Brevet FR2514823A1 — publié le 19830422

Dispositif de protection contre itéclatement d'éléments rotatifs d'une machine tournante L'invention a pour objet un dispositif de protection contre l'écla- tement d'éléments rotatifs d'une machine tournante tel qu'un rotor d'une centrifugeuse, d'un volant d'inertie, d'une turbomachine et, notamment, d'une turbine à gaz. L'invention a plus particulièrement pour objet un dispositif de protection appliqué aux moteurs d'avions à turbines à gaz. Une turbomachine comprend de manière générale un rotor monté axialement dans le corps de la machine. Ce rotor comprend un arbre sur lequel sont fixées des ailettes qui traversent un conduit d'écou- lement de fluide et qui sont disposées de telle manière qu'elles puissent soit etre entrainées en rotation par l'écoulement du fluide passant par le conduit soit établir et comprimer un écoulement de gaz dans le conduit. Ces rotors sont entrainés à trams grande vitesse ce qui peut provoquer la rupture d'un ou plusieurs des éléments qui les composent. Ceux ci animés d'une énergie élevée peuvent perforer la paroi du moteur et, de ce fait, endommager gravement l'environnement extérieur. Ainsi l'un des dangers les plus graves pour un avion équipé de réacteurs réside dans l'éclatement d'un rotor, notamment la rupture d'une aube du ventilateur avant ou de la turbine arrière d'avec l'arbre. Ce danger est particulièrement sensible au départ lorsque les réacteurs tournent à pleine puissance. Le projectile lancé à grande vitesse peut, après avoir transpercé le carter externe, endommager gravement la carlingue de l'avion, couper les commandes, perforer les réservoirs et faire courir de grands risques aux passagers sty trouvant. I1 est évident dans ces conditions qu'il est nécessaire de protéger d'une manière ou d'une autre l'environnement des turbomachines contre de tels risques. Toutefois, dans le cas particulier des moteurs d'avion, des impératifs d'économie de poids et d'espace imposent des conditions supplémentaires à la réalisation d'une telle protection. Ainsi, la réalisation d'un dispositif de protection notamment pour réacteurs d'avions implique d'effectuer un compromis entre d'une part, une bonne résistance aux chocs et d'autre part un poids et une dimension acceptables. Afin de résoudre ce problème, il a été décrit plusieurs solutions dont on peut citer celles décrites dans les deux brevets français suivants 2,216,174 Il a été proposé dans ce document une barrière formée d'un panneau d'impact en matière céramique et d'un panneau d'appui dorsal en fibres imprégnées d'un polymère organique. I1 s'agit donc d'un panneau double dureté où la partie rigide reçoit l'énergie du choc initial, le panneau en stratifié fibres + résine n'étant présent que pour absorber l'énergie résiduelle. 2,298,759 I1 a été proposé dans ce document d'entourer la partie du rotor susceptible de se détacher d'une paroi en tôle dans laquelle est frettée une paroi en céramique. Outre la complexité du procédé d'obtention d'un tel dispositif qui nécessite une opération de frettage, il s'agit également d'un blindage double dureté qui est pénalisé par son poids. L'objet de l'invention est de proposer un dispositif constitué uniquement d'une matière composite formée de plusieurs couches de tissus de fibres imprégnées d'une résine organique, ce qui assure une économie de poids appréciable. L'invention propose également un nouvel agencement qui permet, tout en économisant davantage de poids, de conserver les performances quant à l'absorption du choc. Selon l'invention, le dispositif est caractérisé en ce qu'il est constitué d'un bouclier formé de plusieurs couches de tissus de fibres organiques ou inorganiques imprégnées d'une résine organique à grande déformation, ledit bouclier étant placé à la périphérie de tout ou partie de la paroi externe de la machine tournante, dans le plan de rotation des éléments rotatifs, ce bouclier étant fixé dans le cas où il ne couvre qu'une partie du pourtour de la paroi externe, par au moins un anneau constitué d'un matériau ayant une bonne résistance à l'allongement qui ceinture ladite paroi et qui est solidaire du bouclier. Le tissu est tissé à partir de roving de manière à ce qu'il ait le nombre de deniers désirés. Le bouclier est constitué d'un matériau stratifié obtenu à partir d'un empilement de couches de tissus selon l'épaisseur désirée. De manière générale, le pouvoir protecteur d'un stratifié à base de fibres augmente avec l'emploi de tissus de deniers plus élevés. Bien que des tissus dont le nombre de deniers varie de 500 à 15 000 peuvent être utilisés, il est avantageux d'utiliser un tissu dont le nombre de deniers est supérieur à 1 000. Le nombre de couches dépend de l'énergie à arreter. Il est défini pour chaque problème. En général on cherche le meilleur compromis entre le poids et l'efficacité. Parmi les fibres organiques ou inorganiques qui peuvent être utilisées, on peut citer : les fibres de verre, de carbone, de bore, les fibres de polyamide. On emploiera de préférence les fibres organiques très résistantes telles que les fibres de polyamide aromatique fournies par la Societé Du Pont de Nemours. Ces fibres sont, en effet, caractérisées par une importante résistance à la traction, une faible masse volumique, donc par un rendement structurel élevé. C'est l'association d'un tissu de fibres décrites ci-dessus et d'une résine à grande déformation qui assure au matériau une tenue au choc suffisante. Par résine organique à grande déformation on entend les résines ayant un allongement à la rupture supérieur à 10 Z et pouvant aller jusqu'à 500 Z et un module faible de préférence inférieur à 109N/m2. Il est nécessaire en effet que la résine suive la déformation des fibres sans délaminage. De nombreuses résines conviennent parmi les résines polyépoxyde, polyester, polyuréthanne, silicone. On emploiera avantageusement une résine viscoélastique. Les résines viscoélastiques ont souvent été utilisées pour absorber les vibrations provoquées par les sons. Ce n'est que récemment que ces résines ont été appliquées à la fabrication de dispositifs de protection pouvant résister à des chocs importants. Cette application est décrite dans la demande de brevet français nO 2 469 277. Les résines viscoélastiques sont des élastomères ou des mousses présentant une haute hystérésis dans la gamme de température à laquelle elles sont utilisées. Comparées aux matériaux élastiques, les résines viscoélastiques présentent un taux de reprise de déformation beaucoup plus lent et elles tendent donc à dissiper une proportion beaucoup plus grande d'énergie sous forme de chaleur. Les propriétés élastiques de tous les matériaux sont caractérisées par leur module d'Young (ou de coulomb) : E en newton par mètre carré. Les propriétés amortissantes d'un matériau sont définies par son coefficient intrinsèque d'amortissement : tg & Ce coefficient caractérise la part d'énergie dissipée sous forme de chaleur par le matériau. L'éventail des matériaux viscoélastiques est assez large pour disposer de produits dont le module peut varier de 106 à 109 N/m2, avec un coefficient d'amortissement suffisant compris entre 0,5 et 1,5. Les résines viscoélastiques qui conviennent pour l'invention peuvent être de natures fort diverses telles que notamment : les résines polyépoxyde, polyuréthane, polyisoprène, polyester etc... Ce type de résine est décrit dans plusieurs documents dont on peut citer : US 3,857,296, US 3,357,717. Les résines époxys conviennent particulièrement. Dans le cas d'un réacteur d'avion, qui est la turbine à gaz plus particulièrement mais pas uniquement concernée par l'invention, les deux zones qui sont exposées au risque d'éclatement du rotor sont la zone avant du ventilateur (température ambiante) et la zone arrière de la turbine qui est une zone chaude. Afin d'obtenir les performances maximum notamment pour la zone chaude l'homme de métier choisira de préférence les résines ayant une meilleure tenue thermique comme les résines silicones ou nitriles. Le taux d'imprégnation en poids, du tissu par la résine est compris de préférence entre 10 et 35 % et avantageusement entra 20 et 30 %. Afin que les boucliers puissent satisfaire aux exigences mentionnées ci-dessus, il est nécessaire qu'ils soient constitués de plusieurs couches de tissus superposés. Ainsi le matériau devra de préférence avoir une épaisseur comprise entre 25 et 30mm. On va décrire dans ce qui suit une réalisation adaptée aux réacteurs d'avions. Bien entendu l'invention n'est pas limitée à cette forme particulière de réalisation. Avant de poursuivre la description, il est nécessaire d'apporter les précisions suivantes : Un réacteur est constitué d'un premier carter qui contient, notamment la turbine, la chambre de combustion, la soufflante et le ventilateur du compresseur. Ce carter est dénommé carter moteur. Un second carter entourant le premier est ensuite présent. Le dispositif de l'invention est destiné à être placé entre les deux carters. Le terme rotor désigne un rotor à plusieurs aubes, d'une seule pièce avec lui ou rapportées. Le bouclier doit avant tout être placé de manière à ce quTil couvre l'arc de cercle défini par les objets à protéger. Ainsi pour un avion cela dépendra de l'endroit où le réacteur est situé. A l'ar rière, par exemple, la partie à protéger sera limitée à la carlingue. Dans ce cas, il est avantageux de limiter la surface du bouclier à l'arc de cercle critique et de le relier à l'ensemble de la structure par des anneaux. Le déposant a en effet trouvé que cette combinaison particulière présentait des performances très satisfaisantes. Par conséquent dans le cas préféré où les anneaux sont associés au bouclier, ceux-ci doivent avoir la rigidité suffisante pour que le blindage reste toujours dans la même position et doivent être assez souples pour que, lors du choc, les fibres travaillent en traction. Les anneaux sont de préférence constitués du même matériau que le bouclier mis à part quelques différences éventuelles au niveau du taux d'imprégnation de résine pour des raisons de mise en oeuvre. Ces anneaux sont de préférence au nombre de deux et sont situés au niveau des bords latéraux du bouclier. Le dispositif comprend également des moyens permettant sa fixation sur le carter moteur. Ces moyens de fixation peuvent être des trous destinés à des boulons ou à des vis, des profils à rainure et languette sur les bords, des consoles métalliques, etc. Ces moyens de fixation peuvent être situés sur le bouclier, sur les anneaux ou sur les deux simultanément. Dans le cas préféré où le dispositif de protection ne protège qu'une partie de l'espace concerné par la projection de projectile, il est avantageux d'associer aux anneaux un ruban à fort allongement par exemple un polyamide comme le tergal (marque déposée par Rhône Poulenc) éventuellement imprégné d'une résine organique identique ou différente de celle du bouclier. On peut par exemple enrubanner les anneaux avec le tissu à fort allongement. Un procédé de fabrication de ce dispositif consiste dans une première phase à mouler sur un mandrin métallique déterminé muni de saillies correspondant à la cote des anneaux, par bobinage hélicoldal, sous une tension déterminée, un composite fibre résine. Lorsque l'anneau atteint l'épaisseur voulue, la mèche est sectionnée et un ruban à fort allongement éventuellement imprégné d'une résine est enroulé par superposition à l'anneau composite. L'ensemble est ensuite soumis à un cycle de cuisson afin de poly mériser la résine. Les anneaux sont ensuite démoulés pour être utilisés dans la seconde phase. Un tissu préimprégné découpé suivant la largeur à protéger est enroulé en continu autour des anneaux selon un axe perpendicu laire à celui des anneaux sur un nombre de tours correspondant à la masse surfacique désirée. L'ensemble habillé est positionné dans une matrice et un poinçon supérieur vient en butée sur des portées qui matérialisent l'épaisseur du blindage. Le moulage est assuré par compression. La polymérisation s'effectue en étuve. Puis le bouclier est démoulé. On peut, en outre, interposer entre les anneaux et le carter, une structure en nid d'abeille. Ce dispositif présente de bien meilleures performances car il permet une plus grande déformation de l'ensemble. Les nids d'abeille en aluminium conviennent particulierement bien pour l'invention. Un nid d'abeille AG3 référence 4,5 peut être utilisé. On préferera toutefois, le nid d'abeille 3,5 fabriqué en AG3 de manière à absorber plus d'énergie. L'épaisseur du nid d'abeille dependra de l'énergie du choc à absorber. Dans une realisation particulière, l'épaisseur du nid d'abeille sera telle qu'il n'y aura plus de contact entre le dispositif de protection et la paroi du réacteur. Une telle réalisation est illustrée par les figures 1, 2 et 3 anne xées, - la figure 1 est une vue de face du dispositif de protection fixé sur la paroi externe du carter moteur - la figure 2 est une vue selon 0 de la figure 1 - la figure 3 est une coupe longitudinale schématique d'un réac teur muni d'un dispositif de protection selon l'invention au niveau du ventilateur avant. La paroi du carter (1) est entourée par le bouclier (2) formé de tissus de fibres imprégnées d'une résine viscoélastique et par deux anneaux (3) fixés à la paroi du carter moteur par des supports (4), par exemple en aluminium. Une structure en nid d'abeille (5) est interposée de telle manière que le bouclier ne soit pas en contact avec la paroi du carter moteur. A la figure 3 on distingue le rotor (6) contenu a l'intérieur de la paroi (1) du carter moteur entourée par le dispositif de l'invention. Les dispositifs décrits ci-dessus sont particulièrement intéressants pour protéger la carlingue d'un avion lors de l'éclatement d'une turbine de réacteur. Les essais effectués et qui sont rapportés dans les exemples cidessous montrent qu'un projectile de 5,8 kg à une vitesse de 120mils est arrêté ou considérablement ralenti. Les essais sont effectués avec un réacteur dont le diamètre du carter moteur est de 750 mm. Le bouclier couvre un arc de cercle de 70 o. EXEMPLE 1 Le dispositif fixé sur la paroi externe du reacteur est formé des éléments suivants - Bouclier Il a été réalisé avec le tissu référencé par la société STEVEN GENIN 97 311 dont la masse surfacique est de l'ordre de 455 g/m2. Ce dernier est tisse à partir du roving Kevlar 29 de 1500 deniers. La masse surfacique da ce bouclier était de 35,5 kg + 0,5 kg/m2. La résine est une résine polyépoxyde, viscoélastique dont les caractéristiques sont les suivantes 7 E = 3.10 N/m2 Tgs = 1 à 200C et à 100 Hz, allongement à la rupture 80 %, son pourcen tage en poids est de 23 % + 3 % par rapport au tissu sec. L'épaisseur du blindage est de 28 mm + 1 mm son poids est de 2 600 g + 200 g. - Anneaux Le bouclier était lié à deux anneaux de diamètre intérieur de 800 mm. . épaisseur des anneaux 14 mm + 1 mm . largeur des anneaux 43 mm + 3 mm. Ces anneaux ont été bobinés à partir d'un roving Kevlar 29 de 1500 deniers le pourcentage pondéral de résine était de 29 % + 3 % la masse de chaque anneau etait de : 2 000 g + 200 g la masse totale de ltensemble est de 5,8 kg + 200 g. EXEMPLE 2 bouclier Il a été réalisé avec le tissu référencé par la société STEVEN GENIN 97 311 dont la masse surfacique est de 11 ordre de 455 g/m2. Ce dernier est tissé à partir du roving Kevlar 29 de 1500 deniers. La masse surfacique de ce bouclier était de 35,5 kg + 0,5 kg/m2, la résine employée est la même qu'à l'exemple 1, son pourcen tage en poids était de 23 % + 3 Z. L'épaisseur du blindage était de 28 mm + 1 mm son poids était de 2 600 g + 200 g. anneaux Le bouclier est lié à deux anneaux de diamètre intérieur de 800 mm. . épaisseur des anneaux 14 mm + 1 mm . largeur des anneaux 43 mm + 3 mm Ces anneaux étaient composés : - d'un bobinage Kevlar 29 (pourcentage résine 29 % + 3 %) de 10 mm d'épaisseur - d'un enroulement d'un ruban tergal polyester de 5 mm d'épaisseur et de largeur 22 mm, le pourcentage de résine était de 17 Z + 3 %, la masse de tergal utilisée était de 300 g par anneau, l'allongement 24 %. la masse de chaque anneau est de 2 000 g + 200 g la masse totale de l'ensemble est de 6,5 kg + 200 g. EXEMPLE 3 Au dispositif selon l'exemple 2, on interpose entre la paroi du réacteur et les anneaux une structure en nid d'abeille réf. 4,50 fabriquée en alliage AG3 (5052 US) de largeur de 50 mm et d'épaisseur 45 mm. Essais de tir Les projectiles ont une masse de 5,8 kg et la vitesse à l'impact est d'environ 125 m/s. Les tirs sont effectues sous incidence 450. ! ! ! I J ! ! Masse du t Vitesse d' Exemple ! projectile (kg) I impact (m/s) I Observations I I I 1 1 ! 5,8 ! 123 !- arrêt quasi to- i tal du projectile I ! ! ! ! 2 2 ! 5,8 ! 123 !- arrêt du projec tile I ! 3 ! 5,8 ! 124 !- arrêt du projec I i Itile ! ! !- Rupture des an- ! i !neaux Kevlar mais ! I ! !les rubans de ter ! ! ! Sgal restent intacts ! ! ! !- Bonne tenue du ! ! I o bouclier. I ! ! ! Commentaires Le dispositif tel que décrit dans l'exemple 2 permet d'arrêter nettement le projectile de 5,8 kg à environ 123 m/s alors que le dispositif de l'exemple 1 donne lieu à une rupture totale des anneaux avec cependant un arrêt quasi-total du projectile. L'interposition d'une structure en nid d'abeille améliore, par une meilleure répartition des efforts, les performances du dispositif selon l'exemple 2 Revendications 1. Dispositif de protection contre l'éclatement d'éléments rotatifs d'une machine tournante, notamment d'une turbine à gaz caractérisé en ce qu'il est constitué d'um bouclier formé de plusieurs couches de tissus de fibres organiques ou inorganiques imprégnées d'une résine organique à grande déformation, ledit bouclier étant placé à la périphérie de tout ou partie de la paroi externe de la machine tournante, dans le plan de rotation des éléments rotatifs, ce bouclier étant fixe dans le cas où il ne couvre qu'une partie du pourtour de la paroi externe, par au moins un anneau constitué d'un matériau ayant une bonne résistance à l'allongement qui ceinture ladite paroi et qui est solidaire du bouclier. 2. Dispositif de protection selon la revendication 1 caractérisé en ce que le taux d'imprégnation en poids des tissus en résine est compris entre 15 et 35 X et de préférence entre 20 et 30 Z. 3. Dispositif de protection selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les fibres sont des fibres de polyamide aromatique désignées par le nom de marque 'tevlar". 4. Dispositif de protection selon l'une des revendications précé dentes caractérise en ce que les anneaux sont constitués du même matériau que le bouclier. 5. Dispositif de protection selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le ou les anneaux sont associés à un tissu à fort allongement. 6. Dispositif de protection selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que entre les anneaux et la paroi externe est interposée une structure en nid d'abeille