Brevet FR2465078A2 — publié le 19810320

FR 2465078 A2 19810320 FR 7922714 A 19790911 Les groupes moteurs à turbine à Caz, et notamment ceux de petites dimensions où il est difficile d'assurer le refroidis sement de la turbine, présentent certains inconvénients dont les principaux sont la forte consommation spécifique de carburant7 le prix de revient élevé et l'encombrement spécifique. Pour y remédier, l'une des méthodes les plus efficaces consiste à élever la température des gaz, mais on est limité dans cette voie par la perte de résistance mécanique subie par des matériaux réfractai- res métalliques classiques, non refroidis. Par contre, les matériaux céramiques sont beaucoup plus aptes à supporter de hautes températures, mais leur résistance mécanique est en général tres inférieure a' celle des matériaux métalliques.Pour les matériaux céramiques du commerce se prêtant à la fabrication en série, la résistance mécanique pratiquement utilisable est en gros égale a' la moitié seulement de celle des meilleurs métaux et alliages réfractaires, compte tenu de la fragilité et des données statistiw ques de production. On a déåà souvent proposé des rotors de turbine réalisés entièrement ou partiellement en matériau céramique, mais sans succès pratique jusqu'à présent, du fait des limitations sus-exposées et parce qu'on n'a pas bien compris le comportement des ma tériaux céramiques ni certaines données statistiques obtenues a la fabrication (telles que nombre de MTeiltull et autres). En vue de la simplicité de structure, on monte la turbine entraînant le compresseur sur le même arbre que ce dernier. Un tel montage suppose que le groupe à turbine à gaz est de conception assez étudiée pour comporter au moins une autre turbine ap- port d'énergie extérieure et que le groupe est du type turb*ma- chine, c'ast-à-dire à compresseur centrifuge ou axial et à turbine axiale ou radiale. Les efforts subis par une roue mobile ou rotor sont dans une grande mesure fonction de la force centrifuge, et donc de la vitesse périphérique. La simplicité de structure exige que la turbine entraidant le rotor de compresseur soit montée sur le même arbre que ce dernier, ce qui implique que la turbine tourne à la même vitesse que le compresseur. La puissance byeciXique que peut fournir ou consommer un rotor est en gros proportionnelle au carré de la vitesse périphérique. Si un seul rotor de turbine doit à la fois entrainer le compresseur et fournir l'énergie de sortie, le compresseur et la turbine ont, dune manière générale, sensiblement le meAflie diamètre. Un matériau céramique ne saurait supporter les grandes vitesses périphériques adoptées dans les turbines métalliques et, selon I'invention, le premier rotor de turbine, en céramique, qui entrain le compresseur présente des dimensions et, notamment, un diamètre réduits. Il en résulte que la turbine n'est pas assez puissante pour entraSner le compresseur, de sorte qu'il faut lui fournir un supplément d'énergie transmis soit par un autre rotor de turbine monté sur un arbre indépendant, soit par un autre rctor céramique monté sur l'arbre commun du compresseur et de la première turbine. Si l'on répartit énergie que doit fournir la turbine entre deux rotors de turbine, dont l'un entraine le compresseur, on peut donner des diamètres plus faibles aux deux rotors et en particulier à celui entraînant le compresseur, qui reçoit habituellement les gaz chauds. On réduit ainsi les efforts centrifuges subis par les deux rotors de turbine, mais pas assez, tant s'en faut, pour permettre l'utilisation pratique des matériaux céramiques actuels. La résistance mécanique d'un rotor de turbine céramique reproductible est-assez nettement inférieure à celle d1un rotor en métal ou alliage réfractaire classique pour vouer à l'échec tout effort fait pour obtenir un rotor céramique d'un seul tenant, fonctionnant de manière classique. Pour adapter la résistance mécanique de la céramique à la vitesse du rotor, il est nécessaire de réduire nettement le diamètre et, ainsi, la vitesse périphérique. On réduit ainsi les efforts subis par le rotor, mais aussi l'énèrgie qu'il peut fournir. Pour obtenir la puissance qu'exige l'entrainement du compresseur, il faut adjoindre des moyens auxiliaires pour supporter la turbine. Ia réduction apportée à la capacité de production dXé- nergie en réduisant le diamètre de la turbine de compresseur est largement compensée par la possibilité d'augmenter énormément la température. Toutefois, la température plus forte augmente le débit de gaz, ce à quoi on peut remédier en prévoyant entre les aubes du rotor turbine des Dasertures plus grandes, pe sttant le passage des gaz à ce débit accru.Il en résulte, d'une manière générale, que le rotor à diamètre réduit présente proportionnellement un nombre de pales plus faible et un allongement (rapport longueur/largeur)des pales plus faible qu'un rotor classi que,c quikst favorable du point de vue du profilage et des efforts et est admissible du fait qu'il est inutile de prélever le maximum d'énergie à cet étage.La possibilité d'augmenter l'espacement des pales du rotor et de concevoir celui-ci de façon que le courant gazeux ne subisse en le franchissant qu'un faible changement de direction se traduit par une réduction de la résistance à ltécoulement.Une méthode pour réduire aussi le changement de direction à prévoir dans un stator précédant le rotor consiste à décaler la chambre de combustion par rapport à un plan longitudinal passant par l'axe du rotor et à disposer le stator de turbine dans une chambre de diffuseur afin que,dès leur arrivée au stator, les gaz soient déjà animés d'un certain mouvement tourbillonnaire.Cette méthode permet de réduire énormément la grandeur et le nombre tant des pales de rotor que des aubes de stator et de supprimer,pour certaines applications, le chevauchement des pales ou des aubes,ce qui facilite la fabrication et réduit le prix de revient et le poids. On va maintenant décrire à titre d'exemples certaines réalisations de l'invention en se référant aux dessins annexés,sur lesquels La figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une turbine selon l'invention; Les figures 2 et 3 illustrent deux modes possibles de fixation d'un rotor céramique sur un arbre métallique. La figure 1 illustre une réalisation de l'invention. Le compresseur 30 est monté sur un arbre creux 31,qui porte un rotor 32,solidaire de ses pales et réalisé en céramique. Ce rotor présente sur l'arbre 31 un montage amovible flexible, assuré par une tige filetée intérieure 33 et par un ou plusieurs écrous non représentés. Un second rotor 34 et un troisième rotor 35,dont le dernier au moins est métallique, sont disposés en aval du premier rotor 32 et tous deux reliés à un engrenage épicycloldal 36. L'arbre de sortie 37 du porte-satellites de cet engrenage entraîne une charge 38,tandis qu'un second arbre 39, relié au planétaire,fournit,par l'intermédiaire d'une transmission à rapport variable 40, l'énergie d'appoint pour I'entraîaement du compresseur. L'air émanant du compresseur 30 passe dans un collecteur 41 qui entoure la chambre de combustion 42. Une fraction de cet airse rabat vers le bas et passe par des orifices 43 dans l'arbre creux 31,qui le canalise vers le rotor 32 pour refroidie dernier,ainsi que l'arbre et que les organes flexibles assurant son centrage. La chambre de combustion est munie d'un ou de plusieurs brûleurs 44. Des moyens de pompage et de réglage, non représentés, assurent l'amenée de carburant de manière que les gaz produits soient beaucoup plus chauds que ceux produits dans les turbines classiques,comportant un premier rotor métallique. La figure 2 illustre une méthode permettant de monter élastiquement un rotor céramique sur un arbre métallique en tenant compte de la différence entre les coefficients de dilatation thermique de ces deux matériaux. Le rotor 32 de la turbine à gaz représentée sur la figure 1 est réalisé en céramique,d'un seul tenant avec ses pales et avec un bout d'arbre central 46,qui pénètre dans une extrémité de l'arbre creux 31. La tige 33 qui traverse cet arbre reçoit,à son extrémité opposée au rotor,un ou plusieurs écrous de-serrage de l'assemblage. A l'extrémité voisine du rotor de la tige 33 est disposé un manchon à l'extrémité ouverte qui présente des cannelures sur sa paroi latérale 47 et se termine par un certain nomhre de griffes dirigées axialement,engagées sur un bourrelet annulaire formé à la naissance du bout d'arbre 46. Le raccordement entre le manchon à griffes et la tige 33 est assuré par un éliment élastique axial 33a. Cette mesure est souhaitable si l'extrémité de ltarbre porte contre le moyeu du rotor,pour l'immobiliser fermement. Les cannelures 47 formées dans le manchon à griffes ne sont pas nécessairement rectilignes et axiales:elles peuvent stétendre en hélice sur le pourtour du bout d'arbre. Pour éviter toute rotation relative entre le manchon à griffes et le bout d'arbre,et faciliter ainsi la transmission du couple,on ménage dans le bout d'arbre des gorges destinées à recevoir certaines au moins desdites cannelures. Comme noté à propos de la figure l,de l'air émanant du compresseur pénètre dans l'arbre 31. Le manchon prévu à ltextrémité de la tige 33 présente,côté intérieur,des orifices 49a et, côté extérieur,des fentes 49b,séparant ses griffes,afin que de l'air puisse traverser axialement le manchon pour refroidir ce dernier,ainsi que l'arbre de rotor, qui présente des fentes axiales 31a de passage de l'air de refroidissement. Un tel raccordement demeure positif en dépit de dilatations thermiques différentielles apparaissant tant axialement que radialement. La figure 3 illustre une variante de raccordement entre le rotor et le manchon à griffes. Le bout d'arbre 46b présente une section polygonale ou polylobée,ici trilobée,mais qui peut comporter quatre lobes ou plus. Le manchon à griffes 47b et le passage ménagé dans l'extrémi- té de l'arbre creux 31b présentent des sections polygonales analogues,mais de plus en plus grandes. La section polygonale est caractérisée en ce que sa dimension "diamétrale",ou dimension transversale passant par son centre,est constante. Cette dimension est indiquée, pour l'arbre creux,en d et, pour le bout d'arbre,en di y Les surfaces des lobes sont faciles à réaliser par meulage et la forme polylobée assure une transmission du couple sans danger. L'organe de préhension à griffes présente ici des cannelures transversales,interrompues par des fentes qui permettent un écoulement d'air axial.Les cannelures transversales,outre qu'elles introduisent de l'élasticité axiale,absorbent les dilatations thermiques différentielles radiales. Au lieu de cannelures transversales,ltorgane à griffes peut présenter des cannelures axiales,ou sensiblement, et comporter un organe élastique axial tel que représenté en 3a sur la figure 2. REVENDICATIONS 1. Groupe moteur à turbine à gaz comprenant un compresseur (30), un premier rotor (32) de turbine monté sur le même arbre (31) que le compresseur, qu'il entraîne,un ou plus d'un rotor de turbine supplémentaire (34,35) monté sur un arbre indépendant de celui de l'ensemble premier rotor de turbine-rotor de compresseur et au moins une chambre de combustion qui comporte des moyens d'alimentation en carburant,reçoit de l'air du compresseur et fournit des gaz de combustion au premier rotor de turbine et au moins à un rotor de turbine supplémentaire, caractérisé en ce que l'arbre (31) portant le premier rotor (32) de turbine et le compresseur est creux, et en ce que le premier rotor de turbine est solidaire d'un bout d'arbre (46) destiné à être inséré dans cet arbre creux età y être maintenu élastiquement par une tige de serrage (33), enfilée dans l'arbre creux et agrippant le bout d'arbre par un moyen de préhension élastique,(33a) ,des formations complémentaires (47) engagées l'une dans l'autre étant prévues sur le bout d'arbre et sur la tige de maintien (33) pour interdire toute rotation relative pendant transmission du couple. 2. Groupe selon la revendication l,caractérisé en ce que lesdites formations(47) sont des cannelures sensiblement axiales formées sur ledit moyen de préhension et des gorges complémentaires ménagées dans le bout d'arbre 3. Groupe selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le bout d'arbre (46) présente une section polygonale,ledit moyen de préhension et ledit arbre creux -(31) ayant des sections analogues,mais de plus en plus grandes. 4. Groupe selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit arbre creux (3-1) s'étend jusqu'au moyeu du premier rotor (32)de turbine et en ce que le raccordement entre la tige de serrage (33) et l'organe de préhension comporte un moyen élastique axial (33a).