Brevet FR2467977A1 — publié le 19810430

Dispositif de sécurité en cas de rupture d'élément rotatif de turbomachine. L'invention concerne un dispositif de sécurité en cas de rupture d'élément rotatif de turbomachine, comprenant un anneau entourant un étage d'aubes sur lequel est enroulé un élément de forme longue, ledit anneau étant susceptible d'être traversé par la partie d'aube ou l'aube détachée qui se heurte à l'élément de forme longue dont les spires se déplacent pour absorber l'énergie cinétique. Les aubes et les disques de rotor de machines tournantes peuvent en cas de rupture provoquer des effets secondaires très graves et même catastrophiques, en particulier lors- qu'il s'agit d'une machine assurant la propulsion d'un avion. Afin de limiter les conséquences de tels incidents, on a entouré les carters des compresseurs et des turbines de blindages épais en acier. Le principal inconvénient de cette solution réside dans le poids et a pour effet de pénaliser les performances de la machine, si les fragments sont re- tenus à l'intérieur du carter et ne vont pas endommager les autres organes de la machine, cette rétention même est bien souvent source de rupture en chaîne des aubes qui vien- nent buter contre le fragment bloqué dans le carter. Il s'ensuit l'explosion du rotor ou l'arrachement du moteur de son support. Les constructeurs ont cherché des solutions à ce problème. C'estainsi que le brevet français ns 2 016 042 décrit des moyens de retenue constitués par le carter et des bandes mé- talliques enroulées sur sa surface extérieure. Le sens d'en- roulement des bandes est dans le sens opposé au sens normal de rotation et a pour effet, lorsque le fragment détaché du rotor vient heurter les bandes et les entraîner, de resserrer les spires par glissement d'o il résulte un frottement important qui absorbe l'énergie cinétique. L'enroulement est limité par l'élasticité du matériau constituant les bandes par suite de la fixation de leurs extrémités au carter et à la structure de montage fixe du moteur. L'éner- gie cinétique du fragment venant au contact des bandes a été en partie absorbée par le travail nécessaire à la per- foration ou à la déformation du carter.. Le brevet français nu 2 375 443 décrit un anneau de carter comportant une couche d'une matière à faible poids spéci- fique tel qu'un nid d'abeille fixé sur un anneau de retenue ayant une résistance mécanique élevée. Cet anneau est lui- même soutenu par des ailes susceptibles des'écraser lors d'une déformation de l'anneau de retenue. L'anneau de carter est maintenu dans un support par des goupilles ou par frot- tement de manière qu'il puisse tourner sous l'impact du fragment détaché du rotor et absorber l'énergie cinétique même si l'anneau de retenue est déformé. Enfin le brevet français n0 1 435 869 propose un anneau de retenue en une matière élastique et flexible monté de façon qu'il puisse être libre de se déplacer radialement vers l'extérieur en contact avec l'enveloppe par déformation ou par rupture de tenons de maintien. Un carter de rétention doit réunir trois conditions qui ne se trouvent qu'en partie satisfaite par les réalisations précédentes; à savoir le retrait rapide des fragments hors de l'enceinte du rotor; l'absorption de l'énergie pour que, s'ils parviennent à franchir les limites du carter de rétention, leur énergie résiduelle soit insuffisante pour provoquer des dégats; et enfin gtre suffisamment léger pour ne pas absorber une fraction trop importante de la charge marchande de l'avion. L'invention a pour but de réunir ces trois conditions et est remarquable en ce que le dispositif comporte de l'inté- rieur vers l'extérieur: une enveloppe interne, une première couronne de secteurs en un matériau déformable, un enroule- ment d'éléments de forme longue noyé dans une résine poly- mérisable, une deuxième couronne de secteurs en un matériau déformable et une enveloppe externe mince. Les explications et les figures données ci-après à titre d'exemple permettront de bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 montre une vue schématique en coupe lon- gitudinale du dispositif selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe transversale du dis- positif. La figure 3 représente l'enroulement d'un tronçon de fil. La figure 4 est un croquis explicatif du fonctionnement du dispositif. La figure 5 est un exemple de réalisation d'un dispo- sitif selon l'invention. La figure 1 représente un dispositif de sécurité en cas de rupture d'aube d'une turbomachine et en particulier d'un turboréacteur. Ce dispositif 1, disposé à l'intérieur du carter du compresseur ou de la turbine concernée, forme un anneau entourant un étage d'aubes (non représenté). L'anneau est constitué de l'intérieur vers l'extérieur: - d'une enveloppe interne 2 en un matériau résistant et élastique tel que de l'acier, du titane, une résine synthé- tique armée de fibres, ou autre. Cette enveloppe, selon l'en- combrement extérieur du carter à protéger, peut être constituée en un seul ou plusieurs éléments - d'une première couronne 3 de secteurs (figure 2), constituée d'un matériau capable d'une déformation perma- nente tel qu'un nid d'abeilles métallique ou composite dont les alvéoles sont garnis ou non, une mousse ou un feutre métallique, un matériau composite stratifié ou non, un matériau métallique homogène ou non de faible densité. Suivant une forme de réalisation, les secteurs sont main- tenus en place par une couche de matériau polymérisable - un enroulement 4 d'éléments de forme longue, les éléments étant constitués par un fil ou un cable de matériau métallique ou synthétique bobiné sur la couche de matériau polymérisable et les secteurs. Chaque élément forme au moins deux boucles complètes autour des segments, les extrémités de l'élément étant libres. Les éléments ont une longueur égale à au moins deux fois la longueur de la circonférence de l'enveloppe sur laquelle ils sont bobinés ou à un nombre entier de fois cette longueur, de manière à faire au moins deux tours complets de l'enveloppe. Le sens d'enroulement des éléments est celui du sens normal de rotation du rotor (figure 3). L'enroulement est noyé dans un matériau polymé- risable 5 tel qu'une résine mousse de polyuréthane ou autre; - une deuxième couronne 6 de secteurs (figure 2) et en un matériau déformable identique ou non à celui de la pre- mière couronne. Les joints 61 des secteurs de la deuxième couronne sont disposés approximativement au milieu des sec- teurs de la première couronne; - une enveloppe externe 7 mince constituée en un seul ou plusieurs éléments. Le mode d'action du dispositif selon l'invention va être décrit en regard de la figure 4. L'aube ou le fragment d'aube 8, échappé de l'aubage du rotor, perce l'enveloppe interne 2 sous l'action de la force cen- trifuge et de l'énergie cinétique qu'il possède. Il pénètre dans le secteur 31 situé à l'aplomb du point d'appui. Le matériau du secteur s'écrase et le secteur tout entier se déforme sous la poussée centrifuge du fragment qui tend à l'éloigner du centre de la machine. Les éléments 4 s'op- posent à ce mouvement. L'énergie cinétique du fragment est absorbé par le frottement des fils ou câbles 4 dans la couche 5 de résine ou mousse synthétique, et sous la forme d'effort interne de traction. Les secteurs de la deuxième couronne 6 sont sollicités à leur tour, se déforment radialement et déforment l'enve- loppe externe 7. En résumé, l'énergie cinétique de l'aube ou du fragment d'aube est absorbée: par la perforation de l'enveloppe interne 2, par la déformation du secteur 3, par les frot- tements des câbles 4 sur la matrice 5 et leur allongement, par la déformation du secteur 6, par la déformation de l'enveloppe externe 7 et par mise en compression des sec- teurs intacts quand les câbles se tendent. L'exemple de réalisation représenté figure 5, correspond à une application du dispositif à un moteur dont la souf- flante à un diamètre de carter d'environ 1,8 mètre, pour un fragment d'aube de 0,8 Kg et dont la vitesse de projection correspond à une vitesse linéaire en bout d'aube de l'ordre de 200 m/s. Le dispositif est fixé dans la zone balayée par l'aubage du compresseur et plus particulièrement en face d'une cou- ronne d'aubes dont une, 9, est représentée. D'une manière classique, on a prévu une couche 10 d'un matériau suscep- tible d'entrer en contact avec les extrémités d'aubes sans leur occasionner d'avarie et formant joint d'étanchéité. Le dispositif se présente sous la forme d'un ensemble main- tenu entre des supports 11 du carter du compresseur par 2467977- boulonnage. L'enveloppe interne 12 est en acier d'une épaisseur de 1,5 à 2 mm. Pour des facilités de construc- tion elle est constituée de deux demi secteurs, dont la géométrie cylindrique ou conique dépend du type de moteur. La première couronne 13 est constituée de secteurs en nid d'abeilles d'acier d'une épaisseur de l'ordre de 20 mm. Les secteurs sont maintenus par une enveloppe 14 en acier de 0,5 à 0,8 mm d'épaisseur. Sur cette enveloppe est dépo- sée une couche mince de résine mousse de polyuréthane. Des câbles 15, en polyimide de 4 mm de diamètre et dont la lon- gueur permet de faire deux tours de l'enveloppe, sont en- roulés, dans le sens de rotation du moteur, à spires prati- quement jointives. L'enroulement ainsi obtenu est noyé dans de la résine mousse. Une enveloppe 17 en acier de 0,5 à 0,8 mm d'épaisseur recouvre la couche précédente et supporte la deuxième couronne 18 formées de secteurs en nid d'abeil- les de 15 mm d'épaisseur en un alliage léger. Cette cou- ronne est maintenue par une enveloppe externe 19 en tôle d'acier de 0,5 à 0,8 mm d'épaisseur fixée par deux brides du carter. Lorsque la couche 10 de matériau d'étanchéité est omise, la structure décritepeut servir de panneau accoustique, l'enveloppe interne 12 est alors perforée et les secteurs 13 constituent des résonateurs d'Helmholtz. La structure décrite, du fait de l'emploi de mousse synthé- tique pour l'enrobage des câbles ne peut être utilisée pour la protection thermique. Un tel emploi nécessite un changement de matériau à la portée de l'homme de l'art. REVENDICATIONS DE BREVET 1. Dispositif de sécurité en cas de rupture d'élément rota- tif de turbomachine disposé dans le carter de la machine, comprenant un anneau entourant un étage d'aubes sur lequel est enroulé un élément de forme longue, ledit anneau étant suceptible d'être traversé par la partie d'aube ou l'aube détachée qui se heurte à l'élément de forme longue dont les spires se déplacent pour absorber l'énergie cinétique, carac- térisé en ce quele dispositif comporte de l'intérieur vers l'extérieur: une enveloppe interne, une première couronne de secteurs en un matériau déformable, un enroulement d'élé- ment de forme longue noyé dans une résine polymérisable, une deuxième couronne de secteurs en un matériau déformable et une enveloppe externe mince. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'enroulement d'éléments de forme longue noyé dans une résine polymérisable est compris entre deux enveloppes d'un maté- riau élastique. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'enroulement d'éléments de forme longue est consti- tué de tronçons de fil dont la longueur est au moins deux fois la longueur de circonférence de l'enveloppe sur la- quelle ils sont bobinés et permettant de faire des boucles complètes. 4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que les extrémités des tronçons de fils sont libres. 5. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'enroulement estfait dans le même sens que celui de rotation des aubes. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les secteurs sont formés d'un matériau 2467977 ' en nid d'abeilles. 7. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'enroulement est constitué de câbles en polyimide noyés dans une résine mousse. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que l'enveloppe interne comporte des per- forations et constitue avec les secteurs des panneaux acoustiques. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est constitué d'une enveloppe interne formée de deux demi secteurs en acier, d'une pre- mière couronne de secteursen nid d'abeilles d'acier, d'une première enveloppe en t8le d'acier, d'un bobinage en tron- çons de câble en polyimide, noyé dans une résine mousse, d'une seconde enveloppe en t8le d'acier, d'une deuxième couronne de secteurs en nid d'abeilles d'alliage léger et d'une enveloppe externe en tôle d'acier boulonnée sur des brides du carter de la machine.