Brevet FR2487004A1 — publié le 19820122

La présente invention concerne un système d'en- traînement de rotors de turbomachines et elle intéresse plus particulièrement le problème de supporter et d'en- traîner ces rotors lorsque leur masse est déséquilibrée et qu'une inversion du rotor peut se produire. Un déséquilibre de rotors, par exemple de soufflan- tes de turbomachines, peut se produire lorsqu'une partie ou la totalité d'une aube se détache du disque pendant que la turbomachine est en marche. Lorsqu'un rotor perd une aube, il subit une charge fortement déséquilibrée, ce qui a pour effet de le faire se comporter comme un corps décrivant une orbite autour de son axe de rotation initial. Après un nombre de révolu- tions limité dans cet état essentiellement instable, le rotor subit une inversion, c'est-à-dire modifie son mode de rotation de façon que son nouvel axe de rotation passe par son nouveau centre de gravité, et que sa rotation se stabilise donc de nouveau. Il ne peut se produire d'inversion que si le rotor tourne bien au-dessus de sa fréquence naturelle. Le rotor est conçu de façon qu'en fonctionnement normal sa fréquence naturelle soit bien supérieure à la vitesse maximale de la turbomachine (typiquement 30% supérieure. Lorsqu'une aube se détache, il est donc nécessaire d'abaisser d'une façon quelconque la fréquence naturelle du rotor pour qu'il puis- se y avoir inversion de celui-ci. On a déjà imaginé un certain nombre de solutions pour venir à bout du problème du déséquilibre de la rota- tion du rotor et de son inversion. Dans un grand nombre d'entre elles, le rotor est entraîné par un arbre princi- pal auquel il est relié par l'intermédiaire d'un raccord qui se rompt lorsqu'un déséquilibre du rotor se produit. Un arbre auxiliaire est habituellement prévu, qui trans- met alors le couple au rotor. Cet arbre auxiliaire est gé- néralement très déformable en flexion, comparé à l'arbre principal, et l'idéal est qu'il soit résistant à la tor- sion. Des solutions ont été proposées pour que ces crité- res soient respectés. Un des problèmes auxquels on est confronté lorsqu' on utilise des arbres auxiliaires qui n'ont pas la même déformabilité en flexion et en torsion que l'arbre princi- pal découle du fait que lors de la rupture du raccord, le couple est appliqué brutalement à l'arbre auxiliaire, ce qui peut le tordre ou le cisailler de façon durable ou faire subir au rotor une brutale augmentation du couple au moment o il commence à décrire une orbite avant de changer de mode de rotation. Cette application soudaine du couple accentue les forces de balourd et décentre encore davantage le rotor, lequel risque alors de venir heurter la structure qui l'entoure et de subir ainsi des détério- rations supplémentaires. De plus, lorsqu'on utilise un raccord fragilisé, celui-ci doit être cependant capable de supporter des va- riations brutales du couple, dues par exemple à l'impact des aubes contre un oiseau engouffré dans la soufflante, et ne se rompre que si les charges transversales découlant du déséquilibre des masses en rotation excèdent une valeur prédéterminée. On a constaté que dans les raccords o les points de moindre résistance sont des goupilles de cisail- lement, l'impact des aubes contre un oiseau de grande taille peut provoquer au niveau des goupilles un effort de cisaillement supérieur de 100% à celui qu'elles subis- sent normalement. L'invention a donc pour objet de réduire les effets nuisibles des variations soudaines du couple sur l'arbre auxiliaire et sur le raccord fragilisée A cet effet, une turbomachine selon l'invention, comprenant un arbre principal, un rotor, un raccord fra- gilisé, qui relie l'arbre principal au rotor et par l'in- termédiaire duquel une chaîne cinématique primaire est établie entre eux pour la transmission du couple de rota- tion, le dit raccord étant conçu de façon à interrompre la chaîne cinématique primaire entre l'arbre principal et le rotor lorsque les charges transversales appliquées à ce dernier dépassent une valeur prédéterminée, et un arbre auxiliaire relié à l'arbre principal et au rotor de façon à établir entre eux une chaîne cinématique secondaire transmettant le couple de rotation de l'un à l'autre lors- que la rupture du raccord interrompt la chaîne cinématique primaire, le dit arbre auxiliaire étant plus déformable en flexion que l'arbre principal pour permettre l'inversion du rotor lorsque celui-ci présente un déséquilibre dynami- que, est caractérisée en ce que l'arbre auxiliaire est soumis à une prétorsion dans le sens inverse de celui de la rotation de l'arbre principal et en ce qu'il est prévu des moyens de contrainte pour maintenir de force l'arbre auxiliaire en l'état de pré-torsion jusqu'à ce que le rac- cord interrompe en se rompant la chaîne cinématique primai- re, de façon que l'arbre auxiliaire se détorde de lui-même lors de cette interruption. Les moyens de contrainte sont constitués de préfé- rence par le raccord. Comme variante, ils peuvent s'ajou- ter à celui-ci. De toute façon, l'invention sera bien comprise à 1' aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, représentant, à titre d'exemple non li- mitatif, une forme d'exécution de cette turbomachine: Fig. 1 est une vue fortement schématisée d'une tur- bomachine d'aéronautique comportant l'agencement selon 1' invention; Fig. 2 est une vue en coupe longitudinale de la souf- flante placée à l'avant de la turbomachine de fig. 1. La turbomachine 10 représentée à la figure 1 est du type à soufflante carénée 11 tournant dans un conduit de dérivation 12. La soufflante Il est montée à une extrémité d'un arbre principal 13 entraîné en rotation par une tur- bine 14. Celle-ci est elle-même entraînée par un courant gazeux provenant d'un générateur de gaz 15. Ce générateur est du type traditionnel et il comporte.un ou plusieurs autres compresseurs 16, une chambre de combustion 17 et des turbines 18. On peut voir à la figure 2 que l'arbre principal fl tourne dans deux paliers principaux 19, 20 portés par la structure fixe 21 du carter de la machine. Le palier avant 19 est un roulement à billes qui forme aussi palier de bu- tee, tandis que le palier arrière 20 est un roulement à rouleaux. La turbine 14 (non représentée à la figbre 2) est montée sur l'arbre principal de façon classique en un point situe en avant du palier arrière 20. De préférence, l'aerbre auiliaire est logé dans la lumière axiale de l'arbre riialv qui est done creux, et il est relié A ce dernier par une de ses extrémités, Le rotor de la soufflante 1l comporte une pluralit6 d'aubes 22 fix6es sur la faè péripherique d'un moyeu 23 par une attache traditionnelle de type "sapint. Le moyeu 23 pr6sente à chacune do ses eztrémités un prolongement cylindrique creux 24, 252 qui se termine par une bride an- nulaire. Le rotor Il est monté dans le palier avant 19l par l'intermédiaire d'ei capot 26.i6é à la bride du prolonge- ment 25 par des goupilles doe isaillement 27. Ces goupil- les t_ forment une liairon destrmctible destinée à se rom- pre lorsque le rotor Il subit des charges transversales qui dépassent une valeur prédetern'net ainsi qu'il sera explique plus loin. Le prolongement Avant 24 est boulonn6 à un capot avant cor-.que 28 muni de cannelures intérieures 29. Un arbre auxiliaire â est monté sur des canelures 31 à l'intérieur de l'arbre principal 13 et il s'etend au- delà du palier avant 19. Cet arbre 30 est lui-même muni à son extrémité avant de cannelures extérieures qui corres- pondent aux cannelures int6rieures 29 du capot avant coni- que 28 et il est calé sur les cannelures au moyen d'un é- crou 32. Cet arbre auxiliaire présente une résistance à la torsion suffisante pour transmettre à la soufflante avant Il le couple de rotation développé par la turbine 14 lors- que les goupilles de cisaillement 27 se rompent. Lors du montage, on fait subir à l'extr6mité avant de l'arbre auxiliaire 30 une pré-torsion élastique de sens inverse à celui de la rotation du rotor Il en service. L'arbre auxiliaire 30 est contraint de rester dans cet é- tat de pré-torsion aussi longtemps que le raccord fragili- sé constitué par les goupilles de cisaillement 27 main- tient la continuité de la chaîne cinématique entre l'arbre principal et le rotor par l'intermédiaire du capot 26. On peut donc voir que le raccord fragilisé maintient efficace- ment l'arbre auxiliaire 30 dans son état de pré-torsion. L'arbre auxiliaire;O possède une résistance suffi- sante à la torsion mais il a une plus grande déformabilité en flexion que l'arbre principal a et il constitue la cha ne cinématique secondaire entre l'arbre principal fl et le rotor Il lorsque le raccord fragilisé se rompt. La flexibilité de l'arbre 30 permet au rotor de décrire une orbite et dyavoir une marche inversée par rapport à 1' arbre 13 en cas de déséquilibre des masses du rotor. Dès que les charges transversales qui s'exercent sur le rotor dépassent une valeur prédéterminée, à la suite, par exemu- ple de la perte par celui-ci d'une partie ou de la totali- té d'une aube, les goupilles de cisaillement 27 se romp ent et permettent à l'arbre 30 de transmettre le couple de 1' arbre 13. La soudaineté de l'application du couple est a- mortie par la détorsion de l'arbre auxiliaire 32. Si on le désire, on peut interposer entre les deux arbres des patins élastiques Il pour servir d'amortisseurs lorsque se produit l'inversion du rotor 11. Par suite de la pré-torsion de l'arbre;O dans le sens inverse de celui de la rotation de l'arbre principal 13, les goupilles de cisaillement 27 sont toujours sous charge au cours de la marche équilibrée du rotor, de sor- te que les cannelures 29, 31 sont toujours chargées sur les mêmes faces. Ceci donne un ensemble mieux équilibré. En outre, la réaction élastique de l'arbre 10 à la pre- torsion applique aux goupilles une contrainte égale à en- viron 100% de celle pour laquelle elles ont été conçues, de sorte que lorsque le rotor tourne, la charge des gaz sur les aubes ramène cette contrainte initiale à 25%, par exemple, de la valeur nominale. Lorsque les aubes heurtent des objets lourds, comme des oiseaux ou des débris, qui sont insuffisants pour déséquilibrer complètement le ro- tor, l'effort de cisaillement sur les goupilles est encore réduit et revient à environ 75% de la valeur nominale. Si les aubes heurtent un objet assez gros pour qu'une aube se détache en partie ou en totalité, le centre de gravité du rotor change alors de place et les goupilles 27 sont a- lors soumises à des chargea orientées transversalement aux arbres 13, 30 et elles se rompent. Elles Pont en effet di- mensionnées de façon à se rompte lorsque les charges trans- versales dépassent une valeur prédéterminée. Cette valeur dépend, dans la pratique, du couple que doit transmettre le raccord, du nombre de goupilles 27, du degré de dété- rioration du rotor qui peut être toléré avant qu'il se déséquilibre trop, de la vitesse de rotation du rotor, du degré de pré-torsion de l'arbre 30 et de la résistance à la torsion des arbres;0 et 13. Cependant, le spécialiste concepteur d'ensembles tournants de turbomachines, mis au courant de l'invention, sera parfaitement à même de réali- ser un ensemble tournant répondant aux conditions spécifi- ques requises. Dans la forme d'exécution qui vient d'être décrite à titre d'exemple, les moyens pour contraindre l'arbre 0 à rester dans l'état de pré-torsion sont constitués par le raccord fragilisé lui-même. On peut également, si on le désire, utiliser des moyens séparés. On peut, par exemple, monter un élément intermédiaire concentrique entre l'extré- 3O mité avant de l'arbre;O et le capot avant 28. Cet élément intermédiaire peut être un manchon cylindrique muni de can- nelures intérieures correspondant aux cannelures extérieu- res de l'arbre 30 et de cannelures extérieures correspon- dant aux cannelures intérieures 29 du capot. Dans ce cas, la pré-torsion de l'arbre 30 s'obtient en décalant angu- lairement les cannelures extérieures de l'élément intermé- diaire par rapport à ses cannelures intérieures. - REVENDICATIONS - 1.- Turbomachine comprenant un arbre principal, un rotor, un raccord fragilisé, qui relie l'arbre principal au rotor et par l'intermédiaire duquel une chaîne cinémati- que primaire est établie entre eux pour la transmission du couple de rotation de l'un à l'autre, le dit raccord étant conçu de façon à interrompre la cha ne cinématique princi- pale entre l'arbre principal et le rotor lorsque des char- ges transversales appliquées à ce dernier dépassent une va- leur prédéterminée, et un arbre auxiliaire relié à l'arbre principal et au rotor de façon à établir entre eux une chaine cinématique secondaire transmettant le couple de rotation de l'un à l'autre lorsque la rupture du raccord fragilisé interrompt la chaine cinématique primaire, le dit arbre auxiliaire étant plus déformable en flexion que l'arbre principal pour permettre l'inversion du rotor lorsque ce dernier présente un déséquilibre dynamique, ca- ractériséeen ce que l'arbre auxiliaire (30) est soumis à une pré-torsion élastique dans le sens inverse de celui de la rotation de l'arbre principal (13) et en ce qu'il est prévu des moyens de contrainte pour maintenir de force l'arbre auxiliaire dans l'état de pré-torsion jusqu'à ce que le raccord interrompe en se rompant la chatne cinéma- tique primaire; de façon que l'arbre auxiliaire se détorde de lui-même lors de cette interruption. 2.- Turbomachine selon la revendication 1, caracté- risée en ce que les moyens de contrainte sont constitués par le raccord fragilisé lui-même (goupilles 27). 3.- Turbomachine selon la revendication 1, caracté- risée en ce que les moyens de contrainte sont constitués par des moyens autres que le raccord. 4.- Turbomachine selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractériséeen ce que l'arbre auxiliaire (30) est disposé à l'intérieur de l'arbre principal (13) qui est creux et en ce qu'il est relié par une de ses ex- trémités à cet arbre principal. 5.- Turbomachine selon la revendication 3 ou la re- vendication 4, caractérisée en ce que les moyens de con- trainte comprennent un manchon cylindrique relié par une extrémité à l'arbre principal (13)et par l'autre extrémité & l'arbre auxiliaire(30).