chauds de la chambre de combustion. Les gaz après avoir traversé l'aubage de la roue
de turbine haute pression sont dirigés, à travers une roue de distributeurs 3 fixes,
sur la section de turbine basse pression 5. Cette section 5 est composée d'un rotor
6 formé ici en tambour de l'assemblage de plusieurs disques 61, 62, 63 aubagés, trois
dans cet exemple. Les aubes, comprenant une pale et un pied, sont montées, généralement
individuellement, à la périphérie des disques dans des logements ménagés sur la jante.
Des roues de distributeurs 7 fixes sont interposées entre les étages de turbine, chacune
pour orienter convenablement le flux gazeux par rapport à l'aubage mobile aval. Cet
ensemble forme la section 5 de turbine basse pression. Le rotor 6 de la turbine basse
pression est monté sur un arbre 8, concentrique à l'arbre haute pression 9, qui se
prolonge axialement vers l'avant du moteur où il est solidaire du rotor de soufflante.
L'ensemble tournant est supporté par des paliers appropriés situés dans les parties
avant et arrière du moteur. Sur la figure 1, on voit l'arbre 8 supporté par un palier
81, dans le carter structural, désigné carter d'échappement 10. Le carter d'échappement
est pourvu de moyens d'attaches pour un montage sur un aéronef.
[0016] Lorsque l'arbre 8 se rompt accidentellement, l'ensemble mobile de la turbine basse
pression se déplace vers l'arrière, vers la droite sur la figure, en raison de la
pression exercée par les gaz. Par ailleurs, il est accéléré en rotation en raison
de la disparition de son couple résistant combinée à la poussée tangentielle que les
gaz chauds continuent d'exercer sur les aubages mobiles pendant leur traversée de
la turbine.
[0017] Pour empêcher, conformément à l'invention, que le rotor de turbine s'emballe et que
sa vitesse atteigne le régime maximal autorisé avant d'éclater, un dispositif de freinage
est incorporé à la section de turbine.
[0018] Ce dispositif 100 est représenté sur la figure 2 qui est une vue partielle en perspective
du disque de turbine 63' et du carter d'échappement.
[0019] Le disque 63' correspond au disque 63 de la figure 1 modifié conformément à l'invention.
Le disque 63' a une forme conventionnelle ou autre, selon cet exemple avec un moyeu
63'A, une jante 63'B à sa périphérie et un voile radial 63'C de faible épaisseur entre
le moyeu et la jante. La jante 63'B est pourvue de moyens d'attache des aubes qui
s'étendent en direction radiale dans le canal annulaire parcouru par le gaz moteur.
Les aubes et leur moyen d'attache ne font pas partie de l'invention et n'ont pas été
représentés dans leur ensemble sur la figure une silhouette seule dans le plan de
coupe est visible. Le carter d'échappement 10 est représenté dans sa partie qui est
en vis-à-vis du disque 63'. Il comprend une plateforme annulaire 10A formant la paroi
intérieure du canal des gaz dans le prolongement des plateformes à la périphérie du
disque 63' du dernier étage de turbine. Des aubes de redresseur 10B, non visibles
s'étendent radialement dans le canal annulaire. La plateforme 10A s'étend axialement
en amont vers le disque 63' par une languette annulaire 10A' d'étanchéité.
[0020] Le dispositif de freinage 100 de l'invention est décrit ci-après. Il comprend un
premier organe de freinage 110 qui est constitué d'éléments abrasifs 110A. Le premier
organe de freinage 110 est monté sur un support de stator formé par le carter d'échappement
10. Le support comprend un flasque annulaire 110D avec une bride radiale 110B par
laquelle il est boulonné sur une nervure annulaire du carter 10 sous la languette
10A'. Le flasque 110D comprend une bride radiale 110C positionnée en aval du second
organe de freinage 120. Les éléments abrasifs 110A sont solidaires de la bride 110C.
[0021] Le second organe de freinage 120 est solidaire de la jante 63'B. Plus précisément
pour cet exemple, l'organe 120 est solidaire d'une bride 63'B1 en aval au niveau de
la jante. Il comprend un élément en forme d'anneau à surface radiale 120A en vis-à-vis
de l'élément abrasif 110A
[0022] Ce second organe de freinage 120 peut être rapporté sur la bride 63'B1 de la jante
63'B mais il peut être aussi obtenu par usinage ensemble avec la jante à partir d'une
ébauche venue de fonderie. Dans ce cas il est constitué du même métal que la jante.
Sa dureté lui correspond.
[0023] En fonctionnement normal, le disque de turbine tourne autour de son axe et l'organe
de freinage 120 se déplace en rotation autour de l'axe moteur, parallèlement à la
face avant de l'élément abrasif 110A de l'organe de freinage sans le toucher de préférence.
[0024] La combinaison des éléments 110A et 120A doit permettre, lorsque le disque se déplace
axialement vers l'aval en raison de la rupture de l'arbre 8, aux éléments abrasifs
110A de frotter contre la surface 120A. La rotation associée à la pression conduit
à l'usure de l'organe de freinage 120 par les éléments abrasifs 110A à l'instar d'un
outil abrasif conventionnel. L'énergie est fournie par le rotor en rotation et est
ainsi dissipée.
[0025] La structure et les matériaux des éléments abrasifs 110A; granulats, substrat sont
déterminés conjointement et en relation avec le matériau de l'organe de freinage 120.
[0026] Le matériau abrasif peut consister en des granulats abrasifs tels que ceux connus
dans l'industrie. Il peut s'agir de grains en matériau céramique ou en zirconium.
Ceux-ci sont fixés, par exemple par frittage sur un substrat tel qu'une toile en fibres
de verre imprégnée de résine résistant à haute température. Une résine époxy de type
Pyrotek F 51 ® et fabriqué par la société Pyrotek convient à cette application et
résiste à une température allant jusqu'à 700°C.
1. Dispositif de freinage, dans un moteur à turbine à gaz, d'une turbine comprenant un
rotor entraînant un arbre et mobile en rotation par rapport à un stator, en cas de
rupture dudit arbre, caractérisé par le fait qu'il comprend un premier organe de freinage (110) pourvu d'au moins un élément abrasif
(110A) et un second organe de freinage (120) comprenant un élément en forme d'anneau
(120A) réalisé en un matériau susceptible d'être érodé par l'élément abrasif (110A),
les deux organes de freinage étant solidaires l'un du rotor, l'autre du stator et
venant en contact par déplacement axial du rotor après rupture de l'arbre, l'élément
abrasif (110A) du premier organe de freinage (110) érodant l'élément en forme d'anneau
(120A) du second organe de freinage (120).
2. Dispositif de freinage selon la revendication précédente, dont le premier organe de
freinage (110) est solidaire du stator et le second organe de freinage (120) est solidaire
du rotor.
3. Dispositif selon la revendication 2, le rotor comprenant au moins un disque (63')
avec une jante (63'B), dont le second organe de freinage (120) est solidaire de la
jante et le premier organe de freinage (110) est solidaire du stator en aval de la
jante (63'B).
4. Dispositif selon la revendication 3, le moteur comprenant un carter d'échappement
(10), dont le premier organe de freinage (110) est solidaire du carter d'échappement
(10) et le second organe de freinage (120) du dernier étage de turbine du rotor.
5. Dispositif selon la revendication 2, 3 ou 4 dont le premier organe de freinage (110)
comprend une pluralité d'éléments abrasifs (110A) répartis autour de l'axe du moteur.
6. Dispositif selon la revendication 1 dont l'élément abrasif (110A) du premier organe
de freinage (110) comprend des granulats abrasifs montés sur un substrat, l'ensemble
étant rapporté sur le stator
7. Dispositif selon la revendication 6 dont le substrat est constitué d'une toile.
8. Dispositif selon la revendication 7 dont la toile est en fibres de verre imprégnée
d'une résine.
9. Moteur à turbine à gaz à double corps avec une section de turbine basse pression dont
ladite section est équipée d'un dispositif de freinage selon l'une des revendications
précédentes.