Brevet FR2115316A1 — publié le 19720707

i 2115316 La présente invention concerne les moteurs à turbine à gaz. Une turbine à gaz présente normalement au moins un système d'arbre comportant un rotor porté par un arbre et des paliers ; communément on utilise ces systèmes pour supporter les groupes compresseurs et turbines du moteur* Dans les moteurs, surtout ceux dont les 5 rotors sont constitués d'aubes larges et lourdes, le détachement d'une ou plusieurs aubes pose un problème j le système d'arbre subit en effet une charge de déséquili». br* qui peut être suffisamment importante pour endommager les paliers et la struo-ture porteuse. La présente invention propose un moyen grâce auquel on peut remédier à 10 de telles situations sans que soit détruite la plus grande partie de la structure du moteur et l'invention utilise pour ce faire le phénomène connu sous le nom d*"inversion". Dans ce qui suit, le terme "inversion" doit être interprété dans le sens du mécanisme selon lequel un rotor porté par un arbre et tournant au-dessus de sa vitesse de rotation critique, prend une allure stable, après déséquilibre dft à la 15 perte de fraction de sa masse, par modification, de son. axe de rotation de sorte que le nouvel axe passe par le nouveau centre de gravité de la masse du rotor* Un moteur à turbine à gaz selon l'invention comporte un arbre portant un rotor, un premier palier supportant l'arbre au voisinage du rotor, un deuxième par» lier supportant l'arbre à l'écart du rotor et un troisième palier portant l'arbre i»0 à une distance différente du rotor, ledit premier palier étant conçu pour permettre l,inversion du rotor en cas de deséquilibrage et ledit second palier étant destiné à autoriser la rotation de l'arbre autour de son axe modifié pendant et après l'iiv-version. De préférence, le premier palier comporte une structure déformable coa» 25 çue pour absorber use énergie par déformation quand le rotor est déséquilibré et assurer un amortissement pour provoquer l'inversion du rotor. Ainsi, le premier palier peut ttre constitué par un roulement à billes ou rouleaux entouré par uns struo-tore déformable. Selon une forme de réalisation préférée, la structure déformable est un 30 tore creux de métal ductile. Le deuxième palier peut être constitué par un roulement à billes eu ron» leaux coopérant avec des surfaces de glissement en portion de sphère pour assurer le basculement j les surfaces de glissement peuvent être maintenues, en position normale, immobiles les unes par rapport aux autres par une butée de ruptsre ou dé-35 fonnable qui se rompt ou se déforme quand le rotor subit un déséquilibrage excessif. 0m décrira maintenant l'invention, à titre d'exemple non limitatifi «a référence aux dessins schématiques annexés dans lesquels : ~ la figure 1 est une coupe axiale partielle d'un moteur à turbine à gaz selon l'invention ; 40 - la figure 2 est une vue à plus grande échelle d'un rotor et de l'arbre basse près- 71 41682 2 2115316 si» du moteur de la figure 1 ; et — les figure» 3, 4 et 5 représentent, en coupej des sodés de réalisation différents d'un des paliers de la figure 2» i. la figure 1, le moteur à turbine à gaz comporte un ventilateur 10 re-5 lié par une structure d'arbre 11 à une turbine basse pression 12, un compresseur de pression moyenne 13 relié par un arbre 14 à une turbine de moyenne pression 15 et un compresseur haute pression 16 relié par un arbre 17 à une turbine haute pression 18. Les organes de moyenne et haute pression sont logés dans une enveloppe principale 19 renfermant la xane de combustion 20, tandis que le ventilateur est situé à 10 l'intérieur d'un eapotage 21 de ventilateur» Le moteur fonctionne de manière norssn le en ce sens que l'air est comprimé par le ventilateur et les compresseurs de moyen-» ne et haute pression, la combustion se produit dans la zone de combustion et les produits de la combustion entraînent les turbines et fournissent une poussée propuL» sive* Cette propulsion s'ajoute à celle qui fournit le reste de l'air provenant du 15 ventilateur qui n'est pas comprimé par les compresseurs haute pression» A la figure 2, on a représenté plus en détail le rotor de ventilateur 10 et l'arbre 11 basse pression. L'arbre 11 est constitué par des parties avant 22 et arrière 23 liées ensemble par un système à cannelures 24 et immobilisées axialement par un assemblage de verrouillage d'extrémité 25 à écran annulaire* La partie avant 20 22 de l'arbre porte, à son extrémité frontale un rotor 26 portant les pales de venu» tilateur et constituant le ventilateur 10, la voisinage du rotor 26, l'arbre est porté par un palier à billes 27* L'arbre 22 est muni d'une Jupe annulaire 28 boole»* né à son extrémité frontale voisine du rotor 26 et la surface extérieure de la jupe 28 est engagée dans la bague de roulement interne du palier à billes 2f* La bague 25 de roulement externe de ce palier est montée à l'intérieur d'un film de pression hydraulique porté par un élément annulaire 29 qui est logé lui-a&ae dans un organe métallique ductile 30 en forme de tore creux» L'organe 30 est porté par un voile 31 de l'enveloppe principale du moteur* Le maintien de l'élément 29 et par conséquent du palier 27 en position 30 axiale est obtenu par des rebords 32 et 33 entre lesquelles est emprisonné l'élément 29 de telle sorte que ce dernier puisse glisser radialement mais en est empêché à cause de sa coopération avec l'organe en forme de tore* L'autre extrémité de la partie avant 22 est portée par un palier interné» diaire 34 porté par le rotor 35 du compresseur de moyenne pression* Ce palier est un 35 palier à roulement à billes 36 fixé par des boulons 37 sur un voile 39 forme une pa» tie du rotor de compresseur* La surface intérieure de la bague interne de roulement du palier porte un organe d'articulation 40 dont la face interne en portion de sphère coopère avec la face externe sphérique d'une pièce d'assise 41 qui porte à son tour l'extrémité de la partie d'arbre 22; 40 Outre les premier et deuxième paliers 27 et 34, un troisième palier 42 71 41682 3 2115316 est prévu pour supporter l'arbre basse pression 11, ce palier étant un palier d'exw trémité situé à l'extrémité dé l'arbre voisin de la turbine* Le-palier 42 est vas. simple roulement à rouleaux et il supporte l'extrémité de l'arbre dans la structura fixe du moteur. 5 Le fonctionnement du dispositif est le suivant : Bans des circonstances normales, les paliers de tSte et intermédiaire agissent de façon normale pour soutenir l'arbre et autorisent sa rotation sur son axe, la résistance de l'organe en forme de tore étant telle qu'elle est suffisante pour s'opposer aux charges de fonetiornement normal de l'arbre. Si le rotor de ventilateur 10 est 10 déséquilibré, comme par exemple cela peut se produire si une des pales du ventilateur se détache, un couple de déséquilibrage important agira sur l'organe en forme de tore 30 par l'intermédiaire du palier 27* Sous l'effet de cette contrainte importante le tore 30 se déforme jusqu'à atteindre à peu près la forma d'un anneau plat en permettant à l'arbre et au rotor de décrire un mouvement circulaire dans l'espaae 15 ainsi formé* Cette trajectoire orbitale ne sera pas totalement non amortit car le contact de la structure de palier et les rebords 32 et 33 provoqueront un freinage par frottement de la trajectoire orbitale ; l'écrasement du tore assurera également un amortissement initial qui peut être augmenté si l'on remplit le tore d'un Matériau approprié* 20 Quand l'arbre tourne de cette façon, l'axe de l'arbre 22 se trouve dévié par rapport à la partie arrière 23* Le décalage de l'arbre se produit et le déplace-* ment de la pièce spihérique interne 41 par rapport à la pièce externe 40 autorise la déplacement du palier intermédiaire 34 avec l'arbre en position décalée* Après avoir effectué un certain nombre de révolutions dans cette position 25 particulièrement instable, l'arbre s'inverse, c'est-à-dire qu'il modifie son mode de rotation, de telle sorte que son nouvel axe de rotation passe par son nouveau centre de gravité, ce qui par suite assure la stabilisation de sa rotation* L'espaoe produit par la déformation du tore est tel qu'il soit suffisant pour permettre le mouvement orbital nécessaire sous l'effet de tout déséquilibrage envisageable ta»-30 dis que le glissement entre les parties sphériques du palier intermédiaire permet la rotation de l'arbre dans son état décalé lorsqu'il s'inverse et après l'inversion* Par conséquent, le moteur tournera relativement régulièrement dans cette position d'arbre décalé supporté par les paliers intermédiaire et arrière et il y aura pan de danger d'endoamageaent supplémentaire pour la structure du moteur* 35 On peut constater que dans la forme d'exécution décrite ci-dessus il n'y a pas de positionnement positif entre les surfaces sphériques du palier arrière rinng le cas d'un fonctionnement normal et il peut être nécessaire de prévoir un tel positionnement* Les figures 3, 4 et 5 montrent divers moyens pour obtenir ce positionnement. A la figure 3» une nervure 43 solidaire de la partie intérieure 40 ceo» 40 père avec la partie extérieure* Une amorce de rupture 44 pratiquée à la basa da la 71 41682 2115316 nervure a des dimensions telles qu'elle cède en cas de contrainte excessive et périmât le glissement nécessaire* La figure 4 représente une disposition dans laquelle la partie de glissement interne comporte un rebord annulaire 45 s*etendant axialement qui coopère noi>» 5 salement avec un bord similaire 46 prolongeant la partie extérieure. Les rebords coopérants sont conçus pour se déformer sous l'effet d'une surcharge. pour permettre le déplacement nécessaire. La figure 5 montre une troisième variante dans laquelle des brochés 47 en métal doux oaimtiaBseat les parties interne et externe immobiles l'une par rap-10 port à l'autre» Sous l'effet d'une surcharge, les broches se rompent et permettent le glissement relatif des parties sphériqueso On comprendra que bien que les figures 3 à 5 concernent l'utilisation de formes particulières de structures déforaables permettant l'inversion nécessaire du système de rotor, on pourrait prévoir un grand nombre de variantes évidents pour les 15 techniciens» Ainsi, dans certains cas, le palier pourrait être monté sur ressorts ou sur un support en métal cassant ou encore sur des vérins hydrauliques, ou tout système semblable, fournissant un effet similaire» De plus, bien que l'invention soit plus spécifiquement destinée à $tre appliquée à l'aménagement de 1*arbre de ventilateur du moteur à turbine à gaz, sur lequel des surcharges dues au détachement 20 d'une aube sont évidemment très importantes, on pourrait cependant l'appliquer tout aussi bien à n'importe quel rotor du moteur» On notera que dans la forme de réalisa^ tian décrite, le palier intermédiaire comporte des surfaces de glissement en portion de sphère pour permettre l'inversion de rotation de l'arbre. On pourrait naturellement utiliser d'autres moyens. Ainsi, par exemple, an pourrait employer un palier 25 à rouleaux permettant en lui-même, la rotation modifiée, ou bien, en variante, l'ensemble du palier pourrait Stre monté sur une structure permettant l'inversion» Selon l'importance du désequilibrage, on pourra utiliser un palier à roulement normal por-té par un film de pression hydrodynamique en prévoyant un jeu suffisant pour permettre le déplacement modifié de l'arbre» 71 41682 5 2115316 REVENDICATIONS 1. Moteur à turbine à gaz comportant un arbre portant un rotor, un premier palier soutenant l'arbre au voisinage du rotor, un second palier portant l'arbre à l'écart du rotor et un troisième palier soutenant l'arbre à une autre distance 5 du rotor, ledit moteur étant caractérisé en ce que ledit premier palier est conçu pour permettre l'inversion du rotor si ce dernier se déséquilibré et ledit second palier est conçu pour permettre la rotation de l'arbre autour de son axe modifié pendant et après l'inversion» 2. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce 10 que le premier palier comporte une structure déformable conçue pour absorber de l*é-aergie par déforaation quand ledit rotor se déséquilibre et pour fournir un amortie ■ement qui provoque l'inversion du rotor. 3» Moteur à turbine à gaz selon la revendication 3» caractérisé en ce que la structure déformable est constituée par un tore creux de métal ductile» 1g 4» Moteur à turbine à gaz selon la revendication 3» caractérisé en ce que le tore creux est rempli d'un, matériau écrasable. 5» Moteur à turbine à gaz selon l'une quelconque des revendications 2 à 4» caractérisé en ce que le premier palier est monté en contact de frottement avec des surfaces assurant l'amortissement du déplacement du palier pendant et après 20 l'inversion» 6» Moteur à turbine à gaz selon la revendication 5, caractérise en ce que les surfaces assurant l'amortissement sont des surfaces en portion de sphère calées en un point de l'axe de rotation normal de l'arbre» 7» Moteur à turbine à gaz selon la revendication t, caractérisé en ce 25 que le second palier comporte un roulement à billes et la bague de roulement interne est susceptible de se déplacer par rapport à la bague de roulement externe pour permettre le déplacement de l'arbre dans sa position inversée» 8» Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second palier comporte un roulement à billes dont la bague de roulement ex-30 terne est en contact d'un film de pression hydrodynamique qui permet un déplacement suffisant pour assurer le mouvement de l'arbre dans son état inversé. 9» Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second palier comporte un roulement à billes coopérant avec des surfaces de glissement en portion de sphère permettant le déplacement d'inversion» 35 10. Moteur à turbine à gaz selon la revendication 9» caractérisé en ce que les surfaces de glissement sont maintenues normalement immobiles l'une par rapport à l'autre par une butée de rupture ou déformable qui se rompt eu se déforme quand le rotor se déséquilibre de façon excessive» 11» Moteur à turbiaa à gaz selon la revendication 10,caractérisé en ce que 71 41682 6 2115316 la bâtée est une nervure radiale présentant à la base une amorce de rupture qui la rend fragile» 12« Moteur à turbine à gaz selon la revendication 10, caractérisé en ce que la butée est canstituée par des broches de métal doux conçus pour se rompre pour 5 permettre le déplacement en inversion0 13» Moteur à turbine à gaz selon la revendication 10, caractérisé en ce que la butée est constituée par un rebord déformable d'une des surfaces sphériques qui coopère avec un rebord similaire de l'autre surface et qui se déforme pour peiv mettre le déplacement en inversion» 10 14» Moteur à turbine à gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre est constitué de deux parties reliées par une liaison à rainures» 15» Moteur à turbine à gaz selon la revendication 14-» caractérise en ce que la liaison à rainures est située au voisinage du second palier»